1、毕业设计文献综述 化学工程与工艺 高速旋转气液两相流阻力与压力降研究与分析 前言 21世纪将是水的世纪。 20世纪初，国际上就有“ 19世纪争煤、 20世纪争石油、2l世纪争水的说法。”第 47届联合国大会将每年的 3月 22日定为“世界水日”，全球普遍存在的淡水资源紧缺问题已引起了世界各国的高度警觉。 地球表面虽然 2/3 被水覆盖，但是 97为无法饮用的海水，只有不到 3是淡水，其中又有 2封存于极地冰川之中。在仅有的 1淡水中， 25为工业用水， 70为农业用水，只有很少的一部分可供饮用和其它生活用途。然而，在 这样一个缺水的世界里，水却被大量滥用、浪费和污染。加之，区域分布不均匀，致使
2、世界上缺水现象十分普遍，全球淡水危机日趋严重。目前世界上 100 多个国家和地区缺水，其中 28 个国家被列为严重缺水的国家和地区。预测再过 20 30 年，严重缺水的国家和地区将达 46 52 个，缺水人口将达 28 33亿人。 我国的“水”存在两大主要问题：一是水资源短缺，二是水污染严重。我国人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的 1 4、在世界上名列 110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。我国的水污染问题极其严重，全国废污水排放量大，并 呈逐年上升趋势。致使多数城市地下水受到不同程度的污染，不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，且严重威胁到城市居民的饮水安全和健康。
3、 随着科学技术的进步和可持续发展战略的实施，人们逐渐加深了对水资源重要性的认识，开始不断强化自身对水资源再利用的能力，并在工业生产中将最初的先污染后治理转向为边污染边治理和资源的综合利用。如何高效、低成本节约用水、淡化海水及处理污水已成为当今急需解决的重要问题。在我国海水淡化已成为一种重要的淡水生产方式，发展海水淡化、浓盐水综合利用技术、海水化学资源综合利用技术 被国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年 )列为“亟待科技提供支撑”的国民经济和社会发展重点领域中的优先主题以及国家“十一五”科学技术发展规划纲要的重点任务。 1 目前的海水淡化方法主要集中在热法和膜法两个方面，热法
4、主要有：多级闪蒸 (MSF)、低温多效 (LT-MED)和压汽蒸馏 (MVC)-种技术；膜法主要是指反渗透 (RO)技术，它是一种利用半透膜在压力下允许水透过而使盐分和杂质截留的技术。通常情况下热法能耗较高、设备昂贵，反渗透膜法需要维持较高的运行压力，要求设备能够承受较高压力 ，而热法和膜法共同面临的一个问题是海水的淡水产率较低 (通常 50左右 )。研发一种能够经济地从海水中生产更高比例淡水和能够使海水化学资源综合利用的新型海水淡化技术是科学技术和时代发展的必然。 2 目前我国海水淡化的成本较高，导致供水市场很难打开，淡化规模也就不易扩大，从而阻碍了海水淡化的发展。因此，研究海水淡化新技术，
5、降低海水淡化成本是解决我国海水淡化问题的关键。本次的研究课题主要内容是热法海水淡化技术的创新。热能的来源广，我们可以利用太阳能产热，也可以利用现代工业生产产生的废热，例如炼钢产生的废热进行海水 淡化，不但解决能源问题，同时也减少了热污染的排放。本次研究的热法海水淡化要解决的技术难题是气液两相流高速旋转流流动阻力与压力降的关系，尽可能减少阻力的产生对传热过程的热损失的减少有很大的意义，同时也是降低海水淡化成本的关键问题之一。 主题 古代就有从海水中去除盐分的故事和传奇，但直到 16 世纪，人们才开始努力从海水中提取淡水。当时欧洲探险在漫长的航海旅行中，用船上的火炉煮沸海水以制造淡水。加热海水产生
