氣-液并流通過(guò)堆疊篩板填料的脈沖流特性

郝仁杰，譙敏，黃衛(wèi)星

（1 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065； 2 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都610041）

引 言

堆疊篩板填料塔作為一種新型的氣液傳質(zhì)設(shè)備，已被成功應(yīng)用于核電廢水處理[1-2]，具有制造安裝簡(jiǎn)單、壓降低、無(wú)液泛[3-6]等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。篩板填料幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其兩相流動(dòng)形態(tài)十分復(fù)雜，Shi 等[1]發(fā)現(xiàn)，氣液兩相并流通過(guò)新型堆疊篩板填料時(shí)，由于氣液兩相流量的變化，會(huì)產(chǎn)生不同的流型：滴流、連續(xù)流、脈沖流、半分散流和分散流。在現(xiàn)有的研究中，普遍認(rèn)為脈沖流型比滴流和連續(xù)流的傳質(zhì)與傳熱速率更高[7-12]，這是由于脈沖流狀態(tài)下，氣液相互作用顯著，增加了液膜更新率并減少了流動(dòng)死區(qū)[13-18]；同時(shí)脈沖流型還擁有遠(yuǎn)低于分散流型的流動(dòng)阻力損失[1]。因此，相比于其他流型，脈沖流具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

脈沖流作為篩板填料中的一種特殊流型，深入理解其產(chǎn)生的機(jī)理及相關(guān)特性，對(duì)脈沖流理論模型的建立及篩板填料塔的設(shè)計(jì)與操作均有重要作用。但目前關(guān)于堆疊篩板填料中脈沖流動(dòng)的研究還相對(duì)較少，主要研究集中于散堆填料。肖瓊等[19]和劉國(guó)柱等[20]研究了不同操作條件下的流型轉(zhuǎn)變，并得到了脈沖流型產(chǎn)生機(jī)理。Al-Naimi 等[21]和Urseanu等[22]通過(guò)監(jiān)測(cè)塔內(nèi)壓降波動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)壓力波動(dòng)程度能夠間接反映脈沖流的強(qiáng)弱。Wang 等[23]研究了脈沖流型下氣液兩相分布情況，發(fā)現(xiàn)了脈沖形態(tài)在傳播過(guò)程中的變化。Bartelmus等[24]得到了脈沖速度與脈沖頻率的定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并由此建立了關(guān)聯(lián)式。Zhao 等[9]通過(guò)可視化研究，進(jìn)一步揭示了脈沖轉(zhuǎn)變機(jī)理，并對(duì)Burghardt 等[10]建立的脈沖速度與頻率關(guān)聯(lián)式進(jìn)行驗(yàn)證。然而，篩板填料與以上研究中的填料相比，氣液兩相流動(dòng)方式明顯不同，因此仍需投入大量的研究工作。

為了進(jìn)一步研究篩板填料中脈沖流型的影響因素及特性，本文采用不同板數(shù)堆疊的填料，通過(guò)高速攝像機(jī)及壓差傳感器對(duì)氣液兩相通過(guò)填料的脈沖流產(chǎn)生機(jī)理和脈沖特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由填料塔、壓力測(cè)量系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和氣液輸送系統(tǒng)組成，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)采用了5 種規(guī)格的填料段，外殼均采用有機(jī)玻璃制造，高度為600 mm，邊長(zhǎng)為200 mm，如圖2所示。每種規(guī)格填料段由不同板數(shù)的不銹鋼篩板錯(cuò)位90°堆疊而成，篩孔呈正方形排布，具體參數(shù)見(jiàn)表1。填料塔頂部裝有氣液分布器，以實(shí)現(xiàn)氣液的均勻混合。填料塔底部裝有氣液分離器，以實(shí)現(xiàn)液體回收。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

