甲醇制丙烯反應器霧化噴嘴的性能研究

梁 健，莊 壯，鄔文燕，閆玉強，曾磊赟，蘇 毅

（1. 中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 201108；2. 神華寧夏煤業集團有限責任公司 研發中心，寧夏 銀川 750409）

甲醇制丙烯反應器霧化噴嘴的性能研究

梁 健1，莊 壯2，鄔文燕1，閆玉強1，曾磊赟1，蘇 毅1

（1. 中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 201108；2. 神華寧夏煤業集團有限責任公司 研發中心，寧夏 銀川 750409）

甲醇制丙烯（MTP）反應器依靠噴嘴控制床層溫度，對穩定反應條件起關鍵作用。以Lurgi公司MTP工藝的反應器噴嘴為研究對象，分別以氮氣和水作為氣相和液相的模擬介質，通過冷模實驗，研究了氣液相流量與入口壓力的關系，測量了液相及氣相兩相工況下的霧化粒徑和霧化角度等指標的變化規律，借助均勻性測量裝置，測量了噴嘴的霧化覆蓋直徑。實驗結果表明，噴嘴的氣液相流量隨入口壓力增大而逐漸增加，液相噴嘴的霧化性能與孔徑的尺寸相關，磨損或堵塞會對噴嘴性能產生不利影響；當氣液兩相工作時，霧化粒徑大幅減小，霧化角度變小，沖擊力較大且霧化覆蓋范圍縮小。

甲醇制丙烯；噴嘴；霧化；粒徑；均勻性

丙烯是僅次于乙烯的最重要的基本有機原料，主要來源于蒸汽裂解和催化裂化［1-3］、丙烷脫氫［4-6］、甲醇制丙烯（MTP）［7-14］和甲醇直接轉化制低碳烯烴（DMTO）［15-20］。丙烯廣泛用于合成聚丙烯、環氧丙烷、丙烯腈和異丙醇等，隨著丙烯衍生物應用領域的逐步擴展，丙烯需求量與日俱增，市場長期處于供不應求的局面。此外，我國石油資源匾乏，迫切需要發展非石油基的丙烯制備工藝。MTP工藝以生產丙烯為主，且在國內已工業化，實現了以煤為原料高選擇性地生產丙烯的目標，發展MTP工藝及其催化劑是我國煤化工領域的重點方向之一。

目前國內運行的MTP裝置采用的是德國Lurgi公司的專利技術［21-24］，該工藝最佳反應溫度介于470～480 ℃之間［25-30］，若反應溫度過低，催化劑選擇性差，丙烯吸收率低，易產生高碳組分；反應溫度過高則易加速催化劑的積碳失活，縮短催化劑壽命［31-33］。霧化噴嘴作為MTP反應器的核心構件，通過噴入水溶液和二甲醚氣體來控制床層溫度，穩定反應條件，這個過程要求所控制的反應區間溫度分布均勻并與最佳反應溫度基本一致，對噴嘴性能有較嚴格要求［34-37］。

本工作以Lurgi公司MTP工藝的噴嘴為研究對象，通過冷模實驗，對流體流量特性、霧化粒徑、霧化角度和霧化均勻性等參數進行了研究。

1 噴嘴的結構

Lurgi公司MTP反應器內的噴嘴為外混式氣粒霧化噴嘴，結構如圖1所示，由內到外依次由旋流器、內噴嘴及外噴嘴組成。內噴嘴的外壁與外噴嘴的內壁構成氣相通道，氣體通過內噴嘴的旋流槽經環隙高速旋轉噴出；內噴嘴內壁構成中心液相通道，液體經旋流器旋轉形成空心錐霧場，噴出后與氣相混合，形成氣液兩相的實心霧錐。液體進入旋流器后，流經分布于圓柱兩側的小孔進入到與小孔近鄰的旋流槽內，該旋流槽與內噴嘴的內壁面貼合形成了液相的旋流通道，該旋流槽尺寸非常小，液相因此形成兩股旋轉射流，實現了機械霧化。

圖1 噴嘴的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of nozzle.

霧化噴嘴均布于MTP反應器內各級催化劑床層。因為催化劑床層內填裝的催化劑逐級增加，故每級床層反應的轉化程度不盡相同，而MTP反應屬于強放熱反應，對應床層內的傳質與傳熱存在差異，從而導致對應床層內的床層溫度也不同。因此，每一級床層都有設定的噴嘴氣液相流量與壓力負荷（工作參數見表1）。

表1 MTP反應器內噴嘴的工作參數Table 1 The working parameters of the nozzles in methanol to propylene(MTP) reactor

