2. 中国核动力研究设计院中核核反应堆系统设计/热工水力重点实验室, 四川 成都 610213
2. Key laboratories of Reactor system design/Thermal hydraulics, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China
气液并流通过堆叠筛板填料作为一种高效的气液接触模式，已成功应用于核电废液处理等领域[1]。该填料由多块筛板堆叠而成，具有低压降、无液泛、通量大等优点[2~7]，同时筛板的独特结构能够提高气液界面更新率和传递效率[1-3, 8]。
采用堆叠筛板填料的实验表明，气液两相并流向下流动过程可呈现出滴流、连续流、脉冲流、半分散流、完全分散流5种流动形态[1]。脉冲流作为一种特殊流型，在填料中会出现液相聚集的富液区和气相聚集的富气区，它们沿着填料交替向下传播，增加了填料的润湿性、加快了液膜更新、减小了流动死区[9-12]。现有研究表明[9-11, 13-18]，在脉冲流状态下，气液两相湍动更加明显，具有较高的传热传质效率，已成为填料塔操作运行的特定流型，其流体力学行为对相关设备的设计与操作都具有十分重要的意义[16, 19]。
脉冲流中液相流动形态直接影响传质效率[20]，但常规堆叠筛板填料中的液相脉冲通常会覆盖整块筛板，分散程度较低，且脉冲流的气液操作范围较窄[2-3]。Shi等[1]和Qiao等[2]通过实验发现，筛孔孔径对脉冲流的形成和特性有显著影响，其中小孔筛板产生脉冲流的倾向性更强。此外，不少研究人员[16, 21-23]也通过实验得到了散堆填料中填料尺寸越小，即填料间隙越小，越容易产生脉冲流的结论。这是因为气液两相流动不畅通形成的互相扰动是导致脉冲流的主要原因。从这一角度出发，为增强气液两相的相互扰动，扩展脉冲流操作区域，本研究在常规筛板基础上增加小孔，提出了脉冲流增强型筛板填料(如图 1)。该增强型筛板开孔率变化不大，流动上形成大孔套小孔的结构，将流体收缩再分散，易于形成分散的局部脉冲，进一步增强气液两相之间的相互作用。
|
图 1 脉冲流增强型填料塔结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the structure of a pulse flow enhanced packed tower |
针对脉冲流增强型筛板填料的流体动力学特性进行了系统的实验观察和测试，研究了不同填料结构与操作条件下增强型筛板填料中流型转变与压降的变化规律，并分析了脉冲范围、脉冲结构和脉冲频率的影响因素。
2 实验部分 2.1 脉冲流增强型筛板填料脉冲流增强型筛板填料是在Shi等[1]的常规堆叠筛板填料(如图 2(a)所示)基础上，为改善脉冲流操作范围提出的一种新型筛板填料，结构如图 2(b)所示，其中大孔与小孔的直径之比约为3:1。筛板依次错开90°安装在200 mm×200 mm×600 mm的有机玻璃壳体内，安装效果见图 2(c) (实线为上板，虚线为下板)。相比于常规筛板填料中两相流通过筛孔后直接冲击至筛板的流动模式，增强型筛板中上一块筛板的大孔对应下一块筛板的小孔，减小了板面积液与局部阻力，同时大孔套小孔的结构能够促进气液相互作用，有助于提高传递效率。
|
图 2 筛板结构及安装效果图 Fig.2 Schematic diagram of screen structure and installation effects |
实验采用了A、B、C、D、E 5种规格的新型筛板填料，几何参数如表 1所示，a、b、c为常规筛板填料[1]。
|
表 1 筛板填料的几何特性参数 Table 1 Geometric characteristic parameters of sieve plate packing |
实验装置示意如图 3所示，气相自填料塔顶经空气分布器喷入，液相由恒定液位的高位水槽送入填料塔顶自液体分布器喷淋而下，气液相流量由流量计控制。使用U型管压差计同时测量筛板填料上部7块、14块、21块筛板的压降。压降波动幅度由压力传感器监测，实验前，需使用U型管压差计对传感器进行校准。高速摄像仪用以拍摄流体流动形态。实验在常温常压下进行，以空气与水为介质，气相体积流量范围为20~180 m3·h−1，液相体积流量范围为0.4~1.6 m3·h−1。
|
图 3 实验装置示意图 Fig.3 Schematic diagram of experimental setup 1. pump 2.water storage tank 3. water surge tank 4. liquid flow meter 5. high-speed camera 6. pressure tap 7. packed column 8. light 9. air flow meter 10. silencer 11. blower |
图 4为填料A、B、C在QG=130 m3·h−1时不同QL下的压降Δp变化规律，随着QL增加，两相流压降近似呈线性增加，且α越小压降越大。图 5为填料A、B、C在QL=1.6 m3·h−1时不同QG下两相流压降变化，随着QG的增加，压降的增加幅度逐渐上升。
|
图 4 填料中液相流量对两相流压降的影响 Fig.4 Effects of liquid flow rate in packing on pressure drop of two-phase flow |
|
图 5 填料中气相流量对两相流压降的影响 Fig.5 Effects of gas flow in packing on pressure drop of two-phase flow |
观察图 4与图 5压降变化范围，可以得到填料A、B、C在同一QG下随着QL增大压降变化范围均小于同一QL下随着QG增大的压降变化范围，由此可见，气相流量对筛板压降的影响相比液相流量更为显著，起主导作用。
