催化裂化进料雾化喷嘴的数值模拟及分析

李欣疏 孙鹏尧

摘 要：本文采用计算流体力学fluent软件，基于欧拉-欧拉方法的VOF模型，对催化裂化进料雾化喷嘴的内部气液两相工质流动状态进行模拟，对喷嘴内部液相体积分数分布、速度、湍流强度以及压力进行分析。

关键词：催化裂化；喷嘴；数值分析

中图分类号：TH123.1 文献标识码：A 文章编号：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

随着原料油质量下降，催化裂化进料雾化喷嘴的结构要求逐日提高。催化裂化作为一种在湍流状态下的催化反应，其原料油与催化剂的接触形式将直接影响生产产品质量[1，2]。王文娇[3]等人应用fluent软件分析喷嘴腔内气液两相工质的流场，通过计算分析该喷嘴内部气液两相的压力、温度、密度和速度等参数的基本情况，同时对该喷嘴出口的激波和相变凝结激波进行分析，并对其基本特性进行理论分析与验证。徐开华[4-7]等人分析了喷嘴内工质的流动特性及外部雾化特征。Chen[8]等人对催化裂化反应器的提升管进行研究，通过对提升管反应器数值进行分析，得出催化裂化进料雾化喷嘴在提升管反应器中的重要位置。

1 计算方法

该喷嘴气相工质为可压缩蒸汽，气液两相工质间存在能量交换，遵从能量守恒定律。采用计算流体力学CFD方法，fluent软件的Euler-Euler方法的VOF模型对喷嘴内部的气液两相流动状态进行分析。与Mixture模型相比，VOF模型计算更便捷。采用[k-ε]模型的修正方案RNG [k-ε]模型进行计算。

2 数值模拟过程

2.1 几何模型

如图1所示，雾化蒸汽由水平方向的进气管进入喷嘴，原料油由斜插的进液管进入喷嘴。为方便网格划分，提高网格质量，对喷嘴计算模型进行简化，具体结构参数如表1所示。

2.2 网格划分

采用GAMBIT软件进行网格划分。该模型的结构规则区域采用结构化网格进行划分，在结构相对复杂的进液孔段无法生成结构化网格，则采用非结构化网格进行划分，这样既可以提高计算效率，又不会对混合腔段流场产生影响。网格划分总数为162 825个。

2.3 边界条件及初始条件

边界条件设置如下：气相入口边界采用mass-flow-inlet，液相入口边界采用velocity-inlet，出口边界设置为pressure-inlet。雾化蒸汽进与原料油两相工质的进料量之比为1∶20。

3 模拟结果分析

3.1 气液两相体积分数分布

液相原料油体积分数分布情況如图2所示。原料油由液相入口进入喷嘴，被高体积分数的蒸汽冲击，流经混合腔至出口。随着Z值不断减小，原料油由较为集中的4点分布逐渐扩散开，体积分数分布在出口Z=-610mm截面处，相比混合腔初始部位Z=-10mm截面处要均匀得多。

3.2 速度分布

如图3所示，雾化蒸汽在喷嘴喉部收缩段由于截面变小，从而速度增大，到喉部扩张段由于截面变大，速度有所降低，待流至进液孔处，受原料油掺混的影响，雾化蒸汽流动空间受限，故在雾化蒸汽组分较高的混合腔中心部位速度较高。但是，随着原料油与雾化蒸汽在混合腔内混合逐渐均匀，流体速度也逐渐趋于平稳。喷嘴出口处截面突然变小，致使流体速度再次提升，如图4所示。混合腔近壁面处比中心处原料油的组分高，故喷嘴出口速度呈现出中心高近壁面低的趋势，喷嘴出口速度峰值出现在中心处，最大值达到209m/s，出口平面的速度平均值为101.18m/s。

3.3 湍流强度分布

气相雾化蒸汽的流速明显高于液相原料油的流速。由于雾化蒸汽在混合腔中心区域的流动占主导地位，故混合腔中心区域的湍流强度变化明显。如图5所示，由于出口段截面减小，湍流程度更剧烈。喷嘴出口湍流强度的径向分布如图6所示。从图6可以看出，出口平面湍流强度基本呈对称分布，在半径3mm的出口平面中心内，湍流强度达到最大值，且数值趋于平稳，在半径大于3mm的区域，随着半径的逐渐增大，湍流强度值逐渐降低。

3.4 压力分布

喷嘴的雾化效果在一定程度上与喷嘴的压力降有关，故压降大小决定了喷嘴雾化程度。如图7所示，喷嘴气相入口压力为0.75MPa，随着气液两相的流动，喷嘴内部的压力无明显变化，喷嘴出口段压力逐渐下降，最终在出口平面达到0.35MPa，压力在喷嘴出口段的变化最为明显。

4 结论

①采用VOF多相流模型可以有效模拟喷嘴内部气液两相的流动状态。

②喷嘴出口段气液两相掺混最均匀，且出口平面中心处速度最大值为209m/s，湍流程度在出口平面半径3mm内最激烈，有利于工质雾化。

③压力在喷嘴出口段的变化证明了在一次雾化末端，二次雾化前端，喷嘴出口段的结构对喷嘴物化性能的影响尤为重要。

参考文献：

[1]董群，丰铭，仇登可，等.催化裂化进料雾化喷嘴技术的研究进展[J].化学工业与工程技术，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]王文娇.气液两相喷射器内部的数值计算[D].大连：大连理工大学，2014.

[4]徐开华.新型双流喷嘴的雾化实验研究与数值模拟[D].广州：华南理工大学，2013.

[5]李欣疏，刘雪东，李振才，等.FCC进料雾化喷嘴结构对内部流场及混合特性的影响[J].石油炼制与化工，2016（2）：21-25.

[6]史卫东，张良，陈亮，等.改变结构参数对旋流喷嘴内外两相流场的影响[J].航空动力学报，2013（1）：158-163

[7]王鹏.旋流喷嘴设计计算和两相流动模拟分析[D].大连：大连理工大学，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.