6、水蒸气，冷却凝结就可得到纯水，这是日常生活的经验，也是海水淡化技术的开始。在 1850 年左右，由于制糖工业需 要消耗大量的燃料加热糖液，以蒸发出其中的水分制糖，于是美国工程师研发出多效蒸发的炼糖技术。这种方法可有海水淡化技术效降低炼糖所需的能量，也造就了多效蒸发法在海水淡化上的应用。多效蒸发法把第一壶烧出来的蒸气用来烧第二壶，再把第二壶的蒸气用来烧第三壶 把所有的冷凝水收集起来便是所生产的淡化水，这就是多效蒸发法的原理。二战期间，各国为了供应在干燥地区作战的军队饮水，开始重视海水淡化技术的研究和应用。 1950 年，美国政府建立了一个盐水中心来进行淡化技术的研究。美国加州大学洛杉矶分校的科学
7、家开始研究薄膜脱盐法，并于 1960 年成功开发出既能渗透水，又能阻止盐分通过的非对称型醋酸纤维薄膜。根据国际淡化协会的统计，目前世界约有 133 个国家应用海水淡化系统，淡化水的日产量 (单位机组日产 100 吨以上者 )已达 3240 万吨。全球现有 13080座海水淡化厂在运作，其中美国有 2563 座；阿拉伯国家共有 1260 座；日本有369 座。 3 我国的人均淡水资源量仅为世界平均值的 1 4，属于贫水国家；沿海城市和岛屿地区缺水更为突出。解决缺水的方法除了传统意义上的调水和蓄水工程、节水以及污水回用之外，海水淡化技术受到越来越多的重视。海水淡化和海 水综合利用是一种特别适用于海
8、岛环境的先进的造水和节水新技术，可以有效缓解我国沿海地区淡水资源缺乏问题。舟山是一个资源型缺水的海岛地区，淡水资源的缺乏严重影响了舟山市国民经济和社会的发展。在舟山市政府的努力下，舟山海岛已开始由地方政府引导的国家海水利用区域综合示范区的建设。 4 就目前而言，对于海水淡化 目前工业上采用的主要是多级闪蒸、反渗透、多效蒸发等。但是这些方法都有自己的缺陷，而且无法改变淡化海水高价格的命运。我们课题研究的重点是怎么样消耗最少的能源从而带出更多的海水。 5 气液两相流是指同时存在气液 两种物质状态的流动，即气体与液体的混合流动。两相流动现象广泛存在于自然界和工业技术中。两相流动与工业生产和人民生活密
9、切相关，掌握了两相流规律就能使技术设备设计更合理、运行更安全，在改造自然环境和提高人民健康水平等方面起到重要的作用。 6气液两相流中流旋转是常见的现象，当气液两相流体一起旋转时，其之间的阻力则是研究的基础，只有在合理的阻力下，是的研究才更加富有意义。 气液两相流是多相流学科领域的一个重要分支；是进一步研究油 气 水三相流甚至油 气 水 砂多相流的基础。 7气液两相流现象广泛存在于石油化工的 各个领域。气液两相流体在管内的流动特性区别于单相流体流动的一个重要特性就是流动的各相之间存在较为明显的分界面，并且分界面的形状及各相在流动中的分布情况随空间，时间变化而变化，并随流量、物性、管道几何尺寸和位
10、置等因素的改变可呈现多种形式，因此两相流流动特性远比单相流复杂，描述其特性的参数也比单相流多，整个系统是非平衡的，只在某一特定条件下相对稳定，这就给气液两相流动的研究带来很多困难。科学技术的发展，极大促进了气液两相流的基本理论和流动规律的研究，但是也对气液两相流流动参数的检测提出更高要求。 8 气液两相 流在许多工程中广泛遇到，由于它与动力，核反应堆等工程密切相关，它的研究常与传热相结合。而本次课题不仅仅是传热的研究，更有传质的研究，而在此之前一个合理的气液旋转阻力是大家所研究的重点。 9因此普通的设备无法满足这个工艺的要求。 在气液旋转单元操作过程中 , 对气液旋转设备的共同要求首先是给传质
