旋流組合式催化裂化進料噴嘴液流分布實驗

李進賢，吳利平，韓迎龍，陳步學，趙思珍，閆 濤，張榮克

（1西北工業大學航天學院，陜西 西安 710072；2中國石化工程建設公司，北京 100101）

研究開發

旋流組合式催化裂化進料噴嘴液流分布實驗

李進賢1，吳利平1，韓迎龍1，陳步學1，趙思珍2，閆 濤2，張榮克2

（1西北工業大學航天學院，陜西 西安 710072；2中國石化工程建設公司，北京 100101）

提出了一種采用組合式旋流器和球形雙槽互擊噴頭的旋流組合式催化裂化進料噴嘴的概念，并針對不同的旋流器組合方式和噴頭結構形式開展了旋流組合式催化裂化進料噴嘴液流分布實驗，獲得了其液流分布特性，初步掌握了噴嘴的霧化性能。結果表明，采用四組合式旋流器和采用內外嵌套組合式旋流器以及球形雙槽互擊噴頭的噴嘴，噴射液層液流分布比較均勻，霧化效果較好；該結果對于進一步改進此類噴嘴的設計具有重要的參考價值。

催化裂化；進料噴嘴；組合式旋流器；球形雙槽互擊噴頭；液流分布特性

隨著全球石油資源日趨短缺，催化裂化（FCC）技術[1]越來越受到許多國家的重視。進料噴嘴是催化裂化的關鍵設備之一，其性能的優劣對裂化反應產品的質量和分布起著十分重要的作用，性能優異的進料噴嘴能夠增加輕質油收率，降低焦炭產率，提高催化劑利用率，由此帶來的經濟效益十分可觀[2-5]。因此，開發性能優異的進料噴嘴，是改進催化裂化生產工藝的重要環節。

進入20世紀80年代，伴隨著催化裂化技術在整個煉油行業中的地位日益突出，許多國家和公司都開展了對進料噴嘴的研究工作，相繼發展了多種特殊結構的噴嘴。如Kellogg公司在90年代研制的Atomax噴嘴，其后來又發展到Atomax-2型；UOP公司在Premix的基礎上，又推出了Optimix噴嘴；S & W 公司研制的高壓力降靶式進料噴嘴以及Lummus公司開發的 M icro-Jet進料噴嘴等[6-9]。近些年在國際上較為著名的 Total噴嘴，利用高速霧化介質對撞擊金屬靶后的原料油進行沖擊，具有較好的霧化效果。特別是此噴嘴的霧化流股從半球狀噴頭的槽孔噴出，噴射面呈扇形，選擇合適的噴嘴布局，可以使霧化流股在提升管截面上形成面積大、厚度薄的覆蓋層，從而為裂化反應快速充分地進行提供必要條件。我國在引進了 Total噴嘴的同時，還自主開發了多種高效進料霧化噴嘴，如LPC、KH、HW、BP、BX型等。目前，國內催化裂化裝置采用的進料噴嘴按照霧化機理的不同，大體上有 4類[10-14]，即喉管類、靶式類、氣泡式以及旋流式（BWJ）噴嘴。其中，旋流式（BWJ）噴嘴是由西北工業大學聯合中國石化集團公司相關單位共同開發研制的氣液兩相旋流式噴嘴，該型噴嘴從20世紀90年代工業化應用以來已取得了較好的效果。

隨著催化裂化技術的不斷向前發展，旋流式噴嘴在工業化應用中出現了新的問題，如霧化后的液流分布不均，并存在較為嚴重的“中空”現象以及霧化粒度布較差等。進料噴嘴的霧化機理十分復雜，單純地依靠幾何尺寸放大、增大氣液比或提高噴射速度都無法取得理想的效果。因此，研究性能更好的噴嘴十分必要。本文作者提出了一種采用組合式旋流器和球形雙槽互擊噴頭的旋流組合式催化裂化進料噴嘴概念，并針對實驗噴嘴開展了液流分布特性研究，初步掌握了該型噴嘴的霧化性能，為后續的冷態霧化實驗研究提供了參考。

