工質物性對催化裂化進料噴嘴霧化特性影響的仿真模擬及實驗研究

尹傳忠，劉雪東，謝紅笑，馬 乾，溫傳美

（常州大學 機械工程學院 江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇 常州 213164）

進料噴嘴是催化裂化（FCC）裝置最關鍵的部件之一，隨著原料油的重質化和劣質化，對進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，反應越充分［1-2］。李欣疏等［3］采用mixture模型對FCC進料噴嘴內流場及混合特性進行數值模擬研究，得出混合腔內置螺旋導流結構可以明顯促進噴嘴霧化性能。白鵬博等［4］通過數值模擬研究了內混式噴嘴混合段及外流場的平均粒徑變化，并通過實驗進行對比。Sovani等［5-6］研究了氣泡霧化噴嘴結構及操作參數對射流霧化及液滴粒徑分布的影響。毛傳林等［7］結合湍流模型和離散相模型對氣泡霧化噴嘴進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律。朱曉麗等［8］建立提升管反應器進料段氣液兩相流模型，探究了油劑間接觸分布情況，得出了適當增大噴霧錐角有利于提高FCC反應效率。李進賢等［9］對不同的旋流組合式FCC進料噴嘴進行了液流分布實驗研究。

本工作采用水及石蠟基基礎油進行了霧化實驗，分析了工質物性對噴嘴霧化特性的影響規律并與仿真結果進行了對比，為優化霧化噴嘴設計提供參考。

1 仿真模擬計算

1.1 幾何模型

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

圖1 FCC進料噴嘴結構簡圖Fig.1 Structure of FCC feed nozzle.

1.2 網格劃分

圖2為采用gambit軟件對噴嘴計算域進行網格劃分。

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

為了提高計算精度，氣相入口、混合腔部位及離散相計算域采用四面體網格，進液孔槽結構采用較為復雜的非結構網格劃分，在噴嘴出口處和近壁面處采取局部網格加密處理，外部離散相霧化域取φ100 mm的圓柱體，如圖2b所示。網格歪斜度為0.4，長寬比小于5∶1，網格質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，先通過穩態模擬得到穩態的速度場，再加入離散相，采用三維不可壓縮非穩態雷諾時均N-S方程，考慮到相間動量、熱量及質量交換源項的相間耦合，進行非穩態計算最終得到霧化液滴的運動軌跡。

1.3.1 氣相模型

氣相采用標準k-ε湍流方程和組分運輸模型［10-11］，其湍流動能方程見式（1）。

湍流動能耗散率（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形成一定粒徑的液滴，這種高速射流霧化的韋伯數往往大于100，本工作選用Wave破碎模型［12］：

1.4 邊界條件及計算方法

氣相入口邊界條件為進口速度，進口水力直徑為13 mm，選擇平口霧化模型，液體質量流量為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，湍流動能、動量、耗散率均采用二階迎風格式，迭代松弛因子保持默認值，時間步長取10-3s，每個時間步的最大迭代次數盡可能大，確保兩相耦合收斂。壁面采用無滑移邊界條件進行計算。

2 仿真模擬結果與分析

2.1 霧化液滴的分布特性

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

表1 霧化工質的物性參數Table 1 Physical properties of working fluid

2.1.1 工質黏度對液滴速度、平均粒徑的影響

以水、柴油和石蠟基基礎油三種進料工質（黏度值相差明顯）進行模擬。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料時的28.501 m/s下降到最小約14.24 m/s，這是由于射流在進入霧化場中，受到氣動力的作用與空氣進行動量交換，同時由于氣液的混合及內部流體流動阻力導致的壓力降，致使液滴能量損失，速度下降。由于不同黏度液體的流動性能不同，顯然水的流動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先增大后逐漸減小的趨勢，此時靠近霧矩邊緣處黏度較大液體的霧化液滴速度受氣動力作用加強而迅速減小。

