洗涤冷却室垂直环隙空间内液相流动结构的研究

赵雨萌，王亦飞，彭昕，位宗瑶，于广锁，王辅臣

（1华东理工大学洁净煤技术研究所，上海 200237；2中国石化润滑油有限公司上海研究院，上海 200080）

引 言

洗涤冷却室是多喷嘴对置水煤浆气化技术(OMB)的关键组成部分，其流动结构与鼓泡塔相似。塔内的循环流动结构对相间混合、传质、移热有着重要的作用。从气化室出来的高温合成气经液膜降温增湿后沿下降管进入洗涤冷却室的液池中，并在“环隙中空结构”中上升，环隙中设有破泡板，有助于合成气的洗涤和净化。近年来，研究者们对洗涤冷却室内气体穿越液池的过程进行了很多研究，例如多相分布特性[1-3]、热质传递[4-5]和内构件流体力学[6-7]等。对于洗涤冷却室液池内的液相流动结构未有相关研究。洗涤冷却室内湍动剧烈，加之破泡器结构的复杂性，简化的流体力学模型计算存在较大的偏差，结果的可靠性也难以保证。因此通过冷模实验来确定洗涤冷却室内的液相循环结构具有重要意义。

目前，鼓泡塔内液体流速分布的测量有很多方法。早期，Hills[8]用改进的Pitot管测量了液体速度，对液体循环进行研究，所得结果被广泛采用。之后，Krishna等[9-12]不断对Pitot管进行改进，以适应不同体系液相速度的测定。另外，一些基于光学原理和传热原理的测量方法也得到了一定的应用。Wang等[13]，Franz等[14]，Therning等[15]用热线风速仪测量了鼓泡塔中的液相速度分布。Degaleesan等[16]利用计算机自动放射性电子粒子跟踪(CARPT)技术研究了气泡柱中的液体再循环和湍流。Ojima等[17]通过LDV探测器在高空间和高时间分辨率下测量了液相的平均速度和波动速度。大量的研究表明，无内构件鼓泡塔内的液相循环结构为：液体在塔中心呈螺旋上升，在近壁区域垂直下降，液相转折点为无量纲径向位置0.7[18-19]。洗涤冷却室是一种特殊的底端浸没并带有破泡器的环隙鼓泡床结构。洗涤冷却室在结构上不同于一般大管径的垂直鼓泡塔，其内构件的存在会使气液两相流动更加复杂，以往研究总结的流动规律并不适用本系统。因此，有必要采用合适的测量方式对洗涤冷却室环隙内流动结构进行研究，并通过实验结果进一步发展适合本实验装置下的计算模型。

洗涤冷却室内的湍动程度大、气含率高，超声多普勒仪及热线风速仪等传统测量仪器无法应用于该体系的测量。因此，本文通过自行搭建的Pitot测速系统，在按工业几何尺寸缩小的洗涤冷却室中测量液相速度的空间分布。结合气含率的径向分布，研究不同塔高处液相轴向及切向的速度分布；研究表观气速对液相速度的影响规律；对实验结果进行进一步分析以得到适合不同管径不同表观气速下的液相速度的分布关联式。本文工作期望能对气化炉洗涤冷却室的合理放大、保障气化炉的稳定运行提供理论依据。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

主体实验装置如图1(a)所示。除破泡器由不锈钢制成外，小型化的洗涤冷却室装置主要由有机玻璃制成。实验所用液相介质为自来水，水由水泵从储水槽抽出，输送至洗涤冷却室内指定高度。气相为空气，通过罗茨鼓风机连续进入液池内，流量由转子流量计控制。气体在液池中剧烈鼓泡，由洗涤冷却室上方出气口排出。环隙结构如图1(b)所示，在距出水口423,473,523 mm处的位置，由下至上布置3个测量口，分别用双头电导探针和Pitot管伸入测量，得到液相在环隙空间内的速度分布。液池内径200 mm，下降管内径70 mm，外径80 mm。实验结束后水由下方出水口一次性排出，进入储水槽循环使用。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental setup diagram