图 6表示了QL=0.8 m3·h−1时，增强型筛板填料C与文献[1]中常规筛板填料c压降的对比。从图中可以看出，增强型筛板填料的压降均低于常规筛板填料，且高气量下，压降明显减小。与常规筛板填料中d/b和l/b的值对压降有显著影响不同(d/b和l/b的值分别体现了流体冲击下一块筛板以及流体流动方向突然转变引起阻力损失的效应)，增强型筛板填料形成了大孔套小孔的结构，所以新填料中流体冲击下一块筛板产生的阻力明显变小，且流体流动方向突然转变引起的阻力损失也减小，故增强型筛板填料压降降低，而高气量下阻力主要由气相确定，而气相阻力由平均气速确定，增加小孔后，气体的平均流速降低，故压降减小明显。与填料C类似，新型填料A和B的压降也均低于常规筛板填料。
|
图 6 填料C与c的两相流压降对比图 Fig.6 Comparison of two-phase flow pressure drop of packing C amd c |
在实验中通过观察得到各流型之间的转换边界，脉冲流转换边界由上限和下限组成，考虑到观测误差，上、下限边界分别存在过渡区，如图 7所示。
|
图 7 不同填料的脉冲流操作区域范围图 Fig.7 Diagram of pulse flow operating areas of different packings |
在实验提供的气液通量范围内，填料A中并未出现脉冲流型，而在填料B和C中均出现了脉冲流，如图 7(a)和(b)所示。从图 7(a)可看出，在填料B中可以观测到4种流动模式：滴流、连续流、脉冲流、半分散流。图 7(b)显示填料C的脉冲流操作范围显著加宽，以至于填料C中只观察到了滴流、连续流、脉冲流3种流动模式。可见，开孔率越小，越容易产生脉冲。与常规堆叠筛板填料[1]相比，填料B和C的脉冲流气液操作范围均明显变宽，可知脉冲流增强型筛板填料更容易实现脉冲流动模式，这是由于填料孔径越小脉冲流越容易产生，且增强型筛板填料大孔套小孔的结构使得流体不断地收缩与扩张，增强了流体扰动，更容易实现脉冲流。
将填料C、D、E中脉冲流操作区域进行对比，见图 7(b)~(d)，发现随着筛板数的减少，脉冲流范围也逐渐缩小，可知筛板数量也是控制脉冲流范围的关键因素。又因脉冲流是液体扰动波沿着填料层的动态传输过程，故可推测若在填料A中继续增加筛板数量，最终仍可观察到脉冲流。
3.3 脉冲流的基本特征 3.3.1 脉冲流结构当增强型筛板填料中通过的气液通量达到某一值时，可观察到液相聚集的富液区和气相聚集的富气区交替通过填料，即产生了脉冲流，如图 8所示。图中阴影部分为液相聚集的富液区。相关研究指出[2, 24~26]，脉冲流是液相扰动波在筛板间被叠加放大的动力学过程。图 8(a)~(c)为填料C在WL=67.9 kg·m−2·s−1时增大WG脉冲结构的变化过程，从图中可以看到，随着气相质量通量的增加，脉冲覆盖区域先增大后减小。这是因为增大气量有利于脉冲的叠加放大，使得脉冲强度增强，覆盖区域增大；进一步增大气量，由于气相对液相的分散作用增强，因此脉冲强度逐渐减弱，覆盖区域减小。图 9(a)~(c)为填料C在WG=6.57 kg·m−2·s−1下，增大WL时脉冲结构的变化过程，随着液相质量通量的增大，促进了液体扰动波的形成，脉冲强度增强，脉冲覆盖区域逐渐变大。
|
图 8 填料C在WL =67.9 kg·m−2·s−1时脉冲结构随WG的变化过程 Fig.8 Variation of the pulse structure of packing C as a function of WG at WL =67.9 kg·m−2·s−1 |
|
图 9 填料C在WG =6.57 kg·m−2·s−1时脉冲结构随WL的变化过程 Fig.9 Variation of the pulse structure of packing C as a function of WL at WG =6.57 kg·m−2·s−1 |
此外，从图 8和9中还可以发现随着气相通量和液相通量的增大，脉冲在向下传播的过程中塔内多为分散的局部脉冲，这是增强型筛板填料独特的几何特征导致的。具体地，气液两相在筛板填料间的流动是反复收缩与扩张的过程，其在孔口附近的互相作用尤为强烈，富液区的液相经过小筛孔喷射散布在筛板间，进一步分散了液相脉冲，促进局部脉冲的产生，使得脉冲无法汇聚成大片可见脉冲而横跨整块筛板[2]；同时，增加小筛孔能够增强相间作用，有助于提高填料塔的传质性能。与常规堆叠筛板填料脉冲形态相比，增强型筛板填料的脉冲形态小而分散，两相接触面积大大增加，气液两相掺混进一步加强。
3.3.2 脉冲频率通过高速摄像机捕捉填料中固定30 s内产生的脉冲数测量脉冲频率，计算3次实验的平均值以减小误差。
图 10为不同WL下填料C的脉冲频率随WG的变化，增大WG，脉冲频率先迅速增大然后逐渐减小。脉冲的产生与流体通过孔口时的气-液两相扰动有关，随着WG的增大，气-液两相通过筛孔时扰动加剧，使得脉冲容易产生，又因为小孔的扰动作用叠加，导致局部脉冲大量出现，脉冲数量瞬间增多，因此频率在小气量范围内激增，但当WG增大到一定程度后，气相对液相的分散作用也增大，流动向分散流转化(液滴粒径减小、数量增加，气-液作用趋于均匀、宏观脉动逐渐消失)，故脉冲频率在达到峰值后开始逐渐减少，频率峰值出现在中等气量条件下。从图中还可发现，脉冲频率随着WL的增大而增大，这是由于液相通量的增大减弱了气相对液相的分散作用，促进了局部脉冲的产生从而引起脉冲频率增大。图 11表示了增强型筛板填料C和常规筛板填料c脉冲频率的对比，发现前者的脉冲频率明显增大，进一步说明了增强型填料中气液两相间相互作用增强。
|
图 10 不同WL下填料C的脉冲频率随WG的变化规律 Fig.10 Variation of the pulse frequency of packing C as a function of WG under different WL |
|
图 11 填料C脉冲频率对比图 Fig.11 Comparison of packing C pulse frequencies |
