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1993年第6期

喷射管与文丘里管的设计

毽旦堕 (辽化公司研究院) 硷 DJ-i 。 摘 要

本文详尽她舟绍了喷射管与文丘里管的工作原理与设计计算方法．并附有例题供参考

一 、 概述

。 在完成强混合与强湍流过程的设备中， 用于管道化的有喷射管与文丘里管。两者各 有其特点：喷射管是借助射流的原理，由喷管 喷出的一束流体的无规则流动，撞击射流两 侧的静止空气(或其他流体)，并带动它们一 起向前运动，于是射流本身就有抽气作用。喷 射管就是利用这一原理，达到强混合的作用。 喷射管目前多用于传质(如萃取，精馏等)过 程中。为满足液相混合而采用喷射管的喷射 萃取塔巳被B．B．Ka~apoB等人研究 ]。在 H．IT．reJrbnepm{0 的研究中表明；传质系数是 随着连续相线速度与分散相流速的增大而增 大。并由实验得出喷射系数与压头降的关系 (见图1)。为了研究喷射器最适宜的结构尺

寸，作者进行了被喷射的面积F和射流f的 比值与喷射系数U的关系的研究。

在[1]的研究中将被吸液体与工作液体 的比值称为喷射系数。从萃取效率1(以理想 接触的百分率计)与1．1的关系表明：萃取效率 变化是不大的。实验表明：塔的流体力学操作 条件取决于喷射元件的尺寸，然而喷射系数 u的大小对塔的操作影响也很大．1．1大．塔内 压力也随之增高(见图2)。当1．1趋近于1时． 塔内流体的湍动度最大，继而开始分散和混 合。这种喷射管已广泛地应用于流体的混合 过程 。

U
0．25 0．5 0· 5 1．O
0 ～
E —
E
—
一
3o0~"

图2 四氯化碳 水系统，轻液流量恒定，重 液流量增大时，塔内压力与喷射系数的关系 注r轻藏流量I1—16L／hI Z - 12L／hI 3 lOClh

⋯ )

图1 被喷射面积F和射流f的比值与 喷射系数u的关系曲线

注tl 1Zm ／s，2 nm 1 3 lOm I 4 gm ／sI 5⋯ 8m 。

另一种应用广泛的管式混合器一文丘里 管应用在混台反应和传质混合过程 如F． Molyneux 研究了文丘里管作为液相苹取 初级萃取混台器，并提出了有关液相文丘里 混合器设计的良好数据 喷射管和文丘里管 在石油化工、化学工业、食品工业、医药工业 中广为采用。

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√

二、文丘里管的设计

幕统内动能的变化则为：

两流体初始的动能：

设计一个实际最太压差为h水柱的文丘 ” 里管。 ．

w ．w ，V： 2g· ’ 2g

令Ai和A 为进El截面和喉管截面。根 据连续流方程和Bern0uIli方程得进口管流 速Vi：

两流体最终的动能：

± !! 一Wp+W． 。 —^(WpV — p^~ 2g 2g (W 。+ W ，)

M oss将文丘里混合器的效率0表示为 。 最终动能 一初始动能 ‘ (W V + W ．V．) 一 (W，+ w ．)(w + w ．V：) (7)

式中 c～米制因数，r= Ai

由(1)可得：

每A一 一(流量比)；B= 一(流速比)。

_r ’2gh-Jr1 (2)

设主流体的流量为Q．，于是进口管直径dt计 算式为

将(7)式化简得

√ ㈣

如拿A = 一 代入(7)式得： 忙 两 ‘8 ’ csa

由<2)式可解得r，于是可求喉管直径

d ：

考虑到系统内压力的变化和次流沿圆同 及切线方向穿过主流的情况，将此式加以修 正，则效率可由下式给出：

d 一 佰

然而Chilton和Genereaux的结果稍有 不同。他们认为用这种混合器混合两种气体 时，只有次流质量速度比主流质量速度大2 ～3倍时，才能获得良好的混合。但Moss指 出，流量比的临界值近似于2。

考虑到主流与旁流系同向混台。故令两 股流体在混合前的动量等于混合后联合流的 动量。于是：

W pV，+ W 。V ．一(W 。+ W ．)V

式中 w 、w。一主流及次流在单位时间内的

喷咀与喉管的距离决定于喉管的直径。 当喷咀直径和喉管直径分别为S和b时．则 最佳距离应为△h一 - F - 。。入口锥度等于锥体 长度，近似于2．5倍主管直径。为使流体中动 能变成压力能，嵌文献证明出口锥度以5~6 为最佳。

重量流速；

、 V．、V ～主流、次流及联台流的速 度。

而通过喉管的速度必须保持恒定，以符 合文丘里原理。所以令V =V ．可得；v|；v 一 而A = (W +W，)／V = ／4)d ，于是；

文丘里管在化学工业中多用于气体净化 的除尘过程．此外还可以用来作降温、除雾

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吸收等用。文丘里管系由三部分组成，如图3 所示。

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图3 文丘里管结构示意图

1一收螬首F2一颈管l3～扩靛蕾．

这三部分几何尺寸的比例应当适合一定 要求。收缩管的中心角p一25。，扩散管的中心 角a一7。。这种几何形状的选择是使气体在通 过文丘里管时的压力降损失可以回收通过颈 管部分速度压头损失的85 。L 和k 的长 度是根据前后连接管的管径D而定。颈管愈 长，效率愈高，但阻力亦愈大。为增加效率起 见，尤其当颈管内径很小时，这时管长L 往 往比管径d大．一般取L =2d}在管径较大 时，取L 一d。这种设计经实践证明教率很 好，阻力亦不大 。

