（机械工程专业论文）催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究.pdf

搁妥 随萧重油催化裂化技术的迅速发展，催化裂化装置的原料油趋向重质化和恶劣化， 这给i ：艺过程带来难于裂化、焦炭产率高及设备结焦等问题，实践证明，采用高效进料 雾化喷嘴是解决上述问题的有效途径之一。性能优异的进料喷嘴可以提高轻质油的收率， 降低焦炭产率，改善产品分布和减少设备结焦，给企业带来显著效益。为此，开展新型 高效重油进料喷嘴研究具有十分重要的价值。 本文的工作分为两部分：一、采用超音速机械一空气雾化技术设计了大流量、大 液雾锥角的进料喷嘴，并进行了多种结构组合形式和多种工况下的实验研究，获得了满 意的数据和结果。实验表明，该种喷嘴大液流量下雾化性能好，液雾散布广、锥角大、 雾化性能稳定，受气、液路几何、物理因素波动影响小，结构简单可靠等特点，具有极 强的工业实用性。二、根据新型气泡雾化机理设计了一种泡沫微爆雾化喷嘴，研究了喷 嘴的结构参数及工况参数对雾化质量的影响，摸索了一些喷嘴结构设计的规律，对于新 一代低能耗高效雾化进料喷嘴的设计有重要的参考价值。 关键词：催化裂化：喷咀：雾化技术：设计计算；试验。 a b s t r a c t f l u i d c a t a l y t i cc r a c k i n g ( f c c ) i s a l le f f e c t i v em e t h o do fh e a v yo i l r e f i n i n g t h e a t o m i z i n gp e r f o r m a n c eo fa l l a t o m i z e rh a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h eg r a d ea n dy i e l do fo i l r e f i n i n gp r o d u c t s t w o n e w t y p ea t o m i z e r s ，c e n t r i f u g a f - a i r b l a s t ，e f f e r v e s c e n ta t o m i z e r s ，t ob eu s e di n r f c ch a v eb e e n d e v e l o p e d f i r s t ，c e n t r i f u g a l a i r b l a s ta t o m i z e ri sd e s i g n e du s i n gs u p e r s o n i ca i r b l a s tt e c h n o l o g y f o u r m e t h o d s ，f o u r t e e nc o m b i n e dm o d e l sa n dt h r e eh u n d r e do p e r a t i o n a lp o i n t sw e r ei n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y t h es a t i s f i e dt e s t d a t aa n dr e s u l t sw e r ea c h i e v e da n di ti ss h o w nt h a tt h e s u p e r s o n i ca t o m i z e rh a se x c e l l e n ts p r a yp e r f o r m a n c e su n d e rg r e a tf l o wr a t ew i t h w i d es p r a y a n g l e i ti ss h o w n t h a tt h ea t o m i z e rh a ss t b l es p r a yc h a r a c t e r i s t i c sa n di sn o ts e n s i t i v et ot h e f a c t so fg e o m e t r ya n dp h y s i c sw i t hs i m p l ea n dr e l i a b l es t r u c t u r e s e c o n d ，an e w - c o n c e p t e f f e r v e s c e n ta t o m i z e ri sd e s i g n e da n di t s s p r a yp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e dw i t hs p e c i a l e m p h a s i s o nt h ei n f l u e n c eo fg a s i n j e c t o r ，t h e m i x i n gc h a m b e r , t h ec o n v e r g e n ta n g l e g e o m e t r i e s ，l i q u i di n j e c t i o np r e s s u