工质物性对催化裂化进料喷嘴雾化特性影响的仿真模拟及实验研究

尹传忠，刘雪东，谢红笑，马 乾，温传美

（常州大学 机械工程学院 江苏省绿色过程装备重点实验室，江苏 常州 213164）

进料喷嘴是催化裂化（FCC）装置最关键的部件之一，随着原料油的重质化和劣质化，对进料喷嘴雾化效果的要求日益提高。雾化效果主要是指喷出液滴的粒径分布，与催化剂粒径越接近，接触比表面积越大，反应越充分［1-2］。李欣疏等［3］采用mixture模型对FCC进料喷嘴内流场及混合特性进行数值模拟研究，得出混合腔内置螺旋导流结构可以明显促进喷嘴雾化性能。白鹏博等［4］通过数值模拟研究了内混式喷嘴混合段及外流场的平均粒径变化，并通过实验进行对比。Sovani等［5-6］研究了气泡雾化喷嘴结构及操作参数对射流雾化及液滴粒径分布的影响。毛传林等［7］结合湍流模型和离散相模型对气泡雾化喷嘴进行二次雾化过程模拟，得出了索特尔平均直径（SMD）随轴向距离的分布规律。朱晓丽等［8］建立提升管反应器进料段气液两相流模型，探究了油剂间接触分布情况，得出了适当增大喷雾锥角有利于提高FCC反应效率。李进贤等［9］对不同的旋流组合式FCC进料喷嘴进行了液流分布实验研究。

本工作采用水及石蜡基基础油进行了雾化实验，分析了工质物性对喷嘴雾化特性的影响规律并与仿真结果进行了对比，为优化雾化喷嘴设计提供参考。

1 仿真模拟计算

1.1 几何模型

图1为FCC进料喷嘴结构。运用气喷雾化原理，气体和进料液体分别以不同速度由气相和液相入口进入进料集合管，雾化气体经过第一喉道加速进入混合腔与经过进液孔的液体进行充分冲击，利用气液之间的速度差，在混合腔进行第一次雾化，气液混合流流经混合腔经过第二喉道再次被加速，此时产生较大的速度差，在气动力的作用下经过第二次雾化喷出。

图1 FCC进料喷嘴结构简图Fig.1 Structure of FCC feed nozzle.

1.2 网格划分

图2为采用gambit软件对喷嘴计算域进行网格划分。

图2 整体网格划分（a）和局部网格加密图（b）Fig.2 Integral grid(a) and partial encryption(b).

为了提高计算精度，气相入口、混合腔部位及离散相计算域采用四面体网格，进液孔槽结构采用较为复杂的非结构网格划分，在喷嘴出口处和近壁面处采取局部网格加密处理，外部离散相雾化域取φ100 mm的圆柱体，如图2b所示。网格歪斜度为0.4，长宽比小于5∶1，网格质量的提高加快了迭代收敛的速度。

1.3 湍流模型

采用欧拉-拉格朗日耦合算法模拟气液两相流场，对气相采用欧拉算法，先通过稳态模拟得到稳态的速度场，再加入离散相，采用三维不可压缩非稳态雷诺时均N-S方程，考虑到相间动量、热量及质量交换源项的相间耦合，进行非稳态计算最终得到雾化液滴的运动轨迹。

1.3.1 气相模型

气相采用标准k-ε湍流方程和组分运输模型［10-11］，其湍流动能方程见式（1）。

湍流动能耗散率（ε）方程见式（2）～（3）。

1.3.2 液相模型

液相采用离散相模型，由于气液两相间存在较大的速度差，这种相对速度会诱发形成一定粒径的液滴，这种高速射流雾化的韦伯数往往大于100，本工作选用Wave破碎模型［12］：

1.4 边界条件及计算方法

气相入口边界条件为进口速度，进口水力直径为13 mm，选择平口雾化模型，液体质量流量为0.017 kg/s。出口边界条件为出口压力（表压为0），压力速度耦合采用SIMPLE算法，湍流动能、动量、耗散率均采用二阶迎风格式，迭代松弛因子保持默认值，时间步长取10-3s，每个时间步的最大迭代次数尽可能大，确保两相耦合收敛。壁面采用无滑移边界条件进行计算。

