垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関する流体力学的研究

垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関す

る流体力学的研究

著者

幡手 泰雄, 野村 博, 碇 醇

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

25

ページ

127-135

別言語のタイトル

VERTICAL FLOW OF GAS-LIQUID-SOLID PARTICLES

SYSTEM

垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関す

る流体力学的研究

著者

幡手 泰雄, 野村 博, 碇 醇

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

巻

25

ページ

127-135

別言語のタイトル

VERTICAL FLOW OF GAS-LIQUID-SOLID PARTICLES

SYSTEM

垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流

に関する流体力学的研究

幡 手 泰 雄 ・ 野 村 博 ＊ ・ 碇 醇

（受理昭和５８年５月３１日）

VERTICALFLOWOFGAS-LIQUID-SOLIDPARTICLESSYSTEM

YasuoHATATE，ＨｉｒｏｓｈｉＮＯＭＵＲＡａｎｄＡｔｓｕｓｈｉｌＫＡＲＩ

Itissignificanttoknowthehydrodynamiccharacteristicsofthesystｅｍｉｎｔｈｅｄｅ‐

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Asafundamentalstudyofsuchathree-phaseflow，thegasholdupandthepressure

dropweremeasuredintheverticaltubes，throughwhichvariousmixturesofair，water，

andfineglass-sphere，particleswerepassed・Threekindsofglassparticleswereused

theaveragesizesofwhichwere３０，６０ａｎｄ９０皿．Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｔｕｂｅｓ，１５ａｎｄ２６ｍｍ

ｉｎｄｉａｍｅｔｅｒ，wereusedfortheexaminationintoverticalupwardanddown-wardflows・

Themeasurementswerecarriedoutunderthefollowingconditions： gasvelocity＝０∼800cm／s，

liquidorslurryvelocities＝１５∼100cm／s，

andtheconcentrationofparticles＝０∼60ｗｔ％・

Ｆｏｒmostexperimentalconditions，thebehaviorofthethree-phaseverticalflowof

thegas-liquid-fineparticlessystemhasproventoshowaclosesimilaritytothatofthe

gas-liquidtwo-phaseverticalflow． 緒 口 近年，気・液・固系装置の大型化に伴い，気・スラ リー系の流体力学に関する基礎的研究の重要性が増し てきている．しかしながら，気・スラリー系に関する データのほとんどは，懸濁固体を含む気泡塔（懸濁気 泡塔）や，三相流動層の様な垂直上昇流で，しかも， ガス及びスラリー流速共に比較的小さい気泡流領域に 限られている．垂直流で，上述の領域外の上昇流や下 降流については，ほとんど研究がなされておらず，こ れらの流れについては，不明な点が多い．また，気・ 液・固系混相流において，固体粒子濃度がゼロに相当 すると考えられる気液系混相流に関しては，すでに今 日まで数多くの研究がなされており，流体力学に関す る種々の相関式が提案されている．その中で，Lock‐ hartとMartinelli1)の方法は古くから使用されており， 今日でも依然として有用な方法である．その他の代表 *徳山ソーダ㈱ 的研究として，ガスホールドアップについては， Nicklinら２１，Hughmarkら３１及びOrkiszewski4lのも の等があり，圧力損失については，Sasaki5)及び Orkiszewski4Iの研究等が認められる．しかしながら， 気液二相流についても，全ての条件に適合する相関式 及び整理方法は見あたらないのが現状である． そこで，本研究では，気・液・微小固体粒子系混相 流につき，ガス及びスラリー共に比較的速い流速にお ける流動特性を明らかにする為に，以下の実験的検討 を行なった．即ち，気体として空気，液体として水， 微小固体粒子としては，平均径がおよそ３０，６０及び 90浬ｍの３種類の微小ガラス球を用い，垂直管として は，内径がおよそ１５及び26mmの２種類の透明なアク リル管を使用して，ガスホールドアップ及び圧力損失 の測定を行ない，固体粒子径，管径及び固体粒子濃度 のこれらに及ぼす影響について検討した．

