大型環(huán)路液體噴霧實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

蔡文明++陳琴珠

摘 要：大型環(huán)路液體噴霧實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)是模擬化工設(shè)備噴霧式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，噴霧式反應(yīng)器關(guān)鍵部件是霧化噴嘴的選型。該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)目的是讓學(xué)生了解化工先進(jìn)設(shè)備，并對(duì)霧化噴嘴的選型進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可模擬氣液噴霧式反應(yīng)器內(nèi)部噴霧場(chǎng)的實(shí)際效果，對(duì)單個(gè)霧化噴嘴的霧化特性參數(shù)（流量特性、霧化錐角、霧滴粒度及分布）進(jìn)行測(cè)試，也為其他高校建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供較好的信息。

關(guān)鍵詞：噴霧式反應(yīng)器 霧化噴嘴 實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)：S491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0001-02

大型環(huán)路液體噴霧反應(yīng)裝置是化工生產(chǎn)中較為常用的氣液接觸反應(yīng)裝置，其典型代表有Press外循環(huán)乙氧基化反應(yīng)器、Buss回路反應(yīng)器等等[1-2]。目前大型環(huán)路液體噴射的技術(shù)仍由國(guó)外公司壟斷，國(guó)內(nèi)很多高校都積極地在開展研究工作，包括浙江大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、天津大學(xué)等高校實(shí)驗(yàn)室都在研究設(shè)備工藝，設(shè)備擴(kuò)容開發(fā)等[3-5]。為了使得學(xué)生了解此類設(shè)備，并模擬噴霧反應(yīng)的傳質(zhì)過程，該文中以現(xiàn)有的Press外循環(huán)乙氧基化反應(yīng)器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套環(huán)路液體噴射實(shí)驗(yàn)裝置，不僅使得針對(duì)大型環(huán)路液體噴霧反應(yīng)裝置的研究從理論研究走向?qū)嶋H，也為大學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)提供了開放式平臺(tái)。

1 環(huán)路液體噴霧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了分析研究外循環(huán)噴霧式反應(yīng)裝置的工作機(jī)理，并從理論角度優(yōu)化改進(jìn)氣液接觸反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，從而提升反應(yīng)效率。設(shè)計(jì)并搭建能夠模擬外循環(huán)噴霧系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便直觀的分析其噴霧狀況。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

由于環(huán)路噴射系統(tǒng)中最重要的就是霧化效果，因此可以在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)采用如下簡(jiǎn)化：

（1）只針對(duì)相應(yīng)的環(huán)路噴射系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而不考慮其它的反應(yīng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中只模擬液相從反應(yīng)器底部經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)再霧化噴出的過程，而不模擬霧化后的氣液接觸反應(yīng)過程。

（2）由于反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有多個(gè)噴嘴，且多個(gè)噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，因此在測(cè)試霧化噴嘴的性能時(shí)，可只針對(duì)單個(gè)噴嘴進(jìn)行循環(huán)回路實(shí)驗(yàn)，不僅可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，而且可以清晰的測(cè)試噴嘴的霧化性能。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)

為了針對(duì)大型環(huán)路噴射裝置進(jìn)行冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)有實(shí)際的外循環(huán)噴霧式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)具有可操作性的小型反應(yīng)器。為了反映真實(shí)的噴射效果，實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)保持原有反應(yīng)器的物料分布結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)徑與實(shí)際反應(yīng)器保持一致，同時(shí)考慮到反應(yīng)器在長(zhǎng)度方向上結(jié)構(gòu)的重復(fù)性，在設(shè)計(jì)中縮短反應(yīng)器筒體的長(zhǎng)度，而保留封頭兩端的結(jié)構(gòu)。在環(huán)路噴霧模擬實(shí)驗(yàn)中，參照現(xiàn)有乙氧基化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)小型環(huán)路液體噴射實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置在尺寸上與實(shí)際反應(yīng)器保持一致，而只縮短了反應(yīng)器的長(zhǎng)度，能夠較為真實(shí)的反映實(shí)際反應(yīng)器中的噴霧效果。

