（化工过程机械专业论文）轴流风速下压力旋流喷嘴外流场特性研究.pdf

摘要 论文针对某石化公司烯烃厂裂解炉装置中油急冷器结焦问题展开。为深化对急冷器 ( 即喷淋塔) 中雾化及流动情况的认识，使喷嘴设计最佳化，更大程度的依靠合理的计 算，减少实验的盲目性和工作量，论文首先根据相似理论推导并计算出模型喷嘴实验所 需速度、流量、压力等操作参数。采用简化实验中的喷淋塔模型结合前人四流道压力旋 流喷嘴结构对急冷器内部流场进行了模拟，得出以下结论：喷嘴安装过程中旋流方向的 一致性对流场的均匀分布尤其重要；为使气液充分接触、传质传热，应避免喷雾场被气 相风吹开，风速和喷嘴流速要相适应。根据蒸发传热学及几何学等知识推导出了设计喷 嘴所需粒径、射流深度、最小喷雾锥角的计算公式，设计出喷嘴结构后根据旋流数理论 对雾化锥角进行了设计计算验证。并利用a p v 系统、l s 2 0 0 0 和高速摄像仪对该喷嘴雾 化及流量特性进行了喷嘴几何参数、操作参数等多因素冷态实验研究，总结出最佳操作 参数并得出流量、s m d 、雾锥浓度与喷嘴几何参数和压力的关系。对实验数据进行拟合 得到理论旋流度q + 与实际雾化锥角正切值关系式。实验数据对旋流喷嘴及急冷器的 设计和现场应用具有重要指导意义。对依据实验及模拟结果开发出的旋流喷嘴进行了现 场实验，雾化效果良好。 关键词：结焦；急冷器；旋流雾化喷嘴；旋流数；相似准则 r e s e a r c ho ne x t e r n a lf l o wf i e l do fp r e s s u r es w i r l i n gn o z z l e su n d e r d i f f e r e n tw i n ds p e e d s z h a n gh a i p i n g ( c h e m i c a lm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i u x i n g - q i a b s t r a c t r e s e a r c hw a sd e p l o y e da i m i n ga tc o k i n gi ne t h y l e n eq u e n c h e ro fe t h a n ec r a c k i n gs e t t i n go fa c e r t a i np e t r o c h e m i c a lo l e f i n sc o m p a n y m o d e ln o z z l ee x p e r i m e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha s s p r a yv e l o c i t y , f l u i df l u x ，p r e s s u r e ，a n ds oo nw e r ed e d u c e da n df i g u r e do u tb a s i n go n s i m i l a r i t yc r i t e r i o n t h ef o l l o w i n gw a sp e r o r a t e di no r d e rt od e e p e no u rc o g n i t i o no f a t o m i z a t i o na n df l o w a g es i t u a t i o ni ne t h y l e n eq u e n c h e r ( h e r e a f t e rc a l l e ds p r a yg e n e r a t e r ) ，t o b e t t e rr a t i o n a l i z en o z z l ed e s i g n ，a n dt om i n i m i z et h eb l i n d n e s sa n dw o r k l o a do fe x p e r i m e n t a l w o r k ，t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wf i e l di ns p r a yg e n e r a t e r , u s i n ge x p e r i m e n tm o d e l a n dp r e s s u r es w i r ln o z z l ed e s i g n e db ys e n i o ro f f i c em e m b e r c o n s i s t e n c yo fn o z z l ed i r e c t i o n d u r i n gf i x a t i o ni se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o rf l o wf i e l du n i f o r m i t y b l o wa w a ys h o u l db