新型喷雾造粒喷嘴内闪蒸过程数值模拟*

蒋 涛 毛 羽 王江云 王永磊

(1. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所；2. 中国石油大学(北京) 重质油国家重点实验室)

新型喷雾造粒喷嘴内闪蒸过程数值模拟*

蒋 涛*1毛 羽2王江云2王永磊2

(1. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所；2. 中国石油大学(北京) 重质油国家重点实验室)

根据戊烷闪蒸相变中的传质传热规律，改进了戊烷闪蒸过程的经验模型，并将其植入到CFD软件Fluent中，较为准确地预测闪蒸雾化的非平衡热力学过程。对新型喷雾造粒喷嘴内气液戊烷和沥青的三相闪蒸流动过程进行了数值模拟，结果显示：介质在新型旋流喷嘴内呈现分层流动，能够控制戊烷闪蒸速率，可以制备质量较好的沥青颗粒。

喷雾造粒机 沥青造粒 喷嘴结构 超临界戊烷 闪蒸

在重油梯级分离工艺中，脱沥青油等优质组分分离后，还需要对剩余的沥青及胶质等残渣进行喷雾造粒，以便后续的处理和应用，实现对重质油资源的充分利用[1]。由于沥青和胶质在后续实际应用中的场合不同，对沥青及胶质等残渣颗粒的粒径有着不同的要求，为此设计了一种新型的喷雾造粒进料喷嘴，该喷嘴内设置了一个旋流构件，可以在喷嘴内产生不同强度的旋转流动，控制介质的扩散和与周围介质的剪切作用，从而可以控制喷嘴出口生成的沥青颗粒的粒径[2]。同时由于旋流作用使得溶剂在喷嘴内部的汽化率增大，并且在喷嘴内使汽化的溶剂与沥青相分离，减弱出口后溶剂的膨胀速率，从而获得致密程度较高的沥青颗粒。

1 计算模型及计算方法

1.1几何模型

图1所示为新型旋流喷雾造粒喷嘴几何模型。从图中1可以看出旋流造粒喷嘴由入口段、内置旋流构件和喷孔段3部分组成。其中最关键的部件就是内置旋流器，其整体形状为圆柱形，装在入口段和喷孔段之间。高温高压戊烷介质由入口段进入旋流器，首先在旋流器一端的分配腔内分成两股沿径向流动的流体，然后沿着轴向通道进入旋流器的两个切向入口形成旋转流动，最后由喷孔段喷入雾化室大空间，并与周围介质发生剪切作用，使介质雾化破碎成小液滴。

图1 喷嘴几何模型简图

采用Gambit对计算区域进行六面体结构化网格划分，考虑到喷嘴内各场量的分布梯度不同，各区域网格划分的疏密程度也有所不同，对壁面和喷嘴出口附近流场变化比较剧烈的区域进行了网格局部加密，网格总数为311 920个。图2所示为旋流喷雾造粒喷嘴几何模型的网格划分，由于网格中雾化室的空间较大且网格较多，因此只显示了喷嘴部分的网格示意图。

图2 旋流喷嘴的网格划分

1.2控制方程组

混合模型的基本控制方程组为[3]：

(1)

(2)

动量方程

▽T)+SE

(3)

能量方程

(4)

第二相的体积分数方程

(5)

1.3戊烷闪蒸相变模型

戊烷闪蒸相变过程认为是由于压力的降低导致流体饱和蒸汽压的变化引起的沸腾过程[4，5]，当液态戊烷的温度超过沸点温度时沸腾过程发生，液相向气相进行质量传递为：

(6)

气态戊烷能量方程的源项为：

(7)

1.4计算方法

喷嘴内的三相流为旋转流动，因此可以采用湍流RNGk-ε模型结合Mixture两相流模型模拟旋流喷雾造粒喷嘴内的流动特性。入口边界条件为压力入口：入口压力5MPa，入口温度453K，入口处沥青的体积分数为80%，液态戊烷的体积分数为20%。出口边界条件为压力出口：出口压力为大气压，出口温度300K。应用控制容积积分法离散控制方程组，各方程对流项的离散均采用精度较高的QUICK差分格式，通过SIMPLEC算法处理压力与速度的耦合。采用非稳态进行计算，时间步长取为0.001s，以保证其足够的计算精度。

2 计算结果及分析

2.1速度场分布

图3为旋流喷嘴内中心截面上速度分布云图。由图3可知：流体介质在喷嘴出口处速度最大，达144m/s(约0.42Ma)，从喷嘴喷出后汽化的戊烷溶剂被外层沥青包覆，在雾化室内形成一条狭长的喷射带。

图3 旋流喷嘴内速度场分布云图

图4为旋流喷嘴内中心截面上切向速度分布云图，可以看出切向速度场分布呈现明显的轴对称分布，且在喷嘴内流体流动分为两个旋转区域：一个在中心区域的准刚性涡流区，另一个在边壁区域的准自由涡流区。由旋流室进入直管段时，切向速度迅速增大，进入直管段后，切向速度逐渐减小。喷嘴内最大切向速度达62.3m/s，从而产生了较大的离心力场。

图4 旋流喷嘴内切向速度场分布云图

2.2温度场分布

图5为旋流喷嘴内中心截面上的温度分布云图。由图5可知，在喷嘴内温度几乎不变，保持在180℃左右，从喷嘴喷出后由于压力的降低戊烷溶剂大量汽化并吸收热量，所以由喷射核心区向外温度逐渐降低。同时在旋流作用下外层密度较大的沥青不发生相变(即不消耗汽化潜热)，所以更多能量用于戊烷闪蒸过程，在喷嘴出口形成一个狭长的高温喷射带。

