流道结构对管式气液雾化混合器性能的影响

孙欢 孔令真 陈家庆 徐孝轩 王强强 杨寒月 李奇

摘要：管式气液雾化混合器可在有限的管式空间内将液体吸收剂雾化为微米级液滴，实现高效的气液混合，进而显著增大气液接触面积、强化气液吸收传质过程，是天然气甘醇法脱水技术由塔式向管式转变的关键设备。为提高管式气液雾化混合器内液体射流破碎和气液分散混合性能，基于初始流道结构，提出3种改进流道结构。结合试验测试和数值模拟方法，探究流道结构对管式气液雾化混合器雾化混合性能的影响规律，对比筛选出更为合理的流道结构。研究结果发现：雾化压降随气量增大而增大，随气液比增大略有减小；雾化液滴粒径随气体流量和气液比增加逐渐减小；相同工况下菱形锥+带凸台流道结构的液滴粒径最小，粒径分布集中在37～60 μm，较初始流道结构的粒径减小40%以上；同时该结构的雾化液滴体积分数最高，较初始流道结构的体积分数增加5～17倍。究其原因，菱形锥结构有助于引导横向气流均匀流动，有效减少壁面黏附，起到增强液滴破碎和减小液膜厚度的作用；凸台结构有助于增强气液分散效果，降低液滴平均粒径，增加雾化液滴体积分数。所得结论可推动管式天然气甘醇法脱水技术早日实现工业应用。

关键词：天然气脱水；气液混合；雾化性能；流道结构；横向射流破碎；液滴粒径；高速摄像；数值模拟

0 引 言

天然气作为一种清洁能源，其稳定安全集输对于保障我国能源安全和改善大气环境具有重要意义。天然气脱水是防止集输过程中形成积液和水合物有效的措施之一［1-2］。在天然气甘醇法脱水工艺中，传统甘醇吸收塔存在体积和质量过大等问题，限制了其在海上平台和陆上边远油气田的应用，近10 a出现的管式天然气脱水技术以其结构紧凑性和传质高效性而展现出良好的应用前景［3-4］。管式气液雾化混合器是实现管式天然气甘醇法脱水技术的关键设备，通过在管式空间内将三甘醇雾化成微米级液滴，显著强化气液两相的传质过程，进而实现紧凑高效脱水［5］。国内外迄今所采用的管式气液雾化混合器通常可分为2大类：一类是在管道内填充丝网填料或者安装静态混合器芯状组件等扰流元件，实现气液雾化分散混合［6］；另一类是通过合理设计文丘里流道、中心钝体等结构，产生高速气流将连续液流剪切破碎成微小液滴，进而实现气液雾化分散混合［7-9］。相比之下，第二类较易在获得高效气液雾化混合效果的同时减少能耗，成为管式天然气脱水技术的首选，但所涉及的复杂流道内液体横向射流破碎机理及雾化分散混合性能的研究难度较大［10-11］。从公开发表的文献来看，对横向气流作用下射流破碎的机理分析最早起源于L.RAYLEIGH［12］对圆柱自由射流的研究。20世纪，R.D.INGEBO等［13］借助高速摄像技术，给出了液雾平均直径的经验关系式；WU P.K.等［14-16］通过试验分析了液体射流破碎状态，提出了基于液气动量通量比q和气体韦伯数Weg的破碎模式经验图；G.VICH等［17］研究了低速横向气流条件下液体射流破碎模式，将破碎模式分为无横流破碎、拱形破碎（arcade breakup）和袋式破碎（bag breakup）。国内研究方面，张岩等［18］基于R.D.INGEBO的工作，对横向均匀气流下直射式喷嘴的雾化性能进行了研究，给出了索特尔平均直径的经验关系式；王雄辉等［19-22］通过试验对均匀横向气流中的初始破碎进行了研究，对射流轨迹、表面波波长、液滴速度及直径等关系式进行了总结和理论分析；XU S.L.等［23-25］通过数值模拟对均匀横向射流在超声速下的雾化进行研究，解释了液滴产生和破碎机理。但总的来看，已有研究大部分是针对直射式喷嘴喷入均匀横向气流的场合，对管内复杂流道下的非均匀横向气流研究较少；同时主要集中在超声速或亚声速领域，无法直接应用于管式天然气脱水这类属于管内低速横向气流的工况。

鉴于此，笔者拟借助试验观察测试和计算流体动力学（CFD）数值模拟等手段，深入研究4种流道结构下管式气液雾化混合器的雾化混合性能，筛选出更为合理的流道结构，以期丰富管道内复杂流道结构下气液雾化混合性能的研究内涵，推动国内管式天然气甘醇法脱水技术早日实现工业应用。

