文氏棒噴淋塔的流體力學(xué)性能

王新成，孫國剛，王曉晗，張玉明，李首壯

(中國石油大學(xué) 過程裝備實驗室，北京 102249)

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文氏棒噴淋塔的流體力學(xué)性能

王新成，孫國剛，王曉晗，張玉明，李首壯

(中國石油大學(xué) 過程裝備實驗室，北京 102249)

通過冷模實驗研究了文氏棒層噴淋塔的流體力學(xué)特性，測量了不同空隙率文氏棒層的干板壓降、濕板壓降、泡沫層高度等數(shù)據(jù)，以及文氏棒層上的流動區(qū)域演化規(guī)律，考察了氣、液操作參數(shù)和文氏棒結(jié)構(gòu)尺寸對壓降的影響，并進(jìn)一步分析擬合得到了文氏棒塔干板壓降、濕板壓降、泡沫層高度和攔液點與濺液點氣速的計算關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明，文氏棒塔的濕板壓降特性曲線包含潤濕區(qū)、泡沫區(qū)和濺沫區(qū)3個區(qū)域；比穿流柵板塔及篩板塔的阻力更低、操作彈性范圍更寬；擬合的文氏棒塔流體力學(xué)特性關(guān)聯(lián)式計算值與實驗吻合較好，優(yōu)于文獻(xiàn)中相關(guān)的關(guān)聯(lián)式，可為棒層空隙率30%以下的文氏棒塔設(shè)計參考。

文氏棒塔；流體力學(xué)；氣速；壓降；空隙率

文氏棒噴淋塔是在傳統(tǒng)噴淋空塔內(nèi)添加一層或多層文氏棒層而構(gòu)成[1-3]，因氣體經(jīng)過圓形截面棒間漸縮漸擴(kuò)通道而產(chǎn)生的文丘里過流效應(yīng)而得名。當(dāng)操作的液/氣比適宜時，氣體以較高的速率通過棒縫，托舉下落的液體，在棒層上方建立起氣-液泡沫薄層，從而在傳統(tǒng)噴淋空塔的“氣包液”傳質(zhì)過程中增加一“液包氣”的鼓泡傳質(zhì)層，可顯著提高氣、液接觸與傳質(zhì)效率；同時，由于氣、液通過棒層時的高速湍動流動，對棒層產(chǎn)生良好的自清潔作用，能夠較好地抑制結(jié)垢與堵塞，可廣泛應(yīng)用于氣體吸收、凈化、煙氣脫硫除塵等許多場合[4-7]。

目前有關(guān)文氏棒塔流體力學(xué)特性的研究很少。前人關(guān)于穿流柵板塔[8-9]和篩板塔[10-11]等類似塔型的研究與經(jīng)驗公式可為文氏棒塔流體力學(xué)特性描述提供參考，但并不能完全用于文氏棒塔的預(yù)測計算，因為塔中的具體氣、液接觸元件結(jié)構(gòu)有些不同，文氏棒塔中棒層采用圓形截面的棒或管構(gòu)成，顯然流動阻力更低，操作域更寬。筆者建立了文氏棒塔實驗系統(tǒng)，測定文氏棒塔壓降等流體力學(xué)性能，總結(jié)文氏棒的壓降、攔液點和濺液點氣速等計算關(guān)聯(lián)式，為認(rèn)識文氏棒塔的流體動力學(xué)特性提供基礎(chǔ)。

1　文氏棒噴淋塔實驗裝置

文氏棒噴淋塔實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括供氣系統(tǒng)、噴淋除霧系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分。塔內(nèi)徑為286 mm，塔高3000 mm，文氏棒層位于進(jìn)氣口之上400 mm處。實驗測試了5個不同尺寸的文氏棒層，其空隙率即棒縫處最小截面積之和與棒層面積比值列于表1。實驗介質(zhì)為空氣、水。進(jìn)氣管直徑為110 mm，采用LPT-03-300型皮托管3測量進(jìn)氣氣速，再將所測氣速換算為進(jìn)塔的氣量。采用U形管4測量全塔壓降，采用斜壓差計8測量文氏棒層壓降。測量壓降時，對測壓面均勻布置4個測壓點以保證測量的準(zhǔn)確性，棒層壓降測量精度為2.6 Pa，整塔壓降測量精度為9.8 Pa。采用體積膨脹法-快速照相技術(shù)測定泡沫層高度。實驗數(shù)據(jù)采用多次測量的平均值。

