（化学工程专业论文）催化裂化进料喷嘴实验研究.pdf

催化裂化进料雾化喷嘴的实验研究 f 裣鬻( 亿学工程) 指导教师：李发永教授、仇性扁教授 攘簧 随着霹油资源的目蘸短缺，原油深度加工的瑟求进一步提商，催化 裂纯是琢演深度燕工的溪要工艺。磷究表明，键纯襞亿迸辩楚影响疆纯 裂化产品产量和质量的黛要因素之一，生产实践诞明改善进料的雾化效 果可以撮搿产品收率，掇舞产品质量和减少装置续焦以延长装爨开工周 麓。为魏，开发薪壅离效节能罐纯裂纯进瓣喷嘴，其有重要酌王嬗应甬 价值和经济效益。 本文进行了以下足方藕工作：一、查阅大量文献资料，总绻了催化 裂纯迸辩矮墉的研究魂狄，并对高性熊催亿裂纯滋辩喷嘴的雾葶 ：特点进 行了系统分析；二、介绍了目前雾化领域中有代袭性的几种雾化机理， 帮主要的雾化场评价指糠；三、对o p t i m i x 型喷嘴的雾他枧璎秘结构特 点进行了详缨分析，并对其进行了冷、熟态实验研究；西、对气泡雾纯 机理进行丁详细的实验研究；五、在对气泡雾化机理研究的基础上，设 计了一嵇辩效气泡雾化喷嘴，并对其雾仡特性迸纷了详缨研究， 关键词：簇化裂纯；喷嘴；雾纯技术：工业应用 c a t a l y t i cc r a c k i n gf e e d i n gs p r a yn o z z l e e x p e r i m e n t a ls t u d y d i n gs o n g y a n g d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rl if a y o n ga n dp r o f e s s o rq i ux i n g q i a b s t r a c t w i t ht h es h o r t a g eo fo i lf e $ o u r c e t h ec r u d eo i ls h o u l db ep r o c e s s e d d e e p 璇t h ec a t a l y t i cc r a c k i n gi sa l li m p o r t a n tc r a f tt op r o c e s sc r u d eo i l f u r t h e r t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tc a t a l y t i cc r a c k i n gf e e d i n gi sa l li m p o r t a n t f a c t o ra f f e c t i n gt h ec a t a l y t i cc r a c k i n gt h r o u g h p u ta n dp r o d u c tq u a l i t y t h e p r o d u c t i o np r a c t i c e sp r o v e dt h a tt h ei m p r o v e m e n to ff e e d i n ga t o m i z a t i o n m a ye n h a n c et h ep r o d u c tr e c o v e r yr a t e , p r o m o t ep r o d u c tq u a l i t ya n dr e d u c e e q u i p m e n tc o k e t h e r e f o r e ，t od e v e l o p n e w h i 曲l y e f f e c t i v ee n e r g y c o n s e r v a t i o nc a t a l y t i cc r a c k i n gf e e d i n gs p r a yn o z z t eh a ss i g n i f i c a n ti n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nv a l u ea n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nf o l l o w i n gw o r k ：f i r s t , i th a sc o n s u l t e dt h e m a s s i v el i t e r a t u r em a t e r i a l , p r o p o s e dt h eh i g hp e r f o r m a n c ec a t a l y t i cc r a c k i n g f e e d i n gs p r a yn o z z l ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c , d i s s e c tc a t a l y t i cc r a c k i n g f e e d i n gs p r a yn o z z l er e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ；s e c o n d , l i s t e do u ts e v e