氣-液并流通過堆疊篩板填料的脈沖流特性

郝仁杰，譙敏，黃衛星

（1 四川大學化學工程學院，四川成都610065； 2 中國核動力研究設計院，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設備，已被成功應用于核電廢水處理[1-2]，具有制造安裝簡單、壓降低、無液泛[3-6]等優點，應用前景廣泛。篩板填料幾何結構簡單，但是其兩相流動形態十分復雜，Shi 等[1]發現，氣液兩相并流通過新型堆疊篩板填料時，由于氣液兩相流量的變化，會產生不同的流型：滴流、連續流、脈沖流、半分散流和分散流。在現有的研究中，普遍認為脈沖流型比滴流和連續流的傳質與傳熱速率更高[7-12]，這是由于脈沖流狀態下，氣液相互作用顯著，增加了液膜更新率并減少了流動死區[13-18]；同時脈沖流型還擁有遠低于分散流型的流動阻力損失[1]。因此，相比于其他流型，脈沖流具有顯著的優勢。

脈沖流作為篩板填料中的一種特殊流型，深入理解其產生的機理及相關特性，對脈沖流理論模型的建立及篩板填料塔的設計與操作均有重要作用。但目前關于堆疊篩板填料中脈沖流動的研究還相對較少，主要研究集中于散堆填料。肖瓊等[19]和劉國柱等[20]研究了不同操作條件下的流型轉變，并得到了脈沖流型產生機理。Al-Naimi 等[21]和Urseanu等[22]通過監測塔內壓降波動情況，發現塔內壓力波動程度能夠間接反映脈沖流的強弱。Wang 等[23]研究了脈沖流型下氣液兩相分布情況，發現了脈沖形態在傳播過程中的變化。Bartelmus等[24]得到了脈沖速度與脈沖頻率的定量實驗結果，并由此建立了關聯式。Zhao 等[9]通過可視化研究，進一步揭示了脈沖轉變機理，并對Burghardt 等[10]建立的脈沖速度與頻率關聯式進行驗證。然而，篩板填料與以上研究中的填料相比，氣液兩相流動方式明顯不同，因此仍需投入大量的研究工作。

為了進一步研究篩板填料中脈沖流型的影響因素及特性，本文采用不同板數堆疊的填料，通過高速攝像機及壓差傳感器對氣液兩相通過填料的脈沖流產生機理和脈沖特性進行了系統的研究。

1 實驗裝置及流程

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要由填料塔、壓力測量系統、高速攝像系統和氣液輸送系統組成，如圖1 所示。實驗采用了5 種規格的填料段，外殼均采用有機玻璃制造，高度為600 mm，邊長為200 mm，如圖2所示。每種規格填料段由不同板數的不銹鋼篩板錯位90°堆疊而成，篩孔呈正方形排布，具體參數見表1。填料塔頂部裝有氣液分布器，以實現氣液的均勻混合。填料塔底部裝有氣液分離器，以實現液體回收。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

利用高速攝像機FASTCAM Mini WX100 進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。填料內部壓降變化通過Omega公司生產的PX 系列壓差傳感器測量。傳感器通過連接PCI-1710 數據采集卡，使用PC 端上的Lab View 2014軟件編程控制壓降數據的采集與儲存，采集頻率200 Hz，測量前，使用U型管壓力計對傳感器進行標定，以確保實驗數據的可靠性。

1.2 實驗流程

實驗中，空氣流量通過風機與三個氣相轉子流量計控制，水流量由高位槽與一個液相轉子流量計控制，同時測量了排空管道處的空氣溫度和水槽中的水溫。每組實驗工況數據記錄前設備連續運行10 min，以保證流動狀態達到穩定，其中氣相質量通量范圍為1.1～15.9 kg·m-2·s-1、液相質量通量范圍為23.8～118.8 kg·m-2·s-1。

圖2 填料結構示意圖Fig.2 Structure diagram of packing

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

2 實驗結果與討論

2.1 脈沖流產生機理

實驗過程中發現，當氣液相通量處于特定范圍內時，氣液兩相會以富液區和富氣區的狀態交替通過篩板填料，從而形成脈沖流，且操作條件不同，脈沖流的強度差異較大。通過分析脈沖流狀態下的液相脈沖形態特性和發展過程，能夠從本質上理解脈沖流現象產生的機理。

