混相流　Vol.30　No.5

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せとかうるしはた
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1 特集号論文推薦原稿論文 * 規則充填物内気液対向二相流の流動特性 ( 充填物間の隙間の影響 ) Flow Characteristics of Counter-Current Two-Phase Flow in Structured Packings ( Influence of Clearance between Packings ) 久保田貴大 ** 網健行 ** 梅川尚嗣 ** KUBOTA Takahiro AMI Takeyuki UMEKAWA Hisashi Abstract The operating condition of the distillation column is strongly influenced by flow characteristics of counter-current two-phase flow in structured packings. Generally, the flooding and loading conditions determine the limitation of the operating condition. Thus, various investigations have been conducted so far, but most of those studies were based on the results which were obtained by using simple test section such as a round-tube. Consequently, the characteristics of the actual apparatus have not been fully understood so far. In this study, the influence of clearance between structured packings on flow characteristics of counter-current two-phase flow was experimentally investigated. In the investigations, liquid hold up, which was quantitatively estimated by using X-ray radiography, pressure drops and liquid distributions were measured under several clearances (, 3 and 5 mm). As a result, when the clearance is 5 mm, influence of the clearance is clearly observed in the flow characteristics. Keywords: Counter-current two-phase flow, Distillation column, Structured packing, Flooding, X-ray radiography 1. 緒言空気分離装置などで利用される充填塔を運転設計する際には塔内部の充填物で形成される気液対向二相流の流動特性の把握が重要となる充填塔で気相流量を増加させていくとせん断力により気液界面が波立ちやがて液が逆流するフラッディングが発生する充填塔内でフラッディングが起こると塔内の圧力損失の増加液偏流が発生するなどし蒸留効率が急激に低下し操作限界となるフラッディングに至る前には蒸留効率が最も高くなるローディング状態も発生するため性能的にはこの領域で運転を行うのが理想的ではあるが実際にはローディング以前の安定操作領域と呼ばれる範囲で運転されるつまりこれらローディングフラッディング特性のらは気相流束液相流束流体の物性系圧力塔径充填物の高さや形状充填物の挿入方法気相や液相の流入方法などに影響されるこれに対して機器設計上の見積もりは充填物の形状等を考慮するために実測値に基づき評価される Packing Factor 設計条件および物性値から求まる Flow Parameter と Sherwood-Eckert の GPDC (Generalized Pressure Drop Correlation) に基づいた Kister の相関などで求める手法がとられる [1] しかし現在もより詳細な理解を目的として様々な形状の充填物を用いた研究が行われており例えば X 線ラジオグラフィや線ラジオグラフィをはじめとした放射線を用いることで塔内部を可視化し内部の流動状態や局所的な液ホールドアップの取得が試みられている [2-6] 把握は充填塔の運転上重要なものとなるがこれこのように充填塔は産業機器として既に広く * 受付 ** 関西大学システム理工学部機械工学科大阪府吹田市山手町 TE: (6) FAX: (6) umekawa@kansai-u.ac.jp 混相流 3 巻 5 号 (217) 467