1 旋流組合式進料噴嘴簡介

旋流式噴嘴是一種將機械霧化和蒸氣霧化結合使用的霧化噴嘴，從目前查到的資料來看，該種噴嘴是國內外 FCC裝置中唯一使用旋流器結構的霧化進料噴嘴，其結構特點是在噴嘴混合室后安裝了一個氣液兩相旋流器。這種旋流器有許多優點：黏稠液體在與氣體混合加速流動的過程中，可借助氣體能量來削弱黏性和表面張力對液體霧化的約束；氣液兩相密度相差較多，液體流量在一定彈性范圍內變動時，兩相流總體積流量變化相對較小，霧化質量不會顯著惡化；噴嘴內部通道截面積較大，不易發生結焦、堵塞一類的故障，工作可靠性高。此外，該種噴嘴還具有結構簡單、壓降低、霧化粒徑分布均勻性好等優點。旋流式噴嘴的霧化原理與其它噴嘴不同，液體與氣體首先進入前混合腔進行預先混合和初步霧化，形成氣液兩相流；氣液兩相混合物經旋流器展膜，液膜被高速氣流擊碎，然后在較高壓差作用下，氣液混合物從噴嘴出口加速降壓噴出，形成氣霧兩相射流，完成霧化過程。

1.1 噴嘴結構

旋流式噴嘴的核心部分是氣液二相旋流器，它的結構形式及工作原理與液體離心式噴嘴基本相同。組合式旋流器是將單個旋流器通過內外嵌套或者外部組合的方式重新合并成為一個旋流器組合件，這種方法拓展了兩相旋流噴嘴的設計思想。

噴嘴進氣口設計中采用了一路側向進氣加一路中心進氣的進氣方式。側向進氣由噴管外夾層引入，夾層出口環設置在旋流器出口附近及穩定段下游，并開有一定數目和孔徑的小孔。模擬介質水從側向進水口進入混合室，與從中心進氣口進入噴嘴的氣體在前混合室內初步混合，而從側向進氣口進入的氣體則在旋流器之后分3次與氣液混合物摻混，氣液混合物最后通過噴頭噴出，完成整個霧化過程。旋流組合式進料噴嘴的基本結構如圖1所示，主要由中心進氣噴嘴、側向進氣噴嘴、組合式旋流器、進水噴嘴、混合腔、穩定段、噴頭等部分組成。

圖1 旋流組合式進料噴嘴結構

1.2 組合式旋流器

旋流器用來強迫流體做旋轉運動，并依靠離心力將液體展膜，液膜在外界氣流作用下破碎霧化，為之后進行二次霧化打下良好的基礎。旋流器的設計采用了由阿勃拉莫維奇提出的最大流量原理法[15]。這個方法的特點是不考慮霧化介質的黏度和流動中的徑向速度，認為流動是軸對稱的。

旋流器的霧化特性，可以用霧化錐角2 、流量系數cd和幾何特性A之間的關系來表示。霧化錐角、流量系數和幾何特性之間的關系如圖2[16]所示。

設計時首先選擇液膜錐角2α，從圖2的曲線上查出對應的幾何特性A和流量系數cd。一般來講，2α取大值有利于霧化，對有內噴口的方案，霧化錐會過早撞擊霧化室壁面，不利于霧狀流的形成；而對于不帶內噴口的方案，2α過大，旋流過強，則會導致扇形霧化錐內液流分布不均勻，側邊區液滴粒徑增大。本研究采用無內噴口的方案，并將旋流器的入口至噴頭的出口整體視為虛擬的等效內噴口，這樣就可以利用圖2來獲得流量系數。流量公式見式（1）。

