气提泵特性研究
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第 19 卷第 4 期 2003 年 12 月
化学反应工程与工艺 Chem ica l R eaction Engineering and T echno logy
文章编号: 1001- 7631 (2003) 04- 0352- 06
V o l 19, N o 4 D ec, 2003
气提泵特性研究
3. 2. 1 Pa rker 模型中 K 值 由 Pa rker 模型推导过程可知: K 是液体和气体流动过程中在管道中的摩擦参数。 对于不同管径
和物料的试验结果关联的 K 值见表 2。由表 2 可知: 当输送料液和管径相同条件下, 不同浸没度的 K 和 S 值是相同的; 当输送料液为水且气提泵的管径为 0. 025m 时 K 值为 9. 2, 与 Pa rker 以及 Kha lil 得出的 K 值相差较大, 这是因为本实验所用的气提泵总提升高度L 大所造成的。由表 2 可知: 当提升 管径为 0. 015m 和 0. 010m 时, 所对应的 K 值分别为 18. 2 和 28. 2, 均大于提升管管径为 0. 025m 时 的 K 值。由此可知: 随着提升管管径的减小, 摩擦参数 K 是增大的。而 Pa rker 在提升高度为 1. 28m、 管径为 0. 025m 的气提泵 (浸没度为 0. 556) 输送水的实验中拟合的 K 值为 1. 7[4], Kha lil 在泵高为 2m、管径相同、浸没度分别为 0. 6 和 0. 75 条件下得到与 Pa rker 相同的 K 值[5]。
]=
QL2 2gL A
2 [ (K +
1) +
(K +
2)
Q Q
g L
-
2
Θg ·A ΘL A
j
(Q Q
g L
)
2
]
(1)
式中, H L 是气提泵浸没度 Α;
S 是空气流速与液体流速的比= V g V L , 称为滑移率;
K 是摩擦参数= (4f L ’) D ’, f 是摩擦因子
(2)
首先将实验数据换算成两个无因次量Q L A 2gL 和 Q g Q L , 然后作出二者的关系图, 如图 3～ 图 5 所示。图中的连线是模型拟合的结果。由图可知: 当提升管直径为 0. 010m 和 0. 015m 时, Pa rker 模型预测结果与试验结果吻合得相当好; 而当直径为 0. 025m 时, 当浸没度为 0. 51 和 0. 6 时, Pa rker 模型预测结果与试验结果吻合得相当好, 但浸没度为 0. 39 时, 模型预测的结果和试验数据的误差较 大。模型中的 K 和 S 的最佳拟合值见表 2。这也说明 Pa rker 模型适用于描述小管径和大浸没度的气 提泵的气体和液体的流量关系。
1. 8 18. 2
0. 010m
1. 8 28. 2
Parker 试验用提升管
3 1. 7
模拟料液
滑移率, S 摩擦参数, K
3 9. 2
2 17. 2
第4期
张成钢等 1 气提泵特性研究
353
的气体是空气, 其物性参数如表 1 所示:
M aterials A ir
W ater M liqu id TR PO
表 1 原料物性参数 Table 1 Properties of M a ter ia ls Used in the Exper im en t
升高度为L 。 气提泵特征参数浸没度的定义是浸没高度与提升高度
之比, 即 Α= H L 。 气提泵操作过程中, 提升管内气液流型是栓流流
型。1968 年 Stenn ing 和M a rt in [3]提出了一维模型来描述气提泵的特 征 (即气体流量和所提升的液体流量之间关系) , 在一维模型中, 利用
实验选用的未提升液体前提升管中的静止液面距水平 连通管的高度为 3. 86m , 图 2 中进气管的位置3- 1、3- 2 和 3- 3 对应的浸没高度 H 分别为 3. 56m、2. 56m 和1. 56m , 对 应的提升高度分别为 5. 9m、4. 9m 和 3. 9m , 则所选择的浸 没度分别为 0. 6、0. 52 和 0. 4。 实验中气体流量通过玻璃转 子流量计来确定。 对于液体流量, 先测量流出的液体达到某 一体积时所用的时间, 然后用体积与时间相比计算出液体流 量。
Θ kg·m - 3 1. 205 998. 2 1004 787
Λ×105 Pa·s 1. 81 100. 5 93 264
Ρ×103 N ·m - 1 72. 6 18 16. 9
2. 2 实验流程
