工質(zhì)物性對催化裂化進(jìn)料噴嘴霧化特性影響的仿真模擬及實(shí)驗(yàn)研究

尹傳忠，劉雪東，謝紅笑，馬 乾，溫傳美

（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164）

進(jìn)料噴嘴是催化裂化（FCC）裝置最關(guān)鍵的部件之一，隨著原料油的重質(zhì)化和劣質(zhì)化，對進(jìn)料噴嘴霧化效果的要求日益提高。霧化效果主要是指噴出液滴的粒徑分布，與催化劑粒徑越接近，接觸比表面積越大，反應(yīng)越充分［1-2］。李欣疏等［3］采用mixture模型對FCC進(jìn)料噴嘴內(nèi)流場及混合特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出混合腔內(nèi)置螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以明顯促進(jìn)噴嘴霧化性能。白鵬博等［4］通過數(shù)值模擬研究了內(nèi)混式噴嘴混合段及外流場的平均粒徑變化，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比。Sovani等［5-6］研究了氣泡霧化噴嘴結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)對射流霧化及液滴粒徑分布的影響。毛傳林等［7］結(jié)合湍流模型和離散相模型對氣泡霧化噴嘴進(jìn)行二次霧化過程模擬，得出了索特爾平均直徑（SMD）隨軸向距離的分布規(guī)律。朱曉麗等［8］建立提升管反應(yīng)器進(jìn)料段氣液兩相流模型，探究了油劑間接觸分布情況，得出了適當(dāng)增大噴霧錐角有利于提高FCC反應(yīng)效率。李進(jìn)賢等［9］對不同的旋流組合式FCC進(jìn)料噴嘴進(jìn)行了液流分布實(shí)驗(yàn)研究。

本工作采用水及石蠟基基礎(chǔ)油進(jìn)行了霧化實(shí)驗(yàn)，分析了工質(zhì)物性對噴嘴霧化特性的影響規(guī)律并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，為優(yōu)化霧化噴嘴設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真模擬計(jì)算

1.1 幾何模型

圖1為FCC進(jìn)料噴嘴結(jié)構(gòu)。運(yùn)用氣噴霧化原理，氣體和進(jìn)料液體分別以不同速度由氣相和液相入口進(jìn)入進(jìn)料集合管，霧化氣體經(jīng)過第一喉道加速進(jìn)入混合腔與經(jīng)過進(jìn)液孔的液體進(jìn)行充分沖擊，利用氣液之間的速度差，在混合腔進(jìn)行第一次霧化，氣液混合流流經(jīng)混合腔經(jīng)過第二喉道再次被加速，此時(shí)產(chǎn)生較大的速度差，在氣動(dòng)力的作用下經(jīng)過第二次霧化噴出。

圖1 FCC進(jìn)料噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of FCC feed nozzle.

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2為采用gambit軟件對噴嘴計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 整體網(wǎng)格劃分（a）和局部網(wǎng)格加密圖（b）Fig.2 Integral grid(a) and partial encryption(b).

為了提高計(jì)算精度，氣相入口、混合腔部位及離散相計(jì)算域采用四面體網(wǎng)格，進(jìn)液孔槽結(jié)構(gòu)采用較為復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在噴嘴出口處和近壁面處采取局部網(wǎng)格加密處理，外部離散相霧化域取φ100 mm的圓柱體，如圖2b所示。網(wǎng)格歪斜度為0.4，長寬比小于5∶1，網(wǎng)格質(zhì)量的提高加快了迭代收斂的速度。

1.3 湍流模型

采用歐拉-拉格朗日耦合算法模擬氣液兩相流場，對氣相采用歐拉算法，先通過穩(wěn)態(tài)模擬得到穩(wěn)態(tài)的速度場，再加入離散相，采用三維不可壓縮非穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均N-S方程，考慮到相間動(dòng)量、熱量及質(zhì)量交換源項(xiàng)的相間耦合，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算最終得到霧化液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.3.1 氣相模型

氣相采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程和組分運(yùn)輸模型［10-11］，其湍流動(dòng)能方程見式（1）。

湍流動(dòng)能耗散率（ε）方程見式（2）～（3）。

1.3.2 液相模型

液相采用離散相模型，由于氣液兩相間存在較大的速度差，這種相對速度會誘發(fā)形成一定粒徑的液滴，這種高速射流霧化的韋伯?dāng)?shù)往往大于100，本工作選用Wave破碎模型［12］：

1.4 邊界條件及計(jì)算方法

氣相入口邊界條件為進(jìn)口速度，進(jìn)口水力直徑為13 mm，選擇平口霧化模型，液體質(zhì)量流量為0.017 kg/s。出口邊界條件為出口壓力（表壓為0），壓力速度耦合采用SIMPLE算法，湍流動(dòng)能、動(dòng)量、耗散率均采用二階迎風(fēng)格式，迭代松弛因子保持默認(rèn)值，時(shí)間步長取10-3s，每個(gè)時(shí)間步的最大迭代次數(shù)盡可能大，確保兩相耦合收斂。壁面采用無滑移邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