11、的气液两相提供良好的接触机会 , 包括增大相界面面积和增强湍动程度 , 并要求两相在接触后能有效地分离。另外 , 还要求设备结构简单、紧凑、操作便利、稳定、运转可靠、运行周期长、能耗小等。总之 , 是希望能以尽可能小的代价 , 保 证传质任务的完成。目前人们研究并开发了各式各样的塔设备 , 有连续接触式塔设备 , 如填料塔 ; 逐级接触式塔设备 , 如板式塔等。 10 气液两相流动与传热是一门仅有几十年发展历史的新兴学科，气液两相混合物在管道内的流动普遍存在于各种蒸汽发生器、反应器和热交换器等换热设备中，对石油、化工、核电和电力工业有着特别重要的意义。 11 研究流型是研究气 -液两相流动和传
12、热的基础。管道内流体的流型不同，单位面积界面上两相间质量、重量和能量交换也不一样，因此势必影响气 -液两相流的宏观特性，如压降、空泡份额、滑移比和传热系 数等。另外在两相流数值计算中，合理地建立界面结构关联式，求解数学模型，同样需要可靠的流型知识。在化工生产过程中，存在着大量与流型有关的实际问题急待解决。因此对管道内气 -液两相流动中流型的理解、描绘和预测已经成为最为重要的问题之一。 12 气液两相流体在受热管道中流动时，因压力、温度、流量、热流密度和管道的几何形状的不同会形成各种流动结构形式，不同的流动结构形式具有不同的动力学和传热特性，因此研究气液两相流体流动结构对海水淡化设备的设计与运行
13、是十分重要的。 常规情况下的两相流流型的研究从上个世纪 50 年代就已 经开始了，由于两相流动的多变性和复杂性为了便于分析和理解两相流动产生机理人们不得不把所研究的现象分解成一系列的单项问题逐个进行研究。比如通过实验模拟工业管道中气液两相流动的状态，把流动结构相似的归为一类，提出流型的概念，绘制出流型图，为工业管道中大致识别两相流形态提供简单便捷的依据 ;结合流型特征，对流动阻力及传热特性进行研究等。随着研究内容的不断深入以及机理研究的不断增多，关于静止状态下两相流热工水力现象的研究取得了相当大的进展，例如经典的 Bake:流型图、 Weisman 流型图和 Mandam 流型图。 13根据这
14、些流型图可以查出不同流动参数下的气液两相流流型。流型图的出现为两相流的基础研究提供了基本依据，目前这些流型图仍然被很多研究者所采用。但是，由于影响两相流流型的因素很多，现有的流型图都有其特定的应用范围，因此，近些年来各国学者开展了一系列特殊情况下的两相流流型的研究工作，比如国内陈学俊等人所做的螺旋管的流型研究 ;王补宣等人做的细圆管内流动凝结换热的流型研究 ;T.s.zhao 等对窄矩形通道内的两相流流型开展的实验研究以及 N.P.Ekberg等对水平窄环隙通道内的两相流流型开展研究等。这些都为拓展两相流流型 的研究，推动两相流研究的发展起到了促进的作用。然而，对于本实验采用的高速旋转的方案研
15、究还没有，因此这次的研究也就显得更加的珍贵。 14 在工程实际中会遇到很多气液两相流动系统在旋转状态下工作的情况。例如，船舶和航空航天器中存在的两相流动，就是处于旋转的状态下近年来，国外针对舰船旋转对动力系统热工水力特性的影响开展了一些研究工作，但是由于这些研究多是以军用舰艇为研究对象，公开发表的资料很少。在确定旋转状态下两相流系统的流动和传热特性时，应该首先知道两相流的流型，这样才能合理地选用适当的理论公式描述流动状况， 以便进行系统的阻力计算。由于侠道内气液运动比较激烈，在内部作用力的影响会使两相工质产生附加加速度，这会导致两相流动界面分布与没有旋转的直流情况相比有所差别，从而导致流型产生
