旋转填充床气相压降特性研究_李振虎

1.2 外腔压降
设气体沿旋转床的切向进入 , 在周向上分布均
匀 , 液体对外腔气体运动的影响可忽略不计 。采用
柱坐标(r , θ, z ), z 轴为转动轴 , 气体作定常态运 动 , 满足轴对称 , 即速度 、 压力均与 θ无关 , 忽略 重力加速度的影响 。由于外腔截面积较大 , 气相流 速相对来说较小 , 可暂不考虑粘性损耗 。边界条 件:
图 2 逆流床实验流程图 Fig .2 Scheme of experiment fo r RPB
1.气体进口;2.旋转床壳体 ;3.转子 ;4.填料层 ;5.液 体分布 器 ;6.出口集气器 ;7.液体进口 ;8.气体出口 ;9.出口密封圈 ; 10.转动轴密封 ;11.转动轴 ;12.液体出口管
层压降随气体流量的增大而增大 。
2.2 实验流程 如图 2 所示 , 来自罗茨鼓风机的空气 , 从逆流
旋转床外壳的切向进入床内 , 经过安装在由电机带 动而高速旋转着的转子上的填料层 , 从填料层的中 心处引出 , 经出口管计量后排空 ;来自液体储槽的 水经液体转子流量计计量后 , 由旋转床中心处的液 体分布器均匀喷洒在旋转的填料层内缘上 , 在离心 力作用下与气体逆流接触后 , 被甩出填料层 , 由旋
0.93 qvg -0.63 。
1.3 填料层压降
旋转填料层内气液两相流的情况相当复杂 。为
解决这一问题 , 首先只考虑气体的压降 , 然后叠加
液相对气体压降的影响 。从填料外缘到填料内缘 ,
对气相做机械能衡算 。忽略重力加速度的影响 。
Δp 2※3
=
2ρ(u
2 r3
-u
2r 2)+
ρ 2 (u
2 θ3
边界条件 r =R3 ;ur =2πqRvg3 h ;uθ=ωR 3 。 在内腔 , 液体自 液体分布 器中沿 径向喷 向填
料 , 与沿周向运动的气体碰撞使气体的周向运动速
度减小 。设气体出内腔时的周向动能为没有液体喷
入时的 k(k <1)倍 。利用内腔连续性方程和运动方
程 , 考虑液体对内腔压降影响 , 整理得内腔压降
北京化工大学超重力工程技术研究中心对旋转 填充床的流体力学特性作了较为深入细致的研究 。 为了进一步搞清楚在旋转填充床内 , 各段的气相压 降的变化行为 , 更为直观地了解逆流旋转填充床内 各段压降的变化规律 , 同时为设备进一步改进提供 依据 , 研究工作采用了分段法对旋转填充床中气相
收稿日期 :1999-03-15 第一作者 :男 , 35 岁 , 讲师 , 博士生
A
d
=6(β
-A dd
f
δ),
式中
δ利用文献
[ 6]
δ=4.2
×1 08
μL πh ρA f
ω2ln(R
2/ R
3)来计算
,
dd 利
用文献 [ 6] dd =0.728 4
σ ω2 R av
ρ
1 2
来
计算
,
式中
R av为填料层的几何平均半径 。
液体从液体分布器喷出达到填料层 , 由于填料
对液体的作用使液体周向速度从 0 迅速增大到与填
料的周向速度几乎相同 , 液体被快速向外甩 , 以至
于液体的后方形成低压区 。液体周围的气体迅速补
充这一低压区 , 使气体向 3 截面迁移 , 有液时气体
通过填料层的压降有所减小 。液相使气体压降的减
小值可
表示
为
:(ρ/ 2)φl R
2 2
ω2
。在填
料层
中液
体
的
径向相对速度变化不大 , 可忽略液相的径向磨擦损
第 26 卷第 4 期 1999 年
北京化工大学学报 JOURNAL OF BEIJ ING UNIVERSITY OF CHEM ICAL TECHNOLOGY
V ol.26, No .4 1 99 9
旋转填充床气相压降特性研究
李振虎 郭 锴 陈建铭 周绪美 郑 冲
(北京化工大学化学工程学院超重力工程技术研究中心 , 北京 , 100029)
ρ 2 u
2 ou t
-
k out
2ρ(1
-k)ω2
R R
2 3 2 4
(7)
式中 :ξout 由 干 床 不 转 时 的 实 验 测 定 , ξout =
187.31Re -0.34 , 其中出口流速 、 出口雷诺数与进口
的计算方法相同 ;k out 为出口旋转动能转化为静压 能的系数 , 干床实验得 :k out =104.08qvg1.3 ω-1.38 。