e a v o i d e do ft h es p r a yf i e l db yt h eh i g ht e m p e r a t u r eg a s t h e r e f o r e ，v e l o c i t yo fb o t hh i g h t e m p e r a t u r eg a sa n dt h ec o o l i n gh e a v yo i ls h o u l db ec o m p a t i b l ew i t he a c ho t h e r f o r m u l a so f d r o p l e td i a m e t e r , j e td e p t h ，a n dm i n i m u ms p r a yc o n ea n g l en e e d e di nd e s i g n i n gs w i r ln o z z l e s w e r ed e d u c e do nt h ef o u n d a t i o no fe v a p o r a t i o n ，h e a tt r a n s f o r m a t i o na n dg e o m e t r yk n o w l e d g e s p r a yc o n ea n g l e sw e r ec o l l a t e da f t e rs w i r ln o z z l ew a sd e s i g n e do nt h eb a s i so fs w i r lf l o w t h e o r y a t o m i z a t i o na n df l u xc h a r a c t e r i s t i c so fs w i r l n o z z l eu n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ee x p e r i m e n t e du s i n ge q u i p m e n to fa p v , l s 一2 0 0 0 ， a n dh i g h t e c hc a m e r a o p t i m a lp a r a m e t e r sw e r ep e r o r a t e da n dr e l a t i o n s h i po ff l u x ，s m d ， d r o p l e tc o n s i s t e n c ew i t hn o z z l e ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp r e s s u r e f o r m u l ao f r e l a t i o n s h i po ft h e o r e t i cs w i r ln u m b e ra n da c t u a ls p r a yc o n ea n g l e w a sf i g u r e do u t e x p e r i m e n td a t aw e r es i g n i f i c a n tf o rd e s i g no fs w i r ln o z z l ea n ds p r a yg e n e r a t e ra n dt h e i r a p p l i c a t i o n l o c a l ea p p l i c a t i o nw a sc a r r i e d o u to fs w i r ln o z z l ed e s i g n e dt h e r e u n d e r e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n di tt u r n e do u tb e t t e ri nc o o l i n gt h a nt h en o z z l et h e y u s e db e f o r e k e yw o r d s ：c o k i n g ，e t h y l e n eq u e n c h e r ，s w i r ln o z z l e ，s w i r ln u m b e r , s i m i l a r i t yt h e o r y 主要符号表 s 【 钍卜索太尔平均直径，um ； p 密度，k g m 3 ； p 一体积分数； f ，张量符号； 卜湍流强度； “湍流脉动速度，m s ； “平均速度，m s ； r r 雷诺数； 燃烧器内的平均切向速度，r n s ； d ，燃烧器内的平均轴向速度，m s ； r 。为旋转气流的旋转半径，m ； 卜为旋流芯外径，m ； 9 动量矩保持系数； 矽截面收缩系数； 雾化锥角，。