16、变化。在其他参数相同的条件下，不同的两相流流型会产生完全不同的流动和传热结果，从而对系统产生不同的影响，因此，旋转状态下两相流流型的确定以及其内部阻力和压降的分析研究对两相流系统的流动和传热性能有着十分重要的意义。但是，目前现有的流型图还不能涵盖旋转这一因素的影响，不能用现有的流型图查出旋转状态下的两相流流型，因此本次完全依据实验的情况对 其产生的现象进行分析。 流量和流速参数 对两相流体的流量可用质量流量 M（ kg/s），即单位时间内流过流道的介质流量或体积流量 Q（ ms3/s），即单位时间内流过流道的介质体积来表示。对于各相流量可用分相质量流量 Mk、分相体积流量 Qk描述。其中，（
17、k=g， l）， g 表示气相， l 表示液相。则有 M=Mg+Ml， Q=Qg+Ql 本实验采用不同流量下，对实验的数据进行分析与研究，在不同的流量下，对于其前后流量进行测量与比较，并对其进行分析，比较阻力的大小。 15 流型 流型又称流态，即流体流动的形式或结构。由于两相间 存在随机可变的相界面，致使两相流动形式多种多样，十分复杂。流型不但影响两相流动特性和传质、传热性能，而且两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对它的了解。尽管对流型的研究时间很长，但流型定义及分类尚未统一。 16 1.垂直上升气液两相流型 在汽 -液两相流学科领域 ,常温条件下国内外公认的垂直上升汽液两相流流型已经基本确
18、定为 4种 3 ,如图所示 . 气液两相流在上升管中常见的 4中流型 随着气相和液相流速的增加 ,管内流型也在变化。当气相折算速度和液相折算速度都很低时 ,在管内形成的是气相在上、液相在下的分层流。当气相流量固定 ,液相流量增加时 ,在气液界面上出现波状流型。随着液相流量的增加 ,界面波动也随之加强 ,触及管顶部间歇形成液桥。当气相流速较低时 ,气相流动是稳定的拉长气泡在管顶部流动 ,此流型为塞状流。当气相流速较高时 ,液桥里含有很多气泡 ,形成弹状流。当气相流速低而液相流速高时 ,就会形成泡状流 ;反之则形 成环状流。 4 2垂直下降管中气液两相流流型 垂直下降管中的气液两相流流型及其流型图
19、 在气液两相作下降运动时的细胞状流型和上升流动时的细胞状流型不同。前者的细胞集中在管核心部分，而后者则分布在整个管子截面上。 如液相流量不变而使气相流量增大，则细胞将聚集成气弹。下降流动时的气弹状流型比上升流动时稳定。 下降流动时的环状流动有几种流型，在气相及液相流量最小时，有一层液膜沿管壁下流，核心部分为气相，这称为下降液膜流型。当液相流量大增大，气相将进入液膜，这称为带气泡的下降液膜流型。当气液两相流量都增大时会 出现块状流型。在气相流量较高时能发展为核心部分为雾状流动，壁而有液膜的雾式环状流型。 3水平管中气液两相流型 气液两相流体在水平管中流动时的流型种类比垂直管中的多。这主要是由于重
20、力的影响使气液两相有分开流动的倾向造成的。 气液两相流体在水平管中流动时流型大致分为 6种，即：细泡状流型、气塞状流型、分层流型、波状分层流型、气弹状流型及环状流型。在细泡状流型中，由于重力的影响，细泡大都位于管子上部。当气体流量增加时，小气泡合并形成气塞形成气塞状流型。分层流型发生于气液两相的流量均小时，此时，气液两相分开流动，两 相之间存在一平滑的分界面。当气相流量较高时，两相分成界面上出现流动波，形成波状分层流型。气相流量增大时会形成弹状流型，但此时气弹偏向管子上部。当气相流量很高而液相流量较低时就出现环状流型。 4 U型管中的气液两相流流型 U型管由两根直管和一个 180弯头构成。这种
