文丘里洗涤器压力损失模型

第32卷第6期2004年12月

化学工程

C HE MICAL ENGINEERING (CHINA)

Vol. 32No. 6Dec. 2004

文丘里洗涤器压力损失模型

段振亚, 胡金榜, 宗润宽, 王书肖

(天津大学化工学院, 天津 300072)

摘要:通过理论分析, 在考虑气体摩擦压力损失和扩散段液滴减速的压力回收基础上, 推导出了一个准确、实用的文丘里洗涤器压力损失计算模型, 并分别对3个具有不同喉管长度的文丘里洗涤器模型在液气比为0. 4 1. 0L/m 3与喉管气速为33 58m/s 条件下的压力损失进行了试验测量。结果表明:模型的理论预测值和试验值吻合良好, 可以为工程设计或优化操作时文丘里洗涤器压力损失的预测方法。关键词:文丘里洗涤器; 摩擦压力损失; 压力回收; 液气比; 喉管气速

中图分类号:TQ 051 文献标识码:A 文章编号:1005 9954(2004) 06 0031 04

Model for the prediction of pressure drop in venturi scrubbers

DUA N Zhen ya, HU Jin bang, Zong Run kuan, Wang Shu xiao

(School of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, C hina)

Abstract:Through theoretical analysis and based on the gas frictional pressure drop and pressure regain in diverging sec tion due to droplet ! s deceleration, a simple and accurate model for the prediction of overall pressure drop in venturi scrubbers was deduced, and calculation data made with this model were compared with experimental data for three venturi scrubbers in different throat length operated at liquid gas ratio from 0. 4to 1. 0L/m 3at throat velocities from 33to 58m/s. The results sho w that calculation data are in good agreement with that of test, which indicates that this model can be used as a computation method for practical design or optimizing the operation of a venturi scrubber.

Key words:venturi scrubbers; frictional pressure drop; pressure regain; liquid to gas ratio; throat velocity 文丘里洗涤器是去除气体中的较小粉尘粒子和吸收气态污染物的最有效的设备之一, 且结构简单、造价低廉, 因此发展以文丘里洗涤器为主体的用于燃煤装置烟气的高效除尘脱硫技术是大有潜力的。

文丘里洗涤器中的烟尘粒子捕集和SO 2的吸收是以气体在文丘里管流动时的压力损失为代价的, 所以在进行文丘里洗涤器的设计或优化操作时, 准确地预测其压力损失非常关键。

目前工业上预测压力损失较广泛的解析模型

[1 2]

Azzopardi 和Govan [3]认为文丘里洗涤器压力损失是由摩擦、气体流动、液滴加速、液膜加速和重力等5个压力损失部分组成。但在一般情况下, 由液膜加速和重力引起的压力损失相对较小, 可忽略不计[4]。压力损失可看作是由摩擦压力损失、液滴加速压力损失和气体流动压力损失3部分组成。1. 1文丘里洗涤器的结构模型

文丘里洗涤器的结构模型如图1所示。距离Z =0截面的长度为Z 处的直径:D =D t +2(Z 1-Z) tan 1 (0∀Z

D =D t +2(Z -Z 2) tan 2Z 处的横截面积为

2(Z 1-Z)

A =A t 1+#tan 1

D t

(1a) (1b) (1c)

都认为扩散段液滴减速的压力回收及摩擦压

(Z 1∀Z

力损失是相等的, 可以相互抵消, 仅考虑液体的加速压力损失, 所以预测值远远大于实测值。本文通过研究提出一个准确的理论模型, 为开发合理使用能量并获得高效率的除尘脱硫设备提供理论基础。1 压力损失模型

在距离文丘里洗涤器入口Z =0截面的长度为

(0∀Z

(2a )

基金项目:天津市自然科学基金(963606411) ; 天津市科委∃九五%攻关项目(963107911)

作者简介:段振亚(1974 ), 男, 博士, 从事大气污染控制研究, E mail :duanzhenya@eyou. c om ; 胡金榜(1941 ) , 男, 博导, 主

要从事大气污染控制与化工装备的研究工作, E mail :jbhu@eyou. com 。

(32(化学工程 2004年第32卷第6期

公式(6) 可表示为气体动压倍数的形式:

A =A t = D 2t /4 (Z 1∀Z

2(Z -Z 2)

#tan

D t

(2b )

(Z 2∀Z

(2c )

2! g v gt

#p gf =∃1

(11)

