周云龍 倪志勇

(東北電力大學(xué))

GLCC入口管切向安裝在豎直的圓形筒體上，筒體上部和下部配有氣相和液相出口管。氣液兩相流在下傾的入口管中由于重力作用實(shí)現(xiàn)了初步分離，進(jìn)入分離器后在筒體內(nèi)形成高速的漩渦，在強(qiáng)大的離心力場的作用下，迅速完成氣相和液相的分離[2]。兩相流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了拋物線形的氣液分界面。液相被甩向分離器壁面，在分離器底部匯集后從底流口流出，氣相則沿徑向運(yùn)動(dòng)到分離器中心后從溢流口排出。在分離過程中，部分液滴由于被氣相攜帶向上運(yùn)動(dòng)通過溢流管，引起氣相帶液。另一方面，氣相同樣也能被液相夾帶流過底流口，造成液相帶氣[3]。

液相帶氣率和氣相帶液率是GLCC的兩個(gè)重要運(yùn)行指標(biāo)，無論是液相帶氣還是氣相帶液都將降低GLCC運(yùn)行的效率和經(jīng)濟(jì)性。因而深入分析和研究液體帶氣和氣體帶液，削弱二者對GLCC分離性能影響，對石油化工行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。在過去的研究中，人們側(cè)重于對GLCC氣相帶液的分析和預(yù)測，研究運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)改進(jìn)對氣相帶液的影響。而筆者則著重研究液相帶氣，分析造成液相帶氣的主要原因。

1 氣相運(yùn)動(dòng)軌跡

氣相在剪切力的作用下破碎成氣泡分散在液相中。在漩渦區(qū)內(nèi)，大粒徑氣泡很容易被捕獲分離，因而研究氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡的起始位置是在渦流區(qū)。在漩渦的底部，氣泡由于受到離心力的作用而向分離器中心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)液相的軸向運(yùn)動(dòng)給氣泡施加了向下的曳力[4]。如果氣泡沿徑向運(yùn)動(dòng)的距離足夠大，氣泡就會(huì)與中心氣核融合，隨著氣流向上運(yùn)動(dòng)由溢流口排出實(shí)現(xiàn)分離；若是氣泡未能運(yùn)動(dòng)到中心氣核，氣泡就會(huì)被液相攜帶出分離器而造成底流的氣相攜帶。

氣泡在離心力和曳力的綜合作用下沿圖1所示軌跡向分離器中心運(yùn)動(dòng)。氣泡沿徑向以速度vr(r)運(yùn)動(dòng)，忽略氣泡軸向浮力和滑脫作用，氣泡的軸向速度vz(r)=vz(液相的軸向運(yùn)動(dòng)速度)。在液相的停留時(shí)間Δt內(nèi)，氣泡的徑向運(yùn)動(dòng)距離dr=vr(r) Δt，軸向運(yùn)動(dòng)距離dz=vzΔt。則氣泡軸向運(yùn)動(dòng)位移計(jì)算公式：

(1)

圖1 氣相運(yùn)動(dòng)軌跡

氣泡徑向上受到向心力Frc(離心力和浮力)、湍流作用力Frt和曳力Frd的作用[5]。根據(jù)受力平衡，氣泡徑向受力計(jì)算公式：

Frd=Frc±Frt

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Cd——阻力系數(shù)；

fl——液相摩擦系數(shù)；

Rb——?dú)馀莅霃剑?/p>

ρl、ρg——液相和氣相密度。

胸腰椎結(jié)核手術(shù)后路入路方式內(nèi)固定無需與結(jié)核桿菌感染的脊椎直接接觸，能有效防止結(jié)核桿菌污染內(nèi)固定物，而前路內(nèi)固定可能會(huì)出現(xiàn)手術(shù)器械或內(nèi)固定物被結(jié)核桿菌污染的情況，從而誘發(fā)異物反應(yīng)，導(dǎo)致植骨溶解；但后路內(nèi)固定的穩(wěn)定性不如前路內(nèi)固定，因此其易導(dǎo)致病變脊椎發(fā)生骨松動(dòng)或植骨融合程度差等并發(fā)癥。在本研究中，不同手術(shù)入路對胸腰椎結(jié)核手術(shù)患者早期植骨融合的影響無顯著差異，這可能與樣本數(shù)量有關(guān)，仍需進(jìn)行大樣本分析加以確認(rèn)。