圖2 流量系數、液膜角度、截面系數與幾何特性的關系

式中，qs為單旋流槽總質量流量；cd為旋流槽流量系數；Fh為等效內噴口橫截面積；Δps為旋流槽壓降； 為氣液二相流混合密度。此時等效內噴口直徑見式（2）。

根據最大流量原理，幾何特性定義為式（3）。

式中，A為旋流槽幾何特性；R為節圓半徑；rh為等效內噴口半徑；β為螺旋升角；n為螺旋槽數目；Fs為單旋流槽橫截面積。由式（3）計算可得到單旋流槽橫截面積。根據以上獲得參數，可分別求得旋流器的內外徑、升角、導程、節圓直徑和長度等結構參數。

本文研究的組合式旋流器是將單個旋流器通過內外嵌套或者外部組合的方式重新合并成為一個旋流器整體，并且組成這個整體的分旋流器旋向相反。如對于三組合式旋流器，兩個分旋流器的旋向與另外一個相反，而四組合式旋流器則是保證相鄰兩個旋流器旋向相反，內外嵌套組合式旋流器則是內外旋流器旋向相反。目的都是為了使摻混作用能更加強烈，最大程度地削弱液膜貼壁流動對于液流分布的不利影響，從而增強一次霧化效果，同時也能夠獲得較好的霧化粒度分布。組合式旋流器的結構見圖3和圖4。

圖3 外組合式旋流器

圖4 內外嵌套組合式旋流器

1.3 噴頭結構

共進行了兩種結構類型噴頭的實驗，即球形單槽噴頭以及雙槽互擊噴頭，其結構見圖5和圖6。雙槽互擊噴頭的設計利用了射流自身的動量，使射流在噴頭外部以一定角度互相撞擊，這相當于在原有的單槽霧化基礎上又增加了一次霧化，因而形成的噴霧扇形面液流分布較單槽更加均勻。

圖5 球形單槽噴頭

圖6 球形雙槽互擊噴頭

2 進料噴嘴液流分布實驗系統

由于氣液兩相噴嘴的霧化機理十分復雜，影響因素眾多，目前研究人員不僅沒有建立起合理的數學模型，而且對其霧化機理還沒有一個全面而深刻的認識，因而，實驗仍是研究噴嘴霧化的主要方式。本實驗的目的在于從宏觀上初步掌握旋流組合式噴嘴的液流分布和霧化性能，為進一步進行冷態霧化特性實驗提供初步選型參考。

本次實驗是在不考慮油溫、蒸汽溫度和提升管背壓的情況下，分別用水和空氣代替原油和蒸汽進行的。噴嘴冷態液流分布實驗系統如圖7所示，主要由霧化噴嘴、供氣系統、供水系統、液體分配盤以及實驗臺架等組成。①霧化噴嘴：共進行7組噴嘴的液流分布實驗，旋流器組合方式分別為三旋流器外組合、四旋流器外組合、內外嵌套組合以及在嵌套式旋流器內旋流器上開孔的方式；噴頭則有板頭單槽、球頭單槽以及球頭互擊雙槽等形式。②中心和側向模擬進氣均來自壓縮氣罐，壓縮空氣經過截止閥、減壓閥、流量調節閥、流量計之后進入噴嘴，最高壓力為0.6 MPa；模擬進水由水罐供給， 最高壓力為1 MPa。③液體分配盤如圖8所示，分配盤長1600 mm，寬700 mm，高500 mm，內均布等面積的105個正方形分配格并將其膠和在一起，各方格之間保持密封，方格底部開孔并連接膠管，膠管頭用堵頭塞緊。④模擬空氣和水的流量、溫度等參數分別由轉子流量計、水銀溫度計來測定。

