流体力学实验报告材料

流体力学实验组

班级化33姓名吴凡灿学号2013011925成绩 实验时间第6周周日同组成员芦琛琳、董晓锐

一、实验目的

1、观察塔板上气液两相流动状况，测量气体通过塔板的压力降与空塔气速的关系；测定雾沫夹带量、漏液量与气速的关系；

2、研究板式塔负荷性能图的影响因素，作出筛孔塔板或斜孔塔板的负荷性能图；比较筛孔塔板与斜孔塔板的性能；

3、观察填料塔内气液两相流动状况，测定干填料及不同液体喷淋密度下填料层的阻力降与空塔气速的关系；

4、测定填料的液泛气速，并与文献介绍的液泛关联式比较；

5、测定一定压力下恒压过滤参数K 、q e 和t e ；

6、测定压缩性指数S 和物料特性常数K 。

二、实验原理

1．板式塔流体力学特性测定 塔靠自下而上的气体和自上而下的液体逆流流动时相互接触达到传质目的，因此，塔板传质性能的好坏很大程度上取决于塔板上的流体力学状态。当液体流量一定，气体空塔速度从小到大变动时，可以观察到几种正常的操作状态：鼓泡态、泡沫态和喷射态。当塔板在很低的气速下操作时，会出现漏液现象；在很高的气速下操作，又会产生过量液沫夹带；在气速和液相负荷均过大时还会产生液泛等几种不正常的操作状态。塔板的气液正常操作区通常以塔板的负荷性能图表示。负荷性能图以气体体积流量（m 3/s ）为纵坐标，液体体积流量（m 3/s ）为横坐标标绘而成，它由漏液线、液沫夹带线、液相负荷下限线、液相负荷上限线和液泛线五条线组成。当塔板的类型、结构尺寸以及待分离的物系确定后，负荷性能图可通过实验确定。 传质效率高、处理量大、压力降低、操作弹性大以及结构简单、加工维修方便是评价塔板性能的主要指标。为了适应不同的要求，开发了多种新型塔板。本实验装置安装的塔板可以更换，有筛板、浮阀、斜孔塔板可供实验时选用，也可将自行构思设计的塔板安装在塔上进行研究。

筛板的流体力学模型如下： 1) 压降

l c p p p ?+?=?

式中，Δp —塔板总压降，Δp c —干板压降，Δp l —板上液层高度压降， 其中

2

0)(

051.0c u g p v c ρ=?

式中ρv —气相密度，kg/m 3；g —重力加速度，m/s 2，u 0—筛孔气速，m/s ，c 0—筛孔流量系数，

筛板上因液层高度产生的压降Δp l 即液层有效阻力h l ：

l l l gh p ρ=?

式中ρl —液相密度，kg/m 3，g —重力加速度,m/s 2，h l —液层有效阻力，m 液柱。 2) 漏液 为保证筛孔不漏液的下限气速为u 0m ，筛板的u 0m 可按下面的经验式进行计算：

v

l

l om h h c u ρρσ)13.00056.0(4.40

-+=

式中，u 0m —漏液点的筛孔气速，m/s ；h L —板上清液层高；ow w L h h h ＋=，m ；

h σ—与液体表面张力相当的液柱高度，m 液柱。

.98104d h l ρσ

σ=

其中：σ—液体表面张力，N/m ；ρl —液体密度，kg/m 3；d 0—筛孔孔径，mm 3) 过量液沫夹带

2.36

)(

107.5f

T G

v h H u e -?=

-σ

式中：e v —液沫夹带量，kg 液/kg 气；σ—液相表面张力，N/m ；

u G —按有效截面积计算的气速； f

T s

G A A V u -=，m/s ；V s —气相负荷，m 3/s ；A T

—塔截面积，m 2；A f —降液管截面积，m 2；

H T —板间距，m ；

h f —鼓泡层高度，Φ

=

L

f h h ，h L —板上清液层高度，m ；Φ—鼓泡层平均相对密度，一般情况下，取Φ=0.4，即h f =2.5h L 。

斜孔塔板的流体力学模型

斜孔塔板一排排的斜孔与液流方向垂直，气体从斜孔水平喷出，相邻两排孔口方向相反，交错排列，起到相互牵制的作用。既有气流水平喷出的优点，又消除了气流对撞转为向上冲的现象，板上保证均匀的低液面，使得气体和液体不断分散和聚集，通量比普通筛板可增大30％～40％。

斜孔塔板属筛板型塔板，其设计及计算方法与筛板塔类似。由于其结构上的特点，在阻力降、漏液和夹带的计算公式上与筛板又有不同。 1) 压降 干板压降可按下式计算：

2

.2

u p v c ρζ=?

