Fractal液体分布器.pdf

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第32卷第6期
石油化工设备
Vol32 No6
2003年1月
PCT'RO-CHEMICAL EQUIPMENT
Nov.2003
文章轴号:1000-7466(2003)06001703
ractal液体分布器
宋海华,张大彭,闫岩
(1.天津大学化工学院,天津30002;2.中科院过程工程研究所,北京10000
摘要:提出了1种以分形几何为理论基础的新型液体分布器一一 Fractal液体分布器。从流体动力
学角度解释了 Fractal液体分布器在理论上的分布均匀性,通过实验验证了 Fractal液体分布器具有
Klemas分布质量良好、能够均匀分布小流率的液体及操作弹性较大等优点。
关键词:填枓塔;液体分布器;分形几何;均匀性
中图分类号:TQ028
文献标识码:A
Fractal liquid distributor
SONG Hai-hua, ZHANG Da-peng, YAN Yan
(1. School of Chemical Engineering, Tianjin niversity, Tianjin 300072, China
2. Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Science, Beijing 100080, China)
Abstract: The Fractal liquid distributor has been proposed an the basis of the theory of fractal geometry, and its distribution u
milormily is explained from e point of view f the luid d amics, and its Kemas dist on quality is proved excellent by exper
menta results
Key words: packing tower; liquid distribulor fractal geometry; uniformity
在石油和化学工业中,填枓塔因具有效率高、压应用分形几何设计新型液体分布器],这既是对分
降低和通量大等特点而得到越来越广泛的应用。在形几何理论应用的发展,又是在工程化分形领域中
填料塔中液体分布器是最重要的内件,具有良好分的新探索,具有理论意义和工业价值。
布性能的液体分布器能够提供均匀的液体初始分1分形与分维
布,减弱放大效应和端效应的不良影响,从而确保填
Mandelbrot将局部与整体以某种形式相似的图
料塔的高分离效率。
形称为分形。自相似性是分形几何图形的重要特
传统的液体分布器包括喷头式、排管式、盘式及征,完全自相似性则对分形几何的理论研究有意义
槽式等不同类型,这些分布器都存在着一些不足之而实际上大多数分形的自相似性只是近似的或统计
处,即使目前认为性能最好、应用最广泛的槽式液体意义上的。
分布器也存在结构复杂、占据塔内空间较大以及不
Mandelbrot在研究自然界中存在的多种分形时发
能均匀分布小流率液体等蝕陷,因此开发新型、高效现,无论测量的尺度如何变化,分形图形的维数都是1
的液体分布器具有重要意义。
个定值,因而它能确切地描述出分形的特征。所以,
自从 Mandelbrot1975年首先提出分形的概念以计算分形的维数是研究分形的重要手段。常见的分
来(2),分形几何已经迅速发展成为一门新兴的数形维数有 Hausdor维数、盒维数及相似维数等。
学分支,成为研究和处理自然界与工程中不规则图
由分形的定义可知,分形具有近似的或者严格
形的强有力理论工具。分形可分为艺术化分形和工自相似性的。相似维数是定量街量分形自相似特征
程化分形,其中艺术化分形已经应用于服装等领域,的重要参数。若分形图形各级之间的放大比都相
然而工程化分形的应用还没有受到广泛关注。文中同,即分形图形具有完全自相似性时,分形图形可以
收日期:2003-05-23
作者介:宋海华(194-),男(汉族),天津人,教授,工学博士,博士生导师,主要从事化学分离工程的研究。
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石油化工设备
2003年第32卷
用完全自相似维数描述。
液体分布器出口管直径一般为53-④12mm,
完全自相似维数的定义式如下:
文中选择の6mm。据连续性方程确定组成各级分
D=log N/log M
(1)形子结构的管道内径d和长度,就得到800mmn
式中,D为完全自相似维数,M为分形图形级与级的 Fractal液体分布器,其结构及管道标号见图2,结
之间的放大比,N为从k级放大到k+1级增加的自构尺寸见表1
相似分形的子结构个数。
B-B
2 fractal液体分布影设计
4
2.1液体分布器设计的一殷更求
11?
液体分布的均匀性是对液体分布器设计的最重
要的要求。Pery等人提出的液体分布均匀性的3
条标准是:①液体分布器有足够的喷淋点密度。
②液体分布器喷淋点的分布有几何均匀性。③分布
器各喷淋点液体体积流量有均匀性。此外,液体分
布器还应具有合适的操作弹性和较大的气体通道。
?
2.2有完全自相似性的H型分形
具有完全自相似性的H型分形,见图1。它的
B-B
级数决定着其末级子结构端点的稠密度,而它的维
数则影响着末级子结构端点分布的均匀性,同时H
型分形的完全自相似性确保了从中心部位进人分形
结构的液体可以完全均匀地从末级分形子结构的端
进口导
出口导管
点均匀流出。这3点恰恰对应液体分布器均匀性的
图2 Fractal液体分布器结构及管道标号
3条标准,这正是选择H型分形作为设计新型液体
表1 Fractal液体分布结构尺寸
分布器基本结构的原因
进口管
道标号口
234567
出口管
管道内径4430221612866612366
管道长度100400400200200100100505010010010030
3 fractal液体分布的均匀性
H
由图2知该 Fractal液体分布器不但满足喷淋点
密度的要求,而且喷淋点在分布器截面上按正方形
排列,也满足了喷淋点分布的几何均匀性。还可从
图1具有完全自相似性的H型分形
流体力学分析和实验结果两方面证明此液体分布器
2.3结构尺寸
能满足喷淋点体积流量均匀性的要求。
笔者设计了1个直径为800m,处理量为3.1进、出口同压关系式
3m3/h,并具有良好液体分布质量的 Fractal液体
设液体进口处压力为p1,液体流速为a1,任意
分布器。
个出口处压力为P1,液体流速为,液体从进口到
在设计中,首先选择0级H型分形的管道长度出口流经的距离为2,比例系数为k,摩擦因数为∫,
为40m,通过比较可知,只有选择维数为2的H局部阻力为,由伯努利方程得
型分形结构才能保证液体分布器喷淋点的几何均匀
1
性。同时只有选择级数为2才能够满足液体分布器
g