LSXPT-1型雙向液體噴頭的研究

趙敏潔，高有飛，馬立國，2

（1.中國石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003；2.中國石油大學(xué)（北京））

LSXPT-1型雙向液體噴頭的研究

趙敏潔1，高有飛1，馬立國1，2

（1.中國石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003；2.中國石油大學(xué)（北京））

在Φ1 000 mm有機玻璃冷模試驗裝置上利用空氣-水系統(tǒng)考察LSXPT-1型雙向液體噴頭的分布性能、噴出的液滴粒徑、噴頭入口壓力、霧沫夾帶等隨液體流量變化的規(guī)律。結(jié)果表明：LSXPT-1型雙向液體噴頭的分布不均勻度系數(shù)在0.031～0.040之間，低于傳統(tǒng)槽式液體分布器和緩沖沉降式液體分布器的分布不均勻度系數(shù)，分布性能優(yōu)異；隨著液體流量的增大，噴頭入口壓力增大，在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，噴頭入口壓力為0.04～0.66 MPa；噴出的液滴粒徑在1 975～2 350μm之間，遠高于當氣速在3.0～4.0 m/s時因氣液流動呈湍流狀態(tài)液滴沉降所要求的液滴粒徑（400～700μm）；該雙向液體噴頭即使在空塔氣速高達4 m/s時，其霧沫夾帶量仍不超過7%，可允許更高的操作氣速上限，提高塔的處理能力。

雙向 噴頭 不均勻度 粒徑 壓力 霧沫夾帶

煙氣脫硫技術(shù)可以分為濕法脫硫（WFGD）和干法脫硫（DFGD）兩類，以濕法脫硫技術(shù)為主。國內(nèi)煙氣脫硫裝置大多從國外引進。中國石化洛陽工程有限公司根據(jù)目前國內(nèi)外脫硫技術(shù)現(xiàn)狀，為降低企業(yè)的投資和運行成本，針對石油化工領(lǐng)域催化裂化裝置煙氣排放的特性，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可再生濕法煙氣脫硫技術(shù)，為適應(yīng)該技術(shù)的工藝條件和相關(guān)塔內(nèi)設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)，開發(fā)了高液體通量的LSXPT-1型雙向液體噴頭［1］，在Φ1 000 mm有機玻璃冷模試驗裝置上利用空氣-水系統(tǒng)考察LSXPT-1型雙向液體噴頭的分布性能、噴出液滴的粒徑、噴頭入口壓力、霧沫夾帶等隨液體流量變化的規(guī)律。

1 實 驗

LSXPT-1型雙向液體噴頭試驗裝置原則流程見圖1。試驗裝置主要由Φ1 000 mm實驗塔、水箱、水泵、離心鼓風(fēng)機及相應(yīng)配套管線和調(diào)節(jié)閥組成，塔內(nèi)裝有單個雙向液體噴頭、液體收集管嘴、破沫網(wǎng)、霧沫夾帶收集器等。實驗所用介質(zhì)為空氣、清水，水經(jīng)電磁式液體流量計計量后進入雙向液體噴頭進行噴淋分布，并由噴頭入口處的壓力表計量雙向噴頭入口處的壓力；空氣經(jīng)離心鼓風(fēng)機輸送到實驗塔底部的氣相分布器，經(jīng)均勻分布后上行與雙向液體噴頭噴出的液體充分接觸。為了研究極少量液體隨氣體排出的規(guī)律，在雙向噴頭上方600 mm處設(shè)置了霧沫夾帶收集器，測定霧沫夾帶量。為了研究LSXPT-1型雙向液體噴頭噴出液體的分布規(guī)律，在雙向噴頭下方600 mm處均勻設(shè)置9個呈一字形排列的內(nèi)徑為Φ16 mm的液體收集管嘴，如圖1中12所示，所收集的液體通過9個液體收集管嘴流入9個量筒，根據(jù)每個量筒中水量的多少，測定液體噴頭的各點徑向分布量；利用美國TSI公司生產(chǎn)的PIV粒徑成像測速系統(tǒng)，對雙向液體噴頭噴出的液滴粒徑大小隨液體流量變化的規(guī)律進行研究。實驗過程中，通過調(diào)節(jié)控制閥的開度使液體流量由小到大逐漸變化，同時噴頭入口壓力隨液體流量的增大也逐漸變大，液體負荷為2.15～9.62 m3/h，噴頭入口壓力為0.04～0.66 MPa。

