低压大流量气液两相混合器雾化性能实验

刘子龙,陈琴珠,王学生,张 朝

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)

0 引 言

草酸二甲酯加氢雾化混合制取乙二醇是目前煤制乙二醇重点研究的方向[1-2]，该工艺气液两相混合的关键点在于雾化喷嘴的选型以及混合器内喷嘴的布置方式。国内外学者[3-6]对喷嘴雾化性能做了大量研究，研制了各种类型的喷嘴，然而由于喷嘴雾化性能的限制，仅靠喷嘴实现的液体雾化平均粒径并不能满足工艺要求。为进一步破碎雾化后的液滴，减小平均粒径，实际生产中常采用气体冲击二次破碎技术，文献[7-12]中对二次破碎进行了大量模拟研究；文献[13-14]中通过实验研究了喷嘴布置方式。本文在这些研究的基础上设计了一种低压大流量、平均粒径为250 μm的喷嘴，并通过CFD数值模拟，获得了喷嘴液相与高速气相对喷的最佳角度，实现气液两相对喷粒径二次破碎，使气液两相混合雾化平均粒径达到150 μm，为草酸二甲酯加氢雾化混合器的设计提供可靠依据。

1 喷嘴雾化性能实验

1.1 实验流程及实验装置

通过对喷嘴结构的理论分析，研制出4种类型的低压大流量喷嘴，如图1所示。为研究不同旋芯喷嘴对雾化性能的影响，搭建了一套测试喷嘴雾化性能的实验平台，实验流程如图2所示。在循环泵的作用下，水箱内的水沿管路流向喷嘴，并喷射出微粒径的雾化液滴，激光粒度分析仪通过水箱两边开设的两个观测孔测试喷嘴的雾化性能参数。

(a)实心X型喷嘴

(b)离心压力喷嘴

(c)螺旋四槽喷嘴

(d)螺旋六槽喷嘴

1-数据处理系统,2-流量计,3-激光粒度分析仪,4-喷嘴,5-离心泵,6-调节阀

图2 喷嘴雾化性能测试流程

为便于观察喷嘴雾化情况，喷雾箱材料选用透明玻璃；使用型号为Winner318C的激光粒度分析仪测量雾化粒径，雾滴测试范围为4.6～2 000 μm，实验平台如图3所示。利用该平台可在无接触无干扰喷雾原场的情况下，准确地测得喷嘴雾化液滴的索特尔平均粒径和粒度分布。

图3 喷嘴雾化实验测试平台

1.2 实验结果分析

4种旋芯的喷嘴在最大流量下的喷雾场通过高速摄像仪拍摄，如图4所示。不同旋芯喷嘴的喷雾锥角通过ImageJ软件进行测量。

(a)实心X型喷嘴

(b)离心压力喷嘴

(c)螺旋四槽喷嘴

测量结果表明,2种螺旋槽式喷嘴的雾化锥角范围为83°～105°，离心压力喷嘴的雾化锥角范围很窄为80°～85°，实心X型喷嘴的有较大的喷雾锥角和较大的喷雾范围，锥角可达125°左右。对4种旋芯喷嘴在最大流量下的雾滴尺寸均进行测量并求取平均值，归纳如下：离心压力喷嘴平均粒径294.699 μm,螺旋四槽喷嘴平均粒径266.103 μm，螺旋六槽喷嘴平均粒径248.682 μm，实心X型喷嘴平均粒径287.496 μm。

在最大流量下4种旋芯喷嘴平均雾化粒径各不相同，与螺旋四槽喷嘴、实心X型喷嘴和离心压力喷嘴相比，螺旋六槽喷嘴的索特尔平均粒径最小，为248.682 μm。为满足工艺条件气液两相混合雾化粒径小于200 μm，根据二次破碎原理，调整喷嘴液相与高速气相对喷的角度，从而将粒径从250 μm减小至200 μm以下。

2 混合器雾化实验

2.1 实验流程及装置

为了研究喷嘴液相与高速气相对喷角度对雾化混合效果的影响，搭建了一套雾化混合测试平台。雾化混合器实验设备如图5所示，混合器内径1.2 m，有效长度2.4 m，外壁使用机玻璃制作以达到可视化的目的，圆孔便于使用粒度分析仪测量雾化粒径；分析喷嘴雾化实验结果得出，与螺旋四槽喷嘴、实心X型喷嘴和离心压力喷嘴相比，螺旋六槽喷嘴的索特尔平均粒径在同一流量下最小，因此本次实验沿混合器周向均布4个螺旋六槽喷嘴。

图5 雾化混合器实验装置

2.2 数据测量及统计

利用激光分析仪共采集了40组数据，利用软件中的分析功能将所记录的多组数据取平均值，得到某一喷嘴转角下混合器内的平均雾滴尺寸及分布。表1所示为4种喷嘴转角的平均雾滴尺寸分布表。

