前　言
本文提供了流体平行流过许多小孔板分布器的
设计方法。该设计方法是根据流体流过锐孔的理论
与试验数据以及两个可信赖的假定来进行的。在锐
孔应根据吸附层在横截面上的分布来定位和总流量
被分成许多相等的分流量而流过孔板的每个小孔两
种情况下, 一个厚度较薄的孔板流量分布器能使容
器横截面积足够均匀地工作。
在装有干燥剂、吸附剂等设备的操作中, 流体
的正确分布是一个重要因素。多孔板常被用来保证
流经床层的流体在设备横截面上的流动均匀。孔板
分布器如图1 所示。
1 　锐孔流量原理的应用
流体流过一个收缩锐孔而被加速, 因使其动能
( 流速μ) 增加, 压力能( p v ) 减小。流体流动的
图1 　吸附器孔板分布器
截面以断面1 上的A1 减少到孔口处的A0 , 以后再
度减少到缩脉处的A2 (如图2 所示) 。缩脉处的面
积和孔口面积的关系可用收缩系数CC 来表示, CC
= A2 / A0 。如果压力是在上游短距离内流动未被扰
动处(截面A1 ) 和在流动截面最窄处(截面A2 ) ,
则应用能量和物料方程式得:
图2 　小孔收缩处流线
　　(μ2
2 / 2φ2 ) - (μ1
2 / 2φ1 ) + g ( z2 - z1 ) +
∫2
1 vd p + w1 + F = 0
此式即为伯努利方程。流体流动在同一基准水
平面( z = 0) , 即位能等于零。如果流体流动不产
生摩擦, 又对周围环境没有做功, 即令w1 和F 为
零, 用流量系数C 计入孔板上的摩擦损耗以及CC 、
φ1 和φ2 (速度系数) 等值, 且容器截面积A1
m
A0 , 整理后得到不可压缩流体通过小孔板上的锐
孔流量Q[1 ,2 ,3 ] :
Q = CA0
2gΔp
ρ (1)
式中: A0 ———小孔流过断面面积, m2 ;
C ———流量系数;
Δp ———流体通过小孔的压强降, kgf/ m2 ;
ρ ———流体密度, kg/ m3 ;
g ———重力加速度, mPs2 。
这就得到了一个计算流量的简单而实用公式,
然而系数C 却并不是一个简单的函数, 它与孔口
上的雷诺数有关, 如图3 所示[1 ] 。在雷诺数Re >
104 时, 可取016～0161 作为小孔的C 值。
图3 　孔口流量系数
　　对可压缩流体必须引入流体的膨胀校正因素,
须根据Δp/ p 来找出校正因素(有图可查) 。
2 　等量分布
设想使流过分布板上每一小孔的流量相等, 必
须迫使流体本身重新排列, 使每一小孔的流量接近
相等。若通过小孔的流体阻力太大以致超过流体的
重排阻力, 则要求流体重新排列可能发生, 因而可
以获得等量分布的效果。若通过分布器的阻力可忽
略不计, 则流体未受迫而不能重排, 故通过每一小
孔的流量就难以分配, 因为通过分布板最小阻力的
途径并不就是等量分布的途径。
试验表明, 把圆的面积分布按同心圆排列[4 ] ,
同心圆间距相等于孔距, 在每一圆周上孔距也相
等, 或者比径向孔距稍大些。以同心圆间距相等的
10 圈为例的面积分布作为小孔的排列准则, 如图4
所示。
(1) 同心圆间距相等的
10 圈面积分布
(2) 圆的总面积与
半径的关系
图4 　圆的面积分布
3 　两个假定
(1) 假定流体重排阻力不超过总流量从入口导
管进入容器时由于突然扩大(如图5 所示) 而产生
的摩擦损失。根据这个假定, 重排的阻力被定义为
等于总流量进入容器时的局部阻力损失。气体进入
容器的接管不宜使气体直接由管口冲入容器的吸附
剂层, 应使气流通过管壁钻有小孔或开有栅缝的喷
气管(有的为外绕丝网制成的滤筒) , 也可采用泡
盖保护。对这些气体入口而言, 重排阻力应等于总
流量流过喷气圈穿孔全长的摩擦损失。局部阻力损
失引起压强变化, 由熟知公式计算:
Δp =Σζ
ρw1