圖7 噴嘴液流分布實驗系統

圖8 液體分配盤（單位：mm）

實驗方案見表 1，實驗時噴嘴的噴孔距液體分配盤的距離統一定為 750 mm，測試時的水流量為20 t/h，中心與側向進氣口的氣流量按氣液質量比3%進行供給。

表1 實驗方案

3 實驗方法和步驟

實驗時首先用設在分配盤上的滑動蓋板將液體分配盤蓋嚴，然后打開氣路和水路截止閥進行噴射，將流量調至實驗狀態并記錄參數，此時噴射流沒有進入分配盤；迅速拉開滑動蓋板，讓噴射流進入分配盤中，觀察盤中各方格內液面的高度，待盤中某一方格內的液體將要溢出時，立即拉動滑動蓋板將水盤封上，同時關閉水路截止閥，待氣流將集存在管道及噴嘴內的殘液吹掃干凈后，再將滑動蓋板拉開，測量盤中各方格內的液面高度；最后打開每個方格底部的排液管塞，排空所有液體后塞好排液管。更換不同噴頭或組合式旋流器后重復上述實驗過程。

4 實驗結果及分析

分配盤收集到的液體，主要集中分布在噴嘴中心兩側300 mm寬的方格內，300 mm以外的方格收集到的液體很少，故處理結果時主要處理中心兩側300 mm寬方格內的液體分布數據；另外，100 mm寬的中心噴射區也是具有代表性的區域，在此一并處理；最后以噴射域長度方向為橫坐標，收集到的噴射液層高度為縱坐標，分別繪制出100 mm中心噴射區的液層高度和噴嘴中心兩側300 mm范圍內的平均液層高度沿噴射長度方向的分布曲線，曲線見圖9～圖15。

圖9 1#實驗噴嘴液流分布

圖10 2#實驗噴嘴液流分布

圖11 3#實驗噴嘴液流分布

圖12 4#實驗噴嘴液流分布

圖13 5#實驗噴嘴液流分布

圖14 6#實驗噴嘴液流分布

圖15 7#實驗噴嘴液流分布

（1）1#、6#、7#實驗噴嘴噴射液層高度分布曲線成馬鞍形狀，尤以6#、7#最為嚴重，說明噴射液層邊緣厚中間薄，出現了“中空”現象，液流分布很不均勻；1#噴嘴較6#和7#噴嘴液流分布比較集中，且噴射角很小。以上這兩種情況都不利于提升管內霧化顆粒與催化劑的充分混合與反應。

（2）2#～5#實驗噴嘴，液層高度分布曲線大致為梯形，中心噴射區液層分布曲線較為平緩，說明液流分布趨于均勻，這將有利于霧化顆粒與催化劑的充分混合與反應。

（3）1#實驗噴嘴分布曲線相比于2#，液層分布帶明顯較窄，這是由板形噴頭的結構特點所決定的，與此同時液流分布還出現了一定程度的“中空”現象。出現這種現象的原因是：在混合腔內形成的氣液兩相混合物進入旋流器的螺旋通道后進行回旋流動，當其從旋流器內噴出時，由于離心力的作用，兩相混合物被展成圓錐面薄膜并沿噴嘴內壁做貼壁流動，此時位于噴嘴內部的兩相混合物在噴嘴橫截面上的分布很不均勻，越靠近中心處，流量越低，混合物流經噴頭向外噴出時位于槽孔兩側的流量要明顯大于中心處，此時易形成“中空”現象；在換用球形單槽噴頭之后，“中空”現象得到了明顯改善，原因是球形噴頭內壁如同噴管的收斂段一樣，有一個不斷將貼壁液膜向中心聚攏的作用，因而能夠在一定程度上增加噴嘴中心處的液流流量，改善“中空”現象。2#實驗噴嘴在300 mm工作范圍內的平均液層高度比100 mm中心噴射區的液層高度更高，說明中心噴射區兩側 100 mm內的液層高度均比中心噴射區液層高度高，中心噴射區之外的液流分布多，也說明 2#實驗噴嘴噴射液層在收集盤寬度方向上的跨度較大，液層較厚，這種情況對于提升管內原料油與催化劑的充分接觸是不利的。