实验装置如图 2 所示。 该系统主要包括: 玻璃转子流量 计 ( 1)、节 流 阀 ( 2)、进 气 管 ( 3)、提 升 管 ( 4) ( 内 径 分 别 为 0. 010、0. 015 和 0. 025m )、气液分离器 (5)、容量器 (6)、球阀 (7)、储液槽 (8)、下降管 (9)。气源系统包括空气压缩机、玻璃 转子流量计和进气管; 气提系统包括储液槽、提升管、下降 管、气液分离器等。 流程图中共有 3 个进气管 (编号分别为 3- 1、3- 2 和 3- 3) , 其中每个进气管之间相距 1m (当提升 管内径为 0. 010m 和 0. 015m 时, 进气管的直径为 0. 002m ; 内径为 0. 025m 时, 进气管的直径为 0. 004m ) , 最低进气口 (3- 1) 和水平连通管相距 0. 3m。每次实验仅打开 1 个进气 管。 实验过程中, 由空气压缩机提供的压缩空气经过玻璃转 子流量计和进气管进入提升管。料液从储液槽经过下降管和 提升管被空气提升至气液分离器进行分离后计量。
研究了水、模拟高放废液 (简称模拟料液) 和 30% T rpo 2煤油体系的液体和气体流量的关系, 并对
Pa rker 模型中的参数进行了详细的讨论, 为气提泵的设计提供理论基础。
2 实验设备和流程
2. 1 实验设备及物料 实验所输送的液体是水、模拟料液 (m liqu id) 和 30% TR PO 2煤油体系 (以下简称 TR PO ) , 所使用
图 2 气提泵实验装置流程图
F ig 2 Exp erim en ta l Setup
12玻璃转子流量; 22球阀 (3 个) ;
32进气管 (3 个) ;
42提升管;
52气液分离器;
62容量器;
72球阀;
82储液槽;
92下降管;
102水平连通管;
112进气口放大图
3 实验结果和讨论
3. 1 液体流量与气体流量关系 图 3～ 图 5 分别给出了提升管的管径为 0. 010m、0. 015m 和 0. 025m 时水、模拟料液和 TR PO 体 系的Q L A 2gL 和Q g Q L 的关系图。由图可知: 当浸没度相同时, 随着气体流量的增加, 液体流量先 是迅速增加并达到一个最大值, 然后液体流量会随气体流量的增加而缓慢下降; 在相同的气量下, 浸 没度越大, 相对应的液体流量就越大。 这些结论与 Kha lil 等的实验结果是一致的。 但当浸没度小于 0. 4时, Pa rker 模型预测粘度较大的 TR PO 体系的结果与试验结果的误差较大, 这说明 Pa rker 模型 不能描述粘度较大且浸没度较低的气提泵的特征。
程。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第4期
张成钢等 1 气提泵特性研究
355
H L
-
[ 1+
(1
1 S ) · (Q g
QL)
当输送的料液为模拟料液时, 由表 2 可知: 不同提升管径的气提泵对应的 K 值与输送料液为水 时相差很小, 并且变化规律相同, 主要是由于模拟料液与水的密度和粘度较为接近 (如表 1 所示)。
当输送料液为 TR PO 体系时, 由表 2 可知: 不同提升管径的气提泵对应的 K 值要比输送料液为 水和模拟料时的 K 值要大 1 倍左右, 这可主要是 TR PO 体系的粘度却大约为水、模拟料液的 3 倍。随 着输送体系的粘度提高而摩擦因子增大所致。即在描述气提泵的一维模型中的参数 K 值随着提升高 度的增加、提升物料粘度的增大和管径的减小而增加。
关键词: 气提泵; 一维模型; 液体流量 中图分类号: TH38. 12 文献标识码: A
1 前 言
气 提 泵 已 经 广 泛 地 应 用 于 有 毒 流 体 的 处 理[ 1 ]、生 化 反 应 器 设
计[1]和核化工[2]等工业中, 特别是乏燃料后处理工厂中, 由于高放废
液的放射性水平高, 要求输送过程不允许泄漏; 辐照计量大, 不允许
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
354 化学反应工程与工艺 2003 年
图 5 提升管径为 0. 025m 时 QL A 2gL 与 Q g QL 关系图 F ig 5 Q L A 2gL V r. Q g QL w hen D = 0. 025m
3. 2 Parker 模型的数据处理及讨论 Pa rker[4] 在 Stenn ing 和M a rt in 的理论模型[3] 基础上, 考虑了进口的影响, 修正后得出如下的方