2.1.1 液相脈沖形態 在脈沖流產生發展階段，液相質量通量WL=44.6 kg·m-2·s-1、氣相質量通量WG=4.5 kg·m-2·s-1且不同時刻的液相脈沖結構如圖3（a）所示，圖中陰影部分為液相脈沖。從圖中可以看到，脈沖流產生以后，在向下傳播的過程中會不斷被疊加放大，導致液相脈沖的強度不斷增強。此時，固定氣量，增大液量，由于填料內的持液量增加，脈沖流的強度明顯增強，液相脈沖的覆蓋區域大大增加，如圖3（b）所示。增大氣量，由于氣相對液相脈沖的分散作用增強，導致液相脈沖逐漸減弱，如圖3（c）所示；在此基礎上，進一步增大氣量，液相脈沖會被進一步分散直至整個脈沖流完全消失。

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

2.1.2 脈沖流發展過程 實驗過程中發現，脈沖流總是首先出現在填料的某一位置處，然后自上而下傳播，且脈沖流產生的位置與操作條件密切相關。圖4 為28 塊篩板堆疊的填料中脈沖流產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，即對應形成脈沖所需的軸向發展距離先縮短再增加。這是因為固定液量下，氣量增大，氣相對液相的擾動作用增強，會使得局部脈沖更容易產生，從而導致脈沖流形成所需的軸向發展距離縮短。進一步增大WG，由于氣相對液相的分散作用增強，導致局部脈沖的疊加放大效應減弱，最終使得脈沖流形成所需的軸向發展距離增加。此外，從圖4 還可以看到，液量越大，脈沖流產生所需的軸向發展距離越短。這是因為液速越大，填料內的持液量越大[21,25-27]，局部脈沖越容易產生，在向下傳播過程中的疊加放大效應越顯著，從而使得發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隨氣液質量通量的變化關系Fig.4 Relationship between h and gas/liquid mass flux in 28 plates

由上文分析可推測，當篩板數越多，軸向發展距離越長，那么脈沖流就越可能產生。因此，本文研究了堆疊篩板數對脈沖流的影響。圖5為三種篩板數在脈沖流下的壓降波動情況，可以看出，篩板數越多，壓降波動幅度越大。這是因為，篩板數越多，液相脈沖的疊加放大作用越明顯，脈沖的強度越強，對氣相流動的阻礙作用越明顯[21,28]，由此說明篩板數對脈沖流產生與發展的重要作用。

2.1.3 脈沖流產生機理 在堆疊篩板填料的特殊流道內，其基礎單元為孔口，氣液兩相在篩板間的流動是通過孔口進行反復收縮與擴張的過程，再結合上文對脈沖流動行為的分析，因此可以認為脈沖流是重力和氣流曳力作用下，孔口液相波動在向下傳播過程中被疊加放大的動力學過程，且與氣、液流量密切相關。具體地，當氣液兩相并流向下通過篩板孔口時，篩板表面的液膜在重力和氣流曳力作用下產生波動，此時波動將對通過孔口的氣相產生阻礙，從而導致孔口上方局部壓力驟增。隨著孔口上下兩側壓差的增大，將推動液相波動通過孔口，由此形成局部脈沖，并在傳播過程中被疊加放大形成可見脈沖流。值得注意的是，脈沖流的產生需要一個最小臨界液量。而脈沖流產生以后，在向下傳播的過程中會被進一步疊加放大，從而使得脈沖流的強度增強；且液量越大，脈沖流的強度也越強。脈沖流狀態下，進一步增大氣量，由于氣相對液相的分散作用增強，會導致脈沖流強度減弱，直至完全消失。

圖5 不同板數下的壓降波動幅度(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

通過實驗觀測界定了其他流型和脈沖流的轉換邊界，并基于此獲得了不同篩板數下的脈沖流型圖，如圖6所示。從圖中可以看出，不同篩板數下的脈沖流轉換邊界變化趨勢一致，即在液量超過某一臨界值時，脈沖流開始產生，且液量越大，脈沖流范圍越寬。因為液量越大，填料內持液量越大，局部脈沖越容易產生，其疊加放大效應就越明顯。此外，從圖6 還可以看出，隨著篩板數增加，脈沖流范圍越寬，而且脈沖流的轉換邊界上限變化尤其明顯，這是因為篩板數越多，局部脈沖的疊加放大效應越明顯，脈沖流越容易產生，且產生以后的液相脈沖的強度越強，分散這些液相脈沖所需的氣量也就越大。為進一步探究篩板數對脈沖流產生的重要影響，實驗中通過逐層減少篩板數并觀測脈沖流型。結果發現，當篩板數低于3塊時，在實驗條件范圍內未觀測到脈沖流，即3 塊篩板數是脈沖流產生所需的最少堆疊數量。

2.3 脈沖傳播速度

圖6 不同板數的篩板填料流型圖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重要參數。通過高速攝像機記錄了液相脈沖在28 塊篩板填料中的傳播過程，利用脈沖的傳播距離和傳播時間計算得到了脈沖傳播速度。為了減小誤差，每組實驗重復六次，然后計算其平均值。