式中：Δp c —干板压降，ζ—干板阻力系数，实验测定ζ=2.1； 液层压降可按下式计算：

)(.ow w l L l l h h g gh h +==ερρε

式中：h l —液层压降，Pa ；ε—发泡系数，对于水—空气系统，ε=0.5

h w —堰高；h ow —堰上液头高； 2) 漏液 为防止严重漏液，保证正常操作，斜孔塔板的孔动能因数F 0必须满足下式：

1000

8

0l

F ρ≥

式中：v u F ρ0

0=，ρl 、ρv —液相、气相密度，kg/m 3；u 0—孔速，m/s ；

3) 雾沫夹带 斜喷型塔板的雾沫夹带量均大大小于普通筛板的雾沫夹带值，但雾沫夹带的规律相似，斜孔塔板雾沫夹带计算公式如下：

2.07.09.1)(

)(

157.0σρρv

l v

f

T g v e H H u e --=

式中：e v —雾沫夹带量，kg(液)/kg(气)；

u g —液层上部的气体流速，m/s ；f

T s

G A A V u -=

，m/s ；s V —气相负荷，m 3/s ；T A —

塔截面积，m 2；f A —降液管截面积，m 2；ρl 、ρv —液相、气相密度，kg/m 3；

σ—液体表面张力，N/m ；H T —板间距，m ； H f —鼓泡层高度，L f h F H 3

.50

=

，m ；F 0—孔动能因子，无因次；h L —板上清液层高度，m ；

三、实验装置与流程 装置中的有关尺寸： 筛板塔

塔径D ＝200mm 板间距H T ＝294mm 堰高h W ＝30mm 降液管底距塔板h O ＝16mm 堰长L W ＝130mm 孔径d O ＝8mm 开孔数n ＝36个 孔心距t ＝21.5mm 开孔率：按传质区计算Ф＝12.6%，按塔截面积计算Ф＝6.38%

四、操作注意事项

塔设备实验：

1． 不得急速开关阀门，以防损坏设备。

2． 不要让衣物、长发、饰品等接近风机吸入口；

3． 打开风机、水泵时务必保证出口阀门关闭，以防打坏转子流量计；

4． 进行实验操作时不要超过设备正常操作范围，以防设备损坏、大量水飞溅。 5． 先测定干塔、干填料压降与空塔速度的关系，不要开水泵以免淋湿塔板、填料。 6． 注意开关水泵、风机的顺序，防止水倒灌入气路。

原始数据： 干塔气速：

喷淋密度：0.8m3/h

喷淋密度：1.2m3/h

数据处理：

已知数据：筛板塔

塔径D＝200mm 板间距H T＝294mm 堰高h W＝30mm

降液管底距塔板h O＝16mm 堰长L W＝130mm 孔径d O＝8mm 开孔数n＝36个孔心距t＝21.5mm 开孔率：按传质区计算Ф＝12.6%，按塔截面积计算Ф＝6.38%

1. 做出干塔pu曲线

公式：

空塔气速=空气流量/截面积/3600 （m/s）；

=0.2945m/s

以第2组数据为例：u=30

0.0283?3600

截面积＝3.14×0.1902/4＝0.0283m2

在双对数坐标图上做出△p～u的图像如下：

从图像可以看出压降与气速取对数后呈线性关系，且斜率为1.5左右，

可知?p与u的1.5次方成正比，压降与气速的关系与△p＝u1.8-2.0表示的情况有一定的差距，但这是正常的，因为理论计算与实际情况肯定会存在一定的误差。

2、不同喷淋密度下，全塔压降与气速的关系：

喷淋密度：0.8m3/h

组号流量/m3/h压差计左/pa压差计右/pa压差/pa漏液/ml/s夹带/ml/s空塔气速/m/s 114-300300600160/300.137416569

