（化学工程专业论文）弓形降液管内流场研究和数值模拟.pdf

弓形降液管内流场研究和数值模拟 摘要 降液管作为板式塔的重要组成部分，其流体力学性能对塔板性能 有着不可忽略的影响，而弓形降液管在工业上有着最广泛的应用，因 此对弓形降液管的流场进行研究有着重要意义。 本文在直径为1 2 0 0 r a m 、板间距为6 0 0 r a m 的有机玻璃塔内，以空 气一水为实验物系，对堰长为8 0 0 r a m 的弓形降液管内的流体力学性能 进行研究。用计算流体力学( c f d ) 软件，对降液管内的流场及气含 率分布等进行了数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比。 实验过程中控制气液工况，使降液管底部产生明显的清液。采用 热膜风速仪对不同工况下的降液管内流体的时均速度进行测量，得到 了降液管内流场分布情况。实验结果表明，与堰长平行的截面上，中 间位置的速度比两侧位置的速度小1 8 9 3 5 7 ，而且截面中间位置 的速度方向垂直向下，两侧位置的速度方向斜向下指向两侧；与堰长 垂直的截面上，沿从上往下的高度方向，靠近塔壁处的液流速度逐渐 减小，而靠近堰壁处液流速度逐渐增大。近塔壁处到近堰壁处的液流 速度逐渐增大，速度矢量方向与垂直方向的夹角也逐渐增大；降液管 底部拐角处存在缓流区，且在液速较大的情况下，缓流区面积变小。 采用计算流体力学软件f l u e n t 6 1 及其前处理器g a m b i t 2 0 ，选用标 准k 一占湍流模型及s i m p l e c 算法，模拟了液体流过降液管底部的流场 分布，将模拟结果与实验结果进行比较，两者吻合得较好。 采用欧拉两相流模型，对与降液管堰长垂直的截面进行了空气一 水两相模拟，考察了该截面上的气含率分布与两相的速度分布。结果 表明，降液管底部气含率低，且增长较为缓慢，中部的气含率增长显 著，上部的气含率较高。而且近堰壁处的平均气含率比近塔壁处低了 4 4 ；液相对气相有很强的夹带作用，同时气相的浮力对于液相流动 也有一定的阻碍作用。将模拟结果与文献进行对照，两者吻合较好。 证明本文提出的模型对于降液管内流体流动状况的模拟是合适的。 关键词：弓形降液管，热膜风速仪，液体流速分布，气含率，c f d f l o wf i e l ds t u d i e sa 卜t dc f d s n 仉i i a t l 0 no fs e g a 征：n t ai d o w n c o 匝r a b s t r a c t s e g m e n t a ld o w n c o m e ri st h et y p em o s tc o m m o n l yu s e di nd i s t i l l a t i o n c o l u m n s t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d yt h eh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c eo f t h es e g m e n t a ld o w n c o m e r t h eh y d r o d y n a m i c so fs e g m e n t a ld o w n c o m e rw e r ee x p e r i m e n t a l l y s t u d i e dw i t ha l lm r - w a t e rs y s t e mi nam1 2 0 0 m mp l e x i g l a sc o l u m nw i m p l a t es p a c i n go f 6 0 0 m m t h ef l o w r a t e so fa i ra n dw a t e rw e r ec o n t r o l l e dt om a k et h ec l e a rl i q u i d e x i s ta tt h eb o r o mo f t h ed o w n c o m e ri nt h ee x p e r i m e n t t h ea v e r a g el i q u i d v e l o c i t yi nt h ed o w n c o m e rw a sm e a s u r e db yc o n s t a n tt e m p e r a t u r eh o t f i l ma n e m o m e t e r ( c t a ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e