21、形式的管子广泛用于各种工业部门的换热设备中。 U型管的布置方式可分为 5种形式：弯头垂直向上、弯头垂直向下、弯头水平布置。弯头横向布置上端进入工质、弯头横向布置进入工质。这5种布置方式的 U型管中，弯头水平布置 U型管中的气液两相流型和水平管中的相近，存在 平滑的分层流型。在其余四种布置方式的 U型管中存在着气塞型、块状、波状分层、环状、细泡状和分散细泡状等六种流型。 在这些 U型管的直管中，根据流动方向的不同，流型是和垂直上升或垂直下降直管中的流型相同的。在弯管中，由于流体转弯时受离心力和重力的合成作用，形成各种不对称的流型。例如下图中的气塞状流型，在开始转变时就由垂直上升的轴对称运动过渡到
22、不对称流动。这种布置方式中离心力和重力的作用方向是相反的。在液体速度较低时，离心力对液体的作用小于重力的作用，因而气泡偏向弯管外侧；当液体增大时，离心力对液体的作用大于重力的 作用，因而气泡偏向弯头外侧。其他流型也存在不对称现象。在弯头垂直向上的 U型管布置方式中，离心力和重力的作用方向是相同的，所以较轻一相总偏向弯头内侧。但是无论是弯头向上或者弯头向下的垂直布置 U型管中都不出现平滑的分层流型。 汽水混合物流动时，在泡状流、弹状流、环状流阶段，气泡受到浮力的作用，向上运动的速度比水流速度快。两相流体流动阻力 =液相水与管壁的摩擦阻力 +气相和液相的相对速度引起的摩擦阻力。气液两相流的流型不同
23、，两相流的分布特性和接触面积就不相同，产生的阻力当然也不相同。气液两相的阻力要比单相水的流 动阻力大。 两相流动的摩擦阻力计算公式为 两相流体摩擦阻力修正系数 值由试验确定 国内采用的方法是： (1) w 1000kg/(m2h) (2) w 1000kg/(m2h) (3) w 1000kg/(m2h) 22hu humc wLp d 1000(1 ) ( 1 )11xx wx1000(1 ) ( 1 )11 (1 )xx wx气液两相流动的总压降一般由三部分构成 ,即加速压降、重位压降和摩擦压降 . 对于气液两相都为理想情况下的 Newton流体 ,应用量纲分析得出两相流压降系数 6 :
24、式中 PTP为两相流压降 , PL 为单液相流动的压降 , ReL 为液相 Reynolds数 , Fr为 Froude数 ,W e为液相 Weber数 , Eu为 Eular数 ,为干度 . 从上式可以看出两相流动的压降是七个无量纲参数的函数 ,其中液相物性 (粘度、密度等 )对于两相流动的压降起着重要的主导作用 . 密度参数 两相流动中，密度也是一个常用参数，根据研究需要也有几种表示方法。真实密度表示两相流场中单位体积的质量流量密度表示单位时间流过流道（通过某截面或出口截面）的两相流体积计算出的密度，也称为混合密度。 17 雷诺数 表示惯性力与粘性力之比的无量纲参数。当规定雷诺数时，应指明 一个作为依据特征尺寸（例如管道的直径、差压装置中孔板的直径、皮托管测量头的直径等）。气液两相流体的两相雷诺数可按下式计算 18 Rem=dum Vm 式中 d 管子外直径， mm； um 两相流体平均流速， m/s; m 两相流体的运动粘度， m2/s. 压力降 压力及压力降是两相 /多相流动中的基本参数之一。两相 /多相流动产生的压力降与两相多相流系统其它参数密切相关，它的计算与测量可为两相 /多相流工艺优化设计和相关参数的测量提供参照依据。 19