r ca n dg a s - l i q u i d r a t i oe t c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i l lb e h e l p f i l lt ou n d e r s t a n d t h em e c h a n i s mo fe f f e r v e s c e n ta t o m i z a t i o nf u r t h e r t h eo p t i m u mv a l u e s f o ra l lk e ya t o m i z e rd i m e n s i o n s ，i n c l u d i n gt h en u m b e ra n ds i z eo ft h eg a s i n j e c t o rh o l e s ，t h e s i z eo ft h em i x i n gc h a m b e ra n dt h ec o n v e r g e n ta n g l eh a v eb e e nf o u n d t h ea t o m i z i n g p e r f o r m a n c ea l s od e p e n d so ni n j e c t i o np r e s s u r ea n dg a s - l i q u i dr a t i o t h ep r i n c i p l e f o rt h e d e s i g no f e f f e r v e s c e n ta t o m i z e r s h a sb e e nd e t e r m i n e d k e y w o r d s ： f i u i d c a t s l y t i cc r a c k i n g ：a t o w n i z e r ：a ir b l a s tt e c h n o l o g y d e s i g n t e s t ； 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 第一章绪论 能源是人类赖以生存与发展的基础之一。在国民经济的各个方面，无论是工业、农 业、运输、国防还是民用，都需要耗费大量能源。矿物燃料是当今世界能源消费结构中 的最主要的组成部分。自然界中可供生产使用的矿物燃料资源主要有：煤炭等固体燃料、 石油及其产品等液体燃料、天然气等气体燃料。其中液体燃料由于发热值高、运输和储 藏方便。燃烧后基本无残留物、以及控制过程简单而尤具优越性广受欢迎，它在世界总 能量的消耗中占着极大比例，并且随着各国工业化过程的迅速发展，对萁需求也猛增。 石油工业的技术进步和成熟改变了各种燃料间的相互地位，以至于今天的航空、铁 路和汽车运输几乎全部依赖于石油产品的供给。但全世界都已认识到石油储量日益减 少，矿物燃料的寿命总是有限的，这一客观存在的事实，甚至可以悲观的说，目前石油 工业已开始进入衰退时期，天然气和高级石油的来源日益减少，而对煤炭的依赖性正日 益增大。 对我国而言，本世纪的头二十年是国民经济大规模发展，实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相当大的比例大幅增长，石油已成为我国现 代化建设的战略重点和关键环节。目前的状况是：我国的一次能源中仍以煤炭为主约占 7 0 左右，其次是石油约占2 3 5 ，水力和天然气分别占3 懿和3 0 3 。以上数字反映了我 国的能源构成和消费基本状况，即以矿物燃料为主。随着社会的进步，对这些一次性能 源的消耗会越来越大，除了研究和开发新能源( 核能、太阳能、风能、地热能等) 外， 另一个重要的对策就是提高对现有能源的利用率。这种情况下，对进一步完善和提高炼 油技术，经济有效地为国家提供更多更好的石油产品，就成为解决我国长期石油短缺状 况的有效途径之一。 重( 渣) 油是原油加工后的剩余产物。它所包含的重质碳氢化合物分子，结构复杂， 难以蒸发或醛化成简单的，便于燃烧的碳氢化合物。重油中还常常含有大量的灰分，容 易结垢，不能直接利用。催化裂化是炼油厂中提高原油加工深度、生产高辛烷值汽油、 柴油和液化气等产品的一种重油轻质化工艺。特别是渣油的催化裂化，是渣油深加工的 有效方法，它做为一项炼油新技术，已引起全球很多国家的重视，正在蓬勃发展。我国 的原油大多偏重，高于3 5 0 。c 的常压渣油占原油的6 0 8 0 ，高于5 0 0 c 的减压渣油占原 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 油的3 0 5 0 ，所以渣油催化裂化在我国更占有其独特的地位。 1 2 对重油催化裂化进料喷嘴性能的要求妲3 4 5 1 由于重油催化裂化的原料油在进入反应段与热的催化剂接触之前，基本处于液态， 而催化裂化反应是在气相条件下进行的，因此，原料油进料喷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表面上，进行气相裂解反应，以达到提高轻油收 率又降低焦炭产率的目标。 通过对现代提升管式催化裂化工艺的剖析，认为理想的进料喷嘴应具有以下几项主 要性能： ( 1 ) 雾化粒径细小而均匀。