霧化粒徑的分布是評價FCC進料噴嘴霧化質量的重要指標［13］，霧化平均粒徑采用SMD表示，SMD為液霧內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，液體流動性越差，受到氣液兩相作用的湍流動能較小，導致中心處液滴粒徑較大。噴霧外側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、柴油和石蠟基基礎油三種工質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油的霧化錐角的差距較大。可見，在出口結構未改變的情況下，工質黏度對出口處霧化液滴群的擴散有影響，工質黏度較大，噴霧錐角相對較小。

2.1.2 工質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，保持進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。可見，液體工質的表面張力對霧化效果具有一定的影響，表面張力越小，SMD呈現減小的趨勢，霧化效果相對較好，Ejim等［14］的研究也驗證了該結論。

圖5 工質分別為水（a）、柴油（b）及石蠟基基礎油（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 實驗結果與分析

3.1 實驗系統

為了驗證仿真模擬結果的可靠性，設計和搭建了實驗裝置，以水及石蠟基基礎油為實驗工質進行霧化實驗。實驗裝置流程為離心泵驅動工質貯槽內的工質流經液體轉子流量計和壓力表后，由進液管流入噴嘴；空氣壓縮機產生的壓縮空氣儲存在氣體緩沖罐中，氣體流經氣體渦輪流量計和壓力表后，由進氣管進入噴嘴，在噴嘴內部經過混合腔激烈摻混后，霧化成細小的液滴。

3.2 實驗結果與分析

圖7為進氣壓力對霧化粒徑的影響。由圖7可知，在同一進氣壓力下石蠟基基礎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）。而隨著進氣壓力的逐漸增加，兩者的平均霧化粒徑均呈現出不斷減小的趨勢，當進氣壓力為0.13 MPa時，水和石蠟基基礎油的平均霧化粒徑均較小，相差約為13 μm。可見，石蠟基基礎油霧化粒徑的變化受進氣壓力的影響較大，這是由于壓力的增加導致氣液速度差的不斷提高，對于高黏度的液體，霧化過程中氣動力足夠大，產生的動能促使氣液之間的剪切擠壓更強烈，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.

在室內溫度為25 ℃時，分析水和石蠟基基礎油的實驗霧化效果，得出同一工況下石蠟基基礎油的霧化粒度要大于水的粒度，霧化錐角相對較小。將實驗所得霧化錐角與相對應工質模擬的霧化錐角進行對比，略有差距，但基本吻合，考慮到實驗環境的影響，誤差在合理范圍之內。

通過測量水及石蠟基基礎油霧化液滴平均粒徑的體積分數的分布，得出在進氣壓力在0.03～0.13 MPa區間，當壓力較低時，氣液作用較弱，兩者的大粒徑液滴所占的體積分數較高。提高進氣壓力，被霧化的水的小粒徑液滴所占的體積分數明顯多于石蠟基基礎油，而大粒徑液滴所占的體積分數不斷減小，說明隨著進氣壓力的不斷增加，基礎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為模擬值與實驗值的對比。考慮到數值仿真的霧化模型是基于經驗加理論的分析計算得到的，而在實際霧化實驗中由于氣壓、流量測量及馬爾文噴霧粒度儀的測量精度等對結果產生的影響，誤差在合理的范圍（10%）之內。說明采用霧化過程的數值模擬是可靠的，可以預測粒徑的分布。

圖8 模擬值與實驗值的對比Fig.8 Comparison with simulation and experimental data.

4 結論

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

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

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

4）在一定的粒徑范圍內，水的小粒徑液滴所占的體積分數明顯多于石蠟基基礎油，隨著進氣壓力的不斷增加，石蠟基基礎油的噴霧場中小粒徑的液滴逐漸增多，體積分數分布逐漸趨于均勻，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）實驗值與模擬值對比吻合效果較好，仿真計算可以預測霧化粒徑的分布。

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