： 月幽2 第二临界雷诺数； 2 广- 无因次数群怒赛尔( n u s s e l t ) 数； 妨一无因次数群休伍德( s h e r w o o d ) 数； 肜一水分蒸发量，k g ； d w d r 蒸发速率，k g h ； 瓯一传质系数，蚝水( m 2 h x ) ； 彳传质面积，m 2 ； 砌一x 湿含量差表示的传质推动力； 液滴表面上空气的饱和湿含量，k g 水k g 干空气； r 空气湿含量，k g 水k g 干空气； 9 一传热量，l 【j ； f 传热时间，1 3 8 8 9 e 5 h ： d q d r 传热速率，k j h ； 口给热系数，k j ( m 2 h ) ； 彳传热面积，m 2 ； f ，对数温差，传热推动力，； r 液滴汽化潜热，k c a l k g ； f 油束的贯穿时间； k 。无燃烧时雾化油滴的蒸发系数； 兄油的热导率，k w ( m ) ； 岛油密度，k g m 3 ； c 。混合气比定压热容，k j ( k g ) ； 三燃油的汽化热，k j k g ； t ，空间内气体的温度，； 岛环境温度，。 c 。一一理想气体混合物的定压比热， k c a l k g ： x 。，一f 组分的重量分率： c 。f 一一组分理想气体的定压比热， k c a l k g ： c d 流量系数； 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：翠 嗍叮年占月1 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： ， 6 月同 歹月厂同 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 课题研究是针对某公司烯烃厂裂解装置中油急冷器结焦问题展开的。在乙烯装置 中，采用油急冷器对裂解炉出口裂解气进行快速冷却，来自裂解炉的高温裂解气与来自 喷嘴的低温急冷油在急冷器内相互接触进行高速强换热以冷却裂解气。急冷器原设计采 用两组四个旋流喷嘴，自投产以来，冷却效果较差，易结焦，操作周期短，尽管此后对 喷嘴进行了一系列改造，运行过程中仍存在严重的结焦问题。 旋流式雾化喷嘴由于其结构和性能的优越性，在军事工业、能源动力、石化工业及 农业生产都中有着广泛的应用【l 】。喷嘴雾化质量的高低直接影响着生产工艺的正常进行 和产品质量【2 1 ，因此高雾化质量喷嘴的开发研究尤为重要f 3 1 。 就旋流雾化喷嘴而言，其研究已经进行了1 0 0 多年，形成了较为完善的理论体系。 但是，结合脱硫除尘及冷却降温等工艺的喷嘴研究相对较少。目前，我国仍然不能自行 研制沈涤塔喷嘴，国产化的需求十分迫切。因此，本文拟对压力漩流雾化喷嘴在不同环 境流速下的流场特性进行研究，为该结构喷嘴设计及具体工艺的应用提供参考数据，具 有重要理论意义和实用价值。 1 2 旋流雾化研究现状 1 2 1 压力旋流雾化技术进展 对压力旋流雾化机理的理论研究方法可分为线性理论和非线性理论。线性和非线性 所面对的是同样的流体控制方程，只是方法不同。非线性理论中，扰动量不再是无限小 量，而是有限小量。扰动量所满足的控制方程和边界条件也应包含一阶以上小量。 1 ) 线性理论 雾化机理早期的研究是应用线性理论。对旋流的探讨首推p o n s t e i n 4 】在1 9 6 0 年的工 作。他利用时间模式对旋流的阶数n 与扰动增长率的关系进行了分析。首先对射流稳定 性进行理论研究的是p l a t e a u 5 1 ，他的研究表明：当静态液柱长度超出它的周长时，它就 不稳定，会断裂并形成2 个液滴。p l a t e a u 的研究为射流稳定理论奠定了基础。1 8 7 8 年， r a y l e i g h t 6 1 对射流破碎机理进行了首创性的、较为全面和完整的理论研究，他以一个初 始稳定的无限长圆柱形低速无粘液体射流为研究对象，研究方法是基于液体表面波不稳 定性理论，即低速情况下，只有轴对称模式是不稳定的，此时表面张力是液体破碎的原 第章绪论 因。理论界将其称为r a y l e i g h 破碎。此后，w e b e r 等人对粘性液体射流进行了研究，建 立了考虑粘性的液体射流模型。研究结果表明：粘性不是影响射流稳定性的判别准则， 但粘性使得射流表面扰动波最大增长率减小，相应的最不稳定波数减小，最终导致射流 破碎尺寸增大。以上的研究都是基于时间模式，为此，k e l l e r 等人建立了扰动沿空间发 展的理论，即空间模式。空间模式计算的最大扰动增长率及其对应的波数较时间模式计 算的结果要大，且更符合实验现象。l i n 和k a n g 7 】等人又进一步利用空间模式对旋流的 稳定性进行了探讨。此外i b r a h i m ，w u 8 9 】等人也在该领域进行了特定条件下的研究。 2 ) 非线性理论 尽管线性理论在研究破碎机理方面取得了成功，但是也存在一些缺陷。例如线性理 论预测，在每个波长内会形成一个液滴，各液滴尺寸均匀，这与实验中所观察的两个主 液滴之间出现的小液滴卫星液滴和亚卫星液滴的现象不符。为了解决这些题，b o h r 首先提出了射流的非线性问题；w a n g 1 0 】和y u e n 也对非线性问题进行了探讨，他们都采 用了三阶摄动方程进行研究。