低壓大流量氣液兩相混合器霧化性能實(shí)驗(yàn)

劉子龍,陳琴珠,王學(xué)生,張 朝

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

草酸二甲酯加氫霧化混合制取乙二醇是目前煤制乙二醇重點(diǎn)研究的方向[1-2]，該工藝氣液兩相混合的關(guān)鍵點(diǎn)在于霧化噴嘴的選型以及混合器內(nèi)噴嘴的布置方式。國內(nèi)外學(xué)者[3-6]對噴嘴霧化性能做了大量研究，研制了各種類型的噴嘴，然而由于噴嘴霧化性能的限制，僅靠噴嘴實(shí)現(xiàn)的液體霧化平均粒徑并不能滿足工藝要求。為進(jìn)一步破碎霧化后的液滴，減小平均粒徑，實(shí)際生產(chǎn)中常采用氣體沖擊二次破碎技術(shù)，文獻(xiàn)[7-12]中對二次破碎進(jìn)行了大量模擬研究；文獻(xiàn)[13-14]中通過實(shí)驗(yàn)研究了噴嘴布置方式。本文在這些研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種低壓大流量、平均粒徑為250 μm的噴嘴，并通過CFD數(shù)值模擬，獲得了噴嘴液相與高速氣相對噴的最佳角度，實(shí)現(xiàn)氣液兩相對噴粒徑二次破碎，使氣液兩相混合霧化平均粒徑達(dá)到150 μm，為草酸二甲酯加氫霧化混合器的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 噴嘴霧化性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)裝置

通過對噴嘴結(jié)構(gòu)的理論分析，研制出4種類型的低壓大流量噴嘴，如圖1所示。為研究不同旋芯噴嘴對霧化性能的影響，搭建了一套測試噴嘴霧化性能的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。在循環(huán)泵的作用下，水箱內(nèi)的水沿管路流向噴嘴，并噴射出微粒徑的霧化液滴，激光粒度分析儀通過水箱兩邊開設(shè)的兩個觀測孔測試噴嘴的霧化性能參數(shù)。

(a)實(shí)心X型噴嘴

(b)離心壓力噴嘴

(c)螺旋四槽噴嘴

(d)螺旋六槽噴嘴

1-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),2-流量計(jì),3-激光粒度分析儀,4-噴嘴,5-離心泵,6-調(diào)節(jié)閥

圖2 噴嘴霧化性能測試流程

為便于觀察噴嘴霧化情況，噴霧箱材料選用透明玻璃；使用型號為Winner318C的激光粒度分析儀測量霧化粒徑，霧滴測試范圍為4.6～2 000 μm，實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示。利用該平臺可在無接觸無干擾噴霧原場的情況下，準(zhǔn)確地測得噴嘴霧化液滴的索特爾平均粒徑和粒度分布。

圖3 噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)測試平臺

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4種旋芯的噴嘴在最大流量下的噴霧場通過高速攝像儀拍攝，如圖4所示。不同旋芯噴嘴的噴霧錐角通過ImageJ軟件進(jìn)行測量。

(a)實(shí)心X型噴嘴

(b)離心壓力噴嘴

(c)螺旋四槽噴嘴

測量結(jié)果表明,2種螺旋槽式噴嘴的霧化錐角范圍為83°～105°，離心壓力噴嘴的霧化錐角范圍很窄為80°～85°，實(shí)心X型噴嘴的有較大的噴霧錐角和較大的噴霧范圍，錐角可達(dá)125°左右。對4種旋芯噴嘴在最大流量下的霧滴尺寸均進(jìn)行測量并求取平均值，歸納如下：離心壓力噴嘴平均粒徑294.699 μm,螺旋四槽噴嘴平均粒徑266.103 μm，螺旋六槽噴嘴平均粒徑248.682 μm，實(shí)心X型噴嘴平均粒徑287.496 μm。