利用高速攝像機(jī)FASTCAM Mini WX100 進(jìn)行脈沖流可視化研究，由LED 燈提供背景照明。軟件Phoron FASTCAM Viewer 用于控制高速攝像機(jī)的拍攝與后期圖像的分析，拍攝速度為500 幀/秒，像素大小為1280×1856。填料內(nèi)部壓降變化通過(guò)Omega公司生產(chǎn)的PX 系列壓差傳感器測(cè)量。傳感器通過(guò)連接PCI-1710 數(shù)據(jù)采集卡，使用PC 端上的Lab View 2014軟件編程控制壓降數(shù)據(jù)的采集與儲(chǔ)存，采集頻率200 Hz，測(cè)量前，使用U型管壓力計(jì)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)中，空氣流量通過(guò)風(fēng)機(jī)與三個(gè)氣相轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，水流量由高位槽與一個(gè)液相轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，同時(shí)測(cè)量了排空管道處的空氣溫度和水槽中的水溫。每組實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)記錄前設(shè)備連續(xù)運(yùn)行10 min，以保證流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定，其中氣相質(zhì)量通量范圍為1.1～15.9 kg·m-2·s-1、液相質(zhì)量通量范圍為23.8～118.8 kg·m-2·s-1。

圖2 填料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of packing

表1 篩板填料幾何參數(shù)Table 1 Sieve plate packing geometric parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 脈沖流產(chǎn)生機(jī)理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣液相通量處于特定范圍內(nèi)時(shí)，氣液兩相會(huì)以富液區(qū)和富氣區(qū)的狀態(tài)交替通過(guò)篩板填料，從而形成脈沖流，且操作條件不同，脈沖流的強(qiáng)度差異較大。通過(guò)分析脈沖流狀態(tài)下的液相脈沖形態(tài)特性和發(fā)展過(guò)程，能夠從本質(zhì)上理解脈沖流現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理。

2.1.1 液相脈沖形態(tài) 在脈沖流產(chǎn)生發(fā)展階段，液相質(zhì)量通量WL=44.6 kg·m-2·s-1、氣相質(zhì)量通量WG=4.5 kg·m-2·s-1且不同時(shí)刻的液相脈沖結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，圖中陰影部分為液相脈沖。從圖中可以看到，脈沖流產(chǎn)生以后，在向下傳播的過(guò)程中會(huì)不斷被疊加放大，導(dǎo)致液相脈沖的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。此時(shí)，固定氣量，增大液量，由于填料內(nèi)的持液量增加，脈沖流的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，液相脈沖的覆蓋區(qū)域大大增加，如圖3（b）所示。增大氣量，由于氣相對(duì)液相脈沖的分散作用增強(qiáng)，導(dǎo)致液相脈沖逐漸減弱，如圖3（c）所示；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大氣量，液相脈沖會(huì)被進(jìn)一步分散直至整個(gè)脈沖流完全消失。

圖3 液相脈沖形態(tài)Fig.3 Liquid pulse morphology

2.1.2 脈沖流發(fā)展過(guò)程 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，脈沖流總是首先出現(xiàn)在填料的某一位置處，然后自上而下傳播，且脈沖流產(chǎn)生的位置與操作條件密切相關(guān)。圖4 為28 塊篩板堆疊的填料中脈沖流產(chǎn)生的位置距頂部第一塊篩板的距離（h）隨氣液通量的變化，從圖中可以看出，固定WL下，增大WG，h 先減小后增大，即對(duì)應(yīng)形成脈沖所需的軸向發(fā)展距離先縮短再增加。這是因?yàn)楣潭ㄒ毫肯?，氣量增大，氣相?duì)液相的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，會(huì)使得局部脈沖更容易產(chǎn)生，從而導(dǎo)致脈沖流形成所需的軸向發(fā)展距離縮短。進(jìn)一步增大WG，由于氣相對(duì)液相的分散作用增強(qiáng)，導(dǎo)致局部脈沖的疊加放大效應(yīng)減弱，最終使得脈沖流形成所需的軸向發(fā)展距離增加。此外，從圖4 還可以看到，液量越大，脈沖流產(chǎn)生所需的軸向發(fā)展距離越短。這是因?yàn)橐核僭酱?，填料?nèi)的持液量越大[21,25-27]，局部脈沖越容易產(chǎn)生，在向下傳播過(guò)程中的疊加放大效應(yīng)越顯著，從而使得發(fā)展形成脈沖流所需的軸向距離縮短。