对于卫星液滴，l a f r a n c e 首先进行了研究，c h a u d h a r y 1 2 l 等人利用可比较的模型，并通过实验研究卫星液滴的行为，但他们的理论与实验不相 符。此后，s h o k o o h i 和e l r o d 】应用涡量流函数法对非线性问题进行数值研究，计算结 果表明，非线性项是射流破碎后大小不一致的原因。以上是非线性稳定性的摄动理论， 还有一些学者则采用基于求解n a v i e r s t o k e s 方程的数值方法，如边界元法( b e m ) 、 体积分割法( f v m ) 等，他们直接对液体射流进行网络划分，对控制方程和边界条件进 行离散化，得到了方程所在研究区域的数值解，以此考虑射流中非线性因素的影响。l e e 、 g r e e n 、b o g y 以及g a r c i a 等人建立了非线性稳定性的一维模式，他们采用时间模式和空 问模式，研究了基于假设有粘和无粘射流表面小幅值的扰动仅在径向有发展的c o s s e r a t 理论。近年来，n o n n e n m a c h e r 1 4 等人基于喷嘴出1 2 1 的流动知识并辅以流动模拟程序，计 算考虑了相界面引起的离散喷嘴内部流，可以在一定范围内预测s a u t e r 直径( s m d ) 。 国内学者杨延相、林玉静【1 5 1 7 1 等人，应用质量守恒和动量守恒定律对空心旋流 射流的运动建立了理论模型，并用数值方法求解，计算得到得模型如图1 - 1 所示。射流 在丌始阶段由于惯性会不断变大变薄，但由于表面张力的作用，会使其在半径方向的发 展达到某一极大值后又开始缩小。当半径变小时，由于切向速度增加使离心力又丌始大 于表面张力的收缩作用，射流也在缩小到一定值后重新丌始向外扩张。如此周期性变化， 外观上射流呈现连续的橄榄形状。射流内液体的流速沿射流轴线也呈现周期性变化，如 图1 2 所示。实际上，射流内液体质点的运动轨迹是处于橄榄形液膜上的空f 白j 螺旋线。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 可见，旋流喷嘴产生的射流不受外界扰动作用时在空间将永远以空心旋转液膜的形式运 动。 图1 1 射流径向尺寸随轴向距离变化图1 - 2 射流速度分量随轴向距离变化 f i g l - ic h a n g eo f j e tf l o wr a d i a ld i m e n s i o na l o n gw i t ht h ec h a n g eo fa x i a ld i s t a n c e f i g l 2c h a n g eo fj e tf l o ws p e e da l o n gw i t ht h ec h a n g eo fa x i a ld i s t a n c e 目前国内外对喷射雾化机理还在广泛深入地进行研究，主要从两方面进行：一是用 先进的光电测试技术区捕获雾化过程地细节：另一方面则是继续深入理论探讨，并利用 数值计算技术建立多种假设模型进行数值模拟化研究。 1 2 2 旋流雾化器的研究现状及应用领域 压力式雾化器是利用压力使液体高速通过喷嘴，将液体静压能转变为动能经喷嘴高 速喷出并形成雾滴，从而达到液体雾化的装置。单纯依靠压力通过小孔喷射仍不能达到 雾化要求，常用的压力雾化器( 又称压力喷嘴) 一般采用液体加压与旋转运动相结合， 使高速喷出的液体形成锥形薄片，液膜伸长变薄最后碎裂成为雾滴。 东南大学，李兆东、王世和等研究的旋流喷嘴【1 8 1 9 ，2 0 1 ，结构简图如图1 3 所示。其 采用的是压力式雾化的原理，液体加压与旋转运动相结合，使高速喷出的液体形成锥形 薄片，液膜伸长变薄最后碎裂成为粒径在1 3 0 0 一- - 3 0 0 0 l am 范围内的雾滴。此旋流喷嘴己 成功应用在湿法烟气脱硫装置中。 图1 - 3空心旋流喷嘴结构简图 f i g u r e l 3 s c h e m a t i cd r a w i n go fah o l l o ws w i r l i n gn o z z l e 中国科学院工程热物理研究所，徐震，王渺林等研究的用于喷淋和空气湿化的旋流 3 第一章绪论 雾化喷嘴1 2 ，如图1 4 所示。从离心泵来的高压水由接管引入喷嘴，经进水口加速后沿 切向进入中心旋流室，旋转的水流挤压到壁面，在水流中心形成空气柱，然后以不稳定 的薄膜状态从喷口中喷出，进而在气体动压、表面张力和黏性力的作用下破碎为液滴。 试验使用英国m a l v e r n 公司的2 6 0 0 型激光粒度分析仪( m a l v e m 仪) 测量喷嘴的喷雾粒 度分布。绝大部分s m d 在( 5 0 6 0 0 ) pm 范围内。此喷嘴作为湿化器关键部件己成功应 用在湿空气透平循环中。 图1 _ 4 旋流雾化喷嘴结构图 f i g l - 4 s t r u e t u r a ld r a w i n go fas w i r l i n ga t o m i z a t i o nn o z z l e 中国石油大学( 华东) ，仇性启、王晓琦等研究的压力旋流喷嘴口引，结构简图如图 1 5 所示。