2 仿真模拟结果与分析

2.1 雾化液滴的分布特性

分别采用水、石蜡基基础油、柴油和乙醇为工作介质，模拟不同工质黏度和表面张力对雾化特性的影响。表1给出了几种工质的主要物性参数。

表1 雾化工质的物性参数Table 1 Physical properties of working fluid

2.1.1 工质黏度对液滴速度、平均粒径的影响

以水、柴油和石蜡基基础油三种进料工质（黏度值相差明显）进行模拟。图3为不同黏度的液体雾化液滴的速度随着径向距离的分布。

由图3可知，在靠近雾矩中心处的速度由进料时的28.501 m/s下降到最小约14.24 m/s，这是由于射流在进入雾化场中，受到气动力的作用与空气进行动量交换，同时由于气液的混合及内部流体流动阻力导致的压力降，致使液滴能量损失，速度下降。由于不同黏度液体的流动性能不同，显然水的流动性好于其他两种液体。在雾矩中心（即径向距离为0）处，由于水的黏度小，较易发生二次雾化，使其速度降低。随着径向距离的增加，雾化液滴的速度随着黏度的增加呈现先增大后逐渐减小的趋势，此时靠近雾矩边缘处黏度较大液体的雾化液滴速度受气动力作用加强而迅速减小。

雾化粒径的分布是评价FCC进料喷嘴雾化质量的重要指标［13］，雾化平均粒径采用SMD表示，SMD为液雾内全部雾滴的体积与总比表面积的比值，SMD越小则相同体积的液体具有的比表面积越大，雾化质量越好。取距喷口下游50 mm截面处的粒径分布，见图4。由图4可知，喷嘴出口下游雾化粒径的分布基本成轴对称分布。黏度较大的液体在雾矩中心处的平均粒径较大，这是由于黏度越大，液体流动性越差，受到气液两相作用的湍流动能较小，导致中心处液滴粒径较大。喷雾外侧随着径向距离速度的减小，气液间作用较弱以及液滴间的碰撞聚合使得平均粒径呈现增大趋势。

图4 轴向截面粒径的径向分布Fig.4 Radial distribution of particle size at axial section.

图5为水、柴油和石蜡基基础油三种工质的喷雾雾化锥角的对比。由图5可知，水和柴油的雾化锥角相近，水略大于柴油，而这两者与石蜡基基础油的雾化锥角的差距较大。可见，在出口结构未改变的情况下，工质黏度对出口处雾化液滴群的扩散有影响，工质黏度较大，喷雾锥角相对较小。

2.1.2 工质表面张力对雾化平均粒径的影响

由于水和乙醇的黏度值相似，而两者的表面张力相差较大，本工作以液体水和乙醇为工质，保持进气速度和液体流量不变，模拟不同液体表面张力下的喷雾的特性。图6为不同表面张力下液体的粒径分布。由图6可知，水的平均雾化粒径低于乙醇的平均雾化粒径约7 μm。由于水的表面张力约为乙醇的3.2倍。可见，液体工质的表面张力对雾化效果具有一定的影响，表面张力越小，SMD呈现减小的趋势，雾化效果相对较好，Ejim等［14］的研究也验证了该结论。

图5 工质分别为水（a）、柴油（b）及石蜡基基础油（c）的雾化效果Fig.5 Atomizing effect of whose working fluid are water(a)，diesel oil(b) and paraffin base oil(c).

图6 不同表面张力下出口下游粒径径向分布Fig.6 Radial distribution of particle size at outlet downstream with different surface tension.