l o c i t y i nt h ec e n t e ri nt h es e c t i o nt h a ti sp a r a l l e lt ot h ew e i rw a ss m a l l e rb y 1 8 9 3 5 7 t h a nt h a to nt h eb o t hs i d e s a n dt h ed i r e c t i o no f t h ev e l o c i t y a tt h ec e n t e ri nt h es e c t i o nw a sv e r t i c a ld o w n w a r d ，w h e r e a s ，t h ed i r e c t i o n o ft h ev e l o c i t yo nb o t hs i d e sw a si n c l i n e dd o w n w a r dt ob o t hs i d e so ft h e d o w n c o m e r i nt h es e c t i o nv e r t i c a lt ot h ew e i r , t h ev e l o c i t ya tt h et o w e r w a l ld e c r e a s e dg r a d u a l l yf x o mt o pt ob o s o mi nt h es e c t i o n ，w h e r e a s ，t h e v e l o c i t ya tt h ew e i rw a l li n c r e a s e dg r a d u a l l y m o r e o v e rt h ev e l o c i t ya tw e i r w a l lw a sg r e a t e rt h a nt h a ta tt h et o w e rw a l l ，a n dt h ea n g l eb e t w e e nt h e v e l o c i t ya n dv e r t i c a ld i r e c t i o nw a st h es a m et e n d e n c y t h es t a g n a n tp o o l e x i s t e da tt h eb o t t o mo f t h ed o w n c o m e r a p p r o a c h t ot h et o w e rw a l l ，a n dt h e s i z eo f t h es t a g n a n tp o o lr e d u c e dw i t hi n c r e a s i n gl i q u i dr a t e t h et h r e e d i m e n s i o n a l v e l o c i t y f i e l d i nt h ed o w n c o m e rw a s i n v e s t i g a t e db yf l u e n t 6 1a n dg a m b i t 2 0 t h es i m p l e ca l g o r i t h m w i ms t a g g e d n gg r i ds y s t e mw a su s e di nt h es o l u t i o np r o c e d u r eo ft h e d i s c r e t i z e de q u a t i o n sb a s e d0 1 1t h ec o n t i n u i t ya n dm o m e n t u m e q u a t i o na n d t h es t a n d a r dk _ m o d e l t h es i m u l a n tr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nd e t a i l a n dt h es i m u l a n tv a l u ea g r e e dw e l lw i n lt h e e x p e r i m e n t a lv a l u e t w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no f as e c t i o nv e r t i c a lt ot h ew e i r w a sc o n d u c t e dw i t he u l e rm u l t i p h a