利用离心泵使液体获得一定压力从四个切向入口进入喷嘴的旋转腔中，液体 在旋转腔获得旋转运动。根据旋转动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比，愈靠 近轴心，旋转速度愈大，液体静压能在喷嘴处转变为向前运动的液膜的动能，从喷嘴喷 出。试验应用德国b a s l e r 公司5 0 4 k c 高速摄像仪，对喷嘴内部流场进行捕捉拍照。 采用t s i 公司生产的激光测速仪a p v ( a d a p t i v ep h a s e d o p p l e rv e l o c i m e t r y ) 测量喷雾场 的速度及粒径。绝大部分s m d 在( 2 2 0 4 5 0 ) l am 范围内。 , i , j i 厂i ，1 i ，? ，| 二 ， ， 、 嚣 j - 一 - 、 a a 图1 5 旋流喷嘴总体结构简图 f i g l - 5g e o m e t r yo fad e s i g n e ds w i r l i n gn o z z l e 太原理工大学机械工程学院，马素平、寇子明等研究的用于喷雾降尘的压力雾化喷嘴乜3 1 ， 如图1 - 6 所示。考虑到其雾化性能和避免堵塞，故采用双头导流折返形状，类似于x 形 状的旋流叶片，如图卜7 所示。压力水进入喷嘴后沿喷嘴芯形成的倾斜( 与水平线夹角 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 成4 0 。) 流道流动，到边缘后旋转折返回来形成旋转流动。每个叶片上又开一个方形槽 口，使两股水流相互作用，加大紊流程度，最后在喷口前汇合产生更大的紊动。水流在 被喷出前经过如此剧烈的脉动，横向速度能量剧增，因而喷射出后雾化均匀、分散度好、 雾粒细微，对沉降粉尘十分有利。而且，喷嘴芯流道在最狭窄处其横向尺寸是喷嘴出口 直径的两倍，所以喷嘴不易产生内部流道堵塞现象，提高了喷嘴工作的可靠性。此喷嘴 已普遍应用在工作空间狭窄，工作环境又很恶劣煤矿井下，用来沉降粉尘。 啧囊体2 赜臂药3 芯体压量 图1 - 6 带插芯旋流喷嘴结构简图图1 7 喷嘴芯示意图 f i g l - 6 n o z z l ew i t hs w i r l i n gc h i p f i g l - 7 s k e t c hm a po fs w i r l i n gc h i p 四川大学，石庆宏等研究的旋转压力式雾化喷嘴【2 4 】，如图1 8 所示。其雾化的雾 滴粒径比较均匀，主要集中在8 0 - 2 0 0l am 之间，该喷嘴很适于喷雾干燥。喷嘴的喷雾 通量在雾锥中心处最大，沿着径向方向递减；随着压力的增大，邻近雾锥中心的区域喷 雾通量变大，在雾锥边缘处喷雾通量变小。该雾化器在喷雾干燥系统中应用较多。 1 p i p e - j u n c t i o n2 n u t3 b o r ep l a n k4 a t o m i z e r 图1 - 8 旋转压力式雾化喷嘴结构示意图 f i g l - 8 s k e t c hm a po fac o m m o np r e s s u r es w i r l i n gn o z z l e 安徽理工大学，陈明功等研究的喷雾脱硫压力式雾化器【25 | ，如图1 - 9 所示。旋转芯 体紧配合安装在外壳中。具有一定压力的液体进入雾化器，经螺旋导流槽离心运动，流 体的压力势能转化为动能从喷嘴喷出，首先形成挂钟状( 或圆锥状) 液膜，液体沿喷嘴 表面圆周速度和轴向速度的合成速度方向流出，形成一个绕空气芯旋转的单叶双曲面形 空心锥薄膜，即膜状分裂。高速喷出的混合流体剧烈扰动空气，形成压力波并不断发展， 该不稳定的膜状分裂受压力波干扰，进一步分散为液片；液片收缩、截面变形，成为环 状液柱；液柱进一步发展，又分裂成为液段；液段再收缩，变形为球形液滴，从而液体 气 第一章绪论 分散为许多细小的微滴，形成雾化。用a p v 测量雾化粒径在1 0 0 - - 3 0 0 1 1m 之间。此喷 嘴在烟气脱硫系统中应用较广。 弋。、 套h 淑y l - 外壳2 一旋i j i i 芯 图i - 9 压力式雾化器结构简图 f i g l - 9p r e s s u r es w i r l i n ga t o m i z e rw i t hi n n e rc h i p 在各种雾化喷嘴中，压力喷嘴以其结构简单、雾化性能好、能耗低、操作简便等优 势，应用十分广泛。 1 ) 烟气净化中的应用 旋转射流作为一种特殊射流，由于可以实现均化和分离功能，早已被用于工业生产 中。工程技术中常常利用旋风旋流原理，也就是利用旋转流体的离心力原理将流体中的 固相颗粒进行分离清除，提高粉尘的沉降效率，从而减少对环境造成的污染。同时由于 它有良好的降温效果，从而更加有助于对某些有害气体( h 2 s 、s 0 2 等) 的吸收，目6 旋 流喷嘴作为一项关键部件被广泛应用于化学工业中喷淋洗涤塔、烟气脱硫系统中。 