128 _{鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ５ 号 （ 1 9 8 3 ）} １．気．液二相垂直流に関する代表的推算 式の概略 気．スラリー系混相流に関しては，ガスホールドア ップ及び圧力損失についての推算法は確立されていな い．最も実際的な方法として，流動特性が類似してい る気．液二相流に対して提案されている推算式を用い て推算する方法が考えられる．以下，気・液二相流に 対して提案された代表的な相関式について概説する． ，）Lockhart-Martinel'i'）（'949） 気．液二相流の圧力損失やガスホールドアップは’ 気体を無視し，ガスのみ単一流としたガス側基準の圧 力損失との比Ｘによって相関づけられる．気●液二 相流の圧力損失（△Ｂ/Ｌ)ＴＰと単一流基準の圧力損失 との比①は上述のパラメータＸで表わすことができ る．（相関図省略）Ｘ及びのの定義は以下の通りで ある．

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ここで，．/､は管摩擦係数であり，ガス及び液について のそれぞれの空塔基準レイノルズ数を求め，次式によ り求められる． ・ 層 流 の 場 合 ノ ー 1 6 / Ｒ ｅ ． − ( 4 ) ・乱流の場合．/･＝0.046Ｒｅ 0．”−(5) （△Ｂ/Ｌ)Tp＝①Ｇ２×(△P'/Ｌ)Ｇ − ( 6 ) （△P,/Ｌ)Tp＝のL2×(△P'/Ｌ)Ｌ ガスホールドアップも上と同様に，パラメータＸと 相関づけられている．（相関図省略） LockhartとMartinelliの相関式は，管径がＯ‘149∼ 2.58ｃｍの全ての流動様式が適用範囲である． ２）Ｎｉｃｋｌｉｎｅｔａｌ２１（1962） 管径が1.6∼6.4cm，液流速が０∼76cm/s，ガス流速 が３∼900cm/ｓの垂直上昇スラグ流領域において，ガ スホールドアップは次式で示される． ＵＧ/ＵＴ − ( 7 )

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ただし，FrT＝ＵT2/ｇＤ，ＵＴ＝ＵＧ＋ＵＬ ３）Hughmarketal3）（1961） 管径1.0∼5.9ｃｍ，液流速0.5∼70cm/ｓ，ガス流速 0.2∼4000cm/ｓの垂直上昇流の全ての流動様式につい てのガスホールドアップは、

（紺叩券差謡”

によって相関づけられる．（相関図省略） ４）Ｇｏｖｉｅｒｅｔａｌ６）（1960） 管径1.27∼7.62cm，液流速２∼224cm/s，ガス流速０ ∼2200cm/ｓの垂直上昇流の全ての流動様式について のHoldupratioは，ＲｖＤ１/３，Ｒｖ及びＵＬで相関づけ られる． ５）Ｏｓｈｉｎｏｗｏｅｔａｌ７）（1974） 管径が1.6∼6.4cm，液流速が０∼76cm/s，ガス流速 が３∼900cm/ｓの垂直下降スラグ流領域において，ガ スホールドアップは，次式で示される． ＵＧ/ＵＴ

Ｅｃ＝1.10-0.33/,/戸弄一(8)

ただし，FrT＝ＵT2/ｇＤＴ，ＵＴ＝ＵＧ＋ＵＬ ２．実験装置および実験方法 Fig.１に実験装置の概略を示す．空気はコンプレッ 劃SolenoiE Ｏ ｌ Ｄ

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Fig.１Schematicdiagramofexperimental equipment サーにより供給され，エアフイルター，エアオイルセ パレーターにより塵芥，水分及び油分等の不純物を除 去した後，塔内へ送り込まれる．撹枠槽内の微小ガラ ス球・水スラリーはポンプを用いて塔内へ供給される． 空気及び所定濃度の固体粒子を含むスラリーは，垂直 上昇管の底部にあるＴ字管で混合された後に，垂直 上昇管から垂直下降管を通り，気・液分離タンクへ排 出され，再び撹枠槽内へ戻る．垂直上昇及び下降管の 両端には，ガスホールドアップを測定する為に，電磁 弁が取り付けられている．各部の差圧を測定する為に