220.3-33033066096/300.199254024

328.6-30033063063.9/300.280722419

434-31034065016.5/300.333725952

541-32034066011.3/600.402434236

648-3303506803.2/900.471142521

754.5-3603907501.6/900.53494307

860-3703907609*0.075/1200.588928151

967-39041080011*0.075/1200.657636435 1076-44045089010.9/600.745975658 1182.6-46048094038/600.810757754 1289-490510100045/300.873576757 1397.2-5305401070113/300.954063604 14104-5605601120160/30 1.020808795 15112-6206201240270/30 1.099332548

由图像可以看出，初始阶段，由于气速较小，受到液面的阻力很大，还有漏液的影响，导致开始时的斜率十分小，到后期，由于气速不断增大，漏液现象减缓，甚至出现了夹带现象，此时气速剧烈，冲破液面，使得阻力大大下降，于是斜率增大，并且可以发现后期具有很好的线性，斜率大致为0.8左右，即压降与气速的0.8次方成正比。

喷淋密度：1.2m3

与之前的关系类似，在气速较低时，压降岁气速增大而增大的幅度较小，到快到载点气速的时候出现了压降突然增大的现象，之后仍然和之前趋势差不多，但到达夹带点时，压降升高的幅度明显增大，且线性拟合后发现斜率为1，说明此时压降与气速成正比。

不同喷淋密度下，漏液量、夹带量与气速的关系：

喷淋密度：1.2m3

像可以发现，漏液量与气速成反比，气速越大漏液量越低，大约为0.36m/s的时候漏液量将为0，也即漏液点的气速，在这之后虽然还有漏液，但已经很少，而且不随气速变化而变化了，故此可以忽略不计，其实这些漏液即使在气速很大时也存在，是属于装置的问题，与气速无关。

可见，夹带量与气速的二次方成正比，气速增大，夹带增大，刚出现夹带，夹带量较少，且随气速增加而增加的幅度并不是很多，之后气速很大时，液面剧烈翻滚，有向液泛转化的趋势，夹带量也激增。

喷淋密度：0.8m3/h:

段气速较小，漏液量与气速的线性关系较好，呈反比，在0.4m/s左右漏液量几乎为0，这漏液点气速要大于上面的气速，在这之后测的几点都是虽然还有漏液但可以看作0.

数据对夹带与气速的关系比较明显，成严格的二次方关系，夹带量岁气速的增加而增加的越来越快，甚至后来出现液泛现象，这与气速增大，破坏了液面的连续性，减小了阻力有一定关系。

思考题：

（1）

实验总结：

本来今天的实验一开始是十分顺利，因为不会重蹈昨天的覆辙，结果果然是我想太多，都测完一组数据了，只差最后一组了，结果问题出现了，本来经过前几次实验的教训，对于误差我已经习惯了，甚至与理论背道而驰我也见怪不怪了，但是看见明明喷淋密度增大了结果漏液量还减小了，实在是心里不能接受，还由于漏液量太小，结果还没有去玩几组数据，就已经停止漏液了，不得不从头重测。实验一做就是一上午。会去后仔细思考出了什么差错，最后想来想去，觉得问题应该是出现在塔板液面上，不知道是不是我们没有把每次收集的液体倒回塔内的原因，在测第二组数据时，塔的液面明显要低于之前一组数据，这就直接导致了液面高度降低，漏液量自然要减少，就是喷淋量增大也没用。还有一个小问题，虽然没有造成多大影响，但限制了我们测控量的范围，气速的最大值提不上去，十分费解，难道风机功率不够？

今天唯一get到的技能就是，当漏液量很少，按滴落下，已经用试管不足以测量时，可以数滴数，在测下每一滴的体积，这样流量就出来了，还有一个教训，也是这么多次实验都收获的，理论与实际的差距很明显，要考虑多方因素。