1.2 实验方法

洗涤冷却室液池内气含率高、湍流强度大，超声多普勒仪产生的超声波在气相中会快速衰减，无法用于该实验体系。相比于其他基于光学原理和传热原理的测量方法，Pitot管作为一种接触式测量方式简单易行。由于L型和S型Pitot管伸入装置内具有一定的困难，本实验采用Dywer 160F Pitot管（Ⅰ型）测量洗涤冷却室内的液相速度。管体由直径7.9 mm的304SS钢制成，管长44 mm，管的一端有两对直径1 mm且互成180°的测压孔。测量时两孔测得的压力分别通过导压管传至差压变送器内。差压变送器的型号为3051CD，测量精度能够达到±0.025%。差压变送器连接A/D数据采集卡，通过模数转换后在电脑直接读取和采集压差信号。将测定的压差信号通过一定的关系式转换成速度信号，这种转换关系在不同的测量体系中具有较大差异。最早Forret等[10]提出采用均相流体Benoulli方程进行速度和压力信号关联，但这种关系式没有考虑气体和固体的影响，并不适用于两相和三相系统。之后Reimann等[11]对关系式进行改进，引入动量因子J，来反映气含率对测量结果的影响，公式如下:

本文采用Reimann提出的模型来将压差转化为瞬时液相速度uL，并通过设计可靠性实验对测量数据的准确性进行验证。其中，ΔP为局部压差；ρg和ρl分别为操作条件下的空气密度和水的密度；εg为测量位置处的局部气含率（采用文献[20]中的BVW-2多通道电导探针测量仪进行测量）。洗涤冷却室内的两相状态为液体中分散着气泡，J的值近似取1。此外，为了避免气泡进入Pitot管影响测量结果，搭建了如图2所示的吹扫装置。每次测量结束后将自来水经三通阀控制进入Pitot管，然后从测压孔排出，使测量系统免受气泡的干扰。

图2 皮托管吹扫装置Fig.2 Pitot tube purge device

实验在常温常压下进行。设置测量频率为100 Hz，采集时间为30 s。通过将Pitot管沿轴线旋转，可分别测量瞬时液体速度的轴向分量uz和切向液速分量uφ。对不同分量的瞬时速度作时间平均，得到轴向时均速度Uz和切向时均速度Uφ。在每个测量口沿径向均匀设置五个测量点（r/R=0.5,0.6,0.7,0.8,0.9。其中，r为测量点离下降管中心的距离；R为液池内径）。在初始静态液位h=540 mm的条件下，研究不同表观气速下（以环隙面积计算）下降管出口(h=423 mm)、破泡器下方(h=473 mm)和破泡器上方(h=523 mm)处的液相分布规律。

1.3 可靠性分析

为评估Pitot管测量的可靠性，本文实验设计了一根直径d=40 mm的竖直光滑圆管，圆管底部连接水泵，通过转子流量计控制将液体从低处送至高处。Pitot管测量圆管中心的最大流动速度为U2。计算值U1通过流量计读数V计算。标定实验设定的流速范围为0～2 m/s，可以覆盖本文实验测定范围。将实验值与计算值进行比较，如图3所示，结果表明测量值与计算值具有较好的吻合性，其相对平均偏差为3.91%。

图3 实验结果与计算值的比较Fig.3 Comparison of experimental results and theoretical values

2 实验结果与讨论

2.1 不同高度处气含率的径向分布

图4中给出了洗涤冷却室内距离出水口423，473，523 mm处的气含率径向分布，横坐标r/R为无量纲径向位置。可以看到，h=423和473 mm处气含率沿径向位置逐渐降低，呈现近下降管外壁高而近液池内壁低的特点。这是由气泡在上升过程中向鼓泡塔中心移动[21]引起的。由于气体分布器的影响，在r/R>0.7处下降管出口处气含率接近于零。h=523 mm处气含率呈现抛物线分布，即环隙中心气含率较高，边壁处气含率较低。破泡板是一个在环隙中心具有一定空隙结构的内构件，对上升气泡起到阻挡和破碎作用，因此在环隙中心处气含率较高并且沿径向分布更加均匀。随着气速的增加，不同高度处气含率的分布曲线变得更陡峭，气含率增大，由此形成的气液两相在径向的密度差驱动液相在全塔范围的大尺度循环流动[22]。