幡手・野村・碇：垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関する流体力学的研究１２９

６０cm間隔でマノメータ用の孔が設けてある．その際， ガス及び微小ガラス球がマノメータ内へ侵入するのを

防ぐ為に，圧力タップ直後に小さなタンクを取り付け

ている． 測定法差圧の測定は空気及び所定濃度の固体粒

子を含むスラリーをそれぞれ所定の流速で５分間以

上運転し，定常状態に達せしめた後，マノメータによ り行なった．ガスホールドアップの測定は，定常状態 達成後，塔両端の電磁弁を瞬間的に閉じ，気体とスラ リーを分離し，気体容積分率を求める事により行なっ た。同一の条件の下で，この様な操作を圧力損失につ いては２回，ガスホールドアップについては７∼１０ 回繰り返し，それらの平均値をそれぞれの測定値とし た．固体粒子濃度は，気・液分離タンクから，スラ リーを２∼３回採取し，それらの平均の乾燥固体粒子 重量分率を求め，決定した． ３．実験結果及び考察 ｔａｂｌｅｌに，本実験で使用した３種類の微小ガラス

球Ａ，Ｂ及びＣの密度及び平均径を示す．ｔａｂｌｅ２に

TablelPropertiesofglassspheres

GIassspheres Density Average

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．p3２ Ａ ２．５２ 2９ Ｂ ２．５２ 6３ Ｃ 2．５２ 9８ Table2Experimentalconditions Ｆlｏｗ TubCd砲meterImm】 TＵｂＣｌｃｎｇｔｈ１ｍｍｌ Ａｉｒｆｌｏｗ ratC Icm尼ｅ UＧ Ｓｌｕｒｒｙ ＵＬ SＯＩ掴Ｓ ＣＳ Ｃ ｌ COnCIn劃u『Tｙ Upward 2６ ８ 1５ 2785 ０∼８００ Ｏ∼８０ ０∼６５

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2８ 6３ｐ 9４ Ｄｏｗｎｗａｒｄ 2６ ８ 1５ 2７９７ Ｏ∼８００ Ｏ∼８０ Ｏ∼６５ 上昇流及び下降流につき，管径，管長，ガス速度，ス ラリー速度及び固体粒子濃度に関する実験条件を示す． ３．１垂直上昇流のガスホールドアッブ ３．１．１管径の影響 Fig.２に，管径が１．５５ｃｍ及び２．５９cmの２種類に 1.0 ０．５ UＩｆ ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ０ ０ ＵＧＩｃｍﾉsl Fig､２Effectoftubediameterongasholdup inverticaltwo-phaseupflow ついて行なった気液二相流でのガスホールドアップの 実験値を示す．同一流速で，両者を比較すると，管径 の小さい方がガスホールドアップは幾分小さくなって いる．この原因を探る為，高速ビデオカメラによる目 視観察を行なった．ガス流速が200cm/S，液流速が 15cm/ｓの場合，管径が１．５５cmの方は激しいフロス流 であるが，フロス通過後の管内では液が管壁を伝って 降下し，管の下部に液溜りが生ずる場合があるが，管 径が２．５９cmの方は，フロス通過後，液が管を降下す るものの，液溜りはほとんど生じない事がわかった． これより，管径が１．５５cmの場合，液溜りが生じてい る分だけガスホールドアップが幾分小さくなったと考 えられる． ３．１，２粒子径の影響 Fig.３に，管径が2.59cm，液流速が１５ｃｍ／s，