1 试验系统与研究方案

1.1 試验系统描述

1.1.1 工艺流程与评价指标

管式气液雾化混合器雾化性能试验装置如图1所示，主要由介质供应系统、有机玻璃材质的管式气液雾化混合器及测量系统等组成。在介质供应系统中，气相介质为空气，由空气压缩机供给，通过减压阀调节供气压力。液相介质为去离子水，由离心泵供液，并设置循环回路以保持供液压力稳定。测量系统包括美国IDT公司的Motion studioY3型高速摄像机、英国马尔文公司的Spraytec喷雾粒度分析仪。其中：高速摄像机用于横向气流中液体射流破碎状态的可视化研究，采用阴影法进行拍摄；喷雾粒度分析仪用来准确直观地测量雾化场中的液滴粒径。采用液滴索特尔平均直径（Sauter mean diameter，SMD）ds表示雾化细度，由比尔朗伯定律计算得出的体积分数Cv表示雾化场中的液滴体积分数，后者在某种程度上反映了有效雾化混合量。这2个指标相结合即可准确评价管式气液雾化混合器的雾化性能［26-27］。穿透深度是指射流在不同流向位置穿透到横向气流中的最大穿透程度，也可理解为喷雾羽流的上边界，可以直观表示液体射流在管道径向上的高度［28-29］。高速摄像机和喷雾粒度分析仪都属于非接触式光学测量，对流场无干扰，测量精度高，有助于有效分析射流破碎形态和雾化特性。为了测试管式气液雾化混合器工作过程中的压降（简称雾化压降），在气体入口段安装有YJB型压力传感器（压力表）。由于出口段通向空气（该处压力值可近似看作大气压），所以待气雾两相稳定后得到的入口段压力值即为管式气液雾化混合器的雾化压降。

与此同时，在管道中心轴线上设置安放如图3所示的三角形截面锥块，锥块的上、下锥面上各有一个直径1 mm的喷孔，喷孔长径比为4。试验过程中，横向气流从左侧进入管式气液雾化混合器，在到达文丘里流道喉管段时逐步得到加速；连续液流经锥块上、下锥面上的喷孔射流而出，在横向气流的剪切作用下被雾化成微小液滴；气雾两相在管内继续向前流动过程中进一步混合扩散，在下游的传质段充分接触传质。

为进一步增强管式气液雾化混合器的雾化性能，笔者基于早期初始结构进行了改进设计，体现在2个方面：一是给三角形截面锥块增加导流结构形成菱形锥；二是保持喉管处最小截面积不变，在扩张段增加凸台结构。图4汇总了涉及的4种不同流道结构，分别为初始结构（三角锥+无凸台）、改进结构1（三角锥+带凸台）、改进结构2（菱形锥+无凸台）和改进结构3（菱形锥+带凸台）。

1.1.3 观测仪器设置

Spraytec喷雾粒度分析仪采用750 mm镜头，粒径测量范围为2～2 000 μm，测量介质为水和空气，采用连续测量方式。为保证测量到稳定雾化场，在距管道出口60 mm处开设有直径30 mm的窗口，保证激光测量光束穿过。通过调整激光光束位置，使之与喷射中心线平行且处于同一水平面，激光穿过圆形窗口对管内的雾化场进行测量。为Motion studioY3型高速摄像机配备尼康AF-S微距尼克尔60 mm f/2.8G ED镜头，对正射流喷孔处并调整好光源位置，保证高速摄像机镜头内光线充足，以便能够清晰地观察到管道内液滴的破碎形态。高速摄像机的拍摄频率设置为每秒12 500帧，单帧照片时间为0.08 ms，保存3 000帧作为分析图像。

1.2 研究方案

1.2.1 试验测试

为进行不同流道结构雾化性能的分析和对比，分别考虑气液比和气量对雾化压降及液滴粒径的影响。考虑到天然气管输气速一般不超过30 m/s，现有的工程设计经验一般要求天然气站场工艺管道内流速控制在25 m/s以内，因此设计试验气速为15～25 m/s，对应气量为140～220 m3/h［29］。考虑不同气液比的影响，试验过程中选择中间气量保持不变，即保持Q=180 m3/h不变，调节气液比（Q/L）分别为300、400、500、600和700，探究气液比对4种流道结构雾化性能的影响；然后保持气液比（Q/L）为500不变，调节气量Q分别为140、160、180、200和220 m3/h，探究气体流量变化对4种流道结构雾化性能的影响。最后结合雾化场粒径分布和射流破碎高速摄像图像，分析不同结构及操作参数对雾化性能的影响规律，探究管式气液雾化混合器内横向射流破碎的雾化特性，并选出雾化性能最优的流道结构。