將式(3)～(5)代入式(2)中得到氣泡徑向速度為：

(6)

將式(6)代入式(1)中整理得到氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡：

(7)

式中r——?dú)馀輳较蛭恢茫?/p>

Rs——分離器半徑。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中以常溫下的水-空氣混合物為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。水的密度998.2kg/m3，動(dòng)力粘度為1.009mPa·s；空氣密度為1.225kg/m3，動(dòng)力粘度為0.183μPa·s。分離器直徑50mm，長度660mm，分離器全部采用有機(jī)玻璃制成。

通過改變實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)，測量底流帶氣體積，分析液相帶氣的原因。為了研究分離器下部兩相流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，采用高速攝影儀拍攝兩相流的流動(dòng)形態(tài)。

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水泵、空氣壓縮機(jī)、靜態(tài)混合器、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和氣體收集器組成。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示，氣相和液相由水泵和壓縮機(jī)輸出，經(jīng)電磁流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)后進(jìn)入靜態(tài)混合器充分混合。氣液兩相流從氣液分離器入口進(jìn)入分離器，在離心力的作用下，氣相沿徑向運(yùn)動(dòng)匯集到分離器中心，并向上隨內(nèi)旋流由溢流出口排出；液相由底流口流出后進(jìn)入氣體收集器，夾帶的氣相被分離并計(jì)量，液相流入水槽進(jìn)入下個(gè)循環(huán)。

圖2 氣液旋流分離實(shí)驗(yàn)流程簡圖

2.2測量方案

采用氣體收集器測量底流液相帶氣體積Qg-d，用液相帶氣體積與入口兩相流中氣相的體積Qg-i的比值(P=Qg-d∕Qg-i)為分離器液相帶氣的判別標(biāo)準(zhǔn)。P值越大說明從底流口排出的氣相的體積越大，液相帶氣現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3顯示了液相帶氣量隨分離器內(nèi)液相速度的變化曲線。從圖3可以看出，在一定的氣相流速vsg下，分離器的液相帶氣量隨著液相流速提高而先升高而后降低。同時(shí)可以看出，在一定的液相流量下，氣相攜帶量隨著氣相流速的升高而變大。當(dāng)液相速度小于0.15m/s時(shí)，液相帶氣量很??；當(dāng)液相速度在0.15～0.25 m/s變化時(shí)，液相帶氣量均比較大；當(dāng)液相速度超過0.25 m/s后，液相帶氣量又開始下降。

圖3 液相帶氣量隨液相速度變化曲線

分析認(rèn)為當(dāng)分離器內(nèi)液相速度小于0.15m/s時(shí)，液相的入口切向速度很小，旋流的強(qiáng)度弱，離心力作用微小，氣相的離心分離效果差。然而這種情況下，液相的軸向速度同樣也很小，使得兩相流在分離器中有充足的駐留時(shí)間，氣相在重力沉降作用下得到分離。因此，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，液相帶氣量很小。當(dāng)液相速度逐漸從0.15m/s上升到0.25m/s時(shí)，旋流強(qiáng)度不斷增大，離心分離作用增強(qiáng)。但在這種條件下，漩流的強(qiáng)度還不足以產(chǎn)生穩(wěn)定的中心氣核和強(qiáng)大的氣相逆流區(qū)。與此同時(shí)，液相的軸向速度較大，駐留時(shí)間短，分散的氣泡在液相的曳力的作用下流出分離器。在上述兩種因素的綜合作用下，導(dǎo)致在這個(gè)區(qū)域內(nèi)液相帶氣嚴(yán)重。當(dāng)液相速度大于0.25m/s時(shí)，入口切向速度進(jìn)一步升高，促使旋流強(qiáng)度增強(qiáng)。在高強(qiáng)度的離心力場的作用下，氣泡運(yùn)動(dòng)到分離器中心匯合成穩(wěn)定的中心氣核，形成了強(qiáng)大的氣相逆流區(qū)，氣相的分離效率得到了提高，液相帶氣量顯著減少。

圖4顯示了液相帶氣率隨液相流速的變化。在不同的氣相流速下，液相帶氣率隨著液相速度先增高而后減小。氣相速度為1.2m/s時(shí)液相帶氣率明顯高于另外兩種實(shí)驗(yàn)條件，在液相速度從0.15m/s升高到0.25m/s的過程中，液相帶氣率達(dá)到了0.062%的最大值。