:羅鑓lま

０ Fig.３ ＵＬ＝１５ｃｍﾉｓ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ＵＧ【ｃｍﾉｓ】 Effectofaveragesizeofsolidparticles ongasholdupinverticalupflow Cs＝15∼30Ｗｔ％で一定とし，粒子径が異なるＡ，Ｂ 及びＣの３種類の粒子を用いた場合のガスホールド アップの実験値を示す．図より，本実験で取り扱った 粒子径範囲（平均径：３０∼９０鰹、）では，粒子径を変 えてもガスホールドアップには全く変化が現われず， ガスホールドアップに及ばす粒子径の影響は無視でき る こ と が わ か る ．

鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ５ 号 （ 1 9 8 3 ）ｑ Fig.４ る計算値を示す．これらの計算値と実験値を比較する

と，本実験範囲がほとんどスラグ流領域であるために，

この領域について提案されたNicklinらによる計算値 と最もよく一致している． ３．１．３粒子濃度の影響 Fig.４及び５に，Ａ粒子を使用して管径が２．５９cｍ 1.0 2 0 0 ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ０ ０ Ｃｓ ＩＷｔｑＩ Ｃｓ ｗｔツ

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Key 胸一▽｜① 3．２垂直下降流のガスホールドアップ 妬一帥 ５ ０ −１−．の叩 ３．２．１管径の影響 Fig.６に，気液二相流で管径が１．５５及び2.59cm， :Ａ ２．５９ｃｍ ,１５ｃｍﾉｓ ５ ０ −１］○Ｗ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ＵＧＩｃｍﾉsl Effectofsolidparticlesconcentrationin slurryongasholdupinverticalupflow ︹’一の地 130 0.5 1.0 ０ J Ｏ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ｍ ＵＧＩｃｍﾉS】

Fig.６Effectoftubediameterongasholdupin

verticaltwo-phasedownflow また，液流速が１５及び６０cm/ｓでガス流速を変化さ せた場合のガスホールドアップの実測値を示す．液流 速が１５cm/ｓと小さい場合には，ガスホールドアップ は管径によらないことがわかる．しかしながら，液流 速が６０cm/ｓより大きい場合，ガス流速が100cm/ｓ より大きい領域については，管径の小さい方がガス ホールドアップは幾分小さくなっている．この場合， 高速ビデオによる状態の観察によると，管径の小さい 場合には管径の大きい場合に比べ，管下部により多く 液溜りが生じており，この為に管径が小さい方がガス ホールドアップが小さくなったと考えられる． ３．２．２粒子径の影響 Fig.７に，管径が2.59cm，液流速が１５cm/s，固体 Figs、３∼５に，気液二相流について提案された Govierら6)，LockhartとMartinelli（Ｌ−Ｍ）’)， Nicklinら2)及びHughmarkら３１の４通りの方法によ ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ＵＧ【cｍﾉｓ】 Fig.５Effectofsolidparticlesconcentrationin slurryongasholdupinverticalupflow で液流速がそれぞれ１５cm/ｓ及び６０cm/ｓの場合につ いて，固体粒子濃度を変化させた時のガスホールドア ップの実測値を示す．ただし，図中においては，固体 粒子濃度が９∼21Ｗｔ％のものを１５Ｗｔ％，２４∼36Ｗｔ ％のものを３０Ｗｔ％，３９∼51Ｗｔ％のものを４５Ｗｔ％， 54Ｗｔ％以上のものを６０Ｗｔ％として示した．他の粒 子を使用した場合もこれらの図と同様，ガスホールド アップに及ぼす粒子濃度の影響は全く見られず，本実 験範囲では粒子濃度はガスホールドアップに影響を全 く与えない事がわかる．したがって，垂直上昇流では 気・液・固系混相流のガスホールドアップは気液二相 流のものと全く一致することが明らかになった． ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ０ ０ ＵＧＩｃｍﾉs1 Effectofaveragesizeofsolidparticles ongasholdupinverticaldownflow 1.0 ｰ 《、０．５ “ 3．１．４計算値との比較 1.0 ０ Fig.７ ０ ０ 四 ① ① ｒ恥一幅一帥一幅一帥一 ① 四囲 謬 回 岬 ⑥

