噴霧式反應(yīng)器噴嘴性能測試實驗平臺及軟件開發(fā)

王學(xué)生， 石仲璟， 陳琴珠

(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

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噴霧式反應(yīng)器噴嘴性能測試實驗平臺及軟件開發(fā)

王學(xué)生， 石仲璟， 陳琴珠

(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

建立了噴嘴的霧化性能測試實驗平臺，測試了不同結(jié)構(gòu)尺寸噴嘴的流量特性、霧化錐角、體積平均粒徑和索特爾平均粒徑的變化情況，從而得到最優(yōu)化的噴嘴結(jié)構(gòu)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，編寫了噴嘴的選型軟件，使用該軟件選型噴嘴效率高，性能參數(shù)符合噴霧反應(yīng)裝置的要求。該實驗平臺及軟件的開發(fā)為學(xué)生開展創(chuàng)新活動提供了最先進的基礎(chǔ)設(shè)施，能開拓學(xué)生國內(nèi)外先進化工設(shè)備的理念，又能為該反應(yīng)裝置的研究提供重要的線索和手段。

霧化噴嘴； 選型軟件； 測試平臺

0 引 言

噴霧式反應(yīng)器是化工過程裝備中較為常用的先進氣液接觸反應(yīng)設(shè)備[1-2]，其主要工作過程為液相物料通過反應(yīng)器內(nèi)均勻排列的霧化噴嘴，霧化成微米級別的細小霧滴并分散到氣相環(huán)境中，從而達到加快反應(yīng)速率的目的[3]。因此，選擇噴嘴類型和優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)在設(shè)計噴霧式反應(yīng)裝置中顯得極為重要，但在眾多類型[4-5]中選擇適合噴霧反應(yīng)裝置的噴嘴難度較大，該噴嘴性能參數(shù)需要符合低壓、大流量、霧滴粒度小且分布均勻等特性[6]，而應(yīng)用計算機軟件選擇噴嘴類型國內(nèi)尚屬少見。

為了深入開展該設(shè)備設(shè)計研究和工藝軟件開發(fā)，在建立了一套大型環(huán)路液體噴霧反應(yīng)裝置實驗設(shè)備及噴嘴性能測試平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套噴嘴選型軟件，該軟件開發(fā)即為學(xué)生開展創(chuàng)新活動提供了先進的基礎(chǔ)設(shè)施，使學(xué)生了解和掌握先進設(shè)備的原理、理論探索、實驗研究及軟件操作方法，開拓學(xué)生國內(nèi)外先進化工設(shè)備的理念，又能為該反應(yīng)裝置的研究提供重要的線索和手段。

1 噴嘴反應(yīng)實驗裝置

為了針對真實反映工業(yè)化噴霧反應(yīng)裝置，建立了一套大型環(huán)路噴射反應(yīng)裝置，能最大程度地模擬環(huán)路噴射效果[7-8]，如圖1所示。實驗流程如下：水箱內(nèi)的水在循環(huán)泵的作用下，沿管路流向噴霧式反應(yīng)器，再由總管分別流向主物料分配管和各副物料分配管，經(jīng)噴嘴霧化，充滿反應(yīng)器，使之不存在死角，沉降的水再回到水箱中，形成循環(huán)回路。

圖1 環(huán)路液體噴射實驗裝置

上述環(huán)路噴霧模擬實驗裝置雖然能夠反映反應(yīng)器內(nèi)部的霧化效果，但是難以對單個霧化噴嘴的霧化特性進行測定。因此，為了測試各種噴嘴實際的性能參數(shù)，優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計了噴嘴霧化性能測試實驗平臺,如圖2所示。

圖2 噴嘴性能測試實驗平臺

該實驗方案由噴霧水池、循環(huán)泵、流量計、噴嘴、激光粒度分析儀等構(gòu)成。其實驗流程如下：水池內(nèi)的水在循環(huán)泵的作用下，沿管路流向水箱上方的管路出口，在管路出口處安裝霧化噴嘴，使得水經(jīng)過噴嘴形成噴霧，噴射出的水在重力作用下回落到水箱內(nèi)，形成循環(huán)回路，在移動水箱兩邊開設(shè)了兩個測試孔，利用高速相機和激光粒度分析儀對噴嘴的霧化性能參數(shù)進行測試。實驗以水和空氣為工質(zhì)，進行冷態(tài)實驗。

2 噴嘴性能測試實驗

(1) 霧化性能測試。噴嘴實驗是通過循環(huán)管路上轉(zhuǎn)子流量計和壓力表讀出噴嘴的流量和噴射壓差，形成噴霧后，利用高速相機對霧化狀況進行拍照，可清晰地捕捉其霧化形態(tài)，并對拍攝的圖片進行測量，得到噴射的霧化錐角。