圖4 液相帶氣率隨液相速度變化曲線

4 氣液旋流的可視化研究

從圖5中可以看出中心氣核是由氣泡聚集融合而成，由于操作參數(shù)的不同，氣核的形態(tài)和強(qiáng)弱也處于不斷的變化當(dāng)中，這些變化必定會(huì)影響分離器的液相帶氣。

圖5 氣液兩相旋流流型

穩(wěn)定氣核：氣核波動(dòng)幅度很小，穩(wěn)定性好而且旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度高，氣核一直延伸到分離器的底部。在此種流動(dòng)狀態(tài)下，可以觀察到氣核與周圍液相分界面明顯，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中沒有向周圍液相釋放出氣泡。然而，仍有少部分氣相隨液相排出分離器，這是由于氣核延伸到底流出口處，氣相由于液相出口的卷吸作用而被攜帶排出分離器。

扭曲氣核：氣核波動(dòng)幅度較大，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度適中，氣核呈扭曲狀延伸到分離器底部。在此種形態(tài)下，氣核不夠穩(wěn)定，隨著氣核的旋轉(zhuǎn)，氣核與周圍分散在液相中的氣泡融合的同時(shí)也分裂出氣泡釋放到液相中。這種情況下，液相中夾帶的氣相由兩部分組成，一部分是由于氣核向底流出口分裂釋放出氣泡；另一部分則是因?yàn)闅夂搜由斓降琢骺谔帉?dǎo)致部分氣相的損失。兩種原因綜合作用造成氣相夾帶量較穩(wěn)定氣核狀態(tài)下要高。

微弱氣核：兩相流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較小，氣核微弱而且波動(dòng)幅度較大。這種流動(dòng)狀態(tài)下，大量氣泡由氣核中釋放出來，與已經(jīng)分散在周圍的液相中較大粒徑的氣泡相結(jié)合，氣核沒有延伸到分離器的底部，而是隨著旋流強(qiáng)度的衰減在分離器底部便消散了。在此種流動(dòng)形態(tài)下，液相帶氣更為嚴(yán)重。一方面，在靠近分離器入口的上部液相區(qū)存在大量的分散的大粒徑氣泡，液相的氣相攜帶嚴(yán)重；另一方面，在分離器的底部液相區(qū)，觀察到小粒徑的氣泡。

無氣核：這種情況下沒有觀察到任何漩渦的自由液面，這是因?yàn)樾鲝?qiáng)度很小，基本接近與零。因此，分離器中心沒有形成氣核。這種流動(dòng)狀態(tài)下，僅觀察到有微量的氣相夾帶。雖然此種條件下離心力作用微小，但是液相中的氣相在重力沉降的作用下實(shí)現(xiàn)了分離。因而液相帶氣量微小。

通過對上述4種氣核形態(tài)的特性分析可以發(fā)現(xiàn)，氣核是引起液相帶氣的主要原因，氣核的穩(wěn)定性決定了分離器下部氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)，對分離器液相帶氣有著顯著的影響。氣核的穩(wěn)定性越高，捕集并融合的氣泡也就越多，液相帶氣量就越少；反之，則液相帶氣嚴(yán)重。雖然無氣核時(shí)液相帶氣也很少，但是單純依靠重力沉降作用會(huì)失去柱狀氣液分離器運(yùn)行的高效性。

5 結(jié)論

5.1液相帶氣量隨液相速度升高先增加而后變少。在一定的液速下，氣相速度越大，帶氣量越多。液相帶氣量在液速0.15～0.25m/s這個(gè)區(qū)間內(nèi)較大，在兩邊的區(qū)域內(nèi)則較小。

5.2液相帶氣率隨液相速度增大先升高而后減小，在氣相速度為1.2m/s時(shí)達(dá)到最大值0.062%。

5.3分離器下部氣相的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為穩(wěn)定氣核、扭曲氣核、微弱氣核以和無氣核4種，氣核是造成液相帶氣的主要原因，隨著氣核穩(wěn)定性的降低，液相帶氣量逐漸升高，無氣核時(shí)由于重力沉降作用液相帶氣量較小。

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