圖7表示了不同氣液質量通量下的脈沖傳播速度變化趨勢，可以看出，WL固定時，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為隨著氣量增加，脈沖逐漸增強；而隨著氣量進一步增大，液相脈沖逐漸被分散，脈沖減弱，導致其傳播速度減?。桓邭饬肯拢M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致脈沖傳播速度增大。從圖7 還可以看出，WG固定時，脈沖速度隨WL增大而增大，這是由于WL越大，一方面，脈沖強度越強，另一方面，液相流速增大，從而最終導致脈沖傳播速度增大。

結合相關文獻研究[29-30]，考慮脈沖速度與填料結構、流動參數有關，結合脈沖速度變化規律，在不同操作條件下對數據進行關聯。

當WG- 43.032W-0.53L＜0時：

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

當WG- 4.443W0.0908L≥0時：

圖8 表示了由式(1)～式(3)計算的脈沖速度與實驗值的比較，可以看出預測值與實驗值的整體變化趨勢吻合，且數值接近。圖9 為脈沖速度實驗值與計算值的誤差，偏差基本在±15%以內，表明預測公式具有較好的預測效果。

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

圖8 脈沖速度計算值與實驗值對比Fig.8 Comparison of calculated and experimental pulse velocity

2.4 脈沖頻率

通常，脈沖頻率是根據脈沖產生的個數與時間的比值所確定的[8-9,13]。在28 塊篩板填料中通過高速攝像機拍攝脈沖流圖像，記錄時間為30 s，利用脈沖產生個數與時間計算得脈沖頻率。為了減小誤差，每組實驗重復三次，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，會使局部脈沖更容易產生，脈沖逐漸增強，因此脈沖頻率增加。進一步增大WG，氣相對液相的分散作用增強，局部脈沖不容易產生，從而導致單位時間內產生的脈沖個數減小，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，填料內的持液量越大，局部脈沖越容易產生，脈沖強度增強，從而導致脈沖頻率增加。

圖9 脈沖速度計算值與實驗值的誤差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量通量的關系Fig.10 Relationship between pulse frequency and gas/liquid mass flux in 28 plates

最后，根據脈沖頻率變化規律，在不同操作條件下對實驗數據進行關聯。

當WG+ 0.0404WL- 8.248 ＜0時：

當WG+ 0.0404WL- 8.248 ≥0時：

圖11表示了由式(4)～式(5)計算的脈沖頻率與實驗值的比較，可以看出，計算值與實驗值的整體變化趨勢吻合，而且數值接近。圖12為脈沖頻率實驗值與計算值的誤差，偏差基本在±20%左右，預測效果良好。

圖11 脈沖頻率實驗值與計算值的對比Fig.11 Comparison of calculated and experimental pulse frequency

圖12 脈沖頻率實驗值與計算值的誤差Fig.12 Deviation of calculated and experimental pulse frequency

3 結 論

本文對氣液兩相并流向下通過篩板填料的脈沖流產生機理、發展過程、脈沖傳播速度及脈沖頻率進行了系統的研究，主要結論如下。

（1）脈沖流是重力和氣流曳力作用下，孔口液相波動在向下傳播過程中被疊加放大的動力學過程。一定氣速下，脈沖流的產生需要有一個最?。ㄅR界）液相流量，臨界液量之上，氣液量的增加將促進脈沖的產生與發展，進一步增大氣量，液相脈沖會被逐漸分散，導致脈沖流減弱直至完全消失。

（2）增加篩板數，有利于增強脈沖流強度，從而導致脈沖流范圍變寬，其對脈沖流轉換邊界的上限作用尤其明顯，當篩板數少于三塊時不會出現脈沖流。

（3）液量越大，越有利于形成局部脈沖，從而導致液相脈沖傳播速度與頻率均增加；增大氣量，氣相對液相的擾動作用越強，局部脈沖越容易產生，從而導致脈沖速度與頻率均增加；進一步增大氣量，液相脈沖會被逐漸分散，導致脈沖速度與頻率逐漸減小；更高氣量下，由于氣相的拖曳作用，又會使得脈沖速度增加。最后，基于實驗結果分析，提出了脈沖傳播速度與頻率的預測關聯式，對其峰值點與變化趨勢有較好的預測效果。

符 號 說 明

b——篩板間距，mm

d——篩孔孔徑，mm

f——脈沖頻率，Hz

h——脈沖產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——氣相通過孔口的表觀速度，m·s-1

Vp——脈沖傳播速度，m·s-1

WG,WL——分別為氣相、液相通過孔口的質量通量，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

cal——計算值

exp——實驗值