垂直管内の氣液混相流の低室氣流速における
液のHold-upについて
加
藤
康
夫
Flow Patterns and Hold-up of Gas-Liquid Two-phase Flow
through Vertical Pipe in low gas velocities
YasuoKato
F1。w p・tt・m・and h・1d−up・f gas−1iquid tw・phase f1・w thr・ugh verti・al pipes i・1・w g・・f1・w rates were studied． Flq，v p・ttern・w・・e・1assifi・ユacc・・di・g t・th・fl・w・ates・f g・・a・f・110w・・a）Si・gl・・mall B。bb1。 F1・w， b）L・d lik・Bubb1・F1・w，・）Sluggi・g F1・w， d）U・・teady FIQw・f Liquid・The critical gas rate was inverseIy proportional to the diameter of pipe． The degree of liquid Hold−up in pipe decreased with increasing gas rate at each liquid rate． After． conducting verious correlations， the following empirical equations were derived． a） d＝18mm． i．d． ug＝2∼55cm／see り （9／1−9）t’一（9／1一のe ＝UIMa−o・9 （q／1一の・＝12Ug−°・9μz−°・°5 b） d＝30mm i，．d． ua＝1∼30cm／sec （q／1一のt−（ψ／1一の・：1・1仇uジ゜95 （の／1−q）o＝＝23aSg−O’95iul−O・05 Where・q、h・1d−up， u，， u，・apPare・t・・1・・ity・f l iq・i・・1・・d g…re・p・・ti’vely・（・m／sec）・1・t： viscosity cf l iquid，（c．P・）， subscri pt： 1： z‘z＝z’ノ， 0： ut＝＝O 緒 言 混相反応装置を設計するのに、両相の混今、接触面 積、および、滞留時間などを知る必要がある。滞留時 蘭ぽ、Hold−upと諸因子との関係が明らかになれば・ 算出可能である。 本研究に関しては、室気流速6m／sec以上につい て、流動状態およびHold’ upに関する矢木氏らの報 告がある。低室気流速について、流動状態および相対 速度に関する石谷氏らの報告があるが、Hold−upと諸 因子との関係についての報告がが見当らないので、著 者は、低室気流速について液のHold−upを研究した。 気液混相流動は、反応装置以外に、Air・Liftおよび 蒸発装置などに現われるi現象であるので、それらの基 礎研究として着手した。 実験装置および操作 実験装置の概要をFig．1に示す。液は歯車ポゾプ により送られて、オリブ イス流量計を経て、管の 底部より入る。室気は室気圧縮機により圧送さ
れ、オリフイス流量計を経て、気液混合口に入
る。気液は管内を上昇し サイクロソ分離器に至り 気液分離される。 測定部分は、内径18mm，長さ575mmのガラ
ス管、および内径30mm，長さ500mmの黄銅管の
二種を用いた。後者の場 合は、流動状態観察のた め上部に30mmのガラス （yclone sep孤†or 1セ5t Section srls mm。垂 18mmこ．d． G㎞5s「「】be， 5eO m，tt弓、 30mvnこ．d． 8∀o」5sTu‘⑦ 07i｛i（e FLo膨ト4etef Aiγ→＝＝u＝ 0廿i｛江e FLow ト｛eteγ11審磁→
Eig．1 Experimental
Apparatus
管を入れた。気液混合口より下部三静圧口までの間隔お よび上部静圧口より出口までの間隔を直径の約15倍に した。測定管の上下にそれぞれ1mmの静圧孔をあけ て、静圧を測定した。マノメータ・・の封液には、管内 流の液体と同一のものを用いた。
流動歌態の観察
答気送入口は、測定管の内径18mmの場合には内径 11mm，測定管の内径30mrr．！の場合には内径14mmで あつた。 流動伏態は、管の内径の影響を受けるが大別すると 三欠の如くなる。 a）単独気泡上昇状態：室気流速が極めて小さい場 合にあらわれる。限界室気流速は、内径18mmのとき は2cm／secで、内径30mmのときは1cm／secであつ た。 b）単塑気泡桂．ヒ昇状態：単独o〕気泡の柱と液柱と が交互になり上昇、気泡柱の先端は弛物体をなしてい る。気泡柱の長さは、室気琉速が増すにつれて長くな つ る。限界室気流速は、内径18mmのとき、2．5cm／sec ＜u．q＜50cm／se：，内径30mmのとき、2cm／sec＜ug ＜25cm／s3cであつた。 c）スラツギソグ状熊：室気流速が増すと気泡柱が 不安定になり、控気と液とが脈動的に交互に上昇す る。