图4 不同高度处气含率的径向分布Fig.4 Radial distribution of gas holdup at different heights

2.2 不同高度处液相的轴向速度分布

图5给出了不同高度处液体的轴向时均速度的分布。轴向液速取从下向上流动为正值。从图中可以看出，h=423和473 mm处液相在靠近下降管外壁处具有最大的上升速度，随后沿径向位置的增加逐渐降低，呈现近下降管外壁向上流动而液池内壁附近向下流动的结构，液相转折点分别在r/R=0.7和r/R=0.6处。随着轴向高度的增加，上升面积减小而下降面积增大，这是由于气泡在上升过程中会有向管中心移动的趋势[22]，推动液相转折点更早出现。由于液相回流作用，液池内壁附近存在负液相速度。这种液相回流的存在有助于气液两相之间的混合及灰渣通过惯性作用而实现分离，利于提高气体的洗涤作用。h=473 mm处在r/R>0.7之后液相速度沿径向保持不变，可能是由于破泡板对上方液相回流起到的阻挡作用造成的。由于浮力的作用，气泡处于加速状态，推动液相产生更快的循环流动。因此，h=473 mm的液相速度沿径向分布相比于h=423 mm处的分布更加陡峭。这一点与气含率的分布趋势相同，气含率的径向梯度是驱动液体运动的动力[23-24]，速度分布规律与气含率分布规律相一致。

图5 轴向时均速度的径向分布Fig.5 The radial distribution of axial time-averaged velocity

随着表观气速的增加，液体向上流动和向下流动速度明显提高，液相循环速度增大。但速度转折点的位置随表观气速的变化没有较大差异。另外从图中可以看出，在低表观气速下(Ug≤0.15 m/s)液相速度增加幅度较大，高表观气速下(Ug>0.15 m/s)液相速度增加幅度较小，这一点与文献[25]中的研究相一致。

破泡器的存在改变了液相流动的分布方式。如图5(c)，h=523 mm不同于其他高度位置出现了两个液相转折点，分别在r/R=0.55和0.85附近。随着表观气速的增加，液相转折点较为分散，整体液相循环向下降管中心位置移动。上升区域面积和下降区域面积基本保持不变，不同表观气速下液速分布曲线依然具有高度的相似性。该位置呈现出环隙中心处液体向上运动而两侧液体向下运动的“抛物线”分布。破泡器是一个在环隙中心具有一定空隙结构的内构件，气体沿空隙结构向上流动，推动液相在环隙中心处具有最大的上升速度。

2.3 不同高度处液相的切向速度分布

洗涤冷却室内切向时均速度的分布如图6所示，切向取测量位置处从左向右的流向为正值。液相切向速度的分布范围要明显小于轴向。其中h=423 mm处切向速度变化范围最大，在-0.15～0.05 m/s范围内波动。液相转折点与轴向一致，位于r/R=0.7处，并且不随表观气速的变化而变化。h=473 mm在r/R=0.8处出现最大切向速度，为-0.1 m/s左右。受破泡板的影响，h=523 mm切向速度在零附近波动，随着表观气速的增加没有明显的规律。综上所述，随着轴向高度的增加，液相的切向速度波动范围减小，这可能与气泡横向偏移的距离减小有关。Brücker[26]曾提出由于不对称尾迹产生的特殊压力场，气泡升力一部分使气泡横向运动。气泡的横向移动推动液相产生切向方向的速度波动。Duineveld[27]发现气泡运动轨迹包含了直线运动、Z形平面运动和螺旋形三维运动。因此不同高度处液相的切向速度没有明显的规律可循。

