催化裂化進料霧化噴嘴的數值模擬及分析

李欣疏 孫鵬堯

摘 要：本文采用計算流體力學fluent軟件，基于歐拉-歐拉方法的VOF模型，對催化裂化進料霧化噴嘴的內部氣液兩相工質流動狀態進行模擬，對噴嘴內部液相體積分數分布、速度、湍流強度以及壓力進行分析。

關鍵詞：催化裂化；噴嘴；數值分析

中圖分類號：TH123.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0041-03

Numerical Simulation and Analysis of FCCFeed Atomizing Nozzle

LI Xinshu1 SUN Pengyao2

（1. College of Electromechanic Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022；2.Jilin Special Equipment Inspection Center，Jilin Jilin 132022）

Abstract： Based on the VOF model of euler - euler method， Fluent software was used to simulate the flow state of the internal gas-liquid two-phase working medium of the catalytic cracking feed atomizing nozzle. The volume fraction distribution， velocity， turbulence intensity and pressure of liquid phase in nozzle were analyzed.

Keywords： catalytic cracking；nozzle；numerical analysis

隨著原料油質量下降，催化裂化進料霧化噴嘴的結構要求逐日提高。催化裂化作為一種在湍流狀態下的催化反應，其原料油與催化劑的接觸形式將直接影響生產產品質量[1，2]。王文嬌[3]等人應用fluent軟件分析噴嘴腔內氣液兩相工質的流場，通過計算分析該噴嘴內部氣液兩相的壓力、溫度、密度和速度等參數的基本情況，同時對該噴嘴出口的激波和相變凝結激波進行分析，并對其基本特性進行理論分析與驗證。徐開華[4-7]等人分析了噴嘴內工質的流動特性及外部霧化特征。Chen[8]等人對催化裂化反應器的提升管進行研究，通過對提升管反應器數值進行分析，得出催化裂化進料霧化噴嘴在提升管反應器中的重要位置。

1 計算方法

該噴嘴氣相工質為可壓縮蒸汽，氣液兩相工質間存在能量交換，遵從能量守恒定律。采用計算流體力學CFD方法，fluent軟件的Euler-Euler方法的VOF模型對噴嘴內部的氣液兩相流動狀態進行分析。與Mixture模型相比，VOF模型計算更便捷。采用[k-ε]模型的修正方案RNG [k-ε]模型進行計算。

2 數值模擬過程

2.1 幾何模型

如圖1所示，霧化蒸汽由水平方向的進氣管進入噴嘴，原料油由斜插的進液管進入噴嘴。為方便網格劃分，提高網格質量，對噴嘴計算模型進行簡化，具體結構參數如表1所示。

2.2 網格劃分

采用GAMBIT軟件進行網格劃分。該模型的結構規則區域采用結構化網格進行劃分，在結構相對復雜的進液孔段無法生成結構化網格，則采用非結構化網格進行劃分，這樣既可以提高計算效率，又不會對混合腔段流場產生影響。網格劃分總數為162 825個。

2.3 邊界條件及初始條件

邊界條件設置如下：氣相入口邊界采用mass-flow-inlet，液相入口邊界采用velocity-inlet，出口邊界設置為pressure-inlet。霧化蒸汽進與原料油兩相工質的進料量之比為1∶20。

3 模擬結果分析

3.1 氣液兩相體積分數分布

液相原料油體積分數分布情況如圖2所示。原料油由液相入口進入噴嘴，被高體積分數的蒸汽沖擊，流經混合腔至出口。隨著Z值不斷減小，原料油由較為集中的4點分布逐漸擴散開，體積分數分布在出口Z=-610mm截面處，相比混合腔初始部位Z=-10mm截面處要均勻得多。

3.2 速度分布

如圖3所示，霧化蒸汽在噴嘴喉部收縮段由于截面變小，從而速度增大，到喉部擴張段由于截面變大，速度有所降低，待流至進液孔處，受原料油摻混的影響，霧化蒸汽流動空間受限，故在霧化蒸汽組分較高的混合腔中心部位速度較高。但是，隨著原料油與霧化蒸汽在混合腔內混合逐漸均勻，流體速度也逐漸趨于平穩。噴嘴出口處截面突然變小，致使流體速度再次提升，如圖4所示。混合腔近壁面處比中心處原料油的組分高，故噴嘴出口速度呈現出中心高近壁面低的趨勢，噴嘴出口速度峰值出現在中心處，最大值達到209m/s，出口平面的速度平均值為101.18m/s。

3.3 湍流強度分布

氣相霧化蒸汽的流速明顯高于液相原料油的流速。由于霧化蒸汽在混合腔中心區域的流動占主導地位，故混合腔中心區域的湍流強度變化明顯。如圖5所示，由于出口段截面減小，湍流程度更劇烈。噴嘴出口湍流強度的徑向分布如圖6所示。從圖6可以看出，出口平面湍流強度基本呈對稱分布，在半徑3mm的出口平面中心內，湍流強度達到最大值，且數值趨于平穩，在半徑大于3mm的區域，隨著半徑的逐漸增大，湍流強度值逐漸降低。

3.4 壓力分布

噴嘴的霧化效果在一定程度上與噴嘴的壓力降有關，故壓降大小決定了噴嘴霧化程度。如圖7所示，噴嘴氣相入口壓力為0.75MPa，隨著氣液兩相的流動，噴嘴內部的壓力無明顯變化，噴嘴出口段壓力逐漸下降，最終在出口平面達到0.35MPa，壓力在噴嘴出口段的變化最為明顯。

4 結論

①采用VOF多相流模型可以有效模擬噴嘴內部氣液兩相的流動狀態。

②噴嘴出口段氣液兩相摻混最均勻，且出口平面中心處速度最大值為209m/s，湍流程度在出口平面半徑3mm內最激烈，有利于工質霧化。

③壓力在噴嘴出口段的變化證明了在一次霧化末端，二次霧化前端，噴嘴出口段的結構對噴嘴物化性能的影響尤為重要。

參考文獻：

[1]董群，豐銘，仇登可，等.催化裂化進料霧化噴嘴技術的研究進展[J].化學工業與工程技術，2012（1）：31-37

[2]Carla I C，Joana L，Alexandre J S，et al.Fluid Catalytic Cracking（FCC） Process Modeling， Simulation， and Control[J].Industrial & Engingeering Chemistry Research，2012（1）：1-29.

[3]王文嬌.氣液兩相噴射器內部的數值計算[D].大連：大連理工大學，2014.

[4]徐開華.新型雙流噴嘴的霧化實驗研究與數值模擬[D].廣州：華南理工大學，2013.

[5]李欣疏，劉雪東，李振才，等.FCC進料霧化噴嘴結構對內部流場及混合特性的影響[J].石油煉制與化工，2016（2）：21-25.

[6]史衛東，張良，陳亮，等.改變結構參數對旋流噴嘴內外兩相流場的影響[J].航空動力學報，2013（1）：158-163

[7]王鵬.旋流噴嘴設計計算和兩相流動模擬分析[D].大連：大連理工大學，2012.

[8]Chen S， Fan Y， Yan Z， et al. CFD Simulation of Gas–solid Two-phase Flow and Mixing in a FCC Riser with Feedstock Injection[J]. Powder Technology，2016（JAN）：29-42.