2
2g
(2)
式中: w1 ———接管过流断面1 的平均速度, mPs ;
Σζ ———局部阻力系数之和;
Σζ = (1 -
A1
A2
) 2
A1 、A2 ———进口接管和容器的过流断面面
积, m2 。
(2) 假定比值: 定义为流量分布器流过小孔阻
力为重排阻力的100 倍, 即Δp0 = 100Δp , 就足以
保证流体等量流过每一小孔。这一比值被定为设计
的最小比值, 且适用大多数情况, 因为重排阻力一
般不大。较小的比值将减小获得相等流量的可能
性。但是当压强降不允许如此高时, 也要采用可能
达到的最高值。
4 　例　题
1 套小型空分设备, 气源由1 台ZW20167/ 8 型
无油润滑空气压缩机提供, 换算到标准状态的空气
流量为3712m3 / h , 空气温度30 ℃, 空气压力
0170MPa (A) 。要设计一分子筛吸附器的孔板分布
器, 吸附器内径D = 235mm、进口接管尺寸为
Φ25mm ×118mm。
(1) 确定重排阻力计算压强降。
查出p = 017MPa 、t = 30 ℃时空气的物性数据,
ρ = 719kg/ m3 、μ = 1817 ×10- 6N·s/ m2 。
计算工作状态下流量Q = 116912 ×10 - 3m3 / s ,
速度w = 417mPs。
按式(2) , Δp =
719 ×4172
2 ×9181
(1 -
010214
01235
) 2 =
7136kgf/ m2 。
(2) 计算通过分布器小孔的压强降。
Δp0 = 100Δp = 736 kgf/ m2 , 取750kgf/ m2 。
(3) 计算雷诺数Re 并确定C 值。
Re =
ρwD
μg
=
719 ×116912 ×10- 3 ×01235
01785 × (01235) 2 ×1187 ×10- 6 ×9181
= 3946
由图3 查得C = 0160 。
(4) 求校正因素ε。
Δp/ p =
750
017 ×105 = 010107 , 查图得ε≈1 , 即
为不可压缩流体。
(5) 根据压强降, 按式(1) 确定分布器不同
直径小孔流量(见表1) 。
(6) 根据算得的小孔流量, 确定不同直径的小
孔数(见表1) 。经过计算和排列, 最终选定N =
57 个孔, 直径112mm。
表1 　不同直径小孔流量
小孔直径
/ mm
通过小孔流量
/ (m3/ h)
小孔数
/ 个
总流量
/ (m3/ h)
018 012899 120 3418
112 016525 57 3712
116 112506 30 3418
　　(7) 按图4 的排列准则定出最好的分布形式。
5 　结束语
采用两个假定, 应用锐孔流量原理的设计方
法, 能保证通过孔板流量分布器的小孔流量等量分
布, 流体能均匀地进入吸附剂层, 使吸附传质区吸
附带均匀移动, 保证了吸附剂的有效利用。
这个设计方法适用于换热器、塔器的流体流量
的等量分布, 提高设备的工作效率。
参考文献:
[1 ] 柯尔森J M, 李嘉森J F. 化学工程卷Ⅰ [M] . 丁绪
淮, 余国琮等, 译. 3 版. 北京: 化学工业出版社,
1983.
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力学[M] / / 机械工程手册. 基础理论卷. 2 版. 北
京: 机械工业出版社, 1996.
[3 ] 上海化工学院, 成都科技大学, 大连工学院编. 化学
工程[M] . 北京: 化学工业出版社, 1980.
[4 ] 杜玛什涅夫A Д. 化学生产机器及设备[M] . 林纪
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社, 1958.