图5 旋流喷嘴内温度场分布云图

2.3三相体积分数分布

图6为旋流喷嘴内中心截面上三相体积分数分布云图。由图6可知喷嘴内流体介质呈现明显的分层流动：最外层靠近边壁处为密度较大的沥青，中心为汽化的戊烷溶剂，未汽化的部分液态戊烷则夹在中间部分。在强旋流作用下边壁的沥青相体积分数达到90%，戊烷溶剂从沥青中被挤出，中间的液态戊烷体积分数最大仅有28%左右，中心部分汽化的戊烷体积分数达到95%以上。

图6 旋流喷嘴内三相体积分数分布云图

图7为旋流喷嘴内不同位置处三相体积分数沿径向的分布。图7a为不同位置处液相戊烷的体积分数沿径向呈现先增大后减小的分布，边壁处的液态戊烷体积分数为低于10%，沿着流动方向喷嘴内的液态戊烷体积分数逐渐减小。图7b为不同位置处气态戊烷的体积分数分布，由图7b可知：气态戊烷集中分布在喷嘴中心部分，边壁部分气态戊烷含量极少；沿着流动方向气态戊烷体积分数逐渐增加。图7c为不同位置处沥青的体积分数分布，由图7c可知：沥青主要分布在外层边壁处，中心沥青相分布很少；沿着流动方向喷嘴中心部分沥青相逐渐减小，而边壁处沥青相逐渐增多。由图7可知在强旋流的作用下喷嘴内的介质呈现分层的流动，汽化的戊烷集中分布在喷嘴中心部分，而边壁处主要为沥青相，沥青相中的戊烷在旋流作用下被挤压出来，由于沥青相中的戊烷体积分数很小，这会减弱介质从喷嘴喷射出后的戊烷汽化膨胀强度，有利于形成质地密实的沥青颗粒。

图7 旋流喷嘴内不同位置处三相体积分数分布

3 结论

3.1根据减压相变的质量和热量传递原理，建立了戊烷闪蒸相变的经验模型，模拟结果显示，在旋流作用下喷嘴内三相呈分层流动，与实验结果基本吻合。

3.2模拟结果表明在喷嘴出口处汽化的戊烷集中在中心区域，而沥青中的戊烷溶剂含量较少，由喷嘴喷出后气相溶剂体积剧烈膨胀带来的膨化作用被减弱，从而可以制备质地较为密实的固体沥青颗粒。

[1] 徐春明，赵锁奇，卢春喜，等.重质油梯级分离新工艺的工程基础研究[J].化工学报，2010，61(9)：2393～2400.

[2] 孙显锋，孙学文，许志明，等.PGSS法用于脱油沥青颗粒的制备[J].高校化学工程学报，2010，24(2)：290～295.

[3] Johnson G，Massoudi M，Rajagopal K R.Flow of a Fluid-Solid Mixture between Flat Plates[J].Chemical Engineer Science，1991，46(7)：1713～1723.

[4] Neroorkar K，Schmidt D.Model of Vapor-Liquid Equilibrium of Gasoline-ethanol Blended Fuels for Flash Boiling Simulations[J].Fuel，2011，90(2)：655～673.

[5] Sher E，Bar Kohany T，Rashkovan A.Flash-boiling Atomization[J].Progress in Energy and Combusition Science，2008，34(4)：417～439.

[6] 聂永广，毛羽，王江云，等.高压射流中戊烷闪蒸过程数值模拟[J].石油学报，2012，28(5)：814～821.

NumericalSimulationofFlashEvaporationinNewSprayGranulationNozzle

JIANG Tao1, MAO Yu2, WANG Jiang-yun2, WANG Yong-lei2

(1.CSICShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai201108,China；2.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

According to the mechanism of mass and heat transfer in the pentane’s flash phase transition, an experienced model for pentane’s flash process was developed and implanted into Fluent to accurately predict the flash evaporation’s non-equilibrium thermodynamic process. Simulating the three-phase flash evaporation flow of the mixture pentane and asphalt shows that the fluid forms in the nozzle resemble an obvious stratified flow and the pentane evaporating rate can be controlled to benefit the production of high quality asphalt particles.

spray granulator, asphalt granulation, nozzle structure, supercritical pentane, flash evaporation

*国家重点基础研究发展规划“973”资助项目(2010CB226902)和国家自然科学基金资助项目(21106181)。

**蒋 涛，男，1989年10月生，助理工程师。上海市，201108。

TQ051.9+3

A

0254-6094(2015)01-0064-04

2014-04-14)

(Continued from Page 27)

AbstractThrough laboratory test, the factors influencing the separating effect of the gravity oil-water separator were analyzed to obtain conditions for efficient oil-water separation. The experimental results show that the inlet velocity of oil-water mixture, size of oil droplets and the coalescence components are main factors influencing the oil water separation. The oil-water separation efficiency can become decline with the increase of the inlet velocity and the decrease of the oil droplet size. The coalescence component employed can effectively improve the efficiency of oil-water separator, including both parallel snake plate and parallel-corrugated plate which can benefit achieving a better separation effect at 0.5m/s inlet velocity,oil content at water outlet less than 0.5%,oil content at oil outlet near to 50% and 200r/min stirring speed.

Keywordsgravity separator, separating effect, inlet velocity, stirring speed, coalescence component