最好接近催化剂的平均粒径( 6 0 p m ) ，以提高原料油雾 进入提升管后的汽化速度和反应速度，抑制焦炭生成。一般认为，油滑越小，单位质量 的油雾的总表面积越大，也即具有的传热面积越大，就越能加速汽化。如表1 1 中的 数据“3 所示： 表1 一l 油滴的特性数据 注： 1 催化剂颗粒尺寸按6 0 岬计，温度为6 3 0 c ； 2 进料温度2 5 0 ，汽化后温度5 0 0 c ，油滴形状按球状计； 3 不考虑水蒸汽和烟气带入热量，此条件下剂油比为6 5 左右。 表1 1 中数据说明，雾化油滴的平均直径s l l d ) 值最好接近催化剂的平均直径 ( 6 0 t m ) 。文献“1 同时指出，雾化油滴也不是越小越好过小的油滴与催化剂碰撞，相 互传热后的温度很高，意味着起始反应温度高，将形成深度裂化，使焦炭产率增加。适 宜的粒径为4 0 p m 6 0 p a l ，并且雾化粒径d 小于s i l l ) 者应占5 0 以上，没有特大的液滴， 其中最大粒径与平均粒径之比比。s m d 3 。 ( 2 ) 能使已雾化的原料油均匀、迅速、充分地与催化剂接触。为此要求雾滴应具 2 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 有良好的统计分布与空问分斫i 特性，雾化流股的喷射角度大，覆盖提升管截面，无死区； 此外雾化流股应有合适的喷射速度，穿透流化后的催化剂，增加油滴与催化剂颗粒的碰 撞几率。喷射速度值要保证原料油能穿透上升的催化剂流，又不致于使喷出的油溅到提 升管壁上引起结焦或使催化剂发生较大的破碎损耗，甚至引起设备的振动。工程实践一 般认为4 0 7 0 m s 的喷射速度比较合适。高于7 0 m s ，有可能造成催化剂粒子的磨损粉 碎；低于4 0 m s 则可能因油雾穿透力太低，而使提升管中部没有油雾。 ( 3 ) 低能耗。喷嘴压降要小，在满足雾化粒径尽可能小的前提下，降低进料压力 和雾化蒸汽耗量。一般要求喷嘴的蒸汽耗量不能高于原料油量油流量的7 。具体的说， 加工馏分油时为l - - 2 ；对腊质原料油，汽油比则要控制在5 以下；加工重油时约为 5 ；对渣油原料，要求将汽油比控制在7 以下。原料油与蒸汽的操作压力最好能控制 在0 7 m p a 以下，且喷嘴的通流压降不高于0 3 o 5 m p a ，这样就既可以降低能耗，也便 于对现有的装置在蒸汽及原料油系统不进行任何改造的前提下便可更换新的进料喷嘴。 ( 4 ) 有较高的抗堵塞和抗结焦能力。这是因为喷嘴工作时，其喷头处在提升管内 高温环境中，同时，原料油不仅粘度高而且杂质多。经验证明，进料喷嘴的喷1 2 1 当量直 径若小于6 m m ，就有可能被堵塞发生结焦，进而影响到喷嘴的正常工作。此外，喷嘴结 构尽可能简单，这样就从结构上把堵塞的可能性降到最低，以保证喷嘴性能的发挥。 ( 5 ) 喷嘴的操作弹性大，调节幅度宽，当原料油的流量在设计值的6 0 1 2 0 之 间变动时，都能正常工作。同时能适应工况参数的压力波动，使油压在小于、等于或大 于蒸汽压力时都能稳定操作，雾化良好。 ( 6 ) 能保证长周期安全、稳产。为此喷嘴的结构、材料要可靠，耐冲刷、耐磨蚀、 耐高温，便于安装、拆换和维修。 根据对国内重催装置的调研，国内外现有的任何一种进料喷嘴都难以同时较好地满 足以上这些技术要求。 1 3 重油催化裂化进料喷嘴的应用现状 现代炼油厂的催化裂化工艺普遍采用了原料雾化技术。经过雾化的原料油进入提升 管反应器后很快就会全部汽化，并且迅速地在催化剂上发生裂解反应，完成工艺过程。 对于重油，若不能尽快汽化，将易形成热裂化环境，引起焦炭产率升高，产品分布变差。 3 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 为了抑制使反应选择性降低的液相热裂解，进料喷嘴的任务就是将原料油雾化，向提升 管内均匀喷油，使原料油迅速蒸发，从而提高其和催化剂颗粒的反应速率。 工业生产的经验表明，如果原料雾化充分，进入提升管后分布合理，不但能够提高 催化裂化轻油的收率，而且还可以有效地抑制返混，提高产品质量。 因此，进料喷嘴是影响催化反应产品分布的一个重要因素。其性能的好坏，对提高 轻质油的收率、改善产品分布、防止重( 渣) 油过渡裂化及减少生焦率，都有着重要影 响。在处理较重的渣油时，由于其粘性高、成份复杂及存在灰份等杂质的影响，在这种 情况下，进料喷嘴的工作性能稳定与否，将直接关系到正常生产能否顺利进行，从而使 它的重要性尤为突出。 7 0 年代以前，原料雾化的技术措旌并未得到重视，其最主要的原因在于当时的催 化裂化工艺水平尚不是十分高：然而随后的二十年，在石油短缺的刺激下，催化裂化技 术得到了迅猛发展，并且日趋完善。在这种情况下，对原料雾化状况的改进已成为一项 有效的技术手段。 由于催化裂化工艺对雾化器各项性能的要求都比较特殊，一般场合使用的雾化器都 很难满足其要求，所以通常需要进行专门设计。八十年代以来，一些发达国家都开展了 这方面的研究工作，并且相继发展了多种特殊结构的进料喷嘴，但由于工业技术保密的 原因，有关的技术资料无从获得。 国内的催化裂化的装置，8 0 年代以前一直都没有采取特殊的原料雾化措施，而只 是使用普通直管进料。后来才逐渐采用了喉管式和y 型雾化器。