而发挥文丘里洗涤器特点作用的部分是 颈管部分，在颈管部分有水(或液体)的喷入 机构。保证液体均匀的分布在颈口的整个断 面上，这是除尘效率的一个重要关键。液体喷 入方式有三种：一种是周围喷水，另一种是内 部喷水，第三种是一、二种兼用的喷水设备， 一 般多采用前一种喷水方式。然而无论用哪 一 种，喷水孔位置必须放在颈管进口处或收 缩管的出口处。液体喷入方向与气流方向成 15。的顺斜角，并使气、液相逆流，提高雾化程 度。喷水孔的口径在3~5mm，口径小则喷射 液流愈细小，便于雾化 水喷入 度约为5～ 10米／秒。

文丘里洗涤器的除尘作用就在于使极其 微小的尘粒在通过洗涤器时，把它和比它们 大得多的液滴凝聚起来，以达到除尘目的。而 雾化方法是将水喷入文丘里颈管时，由于颈 管内有高速气流约80～100米／秒的速度，经 过与喷射出来的水进行撞击，使之雾沫化。液

滴大小可根据下列公式计算：

式中 v一气体和液体的相对速度；

PL一液体密度，g／era ；

dL一液体表面张力，dyn／em；

【一 液体粘度，dyn·s／cm ；

QL一液体流量，cm ／s；

Q 一气体流量，cm ／s；

d．一液滴直径， 。

总之，气体流速愈太，液滴愈小，雾化程 度高，除尘效率高。

文丘里降温的原理在于喷入颈管的液体 经过雾化后造成极多液滴，从而增加液体表 面积，与热气流相遇，热量由气体传递到液 滴，使液滴升温蒸发，致使高温气体急剧冷却 下来，降温是在绝热情况下进行的。在文丘里 管中雷诺教Re高达100万以上，一般用于 降温时，平均气速低到60米／秒，降温效果还 是很好的

由实验测定文丘里洗涤器的容积传热系 数K(kcal／m ·h·。c)可按下式计得：

式中 w～气体速度，m／s。

喷雾器的压力损失一般按下式计算； Apc ． (mmHzO 柱) (12)

式中 一气体在管中的局部阻力，与文丘 里管的形状及加工情况有关，一般在加工情 况良好的条件下． T=0 12～0．15；

c 一 操作条件下的气体重度，kg／m ； wc一气体在文丘里管颈口处的气速， m ／s：

g一重力加速度，m／s 。

另外因为气体还要给予液体以运动速度 (等于气体在颈口处的速度)，并将液体带走．

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因而产生压差，用下式计算可得到极为近似 的数值：

△p1，= — — 里(mmH O柱) (13) 式中 一液体喷出时局部阻力系数，一般 在0．8～0．9；

7 一液体的重度，kg／L；

M一液体单位耗量，L／m 气体； 因此气体在快速喷雾器内的总压力损失 为： = Apc+ ApL

- _ 、 喷射器的工作原理与其设计

喷射器主要是用在需要维持真空的设备 里排除空气及其它气体之用，因此在化工厂 或食品加工厂内，多用于代替真空泵

在文献 中详细地介绍了水一汽喷射 器的结构与工作原理，与其他类型的喷射器 一 样由下列主要部分组成：喷咀A、吸气室 B、压缩室(混合室)c和扩散室D 组成(见图 4)。工作时借助泵的动力，将液相压入喷咀 A、经过出口1— 1断面高速射入压缩室C及 扩散室D 而到达排出管M 中。当液相介质 流经喷咀出口处时形成低压区域，使之能源 源不断地吸入K管中送来的气体，并为液流 所挟带，经排出管M 而排出

图4 水一气喷射器结构图 水一气喷射器的设计与计算： 试验研究表明，水一气喷射器的计算可 采用类似水喷射泵的方程式和一些经验公 式。

1．水一气喷射器的生产效率可用体积抽

射系数IJ。表示：

式中 v 一被吸入之空气体积流量； v 一工作水之体积流量； u。一体积抽射系数。

2．u。值可按下式求得：

p 1 (1 5) u。一K ~^／A △p p

式中 △pP— PP - pH，工作水的压力差 △pc—Pc—PH，喷射器所造成的压力 差；

P ，P ，Pc一分别为工作介质，被吸入介质 和压缩后混合介质的压力。

预算时可取系数K一0．85，于是 u = 0．85 4△A p cp一1 (15a) ，．压缩管与喷咀的截面积比可按下式确 定：

通常速度系数吼= 0．9(g-散室的速度 系数)

将(1 5a)代入(16)式得： 鲁= — i ×耸 os 。 或者近似为争= ,xpp (17) 4．被吸入的空气流量按下式计算： 因为被吸入的干空气重量流量G 为

G = 一 所 湿空气体积流量为： V a=

式中 Pn一混合气体中空气的分压； Pn 吸气室内压力； 一 水温下的饱和蒸气压； Rn一空气气体常数一29．27kg·mtkg·C