压降的波动幅度反映了填料塔内流体湍动的强度，因此脉冲强度可以用压降波动剧烈程度来表征，压降波动越剧烈，脉冲强度越大。
图 12所示为填料C在WL=68.0 kg·m−2·s−1时的压降波动与气相质量通量的关系，对应填料C的脉冲流操作区域范围(图 7(b))，随着脉冲流的出现，压降信号出现了类似周期性波动，这是因为富液区会暂时阻碍气流通过，从而导致压降激增，富液区通过筛板后，压降又迅速减小。在脉冲流状态下，随着WG增加，压降波动先增大后减小，对应的脉冲强度也先增大后减小。这是因为WG增加时，气流对液相的扰动逐渐增强，促进液相形成液体扰动波，脉冲强度增强，压降波幅增大；继续增大WG，液相被逐渐分散，难以聚集形成扰动波，故脉冲强度减弱。
|
图 12 填料C在WL =68.0 kg·m−2·s−1时的压降波动与WG的关系 Fig.12 Relationship between the pressure drop fluctuation of packing C and WG at WL =68.0 kg·m−2·s−1 1. WG =2.5 kg·m−2·s−1 2. WG =4.1 kg·m−2·s−1 3. WG =5.7 kg·m−2·s−1 4. WG =7.4 kg·m−2·s−1 5. WG =10.7 kg·m−2·s−1 6. WG =12.3 kg·m−2·s−1 7. WG=14.0 kg·m−2·s−1 |
图 13(a)~(c)给出了填料C与c在液相流量为0.8 m3·h−1下，不同气量下的压降波动对比。从图中可以看出，增强型筛板填料的压降波动幅度均大于常规筛板填料，因为增强型筛板填料产生的脉冲分散性好且脉冲频率快，故填料塔内流体湍动程度较为剧烈，新型筛板填料的脉冲流强度增强，进一步增强了气液两相的掺混程度。
|
图 13 填料C的压降波动情况对比图 Fig.13 Comparison of pressure drop fluctuation of packing C |
从小孔增强流动扰动的角度提出增强型筛板填料，通过实验数据分析，研究了气液并流向下通过脉冲流增强型筛板填料的流体力学特性，得出结论如下：
(1) 脉冲流增强型筛板填料与常规筛板填料相比，其产生脉冲流的倾向显著增强，即脉冲流下限降低、上限提高，操作区域范围增大；实验范围内，填料开孔率α减小、板数增多、脉冲流操作范围加宽。
(2) 就脉冲流特性而言，增强型填料中产生的脉冲流形态分散性更好，且脉冲频率明显增大，有利于增强整体气液接触、表面更新和传质传热效率。
(3) 与常规筛板填料相比，增强型筛板填料因开孔率增加其两相流压降相应减小，压降随气相流量和液相流量的变化趋势基本一致；但在脉冲流区域，压降波动幅度更大，填料内脉冲流强度增加，有助于增强气液两相的相互作用。
符号说明：
b —板间距，mm
∆p —压降，Pa
D —筛孔大孔孔径，mm
QG —气相体积流量，m3·h−1
d —筛孔小孔孔径，mm
QL —液相体积流量，m3·h−1
e —板厚，mm
t —时间，s
f —脉冲频率，Hz
WG —气相质量通量，kg·m−2·s−1
L —筛板边长，mm
WL —液相质量通量，kg·m−2·s−1
l —孔间距，mm
α —开孔率，%
N —筛板数量
| [1] |
SHI W, HUANG W, ZHOU Y, et al. Hydrodynamics and pressure loss of concurrent gas-liquid downward flow through sieve plate packing[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 143: 206-215. DOI:10.1016/j.ces.2016.01.005 |
| [2] |
QIAO M, HUANG W, LI J, et al. Experimental investigation on the pulse flow regime transition of gas-liquid concurrent downward flow through a Sieve plate packed bed[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2019, 58(21): 9140-9154. |
| [3] |
QIAO M, LIU S, HUANG W, et al. Comparative study of dry pressure drop and flow behaviour of gas flow through sieve plate packing[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2020, 98(10): 2238-2256. DOI:10.1002/cjce.23751 |
| [4] |
郝仁杰, 谯敏, 黄卫星. 气-液并流通过堆叠筛板填料的脉冲流特性[J]. 化工学报, 2021, 72(3): 1314-1321. HAO R J, QIAO M, HUANG W X. Pulse flow characteristics of concurrent gas-liquid flow through sieve plate packing[J]. CIESC Journal, 2021, 72(3): 1314-1321. |
| [5] |
JAGADEESH BABU P E, ARUNAGIRI A, MURUGESAN T. Prediction of two-phase pressure drop and liquid holdup in co-current gas-liquid downflow of air-newtonian systems through packed beds[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2006, 81(1): 70-81. |