在最大流量下4種旋芯噴嘴平均霧化粒徑各不相同，與螺旋四槽噴嘴、實(shí)心X型噴嘴和離心壓力噴嘴相比，螺旋六槽噴嘴的索特爾平均粒徑最小，為248.682 μm。為滿足工藝條件氣液兩相混合霧化粒徑小于200 μm，根據(jù)二次破碎原理，調(diào)整噴嘴液相與高速氣相對噴的角度，從而將粒徑從250 μm減小至200 μm以下。

2 混合器霧化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)流程及裝置

為了研究噴嘴液相與高速氣相對噴角度對霧化混合效果的影響，搭建了一套霧化混合測試平臺。霧化混合器實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5所示，混合器內(nèi)徑1.2 m，有效長度2.4 m，外壁使用機(jī)玻璃制作以達(dá)到可視化的目的，圓孔便于使用粒度分析儀測量霧化粒徑；分析噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，與螺旋四槽噴嘴、實(shí)心X型噴嘴和離心壓力噴嘴相比，螺旋六槽噴嘴的索特爾平均粒徑在同一流量下最小，因此本次實(shí)驗(yàn)沿混合器周向均布4個螺旋六槽噴嘴。

圖5 霧化混合器實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 數(shù)據(jù)測量及統(tǒng)計(jì)

利用激光分析儀共采集了40組數(shù)據(jù)，利用軟件中的分析功能將所記錄的多組數(shù)據(jù)取平均值，得到某一噴嘴轉(zhuǎn)角下混合器內(nèi)的平均霧滴尺寸及分布。表1所示為4種噴嘴轉(zhuǎn)角的平均霧滴尺寸分布表。

表1 4種噴嘴轉(zhuǎn)角的平均霧滴尺寸分布

3 混合器霧化CFD模擬

3.1 混合器模型CFD前處理

草酸二甲酯加氫混合器內(nèi)部流道模型的建模通過ANSYS中的geometry完成，流道模型的網(wǎng)格劃分在ANSYS工作平臺的MESH中完成，對于面積突變及模型轉(zhuǎn)角處采用局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)2 502 214個，網(wǎng)格總數(shù)共608 450個，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)得出該網(wǎng)格劃分結(jié)果符合計(jì)算要求。

圖6 霧化混合器網(wǎng)格劃分

3.2 混合器霧化CFD模擬

草酸二甲酯加氫混合噴射霧化的流動過程，是滿足質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒的。對于流體處于穩(wěn)態(tài)，即密度不隨時間而變化，質(zhì)量守恒方程可以表示為：

(1)

對于不可壓縮牛頓流體，黏性力與流體的變形率成正比，動量守恒方程可表示為式：

(2)

(3)

(4)

在噴射霧化的流動過程中，以溫度為變量的能量守恒方程表示為：

(5)

模型設(shè)置速度為進(jìn)口邊界條件，壓力為出口邊界條件，其余部分為無滑移邊界條件；4個噴嘴沿混合器周向均布，噴嘴轉(zhuǎn)角設(shè)置如圖7所示，噴霧錐角設(shè)置為90°；湍流模型為RNGk-ε模型[15]，碰撞破碎模型選擇TAB模型，求解方法采用SIMPLE算法，離散方法均選擇二階迎風(fēng)算法，這樣可避免一階迎風(fēng)在Pe數(shù)較大時的假擴(kuò)散問題。完成上述設(shè)置后，進(jìn)行流場始化，設(shè)置計(jì)算步長，開始計(jì)算求解。

(a)噴嘴布置方式

(b)噴嘴轉(zhuǎn)角示意圖

本文通過ASPEN的物性數(shù)據(jù)庫查得模擬物質(zhì)的物性參數(shù)，其中軸向噴入混合器內(nèi)的混合氣體組分N23.615 mol%,H295.548 mol%,CH4O 0.817 mol%,C2H6O 0.011 mol%,H2O 0.008 mol%，操作溫度為155 ℃，操作壓力為3.06 MPa，噴嘴徑向噴射的液體介質(zhì)為100%的草酸二甲酯，操作溫度為135 ℃，操作壓力為3.39 MPa，見表2。

