氣-液兩相流管段內介質流型判斷和管徑優化

曹剛　張悅

1　東華工程科技股份有限公司上海分公司（上?！?00233）2　液化空氣工程咨詢（上海）有限公司（上?！?00233）

化工設備

氣-液兩相流管段內介質流型判斷和管徑優化

曹剛1張悅2

1東華工程科技股份有限公司上海分公司（上海200233）2液化空氣工程咨詢（上海）有限公司（上海200233）

參照國內外相關規范，結合工作經驗，總結出化工工藝設計時設計人員為氣-液兩相流管段初選管徑后判斷管道流型的方法，并給出管徑優化方向，從而在工藝設計方面減少因化工裝置管道內兩相流流型不當而引發的安全事故。

兩相流流型判斷管徑優化

0　概述

在進行化工工藝設計時，設計人員經常遇到氣相和液相混合物在管內并流的現象，這種流動被稱為氣-液兩相流。在蒸汽發生器、冷凝器、氣-液反應器入口管段等部位容易發生兩相流。氣-液兩相流的流動過程十分復雜，在實際生產中，如果管徑選擇不當，管道會產生受迫機械振動甚至共振，導致管道發生疲勞破壞、產生振動噪音和振蕩擾動，影響控制元件的精度，甚至導致生產安全事故的發生。

在一般情況下，當管段內氣-液混合物中氣相體積分數為6%～98%時，該管段內的介質應視為兩相流。兩相流體與單相流體的流動機理不同，在兩相流中沒有類似單相流中摩擦阻力系數與雷諾數之間的通用關聯式。設計人員通常先初選管徑，對所選管徑下管內流體的流型進行判斷；如果流型合適，則設計人員只需要對管內兩相流的均相流速是否小于使管壁受到嚴重侵蝕的流速，以及兩相流的質量流速是否小于管道出口端的極限質量流速進行核算；如果結果符合要求，且壓降在工藝允許范圍內，則所選管徑可視為合適的管徑。所以，判斷氣-液兩相流管道內介質的流型是管徑選擇的重點，也是難點。［1-2］

1　氣-液兩相流管段初選管徑后介質流型的判斷

在進行兩相流管段管徑選擇前，設計人員需要知道兩相中氣相和液相的質量流量、密度、黏度以及液相的表面張力，同時，還需要知道兩相流管段的走向。這是因為在工程設計中，兩相流管段內的流型是依據計算結果查詢相應的流型圖而得到的。在相同工況下，水平流動和豎直流動所對應的流型圖是不同的。

1.1水平管段內氣-液兩相流的流型判斷

在水平管段中，氣-液兩相流的流型有氣泡流、活塞流、層流、波狀流、柱狀流、環狀流及分散流等，特征分別如下：

氣泡流：氣泡沿管上部移動，其速度接近于液相的速度；

活塞流：液相和氣相沿管道上部交替呈活塞狀流動；

層流：液相沿管底部流動，氣相在液面上流動，形成平滑的氣-液界面；

波狀流：類似于層流，但氣相在較高流速下流動，其界面受波動影響而被擾動；

柱狀流：由于氣相以較快的速度流動而周期性崛起波狀，形成泡沫栓，并以比平均流速大得多的速度流動；

環狀流：液相呈膜狀沿管內壁流動，氣相則沿管中心高速流動；

分散流：大部分或幾乎全部液相被氣相霧化而帶走。

流型判斷：化工工程設計中常利用Baker流型圖（見圖1）來判斷水平管內氣-液兩相流的流型。該圖將兩相流在水平管中的流動分成七個流型區域，不同流型區域的邊界存在過渡區。

Baker流型圖中By和Bx的計算公式如下：

式中，By，Bx為Baker參數；

WG為氣相質量流量，kg/h；

WL為液相質量流量，kg/h；

ρG為氣相密度，kg/m3；

ρL為液相密度，kg/m3；

μL為液相黏度，Pa·s；

A為管道截面積，m2；

σL為液相表面張力，N/m。

通常，先計算By，當By≥80 000時，一般黏度的兩相介質的流型多為氣泡流或環狀流，此時無需計算Bx；當By＜80000時，需要計算Bx。最后根據計算出的By，Bx值，從圖1中查出其流型。

