NG噴射硝化過程中霧化特性模擬試驗研究

景 青，劉 晶，周致富，康 超，馬 寧

（1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

引 言

硝化是硝化甘油生產(chǎn)的主要工藝過程，常用的硝化器有間斷式硝化器、機械攪拌連續(xù)硝化器、壓空攪拌連續(xù)硝化器和噴射硝化器，其中噴射硝化器以其安全、可靠、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點已經(jīng)逐漸取代其他幾種硝化器［1－2］。連續(xù)噴射硝化生產(chǎn)中，甘油及混酸在壓縮空氣的驅(qū)動下被霧化，霧化顆粒的粒徑均勻度直接影響硝化反應(yīng)的程度及硝化質(zhì)量的好壞。造成霧化顆粒不均勻有多方面的原因，噴射壓空壓力、混酸流量、甘油流量及相應(yīng)管道壓力對硝化反應(yīng)均有很大影響，硝化器本身結(jié)構(gòu)對霧化效果也起著關(guān)鍵性的影響。因此需要對噴射硝化器的噴霧霧場進行檢測，分析不同的工藝參數(shù)對霧化顆粒均勻度及粒徑分布的影響，尋找理想的噴霧場噴霧壓力、混酸與甘油配比。

目前噴霧場的測試方法有很多，傳統(tǒng)多用接觸式測量方法，如收集法、液蠟凍結(jié)法及氧化鎂涂層印痕法等，這些方法操作復(fù)雜，而且對噴霧場產(chǎn)生不同程度的影響。隨著光學技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了非接觸式測量技術(shù)，例如相位多普勒技術(shù)（PDA）、粒子圖像測速技術(shù)（PIV）、平面激光誘導熒光技術(shù)（PLIF）以及攝影測試技術(shù)等［3］。其中相位多普勒技術(shù)多用于兩相湍流噴霧流動的測量，可以同時測量噴霧場液滴的速度和直徑［4］。Panchagnula M V等［5］使用相位多普勒技術(shù)測量了兩種流體噴霧速度分布規(guī)律，顯示噴霧速度沿徑向呈高斯分布；Lund和 Sutherland等［6－7］對氣體驅(qū)動噴嘴速度進行了測量，得到了相同的結(jié)論。

本研究用相位多普勒粒子測量儀（PDPA）和高速攝像儀（CCD）測量不同噴霧場噴霧壓力、不同混酸與甘油配比霧場內(nèi)每個液滴的粒徑和速度，在采集時間段內(nèi)，對通過光探頭的液滴進行統(tǒng)計平均，得到最終的平均液滴粒徑、速度以及液滴數(shù)密度，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

以水替代混酸，混酸流量為35kg／h，密度1.733g／cm3，折算為水的流量約為20kg／h；甘油，北方川安化工有限公司，甘油溫度為52℃；以甘油、水與壓縮空氣作為噴霧三流體介質(zhì)。

FlowSizer2033型相位多普勒粒子測量儀（PDPA），美國TSI公司，可測粒徑范圍為0.5μm～4mm；V611型高速攝像儀（CCD），美國Phantom公司，拍攝速度為10000fps，曝光時間為30μs，分辨率為600×800；硝化噴射器，西安近代化學研究所自主加工。

1.2 液滴直徑計算方法

本研究需要的并非每個液滴的粒徑與速度值，而是經(jīng)過一定方法計算得到的液滴粒徑與速度統(tǒng)計值。用PDPA測得每個液滴的粒徑與速度后采用Sauter平均粒徑D32表示測得的液滴統(tǒng)計粒徑，計算方法如式（1）所示［8］

式中：di為每個液滴的粒徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴霧壓力對噴霧液滴直徑分布的影響

甘油流量（Q）為4kg／h，配置液用水代替，水的體積流量為0.336L／min，將噴霧壓力從0.1MPa逐漸升至0.16MPa，不同噴霧壓力下中心液滴粒徑隨軸向距離的變化曲線如圖1所示。

從圖1可看出，隨著噴霧壓力的增加液滴破碎，造成粒徑波動距離增加，液體需要更長的距離達到穩(wěn)定的液滴尺寸。同樣在大驅(qū)動壓力作用下，液滴之間的速度差增加，使得液滴粒徑分布的波動性增強，進一步增加液滴的不穩(wěn)定距離［9］。由此可知，并非噴霧驅(qū)動壓力越大，中心液滴的破碎效果越好。從圖1還可以看出，當噴霧壓力大于0.14MPa時，液滴的軸向距離為50mm時，噴霧未能得到穩(wěn)定的液滴粒徑，進一步驗證了隨著驅(qū)動壓力的增加，液滴粒徑不穩(wěn)定性增加的結(jié)論。因此由中心軸向液滴粒徑分布特性確定最佳噴霧壓力為0.12MPa，超過0.12MPa后，液滴粒徑的波動性增大，當驅(qū)動壓力為0.16MPa時，液滴粒徑的穩(wěn)定距離還未達到，說明粒徑波動性仍然很強。

圖1 不同噴霧壓力下中心液滴粒徑隨軸向距離的變化曲線Fig.1 The curves of droplet size in centre changed with nozzle axial distance under different spray pressure

2.2 甘油流量對噴霧液滴粒徑分布的影響

在水流量不變、噴霧壓力為0.12MPa，不同甘油流量（Q）作用下中心液滴粒徑的軸向分布曲線如圖2所示。

圖2 不同甘油流量作用下中心液滴粒徑的軸向分布曲線Fig.2 The curves of droplet size in centre changed with nozzle axial distance under different glycerol flows