| [6] |
SAROHA A K, KHERA R. Hydrodynamic study of fixed beds with cocurrent upflow and downflow[J]. Chemical Engineering & Processing Process Intensification, 2006, 45(6): 455-460. |
| [7] |
BURGHARDT A, BARTELMUS G, JAROSZYŃSKI M, et al. Hydrodynamics and mass transfer in a three-phase fixed-bed reactor with cocurrent gas-liquid downflow[J]. The Chemical Engineering Journal and the Biochemical Engineering Journal, 1995, 58(2): 83-99. DOI:10.1016/0923-0467(94)02956-3 |
| [8] |
BEG S A, HASSAN M M, NAQVI M. Hydrodynamics and mass transfer in a cocurrent packed column: A theoretical study[J]. The Chemical Engineering Journal and the Biochemical Engineering Journal, 1996, 63(2): 93-103. DOI:10.1016/0923-0467(96)03080-1 |
| [9] |
WILHITE B A, WU R, HUANG X, et al. Enhancing performance of three-phase catalytic packed-bed reactors[J]. AIChE Journal, 2001, 47(11): 2548-2556. DOI:10.1002/aic.690471117 |
| [10] |
BOELHOUWER J G, PIEPERS H W, DRIUKENBURG A A H, et al. Enlargement of the pulsing flow regime by periodic operation of a trickle-bed reactor[J]. Chemical Engineering Science, 1999, 54(20): 4661-4667. DOI:10.1016/S0009-2509(99)00102-5 |
| [11] |
唐涌濂. 并流填料塔中脉冲流区判别模型[J]. 化学工程, 1988, 16(4): 14-19. TANG Y L. A distinguishing model for pulse flow regime in cocurrent packed columns[J]. Chemical Engineering(China), 1988, 16(4): 14-19. |
| [12] |
于杰, 陈锡勇, 费维扬. 填料类型对脉冲填料萃取塔性能的影响[J]. 高校化学工程学报, 1999, 13(4): 323-328. YU J, CHEN X Y, FEI W Y. Effects of packing type on characteristics of pulsed extraction column[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 1999, 13(4): 323-328. |
| [13] |
BARTELMUS G. Local solid-liquid mass transfer coefficients in a three-phase fixed bed reactor[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 1989, 26(2): 111-120. DOI:10.1016/0255-2701(89)90003-2 |
| [14] |
TSOCHATZIDIS N A, KARAPANTSIOS T D, KOSTOGLOU M V, et al. A conductance probe for measuring liquid fraction in pipes and packed beds[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1992, 18(5): 653-667. DOI:10.1016/0301-9322(92)90037-H |
| [15] |
BOELHOUWER J G, PIEPERS H W, DRINKENBURG A. Nature and characteristics of pulsing flow in trickle-bed reactors[J]. Chemical Engineering Science, 2002, 57(22/23): 4865-4876. |
| [16] |
ZHAO T, EDA T, ACHYUT S, et al. Investigation of pulsing flow regime transition and pulse characteristics in trickle-bed reactor by electrical resistance tomography[J]. Chemical Engineering Science, 2015, 130: 8-17. DOI:10.1016/j.ces.2015.03.010 |
