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1、3 气液两相流(非闪蒸型 3.1 简述3.1.1 在化工设计中，经常可以遇到气体和液体混合物在管内并流的现象，此流动现象称为气液两相流，这种现象可以在冷凝、蒸发、沸腾、起泡、雾化等过程中形成，如发生在蒸汽发生器及其加热管、蒸汽冷凝管中等场合。气液两相流的流动过程十分复杂，与单相流体的流动机理不同，没有类似单相流中的摩擦阻力系数与雷诺数之间的通用关联式，通常采用半经验性的关联式来进行计算。3.1.2 两相流的压力降要比相同质量流速的单相流大得多，主要是： 3.1.2.1 由于管内壁持液，使管内径变小；3.1.2.2 由于气液两相间产生相互运动，导致界面能量损失； 3.1.2.3 液体在管中起伏运
2、动，产生能量损失等。在一般情况下，当气液混合物中气相在698(体积 范围内；应采用气液 两相流的计算方法来进行管路的压力降计算。3.1.3 气液两相流分为非闪蒸型和闪蒸型两类。液体非闪蒸是流体在流动过程中，气液相体积分率不发生变化。液体闪蒸是随着压力的降低液体闪蒸流动。 3.1.4 气液两相流管径的计算，应采用和流型判断相结合的方法，并根据流型判断结果初选管径。3.1.5 确定气液两相流的流动形式，对于两相流的压力降计算是非常重要的。在水平管中，气液两相流大致可分七种类型，见表3.1.51；在垂直管中，气液两相流大致可分成五种流型，见表3.1.52。3.1.6 在工程设计中。一般要求两相流的流
3、型为分散流或环状流，避免柱状流和活塞流，以免引起管路及设备严重振动。若选用的管路经计算后为柱状流，应在压力降允许的情况下尽量缩小管径，增大流速，使其形成环状流或分散流。也可采取增加旁路、补充气体、增大流量等其它办法避免柱状流。3.1.7 本规定介绍均相法和杜克勒法计算非闪蒸型气液两相流的压力降计算。 3.1.8 第4章介绍闪蒸型气液两相流压力降计算。 气泡流：气泡沿管上部移动，其速度接近液体速度活塞流：液体和气体沿管上部交替呈活塞状流动层 流：液体沿管底部流动，气体在液面上流动，形成平滑的气液界面波状流：类似于层流，但气体在较高流速下流动，其界面受波动影响而被搅乱 柱状流：由于气体以较快速度流
4、动而周期性崛起波状，形成泡沫栓，并以比平均流速大得多的速度流动 环状流：液体呈膜状沿管内壁流动，气体则沿管中心高速流动分散流：大部分或几乎全部液体被气体雾化而带走 气泡流：气体呈气泡分散在向上流动的液体中，当气体流速增加时，气泡的尺寸，速度及数目也增加柱状流；液体和气体交替呈柱状向上移动，液体柱中含有一些分散的气泡，每一气体柱周围是一层薄液膜，向柱底流动。当气体流速增加时，气体柱的长度和速度都增加泡沫流：薄液膜消失，气泡和液体混合在一起，形成湍动紊乱的流型环状流：液体以小于气体的速度沿管壁向上移动，气体在管中心向上移动，部分液体呈液滴夹带在气体中。当气体流速增加时，夹带也增加雾状流：当气体流速
5、增加时，全部液体离开管壁呈微细的液滴，被气体带走3.2 计算方法3.2.1 由于气液两相流的流动情况复杂，目前尚无准确的压力降计算公式，多以半经验公式来计算，计算方法有多种，但各种方法都存在着局限性。综合各种情况，推荐 以下计算方法。 3.2.1.1 流型判断对于水平管，使用图3.2.21判断（图3.2.21即Baker 图）。对于垂直管，使用图3.2.22判断（图3.2.22即Griffith-Wallis 图） 。 3.2.1.2 压力降计算如判断结果为分散流、环状流、波状流或层流，则用3.2.2.2中的(1和(2两种方法进行气液两相流压力降计算，取其中较大值。如判断为柱状流、活塞流，则应
6、采取缩小管径、增大流速等措施来避免。然后也应用3.2.2.2中的(1和(2两种方法计算，取其较大值。 3.2.2 计算公式选用 3.2.2.1 流型判断 (1 水平管流型判断在以流动条件、流体性能和管径来判断水平管中气液两相流流型的许多图表中，图3.2.21为最常用，此图把两相流在水平管中的流动分成七个流型区域。这里应该注意到，分隔不同流型区域的边界存在着相当宽的过渡区，因此，计算时对邻接流型也应加以考虑。图 3.2.21中B y 和B x 。的计算公式如下：(3.2.21(3.2.22式中B y 、B x 伯克(Baker参数；W G 气相质量流量，kg h ； W L 液相质量流量，kg
7、h ； G 气相密度，kg m 3；(3.2.23 (3.2.24其中 (3.2.2 5(3.2.26式中Fr 弗鲁特(Froude数； F V 气相体积分率； V G 气相体积流量，m 3s ； V L 液相体积流量，m 3s ； d 管道内直径，m ； A 管道截面积，m 2； g 重力加速度，9.81m s 2。其余符号意义同前。 图3.2.21 水平管内气液两相流流型图 图3.2.22 垂直管内气液两相流流型图通过计算，求出Fr 、Fv 值，在图3.2.22中查出其流型。 3.2.2.2 压力降计算 (1 均相法气液两相流压力降计算比较复杂，均相法是力图简单化，其特点是假定气液两相在相
