摘 要：本文简要介绍了空分装置两相流的工程意义以及基本原理，着重分析了Hewitt-Roberts非闪蒸型垂直管道两相流理论的各种流型，为使用该理论进行空分装置两相流计算提供了设计参考依据。
关键词：非闪蒸型垂直管道两相流；流型；Hewitt-Roberts
中图分类号：TQ051 文献标识码：A
1 概述
气液两相流的流动过程十分复杂，与单相流体的流动机理不同，并且普遍存在于许多工程流体中。由于两相流管道内壁持液，使管内径变小；气液两相间产生相互运动，导致界面流动损失；液体在管中起伏运动产生能量损失等因素，两相流的压力降比相同质量流速的单相流大得多。
从工程应用的角度来看，研究两相流的意义在于确定流体的换热特性和压降特性，而由于空分装置中的两相流被认为是不加热管中的流动，所以主要研究压降特性。而压降的大小直接影响着装置的能耗和设备的投资，准确可靠的两相流工程设计，可以避免由于两相流流路压降过大而液体不能全量输送到终端，可以确定准确的阀门安装高度，可以判断通过具体那种方式来解决两相流问题。
对于日趋大型化的空分装置，两相流管路压降的大小对装置的能耗和投资影响更加明显，甚至可能由于错误的两相流设计而导致整套空分装置不能达到设计值，因此对空分两相流的研究作用显得更加重要。
2 两相流流型
两相流动型式就是气液两相流动中两相介质的分布状况。两相流的压降及两相流的不稳定性的研究，是与流动型式密不可分的，流动型式取决于气泡份额和相分布，流动型式的不同，对压降起主要作用的因素是不同的，因而计算压降的公式也有差别，另外流型的转变还会引起流动的不稳定性。
由于空分冷箱内两相流水平管段一般距离较短，水平管内的阻力损失相对与垂直管来说，所占比例甚小，因此空分冷箱内两相流计算，经常忽略水平段的两相流阻力损失，仅考虑垂直管段计算，并按照闪蒸型不加热垂直管考虑。计算时可以把管道分成若干小段，每一段按照非闪蒸型两相流模型计算。为了使用方便就采用流型图的方式来表征两相流。流型图是二维图形，它表示了各种流型存在的参数范围。
对于两相流流型的研究，世界上有很多中理论，由于两相流动边界条件的复杂性和多变形，至今尚无一种理论能够精确的模拟计算出实际的两相流动。但针对不同介质在不同状态下的两相流动状态，有很多理论研究的结果仍然能够满足工程设计的需要。
对于空分装置中的垂直管道两相流，目前应用比较广泛的理论是Hewitt-Roberts垂直管道气液两相流理论，并且经过大量的实践验证能够行之有效。
Hewitt-Roberts流型图是基于管径31.2mm，压力0.14～0.59Mpa的空气-水混合物试验，以每一相的表观动量流通量作为流型图的横纵坐标。把非闪蒸型垂直管气液两相流分为五种流型，具体如图1。
气泡流：气相含量很少，少量的气体呈气泡分散在向上流动的液体中，可近似看成纯液体，一般出现在阀前。当气体流速增加时，气泡的尺寸、速度及数量也增加。
柱状流： 出现在泡沫流和环状流的过渡区，由于小气泡的凝结长大而产生的，气相含量为：质量含量<2.4%，体积含量<43%，不规则的气泡上升。液体和气体交替呈柱状向上移动，由于液体块和气泡互相尾随着出现，造成了流道内很大的密度差和流体的可压缩性，容易出现流动不稳定性，即流量随时间发生变化。随着系统压力的升高，液体表面张力减小，不能形成大气泡，因而，柱状流存在的范围较小，当压力特别高时观察不到柱状流。此状态在任何情况下均应该避免。
泡沫流：气相含量为：质量含量<3.9%，体积含量<56%，泡沫流是由于大气泡破裂所形成的湍动紊乱的流型，这种流动的特征是振荡型的，液相在通道中交替地上下运动，像煮沸的乳液一样，一般来说，这也是一种过渡流型。此状态在任何情况下也均应该避免。