（4）3#實驗噴嘴噴射液層分布曲線比較平緩，液流分布更加均勻；分析認為，對于四組合式旋流器，由于其分旋流器的旋向對稱分布，兩相混合物流過旋流器組合件后，其在噴嘴內部的分布除去重力作用的影響之后基本上是對稱的，這樣從噴頭噴出時所形成的噴射面也應是對稱的，得到的分布曲線必然較采用三組合式旋流器的噴嘴得到的液層分布曲線平緩和均勻；另外，3#噴嘴在300 mm范圍內的平均液層高度與中心噴射區的液層高度差值較2#實驗噴嘴大，這反映了3#實驗噴嘴噴射液層液流較集中地分布于中心噴射區域，其厚度相對要薄。以上表明四旋流器組合式噴嘴的液流分布效果要優于三旋流器組合。

（5）4#實驗噴嘴較3#噴射范圍更大，沿噴射域長度范圍內的分布更加均勻，說明混合物流經雙槽互擊噴頭并經過射流撞擊霧化之后形成的噴霧扇分布在較大的橫截面上，這種分布能夠極大地提高原料油與催化劑在提升管內的混合效率；另外，300 mm范圍內平均液層高度與中心噴射區液層高度的差值較3#噴嘴更大，說明4#噴嘴的液流主要集中分布于中心噴射區，而中心噴射區以外的液體分布極少，這是一種比較理想的分布狀況。

（6）5#～7#實驗噴嘴采用的都是內外嵌套組合式旋流器，從結果來看，效果與三組合及四組合式旋流器的差距較大。原因是混合物分別流經內旋流器與外旋流器所形成的液膜之間擾動作用相對較弱，對于改善液膜貼壁流動的效果并不明顯；而5#實驗噴嘴噴射液層高度分布情況較6#有非常明顯的改善。由分布曲線可以看到，5#噴嘴液層分布曲線基本上消除了馬鞍形狀，且液流集中分布在中心噴射區域內，說明兩股射流經過撞擊霧化之后使得液流在霧化區域內進行了重新分布，這證明雙槽互擊噴頭對于改善噴嘴液流分布具有非常明顯的作用和相對較好的效果。

（7）6#、7#噴嘴液層高度分布曲線大致相同，說明采用內組合式旋流器噴嘴在與單槽噴頭配合使用時的液流分布不理想，而給內旋流器上開孔的方法并不能夠顯著增大噴嘴中心處的液流流量，如何進一步改進還需要繼續研究。

5 結 論

（1）旋流器外組合時，球形噴頭實驗取得了較好的液流分布效果。同時，四旋流器組合的實驗結果優于三旋流器組合。

（2）采用內外嵌套組合式旋流器能夠極大地減小噴嘴外徑，這對于FCC裝置的大型化有著十分重要的意義。采用內外嵌套組合式旋流器和雙槽互擊噴頭的噴嘴實驗獲得了較好的液流分布效果。

（3）對于噴頭的結構形式來講，球形噴頭的液流分布較好，噴射角明顯大于板型噴頭，其中雙槽比單槽分布效果好，板型噴頭的液流分布最差。

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Experimental research on the flow characteristics of combined swirl FCC feed injection nozzle

LI Jinxian1，WU Liping1，HAN Yinglong1，CHENG Buxue1，ZHAO Sizhen2，YAN Tao2，ZHANG Rongke2
（1College of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，Shaanxi，China；2SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing 100101，China）

A new FCC feed injection nozzle，where a combined cyclone and spherical like-doublet impinging injector is used，is presented in this paper，then an experimental study on the combined sw irl FCC feed injection nozzle based on different cyclone combination and injector structure was conducted．The results show that the feed injection nozzle w ith four external combined cyclone，internal combined cyclone and spherical like-doublet impinging injector achieves good results. The result has important values for the improvement of combined sw irl feed injection nozzle design．

FCC；feed injection nozzle；combined cyclone；spherical like-doublet impinging injector；flow characteristics

TQ 051

A

1000-6613（2012）06-1193-07

2011-11-28；修改稿日期：2012-01-31。

及聯系人：李進賢（1963—），男，教授，博士生導師。E-mail lijinxian@nwpu.edu.cn。