摘 要 旋转床的气相压降是旋转床工程设计的一项重要 指标 。利用空气-水系 统对旋 转填充床 的气相 压降进 行 分段 模型化和实验研究 。结果表明 :旋转床干床压降比湿床大 ;进口压 降随气量增 大而增大 ;内腔 压降随液体 加 入突 然减小 ;出口压降随气量增大而增大 , 随转速增大而减小 , 随液体 加入而突然 增大 ;填料层压 降随气量和 转 速增大而增大 , 当流体加入时 , 先减小 , 后增大 。 关键词 旋转填充床 ;气相压降 ;模型 分类号 T Q 051.82
2.34L 0.24 。
1.5 出口压降
出口气体的压降由两部分组成 :一部分是当旋
转床不转时 , 气体通过出口段时的局部阻力损失 ;
第4期
李振虎等 :旋转填充床气相压降特性研究
·7 ·
另一部分是由于流动方向的变化使旋转动压能部分
转化成静压能 , 部分由于涡流而损失掉 。
-Δp4 ※5
= ξout
持液量 β 利用文献[ 6] 中的计算式计算 :
β
=
65.21(R
1.4 3
5
R
2 3
-
-R
R
2 2
12.45)
q vl 2πh
0.72 · ω-1.09
湿床有效比表面积等于填料上液膜的比表面积
与液滴的比表面积之和 。由于液膜较薄 , 近似认为
填料液膜的比 表面积等于干 填料的比 表面积 Af 。
液滴的比表面积
r
=R
1
;uθ=uθ1
=(R
1
q vg -R2)h
1
;
ur =-2πqRv1gh1 将边界条件代入连续性方程和运动方程并整理
得:
·6 ·
北京 化工大 学学报
1999
Δp 1※2
=
ρ 2
q vg 2πh 1
2
1
R
2 2
-
1 R 21
2
+
k1 ※2
2ρ(R
2 2
ω2
-uθ12)
Hale Waihona Puke (2)式中 :k 1※2为外腔周向阻力系数 , 实验测定 k 1 ※2 =
气体流经出口集气器和出口管时的局部阻力 。
1.1 进口阻力
由文献[ 5] 知气体流经进口管的阻力为 :
-Δp 0※1
= ξin
ρu in 2 2
(1)
式中 :uin =qvg/ πR in2 为气体在进口管中的流速 ;ξin
为进口局 部阻力 因数 , 由 实验测 定为 :ξin =0.45
Re0.079 ;Rin为进口管半径 。
图 1 逆流旋转床结构示意图 F ig .1 Scheme of RP B
2.3 实验范围 气体流量 :190 ～ 500 m 3/ h ;液体流量 :0.6 ～
4.0 m 3/ h ;旋转床转速 :0 ～ 1 500 r/ min 。
3 结果与讨论
3.1 气量对气相压降的影响 如图 3 所示 , 干床和湿床的气相总压降及填料
计算式 :
Δp fr2 ※3
=
-
fs 2
A
w
(R 3 4 εw
R
2)×
q vg 2πh1 εw R 3 R 2
+u l
2
+
k 2※3
ρ 2 ω2(R
2 2
-R23)
(4)
式中 :εw =ε-β ;f s =26.03 qvg -0.15 , 由无液不转
动时的实验测定 。
湿床孔隙率等于填料层的孔隙率减去持液量 。
失 , 但气体相对于液体的径向速度比气体相对于填
料的径向速度要大 , 用式(4)中第一项表示 , 令其
为 Δpf r2※3 。令 φ=φg +k 2※3 , 则填料层的压降为 :
Δp2 ※3
=
ρ 2
q vg 2πhεw
2
1
R
2 3
-R122
+
ρ2 (R
2 3
ω2
-
u
2θ2)+φω2(R
2 2
-R 23)-
用文献[ 5] 离心风机的基本方程可得旋转填料对气
相所作的功为 :
W
g
=φg
ω2(R
2 2
-R
23)
由于填料的形状非常复杂 , 所以 φg 的影响因 素较多 。对同一填料 , 认为 φg 是气体体积 流量和 转速的函数 。气相的磨擦阻力损失可分成两项来计
算 , 即径向阻力和周向阻力 。这样得到气相的阻力
总压降为上述各部分压降之和 , 即 :
-Δp total = -Δp 0※1 +(-Δp 1※2)+(-Δp2 ※3)+
(-Δp3※4)+(-Δp4 ※5)
(8)
2 气相压降的实验研究
实验采用空气-水系统对逆流旋转填充 床的压 降特性进行实验测定 。 2.1 主要设备结构
旋转床结构如图 1 所示 。
为:
-Δp 3※4
=