2 用いられているもののフラッディング発生時の内部流動構造の把握や偏流対策など未解決の課題も多いため多種流体多種サイズに対応しうる知見がもとめられている特にこの種の機器は連続運転に供せられるため例えば火力発電所等では所内動力のほとんどを空気分離装置が占めておりその性能向上に対する要求は大きい従来は充填物として粒子状ラシヒリングベルサドルというような構造物を筒内に充填する不規則充填物が多くもちいられてきたが近年ではプレートフィンを積層することで構成する規則充填物がもちいられることが多いしかし大型の充填塔では塔内に挿入される規則充填物は幾つかのユニットを積層することで作成される製作にあたっては挿入圧力等で管理するが各充填物ユニット間に隙間が発生することは十分に考えられるうえこの隙間が気液対向二相流の流動特性さらには蒸留性能に与える影響については十分に理解されていない本報では X 線ラジオグラフィにより液ホールドアップ分布を測定するとともに圧力損失特性フラッディング特性および液流量分配を測定し充填物間の隙間が規則充填物内の気液対向二相流の流動特性に与える影響について実験的に検討を行った結果について報告する 2. 実験方法 2.1 画像処理手法本研究では液ホールドアップ分布 h を取得するために X 線ラジオグラフィ装置 ( 島津製作所製 FI-3) を用いた本節では画像処理手法について簡単に概説しておくラジオグラフィでは式 (1) で表される物質を通過する際の放射線の減衰を利用するここで G は入射 X 線に対する撮像系のゲイン S は透過厚さを通過して減衰した X 線を撮像した画像の輝度値 m はそれぞれ物質の密度と質量減衰係数である [7] S G exp m (1) 処理に際してはテストセクション内を気液が流れる二相流状態 ( 式 (2)) テストセクションだけの状態 ( 式 (3)) 満水状態 ( 式 (4)) ならびに暗電流 ( 式 (5)) をそれぞれ撮像し以下の手順で画像処理を実施する 1) 暗電流値は時間的に安定していることからオフセット補正により除去 2) X 線空間分布光学系撮像系の空間分布ならびにテストセクションによる減衰を補正するためにテストセクションだけの画像を用いてシェーディング処理を実施 ( 式 (6)) 3) 液透過厚さが幾何学的に求まる満水時の画像との比から液ホールドアップ分布 h を算出 ( 式 (7)) ρ μ δ ρ μ δ O S G exp (2) S T.S. T.S. m, T.S. T.S. ρ μ δ O G exp (3) T.S. m, T.S. T.S. m, ρ μ δ ρ μ δ O S, Full G exp T.S., Full (4) T.S. m, T.S. S Offset O (5) ρ μ m, T. S. Offset m, S SOffset δ ln (6) S S ρ μm, δ h (7) ρ μ δ m,,full なお可視化画像は 3 frame/s で撮像しており後述する結果は 3 秒間の時間平均値を用いている 2.2 実験装置および実験手法実験装置の概略図を Fig.1 に示す実験装置は作動流体として液相に水気相に空気を用いておりポンプローターメータテストセクションリザーブタンクからなる液相循環ループとブロワー熱交換器セパレータオリフィステストセクションからなる気相循環ループから構成されておりテストセクション内で気液対向流が形成されるこれらの系のうちテストセクションは可視化のために X 線防護箱内部に設置されている液相循環ループはリザーブタンクに貯められた水をポンプによって圧送しローターメータを用いて流量調節した後テストセクション上部に設置した液ディストリビューターを介してテストセクション上部へと流入させる液ディストリビューターはテストセクション側から吹き上げられる空気通過用流路を有した開水路であり液相はディストリビューター底部に複数設けら 468 Japanese J. Multiphase Flow Vol. 3 No. 5(217)