| [17] |
WILHITE B A, BLACKWELL B, KACMAR J, et al. Origins of pulsing regime in cocurrent packed-bed flows[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005, 44(16): 6056-6066. |
| [18] |
WANG A, MARASHDEH Q, MOTIL B J, et al. Electrical capacitance volume tomography for imaging of pulsating flows in a trickle bed[J]. Chemical Engineering Science, 2014, 119: 77-87. DOI:10.1016/j.ces.2014.08.011 |
| [19] |
肖琼, ANTER A M, 程振民, 等. 滴流床反应器内脉冲流流体力学特性参数的模型预测[J]. 高校化学工程学报, 2000, 14(6): 530-534. XIAO Q, ANTER A M, CHENG Z M, et al. A hydrodynamic model for predicting the characteristic properties under pulsing flow in a trickle bed reactor[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2000, 14(6): 530-534. DOI:10.3321/j.issn:1003-9015.2000.06.004 |
| [20] |
DANG-VU T, DOAN H D, LOHI A, et al. A new liquid distribution factor and local mass transfer coefficient in a random packed bed[J]. Chemical Engineering Journal, 2006, 123(3): 81-91. DOI:10.1016/j.cej.2006.07.013 |
| [21] |
张楠, 孙中宁, 赵忠南. 球床通道内气液两相竖直向上流动流型实验研究[J]. 原子能科学技术, 2011, 45(9): 1040-1044. ZHANG N, SUN Z N, ZHAO Z N. Experimental investigation on flow patterns of gas-liquid two-phase upward flow through packed channel with spheres[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2011, 45(9): 1040-1044. |
| [22] |
ATTOU A, FERSCHNEIDER G. A two-fluid hydrodynamic model for the transition between trickle and pulse flow in a cocurrent gas-liquid packed-bed reactor[J]. Chemical Engineering Science, 2000, 55(3): 491-511. DOI:10.1016/S0009-2509(99)00344-9 |
| [23] |
BLOK J R, DRINKENBURG A A H. Hydrodynamic properties of pulses in two-phase downflow operated packed columns[J]. The Chemical Engineering Journal, 1982, 25(1): 89-99. DOI:10.1016/0300-9467(82)85025-9 |
| [24] |
KRIEG D A, HELWICK J A, DILLON P O, et al. Origin of disturbances in cocurrent gas-liquid packed bed flows[J]. AIChE Journal, 1995, 41(7): 1653-1666. DOI:10.1002/aic.690410706 |
| [25] |
BOELHOUWER J G, PIEPERS H W, DRINKENBURG A. The Induction of pulse in trickle-bed reactors by cycling the liquid feed[J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56(8): 2605-2614. DOI:10.1016/S0009-2509(00)00527-3 |
| [26] |
DINARYANTO O, PRAYITNO Y A K, MAJID A I, et al. Experimental investigation on the initiation and flow development of gas-liquid slug two-phase flow in a horizontal pipe[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2017, 81: 93-108. DOI:10.1016/j.expthermflusci.2016.10.013 |