圖4 28塊篩板填料中h隨氣液質(zhì)量通量的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between h and gas/liquid mass flux in 28 plates

由上文分析可推測(cè)，當(dāng)篩板數(shù)越多，軸向發(fā)展距離越長(zhǎng)，那么脈沖流就越可能產(chǎn)生。因此，本文研究了堆疊篩板數(shù)對(duì)脈沖流的影響。圖5為三種篩板數(shù)在脈沖流下的壓降波動(dòng)情況，可以看出，篩板數(shù)越多，壓降波動(dòng)幅度越大。這是因?yàn)?，篩板數(shù)越多，液相脈沖的疊加放大作用越明顯，脈沖的強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)氣相流動(dòng)的阻礙作用越明顯[21,28]，由此說(shuō)明篩板數(shù)對(duì)脈沖流產(chǎn)生與發(fā)展的重要作用。

2.1.3 脈沖流產(chǎn)生機(jī)理 在堆疊篩板填料的特殊流道內(nèi)，其基礎(chǔ)單元為孔口，氣液兩相在篩板間的流動(dòng)是通過(guò)孔口進(jìn)行反復(fù)收縮與擴(kuò)張的過(guò)程，再結(jié)合上文對(duì)脈沖流動(dòng)行為的分析，因此可以認(rèn)為脈沖流是重力和氣流曳力作用下，孔口液相波動(dòng)在向下傳播過(guò)程中被疊加放大的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，且與氣、液流量密切相關(guān)。具體地，當(dāng)氣液兩相并流向下通過(guò)篩板孔口時(shí)，篩板表面的液膜在重力和氣流曳力作用下產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)波動(dòng)將對(duì)通過(guò)孔口的氣相產(chǎn)生阻礙，從而導(dǎo)致孔口上方局部壓力驟增。隨著孔口上下兩側(cè)壓差的增大，將推動(dòng)液相波動(dòng)通過(guò)孔口，由此形成局部脈沖，并在傳播過(guò)程中被疊加放大形成可見(jiàn)脈沖流。值得注意的是，脈沖流的產(chǎn)生需要一個(gè)最小臨界液量。而脈沖流產(chǎn)生以后，在向下傳播的過(guò)程中會(huì)被進(jìn)一步疊加放大，從而使得脈沖流的強(qiáng)度增強(qiáng)；且液量越大，脈沖流的強(qiáng)度也越強(qiáng)。脈沖流狀態(tài)下，進(jìn)一步增大氣量，由于氣相對(duì)液相的分散作用增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致脈沖流強(qiáng)度減弱，直至完全消失。

圖5 不同板數(shù)下的壓降波動(dòng)幅度(WL=74.3 kg·m-2·s-1，WG=4.5 kg·m-2·s-1)Fig.5 Fluctuation amplitude of pressure drop with different number of plates

2.2 脈沖流型圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)界定了其他流型和脈沖流的轉(zhuǎn)換邊界，并基于此獲得了不同篩板數(shù)下的脈沖流型圖，如圖6所示。從圖中可以看出，不同篩板數(shù)下的脈沖流轉(zhuǎn)換邊界變化趨勢(shì)一致，即在液量超過(guò)某一臨界值時(shí)，脈沖流開始產(chǎn)生，且液量越大，脈沖流范圍越寬。因?yàn)橐毫吭酱?，填料?nèi)持液量越大，局部脈沖越容易產(chǎn)生，其疊加放大效應(yīng)就越明顯。此外，從圖6 還可以看出，隨著篩板數(shù)增加，脈沖流范圍越寬，而且脈沖流的轉(zhuǎn)換邊界上限變化尤其明顯，這是因?yàn)楹Y板數(shù)越多，局部脈沖的疊加放大效應(yīng)越明顯，脈沖流越容易產(chǎn)生，且產(chǎn)生以后的液相脈沖的強(qiáng)度越強(qiáng)，分散這些液相脈沖所需的氣量也就越大。為進(jìn)一步探究篩板數(shù)對(duì)脈沖流產(chǎn)生的重要影響，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)逐層減少篩板數(shù)并觀測(cè)脈沖流型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)篩板數(shù)低于3塊時(shí)，在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)未觀測(cè)到脈沖流，即3 塊篩板數(shù)是脈沖流產(chǎn)生所需的最少堆疊數(shù)量。