圖1　文氏棒噴淋塔實驗裝置示意圖

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2　結(jié)果與討論

2.1文氏棒噴淋塔的流體力學(xué)性能

文氏棒噴淋塔的流體力學(xué)性能是指在不同操作氣速、噴淋密度和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，文氏棒塔的操作負(fù)荷范圍、棒層壓降、氣-液接觸狀態(tài)等性能。

圖2為2#文氏棒層在不同噴淋密度下的棒層壓降(Δp)隨塔截面氣速vg的變化。由圖2可見，Δp隨vg的變化狀態(tài)呈現(xiàn)3個區(qū)域，即Ⅰ潤濕區(qū)、Ⅱ泡沫區(qū)、Ⅲ濺沫區(qū)。潤濕區(qū)的特點是氣速較小，棒層上存液很少，覆蓋不住棒縫，氣、液兩相交替通過棒縫，氣、液為膜式接觸。隨著vg增大，開始有少量液體覆蓋在棒層上，形成液層，同時在塔內(nèi)伴有周期性的聲響，并且壓差計讀數(shù)突增(圖2中曲線A點)，一般將這個點定義為“攔液點”。當(dāng)vg進(jìn)一步增大，棒層上面開始出現(xiàn)液層，由此進(jìn)入泡沫區(qū)Ⅱ。泡沫區(qū)可分為清液區(qū)(下層)和泡沫區(qū)(上層)兩個區(qū)域。泡沫區(qū)是一個漸變的過程，剛進(jìn)入泡沫區(qū)時，氣體鼓泡穿過清液層，泡沫層高度較小；隨著vg增加，泡沫層高度增加，清液層減少，直至B點，這時棒層上全部轉(zhuǎn)化為泡沫層。若繼續(xù)增加氣速，棒層上的泡沫層則會呈現(xiàn)周期性的擺動，還會出現(xiàn)“霧沫夾帶”的現(xiàn)象，氣-液傳質(zhì)不穩(wěn)定，此時屬于濺沫區(qū)Ⅲ，而B點則稱為濺液點。攔液點、濺液點氣速均為塔截面的表觀氣速，二者的比值定義為塔的氣相負(fù)荷彈性系數(shù)f，可表征文氏棒塔穩(wěn)定操作范圍的大小。如圖2中，噴淋密度Lp=3.11 m3/(m2·h)時，攔液點氣速和濺液點氣速分別為2.85 m/s、0.96 m/s，則f為2.97，說明2#棒層在此液量下濺液點氣速為攔液點氣速的2.97倍。

圖2　2#文氏棒層壓降隨塔截面氣速vg的變化

由圖2可見，文氏棒塔的壓降與穿流柵板和篩板的壓降[8-9,12-13]有相似的變化過程。但由于文氏棒層由圓截面的棒或管排構(gòu)成，與普通柵板、篩板塔相比，文氏棒塔具有較小的流體阻力和較大的操作負(fù)荷，尤其在高氣速下，文氏棒塔的低壓損性就更為顯著，傳質(zhì)效率高且穩(wěn)定。

噴淋密度、棒層空隙率、棒縫寬度對文氏棒層壓降、攔液點和濺液點氣速、氣相負(fù)荷彈性系數(shù)f等都有影響。實驗表明，噴淋密度增大、空隙率減小或棒縫寬度減小都使棒層壓降增大、攔液點和濺液點氣速減小。如，2#文氏棒塔在噴淋密度從3.11 m3/(m2·h)增加到7.79 m3/(m2·h)時，泡沫區(qū)壓降大約升高60 Pa；空隙率由15.2%降到22.6%，泡沫區(qū)壓降約降低100 Pa；棒縫寬度由2 mm 增大到4 mm，泡沫區(qū)壓降則降低約70 Pa，攔液點氣速降低0.21～0.48 m/s，濺液點氣速降低0.43～0.46 m/s。噴淋密度、空隙率對塔的氣相負(fù)荷彈性系數(shù)f影響不顯著，一般約為3～4，但棒縫寬增大，f有所減小。

2.2文氏棒噴淋塔干板壓降

針對穿流柵板或篩板干板阻力系數(shù)的研究已有報道。黃文瀛等[14]提出了一個平均干板阻力系數(shù)。萬邵琥等[15]提出了大自由截面(空隙率ε=30%～60%)的干板阻力系數(shù)計算方法，但不適用于ε小于30%的小自由截面塔的計算。高國華等[16]數(shù)值模擬不同開孔方式的篩板，討論了開孔方式對干板阻力的影響。由于文氏棒層的文丘里過流效應(yīng)與穿流柵板或篩板有所不同，上述所涉及的關(guān)聯(lián)式不能直接用于計算文氏棒塔干板壓降，需要尋找合適的關(guān)聯(lián)式。