但是正如工业实践所表 明的那样，这两种雾化器应用在催化裂化装置中并不十分合适。 总之，伴随着催化裂化技术在整个石油化工行业中的地位日益突出，进料喷嘴的开 发经历了一个逐渐发展的过程。如图1 1 册所示，从最初的开口管、开口槽喷嘴( 颗粒 粗大，大小不均) 到以后豹冲击型、螺线型喷嘴( 粒径1 0 0 3 0 0 $ x m ) ，发展到近年来较 普遍应用的临界文丘里喷嘴( 粒径从3 0 6 0 p m ) 。 目前，国内催化裂化装置采用的进料喷嘴按雾化机理的不同大体上划分为四类，分 析比较如下： ( 1 ) 喉管类雾化喷嘴 这类喷嘴的雾化机理是利用收敛一扩大的喉道形结构，尽可能大地提高气体流速和 气液两相的速度差，撕裂液体薄膜，利用气体的能量克服原料油的表面张力和粘度约束， 4 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 使原料油破碎成微油颗粒。这类喷嘴的雾化效果随雾化介质流速的加快而提高，流速过 大会对催化剂有冲击粉碎作用，甚至引起设备或管线的振动，因而雾化效果的进一步提 高受到雾化介质流速的制约。 不。 临 气 颗粒粗大、大小不均 ( 颗粒翥淼川颗窖嚣。邮) 图l l 进料喷嘴的设计改进示例 a ) l p c 型进料雾化喷嘴 l p c 型喷嘴是在喉管式喷嘴基础上研制出来的一种复合型喷嘴，结构如图1 2 所 图1 2l p c i 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，在提升横截丽上覆盖面积大，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 5 壹 i 气 强r，i，lj，1 线 肾 嬲 砷 ，1lilill_：气 特 海 删h 、ilj 口 卜 阳 、船 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 结构简单的优点。 b ) k h 一2 型进料雾化喷嘴 k h 一2 型喷嘴是混合式双喉管喷嘴， 原料油从侧面进入混合腔，雾化蒸 汽通过第一喉道加速到超音速进入混 合腔冲击液体，进行第一次雾化。然后， 气液混合流通过第二喉道再次加速，并 产生较大的速度差，在气液速度差产生 的气动压力作用下液滴发生第二次雾 化之后喷出。该喷嘴具有良好的雾化效果， 结构如图l 一3 所示。 巡睦囊姜 图l 3k h 一2 型喷嘴 雾化后平均粒径接近催化剂粒径。该喷嘴采 用对称式安装，相对的两个喷嘴为组，目前该型喷嘴已有出口为三个喷头的结构，这 样每一组可形成两个或三个汇集点，使雾化射流焦点控制在不同的高度上，多组喷嘴则 使雾化流股汇集在多层空间上，可避免小液滴再次碰撞成大液滴，使催化裂化反应更加 均匀。此外，该喷嘴还具有蒸汽耗量小，操作弹性大的优点。 ( 2 ) 靶式类进料雾化喷嘴 这类喷嘴的雾化机理是原料油在压力作用下，在垂直方向上高速撞击金属靶使之形 成破碎的液滴，在靶柱上形成液膜，再与横向的雾化气流作用进行第一次雾化，形成汽 雾两相流，最后在喷嘴头出口处加速，实现第二次雾化。这类喷嘴要求有较高的油压和 较多的雾化介质，而且喷嘴本身的压力降也较大。 a ) 靶式( b x i i ) 迸料雾化喷嘴 靶式( b x i i ) 喷嘴的结构如图1 4 所示。 原料油经孔板以射流形式与靶体相 撞，雾化蒸汽经孔板与液体成垂直方向射 入混合室，然后流经输料管，从尾部扁平 蒸汽一 口喷出。该喷嘴的雾化效果好，雾滴直径 接近催化剂粒径，且呈扇形喷出的油雾， 能与催化剂充分接触，有利于裂化反应， 蕞辩袖 j 图1 4 靶式喷嘴 口 提高轻油收率。此外，这种喷嘴还有迸料稳定性好、处理能力大、不结焦、不堵塞的优 点，能明显提高轻油收率减少生焦。 6 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 b ) i t w 型雾化喷嘴 h w 型喷嘴是在靶式喷嘴结构的基础卜，在输料管内设一块与尾喷口扇形平面平行 的直隔板( 又称预膜板) 构成的雾化喷嘴，如图l5 所示。据了解，增加隔板后输料 管内表面积增加6 3 ，液膜减薄，因中心液膜在离开喷嘴时受双面气流的作用，故雾化 效果好，雾滴直径比靶式喷嘴小2 4 ，有利于油雾与催化剂的充分接触。此外，该喷嘴 同样具有靶式喷嘴的其它优点。 ( 3 ) 旋流式( b w j 型) 雾化喷嘴 这类喷嘴是近年开发研制的新型进料喷嘴，在企业应用中己显示出其更为高效的雾 化性能，结构如图l 一6 所示。 b w j 型雾化喷嘴是双流体的液体 离心式喷嘴，其结构特点是在喷嘴混 合室后有一个气液两相旋流器。该喷 嘴的雾化机理是，原料油从混合室侧 面进入，雾化蒸汽沿轴线进入混合室， 混合腔内的气液两相流体，在一定压 力作用下进入涡流的螺旋通道，快速 回旋激烈掺混，使液体的粘度和表面 l 一油入口2 一蒸汽入口3 靶 4 - - 输科管5 - - 预膜板6 一尾喷头 张力迸一步下降，随着旋流室直径的减小，切向速度相应增大，液体在离心力作用下展 成薄膜，在与气体介质的作用下实现第一次破碎雾化。之后，汽液两相雾流再通过加速 段和稳定段形成汽液两相稳定的雾化流， 出，实现第二次雾化。 