湖南大学李彩亭教授等针对燃煤锅炉烟气净化问剐2 6 i ，利用改性文丘里净化沈涤机 理，研究了一种湿式洗涤和旋风分离相结合的除尘脱硫装置。文丘里喉管入口处装有旋 流雾化喷嘴，该改性文丘里与传统文丘罩结构相比，增大了喉口面积以减慢气速，从而 增加气体吸收时i b j ，缩短了喉管长度，以减小阻力。工业应用表明：该装置除尘效率大 于9 7 ，脱硫效率达到7 5 ，设备阻力小于1 2 0 0 p a ；茂名石化工程公司研制的麻石无 溢流泡沫脱硫除尘器【2 7 1 。除尘效率达9 8 - - 一9 9 7 ，脱硫效率达6 0 8 5 ，设备阻力 5 0 0 的部分约有 4 0 w t 5 0 w t 的气化率，未气化的液相部分在重油原料中占相当大的比例，在渣油裂 化时，原料中的减压渣油部分有相当一部分并未气化。重油中的胶质和沥青质绝大部分 存在于5 7 7 。c 以上的馏分中，而急冷器中气油混合点温度一般在5 6 0 以下，故此类物质 多以液态存在。另外，胶质、沥青质含极性物质较多，所含极性物质越多，则越难挥发 气化，越易分解和缩合，有明显的生焦倾向。 结焦主要原因是原料油中多环芳烃通过热聚合反应的结果。在裂解反应过程中，一 部分反应产物形成高分子烃类，在操作条件下不易挥发，附着在器壁上。这种高分子烃 类即为“结焦f j i f 身物”，他们在与较低温度的器壁接触时冷凝为液相，进而缩合为焦炭。 根据以上机理，在裂解温度下，原料和裂解气中的重组分一部分以液滴形式存在，其粘 附性很强，当它们碰撞到器壁时，会粘附在器壁上，经过一段时间后缩合为焦炭。 2 ) 相分离生焦 重油是以沥青质为胶束中心，胶质为溶剂层，饱和分和芳香分为分散体系的胶体体 系。重油液相热转化过程中的结焦现象实际上是胶体体系的相分离过程。当石油胶体体 系的温度升高时，沥青质胶束和胶束相之间的吸附平衡向胶束相方向移动，一部分胶质 分子发生解吸而脱离沥青质焦核，失去保护的沥青质核通过缔合使总能量降低，在宏观 上表现为石油胶体体系的胶凝和聚沉，即第二液相的出现。这是相变化的初始阶段，而 15 第二章旋流雾化及其在急冷过程中的应用 碳质中间相的形成是中间阶段，焦的形成则是相变化的高级阶段。 李生华等研究了石油胶体溶液的第二液相理论【4 2 1 ，进一步提出第二液相的两个阶 段：即物理第二液相和化学第二液相。物理第二液相的出现是相分离化的初级阶段，化 学第二液相的形成是中级阶段，焦的形成是高级阶段。在热转化过程中，重油体系经历 了重油胶体溶液、物理第二液相、化学第二液相再到焦的相态变化过程。 在石油液相热转化过程中重油组分发生如下重要的特征反应：溶剂胶质发生歧化 反应转化成轻质产品和沥青质，一些胶溶剂则因失去烷基侧链而部分或全部丧失胶溶能 力：沥青质在分解时发生两种变化，即脱氢缩合生成稠环芳烃结构和多环稠环芳烃分 解生成低分子碎片：油分裂化为易于溶解胶溶成分的低分子非极性化合物。这些反应 的最终结果是：饱和分和沥青质随着芳香分和胶质的裂解以及聚合而增多，最终导致沥 青质胶束和胶束间相之间的吸附平衡向着胶束方向发生移动，使重油胶体体系被破坏， 使沥青质丧失胶溶状态而产生絮凝聚沉物，形成所谓的第二液相，在器壁表面沉积，并 向焦转化。 樊红雷利用热台显微镜研究了催化裂化油浆相分离与生焦的几个阶段，得到了上 述的重油体系相态变化过程。 从急冷器结焦情况来看，油急冷过程的结焦原因有两条：一是急冷油的热稳定性， 在急冷过程中局部油温大于3 0 0 时，成碳加剧；二是在急冷过程出现局部过热点，促 成急冷油成碳，特别是油在壁面上成碳，或者碳粒子被带到壁面上，形成焦碳在壁面上 堆积，逐渐发展形成恶性循环，最终将整个管道堵塞。由于该急冷器采用卧式布置，喷 嘴设置在管道上方成4 5 0 角进入急冷器，如果急冷油在管道内分布不均可能会使裂解气 和急冷油不能充分接触，影响裂解气冷却过程。由于油急冷器必须在有限的空间和时间 内，将裂解气从5 0 0 。c 快速冷却到2 0 0 。c ，是一快速换热过程，因此急冷油从喷嘴出来 时必须以最大的分散度进入急冷器，以加大换热的接触面积，提高裂解气的冷却速度， 降低结焦的可能性。急冷油在急冷器中的雾场结构和雾化特性对裂解气急冷过程具有重 要作用。 2 3 急冷器内气、液流动形式 雾滴和气体在急冷器内的流动方向和混合情况直接影响到传质传热的效果，应根据 不同的运动形式设计相适宜的喷嘴【删。 1 ) 气体一液滴并流流动 所谓并流运动，指气相和雾滴在急冷器内均为相同方向运动。这种并流又分为三种 】6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 情况：向下并流、向上并流和卧式喷雾冷却的水平并流流动【4 5 j 。空心锥喷嘴，特别适合 于并流喷雾冷却。因为雾滴主要位于雾锥的边缘，容易与气体相接触，有助于提高传质 传热效率。 2 ) 气体一液滴逆流流动 所谓逆流流动，指气相从急冷器底进入，由塔顶排出，料液从顶部向下喷出，在急 冷器内形成逆向流动【4 5 1 。