2 實(shí)驗(yàn)方案

整個(gè)大型環(huán)路液體噴霧實(shí)驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：一部分是分析研究反應(yīng)器內(nèi)部的噴霧狀況，從而優(yōu)化改進(jìn)霧化噴嘴的排列方式；另一部分為單個(gè)霧化噴嘴性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可針對(duì)噴嘴的霧化特性進(jìn)行測(cè)試。

2.1 環(huán)路液體噴射實(shí)驗(yàn)

環(huán)路液體噴射實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)裝置包括小型反應(yīng)器、儲(chǔ)水罐、循環(huán)泵以及氮?dú)獍l(fā)生裝置等等。其實(shí)驗(yàn)流程如下：實(shí)驗(yàn)開始前，向反應(yīng)器內(nèi)通入氮?dú)庵钡綁毫Ρ３衷?.4MPa，然后開啟循環(huán)泵，使得儲(chǔ)水罐內(nèi)的液相物料通過循環(huán)管路進(jìn)入反應(yīng)器，待反應(yīng)器內(nèi)物料達(dá)到預(yù)定劑量后，關(guān)閉儲(chǔ)水罐閥門并將反應(yīng)器下方的閥門通道打開，構(gòu)成循環(huán)回路，然后觀察反應(yīng)器內(nèi)的噴霧狀況。主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：小型反應(yīng)器；循環(huán)泵：流量為，揚(yáng)程為39 m，功率為19.8kW；電磁流量計(jì)和壓力表，用于記錄并控制反應(yīng)器內(nèi)噴嘴的噴射流量和管路進(jìn)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(shí)心廣角噴嘴。

2.2 噴嘴霧化性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試得到詳細(xì)的霧化性能參數(shù)。由于通過環(huán)路噴射實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)有多個(gè)噴嘴，加上水的霧化遮住視線，難以看清單個(gè)噴嘴的霧化效果，因此又專門建立了針對(duì)單個(gè)噴嘴選型的實(shí)驗(yàn)裝置，裝置如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)裝置由移動(dòng)水箱、物料泵、管路、霧化噴嘴、激光粒度分析儀等構(gòu)成。其實(shí)驗(yàn)流程如下：通過物料泵將移動(dòng)水箱內(nèi)的水經(jīng)管路打入水箱上方的管路出口，在出口處安裝一個(gè)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(cè)定其霧化性能。

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果舉例

在環(huán)路液體噴射實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)裝置中的多個(gè)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(nèi)隨流量變化時(shí)噴霧狀態(tài)的變化情況，同時(shí)記錄管路壓力的變化規(guī)律，實(shí)際噴霧效果圖3所示。

在噴嘴霧化性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制管路流量，可分別測(cè)試記錄不同流量下霧化噴嘴的噴射壓力、霧化形態(tài)、噴霧錐角以及霧滴尺寸數(shù)據(jù)。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)可分析霧化噴嘴的各個(gè)霧化特性隨流量的變化規(guī)律，同時(shí)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(huán)噴霧式反應(yīng)器中霧化噴嘴的選型提供依據(jù)。如表1所示分別為某種壓力旋流式噴嘴在流量為3.0時(shí)的噴霧形態(tài)和霧化特性測(cè)試數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

大型環(huán)路液體噴霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過對(duì)結(jié)構(gòu)和尺寸上的設(shè)計(jì)，最大程度的模擬了實(shí)際生產(chǎn)中外循環(huán)噴霧式反應(yīng)器的液體噴霧效果，為反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。同時(shí)，單噴嘴霧化性能測(cè)試系統(tǒng)能夠從流量特性、霧化形態(tài)、霧滴尺寸等方面，準(zhǔn)確的分析測(cè)試噴嘴的霧化性能，為噴霧式反應(yīng)器中霧化噴嘴的選型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李佳.半間歇乙氧基化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型與模擬研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[2] 韋永繼.乙氧基化工藝研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)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(yīng)器的模型及分析[J].石油與天燃?xì)饣ぃ?008，37（2）：97-99，118.

[4] 張海濱.外循環(huán)乙氧基化反應(yīng)裝置換熱系統(tǒng)模擬與優(yōu)化研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

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

[6] 李佳，安維中，張海濱，等.外循環(huán)噴霧式乙氧基化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型與模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2010，61（12）：3180-3185.