内径18mmのときは、室気流速50cm／sec以．ヒ、 内径301nmのときは、25。m／sec以上であつた。 d）不安定．ヒ昇：更に巷気流速が増し、約170cm／ sec以上になると、不安定な上昇をする。更に室気流 速が増すにつれて、管壁上昇、噴霧上昇状態になる。 Hold−upについて 実験結果および考察 前述の装置および操作によつて、上下の静圧をそれ ぞれ測定し、これよりHold−upを算刑した、気夜流 動層において、察気流速2m／sec以下においては、全 圧損失より乾燥吹込み板の圧損失と気泡生成による圧 損失とをさし引いた差圧は、液のHold−upによる差 圧に等しいことが確められている。この場合も、ほ・ご 類似の流動機構であるから、近似的に、Hold−upをあ る室気流速における静圧頭の差△Hと塞気琉速零にお ける静圧頭の差△Uoとし、 g＝＝△y／△Hoであらわ す。 ・各液流速、Ut，ごとのHold−up， q，と呑気流速、 Ug，の実験値の一例をFig．2に示す。同一液流量に おいては、gの値は、 Uaが増すにつれて減少し、ま た、液流量が増すはど、同一Uaに対するpの値三大 きくなる傾向がある。 1．v o．8 0．6 ＄ o，−e o，3 0，2 0，1 eeE駕1町鷲tl・
Ug cnVseC 2．8 9．9 Ai∀一脆缶 9：6d‘ i8ram， i，d． 2 3 4 6 810 20 3040 608e lOO 20030臨 ・鞠｛c噛l t Fig．2 Rel at ion between q ani易at each liquid rate 単位室気容積当りの液容積、（q／1一の，と諸因子と σ）関係は、 a）液を流さない場合 （ψ／1−9）o＝F（Ug， Pl，ρσ，μz， d，9ジ…・・）…（1） 20 ら ヤ4 ミ・ 2 4 ．3 ．2 Ai‥ぬfρr d＝18mmi．d． パ＝i・OcP蟻、．vv
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20’ R040 6080｜ca 2tD 300 u9． lr礁1 Fig・4 Relation between（P／1−9）andκ9垂直管内の気液混相流の低室気流速におけるHold−up液のについて ’勤 お lo E
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203040ω毯］ioO 200 Ug〔《腋d Relatlon between（q／1−！P）and u．7 1 Fig．6 L（e cm／se（ 1，00 3．7 75 14． s’2．3’4『6810
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4〔綱I Relation between（P／1−q）and ug 30 〈 r−一「「“・ 禄．
獣1． ノィ了＝ig〔．P． ・一一一L−一一十一一一＼＞x △ 、6 1 F三9．7．2346810 20304D 6080100
Ug 〔cm／5ec］ Relatign between（q／1−q）and ag b）液を流した」勢・今 （q／1−q）／・：F（z・，Ztご，ρ・， PS， LL∼， d，9，・・一戊・・（2） と考えることが出来る。 （q／1 一一 OP）とUoとσ）関係をFig．3∼7に例示する。 すべての実験値は、液流速ごとに平行で、液流速が大 きいほど（g／1一のは大きい。管径18mmの場合、 Fig・3，4より、直線部分については、（9／1−q）は Ug a）−O．9乗に比例するから、（g／1−−g）Ugo・91− utと を図示するとFig．8の如くなり、次式であらわせる。 （P／1一のUg”・9＝仇十Cr・………・…（3） 管径30mmの場合は、（q／1一のはUg−°・95に比｛ ijTl・i−’一 そ）から、（q／1一のzago・95とUlとの関係はFig．90如 くなり、次式であらわせる。 （q／1−q）Pt yO・9J’ ＝＝ 1．lal十C2・・・・・・・・・… （4） Fig・8 Relation between（q／1−−q）uao・9 and ul t／（e 〔cnYsec‘） 0 10 ’ 20 30 40 50 Xs ・o．f．’s’ 宇 ＋ワ．5 1連30
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Fig． g Relation between（q／1一ψ）勒の・95 and ztl （1），（2），（3），および（4）式より、C1， C2は、 それぞれ、液を流さない場合のUa＝1cm／secにおけ る（g／1−g）oに相当する。管径18mmの場合、 Fig．3およびFig．4のUl＝0における（9／1一のoにUa
