王新成，孙国刚，王晓晗，张玉明，李首壮

(中国石油大学 过程装备实验室，北京 102249)



文氏棒喷淋塔的流体力学性能

王新成，孙国刚，王晓晗，张玉明，李首壮

(中国石油大学 过程装备实验室，北京 102249)

通过冷模实验研究了文氏棒层喷淋塔的流体力学特性，测量了不同空隙率文氏棒层的干板压降、湿板压降、泡沫层高度等数据，以及文氏棒层上的流动区域演化规律，考察了气、液操作参数和文氏棒结构尺寸对压降的影响，并进一步分析拟合得到了文氏棒塔干板压降、湿板压降、泡沫层高度和拦液点与溅液点气速的计算关联式。结果表明，文氏棒塔的湿板压降特性曲线包含润湿区、泡沫区和溅沫区3个区域；比穿流栅板塔及筛板塔的阻力更低、操作弹性范围更宽；拟合的文氏棒塔流体力学特性关联式计算值与实验吻合较好，优于文献中相关的关联式，可为棒层空隙率30%以下的文氏棒塔设计参考。

文氏棒塔；流体力学；气速；压降；空隙率

文氏棒喷淋塔是在传统喷淋空塔内添加一层或多层文氏棒层而构成[1-3]，因气体经过圆形截面棒间渐缩渐扩通道而产生的文丘里过流效应而得名。当操作的液/气比适宜时，气体以较高的速率通过棒缝，托举下落的液体，在棒层上方建立起气-液泡沫薄层，从而在传统喷淋空塔的“气包液”传质过程中增加一“液包气”的鼓泡传质层，可显著提高气、液接触与传质效率；同时，由于气、液通过棒层时的高速湍动流动，对棒层产生良好的自清洁作用，能够较好地抑制结垢与堵塞，可广泛应用于气体吸收、净化、烟气脱硫除尘等许多场合[4-7]。

目前有关文氏棒塔流体力学特性的研究很少。前人关于穿流栅板塔[8-9]和筛板塔[10-11]等类似塔型的研究与经验公式可为文氏棒塔流体力学特性描述提供参考，但并不能完全用于文氏棒塔的预测计算，因为塔中的具体气、液接触元件结构有些不同，文氏棒塔中棒层采用圆形截面的棒或管构成，显然流动阻力更低，操作域更宽。笔者建立了文氏棒塔实验系统，测定文氏棒塔压降等流体力学性能，总结文氏棒的压降、拦液点和溅液点气速等计算关联式，为认识文氏棒塔的流体动力学特性提供基础。

1　文氏棒喷淋塔实验装置

文氏棒喷淋塔实验系统如图1所示，包括供气系统、喷淋除雾系统、测量系统等部分。塔内径为286 mm，塔高3000 mm，文氏棒层位于进气口之上400 mm处。实验测试了5个不同尺寸的文氏棒层，其空隙率即棒缝处最小截面积之和与棒层面积比值列于表1。实验介质为空气、水。进气管直径为110 mm，采用LPT-03-300型皮托管3测量进气气速，再将所测气速换算为进塔的气量。采用U形管4测量全塔压降，采用斜压差计8测量文氏棒层压降。测量压降时，对测压面均匀布置4个测压点以保证测量的准确性，棒层压降测量精度为2.6 Pa，整塔压降测量精度为9.8 Pa。采用体积膨胀法-快速照相技术测定泡沫层高度。实验数据采用多次测量的平均值。

图1　文氏棒喷淋塔实验装置示意图

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2　结果与讨论

2.1文氏棒喷淋塔的流体力学性能

文氏棒喷淋塔的流体力学性能是指在不同操作气速、喷淋密度和结构参数下，文氏棒塔的操作负荷范围、棒层压降、气-液接触状态等性能。

图2为2#文氏棒层在不同喷淋密度下的棒层压降(Δp)随塔截面气速vg的变化。由图2可见，Δp随vg的变化状态呈现3个区域，即Ⅰ润湿区、Ⅱ泡沫区、Ⅲ溅沫区。润湿区的特点是气速较小，棒层上存液很少，覆盖不住棒缝，气、液两相交替通过棒缝，气、液为膜式接触。随着vg增大，开始有少量液体覆盖在棒层上，形成液层，同时在塔内伴有周期性的声响，并且压差计读数突增(图2中曲线A点)，一般将这个点定义为“拦液点”。当vg进一步增大，棒层上面开始出现液层，由此进入泡沫区Ⅱ。泡沫区可分为清液区(下层)和泡沫区(上层)两个区域。泡沫区是一个渐变的过程，刚进入泡沫区时，气体鼓泡穿过清液层，泡沫层高度较小；随着vg增加，泡沫层高度增加，清液层减少，直至B点，这时棒层上全部转化为泡沫层。若继续增加气速，棒层上的泡沫层则会呈现周期性的摆动，还会出现“雾沫夹带”的现象，气-液传质不稳定，此时属于溅沫区Ⅲ，而B点则称为溅液点。拦液点、溅液点气速均为塔截面的表观气速，二者的比值定义为塔的气相负荷弹性系数f，可表征文氏棒塔稳定操作范围的大小。如图2中，喷淋密度Lp=3.11 m3/(m2·h)时，拦液点气速和溅液点气速分别为2.85 m/s、0.96 m/s，则f为2.97，说明2#棒层在此液量下溅液点气速为拦液点气速的2.97倍。