式中, ∃1= t L/D t , 是干气体通过文氏管的摩擦压力损失系数。

1. 3 气液混合流动的压力损失

在喉管内, 液滴被加速, 气体表现为静压损失。扩散段中气速下降, 液滴由于惯性继续加速, 在某一点速度可能高于气速, 此时液滴减速, 气体回收部分能量。所以气液混合流动的压力损失应由喉管内液滴被加速的压力损失和扩散段的液滴减速的压力回收二部分组成。

(1) 喉管液滴被加速的压力损失

图1 文丘里洗涤器的结构模型Fig. 1 Phys ical model of venturi scrubber

采用Yung 等模型[2]计算, 即

#p La = ! L v gt Q L /Q g

(12) (13)

1. 2 摩擦压力损失

假设气体不可压缩, 沿轴向作一维流动, 则气体的连续性方程为

v g =Q g /A

对轴向一微分长度的体积元作动量衡算得

! g v g

-d p gf = (4)

D 2

式中, -d p gf 为摩擦引起的气体压力梯度; 为Moody 摩擦系数, =f (Re, ∀/D ) , 在完全湍流区内, 只与相对粗糙度有关, 与雷诺准数无关[5]。当设备的材质确定后, 可近似地看作是常数, 积分公式(4) 得#p gf =

! g 2

式中, 为喉管出口液滴与气体的速度比,

=2(1-x 2+

x -x )

式中, x 为表征喉管长度的无量纲数群,

(3)

x =

t D0g

16d ! L

(14)

(2) 液滴减速的压力回收

对于扩散段, 假设: 液滴不断减速, 在文丘

里出口处接管内的速度v de 与此处气体速度v ge 相等; ∋扩散段内液滴减速的能量全部用于气体的压力回收。

根据洗涤器内微分体积元的动量平衡有

-d p Lr =

! L Q L

d v d A

(15)

21v g

d Z +D

22v g t

d Z +Z D t 1

Z 3

v 2g d Z D

(5)

由式(1) 、(2) 、(3) , 对式(5) 积分可得到气体流经洗涤器的摩擦压力损失为

2 ! g v gt #p gf =2D t 式中:L =L s +L t +L k

1-L s =l s

D t

-4

A =Q g /v g , 代入上式积分得

#p Lr =! L

Q g

利用分部积分有

v d v

v gt

g d

(16)

(6) (7)

&v d v

v gt

g d

v 2gt - v 2gt -

&v d v

v g t

d g

(17)

式中v d 可按下式计算:

v d =

( v gt +v ge )

2g e v gt

-1D t

(0∀Z

(8) (9)

(18)

根据式(16) 、(17) 与(18) 可得L 2#p Lr =! v L

2Q g gt

(1- ) - v gt

(19)

(Z 2∀Z ∀Z 3)

(10)

由式(12) 和式(19) 可得气液混合流动压力损失:

#p gL =∃(20) 2! g v gt /2式中, ∃2为气液混合流动的压力损失系数,

L t =l t (Z 1∀Z

D e

-4

1-k =l k

D e

-1D t

段振亚等文丘里洗涤器压力损失模型(33(

! v ge 2v ge L Q L ∃2=v gt +v gt (1- ) +。g Q g

1. 4 气体加速压力损失

气体流经文丘里洗涤器时, 由动量平衡得

-d p ga =! (21) g v g d v g

积分式(21) 得

2#p ga =∃3! g v gt /2

3 试验数据分析

试验条件为:

v gt =33

58m/s, 液气比为0.

4 1. 0L/m 3, 实测的压力损失值#p ! 与同条件下本文模型的预测值#p 比较如图3所示。

(22)

v ge 2v gi 2

式中, ∃3=v gt -v gt , 是气体加速压力损失系数, 取决于文氏管的结构尺寸。

1. 5 压力损失的数学模型

由式(11) 、(20) 及(22) 可得文氏管洗涤器的压力损失为

! g v g t

#p =#p gf +#p gL +#p ga =∃

式中, ∃为压力损失系数, ∃=∃1+∃2+∃3。2 试验

为验证模型, 建立如图2的试验装置。试验用文丘里洗涤器的几何尺寸见表1。

(a) 文丘里洗涤器A

(

23)

(b) 文丘里洗涤器B

1-供液泵; 2-调节阀; 3-流量计; 4-文丘里洗涤器; 5-喷嘴; 6-进口疏流器; 7-流量测量仪; 8-旋流分离器;