b w j 型喷嘴的雾化效果好，采用 在半球形喷头内进一步加速经扁槽外喷口喷 国际先进的相位多普勒粒子分析仪 混 对喷雾场进行测量的结果表明，雾 蒸代 滴索太尔粒径约为6 0 p r o ，折算成工 业使用的重油平均雾滴直径为 5 0 p m ，与催化剂粒径相当，对催化 裂化反应极为有利。该喷嘴呈薄扇 形，喷出速度适中，喷射雾化角理 7 图1 - 6b w j 型雾化喷嘴 头 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 想，覆盖面适宜，同时喷嘴压降较低，雾化蒸汽量少，在压降为0 3 o 4 m l a 时即可获 得良好的雾化效果。 此外，该喷嘴有较大操作弹性，在设计处理量的t 5 范围内，雾化粒径、气流比及 喷出速度均能保证在标准范围内，且不结焦，结构简单易于制造安装和更换。该喷嘴在 荆门石化总厂催化裂解装置上使用后，在操作条件相同的情况下，生焦减少o 9 5 7 ， 干气减少o 1 7 5 ，液收( 液化气+ 汽油+ 柴油) 增加1 4 3 2 。 ( 4 ) 气泡雾化喷嘴 这类喷嘴的雾化机理是原料油从外腔流入，雾化蒸汽由喷嘴内腔流入，内腔出口板 有多个小孔，蒸汽经由小孔进入原料油所在的外腔，使原料油中含有大量气泡，再从出 口喷出，气泡爆破使原料油得以充分雾化。该类喷嘴雾化效果较好，雾化粒径接近催化 剂粒径。目前此类喷嘴在国内催化裂化装置上还未应用，对大处理量喷嘴的使用还有待 于深入研究。 尽管上述各类喷嘴由于结构及雾化机理上的不同，显示出某些操作特性有所差异， 但是，这些喷嘴的共同特点是：第一雾化效果好。能将重油进料雾化成接近催化剂粒径 的细微雾滴，有利于重油催化裂化的气相反应。第二有较好的使用效果。采用这些喷嘴 后，装置的生焦薰降低，轻油收率增加，经济效益明显提高。 进料喷嘴作为催化裂化工艺的六项核心技术之一，国内外迄今为止已做了大量的试 验和研究分析。但仍有值得完善的工作可做。这主要表现为： ( 1 ) l p c 型迸料喷嘴混合室内的第一级雾化仅仅是通过简单的两相射流互击来完 成的，若改变气一液两相的作用方式，可在不必提高气流速度的前提下，充分利用液体 的压力势能来改善喷嘴的雾化，则l p c 型喷嘴雾化性能显然可进一步改善。 ( 2 ) k h 型喷嘴则需在保证其雾化质量豹同时，着力解决其使用过程中引起的设 备和管线的振动问题。 ( 3 ) h w 型喷嘴仅仅通过单面气流作用于液膜的方式来实现雾化，如果能改进为 双面气流夹击液膜的相互作用方式，则其雾化质量应显著改善。 总的说来国内的不少科研院所、大学和生产厂家对进料喷嘴做了相当的研究，对 国外引进的技术如u o p 迸料喷嘴等也进行了一定的消化吸收，但仍有相当大的挖潜程 度，期待进一步改善。 在这种背景下，为促进炼油技术的进步，本文也积极开展了一些重催进料喷嘴的设 8 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 计与研究工作 1 4 本文的研究工作 催化裂化技术是为了克服日益加剧的全球“能源危机”而诞生的一颂石油深加工技 术，而对其中的进料雾化喷嘴的研究和开发则更是近二十年来才做的工作。但是人们对 液体雾化的研究并不局限于此，而是随着液体燃料燃烧技术的发展经历了一个长期的探 索过程。 然而，从十九世纪末始至今对于液体的雾化过程，具有普遍意义的喷雾数学模型还 没有建立。液体雾化是一个涉及到多种物理变化的复杂过程，没有一个通用的方程来描 述雾化液滴平均直径和尺寸分布与喷嘴结构、喷嘴工作参数( 如喷嘴压降、液流量、汽 流量等) 、物理参数间的函数关系，目前还不可能用纯数学、纯理论分析的方法来预报 和解决雾化问题。尽管许多学者提出过一些半理论，半经验的模型，并给出不少经验关 系式，但都是针对特定的研究对象，有很大的局限性，而且尚需建立在实验研究的基础 上。因此，迄今为止，液体雾化的研究主要还是靠大量的试验研究。尤其是对新型进料 喷嘴的设计研制，更需经过实验室冷试，工业中试到最后应用。 本文在过去已有雾化理论的指导和各种喷嘴技术的基础上，进行新型喷嘴的设计计 算和试验研究。全文主要内容包括： ( 1 ) 介绍了雾化的基本理论和喷嘴技术的研究概况。 ( 2 ) 结合催化裂化工艺过程特点，进行了两种新型进料喷嘴的方案论证与设计。 ( 3 ) 建立喷雾试验装置。 ( 4 ) 进行超音速机械空气雾化喷嘴雾化特性试验研究。研究了喷嘴结构参数， 工况参数及气液比等对液雾平均直径的影响。 ( 5 ) 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。 9 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 第二章液体的雾化机理与喷嘴技术 2 1 雾化机理”1 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：当油流或油滴在空气介质中运动时，必然受到外界空气的作用，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 的油滴在空气中以相对速度 u 运动时，它所受到的法向空气动力只，可以用下式来表示，即 c = 三印a = 詈瓴砌2 式中：a 广运动物体在，方向上的横断面积； 店一空气的密度。 