の一〇．9 ．geに比例するから、 C1＝（g／1−op）ozagOny9………（5） とあらわせる。 また、管径30mmの場合もFig．5より、2tz・＝Oにつ いて、 C2＝（g／1−g）o Uoo・95…・・…・（6） とあらわせる。更：こ、Ct， C2は、 Fig．8およびFig．9より、液の 粘度、／〃，の一〇・05乖に比例するから、Ul・Oの場合 について、それぞれ次の実験式を得る。 管径18mmの場合については： （q／1−q）o＝ユ2Ug−O・9pti−o・05
管径30mmの場合については：
（q／1−9））o＝23z‘σ一〇・95μz一⑪・05 ここで、9はHold−up，24σは室気流速、〔cm／sec〕、 川は液の粘．度、〔c．P．〕， Hold−upが、液o）粘度が増すにつれて極めて僅かつS 減少するのは、生成した細かい泡が、粘度の大きい場 合ほど液の中で安定して存在し得ることによるものと 思われる。粘度の影響を見るために、水およびグリセ リソ水溶液を用いた（表面張力は大体水に近い値であ る）。 以上の結果よりi次の実験式を得る。管径18mmの場合については：
（9／1−−q）1−（少／1一のo＝物％σ一〇・9 または、 （q／1一のz＝＝（Ul＋12μz−o・05）Ug−o・9 適．用範国：ul＝0∼40cm／sec， ua ＝2∼55cm／sec， it‘i＝＝1．0∼7．5 c． p． 管径30mmの場合については： （Q／1−e）1−一（q／1一ψ）o＝1．1UiUg−o・gs または、 （q／1−q）1＝（1．1Ul十23μ o・05）Ue−o’95 1適用範国＼：仇＝0∼146cm／sec， ug＝1∼30cm／sec， μz＝＝1．0∼17c． p． 〔（q／1−p）1−一（p／1−g）o、／〃1とUgとの関係を図示 すると、Fig．10およびFig．11の如くなり、上のそ れぞれの式を満足している。 ／i5 ミ゜3 ぎ42 § ぶω ヤ．08 §．ea 〕，oa ．c3 ．02 O．01 ∨ 2 3』4 ↓6810 20 3040 6080100 200300 吻〔cnvfWt］ Fig．10 Rdlation between〔（q／1−q）i −（1ρ／1−9）o〕／Ul and Ug Lo ●㊦△ q8 メ埠△弍 連
？o・・ さo．2 幸 ミ㍑ 、G6 ．Dtl ．03増
・・窒、㌔ ．〉今ミ。． ・㌃冷 し（2 C哨eC O．85∼LO x3，5−−3．7 △7．1−7．5 ▼14．2−14．6 一一一「一一丁一「一「， d＝30mm． Ld． ノん∼＝i、O∼17c・P・ 「（謁一（嵩・u購 も1 歎 “、ぷx ×ず苛・， ▼試、02 ．L⊥LL⊥＿⊥
1 2 34 6810
203J 4060δG Lts〔cm／Se（〕 Fig．11 Relatlon between〔（ψノ1− fp）i −（ep／1−OP）o〕／Ul and Ug 限界室気流速の上限および下限は吹の式で近似され る。 下限については：dac1 ＝・3 上限については：dZc・2 ＝90 こLに、dは管の内径、〔cm〕，μ，1， Uc2はそれぞれ下 限および上限の室気流速、〔cm／sec i．結
言 内径18および30mmの垂直管により、気体として室 気、液体として水、および粘度の異なる4種のグリセ リソ水溶液を用いて、気液混相流動の比較的室気流速 のおそい場含について実験を行つた結果、次の結論が 得られた。 1．観察によれば、気液混相流動における液の運動 状態は主として室気流速により変化し、その増大する につれて、単独気泡h昇、単独気泡桂上昇、スラツギ ソグ、不安定上昇に大別された。 （更に増大すれば、 管壁上昇、噴霧上昇になる）。また、流動状態区分に 関係する限界室気流速と管径との関係については、 dUc＝constがあつた。 2．液を流さない場合のHold−upと諸因子との実 験式および液を流した場合についての実験式を得た。Notation
d：diameter of pipe．（cm） ucl：lower limit of air flow rate，（cm／sec） μ02：upper limit of air flow rate，（cm／sec） ug ：apParent velocity of gas， based on sect− ional area of empty pipe，（cm／sec） ul：apParent velocity of liquid， base・10n se− ，ロ ctional area of empty pipe，（cm／sec）垂直管内の気液混相流の低室気流速におけるHold−up液のについて Pa：density Of gas，（gr／cm3） Pt：denSity of li・quid，（gr／cm3） ψ＝△H／△Ho ：Hold−up of Iiquid △」U： Difference of statical pressure head at Ug＝Ua，（mm． aq・） △He ： difference of statical pressure head at物＝0，（mm． aq・） μz：viscosity of liquid， （c．P．） Subscripts 1， 0 refer， respectively， t・t∼ ＝： z’‘∼ and uc＝・0．