环状流：液体携带着气泡上升，液体以小于气体的速度沿管壁向上移动，气体在管中心向上移动，部分液体呈液滴夹带在气体中，当气体流速增加时，夹带也增加。当气相含量比泡沫流还高时，湍动紊乱现象逐渐消失，块状流被击碎，形成气相轴心，从而产生环状流。环状流的特征是液相沿管壁周围连续流动，中心则是连续的气体流。在液膜和气相核心流之间，存在着一个波动的交界面。由于波的作用可能造成液膜的破裂，使液滴进入气相核心流中，气相核心流中的液滴在一定条件下也能返回到壁面的液膜中来。这种流动型式在两相流中所占的范围最大，是一种最典型的稳定流动型式，一般发生在节流阀后。
雾状流：液体携带着气泡上升，当气体流速增加时，全部液体离开管壁呈微细的液滴，被气体带走。这种流型和环状流很接近，只是在气芯中液体弥散相得浓度足以使小液滴连成串向上流动。这种流动型式也是一种可以接受的稳定流体，一般发生在节流阀后。
以上五种流型中，环状流和雾状流两相流体的流动最为稳定，阻力损失也最小，合适比例的气相能够将液相一起带入需要到达的高度，这两种流型才是空分两相流中可以接受的流型。因此，两相流计算的目的，就是要通过工程手段，将垂直上升管内的两相流流型调整到可以接受的环状流和雾状流流型。
3 垂直管道中的气液两相流流型转换
实际中从一种流型转变向另一流型的演变并非突变，而有一个过渡过程，相应地，当采用象压力、流量、含气率等流动参数等宏观特性表征流型时，不同流型之间的边界是一个过渡带而不是明显的分界线。为了实现流型的调整，需要了解流型之间相互转换的机理（见图2）。
气泡流-柱状流转换：部分研究认为气泡流流体内形成了空隙波，在这些波的内部，气泡逐渐靠近更加容易结合，这样就形成了柱状流。
柱状流-泡沫流转换：泡沫流的本质就是正在发展中的柱状流，泛流波只在泡沫流中始终出现，而不会在柱状流和环状流中出现。这种波会不断重复的在泡沫流中形成，并且向上传送液体。在连续的泛流波之间，在靠近管壁处，气液交界面处的液相会返向流动，并最终被下一个上升移动波给带走。泡沫流的开始往往都伴随着压力梯度的急剧增加。
泡沫流-环状流转换：在泡沫流区域以后，随着气体流速的增加，压力梯度开始会降低并达到一个最小值。泛流波以及与之相关联的强烈的气液交互作用促进了大的压力梯度，当泛流波消失时，压力梯度也相应的减小。随后压力梯度又会随着气流率的增加而再次增加。在形成环状流时，液膜处没有逆流。这中状态可能导致了压力损失最小，并且这也是是否存在逆流的分界点。尽管泡沫流和环状流在管壁都有液体层，管道中间是气流核心，但是这两种流体型式中流体的属性却完全不同。
环状流-雾状流转换：这个过程可能是由于临界的液体动力冲击而至，这种转变都是靠一些主观的判断。
4 垂直管道气液两相流压力降理论计算
管道均视为光管，垂直管道气液两相流管路总压力降由重力压力降、速度压力降和摩擦压力降组成：
重力压力降：
由于管道出口端和进口端标高不同而产生的压力降称为重力压力降，可以是正值或负值，计算公式为：
当气体压力低、密度小时，可忽略不计；但压力高时应计算。
速度压力降：
Le -- 管线的总有效长度（包括阀门、管件等的当量长度，m）。
uh -- 气、液两相混合物流速，m/s
f -- 气、液两相混合物的摩擦系数，无因次。
di -- 管道内径，m
当Re > 4000时，摩擦系数
当Re <= 2100时，摩擦系数
当2100< Re<4000时，摩擦系数
结语
空分冷箱内的存在两相流的流体很多，需要经过严格地两相流计算的位置主要包括：液空从下塔到上塔（从下塔下部或中部抽取的污液空进上塔和下塔底部液空进上塔或粗氩冷凝器和精氩冷凝器），液氮从下塔到上塔，高压液体节流进下塔，透平分离器后液体进上塔。具体的两相流计算方法将在后期“空分装置两相流计算方法介绍”文章中进行详细介绍。
参考文献
[1]HG/T 20570.7-95管道压力降计算[Z].
[2]SH/T 3035-2007 石油化工企业工艺装置管径选择导则[Z].
[3]空分装置两相流计算方法介绍[Z].