3 实验结果与分析

3.1 实验系统

为了验证仿真模拟结果的可靠性，设计和搭建了实验装置，以水及石蜡基基础油为实验工质进行雾化实验。实验装置流程为离心泵驱动工质贮槽内的工质流经液体转子流量计和压力表后，由进液管流入喷嘴；空气压缩机产生的压缩空气储存在气体缓冲罐中，气体流经气体涡轮流量计和压力表后，由进气管进入喷嘴，在喷嘴内部经过混合腔激烈掺混后，雾化成细小的液滴。

3.2 实验结果与分析

图7为进气压力对雾化粒径的影响。由图7可知，在同一进气压力下石蜡基基础油的雾化平均粒径明显高于水的粒径，最大为168.7 μm（约为水的1.7倍）。而随着进气压力的逐渐增加，两者的平均雾化粒径均呈现出不断减小的趋势，当进气压力为0.13 MPa时，水和石蜡基基础油的平均雾化粒径均较小，相差约为13 μm。可见，石蜡基基础油雾化粒径的变化受进气压力的影响较大，这是由于压力的增加导致气液速度差的不断提高，对于高黏度的液体，雾化过程中气动力足够大，产生的动能促使气液之间的剪切挤压更强烈，冲破液膜之间黏滞力，最后由于表面张力的作用，最终雾化收缩成较小的液滴［15］。

图7 进气压力对雾化粒径的影响Fig.7 Effect of inlet pressure on atomizing droplet size.Liquid flow 1 L/min，distance downstream of the outlet nozzle 50 mm.

在室内温度为25 ℃时，分析水和石蜡基基础油的实验雾化效果，得出同一工况下石蜡基基础油的雾化粒度要大于水的粒度，雾化锥角相对较小。将实验所得雾化锥角与相对应工质模拟的雾化锥角进行对比，略有差距，但基本吻合，考虑到实验环境的影响，误差在合理范围之内。

通过测量水及石蜡基基础油雾化液滴平均粒径的体积分数的分布，得出在进气压力在0.03～0.13 MPa区间，当压力较低时，气液作用较弱，两者的大粒径液滴所占的体积分数较高。提高进气压力，被雾化的水的小粒径液滴所占的体积分数明显多于石蜡基基础油，而大粒径液滴所占的体积分数不断减小，说明随着进气压力的不断增加，基础油的雾化场中小粒径的液滴逐渐增多，雾化液滴的粒径分布逐渐趋于均匀。

图8为模拟值与实验值的对比。考虑到数值仿真的雾化模型是基于经验加理论的分析计算得到的，而在实际雾化实验中由于气压、流量测量及马尔文喷雾粒度仪的测量精度等对结果产生的影响，误差在合理的范围（10%）之内。说明采用雾化过程的数值模拟是可靠的，可以预测粒径的分布。

图8 模拟值与实验值的对比Fig.8 Comparison with simulation and experimental data.

4 结论

1）同一操作工况下，黏度低的液体工质流动性能好，受气动力的剪切及挤压作用，在雾矩中心处容易发生二次雾化，较高黏度液体液滴的速度及粒径分布变化趋势较为明显。同时在不改变喷嘴出口结构的情况下，工质黏度越高，喷雾越难扩散，雾化锥角相对较小。

2）表面张力对雾化效果具有一定影响，工质表面张力越小，其雾化粒度越细，雾化效果相对较好。

3）同一进气压力下，黏度较高的石蜡基基础油的雾化平均粒径较大，约为水的1.7倍，随着进气压力的逐渐增加，水和石蜡基基础油的平均粒径均呈现出不断减小的趋势，且两者平均粒径的差值不断缩小，显然石蜡基基础油的雾化效果受进气压力的影响更明显。

4）在一定的粒径范围内，水的小粒径液滴所占的体积分数明显多于石蜡基基础油，随着进气压力的不断增加，石蜡基基础油的喷雾场中小粒径的液滴逐渐增多，体积分数分布逐渐趋于均匀，与水的平均粒径差距逐渐缩小，此喷嘴适合雾化高黏流体。

5）实验值与模拟值对比吻合效果较好，仿真计算可以预测雾化粒径的分布。

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