1.2.2 流场CFD数值模拟

管式气液雾化混合器内的流场分布规律直接影响液体射流的初次破碎、液滴二次破碎和雾化液滴分散运动特性，因此需要掌握低速横流作用下不同流道结构所对应内部流场的分布规律。拟结合某些典型工况进行流体动力学（CFD）数值模拟，通过将数值模拟结果与高速摄像图像对比，揭示不同结构对雾化性能的影响机制。

考虑到气液两相流场的计算机时耗费较大，而本文研究背景下气体中的含液量较少，因此主要进行单相流场的CFD数值模拟。数值模拟基于ANSYS Fluent商业CFD软件，采用基于压力的求解器进行求解，速度与压力耦合方法采用SIMPLE算法，湍流模型采用标准k-ε模型。设置入口边界条件为速度入口，入口气速为20 m/s，对应管内气量为181.8 m3/h；出口边界条件为压力出口，出口压力设置为常压。对4种流道结构进行网格划分时全部采用六面体网格，网格大小为1 mm，网格数量约为89万，整体网格质量大于0.6，满足ANSYS Fluent软件的计算要求。

2 结果分析与讨论

2.1 雾化压降试验分析

图5为气体流量Q和气液比（Q/L）对4种流道结构雾化压降的影响曲线。从图5a可以看出：①雾化压降随气体流量的增大而增大；②不同工况下菱形锥+无凸台结构的雾化压降最小，菱形锥+带凸台结构和三角锥+无凸台结构的雾化压降比较接近，三角锥+带凸台结构的雾化压降最大。雾化压降随气量增大而增大的主要原因是［30］：气量增大横向气流剪切力增大，液体流量随气速的增加而增大，使得液体破碎过程的能耗增加。从图5b可以看出：①雾化压降随气液比的增大略有减小，气液比从300增大到700，菱形锥+无凸台结构的雾化压降最小；菱形錐+带凸台结构和三角锥+无凸台结构的雾化压降基本相同，三角锥+带凸台结构的雾化压降最大。雾化压降随气液比增大而减小的主要原因是：液体流量减少导致液雾体积分数降低，液体雾化破碎消耗的能量减少，且液雾体积分数降低对横向气流的阻力也略有减小，但雾化场的体积分数变化范围有限，因此雾化压降变化幅度不大。对比图5a中不同结构还可以看出：①在凸台结构保持一致的情况下，菱形锥结构的雾化压降小于三角锥结构的雾化压降；②当锥块结构相同时，带凸台结构的雾化压降大于不带凸台结构的雾化压降。总的来看，菱形锥结构有助于减小压降，凸台结构导致压降增大。所有试验条件下，菱形锥+带凸台结构与初始结构（三角锥+无凸台结构）的雾化压降基本相同。

2.2 雾化液滴粒径试验分析

2.2.1 气液比对射流穿透深度和液滴粒径的影响

射流穿透深度是描述横向射流雾化混合特性的一个重要参数，会对下游的液滴分布产生直接影响，进而影响整体的雾化混合性能［31］。从高速摄像机得到的图像中可以观察到，气液比对射流穿透深度产生了显著影响。图6所示为菱形锥+带凸台结构在保持气量Q=180 m3/h不变时，Q/L分别为300、500和700时液体射流破碎形态的变化。从图6a可以看到，Q/L为300时液体射流穿透深度基本达到上限，低速横向气流没有足够动能对液体进行充分的二次破碎。因此相当一部分液体会撞击壁面产生壁面黏附，从而形成液膜，甚至产生液块堆积在壁面。液膜或液块破碎产生大粒径液滴，导致整体雾化细度不高，雾化效果减弱。从图6b可以看出，Q/L为500时射流穿透深度处于喉管段中间位置，既不会形成大量壁面黏附，也不会因穿透深度不足产生沿锥面流动的液膜，此时液体可以在气动力作用下充分均匀地破碎。从图6c可以看到，Q/L为700时穿透深度基本达到下限，以至于液体主要沿着锥面流动，只有少部分被分散成雾滴，大部分液体形成液膜再破碎，产生较多大粒径的液滴。因此，满足穿透深度的合理气液比范围为300～700，气液比在500左右雾化效果最佳。