s em o d e l t h eg a sh o l d u pa n dv e l o c i t y f i e l do fb o t hp h a s e si nt h i ss e c t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eg a sh o l du pa tt h eb o t t o mo ft h ed o w n c o m e rw a sv e r yl o wa n d i n c r e a s e ds l o w l y , a n dt h eg a sh o l du pi nt h ec e n t e ro ft h eh e i g h to f d o w n c o m e ri n c r e a s e ds h a r p l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fh e i g h t , a n dt h eg a s h o l du pa tt h et o pw a sv e r yh i g h t h ea v e r a g eg a s h o l d - u pa tw e i rw a l lw a s h i g h e rb y4 4 t h a nt h a ta tt o w e rw a l l l i q u i dh a dg r e a te n t r a i n m e n tt og a s a n dg a sh a dar e s i s t i n gf o r c et o l i q u i db e c a u s eo ft h eb u o y a n c y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw e f ei na g r e e m e n tw i t ht h a ti nl i t e r a t u r e k e yw o r d s ：s e g m e n t a ld o w n c o m e r , h o t f i l ma n e m o m e t e r , l i q u i d v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，g a sh o l du p ，c f d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：膨日期：印6 年石月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吼 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：加，年歹月 d e t 日期：口吲年t 月甜日 浙江工业大学硕士论文 c 。c nc t 2c4 e e 。 。 h t 工 凡 彤 吃 g h k k 盯 符号说明 标准k s 模型参数 单位质量气泡受到的浮力， 单位质量气泡受到的曳力， 两相流模型中第q 相受到的外部质量力， 两相流模型中第q 相受到的升力， 两相流模型中第q 相受到的虚拟质量力， 塔板间距，m 降液管内液体流量，脚3 s 热膜热电阻，q 热膜冷电阻，q 气泡直径，r z l 重力加速度，m s 2 降液管高度，埘 塔板上的平均液层高度，m 塔板的入口清液高度，脚 降液管出口阻力，m 湍流动能，m 2 s 2 x 方向的平均速度，m s 浙江工业大学硕士论文 “+ v ， y + 峰 o i o d “ 局 p g p q s r 液体在降液管中的允许流速，m s 壁面函数中表示速度的无量纲参数 y 方向的平均速度，m s z 方向的平均速度，m s 壁面函数中表示距离的无量纲参数 湿板气相压降，m 标准k 一占模型参数 分子粘度，n s m 2 运动粘度，m 2 s 湍动粘度，n s m 2 液体密度，堙m 3 气体密度，瞎埘3 第q 相流体的密度，堙所3 湍流动能耗散率，研2 s 3 v o nk a r m a n 常数 浙江工业大学硬十论文 第一章前言 降液管是错流式板式塔的重要组成部分，是板间液体传输及传输过程中气液 两相分离的主要场所，同时为塔板入口的液体提供初始分布。因此，降液管设计 的优劣直接影响整个精馏塔的分离效果。 降液管从结构上看，存在多种形式，而在工业工程中应用最为广泛的则是弓 形降液管。众多研究者对弓形降液管内的表观液速、停留时间、清液层商度等流 体力学特性进行了深入研究，为降液管的设计提出准则，但大都停留在定性分析 和依据个人试验数据上，在实际的设计应用中往往显得不尽合理。 