收稿日期: 2003- 01- 08; 修订日期: 2003- 04- 15 作者简介: 张成钢 (1973- ) , 男, 硕士, 研实员。 电话: 0102651446623028; E2m ail: Zhang Cheng gang @ tsinghua. o rg. cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
张成钢, 景 山, 吴秋林, 陈 靖, 宋崇立
(清华大学核能技术研究院, 北京 昌平 102201)
摘要: 研究了水、模拟料液、30% TR PO 2煤油体系 3 种液体在高为 6. 2m 气提泵中的气提特征, 并用 Parker 一维模型对实验结果进行了分析和处理。 详尽讨论了提升管管径、输送液体的粘度和表面张力对Parker 模 型中特征参数 K 、S 的影响。
图 3 提升管径为 0. 010m 时 QL A 2gL 与 Q g QL 关系图 F ig 3 Q L A 2gL V r. Q g QL w hen D = 0. 010m
图 4 提升管径为 0. 015m 时 QL A 2gL 与 Q g QL 关系图 F ig 4 Q L A 2gL V r. Q g QL w hen D = 0. 015m
图 1 典型气提泵结构图 F ig 1 Sketch M ap of A ir2lift
气液的滑移率来关联气液两相特征。Pa rker[4]考虑了喷嘴处的气体
Pum p
流速对液体流动的影响, 对一维模型加以改进, 并得到了试验的验证, 而 Kha lil[5]等人实验结果的进
一步验证 Pa rker[4]的模型。Pa rker[4]由于一维模型由于其简捷而被广泛应用。因此, 在本工作中, 实验
工作人员直接维修。现在一般采用的是机械计量泵、屏蔽泵和扬液器
等, 但不能满足可远距离拆卸和易维修的要求。 针对这一问题, 国内
外着眼于气提泵。 它的特点是设备管道简单、无传动部件、无维修部
件以及可靠性好, 所以广泛应用于具有腐蚀性和放射性料液的输送。
来自百度文库
典型的气提泵结构如图 1 所示。 图 1 中浸没高度为 H , 总的提
表 2 不同料液在 3 种提升管中得 S 和 K 值 Table 2 Va lues of S and K for D ifferen tM a ter ia ls in Three A ir- l if t Pum ps
物料 水
项目
滑移率, S 摩擦参数, K
0. 025m
3 9. 2
0. 015m
化学反应工程与工艺 Chem ica l R eaction Engineering and T echno logy
文章编号: 1001- 7631 (2003) 04- 0352- 06
V o l 19, N o 4 D ec, 2003
气提泵特性研究
3. 2. 1 Pa rker 模型中 K 值 由 Pa rker 模型推导过程可知: K 是液体和气体流动过程中在管道中的摩擦参数。 对于不同管径
和物料的试验结果关联的 K 值见表 2。由表 2 可知: 当输送料液和管径相同条件下, 不同浸没度的 K 和 S 值是相同的; 当输送料液为水且气提泵的管径为 0. 025m 时 K 值为 9. 2, 与 Pa rker 以及 Kha lil 得出的 K 值相差较大, 这是因为本实验所用的气提泵总提升高度L 大所造成的。由表 2 可知: 当提升 管径为 0. 015m 和 0. 010m 时, 所对应的 K 值分别为 18. 2 和 28. 2, 均大于提升管管径为 0. 025m 时 的 K 值。由此可知: 随着提升管管径的减小, 摩擦参数 K 是增大的。而 Pa rker 在提升高度为 1. 28m、 管径为 0. 025m 的气提泵 (浸没度为 0. 556) 输送水的实验中拟合的 K 值为 1. 7[4], Kha lil 在泵高为 2m、管径相同、浸没度分别为 0. 6 和 0. 75 条件下得到与 Pa rker 相同的 K 值[5]。
]=
QL2 2gL A
2 [ (K +
1) +
(K +
2)
Q Q
g L
-
2
Θg ·A ΘL A
j
(Q Q
g L
)
2
]
(1)
式中, H L 是气提泵浸没度 Α;
S 是空气流速与液体流速的比= V g V L , 称为滑移率;
K 是摩擦参数= (4f L ’) D ’, f 是摩擦因子
(2)
