大型环路液体喷雾实验装置设计与开发

蔡文明++陈琴珠

摘 要：大型环路液体喷雾实验装置设计是模拟化工设备喷雾式反应器的结构，喷雾式反应器关键部件是雾化喷嘴的选型。该实验装置的设计与开发目的是让学生了解化工先进设备，并对雾化喷嘴的选型进行研究。实验表明，该实验系统可模拟气液喷雾式反应器内部喷雾场的实际效果，对单个雾化喷嘴的雾化特性参数（流量特性、雾化锥角、雾滴粒度及分布）进行测试，也为其他高校建立实验平台提供较好的信息。

关键词：喷雾式反应器 雾化喷嘴 实验装置

中图分类号：S491 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0001-02

大型环路液体喷雾反应装置是化工生产中较为常用的气液接触反应装置，其典型代表有Press外循环乙氧基化反应器、Buss回路反应器等等[1-2]。目前大型环路液体喷射的技术仍由国外公司垄断，国内很多高校都积极地在开展研究工作，包括浙江大学、中国海洋大学、天津大学等高校实验室都在研究设备工艺，设备扩容开发等[3-5]。为了使得学生了解此类设备，并模拟喷雾反应的传质过程，该文中以现有的Press外循环乙氧基化反应器为基础，设计了一套环路液体喷射实验装置，不仅使得针对大型环路液体喷雾反应装置的研究从理论研究走向实际，也为大学生开展创新实践活动提供了开放式平台。

1 环路液体喷雾实验系统设计

为了分析研究外循环喷雾式反应装置的工作机理，并从理论角度优化改进气液接触反应器的结构，从而提升反应效率。设计并搭建能够模拟外循环喷雾系统的实验平台，以便直观的分析其喷雾状况。

1.1 实验设计原则

由于环路喷射系统中最重要的就是雾化效果，因此可以在实验设计时采用如下简化：

（1）只针对相应的环路喷射系统进行实验，而不考虑其它的反应系统。实验中只模拟液相从反应器底部经过循环系统再雾化喷出的过程，而不模拟雾化后的气液接触反应过程。

（2）由于反应器内设有多个喷嘴，且多个喷嘴的结构参数相同，因此在测试雾化喷嘴的性能时，可只针对单个喷嘴进行循环回路实验，不仅可以简化实验装置，而且可以清晰的测试喷嘴的雾化性能。

1.2 实验设备设计

为了针对大型环路喷射装置进行冷态模拟实验，在现有实际的外循环喷雾式反应器的基础上，设计具有可操作性的小型反应器。为了反映真实的喷射效果，实验装置应保持原有反应器的物料分布结构形式。内径与实际反应器保持一致，同时考虑到反应器在长度方向上结构的重复性，在设计中缩短反应器筒体的长度，而保留封头两端的结构。在环路喷雾模拟实验中，参照现有乙氧基化反应器的结构，设计小型环路液体喷射实验装置。该实验装置在尺寸上与实际反应器保持一致，而只缩短了反应器的长度，能够较为真实的反映实际反应器中的喷雾效果。

2 实验方案

整个大型环路液体喷雾实验分为两部分进行：一部分是分析研究反应器内部的喷雾状况，从而优化改进雾化喷嘴的排列方式；另一部分为单个雾化喷嘴性能测试实验，可针对喷嘴的雾化特性进行测试。

2.1 环路液体喷射实验

环路液体喷射实验流程如图1所示，该实验装置包括小型反应器、储水罐、循环泵以及氮气发生装置等等。其实验流程如下：实验开始前，向反应器内通入氮气直到压力保持在0.4MPa，然后开启循环泵，使得储水罐内的液相物料通过循环管路进入反应器，待反应器内物料达到预定剂量后，关闭储水罐阀门并将反应器下方的阀门通道打开，构成循环回路，然后观察反应器内的喷雾状况。主要的实验设备有：小型反应器；循环泵：流量为，扬程为39 m，功率为19.8kW；电磁流量计和压力表，用于记录并控制反应器内喷嘴的喷射流量和管路进口压力；雾化喷嘴。为比较各类喷嘴的雾化性能，选取三种喷嘴类型：离心式雾化喷嘴、螺旋槽式雾化喷嘴和实心广角喷嘴。

2.2 喷嘴雾化性能测试实验

为了测定各类型喷嘴的雾化性能，获得最符合工艺要求的雾化喷嘴，必须通过实验测试得到详细的雾化性能参数。由于通过环路喷射实验装置中设有多个喷嘴，加上水的雾化遮住视线，难以看清单个喷嘴的雾化效果，因此又专门建立了针对单个喷嘴选型的实验装置，装置如图2所示。

实验装置由移动水箱、物料泵、管路、雾化喷嘴、激光粒度分析仪等构成。其实验流程如下：通过物料泵将移动水箱内的水经管路打入水箱上方的管路出口，在出口处安装一个雾化喷嘴，并通过水箱两边所开的圆孔，利用激光粒度分析仪测定其雾化性能。

3 实验方法与结果举例

在环路液体喷射实验中，针对装置中的多个雾化喷嘴，可采用流量控制法，通过逐步控制流量的方式，观察装置内随流量变化时喷雾状态的变化情况，同时记录管路压力的变化规律，实际喷雾效果图3所示。

在喷嘴雾化性能测试实验中，通过转子流量计控制管路流量，可分别测试记录不同流量下雾化喷嘴的喷射压力、雾化形态、喷雾锥角以及雾滴尺寸数据。根据所测数据可分析雾化喷嘴的各个雾化特性随流量的变化规律，同时也可横向比较不同喷嘴在同一流量下的喷雾特性，为外循环喷雾式反应器中雾化喷嘴的选型提供依据。如表1所示分别为某种压力旋流式喷嘴在流量为3.0时的喷雾形态和雾化特性测试数据。

4 结语

大型环路液体喷雾实验平台通过对结构和尺寸上的设计，最大程度的模拟了实际生产中外循环喷雾式反应器的液体喷雾效果，为反应器内部结构优化提供实验指导。同时，单喷嘴雾化性能测试系统能够从流量特性、雾化形态、雾滴尺寸等方面，准确的分析测试喷嘴的雾化性能，为喷雾式反应器中雾化喷嘴的选型提供实验依据。

参考文献

[1] 李佳.半间歇乙氧基化反应器数学模型与模拟研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[2] 韦永继.乙氧基化工艺研究进展[J].化工进展，1993（3）：38-39.

[3] 肖杨，刘道平，杨群芳，等.雾流方式制备水合物反应器的模型及分析[J].石油与天燃气化工，2008，37（2）：97-99，118.

[4] 张海滨.外循环乙氧基化反应装置换热系统模拟与优化研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[5] 范存良.外循环喷射反应器的研究[J].化学工程师，1998，4（67）：43-45.

[6] 李佳，安维中，张海滨，等.外循环喷雾式乙氧基化反应器的数学模型与模拟[J].化工学报，2010，61（12）：3180-3185.