表1 4种喷嘴转角的平均雾滴尺寸分布

3 混合器雾化CFD模拟

3.1 混合器模型CFD前处理

草酸二甲酯加氢混合器内部流道模型的建模通过ANSYS中的geometry完成，流道模型的网格划分在ANSYS工作平台的MESH中完成，对于面积突变及模型转角处采用局部网格加密，网格划分结果如图6所示。网格节点数2 502 214个，网格总数共608 450个，经网格无关性检验得出该网格划分结果符合计算要求。

图6 雾化混合器网格划分

3.2 混合器雾化CFD模拟

草酸二甲酯加氢混合喷射雾化的流动过程，是满足质量守恒、动量守恒及能量守恒的。对于流体处于稳态，即密度不随时间而变化，质量守恒方程可以表示为：

(1)

对于不可压缩牛顿流体，黏性力与流体的变形率成正比，动量守恒方程可表示为式：

(2)

(3)

(4)

在喷射雾化的流动过程中，以温度为变量的能量守恒方程表示为：

(5)

模型设置速度为进口边界条件，压力为出口边界条件，其余部分为无滑移边界条件；4个喷嘴沿混合器周向均布，喷嘴转角设置如图7所示，喷雾锥角设置为90°；湍流模型为RNGk-ε模型[15]，碰撞破碎模型选择TAB模型，求解方法采用SIMPLE算法，离散方法均选择二阶迎风算法，这样可避免一阶迎风在Pe数较大时的假扩散问题。完成上述设置后，进行流场始化，设置计算步长，开始计算求解。

(a)喷嘴布置方式

(b)喷嘴转角示意图

本文通过ASPEN的物性数据库查得模拟物质的物性参数，其中轴向喷入混合器内的混合气体组分N23.615 mol%,H295.548 mol%,CH4O 0.817 mol%,C2H6O 0.011 mol%,H2O 0.008 mol%，操作温度为155 ℃，操作压力为3.06 MPa，喷嘴径向喷射的液体介质为100%的草酸二甲酯，操作温度为135 ℃，操作压力为3.39 MPa，见表2。

表2 模拟物性参数

4 结果分析与讨论

图8所示喷雾锥角90°时，草酸二甲酯加氢混合器内雾滴平均粒径随喷嘴转角变化的模拟与实验结果之间的比较。由实验结果可知，转角0°时雾化粒径为183 μm左右，当喷嘴转角变为30°粒径减小到了128 μm左右；从模拟结果同样可以得出随喷嘴转角的增大，平均粒径随之减小，与实验结论相符，证明了模拟结果的正确可靠性。从模拟与实验的比较来看，实验得出的平均粒径曲线要高于模拟值，实验过程中液流会有所波动，影响了草酸二甲酯的雾化效果，导致实验测量值大于模拟值。

图8 喷嘴转角-雾化粒径关系模拟与实验结果比较

通过CFD模拟得出不同喷嘴转角，雾化混合器内部粒径分布情况如图9所示。

(a)转角0°

(b)转角10°

(c)转角20°

(d)转角30°

由图9可以看出，在喷嘴雾化喷出草酸二甲酯，并被混合器一侧气体带出容器过程，喷嘴转角20°和30°有明显较大粒径的颗粒，主要分布在红圈范围内，随着喷嘴转角的增大，该范围的大粒径颗粒分布也越多；从图9(c)及(d)可以看出，在蓝圈中产生了粒径更小的雾化液滴，并沿混合器轴线方向被混合器一侧气体带出容器，该情况在图(d)喷嘴转角30°的工况时尤为明显，而在喷嘴转角0°、10°的工况并未出现此种情况。这是因为粒径较大的液滴由于不能被气流及时带走，在喷嘴处会被高速喷出的雾化液滴及自左向右的气体撞击，发生二次破碎形成更小的颗粒并被左侧的气流带出容器。

5 结 论

本文设计并搭建了一套完善的雾化混合测试平台，实验测量了4种不同旋流芯喷嘴的雾化情况，以及草酸二甲酯加氢雾化混合粒径的大小及分布，并进行了雾化混合过程模拟，得出结论如下：

(1)喷嘴雾化实验结果表明，与螺旋四槽喷嘴、实心X型喷嘴和离心压力喷嘴相比，螺旋六槽喷嘴在获得微小雾化粒径方面有较大优势。

(2)螺旋六槽喷嘴的索特尔平均粒径约250 μm，通过雾化混合实验以及模拟表明，改变雾化混合器内喷嘴转角可使雾化平均粒径最低达到127 μm，满足草酸二甲酯加氢混合制取乙二醇工艺要求。

(3)实验测得混合器内雾滴平均粒径随喷嘴转角的增大而减小，且实验测量结果与模拟结果相吻合，验证了模拟的可靠性，并为之后的研究提供参考。

(4)模拟结果表明，喷嘴转角为30°时，出现了明显的二次破碎现象，该工况下雾化混合粒径要小于其他情况，这可能是由于喷嘴转角为30°时液滴与混合气体的相对速度较大引起的。