2 仿真模擬結(jié)果與分析

2.1 霧化液滴的分布特性

分別采用水、石蠟基基礎(chǔ)油、柴油和乙醇為工作介質(zhì)，模擬不同工質(zhì)黏度和表面張力對霧化特性的影響。表1給出了幾種工質(zhì)的主要物性參數(shù)。

表1 霧化工質(zhì)的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of working fluid

2.1.1 工質(zhì)黏度對液滴速度、平均粒徑的影響

以水、柴油和石蠟基基礎(chǔ)油三種進(jìn)料工質(zhì)（黏度值相差明顯）進(jìn)行模擬。圖3為不同黏度的液體霧化液滴的速度隨著徑向距離的分布。

由圖3可知，在靠近霧矩中心處的速度由進(jìn)料時(shí)的28.501 m/s下降到最小約14.24 m/s，這是由于射流在進(jìn)入霧化場中，受到氣動(dòng)力的作用與空氣進(jìn)行動(dòng)量交換，同時(shí)由于氣液的混合及內(nèi)部流體流動(dòng)阻力導(dǎo)致的壓力降，致使液滴能量損失，速度下降。由于不同黏度液體的流動(dòng)性能不同，顯然水的流動(dòng)性好于其他兩種液體。在霧矩中心（即徑向距離為0）處，由于水的黏度小，較易發(fā)生二次霧化，使其速度降低。隨著徑向距離的增加，霧化液滴的速度隨著黏度的增加呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢，此時(shí)靠近霧矩邊緣處黏度較大液體的霧化液滴速度受氣動(dòng)力作用加強(qiáng)而迅速減小。

霧化粒徑的分布是評價(jià)FCC進(jìn)料噴嘴霧化質(zhì)量的重要指標(biāo)［13］，霧化平均粒徑采用SMD表示，SMD為液霧內(nèi)全部霧滴的體積與總比表面積的比值，SMD越小則相同體積的液體具有的比表面積越大，霧化質(zhì)量越好。取距噴口下游50 mm截面處的粒徑分布，見圖4。由圖4可知，噴嘴出口下游霧化粒徑的分布基本成軸對稱分布。黏度較大的液體在霧矩中心處的平均粒徑較大，這是由于黏度越大，液體流動(dòng)性越差，受到氣液兩相作用的湍流動(dòng)能較小，導(dǎo)致中心處液滴粒徑較大。噴霧外側(cè)隨著徑向距離速度的減小，氣液間作用較弱以及液滴間的碰撞聚合使得平均粒徑呈現(xiàn)增大趨勢。

圖4 軸向截面粒徑的徑向分布Fig.4 Radial distribution of particle size at axial section.

圖5為水、柴油和石蠟基基礎(chǔ)油三種工質(zhì)的噴霧霧化錐角的對比。由圖5可知，水和柴油的霧化錐角相近，水略大于柴油，而這兩者與石蠟基基礎(chǔ)油的霧化錐角的差距較大?？梢?，在出口結(jié)構(gòu)未改變的情況下，工質(zhì)黏度對出口處霧化液滴群的擴(kuò)散有影響，工質(zhì)黏度較大，噴霧錐角相對較小。

2.1.2 工質(zhì)表面張力對霧化平均粒徑的影響

由于水和乙醇的黏度值相似，而兩者的表面張力相差較大，本工作以液體水和乙醇為工質(zhì)，保持進(jìn)氣速度和液體流量不變，模擬不同液體表面張力下的噴霧的特性。圖6為不同表面張力下液體的粒徑分布。由圖6可知，水的平均霧化粒徑低于乙醇的平均霧化粒徑約7 μm。由于水的表面張力約為乙醇的3.2倍?？梢?，液體工質(zhì)的表面張力對霧化效果具有一定的影響，表面張力越小，SMD呈現(xiàn)減小的趨勢，霧化效果相對較好，Ejim等［14］的研究也驗(yàn)證了該結(jié)論。

圖5 工質(zhì)分別為水（a）、柴油（b）及石蠟基基礎(chǔ)油（c）的霧化效果Fig.5 Atomizing effect of whose working fluid are water(a)，diesel oil(b) and paraffin base oil(c).

