低壓大流量氣液兩相混合器霧化性能實驗

劉子龍,陳琴珠,王學生,張 朝

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引 言

草酸二甲酯加氫霧化混合制取乙二醇是目前煤制乙二醇重點研究的方向[1-2]，該工藝氣液兩相混合的關鍵點在于霧化噴嘴的選型以及混合器內噴嘴的布置方式。國內外學者[3-6]對噴嘴霧化性能做了大量研究，研制了各種類型的噴嘴，然而由于噴嘴霧化性能的限制，僅靠噴嘴實現的液體霧化平均粒徑并不能滿足工藝要求。為進一步破碎霧化后的液滴，減小平均粒徑，實際生產中常采用氣體沖擊二次破碎技術，文獻[7-12]中對二次破碎進行了大量模擬研究；文獻[13-14]中通過實驗研究了噴嘴布置方式。本文在這些研究的基礎上設計了一種低壓大流量、平均粒徑為250 μm的噴嘴，并通過CFD數值模擬，獲得了噴嘴液相與高速氣相對噴的最佳角度，實現氣液兩相對噴粒徑二次破碎，使氣液兩相混合霧化平均粒徑達到150 μm，為草酸二甲酯加氫霧化混合器的設計提供可靠依據。

1 噴嘴霧化性能實驗

1.1 實驗流程及實驗裝置

通過對噴嘴結構的理論分析，研制出4種類型的低壓大流量噴嘴，如圖1所示。為研究不同旋芯噴嘴對霧化性能的影響，搭建了一套測試噴嘴霧化性能的實驗平臺，實驗流程如圖2所示。在循環泵的作用下，水箱內的水沿管路流向噴嘴，并噴射出微粒徑的霧化液滴，激光粒度分析儀通過水箱兩邊開設的兩個觀測孔測試噴嘴的霧化性能參數。

(a)實心X型噴嘴

(b)離心壓力噴嘴

(c)螺旋四槽噴嘴

(d)螺旋六槽噴嘴

1-數據處理系統,2-流量計,3-激光粒度分析儀,4-噴嘴,5-離心泵,6-調節閥

圖2 噴嘴霧化性能測試流程

為便于觀察噴嘴霧化情況，噴霧箱材料選用透明玻璃；使用型號為Winner318C的激光粒度分析儀測量霧化粒徑，霧滴測試范圍為4.6～2 000 μm，實驗平臺如圖3所示。利用該平臺可在無接觸無干擾噴霧原場的情況下，準確地測得噴嘴霧化液滴的索特爾平均粒徑和粒度分布。

圖3 噴嘴霧化實驗測試平臺

1.2 實驗結果分析

4種旋芯的噴嘴在最大流量下的噴霧場通過高速攝像儀拍攝，如圖4所示。不同旋芯噴嘴的噴霧錐角通過ImageJ軟件進行測量。

(a)實心X型噴嘴

(b)離心壓力噴嘴

(c)螺旋四槽噴嘴

測量結果表明,2種螺旋槽式噴嘴的霧化錐角范圍為83°～105°，離心壓力噴嘴的霧化錐角范圍很窄為80°～85°，實心X型噴嘴的有較大的噴霧錐角和較大的噴霧范圍，錐角可達125°左右。對4種旋芯噴嘴在最大流量下的霧滴尺寸均進行測量并求取平均值，歸納如下：離心壓力噴嘴平均粒徑294.699 μm,螺旋四槽噴嘴平均粒徑266.103 μm，螺旋六槽噴嘴平均粒徑248.682 μm，實心X型噴嘴平均粒徑287.496 μm。

在最大流量下4種旋芯噴嘴平均霧化粒徑各不相同，與螺旋四槽噴嘴、實心X型噴嘴和離心壓力噴嘴相比，螺旋六槽噴嘴的索特爾平均粒徑最小，為248.682 μm。為滿足工藝條件氣液兩相混合霧化粒徑小于200 μm，根據二次破碎原理，調整噴嘴液相與高速氣相對噴的角度，從而將粒徑從250 μm減小至200 μm以下。

2 混合器霧化實驗

2.1 實驗流程及裝置

為了研究噴嘴液相與高速氣相對噴角度對霧化混合效果的影響，搭建了一套霧化混合測試平臺。霧化混合器實驗設備如圖5所示，混合器內徑1.2 m，有效長度2.4 m，外壁使用機玻璃制作以達到可視化的目的，圓孔便于使用粒度分析儀測量霧化粒徑；分析噴嘴霧化實驗結果得出，與螺旋四槽噴嘴、實心X型噴嘴和離心壓力噴嘴相比，螺旋六槽噴嘴的索特爾平均粒徑在同一流量下最小，因此本次實驗沿混合器周向均布4個螺旋六槽噴嘴。

圖5 霧化混合器實驗裝置

2.2 數據測量及統計

利用激光分析儀共采集了40組數據，利用軟件中的分析功能將所記錄的多組數據取平均值，得到某一噴嘴轉角下混合器內的平均霧滴尺寸及分布。表1所示為4種噴嘴轉角的平均霧滴尺寸分布表。