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

噴嘴霧化性能實驗系統主要由水泵、液（氣）相管路及其流量和壓力控制系統、數據采集系統和工藝噴嘴安裝實驗臺架等組成。噴嘴霧化性能測試裝置示意圖見圖2。實驗過程參數的記錄和調節均采用遠程計算機控制；數據采集系統包括激光粒度儀、專用數據采集和記錄計算機以及高清攝像機組成。實驗時，噴嘴安裝在實驗用槍體上，氣液相管線通過金屬軟管與槍體連接，噴嘴下方的平臺上放置十字交叉的試管架，在直徑為1 700 mm的圓周范圍內均勻放置試管以測量霧化液滴的分布情況，試管距離噴嘴出口距離為2 100 mm，與實際運行工況高度相符，而激光粒度儀的測量點距離霧化噴嘴的高度為1 900 mm。

圖2 噴嘴霧化性能測試裝置示意圖Fig.2 Schematics of experimental section for testing the spraying properties.

2.2 實驗方法

本實驗采用氮氣和水作為冷模實驗的模擬介質。針對不同床層，每級選取一個噴嘴開展實驗，編號分別為1#，2#，3#，4#，5#。對于每一級噴嘴，以實際運行工況的氣體流量（G）或液體流量（L）為基準（根據表1確定），氣相取60%G，80%G，100%G，120%G，140%G，液相取60%L，80%L，100%L，120%L，140%L等工況點進行實驗。

噴嘴霧化性能實驗的具體方法如下：

1）將霧化噴嘴安裝在實驗平臺上，打開水泵，調節水路流量穩定后，利用高清照相機對液相霧化過程進行拍照和攝像，同時采用激光粒度儀收集霧化粒徑數據。

2）待液相測量完畢后，打開氣相管路閥門，調節氮氣流量穩定后，開始采集粒徑數據，同時重復攝像和拍照記錄。

3）將試管依次編號，稱重，并將其放置于試管架上，然后打開水路閥與氣路閥，待氣液相穩定后，計時30 min；計時完畢后，關閉氣液相閥門，然后對帶有液體的試管二次稱重，記錄數據。

實驗過程中，采用激光粒度儀收集和分析霧化粒徑數據，采用高清照相機采集霧化角度的照片和霧化過程的視頻，利用稱重法分析霧化均勻性和霧化覆蓋直徑，利用Gimp2.8.10軟件分析霧化角度。

3 結果與討論

3.1 液相流量特性

根據液相噴嘴的流量與壓力數據，得出MTP噴嘴的液相流量特性曲線，如圖3所示。由圖3可見，5個噴嘴的液相流量特性均較好，在相同壓降下，1#～5#噴嘴的液相流量逐漸增大。為了達到液相霧化效果，1#噴嘴所需流量最小，而5#噴嘴所需流量最大，說明噴嘴內部結構對噴嘴的液相流量產生較大的影響，這與不同催化劑床層需要的液相流量不同相適應。

圖3 MTP噴嘴液相流量與壓力的變化曲線Fig.3 Curves of liquid flow of MTP spraying nozzle varying with pressure.

3.2 氣相流量特性

MTP噴嘴氣相流量與壓力的變化曲線見圖4。由圖4可見，隨氣相入口壓力的增加，氣相流量隨之增大。5個噴嘴的氣相流量特性曲線基本重合，說明Lurgi噴嘴的氣相通道結構一致。

圖4 MTP噴嘴氣相流量與壓力的變化曲線Fig.4 Curves of gas flow of MTP spraying nozzle varying with pressure.

3.3 霧化特性實驗

霧化噴嘴液相通道依靠內部的旋流器結構配合出口的小孔徑實現機械霧化，圖5為在僅液相工質工作時，霧化噴嘴的霧化粒徑（索達爾平均直徑，SMD）與流量的變化曲線。就單個噴嘴來說，隨著液相流量的增加（液相壓力增加），SMD逐漸降低。1#噴嘴的SMD由148 μm降至100 μm；2#噴嘴的SMD由146 μm降至105 μm；3#噴嘴的SMD由145 μm降至107 μm；4#噴嘴的SMD由136 μm降至96 μm；5#噴嘴的SMD由129 μm降至95 μm。分析認為，5個噴嘴唯一的區別在于液相出口孔徑的大小，在相同流量下，1#～5#噴嘴的入口壓力減小，對應的SMD增大。

圖5 MTP噴嘴霧化粒徑與液相流量的變化曲線Fig.5 Curves of SMD of MTP spraying nozzle varying with liquid flow.