图2　2#文氏棒层压降随塔截面气速vg的变化

由图2可见，文氏棒塔的压降与穿流栅板和筛板的压降[8-9,12-13]有相似的变化过程。但由于文氏棒层由圆截面的棒或管排构成，与普通栅板、筛板塔相比，文氏棒塔具有较小的流体阻力和较大的操作负荷，尤其在高气速下，文氏棒塔的低压损性就更为显著，传质效率高且稳定。

喷淋密度、棒层空隙率、棒缝宽度对文氏棒层压降、拦液点和溅液点气速、气相负荷弹性系数f等都有影响。实验表明，喷淋密度增大、空隙率减小或棒缝宽度减小都使棒层压降增大、拦液点和溅液点气速减小。如，2#文氏棒塔在喷淋密度从3.11 m3/(m2·h)增加到7.79 m3/(m2·h)时，泡沫区压降大约升高60 Pa；空隙率由15.2%降到22.6%，泡沫区压降约降低100 Pa；棒缝宽度由2 mm 增大到4 mm，泡沫区压降则降低约70 Pa，拦液点气速降低0.21～0.48 m/s，溅液点气速降低0.43～0.46 m/s。喷淋密度、空隙率对塔的气相负荷弹性系数f影响不显著，一般约为3～4，但棒缝宽增大，f有所减小。

2.2文氏棒喷淋塔干板压降

针对穿流栅板或筛板干板阻力系数的研究已有报道。黄文瀛等[14]提出了一个平均干板阻力系数。万邵琥等[15]提出了大自由截面(空隙率ε=30%～60%)的干板阻力系数计算方法，但不适用于ε小于30%的小自由截面塔的计算。高国华等[16]数值模拟不同开孔方式的筛板，讨论了开孔方式对干板阻力的影响。由于文氏棒层的文丘里过流效应与穿流栅板或筛板有所不同，上述所涉及的关联式不能直接用于计算文氏棒塔干板压降，需要寻找合适的关联式。

由流体力学原理，干板压降可用式(1)计算[17]。

(1)

依据实验数据，并考虑干板流体阻力是由文氏棒层自由截面气体的摩擦阻力与棒缝处气流的压缩和扩大的局部摩擦阻力构成，得出文氏棒塔干板阻力系数关联式如式(2)所示。

(2)

式(2)的拟合相关系数为0.97，实验值与拟合值误差在12%以内。由式(2)可知，在空隙率ε<30%的范围内，干板阻力系数随气体雷诺数Res和空隙率ε的增加而增加，Res正比于文氏棒层的棒缝值，棒缝的变化同时影响过缝气速，则Res受棒缝尺寸与过缝气速共同作用，即干板阻力系数取决于文氏棒的空隙率和棒缝尺寸。

2.3文氏棒喷淋塔湿板压降

2.3.1泡沫区压降

在润湿区，气、液膜式接触，传质面积较小；气速超过溅液点后，虽然气、液湍动剧烈，但是在塔内竖直方向会产生严重的逆向混合，气、液接触很不稳定，雾沫夹带较大。所以，泡沫区是文氏棒喷淋塔的理想操作区，泡沫区压降是理论研究和实际工业应用中最主要的参数。黄文瀛等[14]证实，Cym-шиk公式可以用于大自由截面穿流栅板的湿板压降计算。冯朴荪等[13]提出了管栅的压降计算公式。于鸿寿等[18]对大孔筛板的压降、漏液点气速、泡沫层高度进行过系统的测定，提出了一套关联式。采用Cym-шиk公式[14]和管栅压降计算公式[13]计算得到的文氏棒喷淋塔泡沫区湿板压降和实验值示于图3。由图3可见，实验结果与管栅压降计算公式计算结果有较大误差，与Cym-шиk公式计算结果比较接近，但误差也在13%～74%之间。可见它们并不适用于文氏棒塔的压降计算。