图6 切向时均速度的径向分布Fig.6 The radial distribution of axial time-averaged velocity

2.4 破泡器上方液相速度的放大预测

破泡器上方的液相结构分布对研究洗涤冷却室的传质传热及床层的稳定性起到至关重要的作用。以上实验结果表明，h=523 mm处切向速度沿径向分布较小，轴向速度分布代表着流动的主要特征。并且在图5(c)中，不同表观气速下的液相速度均在环隙中心处达到最大值，破泡板上方速度分布具有相似性。因此若选择环隙中心(r/R=0.7)的液体速度为参考速度，不同气速下测定的液速分布曲线可以近似用同一条无量纲速度分布曲线来表示，流场的放大效应和气速影响便主要归结到中心液速Uc的变化上。如图7所示，以环隙中心液速Uc为基准，对h=523 mm处不同表观气速下的液相速度分布进行归一化处理，并通过最小二乘法回归分析得到拟合曲线，得到以下模型关联式，拟合优度为0.99。

图7 以中心液速为基准的归一化液速径向分布曲线Fig.7 Radial distribution curve of normalized liquid velocity based on central liquid velocity

在鼓泡塔中，关于中心液速随塔径和空塔气速的变化关系有过很多研究。早期文献中通常采用经验关联式拟合中心液速，通过对不同模型参数的不断修正，所得的模型关联式具有一定的适用性。Riquarts[28]将中心液速拟合为塔径D和空塔气速Ug的函数，如式(3)所示。Nottenkaemper等[29]考虑了空塔液速VL的影响，重新对中心液速关联式进行拟合，如式(4)所示。Zehner[30]提出关联式(5)。

图(8)给出了由式(3)～式(5)对环隙中心的计算结果与实验结果的比较，可以看出Nottenkaemper的关联式与本文实验的结果更为接近，特别是在高气速条件下吻合较好。Nottenkaemper实验采用的塔径达1 m，最高气速能够达到1.45 m/s，与本文实验条件相一致。综上所述，结合式(2)、式(4)，可以对不同塔径、不同表观气速下破泡板上方的液相速度分布进行预测，并适用于高塔径高气速条件下的实验条件和工业范围。

图8 不同表观气速下环隙中心液速与经验式的比较Fig.8 Comparison of central liquid velocity and empirical formula under different apparent gasvelocities

3 结 论

（1）气含率的径向梯度是驱动液体运动的动力，气含率分布规律与速度分布规律相一致。h=423和473 mm处液相呈现近下降管外壁处向上流动而液池内壁处向下流动结构，液相转折点分别为无量纲位置r/R=0.7和0.6。h=523 mm处液相轴向速度不同于其他两个位置呈抛物线分布，液相转折点分别位于r/R=0.55和0.85附近。

（2）表观气速是影响洗涤冷却室内液相流动结构的主要因素。随着表观气速的增加，液相速度明显增大，轴向速度比切向速度随气速的变化更敏感。

（3）液相切向速度的分布范围要明显小于轴向，在-0.15～0.05 m/s范围内波动。随着轴向高度的增加，液相的切向速度波动范围减小，这可能与气泡横向偏移的距离减小有关。

（4）根据液速分布曲线的相似性，以h=523 mm的环隙中心液速为基准，得到归一化的液速径向分布曲线；将流场的放大效应和气速影响归结到中心液速Uc的变化上，通过最小二乘法回归分析得到Uz/Uc模型关联式；经检验，Nottenkaemper的关联式与本文环隙中心液相速度的实验结果更为接近。

符号说明

g——重力加速度，m/s2

h——距离出水口高度，m

R——洗涤冷却室液池内径，m

r——径向位置，m

V——标定圆管的流量，m/s

μL——液体黏度，Pa·s