圖1 LSXPT-1型雙向液體噴頭試驗裝置原則流程

2 結(jié)果與討論

2.1 分布均勻性能研究

實驗中，從雙向噴頭噴出的液體通過9個液體收集管嘴和連接軟管流入量筒，通過計量在一定時間內(nèi)量筒中所收集到的液體量來定量分析每個液體流量下噴頭噴出的液體在實驗塔內(nèi)9個徑向分布點的分布狀況，據(jù)此研究LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的液體分布規(guī)律。LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的液體分布規(guī)律見圖2。從圖2可以看出，隨著液體流量的增大，每個管嘴接收的液體量也增大。雖然每個噴淋點的液體量有差別，但在相同的液體流量下各個噴淋點的液體接收量變化甚小。可見LSXPT-1型雙向液體噴頭的徑向分布是非常均勻的。

圖2 LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的液體分布規(guī)律

為了量化評價LSXPT-1型雙向液體噴頭分布的均勻程度，引入?yún)?shù)不均勻度系數(shù)Mf，計算式如下［2-6］：

式中：Mf為不均勻度系數(shù)；n為接收液體的降液孔總數(shù)，n＝9；Vi為第i個降液孔的實測降液量，mL；ˉV為n個降液孔實測降液量的算術(shù)平均值，m L。

LSXPT-1型雙向液體噴頭在不同噴淋密度下的不均勻度系數(shù)見圖3，圖3中同時列出了緩沖沉降槽式液體分布器、傳統(tǒng)槽式液體分布器、LPT-1型單向液體分布器的不均勻度系數(shù)。從圖3可以看出：傳統(tǒng)槽式液體分布器在噴淋密度低于1.8 m3/（m2·h）、緩沖沉降式槽式液體分布器在噴淋密度低于1.2 m3/（m2·h）時，分布不均勻度系數(shù)都大于0.05，并且隨著噴淋密度的降低，二者的分布不均勻度系數(shù)迅速增大；LPT-1型單向噴頭和LSXPT-1型雙向液體噴頭，在整個噴淋密度變化過程中其噴淋不均勻度系數(shù)都很小，在0.031～0.040之間變化，且變化很平滑，說明LSXPT-1型液體噴頭的分布性能優(yōu)異［7］。

圖3 LSXPT-1型噴頭與其它3種液體分布器在不同噴淋密度下的不均勻度系數(shù)

2.2 噴頭入口壓力隨液體流量的變化

LSXPT-1型噴頭入口壓力隨液體流量的變化見圖4。由圖4可見：隨著液體流量的增大，噴頭入口壓力增大；在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，噴頭入口壓力為0.04～0.66 MPa。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合出如下經(jīng)驗式：

式中：pi為噴頭入口壓力，MPa；A1為系數(shù)；QL為液體流量，m3/h。

在實驗中還觀察到：隨著液體流量和噴頭入口壓力的增大，噴頭圓錐噴淋角呈先增大后減小的變化規(guī)律，在液體流量約9.6 m3/h時，達到最大值（130℃），此后噴淋角隨著液體流量的增大而減小，漸漸超出噴頭噴淋的最佳范圍，這可為工業(yè)應(yīng)用提供重要參考。

2.3 不同噴淋截面的液滴粒徑隨液體流量的變化

利用美國TSI公司生產(chǎn)的PIV測試系統(tǒng)分別測試了在不同液體流量下距離LSXPT-1型噴頭底端400，500，600，700 mm的4個不同噴淋截面的液滴粒徑，如圖5所示。由圖5可見：在相同噴淋截面上，液滴粒徑隨液體流量變化不大；噴淋截面距離噴頭底端越近，液滴平均粒徑越小，反之，液滴平均粒徑越大；在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，離噴頭底端400 mm的水平截面的液滴平均粒徑約為1 975μm，而距離噴頭底端700 mm的水平截面的液滴平均粒徑約為2 350μm。

圖4 LSXPT-1型噴頭的入口壓力隨液體流量的變化

圖5 LSXPT-1型噴頭在不同噴淋截面的液滴粒徑隨液體流量的變化

根據(jù)沉降原理，隨著氣相速度的增加，只有當夾帶液體的粒徑足夠大時，液滴才容易沉降，而本實驗過程中氣相速度最高達到3.0～4.0 m/s，此時的相對運動為湍流，計算式如下［8］：

式中：u0為沉降速度；d為液滴粒徑；ρs為液滴密度；ρ為氣相密度；g為重力加速度。

根據(jù)上述公式計算，當為3.0～4.0 m/s時，只有當液滴粒徑大于400～700μm時，液滴才容易沉降。而在本實驗所測液體流量范圍內(nèi)的4個噴淋截面的液滴平均粒徑最小為1 975μm，可見LSXPT-1型噴頭所噴出的液滴不容易被氣體夾帶上升成為霧沫夾帶的一部分。