图3　不同关联式计算得到的文氏棒喷淋塔泡沫区湿板压降和实验值

泡沫区压降(Δpb)包括干板阻力、由液体表面张力引起的阻力和泡沫层阻力3部分组成，如式(3)所示。

Δpb=Δpc+Δpσ+Δpw

(3)

式(3)中，由液体表面张力造成的阻力Δpσ可按拉普拉斯方程式(4)[17]求解；泡沫层阻力Δpw与液体黏度、表面张力等物性有关[17]，由实验数据拟合出关联式(5)，其中的AT可由式(6)计算，由此得到泡沫区压降计算式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(7)计算得到的文氏棒喷淋塔泡沫区湿板压降也示于图3。由此可见，该计算结果与实验值比较接近。

2.3.2溅沫区压降

文氏棒喷淋塔溅沫区的气、液湍动剧烈[19]，故其压降不能按照泡沫区的关联式进行计算，根据实验数据参照泡沫层阻力拟合方法，拟合得出溅沫区的压降关联式(8)。其中的AS可由式(9)计算。

(8)

(9)

式(8)的拟合相关系数为0.98，计算值与实验值误差在13%以内，因此，可以用来预测溅沫区的压降。

2.4文氏棒喷淋塔泡沫层高度

泡沫层高度的大小直接影响传质效率的高低[20]，是气液传质效率的表征量，而且对于安装多层文氏棒层的塔来说，泡沫层高度也是确定合理文氏棒层间距的重要依据。

图4　4#文氏棒喷淋塔泡沫层高度随塔截面气速vg的变化

图4为4#文氏棒塔泡沫层高度随塔截面气速vg的变化。由实测的泡沫层高度拟合出泡沫层高度关联式(10)。

(10)

式(10)的拟合相关系数为0.97，可以较准确地回归本实验数据。由式(10)可知，泡沫层高度与泡沫层压降间存在一定的依赖关系，由此还可得到泡沫层的密度计算式(11)。

(11)

2.5文氏棒喷淋塔拦液点与溅液点气速

泡沫区是文氏棒喷淋塔适宜的稳定操作区域[21]，因此泡沫区的拦液点和溅液点气速计算对于文氏棒塔的设计和生产操作均十分重要。

依实验数据，拟合文氏棒塔的拦液点与溅液点气速的计算式如式(12)和(13)所示。

(12)

(13)

lnY=-4X+ln2.26

(14)

lnY=-4X+ln13.23

(15)

图5为拦液点和溅液点气速预测值与实验值比较。由图5可知，拦液点和溅液点气速公式很好地预测了实验结果。

图5　文氏棒塔拦液点气速(vu)和溅液点气速(vl)预测值与实验值比较

3　结　论

(1)文氏棒喷淋塔的流体力学特性和穿流栅板塔、筛板塔相似，随操作气速、喷淋密度变化，呈现润湿区、泡沫区和溅沫区3个区域；但文氏棒塔的阻力低、操作弹性范围宽。

(2)除操作气速、喷淋密度外，文氏棒层的空隙率、棒缝宽度对文氏棒塔的压降、流域演化也有重要影响，文氏棒空隙率越小，棒缝越小，弹性系数f越大。

(3)依据实验数据拟合得出了文氏棒塔干板阻力系数、泡沫区压降、溅沫区压降、泡沫层高度、拦液点气速和溅液点等计算式，计算结果与实验结果相关性较好，可为空隙率小于30%的文氏棒塔计算提供参考。

符号说明：

AS、AT——溅沫区、泡沫层压降系数；

b——棒缝，mm；

D——文氏棒棒层直径，mm；

d——棒径，mm；

de——棒缝当量直径，mm；

f——气相负荷弹性系数；

G——气相质量流量，kg/h；

g——重力加速度，m/s2；

h——泡沫层高度，m；

L——液相质量流量，kg/h；

Lp——喷淋密度，m3/(m2·h)；

Δp——湿板压降，Pa；

Δpb、ΔpS——泡沫区、溅沫区压降，Pa；

Δpc、Δpw、Δpσ——分别为干板、泡沫层、由表面张力引起的压降，Pa；

Reg、Res——塔截面、棒缝处气体雷诺数；

vg、vs——塔截面、棒缝处气速，m/s；

vu、vl——拦液点、溅液点气速，m/s；

X、Y——基本初等函数变量；

ε——空隙率，%；

μl、μB——液相和20℃水的黏度，Pa·s；

ξ——干板阻力系数；

ρg、ρl、ρw——气相、液相、泡沫层密度，kg/m3；

σl、σB—— 液相和20℃水的表面张力，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

中国石化股份公司科技开发项目(109119)资助

王新成，男，硕士研究生，从事烟气脱硫方面的研究；E-mail：wxc20130121@163.com

孙国刚，男，教授，博士，从事气-固分离及流态化工程方面的研究；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