雾化过程中，液滴平均直径和液滴体积分数是衡量雾化效果的重要参数，对管式气液雾化混合器的设计优化有重要的指导意义［32］。图7為保持气量Q=180 m3/h不变时，液滴索特尔平均直径ds和体积体积分数Cv随气液比（Q/L）的变化曲线。从图7a可以看出：①随着气液比的增加，ds逐渐减小，且减小的趋势逐渐变缓，从大到小的顺序依次为，三角锥+无凸台结构>三角锥+带凸台结构>菱形锥+无凸台结构>菱形锥+带凸台结构；②气液比从300增加到700，与初始结构（三角锥+无凸台）相比，改进结构1（三角锥+带凸台）、改进结构2（菱形锥+无凸台）和改进结构3（菱形锥+带凸台）粒径分别减小1.2%～3.7%、8.9%～13.7%和20.7%～21.5%；③当锥块结构相同时，带凸台结构的ds小于无凸台结构的ds；④当凸台的结构相同时，菱形锥结构的ds小于三角锥结构的ds。随着气液比增加ds逐渐减小的原因主要有2个：一是气液比增加即液体流量减小时，液体动能减小，气液两相的相对速度差增大，使得气动力增大，液滴在较大气动力的作用下破碎得更细［33-34］；二是液体流量减小时穿透深度降低，有效减少了撞击壁面形成液膜的液量，避免了沿壁面流动的液膜破碎后形成大粒径液滴。同时，随着气液比增大，液体流量相对减小，液体颗粒内气体体积也相对减少，当气体的能量不足以克服液体颗粒的表面张力及黏性力时，雾滴粒径便趋于稳定，因此粒径减小速度由快变慢［35-36］。从图7b可以看出：随气体流量增大，液体体积分数随之减小，2种带凸台结构的体积分数较大，2种不带凸台的结构体积分数较小，其中菱形锥+带凸台结构的液滴体积分数最大；气液比从300增加到700，与初始结构（三角锥+无凸台）相比，改进结构1（三角锥+带凸台）、改进结构2（菱形锥+无凸台）和改进结构3（菱形锥+带凸台）体积分数分别增大500%～1 669%、55%～90%和560%～1 770%。结果表明，增加凸台可以显著增加液滴体积分数。

2.2.2 气体流量对液滴粒径和体积分数的影响

保持气液比（Q/L）为500不变时，探究气体流量对雾化性能的影响，得到ds和液滴体积分数随气体流量的变化曲线，如图8所示。

从图8a可以看出：①液滴索特尔平均直径ds随气体流量增大逐渐减小，菱形锥+带凸台结构的ds总体最小，ds分布集中在37～60 μm，其次是菱形锥+无凸台结构和三角锥+带凸台结构，三角锥+无凸台结构粒径最大；②气体流量从140 m3/h增加到220 m3/h，与初始结构相比，改进结构1、改进结构2和改进结构3的ds分别减小29.12%～31.20%、32.2%～32.70%和43.3%～43.70%；③当气体流量在140～180 m3/h时，ds减小的速度较快，当气体流量大于180 m3/h时，ds减小的趋势趋于平缓。这是因为当液体流量一定时，气体流量在一定范围内增大，气液间的相对速度越大，气流对水的破碎和雾化作用明显，故随着气体流量的增加，雾化液滴粒径减小速度较快；超出此范围后，破碎和雾化作用减弱，雾化液滴粒径减小速度变慢［35］。从图8b可以看出，随气体流量增大，液体体积分数随之增大，不同气量下凸台对体积分数的影响规律与不同气液比下凸台对体积分数的影响规律相同。此外，当气体流量从140 m3/h增加到220 m3/h，与初始结构相比，改进结构1、改进结构2和改进结构3体积分数分别增大211.0%～481.0%、25.9%～27.4%和243.7%～543.9%。