2.4 噴頭的霧沫夾帶規(guī)律研究

LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的霧沫夾帶量隨氣體流量的變化見圖6。由圖6可見：在液體流量一定時，噴出液體的霧沫夾帶量隨空塔氣速的增大而增大；當空塔氣速高達2.47 m/s時才開始出現(xiàn)微量的霧沫夾帶，空塔氣速大于3.65 m/s后霧沫夾帶出現(xiàn)快速遞增；空塔氣速達到4.0 m/s時，霧沫夾帶量小于7%，在塔器正常操作所允許的10%的霧沫夾帶量范圍內(nèi)。可見LSXPT-1型雙向液體噴頭可允許更高的氣速上限，提高塔的處理能力。在板式塔中當氣速高于2.6 m/s時，霧沫夾帶量已超過10%，這主要是因為板式塔內(nèi)每層塔板的有效開孔率最大不超過塔截面的20%，急劇增大了塔內(nèi)有效的氣體速度，氣體更容易將液體帶走，使霧沫夾帶量更大。而本實驗塔接近空塔，噴頭所占據(jù)的塔內(nèi)有效空間非常少，使得氣體通過塔內(nèi)截面的自由空間增大，有效截面內(nèi)的氣體速度相對較低，在氣速低于3.3 m/s時，相同氣速下的霧沫夾帶量隨液體流量的變化不明顯；隨著氣速的增大，霧沫夾帶量曲線逐漸分開，在相同氣速下霧沫夾帶量隨液體流量的增加而增加。

圖6 LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的霧沫夾帶量隨氣體流量的變化

3 結(jié) 論

（1）LSXPT-1型雙向液體噴頭的液體分布不均勻度系數(shù)在0.031～0.040之間，分布效果優(yōu)異。

（2）在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，LSXPT-1型雙向液體噴頭噴出的入口壓力為0.04～0.66 MPa，液滴粒徑在1 975～2 350μm之間，噴淋角度最大可達到130°，具有較大的有效噴淋面積。

（3）LSXPT-1型雙向液體噴頭在空塔氣速達到4.0 m/s時，霧沫夾帶量小于7%，在塔器正常操作所允許的10%的霧沫夾帶量范圍內(nèi)，可允許更高的氣速上限。

［1］高有飛.一種液體噴頭：中國，ZL201020211607.1［P］.2011-01-12

［2］王吉紅，于健，丁浩，等.填料塔的氣液分布及分布器的設(shè)計［J］.石油化工設(shè)計，2001，18（2）：1-7

［3］白躍華，李秀芝，李憑力，等.噴射式分布器的冷模試驗［J］.石油煉制與化工，2005，36（1）：39-43

［4］李憑力，顏世闖，解利昕，等.噴射式分布器的設(shè)計［J］.石油煉制與化工，2005，36（10）：41-44

［5］暢廣西，王辰涯.新型槽式液體分布器的開發(fā)與應(yīng)用［J］.煉油設(shè)計，1999，29（7）：43-45

［6］高有飛，馮志軍.LPT-1型液體分布器的分布性能及工業(yè)應(yīng)用［J］.石油煉制與化工，2011，42（5）：81-84

［7］俞曉梅.塔器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：235-236

［8］姚玉英.化工原理（上冊）［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2004：137-139

RESEARCH ON LSXPT-1 TYPE DUAL-DIRECTION LIQUID SPRAY NOZZLE

Zhao Minjie1，Gao Youfei1，Ma Liguo1，2
（1.SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Luoyang，Henan 471003；2.China University of Petroleum，Beijing）

The distribution performance，liquid drop size，the inlet pressure change and entrainment of the LSXPT-1 type dual direction liquid spray nozzle were studied in air-H2O system by synthetic glass tower（ID1 000 mm）device.The results indicate that its distribution non-uniformity coefficient are between 0.031—0.040，40%lower than that of the conventional trough-type liquid distributor as well as the buffer sedimentation-type liquid distributor，exhibiting excellent distribution performance.With increase of liquid flow rate，the nozzle inlet pressure increases.The pressure can reach to 0.04—0.66 MPa and the liquid drop size from dual-direction liquid spray nozzle is between 1 975—2 350μm in the flow rate range of 2.15—9.62 m3/h，much higher than the size of 400—700μm，required for the liquid droplet settling at gas-liquid flow in turbulent state when gas velocity between 3.0—4.0 m/s.Results show that the entrainment quantity is still less than 7%when the empty tower velocity is as high as 4 m/s.Thus the new nozzle can increase the tower’s upper limit of operating gas velocity and the processing capacity.

dual-direction；spray nozzle；non-uniformity；particle size；pressure；entrainment

2013-08-15；修改稿收到日期：2013-10-22。

趙敏潔，女，主要從事化學(xué)工程傳質(zhì)與分離的研究工作。

高有飛，E-mail：gaoyouf.lpec＠sinopec.com。