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4 加させていくなおレイノルズ数の算出にはテストセクション水平断面で幾何学的に算出した水力相当直径 dh = 6.8 mm を用いた本実験では上部の液供給部にて液滴飛散を確認した流動状態を目視による Flooding 下段充填物底部にて液の滞留を確認した流動状態を oading Flooding 発生までの流動状態を Falling liquid と称呼する Table 1 Experimental conditions. Working fluid c [mm] j [mm/s] jg [m/s] Re [-] ReG [-] pexp [MPa] Air / Water, 3, 実験結果 Fig.2 4 に X 線ラジオグラフィによる可視化結果を示す条件は j = 2.4 mm/s 一定で c = 3 5 mm それぞれに対し Falling liquid Flooding 状態となった気相流束条件の画像を示している撮像位置は模式図に示したように上図が上下充填物間の隙間部を下図が充填物最下端部に相当 (a) (b)は 3 秒間の時間平均結果をグレースケールを用いて液ホールドアップ分布として示したもの (c)は同可視化結果を水平方向に空間平均したものであり両条件での流れ方向の液ホールドアップ分布を同一グラフ上に併記しており実線は Falling liquid 破線は Flooding 状態を示すなお (c) のグラフ作成においては下段充填物下の空間ならびに上部の構造ボルトの映り込み部を除外した範囲で示している Fig.2 4 (a) (b)の可視化画像では充填物の波板溝構造に沿って液膜の厚い箇所が傾斜格子状にパーフォレート構造部が白丸状にそれぞれ確認できるまた Falling liquid の状態では充填物の隙間および最下端部で液ホールドアップが若干増加しているももののそれ以外の場所では比較的一様な液膜厚さが確保されていることが確認されるまたこの流動状態では隙間間隔の影響は顕著には確認できない一方流動状態が Flooding に遷移した条件ではいずれの隙間間隔でも下段充填物の下端部で液の滞留による液ホールドアップの増加が広い範囲で確認できる特に c = 5 mm の条件では他と異なり最下端部の液ホールドアップの増加後上段充填物底部においても最下端部同様の液ホールドアップの増加が顕著に確認でき 3 mm 以下の結果とは流動構造に明確な差が発生することが判る Fig.5 7 にテストセクション圧力損失 P の時間変動波形 (a) および確率密度関数 PDF (b) を示す図は何れも Falling liquid 状態と Flooding 状態での結果を同一グラフ上に併記している Falling liquid 状態に比べて Flooding 状態では絶対値レベルと分散が大きくなる傾向が見て取れるがそれ以外に特徴的な変化はなく比較的安定した変動特性を示しているまた差圧変動特性に関しては充填物間の隙間間隔の影響は確認できない Fig.8 にテストセクション圧力損失 P を 3 秒間時間平均した値を気相体積流束 jg に対してプロットしたものを示すなお結果は隙間間隔を変えてそれぞれ 3 回 5 回独立して測定を行った結果の平均値である図中には観察結果に基づく oading 開始速度 Flooding 開始速度を青色中実プロット赤色二で空気単相での測定重プロット結果を印で示しているなお前述の水力相当直径 dh = 6.8 mm と軸方向長さを用いて式(8) のダルシーワイズバッハの式により圧力評価した場合かなり小さめの値となったことからここでは実験結果に計算結果が合致する様に直径をチューニングして求めた値を比較対象として実線で示しているなおここでは 2 mm で計算した結果が実験結果と近い値を示しており便宜上この値を実測値に基づいて評価した相当直径として取り扱う P jg2 d h' 2 Japanese J. Multiphase Flow Vol. 3 No (8)

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.1 jg = 1.7 [m/s] ( Flooding ) PDF [-].5 jg = 3 [m/s] ( Falling liquid ) 1 2 3 t [s] ( a ) P vs. t ( b ) PDF vs. P Fig. 5 Pressure drop fluctuation ( c = mm, j = 2.4 mm/s ).

6 .1 jg = 1.7 [m/s] ( Flooding ) PDF [-].5 jg = 3 [m/s] ( Falling liquid ) t [s] ( a ) P vs. t ( b ) PDF vs. P Fig. 5 Pressure drop fluctuation ( c = mm, j = 2.4 mm/s ). 隙間間隔によらずほぼ同等の空気流束で発生していることが確認できる Fig.9 に前述の目視による Flooding 開始速度 oading 開始速度および圧力損失の空気単相状態からの離脱点で定義した oading 条件を Wallis [8] の手法にならって式(9)に示す無次元化気相流束 jg*.5 の形で求めたものを充填物の隙間 c に対して示す jg*.5 j *.5.1 jg = 1.8 [m/s] ( Flooding ) PDF [-] ( a ) P vs. t ( b ) PDF vs. P Fig. 6 Pressure drop fluctuation ( c = 3 mm, j = 2.4 mm/s ). PDF [-] jg = 1.3 [m/s] ( Flooding ) 2 t [s].5 jg2 j2, Fr gd h ghn (1) 1 3 ( b ) PDF vs. P ( a ) P vs. t Fig. 7 Pressure drop fluctuation ( c = 5 mm, j = 2.4 mm/s ). 気液対向二相流状態の圧力損失も低気相流束においては空気単相状態と同等の圧力損失を取りその後気相流束の増加にともない空気単相状態の値より離脱しその後は単調に増加するこの増加へ転じる条件は差圧特性から判断される oading 点として取り扱い後述する Fig.9 では空プロットで示すまた c = 3 mm の両条件においては増加後も差圧特性はほぼ同様であるのに対して c = 5 mm の条件は空気単相条件からの離脱が低気相流束条件で現れ値も他と比較すると大き目の値をとるなお前述したように図中には観察結果から定義した Flooding ならびに oading の開始点を中実プロットで示しているがこれらの条件は 472 図中には比較対象として単管での Flooding 相関式[8-15]を前述の実測値に基づいて評価した相当直径を用いて算出した値を示している FrG jg =.3 [m/s] ( Falling liquid ) 1 ( K G, ) FrG 45Fr Ka.1 (9) jg = 4 [m/s] ( Falling liquid ) t [s] K gd h G j K* j K hn g Q d h 1 3 Ka 4 g これらの相関式はあくまでも充填物ではなく単管を対象に求められた結果ではあるが Wallis ならびに本系の水力相当直径に近い小口径管を対象にしている Mouza の相関式式(1) が実験結果に近い値を示すことが判るなお相当直径の評価方法が十分に議論できていないことからここでは代表して Mouza の式については破線で幾何学的に定めた水力直径に対する値も併記している相当直径の評価もふくめて汎用性を高めるには今後評価が必要となるまた Fig.9 でも確認されたように本実験結果では充填物の隙間は目視で確 Japanese J. Multiphase Flow Vol. 3 No

