自吸式文丘里洗滌器霧化液滴尺寸影響因素的實驗研究

陳 松，鄭 毅，劉 明，趙祥迪，楊 帥，王 正，袁紀(jì)武

(1.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104 2. 中國石化銷售股份有限公司山東石油分公司，山東濟南 250000)

1 文丘里洗滌器霧化液滴研究現(xiàn)狀

文丘里洗滌器是通過來自入口的氣流，將液體霧化為液滴，進而使氣液兩相充分接觸，以達到去除氣體中氣態(tài)或固態(tài)污染物目的的裝置。文丘里洗滌器在化工行業(yè)應(yīng)用廣泛，在除塵以及HS等有毒氣體洗消領(lǐng)域有著重要作用，是保障化工過程安全和降低粉塵污染的重要裝置。文丘里洗滌器根據(jù)液體進入其內(nèi)部方式的不同可分為外噴式和自吸式兩種，其中自吸式文丘里洗滌器由氣體通過喉部時產(chǎn)生的負(fù)壓將噴管與外套管之間的液體帶出，因此具有結(jié)構(gòu)簡單以及無需外加動力等優(yōu)勢，可有效降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

Andreussi等提出當(dāng)湍流過程雷諾數(shù)達到280時，環(huán)狀間隙中的液膜會形成擾動波，從而引起液膜表面的壓力變化，進而使得液膜變化為液滴。Zhou等提出文丘里的洗滌過程主要由傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)兩種機制組成，這兩種機制共同決定了文丘里的洗滌效率。其中，傳質(zhì)過程主要由氣液接觸面積和時間決定，而文丘里霧化液滴的尺寸，又決定了氣液接觸面積，故文丘里洗滌器霧化液滴的尺寸是影響其洗滌效率的重要因素。

由于霧化液滴直徑的變化范圍較大，難以確定其實際尺寸的分布，故通常使用平均直徑來表征文丘里的霧化效果。其中，Sauter平均直徑是常用的液滴直徑表示方法。Simmons等利用激光衍射技術(shù)測量了水平管道中空氣-水環(huán)形流動時的液滴尺寸分布，發(fā)現(xiàn)隨著氣相速度的增加，液滴的Sauter平均直徑逐漸減小。在Simmons等人的實驗基礎(chǔ)上，Sarkhi等進行了不同管徑下的空氣-水環(huán)流實驗，得出了液滴體積平均直徑隨管徑(

D

)的增大而增大以及當(dāng)氣相流速大于30 m/s時，其值隨

D

變化的結(jié)論，同時作者指出重力對液滴分布的影響隨液滴直徑的增大而增大。

Ambrosini等基于力學(xué)模型推導(dǎo)了環(huán)狀流動中液滴尺寸的方程，在考慮液膜厚度以及液滴碰撞概率的同時，通過對大量氣液流量、物性和管徑的測量數(shù)據(jù)進行擬合，優(yōu)化了Tatterson等提出的液滴Sauter平均直徑表達式。Guerra等在考慮管壁液體沉積量的同時研究了矩形外噴式文丘里洗滌器氣相流速和射流速度對霧化液滴尺寸的影響，結(jié)果表明射流速度的增大和氣相速度的增大都有助于液滴尺寸的減小。

綜上所述，目前對自吸式文丘里洗滌器霧化液滴尺寸實驗研究較少，而液滴尺寸是影響文丘里洗滌效率的重要因素，液滴直徑越小，氣液接觸面積越大，其洗滌效率越高，故本次研究通過改變文丘里喉部氣相流速、喉部與液面高度差以及文丘里結(jié)構(gòu)，探究霧化液滴尺寸的變化規(guī)律，以期為提高文丘里洗滌效率提供合理建議。

2 實驗設(shè)計

本實驗使用自吸式文丘里裝置進行實驗，裝置包括噴管、擴散管、儲液池、漩渦式風(fēng)機，如圖1所示。實驗用自吸式文丘里洗滌器由304不銹鋼加工而成，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。實驗以空氣-水作為實驗介質(zhì)，通過改變喉部氣速、液面高度差以及文丘里結(jié)構(gòu)，分析霧化液滴尺寸的變化規(guī)律。

圖1 實驗裝置示意

圖2 自吸式文丘里結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

實驗使用瑞士Sinovege公司生產(chǎn)的水敏試紙測量霧化液滴尺寸，待文丘里洗滌器工作穩(wěn)定時將試紙在其擴散段出口處快速掠過(液面高度差為70 mm，喉部氣速為47.8 m/s)，射流夾帶的液滴在試紙上留下不同尺寸的斑點，如圖3所示，待試紙完全干燥，將其掃描后使用Image-Pro Plus 6.0軟件測量斑點的尺寸，即得到霧化液滴的尺寸分布。為減少實驗誤差，取3次數(shù)據(jù)的平均值作為結(jié)果。在后續(xù)討論中，若沒有說明，均采用

