冯留海，赵　凡，刘美丽，盛文君，左　晶，毛　羽

(1.中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249；2.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617； 3.中国石油大学 重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)



喷嘴径向位置对喷雾造粒塔流动特性的影响

冯留海1，赵凡1，刘美丽2，盛文君3，左晶1，毛羽1

(1.中国石油大学 重质油国家重点实验室，北京 102249；2.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617； 3.中国石油大学 重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

为了研究喷雾造粒塔内的流动特性，采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了塔内的速度分布，数值模拟了不同结构参数下的流场演变过程，并根据速度分布对喷雾造粒塔内流场进行了区域划分。结果表明，喷嘴径向位置对流动影响较大，而操作参数的影响相对较小；喷雾造粒塔内速度分布在不同风量下基本相同，沿轴向有两个明显的区域分布，即喷雾造粒塔上部靠近喷嘴，受射流影响较大，流动比较复杂，沿轴向的下部远离喷嘴，射流影响逐渐减弱，流动规律性明显增强。喷雾造粒塔内速度分布与蜗壳式旋风分离器内的速度分布差别较大。

喷雾造粒塔；阵列喷嘴；PDPA；射流旋转流场；影响因素

随着原油储量的减少、油品的重质化以及越来越严重的环境问题，亟需开发清洁、高效的重油加工工艺来缓解日益严峻的能源、环境危机。喷雾造粒塔用来处理“重油梯级分离”工艺[1-2]萃取得到的脱油沥青，是该工艺流程中的重要环节。喷雾造粒塔内的流动特性对分离性能影响较大，有必要研究内部的流动规律。

射流和旋流广泛存在于石油化工设备中，流动特性对分离性能和压降有重要影响[3-6]。旋风分离器内存在典型的旋转流场，具有典型的内侧准刚性涡、外侧准自由涡的流场分布形式，这种“兰金涡”分布一直指导着旋风分离器的研究[7-8]。王江云等[9]、Zhao等[10]指出，对称入口结构可以降低涡核摆动，从而有助于提高分离效率；Elsayed等[11]、高翠芝等[12]指出，结构参数对轴向速度影响明显，而对切向速度的影响较小；王娟等[13-14]研究了不同入口条件对分离效率和压降的影响，并找到了较优的阵列喷嘴结构；Liu等[15-16]采用耦合RNG k-ε湍流模型和Eular-Eular双流体模型研究了1.5万t/a产量的喷雾造粒塔的流场演变过程，发现增加旋流强度可以提高流动稳定性。喷雾造粒塔通过多股射流驱动气流旋转，其内部既存在射流与射流之间的相互作用，又存在射流向旋流的转变以及旋流趋于稳定的过程，流动过程比其他设备更加复杂，因此已有的关于喷雾旋转流场的研究不足以准确描述喷雾造粒塔内的流动情况。虽然前人的研究促进了对喷雾造粒塔的认识，但是系统的流场分析仍显不足。在本研究中，笔者采用PDPA测量喷雾造粒塔内的流动情况，并采用数值模拟方法对比分析结构参数对流动特性的影响，以期总结出射流旋转流场的流动规律。

1　实验部分

图1为喷雾造粒塔流场测量的实验流程。为保证实验过程中风量稳定，稳压罐内压缩空气的压力维持在0.8 MPa。压缩空气与示踪粒子在烟气发生器中充分混合并从阵列喷嘴射流喷出，在喷雾造粒塔内形成射流旋转流场。进行分离实验时，气、固两相经旋流分离后，气体反转而上从顶部排气管排出，固体颗粒从底部排料口排出。采用PDPA测量喷雾造粒塔的气相速度分布，没有加入固体颗粒，因此底部排料口直接封闭。实验时，压力表测量稳压罐及喷嘴入口压力，浮子流量计测量气体风量。测量环境为常温、常压，射流速度远小于0.3倍马赫数，因此将空气视为不可压缩流体。

图2为有机玻璃做成的筒锥形喷雾造粒塔结构示意图。筒体高度和内径分别为500 mm和200 mm。筒体下端与高度为208 mm的锥体相连，锥体底部密封。喷雾造粒塔的核心部件是距离顶盖下方90 mm处的阵列喷嘴，4个内径d=4 mm的喷嘴均布在直径为100 mm的圆周上。实验中可以旋转喷嘴来控制射流方向，本研究中选择喷嘴角度为α=45°。实验拟测量3个不同高度的速度分布，沿径向从中心到壁面布置33个测点，即沿径向每隔3 mm 布置1个测点。设喷嘴所在平面与中轴线的交点为坐标原点，选择柱坐标点P(18,0,-300)用于说明PDPA仪器测量结果。