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課

_１− K_ｅｙDＴ 【cｍ】 ○ 1.55 ① 1.55 □ 2.59 田 2.59

Ｏ副Ｔｉｎｏｗｏｅｔａｌ． 、 一 一 幡手・野村・碇：垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関する流体力学的研究１３１ の固体粒子Ａ及びＣを使用した場合も同様に観測さ れた．管径が1.55cmの場合には，すべての条件でガ スホールドアップに及ぼす固体粒子濃度の影響は観測 されなかった． 粒子濃度３０∼45Ｗｔ％で粒子径が異なるＡ，Ｂ及び Ｃの３種類の粒子を用いた場合のホールドアップの 実測値を示す．本実験で取り扱った粒子径範囲では， ガス流速が５０cm/ｓ以下の領域について，やや実測値 にばらつきが見られるものの粒子径の違いによる傾向 は見あたらない．他の管径，液流速においても同様の 結果が得られており，本実験で取り扱った粒子径範囲 ではガスホールドアップに及ぼす影響はないといえる． ３．２．４計算値との比較 Figs､７∼９に示されている曲線は，気液二相流につ いてのLockhartとMartinellilIの相関式による計算 値及びOshinowoらの相関式を若干修正した式による 計算値である．LockhartとMortinelliの相関式は， 主に水平流についてなされたものである為，垂直下降 流の実測値と大きくずれている．Oshinowoらの相開 式は，実測値よりもわずか大きくなる傾向はあるが， ほぼよい一致を示している．Oshinowoらの相関式は 管径2.59cm，液流速６０cm/s，ガス流速200cm/ｓ以 下の３０Ｗｔ％以上の固体粒子を含む系を除き，本実験 結果を良く表わしているといえる． ３．２．３粒子濃度の影響 Figs､８∼９に，固体粒子としてＢ粒子，管径 Ｌ今Ｍ Ｏｓｈｉｎｏｗｏｅｔａｌ． 1.0 ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ０ ０ Ｕも【cｍﾉSl Fig・lORelationbetweenfrictionalpressuredrop andgasvelocityinverticaltwo-phaseupflow ー ｰ

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Ｌ−Ｍ ＳＯｌｉｄ：Ｂ ＤＴ＝２．５９ｃｍ ＵＬ＝１５ｃｍﾉＳ 3．３垂直上昇流の摩擦による圧力損失 ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ ＵＧ 【ｃｍﾉSl EffectofsolidparticlesConcentrationon gasholdupinverticaldownflow ０ ３．３．１管径の影響 Figs､10∼１１に，液流速がそれぞれ１５及び６０cｍ Ｆｉｇ．８ ㈹ ０ ０ ０ １ １ 壱星屈﹂︺Ｎ︲○一×︲ゴばく Fig.９ ０ 0０ 1.0 ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ＵＧ〔cｍﾉS】 Fig.１１Relationbetweenfrictionalpressuredrop andgasvelocityinverticaltwo-phaseupflow

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ＤＴ＝２．５９ｃｍ Solid：Ｂ ＤＴ＝2.59ｃｍ ＵＬ＝６０ｃｍだ １ １ ︷星団α︺Ｎｂ−ｘ二世ぐ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ ＵＧ Ｉｃｍﾉsl EffectofsolidparticlesConcentrationon gasholdupinverticaldownflow