由流體力學(xué)原理，干板壓降可用式(1)計算[17]。

(1)

依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，并考慮干板流體阻力是由文氏棒層自由截面氣體的摩擦阻力與棒縫處氣流的壓縮和擴(kuò)大的局部摩擦阻力構(gòu)成，得出文氏棒塔干板阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式如式(2)所示。

(2)

式(2)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.97，實驗值與擬合值誤差在12%以內(nèi)。由式(2)可知，在空隙率ε<30%的范圍內(nèi)，干板阻力系數(shù)隨氣體雷諾數(shù)Res和空隙率ε的增加而增加，Res正比于文氏棒層的棒縫值，棒縫的變化同時影響過縫氣速，則Res受棒縫尺寸與過縫氣速共同作用，即干板阻力系數(shù)取決于文氏棒的空隙率和棒縫尺寸。

2.3文氏棒噴淋塔濕板壓降

2.3.1泡沫區(qū)壓降

在潤濕區(qū)，氣、液膜式接觸，傳質(zhì)面積較小；氣速超過濺液點后，雖然氣、液湍動劇烈，但是在塔內(nèi)豎直方向會產(chǎn)生嚴(yán)重的逆向混合，氣、液接觸很不穩(wěn)定，霧沫夾帶較大。所以，泡沫區(qū)是文氏棒噴淋塔的理想操作區(qū)，泡沫區(qū)壓降是理論研究和實際工業(yè)應(yīng)用中最主要的參數(shù)。黃文瀛等[14]證實，Cym-шиk公式可以用于大自由截面穿流柵板的濕板壓降計算。馮樸蓀等[13]提出了管柵的壓降計算公式。于鴻壽等[18]對大孔篩板的壓降、漏液點氣速、泡沫層高度進(jìn)行過系統(tǒng)的測定，提出了一套關(guān)聯(lián)式。采用Cym-шиk公式[14]和管柵壓降計算公式[13]計算得到的文氏棒噴淋塔泡沫區(qū)濕板壓降和實驗值示于圖3。由圖3可見，實驗結(jié)果與管柵壓降計算公式計算結(jié)果有較大誤差，與Cym-шиk公式計算結(jié)果比較接近，但誤差也在13%～74%之間。可見它們并不適用于文氏棒塔的壓降計算。

圖3　不同關(guān)聯(lián)式計算得到的文氏棒噴淋塔泡沫區(qū)濕板壓降和實驗值

泡沫區(qū)壓降(Δpb)包括干板阻力、由液體表面張力引起的阻力和泡沫層阻力3部分組成，如式(3)所示。

Δpb=Δpc+Δpσ+Δpw

(3)

式(3)中，由液體表面張力造成的阻力Δpσ可按拉普拉斯方程式(4)[17]求解；泡沫層阻力Δpw與液體黏度、表面張力等物性有關(guān)[17]，由實驗數(shù)據(jù)擬合出關(guān)聯(lián)式(5)，其中的AT可由式(6)計算，由此得到泡沫區(qū)壓降計算式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(7)計算得到的文氏棒噴淋塔泡沫區(qū)濕板壓降也示于圖3。由此可見，該計算結(jié)果與實驗值比較接近。

2.3.2濺沫區(qū)壓降

文氏棒噴淋塔濺沫區(qū)的氣、液湍動劇烈[19]，故其壓降不能按照泡沫區(qū)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)參照泡沫層阻力擬合方法，擬合得出濺沫區(qū)的壓降關(guān)聯(lián)式(8)。其中的AS可由式(9)計算。

(8)

(9)

式(8)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.98，計算值與實驗值誤差在13%以內(nèi)，因此，可以用來預(yù)測濺沫區(qū)的壓降。

2.4文氏棒噴淋塔泡沫層高度

泡沫層高度的大小直接影響傳質(zhì)效率的高低[20]，是氣液傳質(zhì)效率的表征量，而且對于安裝多層文氏棒層的塔來說，泡沫層高度也是確定合理文氏棒層間距的重要依據(jù)。

圖4　4#文氏棒噴淋塔泡沫層高度隨塔截面氣速vg的變化

圖4為4#文氏棒塔泡沫層高度隨塔截面氣速vg的變化。由實測的泡沫層高度擬合出泡沫層高度關(guān)聯(lián)式(10)。

(10)

式(10)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.97，可以較準(zhǔn)確地回歸本實驗數(shù)據(jù)。由式(10)可知，泡沫層高度與泡沫層壓降間存在一定的依賴關(guān)系，由此還可得到泡沫層的密度計算式(11)。

(11)