9-引风机; 10-风机调节阀; 11-储液罐

图2 试验流程示意图

Fi g. 2 Schematic diagram of experi mental se t up

model for pres sure drop

表1 试验用文丘里洗涤器几何尺寸Tab. 1 Dimension of experi mental venturis

文氏管代号A B C

测压孔数8810

收缩角/() ) 242424

喉管直径/mm 505050

喉管长度/mm 50100200

扩散角/() ) 777

由图3以及实测数据可知:

(1) 本文模型的预测值与实测值相比, 偶而出现的最大相对误差为25. 3%, 平均相对误差为4. 94%, 说明本文模型的预测值吻合良好。

(2) 本文模型由于考虑了摩擦压力损失和扩散段的压力回收, 故预测值和实测值吻合很好。说明文丘里洗涤器的摩擦压力损失和扩散段的压力回收是不相等的, 在计算压降时不应该认为二者可以相

(34(化学工程 2004年第32卷第6期

互抵消。4 结论

在考虑摩擦压力损失和扩散段的压力回收的基础上, 推导出的文丘里洗涤器压力损失模型的计算值与实测值是一致的。可作为设计和优化文丘里洗涤器的理论依据。本文模型已应用于锅炉烟气脱硫装置W X 撬块式脱硫除尘器, 效果良好符号说明:

A 文丘里管横截面积, m 2C D0 液滴在导入点的阻力系数d 液滴直径, m

D 文丘里管直径, m L 文丘里管的特征长度, m l 文丘里管的长度, m #p 压力损失预测值, Pa #p ! 压力损失实测值, Pa Q 流体的体积流量, m 3/h v 速度, m/s

1 收缩角的一半, () ) 2 扩散角的一半, () ) ! 流体的密度, kg/m下标a 加速∗上接第30页+参考文献:

[1] 吴宗鑫. 我国高温气冷堆的发展[J].核动力工程,

2000, 21(1) :39 43.

[2] 居怀明. 10MW 高温气冷堆蒸汽发生器稳定性实验

研究[J]. 核动力工程, 2000, 21(6) :498 502.

[3] 居怀明. HTR 10蒸汽发生器密度波型不稳定性分析

[J].清华大学学报, 1998, 38(5) :72 74.

[4] Gilli P V. Heat transfer and pressure drop for cross flow

through banks of multistar helical tube with uniform inclina tion and uniform longitudinal pitches [J]. Nuclear Science and Engineering , 1965, 22:298 314.

[5] Rogers G F C. Heat transfer and pressure loss in Helical

coiled tubes with turbulent flow [J]. Int J Heat Mass Transfer, 1964, 7:1207 1216.

[6]

d 液滴

s, k 收缩段, 扩散段e 文丘里管出口

f 摩擦g 气体i 文丘里管入口L 液体t 喉管参考文献:

[1] Calvert S. Air Pollution Vol IV [M]. 3rd ed. New York:

Academic Press, 1977. 271.

[2] Yung S C, Calvert S, Barbariika H F. Venturi Scrubber

Performance Model [Z ]. EPA Rep, 1977, 600/2 77 172.

[3] Azzopardi B J, Govan A H. The modeling of venturi scrub

bers [J]. Filtr Sep, 1984, 21(3) :196 200. [4] Gonqalves J A S, Femandez Alonso D, Martins Costa M

A, et al. Evaluation of the models available prediction of pressure drop in venturi scrubbers [J]. Journal of Haz ardous Materials, 2001, 81(2) :123 140.

[5] 柴诚敬, 张国亮. 化工流体流动与传热[M ].北京:

化学工业出版社, 2000. 50.

[6] 胡金榜, 陈志强. 文丘里洗涤器除尘操作参数的优

化设计与工程实践[J]. 环境工程, 1999, 17(5) :35 38.

。

[6] 徐济筠. 沸腾传热和气液两相流[M ].北京:原子

能出版社, 2000. 488 491.

[7] 鲁锺琪. 气液两相流动和沸腾传热[M]. 北京:清

华大学出版社, 2002.

[8] 电站锅炉水动力计算方法编写小组. 电站锅炉水动

力计算方法(JB/Z201 83) . 上海发电设备成套所, 1984.

[9] Hans W. Fricker design and manufacturing experience for

the german thorium hi gh temperature reactor 300MW (e) steam generator [J ].Nuclear Technology, 1976, 28(3) :339 347.

[10] Takao Hayashi. Comparison of heat transport capability of

a steam generator (SG) in a high temperature gas cooled reactor with that of an SG in other types of reactors [J].Nuclear Technology , 1987, 78(2) :216 226.