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L−Ｍ(UL＝60cmﾉs） 2.59cmの場合に液流速がそれぞれ１５cm/ｓ及び６０ｃｍ /ｓについて，固体粒子濃度を変化させた時のガス ホールドアップの実測値を示す．液流速が１５cm/ｓの 時は，ガスホールドアップに及ぼす粒子濃度の影響は ほ と ん ど 認 め ら れ な い ． し か し な が ら ， 液 流 速 が 60cm/Ｓと比較的大きい時には，ガス流速が200cm/ｓ 以下の領域において，非常に大きな影響があらわれて くることがわかる．固体粒子濃度が大きい程，ガス ホールドアップの値は大きくなっている．これは，他 Key_【wC_tｓ_qIol ０ ０ △ 1５ □ 3０ ▽ 4５ ① 6０ KｅｙＩｗＣＳｔｑＡｌ ○ ０ △ 3０ □ _4５ ▽ 6０

０ 鹿児島大学工学部研究報告第２５号（1983） △ SＯｌｉｄ ＤＴ ＵＬ ００ １ Ｂ 2.59ｃｍ ６０ｃｍﾉｓ 0０ １ イ ーＥ一興﹂︺甲○一×］一世ぐ

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andgasvelocityinverticalupflow 固体粒子濃度の影響はほとんどないことがわかる．ス ラリー流速がこのように小さい場合は，管径，固体粒

子の種類にかかわらず，本図と同様の傾向が認められ，

摩擦による圧力損失に及ぼす固体粒子濃度の影響は無

視できる．しかしながら，Fig.１５に示すように，液

０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ０ ０ ＵＧ【cｍﾉs】

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concentrationslinverticalupflow /ｓで，気液二相流の場合，またFig.１２に，スラ リー流速６０cm/ｓでＢ粒子を用い，固体粒子濃度４０ ∼60Ｗｔ％の場合について，２種類の管を使用した時 の摩擦による圧力損失の実測値を示す．これらの図よ り単一流体の流れの傾向と同様に，管径が1.55cmと 小さい場合の方が，ガス流速の増加に伴う摩擦による 圧力損失の増加が著しい事がわかる． ３．３．２粒子径の影響 Fig.１３に，管径が1.55cm，液流速が６０cm/ｓで， ︹Ｅ甫匹 0０ １ １ ︺Ｎ︲○一×Ｊ一世手 １ 一ＦＥ佃匹︸Ｎｂ妄ご匝杢 132 流速が６０cm/ｓと比較的大きい場合には，固体粒子濃 度の違いによる影響が認められる．粒子濃度が大きい 場合（Ｃｓ＝45∼60Ｗｔ％）には，摩擦による圧力損失 の増加が著しいことがわかる．また，粒子濃度が大き く，ガス流速が小さい場合には，負圧が得られること がある．この現象は植田8)や今野ら9)によって，すで に指摘されている．この場合の流動状態を高速ビデオ によって観察すると，流れはスラグ流であるが，たび たびかなりの量のスラリーが管壁に沿って降下してい るのが認められ，液の降下が支配的である為に，この ような負圧現象が生じたと考えられる．

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andgasvelocityinverticalupflow Fig.１４にスラリー流速が１５cm/s，管径が1.55ｃｍ で Ｂ 粒 子 を 使 用 し た 場 合 の 種 々 の 固 体 粒 子 濃 度 に 対 する摩擦による圧力損失の実測値を示す．この場合， 0０ ３．３．４計算値との比較 A ， Ｂ 及 び Ｃ の ３ 種 類 の 粒 子 を 使 用 し た 場 合 の 摩 擦 による圧力損失の実測値を示す．この図から，粒子径 は，本実験範囲では，摩擦による圧力損失にほとんど 影響を及ぼさないことがわかる． Fig.10∼１５の中の曲線は，LockhartとMartinelli の相関式による計算値である．この計算値と，気液二 相流に対する実測値とを比較すると，摩擦による圧力 3．３．３粒子濃度の影響 ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ １ ０ ０ ０ ＵＧ【cｍ/sI