2.5文氏棒噴淋塔攔液點與濺液點氣速

泡沫區(qū)是文氏棒噴淋塔適宜的穩(wěn)定操作區(qū)域[21]，因此泡沫區(qū)的攔液點和濺液點氣速計算對于文氏棒塔的設(shè)計和生產(chǎn)操作均十分重要。

依實驗數(shù)據(jù)，擬合文氏棒塔的攔液點與濺液點氣速的計算式如式(12)和(13)所示。

(12)

(13)

lnY=-4X+ln2.26

(14)

lnY=-4X+ln13.23

(15)

圖5為攔液點和濺液點氣速預(yù)測值與實驗值比較。由圖5可知，攔液點和濺液點氣速公式很好地預(yù)測了實驗結(jié)果。

圖5　文氏棒塔攔液點氣速(vu)和濺液點氣速(vl)預(yù)測值與實驗值比較

3　結(jié)　論

(1)文氏棒噴淋塔的流體力學(xué)特性和穿流柵板塔、篩板塔相似，隨操作氣速、噴淋密度變化，呈現(xiàn)潤濕區(qū)、泡沫區(qū)和濺沫區(qū)3個區(qū)域；但文氏棒塔的阻力低、操作彈性范圍寬。

(2)除操作氣速、噴淋密度外，文氏棒層的空隙率、棒縫寬度對文氏棒塔的壓降、流域演化也有重要影響，文氏棒空隙率越小，棒縫越小，彈性系數(shù)f越大。

(3)依據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得出了文氏棒塔干板阻力系數(shù)、泡沫區(qū)壓降、濺沫區(qū)壓降、泡沫層高度、攔液點氣速和濺液點等計算式，計算結(jié)果與實驗結(jié)果相關(guān)性較好，可為空隙率小于30%的文氏棒塔計算提供參考。

符號說明：

AS、AT——濺沫區(qū)、泡沫層壓降系數(shù)；

b——棒縫，mm；

D——文氏棒棒層直徑，mm；

d——棒徑，mm；

de——棒縫當(dāng)量直徑，mm；

f——氣相負(fù)荷彈性系數(shù)；

G——氣相質(zhì)量流量，kg/h；

g——重力加速度，m/s2；

h——泡沫層高度，m；

L——液相質(zhì)量流量，kg/h；

Lp——噴淋密度，m3/(m2·h)；

Δp——濕板壓降，Pa；

Δpb、ΔpS——泡沫區(qū)、濺沫區(qū)壓降，Pa；

Δpc、Δpw、Δpσ——分別為干板、泡沫層、由表面張力引起的壓降，Pa；

Reg、Res——塔截面、棒縫處氣體雷諾數(shù)；

vg、vs——塔截面、棒縫處氣速，m/s；

vu、vl——攔液點、濺液點氣速，m/s；

X、Y——基本初等函數(shù)變量；

ε——空隙率，%；

μl、μB——液相和20℃水的黏度，Pa·s；

ξ——干板阻力系數(shù)；

ρg、ρl、ρw——氣相、液相、泡沫層密度，kg/m3；

σl、σB—— 液相和20℃水的表面張力，N/m。

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Hydrodynamics of a Venturi-Rod Spray Tower

WANG Xincheng，SUN Guogang，WANG Xiaohan，ZHANG Yuming，LI Shouzhuang

(Laboratory of Processing Equipment,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The hydrodynamic characteristics of a Venturi-rod spray tower were investigated by cold experiments.The dry plate pressure drop,wet plate pressure drop and froth height of the spray tower with the Venturi-rod deck of different voidages were measured and the evolution of the gas-liquid flow pattern on the tray was determined.Correlations for dry plate pressure drop,wet plate pressure drop,froth height,bubble gas velocity and flooding gas velocity were developed according to the experiments.The results showed that the wet plate pressure drop was characterized by three zones,named wetting zone,bubble zone and flooding zone.And Venturi-rod tower possessed lower flow resistance and wider operating range than grid tray tower and sieve tray tower.The calculations of the proposed correlations were in a good agreement with experiments,which was better than those correlations provided in literatures,and thus could provide a reference for the design of Venturi-rod tower with the voidage of 30% or less.

Venturi-rod tower；hydrodynamics；gas velocity；pressure drop；voidage

2015-08-04

中國石化股份公司科技開發(fā)項目(109119)資助

王新成，男，碩士研究生，從事煙氣脫硫方面的研究；E-mail：wxc20130121@163.com

孫國剛，男，教授，博士，從事氣-固分離及流態(tài)化工程方面的研究；Tel：010-89739182；E-mail：ggsunbj@163.com

1001-8719(2016)05-1062-06

TQ051.1

Adoi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.05.026