第32卷第6期2004年12月

化学工程

C HE MICAL ENGINEERING (CHINA)

Vol. 32No. 6Dec. 2004

文丘里洗涤器压力损失模型

段振亚, 胡金榜, 宗润宽, 王书肖

(天津大学化工学院, 天津 300072)

中图分类号:TQ 051 文献标识码:A 文章编号:1005 9954(2004) 06 0031 04

Model for the prediction of pressure drop in venturi scrubbers

DUA N Zhen ya, HU Jin bang, Zong Run kuan, Wang Shu xiao

(School of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, C hina)

目前工业上预测压力损失较广泛的解析模型

[1 2]

文丘里洗涤器的结构模型如图1所示。距离Z =0截面的长度为Z 处的直径:D =D t +2(Z 1-Z) tan 1 (0∀Z

D =D t +2(Z -Z 2) tan 2Z 处的横截面积为

2(Z 1-Z)

A =A t 1+#tan 1

D t

(1a) (1b) (1c)

都认为扩散段液滴减速的压力回收及摩擦压

(Z 1∀Z

在距离文丘里洗涤器入口Z =0截面的长度为

(0∀Z

(2a )

基金项目:天津市自然科学基金(963606411) ; 天津市科委∃九五%攻关项目(963107911)

作者简介:段振亚(1974 ), 男, 博士, 从事大气污染控制研究, E mail :duanzhenya@eyou. c om ; 胡金榜(1941 ) , 男, 博导, 主

要从事大气污染控制与化工装备的研究工作, E mail :jbhu@eyou. com 。

(32(化学工程 2004年第32卷第6期

公式(6) 可表示为气体动压倍数的形式:

A =A t = D 2t /4 (Z 1∀Z

2(Z -Z 2)

#tan

D t

(2b )

(Z 2∀Z

(2c )

2! g v gt

#p gf =∃1

(11)

式中, ∃1= t L/D t , 是干气体通过文氏管的摩擦压力损失系数。

1. 3 气液混合流动的压力损失

(1) 喉管液滴被加速的压力损失

图1 文丘里洗涤器的结构模型Fig. 1 Phys ical model of venturi scrubber

采用Yung 等模型[2]计算, 即

#p La = ! L v gt Q L /Q g

(12) (13)

1. 2 摩擦压力损失

假设气体不可压缩, 沿轴向作一维流动, 则气体的连续性方程为

v g =Q g /A

对轴向一微分长度的体积元作动量衡算得

! g v g

-d p gf = (4)

D 2

! g 2

式中, 为喉管出口液滴与气体的速度比,

=2(1-x 2+

x -x )

式中, x 为表征喉管长度的无量纲数群,

(3)

x =

t D0g

16d ! L

(14)

(2) 液滴减速的压力回收

对于扩散段, 假设: 液滴不断减速, 在文丘

里出口处接管内的速度v de 与此处气体速度v ge 相等; ∋扩散段内液滴减速的能量全部用于气体的压力回收。

根据洗涤器内微分体积元的动量平衡有

-d p Lr =

! L Q L

d v d A

(15)

21v g

d Z +D

22v g t

d Z +Z D t 1

Z 3

v 2g d Z D

(5)

由式(1) 、(2) 、(3) , 对式(5) 积分可得到气体流经洗涤器的摩擦压力损失为

2 ! g v gt #p gf =2D t 式中:L =L s +L t +L k

1-L s =l s

D t

-4

A =Q g /v g , 代入上式积分得

#p Lr =! L

Q g

利用分部积分有

v d v

v gt

g d

(16)

(6) (7)

&v d v

v gt

g d

v 2gt - v 2gt -

&v d v

v g t

d g

(17)

式中v d 可按下式计算:

v d =

( v gt +v ge )

2g e v gt

-1D t

(0∀Z

(8) (9)

(18)

根据式(16) 、(17) 与(18) 可得L 2#p Lr =! v L

2Q g gt

(1- ) - v gt

(19)

(Z 2∀Z ∀Z 3)

(10)

由式(12) 和式(19) 可得气液混合流动压力损失:

#p gL =∃(20) 2! g v gt /2式中, ∃2为气液混合流动的压力损失系数,

L t =l t (Z 1∀Z

D e

-4

1-k =l k

D e

-1D t

段振亚等文丘里洗涤器压力损失模型(33(

! v ge 2v ge L Q L ∃2=v gt +v gt (1- ) +。g Q g

1. 4 气体加速压力损失

气体流经文丘里洗涤器时, 由动量平衡得

-d p ga =! (21) g v g d v g

积分式(21) 得

2#p ga =∃3! g v gt /2

3 试验数据分析

试验条件为:

v gt =33

58m/s, 液气比为0.