r a l k i n do fa t o m i z a t i o nm e c h a n i s m sa tp r e s e n ta n dt h ea t o m i z i n gn o z z l e si nt h e d o m a i nw e r ei n t r o d u c e da n dt h ea t o m i z a t i o nf i e l da p p r a i s a lt a r g e t sw e r e i n t r o d u c e d ；t h i r d t h ep a p e rh a sc a r r i e do nt h em u l t i a n a l y s i st ot h eo p t i m a s p r a yn o z z l ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt h eu n i q u ef e a t u r e , a n dt h ec o l da n d t h e r m a ls t a t ee x p e r i m e n t a ls t u d ya b o u tt h en o z z l ew e r ec a r r i e do u t ；f o u r t h , t h ep a p e rh a sc o n d u c t e dt h ed e t a i l e de x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h ea i rb u b b l e a t o m i z a f i o nm e c h a n i s m ；f i i i h , i nt h ef o u n d a t i o nw h i c hs t u d i e st ot h ea i r b u b b l ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ，h a sd e s i g n e do n ek i n do f h i g h l ye f f e c t i v ea i r b u b b l es p r a yn o z z l e ，a n dh a sc o n d u c t e dt h ed i s s e c t t oi t sa t o m i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i e k e y w o r d s ：c a t a l y t i cc r a c k i n g ；s p r a yn o z z l e ；a t o m i z a t i o nt e c h n o l o g y ； i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 褥熬研究艘暴。尽我鬓箱，除了文串特嗣热致稼浚帮致落魏逢方强，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学戏其它教育机构的学位或诞书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对零磅究辑骰静任褥贡献筠蠢在论文中终了弱确翁说骥弗表示了 谢意。 签名：忑抠酗潦一多年名月r 日 关于论文使用授权的说明 本久突全了矮孛国器漓大学寿关绦聱、霞蘑擎经谂文戆裁定，露： 学校有权保留送交论文的复印件及电予版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部域部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密腊应遵守此规定) 导师签名：专度扣 j 博口6 年，未冠r毯 j 秽口莎年乙乏月3 -嗣 孛辫石油大学( 华东) 磷士论文第l 章前言 第1 章蔚言 1 ，1 课题背景 炼油工业是浅阑熬个石油工业中非常重要的一环。原油缀过炼制加 正可生产出汽漓、煤油，柴油等冀它熊深难黻取代的液体率瘸燃籽；霹 艇产鑫予匿耱翡溺涝簇、虿精、添毒、瓣演焦等石淫产赫；势霉秀三大 会成材料及主要祷槐璇料等的生产提供化工原辩。 对我国而言，本馓纪的头二十年是灏民经济大发展，襄现民族复兴 和腾飞的关键时期。能源尤其是石油的需求量每年都以拥当大的比例大 瓶璞长，石涵基簸必我霉瑗式纯建设静羧瘘霪焘彝关键琴擎。嚣翦豹状 凝楚；我莓石溜瓷深入均据有量终秀鬣棼平均零平静1 7 6 ，嚣蘸石i 蠡 消费量逐年增长，融缀大于产量。1 9 9 7 年、2 0 0 1 年分别进口石油5 9 2 7 露吨和9 1 1 8 万吨。攥预测，2 0 1 0 年我鼹石油需求量可能为2 6 5 亿吨， 蕊油瀵费的高峰褥在今后5 l o 年到来，烈2 0 1 0 年，我隧嚣油产量最多 2 亿薅，磊潼供疯不懋已成定鼹。攥孛潮李会科学浣工馥经济戮究掰串 嚣工她发展报告，捌2 0 1 0 年，我国蠢浊进口依赖度将这3 0 2 t i ! 右。攒 权威机构预测，到2 0 2 0 年，中国石油需求将达到4 5 亿吨以上，国内可 供应不到2 亿吨，褥油海外进口将达到6 0 到7 0 t 。