圖1　Baker流型圖

1.2豎直管段內氣-液兩相流的流型判斷

在豎直兩相流管段中，氣-液兩相流的流型有氣泡流、柱狀流、泡沫流、環狀流及霧狀流等，特征分別如下：

氣泡流：氣相呈氣泡分散在向上流動的液相中，當氣相流速增加時，氣泡的尺寸、速度及數目也相應增加；

柱狀流：液相和氣相交替呈柱狀向上移動，液相柱中含有一些分散的氣泡，每一氣相柱周圍是一層薄液膜，并向柱底流動，當氣相流速增大時，氣相柱的長度和速度均增加；

泡沫流：薄液膜消失，氣相和液相混合在一起，形成湍動紊亂的流型；

環狀流：液相以小于氣相的速度沿管壁向上移動，氣相在管中心向上移動，部分液相呈液滴狀被夾帶在氣相中，當氣相流速增加時，夾帶量也增加；

霧狀流：當氣相流速增加時，全部液相離開管壁并呈微細的液滴狀，被氣相帶走。

流型判斷：化工工程設計中常利用Griffith-Wallis流型圖（見圖2）來判斷豎直管內氣-液兩相流的流型。Griffith-Wallis流型圖將兩相流在水平管中的流動分成三個區域：氣泡流、柱狀流和環狀流或霧狀流區域。

判斷流型的參數如下：

式中，Fr為弗勞德（Froude）數；

Fv為氣相體積分率；

VG為氣相體積流量，m3/s；

VL為液相體積流量，m3/s；

d為管道內直徑，m；

A為管道截面積，m2；

g為重力加速度，9.81 m/s2；

其余符號的意義與水平管段兩相流流型計算相同。

圖2　Griffith-Wallis流型圖

2　通過流型判斷初選的氣-液兩相流管徑是否合適及其優化方向

2.1氣-液兩相流流型為柱狀流或活塞流

在工程設計中，一般要避免氣-液兩相流的流型為柱狀流和活塞流，以防引起管路及設備的嚴重振動。若選用的管徑經計算后得出的管段流型為柱狀流或活塞流，則應在壓力降允許的情況下盡量縮小管徑，并增大流速。同時，按照SH/T 3035—2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導則》的要求，工藝人員需要核算當流量為正常負荷的50%時，選用的管徑是否仍可以保證在豎直向上的管段中不發生柱狀流或活塞流。

2.2氣-液兩相流流型為霧狀流

霧狀流是不可逆流區，在正常操作條件下，一般不能將霧狀流流型轉換為其他的兩相流型。因此，設計時對于進入分餾塔、氣液分離器和其他相分離設備內的氣-液兩相流管道，應使其避開霧狀流區，以利于兩相分離。建議使用以下公式確定是否可以避免霧狀流的最大流速：

式中，μm為混合物流速，m/s；

μG為氣相表觀速度，m/s；

μL為液相表觀速度，m/s；

ρm為進出口氣液相的平均密度，kg/m3；

ρLm，ρGm分別為進出口液相和氣相的算術平均密度，kg/m3；

y為進出口均勻持液量；

QLm，QGm分別為進出口液相和氣相的體積流率算術平均值，m3/s。

2.3高流速工況下氣-液兩相流流型為環狀流或霧狀流

在高流速工況下，氣-液兩相流流型為環狀流或霧狀流時容易發生管道沖蝕。氣-液兩相流的特性、工作對象和管道材質都是影響沖蝕的重要因素，工程上一般使用經驗判斷式μm≤195/ρ0.5計算可以避免發生沖蝕的流速。

3　結語

本文所介紹的氣-液兩相流流型的判斷方法和優化方向可以幫助設計人員快速判斷初選的管道直徑是否合適。但對于一些特殊介質和工況下的氣-液兩相流管段，判斷方法可能有所區別。在進行設計時，設計人員需要結合裝置工況、介質特性和相關經驗，對氣-液兩相流管段進行管徑選擇。

［1］SH/T3035—2007石油化工工藝裝置管徑選擇導則［S］.

［2］HG/T20570—1995工藝系統工程設計技術規定［S］.

Determination of Medium's Flow Pattern in Gas-liquid Two-phase Flow Pipeline and Optimization of Pipeline Diameter

Cao Gang Zhang Yue

Referring to the domestic and foreign relevant specifications,and combined with work experience,the methods for determining flow pattern after preliminary selection of the pipelines diameters in chemical process design are summarized.In addition,the optimum directions of pipeline diameter are given,which will reduce safety accidents caused by improper two-phase flow pattern in the pipeline of chemical unit in the aspect of technological design.

Two-phase flow；Flow pattern determination；Pipeline diameter optimization

TQ015.9

曹剛男1982年生本科工程師主要從事化工設計工作

2015年9月