7 認される oading 開始速度および Flooding 開始速度に対しては顕著な影響は示していないしかし差圧特性から判断した oading 開始速度については c = 5 mm の場合のみ他に比べて低めの値を取ることが確認できるなお実験では偏流発生の確認を目的として受取法により液流量分配の評価も実施したが本手法では再現性のある特徴的な差異は確認できなかったことからここでは割愛する P [kpa].7.5 c =, c = 3, c = 5 [mm] Air only Eq. (8) oading point Flooding point.3 c = [mm] c = 3 [mm] j G [m/s] Fig. 8 Time-averaged pressure drop ( j = 2.4 mm/s). j G *.5 [-].8 English(1963) Zapke(2) Wallis(1969) Mouza(25) c = 5 [mm] ( d h = 6.8 [mm] ) ( d h = 2. [mm] ) c =, c = 3, c = 5 [mm] oading point (Pressure drop) oading point (Observation) Flooding point (Observation) c [mm] Fig. 9 Flooding velocity ( j = 2.4 mm/s). 4. 結論本報では規則充填物で構成されるテストセクション内に水空気を作動流体として気液対向二相流を形成し特に充填物間の隙間が流動特性に与える影響を実験的に評価した差圧特性ならびに X 線ラジオグラフィによるホールドアップ分布の測定結果によると Falling liquid 状態では隙間間隔の影響はほとんど確認できないが oading から Flooding 状態となると隙間が ~3 mm の範囲では差が見られないのに対し 5 mm の場合隙間部で発生する液の滞留の影響が顕著に現れたまたこの傾向は空気単相特性からの離脱点においても同様の傾向が確認できたつまり充填物間の隙間はある閾値を超えると明かに流動特性に影響するが差圧分布特性遷移点の何に注視しているかでその評価は異なるまた最も重要な蒸留性能への影響は本報では評価し得ないことは注意が必要であるなお以上示したような何らかの形で隙間間隔が特性に影響を示す範囲についてはキャピラリー長さ ( 本系で 2.5 mm) が一つの基準になると考えているが現段階では流体として水のみを使用しているうえ測定条件が限定されていることから今後流体を変更した実験も検討しておりこれらを含めた検討を行いたいと考えている謝辞本研究実施に際しては大陽日酸株式会社に多大な協力をいただいたことを記し謝意を示すまた実験に際しては関西大学機械工学科学生の藤木健太氏脇田大吉氏中原吉隆氏に協力いただいたことを記し感謝を示す Nomenclature c : clearance between packings [mm] d h : hydraulic diameter [mm] Fr : Froude number [-] G : gain [-] g : gravitational acceleration [m/s 2 ] h : hold-up [-] h N : Nusselt solution for mean film thickness [m] j : volumetric flux [m/s] Ka : Kapitza number [-] : length of test section [m] O : offset value [-] p : pressure drop [kpa] p Exp : system pressure [MPa] Q : volumetric flow rate [m 3 /s] Re : Reynolds number [-] S : brightness value [-] 混相流 3 巻 5 号 (217) 473

