旋流雾化喷嘴内气液两相流动的特性研究

作者:王娟;高助威;张雪淼;王江云;毛羽 刊名:石油炼制与化工 上传者:陈扬

【摘要】采用试验和数值模拟相结合的方法;对旋流雾化喷嘴内部气液两相流动特性进行研究;揭示旋流雾化喷嘴内部的流动机理;有效预测其雾化特性;计算模型采用雷诺应力(RSM)湍流模型和欧拉-欧拉(Euler-Euler)两相流模型;结果表明;当气液体积比为600、气体流量小于25m3/h时;模拟计算结果与试验数据吻合较好;在喷口内部;由于流通截面的减小;二甘醇的切向速度迅速增大;在喉部区域达到峰值;流经喉部后;由于流通面积的增加;切向速度呈减小趋势;随着气体流量的增加;二甘醇的射程越来越远;当气体流量分别为15;20;30m3/h时;二甘醇的分配不均匀度分别为27.94%;26.05%;33.42%;呈现先减小后增大的趋势;

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雾化喷嘴[1-6]是将液体雾化成细小液滴的工业设备,通过它可以扩展液相在空间截面上的分布,为物料和床层提供较大的接触面积,从而达到提高反应器内的反应速率和产物收率的效果。由于进料喷嘴内雾化过程的复杂性,许多学者对雾化喷嘴进行了试验研究与数值模拟。Yao Shanshan等[7]试验发现流体黏度在控制液面破裂和雾化过程中起着至关重要的作用,液体越黏稠喷雾锥角越小。张永良[8]基于量纲分析对离心式喷嘴进行了模型化和理论分析,并根据不同压力以及不同特征参数总结得出表达流量系数的函数关系。Lan Zhike等[9]通过试验得到了流量和喷雾锥角与喷嘴压降的曲线,发现Nukiyama-Tanasawa分布更适合描述该喷雾的概率密度函数。魏超[10]针对某型号喷嘴模型进行气液两相流喷嘴雾化的三维流场的数值模拟计算,其模拟方法为稳态连续相的数值模拟计算及非稳态的离散相数值模拟计算相耦合的复杂过程,得到了该喷嘴雾化后的喷雾流场。Zhang Liahua等[11]在计算流体动力学(CFD)中植入代码,在二维轴对称稳态条件下,研究一种锐边喷嘴气流的射流动力学特性,获得了射流的气体和粒子速度。Qin Chao等[12]通过对喷嘴中的雾化平均粒径和气体速度的试验研究,并且结合数值模拟中的离散随机粒子轨迹模型合理地描述了气体速度和液滴速度的空间分布。Ghobad[13]利用动量积分法,研究了从喷嘴入口到孔板出口的边界层的增长,并计算了流动液体的速度。聂涛[14]解决了应用于沉降粉尘的旋流式喷嘴中的喷雾压力与喷嘴孔径的匹配不尽合理等问题。Liu Xiufang等[15]对比了实心锥体压力旋流喷嘴中流体介质分别为水与液氮时的流量系数,并考虑了气液相变对喷嘴的影响。Sies等[16]研究使用pH试纸测定雾滴大小,并验证了其准确性,该方法与相位多普勒分析仪相比是一种低成本测定喷雾液滴的方法。 目前,对雾化喷嘴的理论与试验研究依然处于不断地探究和完善之中。但是由于进料喷嘴结构尺寸小,内部为气液两相流动,流场非常复杂,相关数值模拟的报道[17-24]很少。本课题通过试验研究与数值模拟相结合的方法,对旋流雾化过程用喷嘴展开研究,模拟分析其内部三维湍流流场,以期获取旋流雾化喷嘴的流动规律,为工程实践提供参考。 1 实 验 1.1 装 置 冷态试验平台示意见图1。试验装置主要包含以下4个部分:管路系统、压力流量等流动参数的测量控制系统、喷嘴射流雾化的观测部分以及余液回收系统。本课题着重研究石油化工领域的重质油加氢过程。由于试验条件及环境的差异,实际流动较难通过试验实现,而且耗费较大。所以本研究通过密度较为相近的空气和水进行冷模试验,以期对重质油加氢过程以及旋流雾化过程进行分析,为工业应用提供参考。 试验介质分气液两相,气相为压缩空气,液相为水。通过冷态试验(不涉及相变)探究气液两相流体在旋流喷嘴内的混合以及雾化过程。由空气压缩机产生压缩空气,一部分供给气路,一部分供给液路,最终气液两相流体从喷嘴喷出。雾化粒径由马尔文粒度仪(Mastersizer 2000)测得,喷射锥角由高速摄像仪测得,压力表用于测量喷嘴入口压力,转子流量计用于测量气液两路流量。 1.2 固定床反应器的几何结构 固定床反应器的几何结构示意见图2。采用缩放型喷口可以增大喷嘴中气液混合物的速度,当气液混合物由喷口喷出时,与外界气体之间具有较大的速度差,有利于液相进料的二次雾化。 1.3 旋流雾化喷嘴的工作原理 新型旋流雾化喷嘴的几何结构示意见图3。液体在压差的作用下切向进入旋流室,向喷嘴口运 动的同时在旋流室内产生高速旋

参考文献

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