8、同的速度下流动，将气液混合物视为其物性介于液相与气相之间的均相流，这个假定在理论上可用于分散流，但不能用于环状流，因环状流的气相流速高于液相流速。 均相法计算步骤如下： a. 均相物性计算(3.2.2 7(3.2.2 8(3.2.2 9 (3.2.2 l0 (3.2.211 (3.2.2 12(3.2.213式中W T 气液两相液总的质量流量，kg h ； W L 液相质量流量，kg h ； W G 气相质量流量，kg h ； Y 气相质量分率；H 气液两相流平均密度，kg m 3； G 气相密度，kg m 3； L 液相密度，kg m 3； X 液相体积分率；H 气液两相流平均粘度，Pa s
9、 ； L 液相粘度，Pa s ； G 气相粘度，Pa s ；u H 气液两相流平均流速，m s ； d 管道内直径，m ； Re 雷诺数。 b. 压力降计算根据管道材料及管内径，从第1章“单相流(不可压缩流体 ”中图1.2.42查取(管壁绝对粗糙度 和d(管壁相对粗糙度 。根据Re(雷诺数 和d ，从图1.2.41查取(摩擦系数 ，即 H 。 (a 直管段摩擦压力降P f =2H H u H2L106d (3.2.214根据经验应乘以安全系数3P f 3P f (3.2.215 (b 局部压力降按当量长度法进行计算，常用管件和阀门的当量长度见第1章“单相流(不可压缩流体 ”中表1.2.42。P
10、 K =2H H u H2L e106d (3.2.216根据经验应乘以安全系数3P k 3P k (3.2.217 上升管静压降P S (Z2Z 1 H 9.8l l0-6 (3.2.218 总压力降(忽略管两端的速度压力降P 1.15(P f +P k +P H (3.2.219 式中1.15为安全系数。P f 直管段摩擦压力降，MPa ； H 管壁的摩擦系数； L 直管段长度，m ； g 重力加速度，9.81m s 2； P k 局部压力降，MPa ； Le 管件的当量长度，m ；Z 2管道终端标高，m ； Z 1管道始端标高，m ； P S 上升管静压降，MPa ； P 总压力降，MP
11、a 。 其余符号意义同前。(2 杜克勒法 （杜克勒法即Dukler 法）此法考虑了气液两相在管内并非以同等速度流动的影响，计算分两步进行。a. 试差法求液相实际体积分率K L(3.2，2 20 (3.2.221 (3.2.222 (3.2.223 (3.2.224 (3.2.225 (3.2.226 (3.2.227当Z 10时K 0.16367+0.31037Z0.03525Z 2+0.001366Z3 (3.2.228 当Z10时K 0.75545+0.003585Z0.00001436Z 2 (3.2.229以上各式中K L 液相实际体积分率(试差初值可取K L 0.5 ； K 班可夫(
12、Barkoff流动参数； X 液相体积分率； u L 液相流速，m s ；u H 气液两相流平均流速，m s ； TP 气液两相流混合粘度，Pa s ； Fr 均相弗鲁特(Froude数； Re 雷诺数；Z 计算用中间参数。 其余符号意义同前。试差法求KL 的计算过程是先假定KL 值，由式(3.2.221 至式(3.2.227 计算Re 、Fr 、X 、Z 和K 值等，然后再由式(3.2.220 核算K L 值，若核算值与假定值不符，则用核算值作为假定值重新计算，直至两者接近为止。b. 压力降计算 (a 直管段及局部摩擦压力降(3.2.230 (3.2.231 (3.2.232 (3.2.23
13、3 (3.2.234(3.2.235 (3.2.236 (6 速度压力降管两端气液两相流速度压力降 (3.2.237(3.2.238 (3.2.239式中 出、 入 分别为管道始端和终端处的数据。对非闪蒸的气液两相流，若气体和液体体积分率及气体密度沿管道流向的变化不大，则速度压力降可以忽略不计。 (c 上升管静压力降P S (Z2Z 1 TP 9.8110-6 (3.2.240 TP K L L +(1K L G (3.2.241 (d 总压力降P 1.15(P f +P k +P N +P S (3.2.2421.15为安全系数。 以上各式中P f 气液两相流直管段摩擦压力降，MPa ； P
14、 k 气液两相流局部摩擦压力降，MPa ； TP 气液两相流摩擦系数；0单相流摩擦系数；可由第1章“单相流(不可压缩流体 ”中图1.2.41和图1.2.42查得；P N 气液两相流速度压力降，MPa ； P S 气液两相流静压力降，MPa ； Re TP 两相流雷诺数；cs 气液两相流平均密度的校正密度，kg m 3； TP 气液两相流密度，kg m 3； x 摩擦系数率； 中间参数；H 气液两相流粘度，Pa s ； Z 1、Z 2管道始端和终端标高，m ； P 总压力降，MPa ；G L 液相质量流速，kg m 2s ； G G 气相质量流速，kg m 2s 。 其余符号意义同前。3.2.3 计算举例求再沸器出口返回再生塔的上升管段总压力降。已知条件见下表：参数或物性 质量流量 密 度 粘 度 表面张力 管道内直径 管道材质 管 长 管 件 压 力解：计算过程如下： 水平管内流型判断 计算单 位 kgh kgm3 Pas Nm