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andgasvelocityatvarioussolidparticles concentrationsofsolidparticlesBin verticaldownflow 0０ 今後，検討を重ねる必要がある． ３．４．２粒子径及び粒子濃度の影響 Fig.１８及び１９に，それぞれＢ粒子及びＣ粒子を 損失が負になる様なガスの低流速領域を除いては，比 較的よい一致を示している．また，気液固系混相流の 場合には，液流速が大きく，ガス流速が小さい場合を 除いて，この相関式が適用できる． 幡手・野村・碇：垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関する流体力学的研究１３３ １ ３．４．垂直下降流の摩擦による圧力損失 １ ︷星＆︺Ｎｂ−ｘ︺蚤↑ ３．４．１．管径の影響 Fig.１６及び１７に，それぞれ液流速が１５cm/ｓ及び ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ＵＧ【cｍﾉs】 0０ 1００ ０ ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ Ｕｂ【cｍﾉs】 Fig.１９Relationbetweenfrictionalpressuredrop andgasvelocityatvarioussolidparticles concentrationsofsolidparticlesCin verticaldownflow 使用して，管径が2.59cm，スラリー流速が６０cm/ｓの 場合の種々の固体粒子濃度における摩擦による圧力損 失の測定結果を示す．これらの図から，実測値にやや ばらつきがあるが，摩擦による圧力損失とガス流速の 関係は，粒子径及び粒子濃度によってほとんど影響を 受けない事がわかる．上記以外の管径やスラリー流速 の場合も同様の結果が得られた． ０ ０ ０ １ ︹↑星卯﹂︺甲○一×ご産ぐ ０ １ ︻Ｅ−ｍａ︺Ｎ︲○一×三座ぐ 〕 ２ ０ ０ ４ ０ ０ ６ ０ ０ ８ ０ ０ 1 0 0 Ｃ ３．４．３計算値との比較 ＵＧＩｃｍﾉs1 Fig・l7Relationbetweenfrictionalpressuredrop

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downflow 60cm/ｓでＢ粒子を使用し，固体粒子濃度４５∼60Ｗｔ ％の場合の摩擦による圧力損失の実測値を示す．スラ リー流速が１５cm/ｓの場合には，いずれの管において も，ガス流速と共に摩擦による圧力損失が減少する傾 向にある．この場合，摩擦による圧力損失に及ぼす管 径の影響はほとんど認められない．しかしながら，ス ラリー流速が６０cm/ｓの条件では，管径が小さい場合 にはガス流速と共に増加するのに対し，管径が大きい 場合は減少するという，見掛け上かなり異なった傾向 を示している．これらは管壁付近のスラリーの流速分 布の違いによると考えられるが，この点については， Figs､16∼19の中の曲線はLockhartとMartinellillの相 関式による計算値である．この相関式は,主として気液 二相水平流に対して提案されたものである．この相関 式は垂直上昇流に対してはかなり有効であったが，本 −Ｌ−Ｍ(DT=2.59ｃｍ,UL=15ｃｍﾉs） 蝿 仏

