大型環路液體噴霧實驗裝置設計與開發

蔡文明++陳琴珠

摘 要：大型環路液體噴霧實驗裝置設計是模擬化工設備噴霧式反應器的結構，噴霧式反應器關鍵部件是霧化噴嘴的選型。該實驗裝置的設計與開發目的是讓學生了解化工先進設備，并對霧化噴嘴的選型進行研究。實驗表明，該實驗系統可模擬氣液噴霧式反應器內部噴霧場的實際效果，對單個霧化噴嘴的霧化特性參數（流量特性、霧化錐角、霧滴粒度及分布）進行測試，也為其他高校建立實驗平臺提供較好的信息。

關鍵詞：噴霧式反應器 霧化噴嘴 實驗裝置

中圖分類號：S491 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0001-02

大型環路液體噴霧反應裝置是化工生產中較為常用的氣液接觸反應裝置，其典型代表有Press外循環乙氧基化反應器、Buss回路反應器等等[1-2]。目前大型環路液體噴射的技術仍由國外公司壟斷，國內很多高校都積極地在開展研究工作，包括浙江大學、中國海洋大學、天津大學等高校實驗室都在研究設備工藝，設備擴容開發等[3-5]。為了使得學生了解此類設備，并模擬噴霧反應的傳質過程，該文中以現有的Press外循環乙氧基化反應器為基礎，設計了一套環路液體噴射實驗裝置，不僅使得針對大型環路液體噴霧反應裝置的研究從理論研究走向實際，也為大學生開展創新實踐活動提供了開放式平臺。

1 環路液體噴霧實驗系統設計

為了分析研究外循環噴霧式反應裝置的工作機理，并從理論角度優化改進氣液接觸反應器的結構，從而提升反應效率。設計并搭建能夠模擬外循環噴霧系統的實驗平臺，以便直觀的分析其噴霧狀況。

1.1 實驗設計原則

由于環路噴射系統中最重要的就是霧化效果，因此可以在實驗設計時采用如下簡化：

（1）只針對相應的環路噴射系統進行實驗，而不考慮其它的反應系統。實驗中只模擬液相從反應器底部經過循環系統再霧化噴出的過程，而不模擬霧化后的氣液接觸反應過程。

（2）由于反應器內設有多個噴嘴，且多個噴嘴的結構參數相同，因此在測試霧化噴嘴的性能時，可只針對單個噴嘴進行循環回路實驗，不僅可以簡化實驗裝置，而且可以清晰的測試噴嘴的霧化性能。

1.2 實驗設備設計

為了針對大型環路噴射裝置進行冷態模擬實驗，在現有實際的外循環噴霧式反應器的基礎上，設計具有可操作性的小型反應器。為了反映真實的噴射效果，實驗裝置應保持原有反應器的物料分布結構形式。內徑與實際反應器保持一致，同時考慮到反應器在長度方向上結構的重復性，在設計中縮短反應器筒體的長度，而保留封頭兩端的結構。在環路噴霧模擬實驗中，參照現有乙氧基化反應器的結構，設計小型環路液體噴射實驗裝置。該實驗裝置在尺寸上與實際反應器保持一致，而只縮短了反應器的長度，能夠較為真實的反映實際反應器中的噴霧效果。

2 實驗方案

整個大型環路液體噴霧實驗分為兩部分進行：一部分是分析研究反應器內部的噴霧狀況，從而優化改進霧化噴嘴的排列方式；另一部分為單個霧化噴嘴性能測試實驗，可針對噴嘴的霧化特性進行測試。

2.1 環路液體噴射實驗

環路液體噴射實驗流程如圖1所示，該實驗裝置包括小型反應器、儲水罐、循環泵以及氮氣發生裝置等等。其實驗流程如下：實驗開始前，向反應器內通入氮氣直到壓力保持在0.4MPa，然后開啟循環泵，使得儲水罐內的液相物料通過循環管路進入反應器，待反應器內物料達到預定劑量后，關閉儲水罐閥門并將反應器下方的閥門通道打開，構成循環回路，然后觀察反應器內的噴霧狀況。主要的實驗設備有：小型反應器；循環泵：流量為，揚程為39 m，功率為19.8kW；電磁流量計和壓力表，用于記錄并控制反應器內噴嘴的噴射流量和管路進口壓力；霧化噴嘴。為比較各類噴嘴的霧化性能，選取三種噴嘴類型：離心式霧化噴嘴、螺旋槽式霧化噴嘴和實心廣角噴嘴。

2.2 噴嘴霧化性能測試實驗

為了測定各類型噴嘴的霧化性能，獲得最符合工藝要求的霧化噴嘴，必須通過實驗測試得到詳細的霧化性能參數。由于通過環路噴射實驗裝置中設有多個噴嘴，加上水的霧化遮住視線，難以看清單個噴嘴的霧化效果，因此又專門建立了針對單個噴嘴選型的實驗裝置，裝置如圖2所示。

實驗裝置由移動水箱、物料泵、管路、霧化噴嘴、激光粒度分析儀等構成。其實驗流程如下：通過物料泵將移動水箱內的水經管路打入水箱上方的管路出口，在出口處安裝一個霧化噴嘴，并通過水箱兩邊所開的圓孔，利用激光粒度分析儀測定其霧化性能。

3 實驗方法與結果舉例

在環路液體噴射實驗中，針對裝置中的多個霧化噴嘴，可采用流量控制法，通過逐步控制流量的方式，觀察裝置內隨流量變化時噴霧狀態的變化情況，同時記錄管路壓力的變化規律，實際噴霧效果圖3所示。

在噴嘴霧化性能測試實驗中，通過轉子流量計控制管路流量，可分別測試記錄不同流量下霧化噴嘴的噴射壓力、霧化形態、噴霧錐角以及霧滴尺寸數據。根據所測數據可分析霧化噴嘴的各個霧化特性隨流量的變化規律，同時也可橫向比較不同噴嘴在同一流量下的噴霧特性，為外循環噴霧式反應器中霧化噴嘴的選型提供依據。如表1所示分別為某種壓力旋流式噴嘴在流量為3.0時的噴霧形態和霧化特性測試數據。

4 結語

大型環路液體噴霧實驗平臺通過對結構和尺寸上的設計，最大程度的模擬了實際生產中外循環噴霧式反應器的液體噴霧效果，為反應器內部結構優化提供實驗指導。同時，單噴嘴霧化性能測試系統能夠從流量特性、霧化形態、霧滴尺寸等方面，準確的分析測試噴嘴的霧化性能，為噴霧式反應器中霧化噴嘴的選型提供實驗依據。

參考文獻

[1] 李佳.半間歇乙氧基化反應器數學模型與模擬研究[D].青島：中國海洋大學，2011.

[2] 韋永繼.乙氧基化工藝研究進展[J].化工進展，1993（3）：38-39.

[3] 肖楊，劉道平，楊群芳，等.霧流方式制備水合物反應器的模型及分析[J].石油與天燃氣化工，2008，37（2）：97-99，118.

[4] 張海濱.外循環乙氧基化反應裝置換熱系統模擬與優化研究[D].青島：中國海洋大學，2011.

[5] 范存良.外循環噴射反應器的研究[J].化學工程師，1998，4（67）：43-45.

[6] 李佳，安維中，張海濱，等.外循環噴霧式乙氧基化反應器的數學模型與模擬[J].化工學報，2010，61（12）：3180-3185.