图2　喷雾造粒塔结构示意图和测点布置

PDPA记录的是通过椭圆形测量空间且满足测量要求的示踪粒子的速度分量。当采用双光束-双散射模式测量示踪粒子速度时，其速度分量只与入射光方向和刚性散射差有关，而与散射光方向无关，理论上具有很好的测量精度[17]。王江云等[18]验证了卫生香具有较好的跟随性，所以笔者也选择卫生香作为示踪粒子。测量时每个测点取5000个样本，且保证数据有效性在70%以上。 PDPA测量原理如图3所示，由式 (1)计算速度。

图3　PDPA测量原理图

(1)

2　结果与讨论

2.1喷雾造粒塔速度分布

2.1.1实验结果

图5为操作风量对喷雾造粒塔切向速度的影响。从图5可以看出，虽然切向速度量值在两个轴向位置都随风量的增加而增大，但其径向分布规律基本保持一致。在靠近喷嘴下方(z=-70 mm，下同)，切向速度受射流影响较大，在边壁附近流动规律性较差；在远离喷嘴下方(z<-150 mm，下同)，射流作用逐渐减弱，形成了典型的中心准刚性涡、外侧准自由涡的内外旋流分布。

图6为操作风量对喷雾造粒塔轴向速度的影响。从图6可以看出，与不同风量下切向速度的变化规律基本一致，轴向速度随风量的变化规律基本保持不变。在靠近喷嘴下方，射流效应随风量增大而增大，所以轴向速度随风量的增加而增大。在远离喷嘴下方，轴向速度也随着风量的增加而增大，但是增加的幅度并不明显。

图4　喷雾造粒塔点P的速度分量瞬时值和时均值

2.1.2数值模拟结果分析

Feng等[19]采用数值模拟方法研究喷雾造粒塔内流动过程，结果表明数值模拟得到的流动分布与实验结果吻合较好，验证了所建立的数值模型的准确性。借鉴前人的研究工作，笔者采用相同的设置条件研究设备内的流动过程。图7为模拟得到的喷雾造粒塔内切向速度分布。由于喷雾造粒塔内为弱旋流场，所以速度场呈轴对称分布，且切向速度沿径向呈双层旋流分布。从横截面看，在z=-70 mm 处，流动比较紊乱，可以看到高速射流空气膨胀扩散形成射流尾迹和受壁面约束形成的边壁二次涡，模拟现象与实验结果吻合较好；在z=-150 mm处，流动受喷嘴射流作用的影响逐渐降低，此区域为向稳定流动的过渡区；在z=-300 mm处，已经体现不出射流效应，基本形成了稳定的旋转流场。

图5　不同风量下喷雾造粒塔切向速度分布

图6　不同风量下喷雾造粒塔轴向速度分布

图7　喷雾造粒塔纵界面和各横截面切向速度云图

综上所述，喷雾造粒塔内为射流驱动的旋转流场，沿轴向存在两个不同的区域，切向速度和轴向速度的分布趋势差别较大。在靠近喷嘴下方，切向速度峰值在喷嘴外侧，且在壁面附近波动较大，说明此区域受射流及射流干扰的影响较大，此区域称为射流影响区；在远离喷嘴下方，切向速度沿径向先逐渐增大然后再逐渐减小，形成了典型的中心准刚性涡、外侧准自由涡的分布形式，说明此区域射流逐渐衰减成稳定的旋转流动，轴向速度也形成了典型的双层旋流分布，此区域称为旋流稳定区。

2.2不同设备内速度分布趋势对比

Liu等[15]研究了喷嘴角度对流动稳定性的影响，但是并没有涉及喷嘴径向位置对流场演变的影响。在本研究中拟对比分析同为旋转流动的喷雾造粒塔和旋风分离器[12]的速度场，以分析整体变化趋势。在两个设备分离空间的下部流动趋于稳定，其无量纲速度分布趋势基本保持不变[20]。

图8为喷雾造粒塔和旋风分离器内沿径向的切向速度分布，其中旋风分离器改变芯管直径，喷雾造粒塔改变喷嘴径向位置。定义s为旋风分离器排气管直径与简体直径的比值，而s′为喷雾造粒塔阵列喷嘴所在圆周直径与筒体直径的比值。从图8可以看出，当改变结构尺寸，旋风分离器和喷雾造粒塔的切向速度分布趋势基本保持不变，但峰值位置都会发生改变。切向进料旋风分离器受壁面黏性影响较大，切向速度沿径向达到最大后迅速衰减，而切向速度峰值位置随排气管直径的增加而增大，其峰值出现在 s=0.5～0.8倍排气管直径处[21]。中心进料喷雾造粒塔受壁面黏性影响较小，切向速度沿径向达到最大后衰减较小，而切向速度峰值位置随s′的增大而向外移动，其峰值位置与喷嘴径向位置基本一致。