D

液滴直徑進行分析和對比。

圖3 水敏試紙記錄的液滴

本次實驗使用G2RB 510-7AH26-Z風(fēng)機為文丘里洗滌器提供引射動力，通過改變風(fēng)機變頻器頻率改變風(fēng)量，待風(fēng)量穩(wěn)定后，測量文丘里洗滌器出口處風(fēng)速，并計算得出喉部氣速。經(jīng)測量，不同帶液量對氣相速度影響很小，故忽略不同帶液量引起的氣速變化。風(fēng)機頻率-喉部氣速對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 風(fēng)機頻率-喉部氣速對應(yīng)關(guān)系

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 喉部氣速對霧化液滴尺寸的影響

文丘里洗滌器的喉部氣速與液面高度差是影響其霧化液滴尺寸的重要因素，本文用液滴Sauter平均直徑來表征液滴尺寸。

Nukiyama和Tanasawa提出的液滴Sauter平均直徑經(jīng)驗公式被廣泛應(yīng)用于液滴平均直徑的計算中，如式(1)所示：

(1)

式中：

D

——液滴Sauter平均直徑，m；

V

——氣相速度，m/s；

V

——液相速度，m/s；

σ

——液相表面張力，N/m；

ρ

——液相密度，kg/m；

μ

——液相黏度，kg/(m·s)；

D

——液氣比，L/m。

Boll等利用單色光衰減理論對霧化液滴進行了測量，進而對Nukiyama和Tanasawa提出的經(jīng)驗公式進行優(yōu)化，如式(2)所示：

(2)

實驗在

ΔH

為0，30，70 mm工況下分別進行實驗，計算得出液滴平均直徑后與Boll模型進行對比，如圖4所示。由圖4可以看出，Boll模型的液滴Sauter理論直徑(

D

)均小于實驗測得的數(shù)據(jù)。分析認(rèn)為，Boll模型的假設(shè)條件之一是霧化率達到100%，然而在實驗中進入文丘里的一部分液體會沿擴散段管壁以液膜的形式流出，因此在液滴與液膜相互轉(zhuǎn)化的過程中，氣相動能被耗散一部分，霧化液滴不能被充分剪切，故實驗值大于理論值。隨著

ΔH

的增大，

D

與實驗測量值的偏差逐漸增大，同時，在

ΔH

=30 mm和70 mm的工況下，隨著喉部氣速的增大，

D

與實驗測量值的偏差也逐漸增大，由此可知，在本文實驗條件下，Boll模型在

ΔH

為0和較低氣速下對液滴Sauter平均直徑的預(yù)測較為精確。

圖4 不同液面高度差下液滴尺寸

另外，在理論計算和實驗測得的數(shù)據(jù)中，液滴平均直徑均隨著喉部氣速的增大而減小，當(dāng)

ΔH

增大時，在較低氣速范圍內(nèi)(

V

<54.6 m/s)，液滴平均直徑隨著氣速的增大急劇減小，而在較高氣速范圍內(nèi)(

V

>54.6 m/s)，液滴平均直徑隨著氣速的增大變化較為緩慢。文丘里洗滌器工作時，通過喉部的高速氣體形成負(fù)壓，環(huán)隙中的液體進入喉部區(qū)域，在高速氣體的剪切下，進入文丘里內(nèi)部的液體被霧化為不同尺寸的液滴。當(dāng)氣相速度較小時，文丘里帶液能力不足，氣相剪切力不足，導(dǎo)致霧化液滴平均直徑偏大，當(dāng)

ΔH

較大時，這一現(xiàn)象更為明顯。另外，在實驗中可以觀察到，被霧化的液滴在氣流作用下，一部分被帶出文丘里洗滌器，一部分不斷撞擊文丘里擴散段內(nèi)壁從而形成液膜，同時，在高速氣流的剪切力作用下，部分液膜脫離文丘里內(nèi)壁形成液滴。隨著氣速的不斷增大，氣體對液滴的剪切能力增加，文丘里內(nèi)部氣液湍流程度增加，導(dǎo)致霧化液滴尺寸減小，同時更多的液體被吹散至管壁，導(dǎo)致霧化率減小。

3.2 液面高度差對霧化液滴尺寸的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)，在氣相速度較低時，液面高度差

ΔH

是影響文丘里洗滌器帶液量的重要因素，在相同的氣相速度下，隨著液面高度差

ΔH

的增大，文丘里洗滌器的帶液量明顯降低。帶液量和氣相速度共同影響霧化液滴平均直徑的大小，液滴直徑隨液面高度差

ΔH

的變化趨勢如圖5所示。

圖5 液滴平均直徑隨液面高度差ΔH的變化

由圖5可知，隨著液面高度差

ΔH

的增加，液滴平均直徑呈減小趨勢，當(dāng)氣相速度

V

較小時，液滴平均直徑隨

ΔH

的增加變化比較緩慢，當(dāng)