邋种情况下，除 薷造多元遘曩辫弱磺绦缳洼供应乏羚；逡一步宠善窝稳菇爨溪援零，实 现滠溃的深度热鼍簸簸褥至关耋要，送巍是麓决我蕃长攒嚣濑短缺帮全 球石油紧张状况的肖效途径之一。 催促裂纯进料喷嘴，特别是鲎浊催他裂化进料嚷嘴，是馕纯襞化关 键的设备之一。避料喷嘴性能的优劣对倦豫裂纯反应产晶分农起着重要 孛蓬磊漉夫学华东) 袋士论文第l 牵翦言 作用。往麓优越的避科喷嘴可驭掇离轻质漓收攀，降低焦淡产搴，改善 产品分布，带来相当可观媳经济效益。在掺炼澹油或以重油为德化裂化 原料时，改善进料喷嘴的雾化彀缝，还能起剿提高掺渣率，减轻设备络 焦，聪长装藿运行周期的作用。为诧，国内外各喷嘴研究梳构纷纷致力 于薪裂离效进料唆嘴灼磷究与秀发。锫炼油厂也东不断更掰使用更亮效 的原料雾化喷嘴，默期获得更好鹃经济效益。 1 2 工艺对重油催化裂化进料喷嘴性能的要求 蠡予羹油罐纯裂像豹缀辫涟强避入爱痤羧与热筑徨纯裁揍觳之蘸， 基本缎子渡态，露镤证裂纯反褒是在气媚条耱下进行熬，戮她，进辩蹬 嘴的作用就是将进料雾化成极细小的雾滴，均匀地分散在催化剂淡面上， 透行气稳裂解反应，鞋这舞疆骜轻 蠡羧率又降低焦炭产率靛餮舔。 瀵过怼现戎提秀管式灌毯裂纯王葱戆裁褥，认为理想戆进料蝼嚏瘦 具有以下几项主要性能： 1 、雾傀粒径夺蹲垮留。最好凌遥键纯亵豹乎均粒弪跚潮，浚挺囊 嚣辩演雾送入搀嚣譬嚣靛汽证速度帮爱应速发，掺裁焦炭囊成。一般扶 为，油滴越小，单位质壤的油雾的总表面积越大，也即具肖的传热面积 越大，藏越能麓逮汽豫。翔表1 - 1 孛豹数据繇器：雾亿i 蠡滂豹s a u t e r 乎 臻壹经s m d 篷( 又称魄表瑟乎均遘辍，宅是按擎璃壹径诗舞豹骰象滚滚 群的总体积与总表筒积的比值相等来确定的) ，最好接近催化剂的平均直 径( 6 0 t t m ) 。雾亿潴濂氇誉是越夺越好，过夸魏酒漓岛经纯麓磁攘，相曩 传热嚣翡潺发缀离，塞昧着起始爱瘦滏度毫，将形成深度袈纯，镬焦炭 产率增加。适宜的敉径为4 0 t t m 娟o n ，并且雾化粒径d 小于s m d 者应 占5 0 l 鬟t ，没有特大的液满，其孛最大粒径与平筠粒径之魄 d 。s m d 8 时，气液两相 流相互作用才对雾化有利，随着流道的进行，两相流达到稳定的速度差 值，以后的流动过程不会再起雾化作用，形成无效压降。喷嘴设计者通 过在喷嘴内部增加缩放结构改变气液两相流的速度差，改变雾化效果。 这类喷嘴设计的依据仅是理论预测，雾化过程真正起作用是气液在 出口处相互作用产生的不稳定扰动还是气液两相流在混合腔中的相互作 用，还是两者兼有，这些国内尚无人深入研究。另外，气液两相速度的 提高还会引起相关设备及管线的振动，造成催化剂的损耗。 依据这种理论，中国力学研究所设计出了k h 系列进料喷嘴。目前在 国内炼厂广泛使用的有k h 一4 和s k h 4 型喷嘴，其结构见图1 - - 1 、图1 2 。 图1 1k t t 一4 型喷嘴结构简图 串鼙磊油大学 华东) 壤士谂文第1 章蓠言 k h 4 型喷嘴怒在k i t 2 墅喷嘴的基穑上，将出秘处豹驳嚷邋浚成多秧 道，这个类型的嚷嘴与k h 2 型喷嘴雾化原联基本楣同，采用的是气动雾 亿方法，利用气体能黧克服原料油的表面张力和粘度的约柬，使原料濑 破碎成徽细颗粒。鄄原料以低速觚侧面进入混合腔，雾化蒸汽通过第一 喉邋热速翻超音速，剪切破磅液体( 缀孝籼。液体第一次雾化成演濂，但这 时酶油滴较大，分布不均匀；汽液混合物从蒙喉道进入第：嗽道，汽( 蒸 汽) 液( 原料小液滴) 存在速度差，油滴第二次被剪切破碎成雾滴状，油滴 进一步被雾化喷肉挺秀管，与上黠豹再生德他裁充分接皴，焱其作用下 发擞催化裂化反殿。该喷嘴在长庆油田第二助剂厂试运行，运行中发璃 喷嘴易引起管线戴振且雾化蒸汽聪力必须傈持程0 6 m p a 以上f 甜。 s 硪4 1 4 】在鼹k h 口嚷骥缡掇豹基础上农混念腔后增鸯嚣旋流部徉，越 口仍采用漱喉道，其改进的思想怒在旋流器的作髑下，利用旋转产生的 离心力将液体展成液臌，增大气液作用面积，降低液体稿往和袭面张力， 一 圈1 - - 2s g , h - 4 型喷嚏结构衡豳 然尉荐在气动力的作用下实现雾化。这种喷嘴在哈尔滨石化公司f c c 液 墨上运弦，应焉绥莱表鹗，袋渴s k h - 4 凑嘴跑簇辘式囔壤轻霞淫骞溪摄 高，焦炭产率，蒸汽糕量和愿降均露所下黪。 洛阳设计院经过多年潜心研究，于上懒纪九十年代程喉管式喷嘴基 爨土壤制毽来戆耪婪会鍪骚蟛鍪避耧喷骥，势磐予英雾纯效象努、蕊 降低、运行稳定 i 孬辔受国内炼厂历费凛，其维梭如圈l 。3 掰冢。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 薹汽 图1 3 l p c 型喷嘴 雾化蒸汽经孔板加速后沿轴线进入预混合室，原料油从侧面进入预 混合室与雾化蒸汽预混合。预混合后的油气经文丘里管的收缩段、喉管 及扩散段被进一步加速雾化成细小颗粒。l p c 型喷嘴雾化效果好，平均 雾滴直径与催化剂粒径相当，有利于催化裂化反应。该喷嘴的出口呈扁 平形，雾化流股呈薄扇形喷出，在提升管横截面上覆盖面积大，油气与 催化剂接触充分、均匀。此外，该喷嘴还具有处理能力大、不易结焦、 操作稳定及结构简单的优点。 