(2) 霧滴尺寸測定。霧滴尺寸是判定噴嘴性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此必須能夠準(zhǔn)確地測定霧滴的分布狀況[9]。本實驗采用微納公司較先進的分體式激光粒度分析儀測試霧滴粒徑，其工作過程為：由激光發(fā)射器發(fā)射的激光穿過霧化區(qū)域后，被另一端的接收器接收并折射到光譜分析板上，再由計算機中相應(yīng)的軟件處理得到霧滴的粒徑分布。

為了利用激光粒度分析儀準(zhǔn)確的測試霧滴尺寸數(shù)據(jù)，必須在每次進行實驗前，精確地調(diào)節(jié)分析儀的光路。在調(diào)節(jié)光路時，須把激光粒度分析儀激光發(fā)射單元與激光接收單元安裝在同一水平面上，除計算機外與其他電子設(shè)備盡量保持1 m以上距離。調(diào)節(jié)光路使得從發(fā)射器發(fā)出的激光被接收器接收后，能夠通過接收器內(nèi)部的反射光路穿過光譜板的中心孔[10-12]。

(3) 實驗方案。實驗中采用流量控制法針對幾種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴進行實驗。各噴嘴進行實驗時，工作流量從2.0 m3/h逐步變化到最大流量，分別對各種流量下的工作壓力、霧化錐角、霧滴粒徑等霧化性能進行測試。

(4) 噴霧反應(yīng)裝置噴射效果。對反應(yīng)器筒體處幾十個噴嘴進行實驗時，循環(huán)回路流量為51.2 m3/h，管路壓力讀數(shù)為0.44 MPa，噴射狀況如圖3所示。

圖3 噴霧反應(yīng)裝置噴射效果

3 噴嘴選型軟件

通過對環(huán)路噴射系統(tǒng)和霧化噴嘴的實驗，分別對幾種不同結(jié)構(gòu)類型的霧化噴嘴進行了性能測試。為了將實驗結(jié)果最大程度地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實際，并指導(dǎo)本科生進行創(chuàng)新實驗研究，將幾種在不同流量下的霧化特性數(shù)據(jù)進行歸納分析，并利用VB軟件編制成簡易的噴嘴選型軟件。

3.1 選型軟件制作方法

利用霧化噴嘴性能測試實驗裝置，得到4種噴嘴在2.0～3.2 m3/h的流量特性、霧化錐角和霧滴尺寸等霧化特性實驗數(shù)據(jù)，見圖4～7。為了最大程度地將實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)實際,針對不同特性的霧化噴嘴選型，實驗中根據(jù)每種噴嘴在不同流量下的霧化特性進行理論分析，歸納擬合出適用于此類噴嘴的理論計算公式。

圖4 各噴嘴流量-壓力曲線

圖5 霧化錐角隨流量變化曲線

圖6 體積平均直徑Dav隨流量的變化規(guī)律

圖7 索特爾平均直徑D32隨流量的變化規(guī)律

液態(tài)工質(zhì)霧化的過程是比較復(fù)雜的氣液兩相流問題，霧化現(xiàn)象無處不在，人們?yōu)榱烁倪M和完善霧化技術(shù)，從上世紀(jì)開展了對液體霧化技術(shù)的機理研究。由于噴嘴的結(jié)構(gòu)及霧化方式的多樣性，直到目前仍然沒有一種統(tǒng)一的學(xué)說能夠完全解釋液體的霧化機理。形成噴霧的形式和途徑有很多種，但無論何種方式，以下幾個要素基本上適用于所有的霧化過程[13]:①液體或液膜噴射表面波的發(fā)展和外部氣體環(huán)境的擾動作用，使得液體噴出后依次破裂成片、線、大顆粒液滴，直至最終的小顆粒液滴。②噴嘴的幾何形狀、噴嘴內(nèi)部的流動特性。③噴嘴入口壓力與環(huán)境氣體背壓的壓差Δp。④噴射液體本身外部環(huán)境氣體的物理特性，如密度、黏度、表面張力等。

以上這幾種因素對確定噴霧的形態(tài)、霧化錐角、液滴尺寸和速度分布都至關(guān)重要，它們并非獨立存在，而是相互影響、相輔相成，最終決定了液相的霧化效果。因此，噴嘴的霧化特性與液相的物理特性、噴射壓差、噴嘴孔徑等因素具有直接的關(guān)聯(lián)性，而這些影響因素可歸納為雷諾數(shù)Re和韋伯?dāng)?shù)We[14-15]。

利用無量綱化因式，分別將霧化錐角和霧滴平均直徑看作與雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)有關(guān)的無量綱方程，其形式分別如下：

霧滴平均直徑Dav

Dav/D0=C1Wea1Reb1

(1)

霧化錐角α

α=C2Wea2Reb2

(2)

流量特性方程

(3)