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鹿児島大学工学部研究報告第２５号（1983）

○ 134

図にみられるように垂直下降流に対してはほとんど無

力である．垂直下降流に関する研究は，その必要性が

少ないためか非常に少なく，現在のところ，実測値と

よい一致を示す相関式は見あたらない． によって予測できる．しかしながら，垂直下降流に ついては，適用可能な相関式が現在のところ見あた らない． Nomenclature Cs＝solidparticlesconcentrationin 結 巨 気体，液体及び微小固体粒によりなる混相流の流動 特性を明らかにする為に，垂直上昇管及び下降管の空 気・水・微小ガラス球系混相流の種々の条件下におけ るガスホールドアップ及び圧力損失の測定を行なった． これらの流れ方向おのおのにおけるガスホールドアッ プ及び圧力損失に及ぼす管径，固体粒子及び固体粒子 濃度の影響について考察し，更に気液二相流の代表的 な相関式による計算値との比較を行なった。以下，本 研究より得られた結果を示す。 ガスホールドアップ本実験範囲の気液固系混相 slurry ［wt％］ ［ｍ］ ［"m］ い､］ ［-］ ［-］ ［cm/s2］ ［cm］ ［Pa］ ［−］ ［-］ ［cm/s］ ［9/s］ ［-］ ［c､ｐ､］ ［9/cnf］ ［9/c㎡］ [dyn/cm］ ＝tubediameter ＝Sauteraveragesize ＝５０％particlesiZe ＝Froudenumber ＝frictionfactor ＝gravitationalacceleration ＝length ＝frictionalpressuredrop ＝Reynoldsnumber ＝ＵＧ／ＵＬ ＝superficialvelocity ＝ｍａｓｓｆｌｏｗｒａｔｅ ＝holdup ＝vlscos1ty ＝density ＝surfacetension Literaturecited 1）Ｒ、Ｗ・LockhartandRC・Martinelli，CAe77z． Ｅ'2ｇＰｍｇ，４５３９（1949） 2），．』、Nicklin，』．Ｏ・ＷｉｌｋｅｓａｎｄＪ．Ｆ・David‐ Son，乃cz7zs．’〉zst刀．Ｃﾉhe?７２．E7Zg7:s､， ４０６１（1962） 3）Ｇ・ＡＨｕｇｈｍａｒｋａｎｄＢ．Ｓ・Pressburh，AICﾙＥ Ｊｂｚ"●'2α1，７６７７（1961） 4）Ｊ、Orkiszewski，Ｊ；剛．、cﾙ.，（June，1967） ８２９ ５）Ｔ・Sasaki，KZZgzz肋AQgZzﾙ"，２８１１０（1964），２８ 流は，次に述べる下降流の極く限られた操作条件下を 除けば，気液二相流と全く同様に取り扱える事がわか った． 、管径の影響は，極くわずかであるが認められる． ⑥粒子径の影響は，全く認められない． ＠ガスホールドアップに及ぼす固体粒子濃度の影響は， ほとんどの場合認められないが，垂直下降流で，液 流速が大きく，しかもガス流速が小さい場合にのみ 認められる．この場合，固体粒子濃度が大きい程， ガスホールドアップの値は大きくなる。 ④垂直上昇流の場合は，Nicklinらの相関式，垂直下 降流の場合は，上記の＠の固体粒子濃度の影響が認 められる領域以外はOshinowoらの相関式で予測す ることができる。 摩擦による圧力損失本実験範囲における気液固 ＜Subscripts＞ Ｐ

ＧＬＴ

gas liquidorslurry twophase 系混相流は，以下述べるように気液二相流とほぼ同様 に取り扱える． 、単一流の場合と同様，管径の影響が認められる． ⑤粒子径の影響は認められない． ＠粒子濃度の影響は，垂直上昇流で液流速が大きい場 合に存在し，固体粒子濃度が大きい程，ガス流速の 増加に伴う摩擦による圧力損失の増加が著しい．垂 直上昇流で，固体粒子濃度が大きく，ガス流速が小 さい場合には，摩擦による圧力損失の値が大きな負 の値になることがある． ④垂直上昇流は，スラリー流速，固体粒子濃度共に大 きい領域を除いてLockhartとMartinelliの相関式

１１８９

１３５ 117（1964） G・WGovier,B､A､S･BrownandG.A・ Sullivan，Ｑｚ"．‘ＺＣﾙ‘?'Z．Ｅ"９，３８６２（1960） Ｔ・ＯｓｈｉｎｏｗｏａｎｄＭ．Ｅ・Charles，Ｑｚ".』：Ｃﾙe77z・ 恥９，５２２５（1974） T、Ueda，Ｔﾂzz?２s.』:ＳＭＥ，３３６０１（1967） Ｈ・Ｋonno，MToda,Ｅ､Harada,MKuriyama andS・Saluta，KZZgzz伽KbgZz伽Ro7z加冗Sy泌，８３８０

幡手・野村・碇：垂直上昇及び垂直下降管内の気液固系混相流に関する流体力学的研究

6 ） 7 ） _(1982）