总的来看，菱形锥+带凸台结构的粒径最小且体积分数最大，因此可以说菱形锥+带凸台流道结构的雾化效果最好。

2.3 菱形锥和凸台结构对雾化性能的影响机制

2.3.1 菱形锥对雾化性能的影响机制

为深入揭示菱形锥对雾化性能的影响机制，首先通过高速摄像观测和CFD数值模拟对三角锥和菱形锥在液体横向射流破碎过程中对雾化性能的影响开展分析。图9为不同锥块下速度云图及液体射流破碎高速摄像图像。对比不同锥块气相流场速度云图可以看出：图9a中，三角锥+无凸台结构在锥面尾端形成湍流死区，高速气流向壁面流动。液体在死区内由于气速过低难以破碎从而形成大液滴，而高速气流将液体带向壁面形成液膜，液膜沿壁面流动，不利于液体破碎及形成良好的气液混合扩散效果。图9b中，菱形锥+无凸台结构由于增加了导流锥，速度场得到有效改善，避免了低速区产生，扩张段流场更加均匀。同时，双文丘里结构并联的流道可以显著增加横向气流的气动力，引导横向气流均匀加速，气雾两相扩散方向向流道中部靠近，有利于减少壁面黏附降低液膜厚度。对比三角锥和菱形锥的射流破碎高速图像可以看出：图9c中，三角锥结构导致大部分液体呈斜向壁面方向喷射到壁面上形成壁面黏附，过多的壁面黏附是管式雾化效果欠佳的主要因素。图9d中，在菱形锥结构下液体呈平行和斜向流道中部的方向扩散，显著减少了液体的壁面黏附量。菱形锥的作用还体现在低速横向气流的剪切力不足导致一次雾化不充分时，一部分液体沿着锥面形成的液膜在尾锥棱线处产生了强烈扰动，这部分液体以液膜形式重新进行了一次破碎，并在流道中心处受气体剪切作用参与了二次破碎，因此菱形锥结构的雾化效果更佳。

2.3.2 凸台结构对雾化性能的影响机制

为深入揭示凸台结构对雾化性能的影响机制，进一步通过高速摄像观测和CFD数值模拟对凸台结构在液体横向射流破碎（流量Q=180 m3/h，Q/L=450）过程中对雾化性能的影响开展分析，结果如图10所示。对比菱形锥+带凸台结构、菱形锥+无凸台结构的湍流强度云图及流线图可以看出，菱形锥+带凸台结构扩张段上、下壁面产生2个湍流强度较大的涡流区，漩涡流动方向为沿管壁向锥块锥面流动。图10b中，菱形锥+无凸台结构的流场湍动强度很小，流线与壁面接近平行，向出口均匀流动。对比菱形锥+带凸台结构、菱形锥+无凸台结构的高速图像可以看出，图10c中菱形锥+带凸台结构的液体在涡流区由管壁向锥块锥面呈翻转状流动，当翻转到接近凸台高度时，一部分液团会在横向气流的作用下从涡流区分离出来并破碎，产生卷积破碎现象，有效增加液滴雾化量。同时，由于凸台存在使得扩张段横截面积变大，气液分散效果得到显著加强，凸台的存在也能给予气流充分稳定的时间和空间，这对于下游形成稳定雾化场具有促进作用；图10d中，菱形锥+无凸台结构由于缺少扰流结构，射流液体沿壁面扩散，造成较多壁面黏附，不利于良好雾化场的形成。因此，凸台结构有助于提高管式吸收器的雾化性能。

总体来说，三角锥结构壁面黏附过多射流减小了雾化量，菱形锥结构形成了双文丘里结构并联流道，有助于增加气动力、稳定流场，并且可以有效減小壁面黏附。凸台结构虽然会导致压降略有增加，但由于扩张段截面积增加有助于形成良好的气液分散效果，且形成涡流区有助于增加雾化量。因此，菱形锥结构和凸台结构可以在较小能耗下实现液滴的充分破碎和均匀混合，有助于提高管式气液雾化混合器雾化混合性能。

3 结 论

本文研究了4种流道结构的管式气液雾化混合器雾化混合性能，考虑气体流量、气液比对雾化压降和雾化性能的影响，重点分析了菱形锥结构及凸台结构对管式气液雾化混合器雾化性能的影响机制，得到如下结论：

（1）气体流量是影响雾化压降的主要因素，菱形锥有助于减小压降，凸台会导致压降增加；雾化液滴粒径随气体流量和气液比增大逐渐减小，菱形锥+带凸台结构的雾化粒径最小且体积分数最大。

（2）菱形锥结构形成双文丘里并联流道，可以起到导流作用，增加横向气流气动力。凸台结构有利于强化气液分散效果，增加气液相互作用的湍动程度，增加雾化量。2种结构都有助于减少壁面黏附，实现液滴的充分破碎和均匀混合。

（3）经过分析对比，菱形锥+带凸台结构与初始结构的雾化压降基本相同；菱形锥+带凸台结构的管式气液雾化混合器粒径分布集中于37～60 μm，较初始结构粒径最多可减小40%以上，体积分数最多可增加17倍，整体来看其雾化混合性能最优。因此，菱形锥+带凸台结构为最优流道结构。

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