首先将实验数据换算成两个无因次量Q L A 2gL 和 Q g Q L , 然后作出二者的关系图, 如图 3～ 图 5 所示。图中的连线是模型拟合的结果。由图可知: 当提升管直径为 0. 010m 和 0. 015m 时, Pa rker 模型预测结果与试验结果吻合得相当好; 而当直径为 0. 025m 时, 当浸没度为 0. 51 和 0. 6 时, Pa rker 模型预测结果与试验结果吻合得相当好, 但浸没度为 0. 39 时, 模型预测的结果和试验数据的误差较 大。模型中的 K 和 S 的最佳拟合值见表 2。这也说明 Pa rker 模型适用于描述小管径和大浸没度的气 提泵的气体和液体的流量关系。
1. 8 18. 2
0. 010m
1. 8 28. 2
Parker 试验用提升管
3 1. 7
模拟料液
滑移率, S 摩擦参数, K
3 9. 2
2 17. 2
第4期
张成钢等 1 气提泵特性研究
353
的气体是空气, 其物性参数如表 1 所示:
M aterials A ir
W ater M liqu id TR PO
表 1 原料物性参数 Table 1 Properties of M a ter ia ls Used in the Exper im en t
升高度为L 。 气提泵特征参数浸没度的定义是浸没高度与提升高度
之比, 即 Α= H L 。 气提泵操作过程中, 提升管内气液流型是栓流流
型。1968 年 Stenn ing 和M a rt in [3]提出了一维模型来描述气提泵的特 征 (即气体流量和所提升的液体流量之间关系) , 在一维模型中, 利用
实验选用的未提升液体前提升管中的静止液面距水平 连通管的高度为 3. 86m , 图 2 中进气管的位置3- 1、3- 2 和 3- 3 对应的浸没高度 H 分别为 3. 56m、2. 56m 和1. 56m , 对 应的提升高度分别为 5. 9m、4. 9m 和 3. 9m , 则所选择的浸 没度分别为 0. 6、0. 52 和 0. 4。 实验中气体流量通过玻璃转 子流量计来确定。 对于液体流量, 先测量流出的液体达到某 一体积时所用的时间, 然后用体积与时间相比计算出液体流 量。
Θ kg·m - 3 1. 205 998. 2 1004 787
Λ×105 Pa·s 1. 81 100. 5 93 264
Ρ×103 N ·m - 1 72. 6 18 16. 9
2. 2 实验流程
实验装置如图 2 所示。 该系统主要包括: 玻璃转子流量 计 ( 1)、节 流 阀 ( 2)、进 气 管 ( 3)、提 升 管 ( 4) ( 内 径 分 别 为 0. 010、0. 015 和 0. 025m )、气液分离器 (5)、容量器 (6)、球阀 (7)、储液槽 (8)、下降管 (9)。气源系统包括空气压缩机、玻璃 转子流量计和进气管; 气提系统包括储液槽、提升管、下降 管、气液分离器等。 流程图中共有 3 个进气管 (编号分别为 3- 1、3- 2 和 3- 3) , 其中每个进气管之间相距 1m (当提升 管内径为 0. 010m 和 0. 015m 时, 进气管的直径为 0. 002m ; 内径为 0. 025m 时, 进气管的直径为 0. 004m ) , 最低进气口 (3- 1) 和水平连通管相距 0. 3m。每次实验仅打开 1 个进气 管。 实验过程中, 由空气压缩机提供的压缩空气经过玻璃转 子流量计和进气管进入提升管。料液从储液槽经过下降管和 提升管被空气提升至气液分离器进行分离后计量。
研究了水、模拟高放废液 (简称模拟料液) 和 30% T rpo 2煤油体系的液体和气体流量的关系, 并对
Pa rker 模型中的参数进行了详细的讨论, 为气提泵的设计提供理论基础。
2 实验设备和流程
2. 1 实验设备及物料 实验所输送的液体是水、模拟料液 (m liqu id) 和 30% TR PO 2煤油体系 (以下简称 TR PO ) , 所使用
图 2 气提泵实验装置流程图
F ig 2 Exp erim en ta l Setup
12玻璃转子流量; 22球阀 (3 个) ;
32进气管 (3 个) ;
42提升管;
52气液分离器;
62容量器;
72球阀;
82储液槽;
92下降管;
102水平连通管;
112进气口放大图
3 实验结果和讨论
3. 1 液体流量与气体流量关系 图 3～ 图 5 分别给出了提升管的管径为 0. 010m、0. 015m 和 0. 025m 时水、模拟料液和 TR PO 体 系的Q L A 2gL 和Q g Q L 的关系图。由图可知: 当浸没度相同时, 随着气体流量的增加, 液体流量先 是迅速增加并达到一个最大值, 然后液体流量会随气体流量的增加而缓慢下降; 在相同的气量下, 浸 没度越大, 相对应的液体流量就越大。 这些结论与 Kha lil 等的实验结果是一致的。 但当浸没度小于 0. 4时, Pa rker 模型预测粘度较大的 TR PO 体系的结果与试验结果的误差较大, 这说明 Pa rker 模型 不能描述粘度较大且浸没度较低的气提泵的特征。