2.3 脈沖傳播速度

圖6 不同板數(shù)的篩板填料流型圖Fig.6 Flow map for packing with different sieve plates

脈沖傳播速度是描述脈沖特性的一項(xiàng)重要參數(shù)。通過(guò)高速攝像機(jī)記錄了液相脈沖在28 塊篩板填料中的傳播過(guò)程，利用脈沖的傳播距離和傳播時(shí)間計(jì)算得到了脈沖傳播速度。為了減小誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)六次，然后計(jì)算其平均值。

圖7表示了不同氣液質(zhì)量通量下的脈沖傳播速度變化趨勢(shì)，可以看出，WL固定時(shí)，隨著WG增大，脈沖傳播速度先增大后減小，而后又緩慢增大。脈沖傳播速度第一次增大主要是因?yàn)殡S著氣量增加，脈沖逐漸增強(qiáng)；而隨著氣量進(jìn)一步增大，液相脈沖逐漸被分散，脈沖減弱，導(dǎo)致其傳播速度減??；更高氣量下，盡管液相脈沖被分散，但是由于氣速增大明顯，氣相的拖拽作用又導(dǎo)致脈沖傳播速度增大。從圖7 還可以看出，WG固定時(shí)，脈沖速度隨WL增大而增大，這是由于WL越大，一方面，脈沖強(qiáng)度越強(qiáng)，另一方面，液相流速增大，從而最終導(dǎo)致脈沖傳播速度增大。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究[29-30]，考慮脈沖速度與填料結(jié)構(gòu)、流動(dòng)參數(shù)有關(guān)，結(jié)合脈沖速度變化規(guī)律，在不同操作條件下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

當(dāng)WG- 43.032W-0.53L＜0時(shí)：

當(dāng)WG- 43.032W-0.53L≥0 且WG- 4.443W0.0908L＜0時(shí)：

當(dāng)WG- 4.443W0.0908L≥0時(shí)：

圖8 表示了由式(1)～式(3)計(jì)算的脈沖速度與實(shí)驗(yàn)值的比較，可以看出預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的整體變化趨勢(shì)吻合，且數(shù)值接近。圖9 為脈沖速度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的誤差，偏差基本在±15%以內(nèi)，表明預(yù)測(cè)公式具有較好的預(yù)測(cè)效果。

圖7 28塊篩板填料中脈沖速度與氣液質(zhì)量通量的關(guān)系Fig.7 Relationship between pulse velocity and gas/liquid mass flux in 28 plates

圖8 脈沖速度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.8 Comparison of calculated and experimental pulse velocity

2.4 脈沖頻率

通常，脈沖頻率是根據(jù)脈沖產(chǎn)生的個(gè)數(shù)與時(shí)間的比值所確定的[8-9,13]。在28 塊篩板填料中通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝脈沖流圖像，記錄時(shí)間為30 s，利用脈沖產(chǎn)生個(gè)數(shù)與時(shí)間計(jì)算得脈沖頻率。為了減小誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，然后取平均值。

圖10 表示了28 塊篩板填料中脈沖頻率隨氣液通量的變化關(guān)系，可以看出，固定WL下，增大WG，脈沖頻率先增大后減少。這是由于固定WL，增大WG，會(huì)使局部脈沖更容易產(chǎn)生，脈沖逐漸增強(qiáng)，因此脈沖頻率增加。進(jìn)一步增大WG，氣相對(duì)液相的分散作用增強(qiáng)，局部脈沖不容易產(chǎn)生，從而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)減小，因此脈沖頻率減小。此外，從圖10 還可以看出，脈沖頻率隨著WL的增大而增大，這是由于WL越大，填料內(nèi)的持液量越大，局部脈沖越容易產(chǎn)生，脈沖強(qiáng)度增強(qiáng)，從而導(dǎo)致脈沖頻率增加。