圖6為不同氣液負荷下1#噴嘴的霧化角度。由圖6可看出，一次霧化角度隨液相進料量的增加而增大；與一次霧化角度相比，二次霧化角度明顯減小。當噴嘴液相進料量分別為60%L，100%L，120%L時，霧化角度依次為58.41°，77.65°，77.87°；當噴嘴氣液同時工作，混合進料量為60%G-60%L，100%G-100%L，120%G-120%L時，霧化角度分別為15.63°，14.03°，13.53°。經測量，SMD由一次霧化時的100 μm降至20 μm。根據氣粒式霧化的原理，高速旋轉的氣相流體對液相進行沖擊、摩擦，實現霧化，由于噴嘴氣相通道的結構特點和大氣液比的流量分配，噴嘴的SMD可達到20 μm的水平，同時霧化角度受到極大的壓縮，氣液兩相的沖擊力較大，此現象不利于霧化的均勻性。

圖6 不同氣液負荷下1#噴嘴的霧化角度Fig.6 Atomization angle of 1# nozzle under different load.

3.4 霧化均勻性實驗

在霧化均勻性測量裝置中將試管十字布置，并對試管進行標號，中心試管編號為O，其余按照順時針方向依次標為A列（由內向外依次為A1～A18）、B列（B1～B18）、C列（C1～C18）、D列（D1～D18），A列和C列對角線布置，B列和D列對角線布置，每個試管間距為40 mm。選取100%G + 100%L的正常運行工況進行實驗，實驗前后均需對試管進行稱重，根據試管的質量變化研究霧化的均勻性。1#和5#噴嘴的試管稱重曲線見圖7。由圖7可知，試管的質量呈現中間高兩邊低的正態分布。

圖7 1#和5#噴嘴的試管稱重曲線Fig.7 Test tube weighting curves of 1# and 5# nozzle.

引入流量分布不均勻程度參數δ：

式中，mmax，mmin，mcp分別表示A，B，C，D四列試管質量的最大值、最小值和平均值，g。計算δ的平均值，得出噴嘴的流量不均勻程度。噴嘴的霧化均勻性參數見表2，其中，以編號為O的試管為圓心，取每列試管凈重累加之和占總凈重80%的試管所在的位置作為霧化范圍。由表2可見，霧化噴嘴在霧化過程中80%的液相流量分布在直徑640 mm（1#～4#噴嘴）或720 mm（5#噴嘴）的范圍內，僅占要求霧化范圍（根據Lurgi噴嘴的霧化設計角度20°～30°，可計算出設計的霧化直徑最大值是1 125 mm）的25.4%或32.14%，表明霧化范圍偏小、且不均勻程度較高。

表2 噴嘴的霧化均勻性參數Table 2 The spray uniformity parameter(δ) of the atomization nozzles

4 結論

1）噴嘴的液相流量特性均較好，流量隨壓力增大而增加，在相同壓降下，1#噴嘴所需流量最小，而5#噴嘴所需流量最大，噴嘴孔徑的變化對流量特性有較大影響。

2）隨液體流量的變化，1#～5#噴嘴的SMD具有相同的變化規律，流量增加（壓力增加），SMD減小，霧化角度在55°～80°之間。當氣液相同時進料時，SMD降至20 μm，霧化角度減小至15°左右。

3）80%的液相流量集中在中心小區域內，氣流剛性強，動量大，實際運行對催化劑床層的沖擊力較大。

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（編輯 王 萍）

Performance of atomization nozzles in methanol to propylene reactor

Liang Jian1，Zhuang Zhuang2，Wu Wenyan1，Yan Yuqiang1，Zeng Leiyun1，Su Yi1

（1. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China；2. Research and Development Division，Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd.，Yinchuan Ningxia 750409，China）

Methanol to propylene reactor depends on process nozzle to control the bed temperature，which plays a key role in stabilizing the reaction conditions. In the nozzle as the research object，respectively，using nitrogen and water as gas phase and liquid phase simulation medium，through the cold model experiment，the relationship between the gas and liquid flow and entrance pressure，variation of liquid phase and gas phase under the condition of atomization particle size and atomization angle index measurement were studied. Using uniformity measuring means，the spray nozzle cover diameter was measured. The results showed that the gas and liquid flow rate of nozzle increased with the inlet pressure increasing，the atomization performance of the liquid phase nozzle was related to the size of the aperture. Wear or blockage would adversely affect the performance of the nozzle. When the gas-liquid two-phase ran together，the atomized particle size decreased greatly and the spray angle became smaller，the impact force simultaneously was stronger and the covered area of the atomization began to narrow. According to the problems existing in the operation，it is necessary to improve and optimize the structure of the nozzle.

methanol to propylene；nozzle；atomization；particle size；uniformity

1000-8144（2017）07-0908-06

TQ 221.2

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.07.013

2017-01-10；［修改稿日期］2017-06-05。

梁健（1987—），男，山東省泰安市人，碩士，工程師，電話 021-31310279，電郵 443103309@qq.com。

中國國家國際科技合作專項項目（2015DFA40660）；寧夏回族自治區寧東能源化工基地科技創新項目（2014NDKJ100）。