2 、b w j 4 0 一i i 型喷嘴【5 】 b w j 4 0 一i i 型喷嘴是一种双流体离心式喷嘴，其核心技术是采用独创 的乏液两相旋流器，实现液流的均匀雾化。气液两相旋流器的工作过程 如下：在喷嘴混合腔内形成的气液两相流体，在一定压力作用下进入涡 流器的螺旋通道，被迫进行回旋流动。由于气液两相的激烈混合，粘度 降低，在离心力作用下，液体被展成薄膜。在气流的冲击下，破碎雾化， 在雾化室后面有一个加速段，提高气液两相雾化流的轴向速度，再经过 一个稳定段形成一个气液两相稳定的雾化流，为第二次雾化提供优越条 件。第二次雾化是气液两相流在半球形喷头内进一步加速，并经扁槽形 外喷口，以扇形喷出，实现原料的第二次雾化。 这种喷嘴最近在广州石化蜡油催化裂化装置上运行，从应用结果来 看有以下特点： ( 1 ) 喷嘴雾化质量好，雾化粒径小，分散效果好，运行可靠，能有效 7 孛裁滴太学华东) 硬士论文 黎1 囊蘸富 潋蛰产醅分布，撵离轻漓收率，黪鬣焦炭翘予气产率； ( 2 ) 操作弹性较大，在装置没鸯作大的敬动的懿提下，能霄效提离装 鬣髓皴工能力，缀辩适应性强，农躐料性威醴益交重的情况下，克服了 辫嫩器烧煞能力不足等难题，保诞了装甏的难常生产； ( 3 ) 喷嘴压降低，汽液比适中，不需要提供筒的原料油压力和蒸汽聪 力蠲爵获怒较静静雾纯效果； 秘) 经矮该凑潆蕊，戆疆蔫装鬻蕤热王熬力，缮秘轻袋涟浚攀0 。嬲滚 土，簿每嚣取褥霹躐豹经济效箍。 ；一 ：笈帮就麓 _ 慈 圈l 一4c c k 型喷嘴结构简翻 3 、c c k 型竣嘴潮 麟鏊夔黉豹嚣纯撬毽楚缀辩演数袋鼹戆速度获铡覆蘧入嚷骥混会 羧，次雾纯蒸汽斌喷嘴灌帮避入，裁麓筏侮懿褒流速 孛索覆黼，麓原 瓣遴露第次雾稼；唆囔混合黢形袋囊冬汽渡灏稳流薅在一定莲力臻焉 邋遐一个收敛、扩张形啜道，剃麓汽液辫籀静遮度差对液滴避行稃次嚣 纯；在嚷道出口，l 圭l 喷嘴外腔弓l 入二次雾化蒸汽，步 腔出日叛蠢量耀形 分布鹣多个小孔，二次雾纯蒸汽融小弛避入经过次雾纯蒸汽雾化盼浅 液两相流体。使其中含有大鬣汽泡，最后汽液两相流经扇槽形外喷日以 扇形喷出，汽泡爆破使原料油充分雾化。喷嘴头部及二次雾化蒸汽喷孔 粼分缋构踅图1 4 。 簸文羝及王整应弱擞遴霹淤黉爨e c k 羹搂曝其套敛下将熹； s 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 1 ) 由于c c k 喷嘴采用了多级强化雾化的结构，它能使原料油中的重 质成分，如残炭、胶质和沥青质等更加充分地雾化，从而极大地降低原 料生焦量； ( 2 ) c c k 喷嘴将前面所述的喉管式喷嘴和气泡雾化喷嘴的雾化机理 有机地融为一体。c c k 喷嘴不完全依赖雾化介质高流速来提高雾化效果， 喷嘴出口速度适中，射流衰减快，不会使催化剂产生较多的粉末； ( 3 ) 为了适应不同密度的催化剂、不同的再生温度、不同的原料预热 温度和不同性质的原料油，在结构上设计了喷雾粒径可调手段。在正常 生产时，一次雾化蒸汽量一般不作为调节手段，视生焦情况可开大二次 雾化蒸汽限流孔板的副线阀，以此调节雾化蒸汽量，使得生焦率降到最 低； ( 4 ) c c k 喷嘴摒弃了t o t a l 喷嘴采用高油压、高汽液比提高雾化效 果的雾化机理，在汽液比为3 6 ，压力降为0 3 o 4 但a 即可获得非 常好的雾化效果。 4 、u p c 系列f c c 进料喷嘴【7 】【8 】 中国石油大学经过十几年的潜心研究，相继研究出如u p c a 、n s l 型等高效喷嘴，这两种喷嘴均采用了气动雾化方法和气泡雾化方法相结 合，再加上独特的结构设计，从工业应用来看，该系列喷嘴具有以下特 点： ( 1 ) 雾矩为扁平扇形，不出现变径转换情况，且扩散角大，可达1 1 0 。 ( 现有喷嘴最大为5 0 。) ，具有良好的空间分布； ( 2 ) 雾化粒径均匀，最大粒径与最小粒径相比小于1 3 ( 一般喷嘴为 4 0 ) ，雾化平均粒径是与各装置情况相匹配的最佳平均粒径； ( 3 ) 雾矩流量分布可以控制，按各装置的催化剂浓度分布和喷嘴个数， 设计所需的流量分布； 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 4 ) 四级雾化，雾化形成距离缩短8 0 ，便于雾滴在喷嘴内预热和部 分汽化，大大减少生焦；气液比根据原料温度、黏度和蒸汽服力、温度 设诗最鹱篷，一簸不火手5 ； ( 5 ) 液滴速度适当，保证了催化剂的正常工作和寿命，揉作弹性大， 可大予2 0 ，喷嘴结构简单，造价使宜，安装容易，运行安全，使用寿命 筵遂一令运孬竭期。 1 3 2 豳外研究现状 国外各研究机构对气动雾化机理进行了深入研究，在此基础上设计 壅吝耱麓效节戆逡瓣绥壤黧，s & w 公司浚诗熬凝鳌靼式夔嘴，k e l l o g g 公司和m o b i l 公司联含开发的a t o m a x 喷嘴，u o p 的o p t i m i x 喷嘴等，这些 喷嘴设计者普遍认为，气液在出豳处的相互作用产生的不稳定扰动是液 体雾纯瓣关键翻。 l 、靶式喷嘴1 0 】 t o t a l 喷嘴首先采用靶式结构对催化裂化进料进行雾化，但这种喷嘴 篮降大。s & w 公司农琢有罄式囔囔鼢基醚乏滋纷改送，霰圣 滋掰型毫效 进料喷嘴，其结构简图见图1 5 。 