圖6 不同表面張力下出口下游粒徑徑向分布Fig.6 Radial distribution of particle size at outlet downstream with different surface tension.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證仿真模擬結(jié)果的可靠性，設(shè)計(jì)和搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，以水及石蠟基基礎(chǔ)油為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行霧化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置流程為離心泵驅(qū)動(dòng)工質(zhì)貯槽內(nèi)的工質(zhì)流經(jīng)液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)和壓力表后，由進(jìn)液管流入噴嘴；空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣儲存在氣體緩沖罐中，氣體流經(jīng)氣體渦輪流量計(jì)和壓力表后，由進(jìn)氣管進(jìn)入噴嘴，在噴嘴內(nèi)部經(jīng)過混合腔激烈摻混后，霧化成細(xì)小的液滴。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7為進(jìn)氣壓力對霧化粒徑的影響。由圖7可知，在同一進(jìn)氣壓力下石蠟基基礎(chǔ)油的霧化平均粒徑明顯高于水的粒徑，最大為168.7 μm（約為水的1.7倍）。而隨著進(jìn)氣壓力的逐漸增加，兩者的平均霧化粒徑均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.13 MPa時(shí)，水和石蠟基基礎(chǔ)油的平均霧化粒徑均較小，相差約為13 μm。可見，石蠟基基礎(chǔ)油霧化粒徑的變化受進(jìn)氣壓力的影響較大，這是由于壓力的增加導(dǎo)致氣液速度差的不斷提高，對于高黏度的液體，霧化過程中氣動(dòng)力足夠大，產(chǎn)生的動(dòng)能促使氣液之間的剪切擠壓更強(qiáng)烈，沖破液膜之間黏滯力，最后由于表面張力的作用，最終霧化收縮成較小的液滴［15］。

圖7 進(jìn)氣壓力對霧化粒徑的影響Fig.7 Effect of inlet pressure on atomizing droplet size.Liquid flow 1 L/min，distance downstream of the outlet nozzle 50 mm.

在室內(nèi)溫度為25 ℃時(shí)，分析水和石蠟基基礎(chǔ)油的實(shí)驗(yàn)霧化效果，得出同一工況下石蠟基基礎(chǔ)油的霧化粒度要大于水的粒度，霧化錐角相對較小。將實(shí)驗(yàn)所得霧化錐角與相對應(yīng)工質(zhì)模擬的霧化錐角進(jìn)行對比，略有差距，但基本吻合，考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，誤差在合理范圍之內(nèi)。

通過測量水及石蠟基基礎(chǔ)油霧化液滴平均粒徑的體積分?jǐn)?shù)的分布，得出在進(jìn)氣壓力在0.03～0.13 MPa區(qū)間，當(dāng)壓力較低時(shí)，氣液作用較弱，兩者的大粒徑液滴所占的體積分?jǐn)?shù)較高。提高進(jìn)氣壓力，被霧化的水的小粒徑液滴所占的體積分?jǐn)?shù)明顯多于石蠟基基礎(chǔ)油，而大粒徑液滴所占的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，說明隨著進(jìn)氣壓力的不斷增加，基礎(chǔ)油的霧化場中小粒徑的液滴逐漸增多，霧化液滴的粒徑分布逐漸趨于均勻。

圖8為模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比。考慮到數(shù)值仿真的霧化模型是基于經(jīng)驗(yàn)加理論的分析計(jì)算得到的，而在實(shí)際霧化實(shí)驗(yàn)中由于氣壓、流量測量及馬爾文噴霧粒度儀的測量精度等對結(jié)果產(chǎn)生的影響，誤差在合理的范圍（10%）之內(nèi)。說明采用霧化過程的數(shù)值模擬是可靠的，可以預(yù)測粒徑的分布。

圖8 模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比Fig.8 Comparison with simulation and experimental data.

4 結(jié)論

1）同一操作工況下，黏度低的液體工質(zhì)流動(dòng)性能好，受氣動(dòng)力的剪切及擠壓作用，在霧矩中心處容易發(fā)生二次霧化，較高黏度液體液滴的速度及粒徑分布變化趨勢較為明顯。同時(shí)在不改變噴嘴出口結(jié)構(gòu)的情況下，工質(zhì)黏度越高，噴霧越難擴(kuò)散，霧化錐角相對較小。

2）表面張力對霧化效果具有一定影響，工質(zhì)表面張力越小，其霧化粒度越細(xì)，霧化效果相對較好。

3）同一進(jìn)氣壓力下，黏度較高的石蠟基基礎(chǔ)油的霧化平均粒徑較大，約為水的1.7倍，隨著進(jìn)氣壓力的逐漸增加，水和石蠟基基礎(chǔ)油的平均粒徑均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，且兩者平均粒徑的差值不斷縮小，顯然石蠟基基礎(chǔ)油的霧化效果受進(jìn)氣壓力的影響更明顯。

4）在一定的粒徑范圍內(nèi)，水的小粒徑液滴所占的體積分?jǐn)?shù)明顯多于石蠟基基礎(chǔ)油，隨著進(jìn)氣壓力的不斷增加，石蠟基基礎(chǔ)油的噴霧場中小粒徑的液滴逐漸增多，體積分?jǐn)?shù)分布逐漸趨于均勻，與水的平均粒徑差距逐漸縮小，此噴嘴適合霧化高黏流體。

5）實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比吻合效果較好，仿真計(jì)算可以預(yù)測霧化粒徑的分布。

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