f 阻力系数，它是流动雷诺数只e 。：鱼堕的函数。 t 1 1 0 对于半径为，的圆球，由表面张力而引起的压力只应等于： 只：丝 式中：盯流体的表面张力。 1 0 ( 2 2 ) 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 空i 动力的倾向是要使油流或油滴扭曲变形，并使因紊流扰动而引起的、凸出于油 流或油滴表面的部分，脱离主体而分裂成为细滴；同时力求迎面打碎油流或油滴，使之 喷散。而液体表面张力和粘性力的作用，则力图抵抗扭曲变形，并保持油流或油滴表面 的完整性，以阻止发生分裂现象。当空气阻力超过了油流或油滴内力的作用后，它们就 会开始分裂，并且一直分裂到各微粒所具有的内力重新与外力相互平衡为止。因此要使 燃油雾化，必须先将燃油扩展成很薄的液膜或很细的射流，在运动中由于气动力的作用， 呈现不稳定性，薄膜或射流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，要得到液体与周围介质气体之间的相对运动；第二，让液体通过特定设计的流路 扩展成膜或细射流。 尽管喷嘴喷射的方式不同，但从液体破碎的物理过程上看，基本上可分为两种形式 的破碎：射流破碎和液膜破碎。 1 射流破碎 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 以经典的方法 处理射流不稳定问题，他把液射流在气体中的不稳定主要归因于表面张力。数学推导得 出结论：对无粘性射流来说，扰动的波长在4 5 0 8 倍于射流直径时，扰动波的增长率最 大，这使液柱断裂成几个部分，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，这种情况相当于扰 ， 动的波长和射流起始直径之比= 4 5 ，这时破碎出来的液滴平均直径为1 8 9 d 。从这 d o 关系可以看出，破碎雾化的液雾直径总是和射流起始直径成正比。 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粘性力，后来韦伯( w e b e r ) 在1 9 3 1 年作了比较细 致的分析，在瑞利理论的基础上加进了粘性力的影响，把瑞利理论加以扩展，从理论上 推导出液射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，形成粘性 射流最大不稳定性的矗有： 毒= 尼十丽3 p i 阻s ， 式中：流体粘性；p 。液体密度；盯表蕊张力； 矗喷口直径。 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 当流体粘性脚= o 时，此式变成= 4 4 4 ，这与瑞利理论基本一致。 d o 2 薄膜破碎 通常认为，薄膜破碎可以有三种方式，即轮毂破碎、穿孔薄膜式破碎和波浪式破碎。 ( 1 ) 轮毂破碎由于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 毂。随后，这轮毂以与自由射流破碎一样的机理破碎，当液体粘性和表面张力两者都很 高时，容易出现这种薄膜破碎方式。 ( 2 ) 穿孔薄膜式破碎在离开喷嘴一定距离处，薄膜会出现孔，这种孔的尺寸变 大，直至相邻的孔连上，形成不规则形状的液体带子或条子，这些不规则形状的液带进 而破碎成大小各异的流滴。 ( 3 ) 波浪式破碎液膜上首先出现扰动波，当波幅增长到达一定值后，出现波幅 值猛增，直至半个波长或整个波长的液膜被撕下来，断裂成一个液带，然后又由于表面 张力的作用而收缩，进而分解成小液滴。 燃油雾化时三种破碎方式都可能出现，甚至同时存在两种破碎方式。 显然，不管液体的破碎方式如何，归结起来，液体破碎取决于两种力的相互作用， 一种是促使液体破碎的气动力皿矿2 ，一种是阻止液体破碎的力，如表面张力盯商和粘 性力，气动力和表面张力的比值就是在雾化分析和试验数据整理中，经常用到的一个重 要无因次参数韦伯数始( w e b e r n u m b e r ) 其式为： w e ：pa w 2 d o ( 2 - 4 ) 盯 式中：俨一相对速度。 韦伯数的物理意义是：液体射流在空气中相对运动时，一方面将受到气动力的作用， 另一方面是液体表面张力的作用，当这两个力的比值达到一临界值时，液体开始出现破 碎。从中可以看出，液体雾化不仅受液体与雾化介质的相对速度的影响，而且与液体的 物理性质如密度、粘性、表面张力等有关，并且还随雷诺数的变化而改变。或者说取决 于韦伯数与雷诺数之比z 即 z = 睨r 。 ( 2 - 5 ) 所以雾化过程的机理及结果主要取决于胞及z 值，它们通常被称为液滴破碎准则。 围绕上述两个力对液体雾化的影响，我们可以概括出影响液体雾化质量的主要因 1 2 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 素： 1 喷嘴结构的影响 根据液体雾化机理可知：液体离开喷嘴时所具有的切向速度和径向速度的大小，刈 于喷雾特性有决定性的影响，在整个喷油中若能增大这两种速度的分量，那么喷雾锥舞 就比较大，射程比较远，而液体则能分布到比较广阔的空间中去，能够使更多数量的外 界空气参与雾化过程。