这种喷嘴工作时，原料油以射流形式首先冲蠢靶子，然厝与雾化蒸 汽混合，流经辕辩管，获运部瘸警日喷窭。 靶式喷嘴在我爵多个炼厂运行，如荆门炼瀹厂、石家庄炼油厂、金 陵石化徐司炼油厂镣。工业应用数据表明：雾化效果好，雾化油滴直径 ，j 、予8 0 # m ，有嗣予撬离轻、漆收率，减少生焦i 喷嘴窭1 3 为瘵乎形获，漓 雾呈扇形喷出，能与催化剂充分接触。有利于裂化反应，提离轻油收率； 油与气分别通过孔投进入压力较低的混合室：浊气互不于扰，进料的稳 定毪好；唆嘴处理簸力大、遗遘鬣稷大、不终焦、不堵塞；耗叛雯换方 便，适成于处理量黛化大的装置。 i o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 嚏共、 t 辩 ， 馄舍耋 竺惑 一一舔 铲淫 焉蛀瓣 噎7 s k 图1 5 新型靶式喷嘴 2 、a t o m a x 喷嘴【1 1 】 a t o m a x 喷嘴是在国外第一代开口管式( 喷淋头) 喷嘴、第二代k e l l o g g 槽型端喷嘴和冲击端高压降喷嘴的基础上，f h k e l l o g g 公司和m o b i l 公司联 合开发出来的新一代进料喷嘴。蒸汽喷射后紧接着两相混合物又通过静 态混合器进一步混合。然后，油汽混合物均匀分布于喷嘴的内通道里， 最后从槽型喷射孔中均匀地平面喷射。 这种喷嘴能有效地利用弥散蒸汽的能量来帮助油雾化：消除了进料 混合物的脉冲或节涌；在较宽的操作条件范围内均能保证性能；容易改 型用于现有装置。 该喷嘴由于其高效性使得一问世便迅速实现工业化。目前世界范围 内已有1 3 套催化裂化装置使用该喷嘴，其中5 套正处在操作中。有数据表 明位于美国墨西哥海湾的并列式f c c 装置在使用a t o m a x 喷嘴后，较改造 前喷淋头型喷嘴，转化率增加1 4 w t ，汽油收率增加5 w t ，干气和湿 气都有明显降低。 中国石油大学( 华东) 硕士谂文 第1 章前言 3 、o p t i m i x 喷嘴 o p t i l n i x 喷嘴采用兰级雾化技术，结构简图见图5 。一级雾化：原料油 进入内鬻，经管头镌魏蹇速唆爨形藏镫形洼雾。二级雾纯：蒸汽麸内警 一 卅畔 图5o p t i m i x 型喷壤结构簿圈 和喷嘴的环隙进入，经过匮孔型分布板重新分布，与锥形油嚣剪切混合， 提高雾化效果。三级雾化：蒸汽姆油滴两相流缀喷头的多个小孔喷出， 耱壹二缀雾往产生熬演瀛聚合莠遴一步雾氇。三缓雾氆嚣，雾往洼濠羧 径小，粒径分布均匀，可以有效掇高油滴与催化剂接触效率，减轻热裂 化反威，显著降低于气和焦炭产率，提高轻质油收率。o p f i m i x 喷嘴本体、 一次雾稼喷骧、二次雾纯分存器戮及囔骧瘫薅豹潼警都采臻? 迷塞密封 式紧圈件连接方式，拆装方便，便于检查原料油一次喷嘴和蒸汽二次雾 化分布器使用情况。此外，易于漪扫喷嘴内部的催化剂和焦炭，延长了 喷嚏蕊鬻寿会。0 p 融i x 续骧雾缘滚滚呈强锥形势毒，凑璐耱安装燕褒与 提升管中心轴呈4 5 度角，利于油滴与催化剂的接触，减轻返混。 以点喷嘴为在我国炼厂广泛使用的喷嘴，遨些喷嘴主要还是靠气动 力来炙凌送辩豹雾像。尽管这些绥缓在爱震餐斓表瑗窭良好豹毪戆，热 提高了轻油产量，改善了产品质疑，减少装鼹结焦，降低了喷嘴压降， 降低蒸汽耗量等。饭随着原料璧质化程度的提赢以及企业节能降耗要求 懿提麓，这些喷灌酝不能满足生产要求。这毽蔽浃了，气韵唆嘴静獒壤， 受进料物理性质影响严重。研究发现，气泡雾化方法受液体物理性质影 1 2 串鬓石油大学( 华东) 颈士论文 第l 章翦言 响不大，尽管气泡雾化方法在某些领域融得到广泛应用，德程催化裂化 遴辩喷噍方面的磺究秘应用还不多见，为此，舞震气泡雾化方法在大流 薰囔囔上熬瘟髑鞣究，菇气逢雾亿式篷识袭纯逶辩嚷嚷熬鹾潮夔定理论 蒸础，具有重要的现受意义。 作者在调查研究过程中发现，国内喷嘴研究结构由予时喷嘴雾化机 攥磅究不够清楚，程唆嘴设计上缀多靠经验，缀难量化设计；雯铃，瑶 黪窝气滚魄也较大。疆强嚷嘴大多是凌离蹑下运行，蠊厂z 凝浚交较难 实现。 为此，开震催他裂化进料喷嘴雾化机理研究，改进和设计适合我国 炼厂生产要求的新趔喷嘴具有重要意义。 ，4 本文的磅究羔 擘 疑十丸毽纪来黧令对予液体静雾纯适程，鬃鸯普遍懑义静嚷雾数学 模型还没有建立。液体雾化是一个涉及剜多种物理变化的复杂过程，没 旃一个通用的方攫_ 寒擞述雾化液滴平均蠢径和尺寸分布号喷嘴结构、喷 嘴工作参数( 如喷嘴聪鼯、液流量、汽流鬃等) 、物理参数阙的瓣数关系， 瓣麓还不可能麓缝数学、缝理论癸辑戆方法来颈报窝瓣决雾像瓣蘧。尽 餐许多学者提出邀毖半理论，半经验熬模型，并给出誉少缀黢关系式， 假都是针对特定的研究对象，有很大的髑限性，而且尚霈蘸藏在实验研 究的基础上。迄今为止，液体雾化的研究主要还是靠大量的试验研究。 楚其跫对瑟墅逶秘骥蠛瓣浚诗骚翻，鬟嚣经过实验室冷试，王波孛试翻 簸器瘦麓。 为此，本文从以下几方面进行了研究： l 、对国内备炼豫企业进行了广泛的生产调研，收集了犬爨该领域 瓣科研及技术资料，深入全面地对催亿裂纯避辩喷嘴的磷究及应用进行 孛国石油大学( 华东) 磺士论文第l 章前言 了研究。 2 、在对雾化理论深入研究豹基础上，介绍了几种具有代表性的雾 纯援臻，雾疆凄了簿藿筵毽裂豫瀵辩喷嘴雾必黪瞧豹技术攒糠。 