随着分离技术的不断发展，对于分离效果的追求是必然结果，这种凭经验的 宏观设计方式的局限性也越来越明显。这就要求我们对于降液管内流场进行细致 的考察。但是这方面的研究却未见报道，这足以说明研究降液管内流场的难度及 其必要性。 本文在直径为1 2 m 的有机玻璃塔内进行冷模试验，采用丹麦d a n t e c 公司生产 的恒温式热膜风速仪对降液管底部流场进行了详细测量，获得其不同工况下的时 均速度分布，并绘制出了降液管底部的速度分布图。 本文采用计算流体力学( c f d ) 软件f l u e n t 6 1 对降液管进行单相( 水) 模 拟，得到了降液管内流场分布，一方面，可以与试验数据相互对照；另一方面， 通过模拟结果，更加细致地考察降液管内的流场分布及变化。另外本文利用 f l u e n t 6 1 对降液管内气( 空气) 液( 水) 两相进行数值模拟。对其气含率及气 液两相的速度分布进行研究，并与文献1 1 1 1 2 试验结果进行对照，以验证c f d 技术 在降液管研究和设计中的可行性，并希望通过本课题的工作为从更微观、更本质 的角度对降液管的设计优化提供初步的参考及思路。 浙江工业大学硕士论文 第二章文献综述 2 1 气液传质设备 气液传质设备是化工生产过程中用以进行蒸馏、吸收、解吸、增减湿等过程 的单元设备。这些过程大部分受相平衡关系的制约，因此要求设备中气液两相得 到良好的接触。在工业应用时应根据具体情况，选用合适的设备。此外，还有许 多工程上的问题需要考虑：如压降、操作弹性、耐腐蚀、耐污垢及堵塞、安装及检 修情况等。 气液传质设备在2 0 世纪5 0 8 0 年代发展较快。从其产生和发展的历史看，存 在板式塔和填料塔两大类。这种分类不仅反映了塔内件的结构特征，同时也反映 了两者所涉及的不同两相流动和气液接触特点。 填料塔属于微分接触逆流操作，塔内以填料作为气液接触基本构件。填料塔 主要包括塔填料和塔内的气液分布器。塔填料简称填料，归纳起来主要有四种类 型：环型、鞍型、球型、规整填料。填料又可分为通用型填料和精细填料两大类， 通用型填料效率较低，但适应性较好精密填料效率较高，但要求苛刻，在很多场 合下其适应性受到限制。塔填料配以设计合理的气液分布器，其优良的性能才能 得到发挥。 板式塔属于逐级接触逆流操作，塔内以塔板作为气液接触的基本构件。板式 塔最早产生于1 8 1 3 年，在传质设备中具有不可替代的地位。虽然上世纪8 0 年代， 具有高通量、低压降的填料塔得到充分发展，大有取代板式塔的趋势，但是由于 填料塔固有的不适宜处理含固体或粘性较大的物料，也因填料生产成本较高，且 对初始分布敏感，以及填料塔对于加压物系传质效率较低，从上世纪末，人们又 重新开始关注板式塔的改进，综合地从塔板和降液管两方面进行研究开发。 2 2 板式塔分类 板式塔按气液流动方式可分为如图2 一l 所示的逆流、错流和并流三大类。 i 液体l f 气体f a 肾l i c 浙江工业大学硕士论文 1 气液逆流类塔板【3 】。气液逆流类塔板主要是穿流类塔板，如图2 1 ( a ) 。穿流 塔板是最早的板式塔，其气液流型为气液逆流操作，气体和液体同时穿过塔板上 的开孔，是一种鼓泡类板式塔设备，其塔板开孔率很大，具有处理能力强，抗污 能力强，造价低廉等优点，但传质效率较低，操作弹性较小。按塔板形式可将穿 流塔板分为穿流筛板，穿流浮阀塔板，穿流栅板等等。 2 气液错流类塔板【3 】。气液错流类塔板是板式塔的主流，如图2 一l ，由进行 气液传质的塔板和塔板间输送液体的降液管两部分构成，该类塔板构型的应用面 最广，常规意义的板式塔主要是指该类型。与穿流塔板相比，该类流型具有传质 效率高，处理能力大，操作稳定，不易发生湍振问题等优点，最突出的结构优势 是随着塔板上液流通道长度的增加，塔板的m u r p h r e e 板效率有超过1 0 0 的趋势， 这是穿流塔板所不能具备的。错流构型采用的塔板类型可以分为泡罩类塔板，筛 孔类及浮阀类塔板三大类。 3 气液并流类塔板。该类型的塔板属于新型塔板，如图2 - 1 ( c ) ，是利用气体动 能来强化气液传质，形成的气液表面在不断更新、扩展；而强制流动也使精馏塔 的生产能力不受自然流动所形成的液泛限制；由于这种塔板的特殊设计，使得液相 在塔板上形成小循环，增加了液相在塔板上的停留时间，提高了塔板的点效率【4 】。主 要的气液并流类塔板有n v s t 塔板【5 1 6 1 、喷射式并流填料塔板( j c p t ) 【刀【3 】和 c o c u r r e n t 塔板【9 1 1 0 l 等等。 2 3 降液管基本形式 降液管作为错流塔板特有的部件，依其截面形状可基本分为弓形、矩形、圆 形三大类。