由此可见，喷嘴的结构参数和型式对喷油中切向速度分量的大小 密切关系，同时对油流流经喷嘴的紊流扰动强度有很大影响，因此喷嘴的结构是一种影 响雾化特性的重要因素。 2 液体物性的影响 液体物性对雾化的影响主要是指液体粘性力和表面张力的影响。研究表明，粘性力 会抑制液体表面上波的形成，并阻止由细丝进一步变成颗粒，因此液体粘性力增加，将 会导致产生具有较大尺寸的颗粒。表面张力由于会阻止液体表面的扰动或变形，因而可 以阻碍雾化过程的进行，并阻止表面波的生成，延缓丝条的形成过程，随着表面张力的 增加，雾化质量会严重恶化。 3 喷嘴工作参数的影响 喷嘴工作参数包括气压、油压、气液比及油流量等，气压、油压决定着空气速度和 燃油速度的大小，影响着两者相对速度的高低，从而影响喷嘴的雾化质量，相对速度越 高，雾化质量越好。气液比则通过空气速度的改变和参与雾化能量的多少来影响喷嘴雾 化质量，一般来说，随着气液比的增强，雾化液滴直径变细，增加到一定值后，对改善 雾化的效果不明显。 2 2 雾化特性的质量标准。9 1 衡量液体雾化质量的标准主要包括以下几项指标：( 1 ) 喷雾锥角；( 2 ) 喷雾射程； ( 3 ) 液雾的分布特性；( 4 ) 雾化颗粒细度：( 5 ) 雾化颗粒均匀度；( 6 ) 雾滴尺寸分布。 为以后的论述中引用方便，下面分别予以定义和说嘎。 ( 1 ) 喷雾锥角。喷雾锥角的定义有两种规定：一是将喷嘴出口中心点到喷雾炬外 包络线的两条切线之间的夹角定义为雾化角口。显然，它在很大程度上决定了液雾在空 间的分布情况，一个雾化质量较好的喷嘴，其喷雾锥角不易过分收缩。另一种工程上常 用的表示法是以喷口为中心，在距离喷嘴端面l 处与喷雾曲面的交点连线的夹角a ， 1 3 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 称为条件雾化角，的取值在2 0 r r n 以h 对于小流量喷嘴= 4 0 8 0 n m l ；而大流量的喷 ( 2 ) 喷雾射程。它指的是当喷嘴在水平方向喷射时，喷雾距顶部实际到达的那个 平面与喷嘴喷口之间相隔的距离。喷雾射程是直接影响喷雾空间中液雾分布特性的一个 重要指标。 ( 3 ) 液雾的分布特性。它的定义是在与液体的喷射方向垂直的横截面上，液体质 量的分布密度( 即单位面积上分布到的液体量) 沿半径方向的变化规律。它在一定程度 上反映了喷雾空间的液体分配情况。实验表明，测量截面离喷口越远，液雾的分布特性 就越趋均匀。 ( 4 ) 雾化颗粒细度。由于雾化液滴的实际颗粒尺寸各不相同，只能用平均颗粒直 径的概念来表示液滴群的雾化颗粒细度。目前常用的有： ( a ) 容积表面平均直径如( 如，s m d ，索太尔平均直径) 。它的定义是：假定 一群雾滴大小均相同，其直径为西，这群假定油滴的表面积和体积与真实雾滴的表面积 和体积之比相等，即 鬻：端 则d = s m d = 式中：疗广一直径a l 的液滴数； 盼平均直径吐的雾滴数。 由s m d 的定义可以看出，它最能反映真实的雾滴群的蒸发条件，因此最能反映干燥、 化学反应、燃烧等属性，因此在液态工质雾化中得到广泛采用。 ( b ) 质量中问直径风。( 函、吐、姗) 。它的定义是：大于或小于这个直径的雾滴 的质量各占5 0 ，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 ) 雾化颗粒均匀度。指液体雾化后，液滴颗粒尺寸的均匀程度。如果大液滴数 量较多，则会造成热裂化环境，液滴太小，穿透深度太弱。不能与催化剂颗粒充分接触， 也影响反应的完全性，因此希望液雾颗粒均匀度越高越好，且粒径与催化剂颗粒直径相 当。 1 4 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 在喷雾过程中所得到的雾滴或分散物料是由大量的服从统计规律的粒子组成的。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表达式有： ( a ) n u k i 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 e r 关系式； ( c ) 对数正整分布关系式：( d ) 上限分布关系式： ( e ) s i m m o n s 分布关系式。 其中以r o s i n - - r a m m l e r 关系表达式应用最广： q = l - 叫一( 针 ( 2 _ 7 ) 式中：卜液滴的直径； 万液滴尺寸分布中的某个特征尺寸； 一一个反映颗粒尺寸分布特征的常数，表明液滴尺寸分 布的均匀性。遥常1 8 魁。越大，分布越均匀。 o 一累积分布，即尺寸小于口的液滴体积( 或质量) 占总 液雾的体积( 或质量) 百分数。 当液雾中的颗粒尺寸按r o s i n - - r a m m l e r 关系分布对，描写雾化颗粒细度的s a u t e r 平均直径s i v i d 、质量中间直径m m 可以进步表示为： s 尬= 离r ( 2 一纠西 ( 2 - s ) h n 仍= ( 1 n 2 ) 音五= ( o 6 9 3 ) 西 ( 2 9 ) 式中：r 不完全概率积分的r 函数； l 喷雾均匀度指数； 万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与雾化颗粒尺寸分布特性间的联系。 