8 Greek letters volumetric liquid flow rate per unit length [m 2 /s] : thickness [m] pipe friction coefficient [-] : viscosity [Pa s] m : mass attenuation coefficient [cm 2 /g] : density [kg/m 3 ] surface tension [N/m] Subscripts Full : full water condition G : gas phase : liquid phase Offset : offset T.S. : test section 参考文献 [1] Kister, H. Z., Distillation Design, McGraw-Hill, New York, (1992). [2] Olujic, Z., Seibert, A. F. and Fair, J. R., Influence of Corrugation Geometry on the Performance of Structured Packings: An Experimental Study, Chemical Engineering and Processing, Vol. 39(4), (2). [3] Suess, P. and Spiegel,., Hold-up of Mellapak Structured Packings, Chemical Engineering and Processing, Vol. 31(2), (1992). [4] Pelkonen, S., Gorak, A., Ohligschlager, A. and Kaesemann, R. Experimental Study on Multicomponent Distillation in Packed Columns, Chemical Engineering Process, Vol. 4(3), (21). [5] Aferka, S., Viva, A., Brunazzi, E., Marchot, P., Crine, M. and Toye, D., Tomographic Measurement of iquid Hold Up and Effective Interfacial Area Distributions in a Column Packed with High Performance Structured Packings, Chemical Engineering Science, Vol. 66(14), (211). [6] Janzen, A., Steube, J., Aferka, S., Kenig, E. Y., Crine, M., Marchot, P. and Toye, D., Investigation of iquid Flow Morphology Inside a Structured Packing Using X-ray Tomography, Chemical Engineering Science, Vol. 12(11), (213). [7] Furui, S., Study on Bed Material Behavior in the Fluidized-Bed by Using the Radiography (in Japanese), Ph.D. Thesis, Kansai University (25). [8] Wallis, G.B., One-Dimensional Two-Phase Flow, McGraw-Hill, New York, (1969). [9] English, K. G., Jones, W. T., Spillers, R. C. and Orr, V., Flooding in a Vertical Updraft Partial Condenser, Chemical Engineering Progress, Vol. 59(7), (1963). [1] Zapke, A. and Kroeger, D. G., The Influence of Fluid Properties and Inlet Geometry on Flooding in Vertical and Inclined Tubes, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 22(3), (1996). [11] Zapke, A. and Kroeger, D. G., Counter Current Gas-iquid Flow in Inclined and Vertical Ducts-I: Flow Patterns, Pressure Drop Characteristics and Flooding, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 26(9), (2). [12] Zapke, A. and Kroeger, D. G., Counter Current Gas-iquid Flow in Inclined and Vertical Ducts-II: the Validity of the Froude-Ohnesorege Number Correlation for Flooding, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 26(9), (2). [13] Mouza, A. A., Paras, S. V. and Karabelas, A. J., The Influence of Small Tube Diameter on Falling Film and Flooding Phenomena, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 28(8), (22). [14] Mouza, A. A., Paras, S. V. and Karabelas, A. J., Incipient Flooding in Inclined Tubes of Small Diameter, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 29(9), (23). [15] Mouza, A. A., Paras, S. V. and Karabelas, A. J., Falling Film and Flooding Phenomena in Small Diameter Vertical Tubes: The Influence of iquid Properties, Chemical Engineering Science, Vol. 6(18), (25). 474 Japanese J. Multiphase Flow Vol. 3 No. 5(217)

J. Jpn. Inst. Light Met. 65(6): 224-228 (2015)

J. Jpn. Inst. Light Met. 65(6): 224-228 (2015) 65 62015 224 228 ** Journal of The Japan Institute of Light Metals, Vol. 65, No. 6 (2015), 224 228 2015 The Japan Institute of Light Metals Investigation of heat flow behavior on die-casting core pin with

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