若按其外形则可分为垂直式、导管式和倾斜式三类，各种形式降液管 的结构如图2 之所示【1 2 】【1 3 1 。 弓形降液管是最为经典且应用最广泛一种降液管，如图2 - 2 ( a ) 所示，堰与塔 壁间的全部截面均作降液之用，塔截面利用率高，设计结构简单，制造成本低廉， 并能承载大负荷液量，因此，在工业生产上被广泛应用。 浙江工业大学硕士论文 降液管 下面 abc降液管 耀 上面塔板的 降液管 e 图2 2 降液管的形式 圆管降液管是另一类降液管，如图2 - 2 ( b ) 所示，用一根圆管连接上下两块塔板。 一般在液体负荷小或塔径较小时采用。根据流体流动负荷，有时也采用多根圆形 降液管。此种形式对于小塔制作较易。但由于降液管的容积小，限制了降液能力 和蒸汽的分离，不宜用于液量大及易起泡物系，且整个弧形截面中只有一个小部 分用作有效降液面，板面利用率低。 一 矩形降液管，是较为新型的降液管，如图2 - 2 ( c ) 所示，其结构是在塔板中间设 置一个或多个悬挂式的矩形通道。可以提供的溢流堰长比弓形降液管长好几倍， 因而尤其适应大液量操作的需求。浙江工业大学的d i j 塔板【1 4 1 1 5 1 就是一种具有矩形 悬挂降液管的塔板，特别适用于高液气比和加压操作。而且由于其降液管悬挂式 结构，液体从降液管底部直接流出，不必像一般常规降液管那样折转9 0 。流动，因 此没有缓流区和流动死区。 倾斜降液管如图2 2 ( d 、e ) 体现了塔截面的合理利用，其顶部提供足够大的空 间供气液相分离，底部的缩小使下层塔板的截面积得到有效利用，因此若处理的 物系为易起泡物系时，采用该形式的降液管比较合适。对于降液管占有相当一部 分塔截面时( 2 0 3 0 ) ，这种形式的降液管比较经济。因此该形式的降液管在 工业上的应用也比较广泛。倾斜降液管的顶部截面积与底部截面积之比推荐取 1 5 2 0 之间( 通常取1 7 ) 。d a v i dc h a s e 将几种常见的降液管性能进行比较，列表 如下1 1 6 1 。 表2 1 常见降液管性能比较表 降液管形式降液管面积降液管周长有效降液管周长允许液速 ( 塔板面积- - - - 0 0 3 m 2 ) n 广mm n 1 ，s 厂、 o 9 6 x1 0 - 3o 1 l o 0 8o 1 6 ，尸 4 7 4 x1 0 - 3o 1 7o 1 7 o - 2 0 严- 吣 5 0 7 x1 0 3o 3 5o 1 7 o 1 9 浙江工业大学硕士论文 2 4 降液管作用 降液管作为塔板的最重要的功能配件，其操作性能直接影响着塔设备的操作 特性。降液管的作用主要有三类【3 】： 1 为塔板间传输液体；2 气、液相分离；3 下层塔板入口液体初始分布。 为塔板间传输液相是降液管的本征功能，也是错流式板式塔的一大特点，而 气、液两相的分离则是降液管最重要的作用之一，气液两相分离的好坏直接影响 整个塔的分离效果。 一般来说，可将降液管中的气液分离过程分为三个区，如图2 3 所示。在整个 分离过程中，每个区域都有着重要的作用。 图2 七降液管操作分区 1 气体脱空区：该区位于降液管上部。实际的气 液两相分离就是在这个区发生。当泡沫混合物从 ”。塔板上将气体送入降液管以及在降液管中发生 稳定泡辣区泡沫扰动时，由于气液密度差较大，气相向上溢 出，导致气体从泡沫混合物中分离。 孵般8 但是，降液管中的液体流速不能太大，否则 降液管液体中的气泡没有足够的时间解脱出来， 而且分离出来的那部分气体也可能被高速的板 上溢流液封住而受阻，造成过大阻力，可能形成 降液管阻塞液泛。因此许多研究学者对液体在降液管中的停留时间及流速进行设 定，以维持正常的操作状态。 2 稳定泡沫区：这个区吸收了泡沫混合物的冲击能，该冲击能是由于板上液体流到 降液管中产生的，如果没有对冲击能量的吸收过程，大量的泡沫将流出降液管。 被夹带到下层塔板的气泡对下层塔板清液会产生湍动，对塔板效率也有一定影响。 h o e k 和z u i d e r w e g l l7 j 对f r i 高压自巴胛c 4 体系的试验数据进行分析，发现气 体夹带对塔板效率具有一定影响，尤其是在加压状态下，对塔板效率的影响更为 显著的，并且随着操作压力的增加，气体夹带及其对塔板效率的影响越大，见表 2 2 。 表2 2 降液管中气体夹带对板效率的影响 3 清液区：除了一小部分由于扰动影响偶然进入降液管的气泡以外，这个区几乎全 部是清液。该清液区很重要，不仅在降液管出口边缘上创造一个缓冲区，为下层 浙江工业大学硕士论文 塔板的入口液体提供良好的初始分布，更重要的是在降液管底形成液封，防止气 体从降液管底部进入。 