逆流操作的特点是传热传质的推动力较大，将液相与气相充分 接触，可以最大限度的与气相进行传质传热，热利用效率较高；但是，逆流操作中料液 的停留时间较长，容易造成设备内部压降升高。 实心锥喷嘴，适宜用于逆流流动系统。因为气相可以碰触道实心锥形的全部表面， 这样，锥中心的液滴和锥边缘的液滴与热风接触的机会是相同的。雾滴不易产生粘壁现 象【4 4 1 。 3 ) 气体一液滴混合流流动 所谓混合流流动，是既要有逆流又有并流的运动。 喷嘴安装在急冷器中部或底部，向上喷雾；气相从顶部进入，雾滴先与气相逆流向 上运动，达到一定高度后又与气相并流向上运动。最后，液体从底部排出，气相从底部 的侧面排出。这种流动显著延长了液相在塔内的停留时间，从而减低塔的高度，但容易 出现粘壁现象。 由丁旋流喷嘴雾化微粒较为细小稳定，当雾化料液与热风相接触时，由于液滴群的表面积很人， 与所需降温的气体有较人的接触表面积，在下落过程中，与高温热风接触后液滴被迅速蒸发，而雾 滴蒸发吸收人昔的汽化济热，从而可实现较好的降温效果。故设计旋流喷嘴对急冷器结构进行改进。 1 7 第三章轴流风速下急冷器的类比模化 第三章轴流风速下急冷器的类比模化 对于复杂的实际工程问题，直接应用基本方程求解在数学上极其困难，故只能依赖 于实验研究。研究裂解急冷器内流场时，需对裂解气及急冷油成分进行充分的了解，而 且利用大型的急冷设备进行实验研究总成本较大。而将其转化成以空气和水为介质的实 验就相对容易得多，这时必须考虑裂解气和空气以及急冷油和水之间的相似模化问题。 本章主要根据流动的相似理论建立实验模型，给出了理想情况下所需的流量及压力等操 作条件，并进行了实验研究。 3 1 相似准则 3 1 1 流动相似准则 为使模型流动能表现出实型流动的主要现象和特性，并从模型流动上预测出实型流 动的结果，就必须使两者在流动上相似，即两个互为相似流动的对应部位上对应物理量 都有一定的比例关系。 水力学模型试验：是依据相似原理把实物的原型按一定比例缩小制成模型，模拟与 实际相似的情况进行观测和分析研究，然后将模型试验的成果换算和应用到原型中，分 析判断原型的情况。 流动相似：两个流动的相应点上的同名物理量( 如速度、压强、各种作用力等) 具 有各自的固定比例关系，则这两个流动就是相似的。 模型和原型保证流动相似，应满足几何相似、运动相似和动力相似。 1 ) 几何相似 几何，f - h c x ：指原型和模型两个流场的几何形状相似，即原型( 下标用p 表示) 和模 型( 下标用m 表示) 及其流动所有相应的线性变量的比值均相等。 长度比尺： 兄，：生( 3 1 ) “ 乙 面积比尺： 九= 石a p = 鸶2 = 麓 2 ， 体积比尺： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 乃= 每= 乏3 = 雹 3 ， 2 ) 运动相似 运动相似：是指流体运动的速度场相似，也即两流场各相应点( 包括边界上各点) 的速度“及加速度a 方向相同，且大小各具有同一比值。 速度比尺： 无= 鲁= 挨= 纠 4 ， 加速度比尺： 乃：生：兰堡：五百z ：五百t ( 3 5 ) 口mu m t m 3 ) 动力相似 动力相似：是指两流动各相应点上流体质点所受的同名力方向相同，其大小比值相 等。 力的比尺： 0 = 鲁：兰争= 以五3 九12 ：旷。2 。2 ( 3 6 ) mm m a m 。 流动相似的含义： 几何相似是运动相似和动力相似的前提与依据；动力相似是决定两个液流运动相似 的主导因素；运动相似是几何相似和动力相似的表现；凡流动相似的流动，必是几何相 似、运动相似和动力相似的流动。 3 1 2 动力相似准则 动力相似准则( d y n a m i c ss i m i l a r i t yc r i t e r i o n ) ，两个流动要实现动力相似，作用在 相应质点上的各种作用力的比尺要满足一定的约束关系，这种约束关系称为相似准则。 作用在流体质点上的力可以分为两类，一类是企图维持原有运动状态的力，如惯性 力：另一类的力是企图改变其运动状态的力，如重力g 、粘滞力t 、动水压力p 等。流 动的变化是这两类力相互作用的结果。因此，各种力之间的比例关系应以惯性力为一方 来相互比较，在两个相似的流动中，这种比例关系应保持固定不变。 惯性力i = m a = p r 砉叫t - 2 = i 0 删乃= 凝吟鬈根据动力相 1 9 第三章轴流风速下急冷器的类比模化 似有九f = 九i ，即 j0：jl(3-7) pp e 或p 。l 2 2 m j 若称= n e 牛顿数，即 p l y ( n e ) 。= ( n e ) 。 ( 3 - 8 ) 所以两个相似流动的牛顿数应相等，这是流动相似的重要标志和准则，称为牛顿数 相似准则。 牛顿相似准则说明了完全的动力相似。若原型和模型流动动力相似，各同名相似准 数均相等，如果满足则称为完全的动力相似。但是事实上，不是所有的相似准数之间都 是相容的，满足了甲，不一定就能满足乙。如果所有的相似准数都相等，意味着各比例 系数均等于1 ，这实际上意味着模型流动和原型流动各对应参数均相等，模型流动和原 型流动就成为了相等流动。