表1 4種噴嘴轉角的平均霧滴尺寸分布

3 混合器霧化CFD模擬

3.1 混合器模型CFD前處理

草酸二甲酯加氫混合器內部流道模型的建模通過ANSYS中的geometry完成，流道模型的網格劃分在ANSYS工作平臺的MESH中完成，對于面積突變及模型轉角處采用局部網格加密，網格劃分結果如圖6所示。網格節點數2 502 214個，網格總數共608 450個，經網格無關性檢驗得出該網格劃分結果符合計算要求。

圖6 霧化混合器網格劃分

3.2 混合器霧化CFD模擬

草酸二甲酯加氫混合噴射霧化的流動過程，是滿足質量守恒、動量守恒及能量守恒的。對于流體處于穩態，即密度不隨時間而變化，質量守恒方程可以表示為：

(1)

對于不可壓縮牛頓流體，黏性力與流體的變形率成正比，動量守恒方程可表示為式：

(2)

(3)

(4)

在噴射霧化的流動過程中，以溫度為變量的能量守恒方程表示為：

(5)

模型設置速度為進口邊界條件，壓力為出口邊界條件，其余部分為無滑移邊界條件；4個噴嘴沿混合器周向均布，噴嘴轉角設置如圖7所示，噴霧錐角設置為90°；湍流模型為RNGk-ε模型[15]，碰撞破碎模型選擇TAB模型，求解方法采用SIMPLE算法，離散方法均選擇二階迎風算法，這樣可避免一階迎風在Pe數較大時的假擴散問題。完成上述設置后，進行流場始化，設置計算步長，開始計算求解。

(a)噴嘴布置方式

(b)噴嘴轉角示意圖

本文通過ASPEN的物性數據庫查得模擬物質的物性參數，其中軸向噴入混合器內的混合氣體組分N23.615 mol%,H295.548 mol%,CH4O 0.817 mol%,C2H6O 0.011 mol%,H2O 0.008 mol%，操作溫度為155 ℃，操作壓力為3.06 MPa，噴嘴徑向噴射的液體介質為100%的草酸二甲酯，操作溫度為135 ℃，操作壓力為3.39 MPa，見表2。

表2 模擬物性參數

4 結果分析與討論

圖8所示噴霧錐角90°時，草酸二甲酯加氫混合器內霧滴平均粒徑隨噴嘴轉角變化的模擬與實驗結果之間的比較。由實驗結果可知，轉角0°時霧化粒徑為183 μm左右，當噴嘴轉角變為30°粒徑減小到了128 μm左右；從模擬結果同樣可以得出隨噴嘴轉角的增大，平均粒徑隨之減小，與實驗結論相符，證明了模擬結果的正確可靠性。從模擬與實驗的比較來看，實驗得出的平均粒徑曲線要高于模擬值，實驗過程中液流會有所波動，影響了草酸二甲酯的霧化效果，導致實驗測量值大于模擬值。

圖8 噴嘴轉角-霧化粒徑關系模擬與實驗結果比較

通過CFD模擬得出不同噴嘴轉角，霧化混合器內部粒徑分布情況如圖9所示。

(a)轉角0°

(b)轉角10°

(c)轉角20°

(d)轉角30°

由圖9可以看出，在噴嘴霧化噴出草酸二甲酯，并被混合器一側氣體帶出容器過程，噴嘴轉角20°和30°有明顯較大粒徑的顆粒，主要分布在紅圈范圍內，隨著噴嘴轉角的增大，該范圍的大粒徑顆粒分布也越多；從圖9(c)及(d)可以看出，在藍圈中產生了粒徑更小的霧化液滴，并沿混合器軸線方向被混合器一側氣體帶出容器，該情況在圖(d)噴嘴轉角30°的工況時尤為明顯，而在噴嘴轉角0°、10°的工況并未出現此種情況。這是因為粒徑較大的液滴由于不能被氣流及時帶走，在噴嘴處會被高速噴出的霧化液滴及自左向右的氣體撞擊，發生二次破碎形成更小的顆粒并被左側的氣流帶出容器。

5 結 論

本文設計并搭建了一套完善的霧化混合測試平臺，實驗測量了4種不同旋流芯噴嘴的霧化情況，以及草酸二甲酯加氫霧化混合粒徑的大小及分布，并進行了霧化混合過程模擬，得出結論如下：

(1)噴嘴霧化實驗結果表明，與螺旋四槽噴嘴、實心X型噴嘴和離心壓力噴嘴相比，螺旋六槽噴嘴在獲得微小霧化粒徑方面有較大優勢。

(2)螺旋六槽噴嘴的索特爾平均粒徑約250 μm，通過霧化混合實驗以及模擬表明，改變霧化混合器內噴嘴轉角可使霧化平均粒徑最低達到127 μm，滿足草酸二甲酯加氫混合制取乙二醇工藝要求。

(3)實驗測得混合器內霧滴平均粒徑隨噴嘴轉角的增大而減小，且實驗測量結果與模擬結果相吻合，驗證了模擬的可靠性，并為之后的研究提供參考。

(4)模擬結果表明，噴嘴轉角為30°時，出現了明顯的二次破碎現象，該工況下霧化混合粒徑要小于其他情況，這可能是由于噴嘴轉角為30°時液滴與混合氣體的相對速度較大引起的。