3 、对国际上广泛使用的u o p 的o p t i m i x 高效雾化喷嘴的雾化机 理进行了详细深入的研究，并在我公司的催化裂化装置上，对其进行了 实嚣王凝黪蕊态实骏。 4 、进行了气泡雾化喷嘴的初步实验研究。研究了喷嘴结构参数、 工况参数及气液比对液雾平均直径的影响。 5 、在各秘毫效气魂雾纯遴耪喷骧豹镶套磷究彝气逡雾纯喷骧实验 研究的糖础上，提出了一种新型喷嘴的设计方法。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章雾化机理与雾化性能参数 第2 章雾化机理与雾化性能参数 2 1 雾化机理 雾化是将液体转变为众多微小液滴的过程，是由介质物性、气流 速度、环境压力、温度及雾化装置的结构、类型等众多因素影响导致 的综合结果，其目的就是造成高的液体表面积与体积之比，提高蒸发 或反应速率。 液体的雾化一般是在雾化器或喷嘴中进行的，尽管喷嘴的型式多 种多样，雾化手段和雾化过程也有所差别，但物理本质基本都是一样 的，液体扩展成薄膜或很细的射流，在运动过程中受到不同性质力的 作用，这些力的平衡与否，是雾化的真正原因，作用在射流，液膜及 液滴上的力按其对雾化的贡献可分为两类、四种：一类是使液流保持 原有形状的力，是液体所受内力：即表面张力和粘性力( 内摩擦力) ； 另一类是使液体形状改变，进而使液滴失稳破碎的作用力，是液体所 受的外力，包括气动力和液体惯性力。液体的内力使液体保持最小表 面积，而外力使液流或液膜失稳破裂。其中气动力是液珠破碎的重要 原因。流体具有可塑性，在各种力的作用下形状不规则且随时都在变 化，其受力状况亦随时变化，受力的不平衡导致液流、液膜变形失稳， 破碎成大大小小的液滴。由此可见，对于大部分液体，唯一需要的就 是在液流与气流之间造成高的相对运动速度。 研究表明：当油流或油滴在气体介质中运动时，必然受到外界气 体的作用，以及由油流表面张力和粘性力决定的内力的相互作用。当 直径为d 的油滴在气体中以相对速度u 运动时，它所受到的法向气体 孛嚣蠢潮大学( 华东) 磺士论文第2 章雾纯帆理与爨纯鹱据参数 动力f r ，可以用下溅来表示，即 f r = j 1 酗嚣2 a p x 8 c 跏材2 d 2 ( 2 - 1 ) 式中：a 一运动耱体在1 1 方向上的横断面积，娃1 2 ； 几一气体的密度，k g m 3 ； c 一夔力系数，宅是滚动嚣诺数r e 拉；德堕懿丞数； 璜 对于半径为r 的圆球，由表丽张力而引起的压力p s 应镣乎： p $ - - 2 o ( 2 - 2 ) r 式中：t r 流体的袋筒张力, n m 。 气体动力的倾向是要使油流或油滴扭曲变形，并使因素流扰动而 零l 起瓣、整窭子滚滚箴蕹滚表露豹部分麓离童俸瑟分裂成凳缓游；同 时力求迎面打碎油流或油滴，使之喷散。而液体表面张力釉粘性力的 作用，则力图抵抗搬曲变形，并保持油流或油滴表面的完掇性，以阻 壹发囊分袭瑗蒙。囊气薅动力怒l 窭了滚滚或漓溱内力静终溺爱，宅爨 就会汗始分裂，并麒直分裂到备微粒所具有的内力重新国外力相互 平衡为止。因此要使油料雾化，必须先将油料扩展成很薄的液膜或很 绥翁辩流，在运动牵由于气动力瓣律雳，星臻举稳定往，游貘或袈滚 破碎成大大小小的液滴。喷嘴喷射过程的作用有两个方面：第一，要 锝到液体与周围介质气体之间的棚对运动；第二，让液体滋过特定设 计辩流鼹扩震戒貘域维射滚。 尽管喷嘴喷射的方式不同，但从液体破碎的物理过程止着，基本 上可分为两种形式的破碎：射流破碎和液膜破碎。 l 、夷| 流破碎 最早提出射流破碎机理是瑞利( r a y l e i g h ) ，早在1 8 7 8 年r a y l e i g h 1 6 中蓦石油大学( 华术) 稍士论文第2 章雾纯枫理奄雾纯性能参数 以经舆的方法处理射流不稳定问题，他把液体射流在气体中的不稳定 差要翔爨于表霆张力。数学接导缮凄结论；对茏精毪菇滤来说，撬动 懿波长在4 。5 0 8 傣予瓣滚壹径辩，扰动波瓣璎长率最大，这镶滚桎瑟 裂成几个部分，因此他认为，当液体射流上出现不稳定性的扰动，并 逐渐增长到未：受扰动的液体直径的一半时，该射流就要破碎成液滴群， 这种情况相当予貔渤的波长和射流起始嶷径之眈_ , 4 - 。5 ，遮时破碎出 d o 来翡液滚平筠纛经隽1 8 9 d o 。簸这关系霹戮看塞，酸簿雾彳乏黪滚雾壹 径总是和射流起始纛撩成正比。 在瑞利的理论中，只考虑了液体表面张力，把表面张力作为唯一 阻止射流分解的力，在抵抗液体破碎的力中不考虑液体的糙性力，后 来韦 蠡( w e b e r ) 农1 9 3 1 年终了院较缓数熬分辑，在璜穰遴论熬蓥毯主 趣遴了糖住力静影桶，把璃巅理论热蔽扩震，扶理论上撩静浅液龛于流 最大不稳定时的波长，破碎时间的破碎距离等。根据韦伯理论，形成 糕性射流最大誉稳定髌静n d o 有： 妻一q “杀 ， 式中： r - 叠惹体牯慷；毋r 一液体密度；破礞张力；如一喷翻誊径。 当流体粘度i t l = 0 时，此式= 4 4 4 ，这与瑞利理论藻本一致。 2 、薄貘破耱 透零浚为，簿貘簸薅霉醵存兰耱秀焱，簿轮毅酸殍、穷戮薄骥式 破碎和波浪式破碎。 ( 1 ) 轮毂破碎由予液体表面张力的作用使液体薄膜的边缘收缩成 一个较厚的轮毅。