图8　喷雾造粒塔和旋风分离器内的切向速度对比

图9为喷雾造粒塔和旋风分离器内沿径向的轴向速度分布。从图9可以看出，两种设备内旋流流场基本上呈中心上行、边壁下行的流动结构，但是不同结构会使中心区有较大的流动差异。在旋风分离器内当s=0.3时，轴向速度分布呈现典型的中心上行外侧下行分布；当s=0.4时，中心区出现倒流，说明旋风分离器内的轴向速度分布受排气管直径影响较大。喷雾造粒塔内轴向速度分布趋势也有类似规律，当s′=0.4时，中心区为上行流；随着喷嘴外移，中心区轴向速度逐渐降低，最后变成下行流，说明喷雾造粒塔内轴向速度分布与喷嘴径向位置有关。

图9　喷雾造粒塔和旋风分离器内的轴向速度对比

综上所述，不同的旋流机理是导致准自由涡区的分布形式存在较大差异的主要原因，喷嘴径向位置和射流角度对喷雾造粒塔的分区结构影响较小，而对速度峰值和分布趋势有明显影响。

3　喷雾造粒塔分区的流场特性

喷雾造粒塔流场的区域划分如图10所示。沿轴向流场可以分为射流影响区和旋流稳定区，射流影响区是指靠近喷嘴的上部区域，该区域内的气流从喷嘴喷出后还没有形成稳定的旋转运动，并且由于同时受到射流、射流卷吸以及射流干扰的作用，气流运动非常复杂，流场内存在很多纵向和横向的二次涡流；在离喷嘴一定轴向距离的下部空间，射流作用衰减，旋转运动逐渐稳定，气流进入旋流稳定区。此外，根据切向速度和轴向速度的变化情况可以将旋流区沿径向从中心到壁面分为上旋流区和下旋流区。

图10　喷雾造粒塔流场分区示意图

4　结　论

(1)喷雾造粒塔内速度分布形态随风量增大基本保持不变，速度分布表明造粒塔内具有明显的分区结构，沿轴向可以将其分为射流影响区和旋流稳定区，沿径向由中心向边壁可以将旋流稳定区进一步分为上旋流区以及下旋流区。

(2)通过研究喷雾造粒塔内的流动特性，总结了射流向稳定旋流演变的过程。射流影响区受射流的影响明显，射流、射流卷吸以及多股射流之间的相互作用起主导作用，导致流动过程比较复杂；旋流稳定区逐渐转变为稳定的旋转流动，规律性比较明显。

(3)不同的旋流机理导致喷雾造粒塔和旋风分离器内的流动特性有明显区别。对于喷雾造粒塔内的射流旋转流场，喷嘴的径向位置和射流角度对速度峰值和分布趋势有较大影响，但喷雾造粒塔的分区结构保持不变；速度峰值随喷嘴的径向位置的增加而外移，其中切向速度峰值随喷嘴径向位置的外移而增大，而轴向速度峰值呈降低趋势。

符号说明：

s——排气管直径与筒体直径的比值；

s′——阵列喷嘴所在圆周直径与筒体直径的比值；

fS1——入射光对应的散射光频率，Hz；

fS2——平移光对应的散射光频率，Hz；

r——径向位置，mm；

R——筒体直径，mm；

z——轴向坐标，mm；

2θ——夹角，°；

λ——激光波长，m；

下标

a——轴向；

in——入口；

t——切向。

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Effect of Nozzle Position on the Flow Behavior in a Spray Tower

FENG Liuhai1，ZHAO Fan1，LIU Meili2，SHENG Wenjun3，ZUO Jing1，MAO Yu1

(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing 102249，China； 2.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China; 3.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

Aiming to identify the hydrodynamics of the swirling flow driven by jet array,an experimental investigation was conducted by using the phase Doppler particle anemometer (PDPA),and then the evolution of flow field in different structures was studied by numerical simulation,and the flow field in the spray tower was divided according to the velocity distribution.The results showed that the structural parameters,such as the radial position of nozzle,had a great effect on the flow pattern,while the operating parameters had less effect.The velocity distributions in spray tower were similar at different gas flow-rates.There were two obviously different regions along axial direction,that was,in upper part near nozzles of the tower the flow was complex because of the obvious jet effect,on the contrary,in lower part far away the nozzles the flow was comparatively regular because of the jet effect becoming weak.The velocity distribution in spray tower was much more different from that in volute cyclone separator.

spray tower; arraying nozzles; PDPA; jet-driven swirling flow; influencing factors

2015-10-10

国家重点基础研究发展规划“973”项目(2010CB226902)和北京市教委科技计划面上项目(KM201510017008)资助

冯留海，男，博士研究生，从事多相流动的数值模拟与实验研究；E-mail：fengliuhai0928@sina.com

刘美丽，女，博士，从事多相流分离的实验和数值模拟研究；E-mail：liumeili@bipt.edu.cn

1001-8719(2016)05-1013-07

TE621

Adoi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.05.020