V

>47.8 m/s時，隨著

ΔH

的增加，液滴平均直徑快速減小。分析認(rèn)為，隨著

ΔH

的增加，氣相帶液量降低，使得擴散段內(nèi)部的液滴間距較大，在相同氣速下，單位風(fēng)量氣體對液滴的做功能力提高，液滴平均直徑逐漸減小。當(dāng)

V

較小時，氣相的剪切能力弱，液滴平均直徑較大且隨著

ΔH

的增加變化緩慢，當(dāng)

V

較大時，液滴在高速氣流作用下被不斷剪切，故液滴平均直徑快速減小。

3.3 結(jié)構(gòu)改進對霧化液滴尺寸的影響

本次研究設(shè)計了3種環(huán)形擋板(A、A、A)，為貼合文丘里洗滌器擴散段內(nèi)壁，3種擋板均為倒圓臺狀設(shè)計，外徑相同，內(nèi)徑依次增大，具體參數(shù)如圖6所示。

圖6 擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

實驗中依次將3種擋板置于文丘里洗滌器擴散段合適位置處，在

ΔH

=0 mm工況下，分別測量不同喉部氣速下的液滴平均直徑，實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)

V

≥47.8 m/s時，擋板的存在明顯使得液滴平均直徑減小，同時，液滴平均直徑隨喉部氣速的變化趨勢不受擴散段內(nèi)擋板的影響。但在

V

=38.5 m/s工況下，擋板存在時的液滴平均直徑略大于無擋板的工況，分析認(rèn)為，喉部氣速較小導(dǎo)致氣相剪切力較小，擋板的存在雖然在一定程度上增大了擴散段內(nèi)的湍流狀態(tài)，但液滴在擴散段后半段的碰撞融合速率大于被氣相剪切破碎的速率，故會出現(xiàn)實驗值和預(yù)測值均增大的結(jié)果。另外，對比A、A、A三種擋板下的霧化液滴平均直徑，由圖7可以看出，A擋板下的液滴平均直徑最大，當(dāng)

V

<54.6 m/s時，A擋板下的液滴平均直徑略小于A擋板下的液滴平均直徑，但當(dāng)

V

<54.6 m/s時，結(jié)果相反。由此可知，在本實驗條件下，當(dāng)

V

>54.6 m/s時，較小內(nèi)徑的環(huán)形擋板對液相流體具有更好的霧化效果，而當(dāng)

V

<54.6 m/s時，在環(huán)形擋板內(nèi)徑為46～54 mm之間存在一個最佳內(nèi)徑，使得文丘里洗滌器霧化效果達到最好。

圖7 不同文丘里結(jié)構(gòu)下霧化液滴平均直徑的變化(ΔH=0 mm)

由前人研究可知，隨著氣相速度的增加，文丘里洗滌器在帶液量增加的同時霧化率減小。分析認(rèn)為，當(dāng)

V

>54.6 m/s時，較大的氣相速度導(dǎo)致文丘里洗滌器擴散段內(nèi)壁液膜增加，擋板內(nèi)徑越小，擴散段內(nèi)的紊流程度越大，從而導(dǎo)致液滴直徑不斷減小。當(dāng)

V

<54.6 m/s時，在氣速和擴散段內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的共同作用下，存在一個使得霧化液滴平均直徑最小的檔板結(jié)構(gòu)，這為提高自吸式文丘里洗滌器洗滌效率提供了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。

4 結(jié)論

本次研究通過改變自吸式文丘里洗滌器喉部氣速、液面高度差以及擴散段結(jié)構(gòu)，分析了其霧化液滴尺寸的變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論。

a) 實驗測得的

D

與Boll模型的液滴Sauter理論直徑變化趨勢一致，且實驗測得的

D

均略高于預(yù)測值。b) 霧化液滴平均直徑受喉部氣速影響，隨喉部氣速的增大，氣相產(chǎn)生的剪切力增強，液滴平均直徑逐漸減?。辉?p>ΔH

=30 mm和70 mm的工況下，當(dāng)

V

<54.6 m/s時，液滴平均直徑隨著喉部氣速的增大迅速減小。c) 液面高度差

ΔH

通過影響文丘里洗滌器的帶液量影響霧化液滴的平均直徑，

D

隨

ΔH

的增加呈減小趨勢，且在不同

V

表現(xiàn)出不同的變化速率。

d) 擴散段擋板對液滴平均直徑有著顯著的影響，在環(huán)形擋板內(nèi)徑為46～54 mm之間存在一個使得文丘里洗滌器霧化效果最好的最佳內(nèi)徑。

自吸式文丘里洗滌器的設(shè)計除考慮霧化液滴平均直徑外，還需綜合考慮引射量、霧化率以及氣液反應(yīng)時間等因素，本研究從霧化液滴平均直徑方面對自吸式文丘里洗滌器進行了實驗研究，后續(xù)研究將綜合考慮不同工況下自吸式文丘里洗滌器的引射量、霧化率等參數(shù)，對自吸式文丘里洗滌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出綜合建議。