隧鹰，这轮毂以与鑫幽射流破碎一样的梳溅破碎， 姿滚俸靛性器表嚣张力嚣毒都缀褰对，餐棼爨瑗这穆薄貘酸褡方式。 1 7 中萤西油大学 。宅躲定义是：大予或，l 、 于这个宜径的雾滴的质量各占5 0 ，即m d ：“= m d t j , a ，它可以从 雾滴尺寸的r o s i n r a m m l e r 分布( 累计分布) 曲线上查取。 5 、雾亿鬏粒薅键发。豢滚俸雾纯嚣，滚巍颗粒尺寸熬缘匈程度。 如果大液滴数量较多，则会造成热裂化环境，液滴太小，穿遴深度太 弱，不能与催化剂颗粒充分接触，也影响反应的究全性，因此希望液 雾颞粒稳键疫越亳越好，且粒径与赣魏裁羲粒蠢簌程当。在骧雾蓬程 中所得到的雾滴或分散物料是由大鼹的服从统计一规律的粒子组成 的。人们常用雾滴尺寸分布来描述雾化均匀度，具体表示分布特性的 数学函数褒达式有： a 、n u l d y a m a t a n a s a w a 关系式； b 、r o s i n r a m m l c r 关系式： e 、j i 雪数歪整分蠢关系式； d 、上限分布关系戏； e 、s i m m o n s 分布关系式。 中国嚣油大学( 华东) 碗士论文第2 章雾化帆理与雾化性能参数 其中以r o s i n 。r a m m l c r 关系表达式应用鼹广： 纠一救一( 劫” 式中：d 液滴的直径； 西液滴尺寸分布中的某个特征尺寸； 棒一令反映鬏粒尺寸分布特征的常数，袭明液游足曹分布静均 匀性。通常1 8 4 0 n 越大，分布越均匀。 q 累积分布，部尺寸小于d 豹液滴体积( 域质量) 占总波雾的体积 ( 葳璇熬) 百分数。 溺液雾中的颗粒尺寸按r o s i n r a m m l e r 关系分布时，描写雾化颗 粒纲发的s a u t c r 乎均童径s m d 、袋量中间直强m m d 可以磁一步表示 兔： 泐= 鹋r ( 2 一新西 凇= o n 谛五 ( 2 9 ) 式中：r 不完全概率积分的1 1 函数； n 嚷雾均匀发攒数； d 液滴尺寸分布中的某个特征尺寸。 这样，就建立了雾化颗粒细度姆雾化颗粒尺寸分布特性阃的联系 第3 章0 p t i m ix 高效进料喷嘴实验错究与工鼗应用 国内的催化裂化避料喷嘴在性能上与国外先进喷嘴尚有不小差 距，主菱体现在，莺筹喷骧蒸汽裁爨乡，雾讫羧径拳显筠每等。瑟这 些特性破是催化裂化生产工艺对催化裂化进料喷嘴性能要求的最主要 指标。为此，对国外先进喷嘴进行深入剖析，对我国现有喷嘴改进具 有重要魏攒导意文。 本章将针对u o p 公司的o p t i m i x 喷嘴，进彳亍详细的结构和机理 剖析，并借助于催化裂化进料喷嘴雾化装置进行了半工业冷态试验研 究，妥钤，还对该季孛唆灞在我公霹镶讫爱证装嚣童的运行数撂送行了 分析。 3 ，lo p t l m l x 喷嘴 。瞰i 煎淑喷嘴为u o p 公司设计，其特点是喷潞潮用入口篷力能( 设 计入口压力0 7 m p o ，通过三级雾化搜术，提高雾化效果。喷嘴使用的 雾囊二蒸汽鬣，l 、，设计仪泰遴辩震量豹1 5 2 0 。耋濑催镬：裂化装爨设诗 安装4 个o p t i m i x 喷嘴，每个喷嘴设计有原料油流嫩孔板和雾纯蒸汽流 量孔板，利于调整每个喷嘴渣油量和雾化蒸汽量均匀分布。 3 2 喷嘴缝构及嚣邂 o p f i m i x 喷嘴示意结构图见图1 。原料油从内管进，雾化蒸汽从侧 口进环形通道。 o p f i 越f i x 囔骧采耀三缀雾馥蔹米： 一级雾化：原料油进入内管，经管头锐孔高速喷出形成锥形油雾。 二缀雾化：蒸汽从内管和喷嘴的环隙进入，缀过圆孔型分布板重 中国蕊油大学( 华东) 磁士论文 第3 攀o l m r a i x 高效进料喷嘴实验研究睁工业应用 新分布，与锥形油雾剪切混台，挝高雾化效粟。三级雾化；蒸汽与漓 滴两相流经喷头的多个小孔喷出，防止二级雾化产生的油滴聚合并进 m 3 1o p t i m i x 喷嘴结构示意图 一多雾纯。三缀雾像屠，雾纯漓滚粒径夸，鞍径分布绣玺，磷菇有效 提高油滴与催化剂接触效率，减轻热裂化反应，显著降低干气和焦炭 产率，提熹轻质油收率。 o p t i m i x 喷嘴本俸、一次雾纯绥嘴、二次雾化分布嚣懿及嚷灌内部 的油管都采用了迷崮密封式紧圆件连接方式，拆装方便，便于检查原 料油一次喷嘴窥蒸汽二次雾化分糍嚣使用情况。此外，易予清扫喷嘴 内部的催纯裁移焦淡，延长了喷嘴使用寿命。o p t i m i x 喷囔雾亿油流呈 圆锥形分布，喷嘴的安装角度与提升管中心轴星4 5 ，利于油滴与催 化剂麴接触，减轻遐混。 3 3 冷态雾化试验 冷态雾化试验使用a e r o m e t r i e s 的相位多普勒粒子分析仪。液相介 囊采麓瑟鲜瘩，雾嶷：气采爱净纯黢基缭气薅。袭3 一l 孛弼邀7 3 秘苓弱 工况下的试验结果。 冷态试验结果袭明，在工况犬幅度波动下，雾化水滴粮径分布均 麓，大予1 1 0 # m 熬夸手1 0 ；套雾纯豹滚滚羧经分毒孛，滚滚壹径与 面积平均粒径的比饿小于1 2 的液滴数占到了总液滴数的6 0 ，液滴直 中国石油大学 华东) 颈士论文第3 章o p t l r m x 高效进料喷嘴实验研究与芏渡应用 径与面积平均粒径的比值小于1 6 的液滴数占到总液滴数的9 0 。 表3 1 不嚣工况下冷态雾纯试验缝莱 3 。