式中，C1、C2、a1、b1、a2、b2均為常系數(shù)；C0為流量系數(shù)。分別將各噴嘴的實驗數(shù)據(jù)代入上述公式中，利用Origin軟件進行擬合，得到4種霧化噴嘴的霧化特性參數(shù)理論計算公式，見表1。為了便于計算，用VB程序?qū)⒁陨瞎竭M行匯編，并形成可視化窗口。

3.2 編制程序示意圖

圖8所示為編制程序的框圖，在設(shè)置好相應(yīng)的噴嘴類型(目前僅限于螺旋四槽噴嘴、六槽噴嘴、離心壓力噴嘴和實心廣角噴嘴)和液相的物性參數(shù)(一般為水)，輸入所需求的流量和噴嘴孔直徑，即可自動計算相應(yīng)的平均粒徑、噴霧錐角和噴射壓力值，在一定程度上完成選型。

3.3 軟件操作方法

根據(jù)上述所需要的程序功能，利用VB軟件進行可視化匯編，得到簡易的噴嘴霧化性能選型軟件。打開程序，首先彈出如圖9所示的提示框，在進行計算時，需先進行噴嘴類型選擇，再更改物性參數(shù)。

點擊上述提示框中的“確定”按鈕，即可打開軟件主程序界面，如圖10所示。軟件中的數(shù)據(jù)窗口包括物性參數(shù)、流動參數(shù)、幾何參數(shù)和計算參數(shù)，其中物性參數(shù)主要指氣液兩相的物理特性(密度、黏度、表面張力等)；幾何參數(shù)窗口主要是在噴嘴類型復(fù)選框中進行噴嘴選擇，并自定義噴嘴的孔徑；流動參數(shù)窗口用于輸入所要計算的流量值，并計算出相應(yīng)所需的噴射壓差；計算參數(shù)窗口用于顯示軟件計算所得的霧化性能參數(shù)。

表1 各噴嘴霧化特性參數(shù)計算公式

圖8 程序框圖

圖9 軟件提示對話框

圖10 主程序界面

進行計算時，必須選擇相應(yīng)的噴嘴類型，并設(shè)定所求的流量值和噴嘴孔徑，否則會彈出相應(yīng)的提示框，如圖11所示。

圖11 錯誤提示框

軟件應(yīng)用舉例：假定選擇噴嘴類型為螺旋六槽噴嘴，噴射流量為4.0 m3/h，噴嘴孔徑為8 mm，點擊“計算”按鈕，得到如圖12所示的計算結(jié)果?？伤愕渺F化錐角為126°，索特爾平均粒徑為227 μm，具有較好的霧化特性。

圖12 軟件計算應(yīng)用舉例

4 結(jié) 語

(1) 在環(huán)路噴射實驗中，通過對反應(yīng)器3個位置的霧化狀況進行觀測，發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)各部位的噴射狀況較好，霧滴分布均勻，覆蓋范圍大，能夠充滿整個反應(yīng)器，無死角產(chǎn)生。證明噴嘴類型選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化達到工業(yè)化噴霧反應(yīng)裝置要求，同時證明該軟件的編制精確度較高。

(2) 通過霧化噴嘴性能測試實驗和利用VB軟件編制成的噴嘴選型軟件，對選擇噴嘴類型和優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)在過程裝備反應(yīng)裝置中顯得極為重要。學(xué)生能利用計算機軟件選擇噴嘴類型,并對化工過程裝備進一步研究。

(3) 該軟件開發(fā)為學(xué)生開展創(chuàng)新活動提供了先進的基礎(chǔ)設(shè)施，使學(xué)生了解和掌握先進設(shè)備的原理、理論探索、實驗研究及軟件操作方法，開拓學(xué)生國內(nèi)外先進化工設(shè)備的理念，也是高校過程裝備實驗室建設(shè)的一大成果。

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Experimental Platform and Software Development of the Nozzles in Spray Reactors

WANGXue-sheng,SHIZhong-jing,CHENQin-zhu

(School of Mechanical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In spray reactor, the selection and structure optimization of nozzles are very important. However, the application of computer software for the selection of the nozzles is still rare. The relationship between the performance parameters are found and the structure of the nozzle is optimized by the experimental platform which is developed by the authors. According to the experimental data, the nozzle selection software is programmed. It is efficient for the software to select nozzles, which are to meet the requirement of spray reactors. The experimental platform and software developed provide the most advanced infrastructure for students to carry out innovation activities. They can not only pioneer students the concept of advanced chemical equipment, but also provide important clues and methods for the study of the reaction device.

spray nozzles; type selection software; test platform

2015-07-06

王學(xué)生(1965-)，男，山東濰坊人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事過程裝備熱質(zhì)傳遞強化與高效設(shè)備。

Tel.：021-64251768；E-mail：wangxs@ecust.edu.cn

TQ 051.1

A

1006-7167(2016)04-0063-04