由圖2可以看出，甘油流量為4kg／h時，液滴粒徑較大，繼續(xù)增加甘油流量時液滴粒徑有明顯減小的現(xiàn)象；當甘油流量為5和6kg／h時，液滴粒徑差別不大，甘油流量為5kg／h時液滴粒徑分布的脈動性最小，并且達到液滴粒徑中心穩(wěn)定區(qū)域所需的加速距離最短，僅需要30mm左右。因此甘油流量5kg／h為最佳中心液滴粒徑分布的操作條件，液滴粒徑對壓力變化具有較小的跟隨特性。

2.3 噴霧霧場分布規(guī)律

2.3.1 噴霧徑向液滴粒徑分布

為了探索最佳驅(qū)噴霧力下液滴粒徑徑向分布是否滿足工業(yè)要求，測量了甘油流量5kg／h、噴霧壓力0.12MPa時不同軸向距離下液滴的徑向分布曲線如圖3所示。

圖3 甘油流量5kg／h、噴霧壓力0.12MPa時液滴粒徑沿徑向的分布曲線Fig.3 The distribution curves of particle size along radial distance under glycerol flow is 5kg／h and driving pressure is 0.12MPa

由圖3可以看出，液滴粒徑隨著噴霧徑向距離（R）的增加而增大，在不同軸向距離時噴霧邊緣區(qū)域的液滴粒徑最大，而中心部分的液滴粒徑最小。這是由于在中心部位氣體對液體可以充分加速，在較大的氣液兩相速度差作用下，液體被充分破碎，但是邊緣液滴由于沒有被氣體充分加速，其破碎主要依靠與空氣之間的速度差來進行（將這一破碎機理稱為二次破碎），破碎效果較弱，導致邊緣液滴粒徑較大［10－11］。由圖3還可以看出，隨著軸向距離的增加，邊緣液滴粒徑也呈減小趨勢，這主要由噴嘴結(jié)構(gòu)決定，由于驅(qū)動氣體在噴嘴內(nèi)部經(jīng)過旋流槽，導致驅(qū)動氣體在出口具有圓周運動的特性，因而被加速的液滴也具有圓周運動特性，大小液滴慣性產(chǎn)生徑向速度差，液滴之間相互作用使得隨著噴霧軸向距離的增加，液滴徑向速度差異稍微減小，因此由于速度而引起的破碎作用會稍微增強，使得隨著軸向距離增加液滴粒徑分布更為均勻。

2.3.2 噴霧徑向液滴速度分布

甘油流量5kg／h，噴霧壓力0.12MPa時液滴速度的徑向分布曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著軸向距離的增加，液滴速度差異逐漸變小。就相同徑向距離來看，液滴速度并不隨噴霧距離的增加而減小，中心液滴速度隨軸向距離的增加呈降低趨勢，這也說明液滴徑向之間有作用力存在，與較大軸向距離下液滴粒徑的徑向分布差異較小相吻合。從液滴速度分布來看，噴霧距離為50mm時液滴處于穩(wěn)定階段。

圖4 甘油流量5kg／h、驅(qū)動壓力0.12MPa時液滴速度沿徑向的分布曲線ig.4 The distribution curves of particle speed along radial distance in different axial distances under glycerol flow is 5kg／h and driving pressure is 0.12MPa

液滴速度的全徑向分布曲線如圖5所示。

圖5 50mm軸向距離時不同甘油流量液滴速度的徑向分布曲線Fig.5 The distribution curves of particle speed along radial distance under different glycerol flows when the axial distance is 50mm far from nozzle

從圖5可以看出，液滴速度分布呈良好的高斯分布，這一結(jié)果與文獻［5－7］的結(jié)論一致。由圖5還可以看出，盡管噴霧液體混合比例不同，但噴霧液滴達到的最大速度相差不大，約為35m／s，能夠達到較好的噴霧效果。

2.4 霧化效果實驗驗證

不同噴霧壓力下3種流體噴霧的高速攝像圖像見圖6。

從圖6（a）可以看出，當無驅(qū)動氣體作用時，兩種液體從噴嘴出口流出，中心黃綠色液體為甘油，外部包裹的透明液體為水，隨著噴霧壓力的增加兩種液體被驅(qū)動氣體帶動作旋轉(zhuǎn)運動；從圖6（b）可以看出，在低噴霧壓力作用下，噴霧區(qū)域分為緊鄰噴嘴區(qū)和再次破碎區(qū)兩個部分。這兩個區(qū)域液滴破碎機理是不相同的，在緊鄰區(qū)液體被旋轉(zhuǎn)運動的氣體加速，并且破碎為液絲狀，由于慣性作用，絲狀液體被甩出噴嘴中心位置，運動的液絲在第2區(qū)域由于與大氣存在速度差進而被破碎為更細小的液滴［12］。

圖6 3種流體噴霧高速攝像圖像Fig.6 The CCD diagrams of thri－fluid spray

不同甘油流量下噴嘴噴霧特性的高速攝影圖見圖7。

圖7 不同甘油流量下噴嘴噴霧特性圖像Fig.7 Diagrams of spray character under different glycerol flows

從圖7可以看出，當甘油流量為4kg／h時，其霧場范圍明顯小于5和6kg／h，因而從霧化錐角和霧化區(qū)域來看后兩種流量配比更有優(yōu)勢。從圖7還可以看出，噴霧邊緣有未充分加速而形成的大液滴，這就有待對噴嘴結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

3 結(jié) 論

（1）當噴霧壓力為0.12MPa、甘油流量為5kg／h時，硝化噴射器噴霧霧化效果最好，此時中心液滴粒徑分布最小，為20μm。

（2）液滴粒徑隨軸向距離的增加而縮小，隨徑向距離的增加而增大；噴霧徑向速度服從高斯分布。

（3）3種流體在噴射器噴霧邊緣還存在未充分霧化的大液滴，因此需要對噴射器的結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

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