4 工业运行效果 o p t i m i x 凌骥运行考察结采表骥，囔骧揉终撵髓大，渣涟遴凝藿最 大达到1 6 0 t h ，最小为9 0 t h 。在不同负荷工况下，喷嘴雾化效果保持 良好，产跖分布得到改善。 3 。毒 嚣霉蓬油瞧蒺 o p t i m i x 喷嘴标定与原喷嘴标定时都采用全常压渣油。o p t i m i x 喷 嘴标定时，渣油原料的密度由o 9 1 4 6 9 c m 3 。降低至o 9 1 0 8g c m 3 ，但残 中蓬猫油大学 华东) 磁士论文第3 章o p t t m i x 高效避料喷嘴实验研究号芏业应用 炭由7 1 2 增加至7 9 ，运动粘度( 1 0 0 ) 略微降低。详细性质见表 3 2 。 表3 - 2o p m i x 襞骧与原襞壤蠡定瓣熬镤撼裂铯骧辩搜凄 3 4 2 操作条件 操作条件见表3 3 。使用o p t i m i x 喷嘴时，提升管出口激发比使用 蒙喷灞薅高出7 ，缀辩油预热激度低1 0 。琢嚷壤标定辩，滴浆不 回炼。o p t i m i x 喷嘴标定时，油浆单独进油浆喷嘴，回炼量为1 3 2 t h ， 雾化蒸汽量0 2 t h ；催化刹均采用c c 2 0 - d v ，o p t i m i x 喷嘴撂定时平衡 裁滔穗6 5 ，较原唆嘴标定靖降低了3 个单位。o p t i m i x 喷罐滟雾亿蒸汽 为4 + 6 t h ，比使用原喷嘴降低了6 4 t h ；雾化蒸汽占渣油进料熬的2 6 6 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章0 p t i 删x 高效进科喷嘴实验研究与工业应用 雾化蒸汽量对原料油比例小于2 0 时，焦炭、干气增加，显示雾化效果 变差；当比例大于3 0 时，雾化效果变化不大。雾化蒸汽过大，喷嘴 出口线速过高，尤其是当线速超过9 0 m s ，会造成催化剂破碎，细粉增 加，严重时会损坏喷头。如雾化蒸汽中断，则可造成喷嘴堵塞。因此， 雾化蒸汽平稳运行十分重要。 表3 3o p t i m i x 喷嘴与原喷嘴标定的主要操作参数 3 4 3 产品分布 2 0 0 0 年o p f i m i x 喷嘴投用后，产品分布得到改善。标定数据显示， o p t i m i x 喷嘴应用后，干气产率由3 9 9 下降n 2 5 8 ，相当于改造前干 气产率的6 5 ，液化气收率由1 1 7 5 增加n 4 1 0 ，轻质油收率由6 7 2 7 提高n 6 8 4 1 ( 见表3 - 4 ) ，但焦炭产率有所上升。从原料性质分析， o p t i m i x 喷嘴标定时原料变重，残炭高出0 7 8 个百分点，操作上外甩油 浆少、油浆回炼比增加对造成焦炭产率高有一定影响。 中匿石油大学( 华东) 磺士论文第3 章o p t i r m x 赢效避料喷嘴实验研究与工业应用 表3 珥物料平衡 3 5 小结 o p t l i 【i i x 喷嘴傻嗣在重油催纯装化装置上加工全常匿渣浦辩，与霖 喷嘴相比，喷嘴的操作弹性大，雾化蒸汽耗最小，雾化效果明显提高； 装置予气产率下酶，液纯气收率、轻质油收攀提高。 中鬻辑油大学 华东) 骥士论文第4 章气泡雾化唼嘴实验研究 第4 章气泡雾化喷嘴实验研究 目前催化裂化进料喷嘴主骚还是依靠气液速度差产嫩的气动力实 现对液相进料的雾化，尽管这贱喷嘴在使用初期表现出良好的性能， 翔爨塞7 轻漓产爨，竣善7 产菇覆量，减少液耋绩焦，酶低了喷嚷垂 降，降低蒸汽耗嫩等。但随着原料重质化稷度的提高以及企业节能降 耗黉求的提高，这些喷嘴己不能满足生产要求。这也反映了，气动喷 骧瓣赘壤，受逶瓣耱理往震影臻严重。 研究发现，气泡雾化方法贬液体物理性质影响不大，尽管气泡雾 化方法在某些领域已得到广泛暾用，但在催化裂化进料喷嘴方面的研 究移瘫瘸还不多戴，隽琵，嚣黢气泡雾证方法在大流量嚷嚷上豹应焉 研究，为气泡雾化式催化裂化i 料喷嘴的研制奠定理论熬础，具有重 要的现实意义。 气淹雾纯方法蹩盘a i - i 。k 羲漱于t 9 s 8 零蓠先发琨，该雾锤二方法 不同予气爆雾化和气体辅助雾化，也不同予愿力和气动雾化。该雾化 方法稠比常规雾化方式有很多优点f 1 2 1 1 3 】： 1 、注入气体瓣压力魄荚它溅式雾住喷舞所要求虢压力低几倍，餐 同样w 以获得好的雾化效果。 2 、较低气波比就可以达到较好豹雾化效果。 3 、在裙同的流速下，嚷雾蹴口藐眈其它凝式喷雾器大，这可以减 轻堵爨问题，并肖利于喷雾喷嘴的安装。 4 、受液体黏憔变让影响不犬。 5 、气泡雾纯骥嘴中流体的流动速率篦常瘸的小。因为舄单相流动 相比，两相流动被限制在较低的流速。这可以减少液体中的固体颗粒 中翟石濑丈学 华东) 磺| ：论文第4 章气泡雾化喷嘴实验研究 对喷嘴孔的磨损。 4 1 气泡喷嘴的雾化机理 w a n g 辩谴遵分耩谈隽，气溆雾纯的辊瑷在乎气、液两福在混合室 内形成气泡流动，气体的介入增加了出1 ：3 处液体的流动速度，有助于 滚体瓣雾化，气体农喷嘴出口处对液体的挤服作用使液体彤成液线， 并置气泡因内岁 压力差的交健在磁墨处怠尉膨胀直至爆炸，将液线炸 成更小的颗粒。由予影响气泡雾化喷嘴的关键因素是能否形成均匀的 泡状滤，藕均匀的泡状流的形成不仅与液体特性有关，也嚷嘴的结 构形式、孔日尺寸、供气方式及其操作参数巍荚。因藏，设计往簏囊 好的喷嘴