4 1. 0L/m 3, 实测的压力损失值#p ! 与同条件下本文模型的预测值#p 比较如图3所示。

(22)

v ge 2v gi 2

式中, ∃3=v gt -v gt , 是气体加速压力损失系数, 取决于文氏管的结构尺寸。

1. 5 压力损失的数学模型

由式(11) 、(20) 及(22) 可得文氏管洗涤器的压力损失为

! g v g t

#p =#p gf +#p gL +#p ga =∃

式中, ∃为压力损失系数, ∃=∃1+∃2+∃3。2 试验

为验证模型, 建立如图2的试验装置。试验用文丘里洗涤器的几何尺寸见表1。

(a) 文丘里洗涤器A

(

23)

(b) 文丘里洗涤器B

1-供液泵; 2-调节阀; 3-流量计; 4-文丘里洗涤器; 5-喷嘴; 6-进口疏流器; 7-流量测量仪; 8-旋流分离器;

9-引风机; 10-风机调节阀; 11-储液罐

图2 试验流程示意图

Fi g. 2 Schematic diagram of experi mental se t up

model for pres sure drop

表1 试验用文丘里洗涤器几何尺寸Tab. 1 Dimension of experi mental venturis

文氏管代号A B C

测压孔数8810

收缩角/() ) 242424

喉管直径/mm 505050

喉管长度/mm 50100200

扩散角/() ) 777

由图3以及实测数据可知:

(1) 本文模型的预测值与实测值相比, 偶而出现的最大相对误差为25. 3%, 平均相对误差为4. 94%, 说明本文模型的预测值吻合良好。

(34(化学工程 2004年第32卷第6期

互抵消。4 结论

A 文丘里管横截面积, m 2C D0 液滴在导入点的阻力系数d 液滴直径, m

D 文丘里管直径, m L 文丘里管的特征长度, m l 文丘里管的长度, m #p 压力损失预测值, Pa #p ! 压力损失实测值, Pa Q 流体的体积流量, m 3/h v 速度, m/s

1 收缩角的一半, () ) 2 扩散角的一半, () ) ! 流体的密度, kg/m下标a 加速∗上接第30页+参考文献:

[1] 吴宗鑫. 我国高温气冷堆的发展[J].核动力工程,

2000, 21(1) :39 43.

[2] 居怀明. 10MW 高温气冷堆蒸汽发生器稳定性实验

研究[J]. 核动力工程, 2000, 21(6) :498 502.

[3] 居怀明. HTR 10蒸汽发生器密度波型不稳定性分析

[J].清华大学学报, 1998, 38(5) :72 74.

[4] Gilli P V. Heat transfer and pressure drop for cross flow

through banks of multistar helical tube with uniform inclina tion and uniform longitudinal pitches [J]. Nuclear Science and Engineering , 1965, 22:298 314.

[5] Rogers G F C. Heat transfer and pressure loss in Helical

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[6]

d 液滴

s, k 收缩段, 扩散段e 文丘里管出口

f 摩擦g 气体i 文丘里管入口L 液体t 喉管参考文献:

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Academic Press, 1977. 271.

[2] Yung S C, Calvert S, Barbariika H F. Venturi Scrubber

Performance Model [Z ]. EPA Rep, 1977, 600/2 77 172.

[3] Azzopardi B J, Govan A H. The modeling of venturi scrub

bers [J]. Filtr Sep, 1984, 21(3) :196 200. [4] Gonqalves J A S, Femandez Alonso D, Martins Costa M

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化学工业出版社, 2000. 50.

[6] 胡金榜, 陈志强. 文丘里洗涤器除尘操作参数的优

化设计与工程实践[J]. 环境工程, 1999, 17(5) :35 38.

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[6] 徐济筠. 沸腾传热和气液两相流[M ].北京:原子

能出版社, 2000. 488 491.

[7] 鲁锺琪. 气液两相流动和沸腾传热[M]. 北京:清

华大学出版社, 2002.

[8] 电站锅炉水动力计算方法编写小组. 电站锅炉水动

力计算方法(JB/Z201 83) . 上海发电设备成套所, 1984.

[9] Hans W. Fricker design and manufacturing experience for

the german thorium hi gh temperature reactor 300MW (e) steam generator [J ].Nuclear Technology, 1976, 28(3) :339 347.

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a steam generator (SG) in a high temperature gas cooled reactor with that of an SG in other types of reactors [J].Nuclear Technology , 1987, 78(2) :216 226.

文丘里洗涤器压力损失模型

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