表2 模擬物性參數(shù)

4 結(jié)果分析與討論

圖8所示噴霧錐角90°時，草酸二甲酯加氫混合器內(nèi)霧滴平均粒徑隨噴嘴轉(zhuǎn)角變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的比較。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，轉(zhuǎn)角0°時霧化粒徑為183 μm左右，當(dāng)噴嘴轉(zhuǎn)角變?yōu)?0°粒徑減小到了128 μm左右；從模擬結(jié)果同樣可以得出隨噴嘴轉(zhuǎn)角的增大，平均粒徑隨之減小，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符，證明了模擬結(jié)果的正確可靠性。從模擬與實(shí)驗(yàn)的比較來看，實(shí)驗(yàn)得出的平均粒徑曲線要高于模擬值，實(shí)驗(yàn)過程中液流會有所波動，影響了草酸二甲酯的霧化效果，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量值大于模擬值。

圖8 噴嘴轉(zhuǎn)角-霧化粒徑關(guān)系模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

通過CFD模擬得出不同噴嘴轉(zhuǎn)角，霧化混合器內(nèi)部粒徑分布情況如圖9所示。

(a)轉(zhuǎn)角0°

(b)轉(zhuǎn)角10°

(c)轉(zhuǎn)角20°

(d)轉(zhuǎn)角30°

由圖9可以看出，在噴嘴霧化噴出草酸二甲酯，并被混合器一側(cè)氣體帶出容器過程，噴嘴轉(zhuǎn)角20°和30°有明顯較大粒徑的顆粒，主要分布在紅圈范圍內(nèi)，隨著噴嘴轉(zhuǎn)角的增大，該范圍的大粒徑顆粒分布也越多；從圖9(c)及(d)可以看出，在藍(lán)圈中產(chǎn)生了粒徑更小的霧化液滴，并沿混合器軸線方向被混合器一側(cè)氣體帶出容器，該情況在圖(d)噴嘴轉(zhuǎn)角30°的工況時尤為明顯，而在噴嘴轉(zhuǎn)角0°、10°的工況并未出現(xiàn)此種情況。這是因?yàn)榱捷^大的液滴由于不能被氣流及時帶走，在噴嘴處會被高速噴出的霧化液滴及自左向右的氣體撞擊，發(fā)生二次破碎形成更小的顆粒并被左側(cè)的氣流帶出容器。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套完善的霧化混合測試平臺，實(shí)驗(yàn)測量了4種不同旋流芯噴嘴的霧化情況，以及草酸二甲酯加氫霧化混合粒徑的大小及分布，并進(jìn)行了霧化混合過程模擬，得出結(jié)論如下：

(1)噴嘴霧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與螺旋四槽噴嘴、實(shí)心X型噴嘴和離心壓力噴嘴相比，螺旋六槽噴嘴在獲得微小霧化粒徑方面有較大優(yōu)勢。

(2)螺旋六槽噴嘴的索特爾平均粒徑約250 μm，通過霧化混合實(shí)驗(yàn)以及模擬表明，改變霧化混合器內(nèi)噴嘴轉(zhuǎn)角可使霧化平均粒徑最低達(dá)到127 μm，滿足草酸二甲酯加氫混合制取乙二醇工藝要求。

(3)實(shí)驗(yàn)測得混合器內(nèi)霧滴平均粒徑隨噴嘴轉(zhuǎn)角的增大而減小，且實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了模擬的可靠性，并為之后的研究提供參考。

(4)模擬結(jié)果表明，噴嘴轉(zhuǎn)角為30°時，出現(xiàn)了明顯的二次破碎現(xiàn)象，該工況下霧化混合粒徑要小于其他情況，這可能是由于噴嘴轉(zhuǎn)角為30°時液滴與混合氣體的相對速度較大引起的。