因此，要使两者达到完全的动力相似，实际上办不到，我们 寻求的是主要动力相似。只要满足了决定性相似准数相等后，就满足了主要动力相似， 抓住了解决问题的实质。 1 ) 雷诺( 粘滞力) 准则 心= 糕2 鑫o c 篇= 等 限9 ， 。 方 式中：上为流场中的特征线性长度； r e 雷诺数。 当粘滞力起主要作用时，动力相似有： ) p = ( r e ) 。或华= 1 ( 3 - 1 0 ) 适用范围：主要受水流阻力即粘滞力作用的流体流动，凡是有压流动，重力不影响 流速分布，这类液流相似要求雷诺数相似。另外，处于水下较深的运动潜体，在不至于 使水面产生波浪的情况下，也是以雷诺数相等保证液流动力相似。如层流状态下的管道、 隧洞中的有压流动和潜体绕流问题等。 2 ) 欧拉准则 流体流动以动水总压力为主要作用力的情况： 2 0 中国石油火学( 华东) 硕上学位论文 = 等= 等= 譬 ， 当压力起主要作用时，动力相似有： e “p ：e “。或竿：1 ( 3 1 2 ) 勺 一般，两液流的雷诺数相等，欧拉数也相等。 欧拉数的物理意义： 欧拉数是压力为主要作用力的时候的相似准数，表征压力与惯性力之比，两流动欧 拉数相等则压力相似。 此外，相似准则数还有：重力为主导作用力的弗汝德准则；表面张力为主导作用力 的韦伯相似准则；弹性力为主导作用力的马赫数相似准则；非恒定流体流动中，当地加 速度( 譬0 ) 所产生的惯性作用与迁移加速度的惯性力为主导作用力时的斯特哈罗数 相似准则等。 3 2 实验参数的确定 3 2 1 操作参数的设计计算 在模型流动设计过程中，首先要考虑该流动性质，选择决定性相似准数，此外还要 考虑实验规模和实验室的条件以及实验时所采用的流体是否与原型流动中的流体相同 且是否同一温度等因素。本实验过程中，由于射流在喷射过程主要受水流阻力即粘滞力 的作用，而且是有压流动，故假设过程中重力等其他力很小，不影响流速分布，采用雷 诺数相似准则对急冷器模型进行设计，利用欧拉相似准则对所需压力进行计算。 压力场的相似不是两个流动相似的原因，而是两个流动相似的结果。眈准则不是 独立的。只要主要的相似准则( r e 或f r ) 得到满足，则该准则必定满足，即两液流的 雷诺数相等，欧拉数也相等；因此可以根据欧拉数相等得出压力公式。 1 ) 原型与模型相关参数 急冷装置的原型参数如表3 1 ，其中液路介质为急冷油，气路介质为裂解气。 2 1 第三章轴流风速下急冷器的类比模化 表3 - 1 原型参数表 t a b l e 3 1 p r o t o t y p em e d i u mp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s 液路直径，m m 流量，m 3 h 温度， 压力，m p a 密度，k g m 3 粘度，c p 2 02 2 4 8 721o0 2 58 8 9 4 0 7 3 3 气路 直径，i t l m 流量，m 3 h 温度， 压力，m p a 密度，k g m 3 粘度，c p 1 0 0 06 6 6 8 05 5 00 11 0 3o 0 1 6 实验条件下模型的部分参数如表3 2 ，其中液路介质为水，气路介质为空气。 表3 - 2 模型参数表 t a b l e 3 - 2m o d e lm e d i u mp a r a m e t e r s 液路( 水)直径，m m 温度， 密度，k g m 3 粘度，c p 52 59 9 7 0 70 8 9 4 气路( 空气)直径，m m温度， 密度，k g m 3 粘度，c p 2 5 02 51 2 5o 0 1 8 2 ) 实验模型操作参数的计算 取长度比尺为4 ，即原型几何尺寸是模型的4 倍，丑= l l _ l = 以d _ z p = 4 。 液路的流速、流量及压力设计计算 模型与原型中，假设过程中重力等其他力很小，不影响流速分布，由于射流在喷射 过程主要受流体阻力即粘滞力的作用，而且是有压流动，采用雷诺相似准则对急冷器模 型进行设计，利用欧拉相似准则计算所需压力。 急冷油在原型喷嘴出口处的流速公式： q 。 u p l 2 万d = p 1 2 ( 3 - 1 3 ) 速： 由雷诺数相等，：r e i n 。，即旦型鱼堕：挚，因此水在模型喷嘴出口处的流。 u p l 1 心l 砟】“p 1 d 川 u m l 一一 z p l 成l d m l 模型喷嘴中水的流量： q ，= 华 2 2 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由欧拉数相等。= f - - ，u m 。，即坠 ：鸟，得实验模型喷嘴的压力计算公式： 岛1 “；1 成l “m l 。：丛单 ( 3 - 1 6 ) p d 、u p l 气路的流速、流量及压力设计计算 由裂解气的流量q p ：，得原型中裂解气在气路出口流速： = 筹 b 7 ， 由雷诺数相等如2 ：r 。2 ，即p p 2 u p 2 d p 2 一p m 2 u m 2 d m 2 ，得气路出口流速： 产2 m 2 l i r a ： j m 2