程。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第4期
张成钢等 1 气提泵特性研究
355
H L
-
[ 1+
(1
1 S ) · (Q g
QL)
当输送的料液为模拟料液时, 由表 2 可知: 不同提升管径的气提泵对应的 K 值与输送料液为水 时相差很小, 并且变化规律相同, 主要是由于模拟料液与水的密度和粘度较为接近 (如表 1 所示)。
当输送料液为 TR PO 体系时, 由表 2 可知: 不同提升管径的气提泵对应的 K 值要比输送料液为 水和模拟料时的 K 值要大 1 倍左右, 这可主要是 TR PO 体系的粘度却大约为水、模拟料液的 3 倍。随 着输送体系的粘度提高而摩擦因子增大所致。即在描述气提泵的一维模型中的参数 K 值随着提升高 度的增加、提升物料粘度的增大和管径的减小而增加。
关键词: 气提泵; 一维模型; 液体流量 中图分类号: TH38. 12 文献标识码: A
1 前 言
气 提 泵 已 经 广 泛 地 应 用 于 有 毒 流 体 的 处 理[ 1 ]、生 化 反 应 器 设
计[1]和核化工[2]等工业中, 特别是乏燃料后处理工厂中, 由于高放废
液的放射性水平高, 要求输送过程不允许泄漏; 辐照计量大, 不允许
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
354 化学反应工程与工艺 2003 年
图 5 提升管径为 0. 025m 时 QL A 2gL 与 Q g QL 关系图 F ig 5 Q L A 2gL V r. Q g QL w hen D = 0. 025m
3. 2 Parker 模型的数据处理及讨论 Pa rker[4] 在 Stenn ing 和M a rt in 的理论模型[3] 基础上, 考虑了进口的影响, 修正后得出如下的方
收稿日期: 2003- 01- 08; 修订日期: 2003- 04- 15 作者简介: 张成钢 (1973- ) , 男, 硕士, 研实员。 电话: 0102651446623028; E2m ail: Zhang Cheng gang @ tsinghua. o rg. cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
张成钢, 景 山, 吴秋林, 陈 靖, 宋崇立
(清华大学核能技术研究院, 北京 昌平 102201)
摘要: 研究了水、模拟料液、30% TR PO 2煤油体系 3 种液体在高为 6. 2m 气提泵中的气提特征, 并用 Parker 一维模型对实验结果进行了分析和处理。 详尽讨论了提升管管径、输送液体的粘度和表面张力对Parker 模 型中特征参数 K 、S 的影响。
图 3 提升管径为 0. 010m 时 QL A 2gL 与 Q g QL 关系图 F ig 3 Q L A 2gL V r. Q g QL w hen D = 0. 010m
图 4 提升管径为 0. 015m 时 QL A 2gL 与 Q g QL 关系图 F ig 4 Q L A 2gL V r. Q g QL w hen D = 0. 015m
图 1 典型气提泵结构图 F ig 1 Sketch M ap of A ir2lift
气液的滑移率来关联气液两相特征。Pa rker[4]考虑了喷嘴处的气体
Pum p
流速对液体流动的影响, 对一维模型加以改进, 并得到了试验的验证, 而 Kha lil[5]等人实验结果的进
一步验证 Pa rker[4]的模型。Pa rker[4]由于一维模型由于其简捷而被广泛应用。因此, 在本工作中, 实验
工作人员直接维修。现在一般采用的是机械计量泵、屏蔽泵和扬液器
等, 但不能满足可远距离拆卸和易维修的要求。 针对这一问题, 国内
外着眼于气提泵。 它的特点是设备管道简单、无传动部件、无维修部
件以及可靠性好, 所以广泛应用于具有腐蚀性和放射性料液的输送。
来自百度文库
典型的气提泵结构如图 1 所示。 图 1 中浸没高度为 H , 总的提
表 2 不同料液在 3 种提升管中得 S 和 K 值 Table 2 Va lues of S and K for D ifferen tM a ter ia ls in Three A ir- l if t Pum ps
物料 水
项目
滑移率, S 摩擦参数, K
0. 025m
3 9. 2
0. 015m