2 3 喷嘴技术 从1 8 8 0 年第一次出现用喷嘴喷雾燃烧到现在，对液体雾化和喷嘴的研究已有了上 百年的历史。尽管如此，由于雾化过程的复杂性，这方面的进展很大程度上仍然依赖于 诸如流体力学、气体动力学、二相流体动力学、计算流体动力学及喷雾测试技术等学科 1 5 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 的发展。长期以来，液体雾化方面的工作，除了部分理论研究和近年来提出的一些半经 验、半理论的喷雾模型外“”“，绝大部分为实验研究。尤其在燃油喷嘴技术领域得到 了极大地重视，已做了相当多的，并仍在进行着大量的实验研究和理论分析。 事实上，几乎所有的燃气轮机使用的燃油在喷入燃烧室之前，都必须被雾化成小液 滴。其目的就在于形成高的液相表面积质量比，从而获得高的燃油蒸发速度，这和重 油催化裂化提升管内的工艺过程有一定相似之处。它意味着研究燃烧用喷嘴的技术将对 重油催化裂化进料喷嘴的开发起到启发和推动作用。 2 3 1 离心式压力雾化喷嘴“蛆 2 3 1 1 离心式喷嘴的结构分类 图( 2 一1 ) 所示为单液路、单室、单喷口喷嘴，液体从离心式喷嘴旋流室底部的切 向小孔以昕速度流入，由于是切向进油，因此液体在旋流室中以切向速度兄旋转，并以 轴向速度孵向前推进。临近喷口时受旋流室端面限制而收缩、从一定尺寸的喷嘴口旋转 着喷出。由于旋转运动、液体并不充满旋流室，中间存在着一个与外界大气环境相通的 空气中心涡。液体从喷口以锥形管状喷出，首先形成液膜，而后由于内部的强紊流及气 动力的相对作用，液膜失稳并破裂，而成大小不等的液滴，由于出口处切向和轴向速度 的作用，液膜呈圆锥型。 豚奢 巡 犁 图2 1 单路单室离心式喷嘴示意图 单路、单室、单喷口离心喷嘴结构确实简单，但是在低负荷下，即喷液压力偏低的 工况下，喷雾质量却很差。或者说，液流量的可调范围比较窄。这是由于离心式喷嘴的 液流量函与喷液压降p 之间具有下式所规定的定量关系的缘故： q = “巧t 瓯 其中为喷嘴流量系数。 1 6 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 l = i 该式中可以看到：喷液量的变化与喷液压力呈均方根关系，即当液体流量变化两 倍时，压力降需变化四倍才- 彳亍，这就是说，在最高喷液压降有限的情况下，简单离心式 喷嘴的液体流量的可调范围必然是相当窄的。 此外，在这种喷嘴中，由于切向孔的尺寸固定不变，因而当喷液量减少时，液流流 进旋流室的速度就会明显下降，从而使液体离开喷口时的切向速度大幅度降低，以致于 雾化质量严重恶化。 由于以上两个缺点，目前，单独使用时只有在液体流量可调范围不超过2 2 5 倍 的喷嘴上还能应用。 为了解决以上两个缺点，人们设计了采用双液路、双喷嘴的离心式喷嘴，图( 2 2 ) 中给出了这种喷嘴的两种结构示意图。它是f h 两条液路组成的，当喷液时较小时，仅用 副液路单独工作：当喷油量增大到一定范围后，在燃油分配阀的作用下，第二条主液路 就被接通，两条液路将同时供油。 很明显，这种喷液嘴的实质就是两个彼此独立韵简单离心式喷液嘴并联在一起联合 工作。其喷嘴总喷液量应该等于两路之和： g m = q _ l + q m 2 = 1 石，主2 纰p 。+ 卢2 石t 2 a b p 。 其中，矗和是两液路的喷口半径： 。和：是两液路的流量系数； 只和r 是两液路的喷液压力降。 ( i ) 硼牲啧口 萨酵 ( 畔棋_ 疆章巾疃u艟硌覆宣疆曩口 图2 2 双油路双喷口喷油嘴结构图 1 一主油路2 一分油活门3 一副油路 1 7 催化裂化装置高效雾化进料喷嘴的试验研究 此种喷嘴两液路供油压力是不完全相同的。喷油压力低于某个值时，副液路工作： 高于此值时，主液路也参加工作。 这种喷嘴的特点是，液体流量的可调范围要比一个相当的单路、单室、单喷口喷嘴 的流量可调范围大得多。通常双流路双喷口唼嘴的流量可调范围可以做到1 5 2 0 。其缺 点是，当第二条主液路刚投入工作时，由于起始液压降很低，在瞬时间内会使喷雾质量 有所恶化。此外，这种喷嘴结构复杂得多。 2 3 1 2 影响离心式喷嘴雾化的因素 影响离心式喷嘴雾化的因素主要有：燃油性质、喷嘴压力降、空气流速、喷嘴几何 尺寸和空气压力。对以上诸因素着重叙述几点如下： ( 1 ) 喷咀压力降的影响 离心式喷嘴雾化平均直径随着喷嘴压力降的增大，雾化平均直径降低，但在喷嘴压 力降超过某个压力值后，平均直径降低的趋势逐渐转平。 s m d 与喷嘴压力降的关系，大体上可由现有文献中提到的s m d o c a p “的经验方程来 描述。 液滴尺寸分布指数川瞳喷嘴压力降的变化。试验表明，不同的液体在同一离心喷嘴 上，其_ 值随喷嘴压力降p 的变化规律都是一样的：都随着喷嘴压力降的增大，逐渐 变小。这说明，液滴尺寸分布指数n 主要取决于喷嘴设计。在很多离心式喷嘴试验工作 中都得到这样的规律；凡是使喷嘴雾化变细的因素常使变小，即使喷雾尺寸分布相对 地变得更不均匀些。这样尽管平均直径变细了，但尺寸分布拉开变宽了，大尺寸液滴减 少得并不很多。所以，这样的平均直径与尺寸分布指数的变化规律并不是理想的。我们 希望，当液雾平均直径变细时，尺寸分布指数川蜂低较慢，或