由上述可知，降液管性能的优劣直接影响塔板整体性能。降液管性能的各种 参数中，降液管内停留时间、液流速度、降液管内清液层高度及降液管底隙等等 都是极为重要的。 2 5 降液管流体力学- 性能 2 5 1 降液管内停留时间 对于降液管停留时间的定义目前有两种【1 2 】：1 表观停留时间，表观停留时间 是整个降液管的体积与液体体积流率之比；2 真实停留时间，真实停留时间是降液 管泡沫层体积与泡沫体积流率之比，也可以表达为降液管清液层体积与清液体积 流率之比。 k i s t c r 认为【1 2 】表观停留时间便于应用及比较，若是采用真实停留时间可能导致 所设计的降液管过大。多数的学者在进行降液管研究的过程中，也都采用表观停 留时间来定义降液管中的停留时间。 许多研究者提出了对表观停留时间的规定，降液管中的停留时间必须足够大 以能够使气液分离，早在1 9 5 0 年，d a v i s 1 s l 在他的研究中得到最小表观停留时间为 4 秒的结论，并建议取5 秒作为设计标准。后来他又提出停留时间大于3 5 秒。此 后的多数学者b 2 1 也都认为降液管停留时间应在3 5 秒以上，对于易起泡物系，降 液管停留时间还要适当增大。 k i s t e r 总结归纳了文献中各种准则，根据物系的起泡倾向，提出了表2 - 3 所示 的准则【1 2 】，供设计选用。 表2 3 降液管中的最小停留时间 j a m i s o n 根据大量试验，归纳出降液管停留时问和气液两相密度差的关系图 u 9 】，他认为降液管内停留时间可按图2 - 4 估计。它对于塔板间距为6 0 0 m m 的筛板 降液管可获得准确而合理的结果。但可惜的是该图只适用于高压系统。 t h o m a s 2 0 2 1 等人则认为对于低压不易起泡物系，上述取值似乎有些保守。他 们认为，d a v i e s 之所以提出降液管停留时间应大于5 s 的设计准则，是因为在其试验 过程中，降液管中的液体己产生了相当大量的气体夹带。他们将自己测得的真实 浙江工业大学硕士论文 停留时间与b o l l e s 等人的测得的表观停留时 间进行对照，列于表2 - 4 ，认为规定5 秒左右的 停留时间重要性不大，对不易起泡系统，即使 只有1 秒的停留时间，也可以使大部分被夹带 的气体从降液管中释放出来。而且他们对采用 表观停留时间来作为设计准则提出了疑问。因 为液体在降液管中的停留时间是以整个降液 管的容积为基准计算出来的。而事实上降液管 中并不充满液体，因而得到的停留时间不过是 一种人为的判据而已，没有理论依据。 械 自 蔓 奄 - q 7 06 05 , 04 o3 0加 睁麓管停留时问t o 图2 - 4 气液密度差与降液管内液体停留时间 表2 _ 4b o l l e s 与t h o m a s 所测得的停留时间 徐崇嗣 2 2 1 2 3 1 也认为如果对起泡不大的物系，停留时间可以低于3 秒，特别对于 液流量较大的操作，液体在降液管内的停留时间有1 秒也能正常操作，这已为生产 实践证实。他和俞晓梅等人也认为采用表观停留时间作为设计准则是不合理的。 实际上，从能够反映降液管的流体性能来看，选定液体的流速更为合理。 2 5 2 降液管内液流速度 降液管最大允许液速值根据其易起泡程度一般取0 0 3 o 2 1 m s ，大多数认为 取0 0 9 0 1 5 m s 比较合适。然而t h o m a s 等人唧】贝u 认为对于低压不易起泡物系， 上述取值似乎有些保守。甚至有人认为在某些情况下，降液管液速取o 9 m s 都是 可以的。国内对于降液管的设计一般推荐液速不超过0 0 8 0 1 0 m s ，该设计准则 对于常压和减压体系显得过于保守刚。 b 1 4 x m a h 等认为降液管中气泡上升速度约为0 3 m s ，而l o e k e t t 和g h a r a n i 2 5 】 则认为降液管中的流速应该小于气泡的上升速度，否则将引起大量气体被夹带。 因此，他们推荐：对于不易起泡的液体，降液管中液流速度取0 0 9 0 2 1 m s ；对 于易起泡的液体，液流速度更要取低。他们采用p a v l o v 管测定了降液管内的速度 分布。结果表明液体在降液管内的流速分布很不均匀。流速较低处为o 1 5 m s ，流 速较高处达0 3 7 m s ，已超过起泡的上升速度。 浙江工业大学硕士论文 静 抽 旷 露 牛 导 抽 蜒 逝 静 加 圹 箍 世 酆 裂 篷 降液管液体速度( m s )降液管液体速度( m s ) 为降液管宽度为7 6 m m 时的测量结果。