圖9 脈沖速度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差Fig.9 Deviation between calculated and experimental pulse velocity

圖10 28塊篩板填料中脈沖頻率與氣液質(zhì)量通量的關(guān)系Fig.10 Relationship between pulse frequency and gas/liquid mass flux in 28 plates

最后，根據(jù)脈沖頻率變化規(guī)律，在不同操作條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

當(dāng)WG+ 0.0404WL- 8.248 ＜0時(shí)：

當(dāng)WG+ 0.0404WL- 8.248 ≥0時(shí)：

圖11表示了由式(4)～式(5)計(jì)算的脈沖頻率與實(shí)驗(yàn)值的比較，可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的整體變化趨勢(shì)吻合，而且數(shù)值接近。圖12為脈沖頻率實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的誤差，偏差基本在±20%左右，預(yù)測(cè)效果良好。

圖11 脈沖頻率實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比Fig.11 Comparison of calculated and experimental pulse frequency

圖12 脈沖頻率實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的誤差Fig.12 Deviation of calculated and experimental pulse frequency

3 結(jié) 論

本文對(duì)氣液兩相并流向下通過(guò)篩板填料的脈沖流產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展過(guò)程、脈沖傳播速度及脈沖頻率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要結(jié)論如下。

（1）脈沖流是重力和氣流曳力作用下，孔口液相波動(dòng)在向下傳播過(guò)程中被疊加放大的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。一定氣速下，脈沖流的產(chǎn)生需要有一個(gè)最?。ㄅR界）液相流量，臨界液量之上，氣液量的增加將促進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與發(fā)展，進(jìn)一步增大氣量，液相脈沖會(huì)被逐漸分散，導(dǎo)致脈沖流減弱直至完全消失。

（2）增加篩板數(shù)，有利于增強(qiáng)脈沖流強(qiáng)度，從而導(dǎo)致脈沖流范圍變寬，其對(duì)脈沖流轉(zhuǎn)換邊界的上限作用尤其明顯，當(dāng)篩板數(shù)少于三塊時(shí)不會(huì)出現(xiàn)脈沖流。

（3）液量越大，越有利于形成局部脈沖，從而導(dǎo)致液相脈沖傳播速度與頻率均增加；增大氣量，氣相對(duì)液相的擾動(dòng)作用越強(qiáng)，局部脈沖越容易產(chǎn)生，從而導(dǎo)致脈沖速度與頻率均增加；進(jìn)一步增大氣量，液相脈沖會(huì)被逐漸分散，導(dǎo)致脈沖速度與頻率逐漸減??；更高氣量下，由于氣相的拖曳作用，又會(huì)使得脈沖速度增加。最后，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提出了脈沖傳播速度與頻率的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，對(duì)其峰值點(diǎn)與變化趨勢(shì)有較好的預(yù)測(cè)效果。

符 號(hào) 說(shuō) 明

b——篩板間距，mm

d——篩孔孔徑，mm

f——脈沖頻率，Hz

h——脈沖產(chǎn)生位置與頂端篩板之間的距離，mm

l——篩孔間距，mm

ΔP——壓降，Pa

t——篩板厚度，mm

UG——?dú)庀嗤ㄟ^(guò)孔口的表觀速度，m·s-1

Vp——脈沖傳播速度，m·s-1

WG,WL——分別為氣相、液相通過(guò)孔口的質(zhì)量通量，kg·m-2·s-1

μG,μL——分別為氣相、液相黏度，Pa·s

φ——篩板開孔率，%

下角標(biāo)

cal——計(jì)算值

exp——實(shí)驗(yàn)值