为降液管宽度为1 0 2 m m 时的测量结果 为降液管宽度为1 2 7 m m 时的测量结果 图2 - 5 降液管液体速度与气含率 他们的研究结果同时表明：如图2 - 5 ，当液流速度低于0 1 m s 时，已开始有 气体被液体夹带出降液管；当液流速度超过0 2 m s 时，降液管底部液流的气含率 仅稍低于降液管中的平均气含率，表明限制降液管液速的重要性。 表2 - 5 降液管中的最大允许液速 生成例子降液管内清液的最大允许速度( m s ) 泡沫倾向h = 4 5 0 m mh = 6 0 0 m mh = 7 5 0 m m 低低压( 2 1 m p a ) 轻烃类、 0 0 6 o 0 7 50 0 6 0 0 7 50 0 6 o 0 9 胺、甘油、二元醇 在考虑了塔板高度及生成泡沫倾向等因素后，k i s s e r _ 【1 2 】总结归纳了众多学者对 于降液管中最大允许液速的研究成果，列于表2 - 5 ，他本人认为表中的数据有些偏 乐观，作为保守一点的设计，可以将表中所列数据乘一安全因子o 7 5 。 另外，还有许多学者不只是提出液速的取值范围，并根据本身的试验情况， 将试验数据进行归纳，建立了降液管中允许液速的模型。虽然有些模型的适用范 围及准确程度还有待进一步检验，但这是对降液管设计准则的一个突破，为今后 的研究指明方向。 b a r b e r 和w n n 【3 】对原油精馏装置作了测定，考虑了液体抛射距离和物系易起 泡性能，提出了计算降液管中，最大允许液速蚴的关联式： ：竺笋( 玎 2 夸r 一【育j ( 2 - 1 ) 浙江工业大学硕士论文 式中： g 为重力加速度，m s 2 ； 忍为气含率； h 为降液管高度，m ；u 液体动力粘度，m 2 s ； p 液、气密度差，k g m 3 ：n 为液体密度，k g m 3 。 尾野馨和寺本通郎口1 推荐了起泡性不同的液体在降液管中的流速如下： 对于不易起泡的液体，岛( 岛一& ) 0 2 ，即乳化态工况的两相流特性研究。试验结论 如下：沿降液管宽度x 向，近堰壁处气含率低于近塔壁处；沿堰长y 向，中部的气 含率高于两侧的；在离塔板不同高度上，气含率变化自上而下可分为越堰抛入的 高气含率区、气含率显著变化区和近塔板的低气含率区；降液管中的气含率随液 流率增加而增大。 l o c k e t t 等人【2 5 l 对降液管内气含率分布 进行了测定，他们采用，射线对降液管内部 不同高度的气含率进行了测定，所得结果如 图2 1 1 所示。由图可知，沿着降液管宽度方 向，中心气含率大于两边的气含率，近堰壁 处气含率低于近塔壁处，且沿降液管高度方 向，气含率自下而上逐步增大。 2 5 6 2 降液管内平均泡沫密度 降液管的平均泡沫密度实际上是降液 o | t _ e n s o - e s sc s ；o n c er _ d em i il 图2 - 1 1 降液管内气含率 随高度的变化曲线 管中平均液含率，是降液管液泛预测中一个重要的参数。但是，由于降液管流动 和体系的复杂性，关于降液管泡沫特性的研究极少。l o c k e t t 和g h a r a n i 2 5 】采用空气 水体系对降液管的泡沫密度进行了实验研究，结果表明降液管的泡沫密度与降液 管流速相关。图2 - 5 显示的是降液管的平均气含率和降液管底部的气含率，由该图 数据直接反推出降液管的平均泡沫密度和降液管底部的泡沫密度。将图2 - 5 中的数 据范围画出大致的轮廓，如图2 - 1 2 ，可知降液管的平均泡沫密度和降液管底部的 泡沫密度大约在0 7 5 0 9 5 之间，并且和降液管的表观液速有直接的联系。 o 2 5 0 2 0 3 。1 5 ， 、o 1 0 0 0 5 o o ，o t o o _ n 一 _ m r 1 图2 1 2 空气水体系降液管平均气含率和底部气含率与降液管液速的关系图 浙江工业大学硕士论文 由于对降液管泡沫密度预测比较困难，实际塔板设计大多数采用一些经验规 则。一般来说，对于非起泡体系，降液管泡沫密度取0 5 的设计是极为安全的。对 于一般起泡体系需要考虑起泡因子。 2 5 7 降液管内泡沫高度 t h o m a s 等人【2 0 l 认为在操作 液量较低时，降液管内的液体是 “ 由靠近塔板底部的清液区及其上 至“ 部的低密度泡沫区构成，两个区 茎a 域之间的分界线十分明显；较高 ；。 的流速使液体产生更强烈的湍 动，但区域之间的差异依然很明 显，底部区域由分布着少量较小 起泡的液相组成，而上层区域包 括很少液体和大量的气泡。随着 液体流速的增加，板上会产生更 圈 jl - u o t i i df l o w - r a t e 算i ，r r m o 降液管宽度5 i n , v 降液管宽度3 5 i n 降液管宽度2 7 5 所降液管宽度1 7 5 伽 2 一1 3 泡沫高度与流量