进料喷嘴内流场数值模拟及结构参数优化规范.doc

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：146006 进料喷嘴内流场数值模拟及结构参数优化 罗磊1,2，张艳来1,3*，黄湘宁2 ，杨娇健2，曾祥国2 （1.中南林业科技大学机电工程学院，长沙 410004; 2.湖南石化设备制造有限公司，长沙 410009 3.华南理工大学化学与化工学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州 510640） ( Tel, Email: ceylzhang@scut.edu.cn) 摘要：重油催化裂化进料喷嘴是催化裂化环节关键设备之一，应具备良好的喷雾速度、均匀的雾化粒径、较低的喷嘴压力降等性能。本文通过喷嘴蒸汽入口直径，油液入口直径，喷口直径及油液入射角度等四个结构参数建立模型，考察各结构参数对喷嘴内部流场的影响。结果表明：影响喷口速度的主次顺序是：喷口直径→蒸汽入口直径→油液入口直径→油液入射角度；影响喷嘴压力降的主次顺序是：喷口直径→油液入射角度→蒸汽入口直径→油液入口直径。 关键词：进料喷嘴；流场特性；数值模拟；结构参数；参数优化 0 前言 目我国是能源生产和消费大国，同时又是一个人均资源相对缺乏的国家。我国总人口数约占世界总人口数的20%，现已探明的原油约占2.4%，天然气仅约占1.2%，煤炭储量约占世界储量的11%，人均石油资源约为世界平均值的17.1%，人均煤炭资源约为世界平均值的42.5%[1]。能源尤其是石油能源现已成为我国现代化建设的战略重点和关键环节。进入上世纪八十年代，全球范围内原油劣质化倾向日益严重，特别是我国原油短缺，进口依赖度已超过40%[2]。在这种形势下，进一步完善和提高炼油技术和经济高效，为国家提供高品质的石油产品，成为解决我国长期石油短缺的有效途径之一。随着重质油的开发和产品需求结构的变化，原油深度加工技术成为当今世界炼油工业开发的重点，其中，在催化裂化环节中，进料雾化就是重油催化裂化工业的关键技术之一，。 喷嘴的性能优劣、好坏严重影响到产品的分布，拥有一种良好性能的重油催化裂化进料喷嘴不仅能提升轻质油收率、降低焦炭产率、使得产品布局的得到改良，而且还可以起到提高经济收益的作用；同时，在以重油为催化裂化原料或提炼渣油时，可以改善重油进料喷嘴的雾化效果，降低设备的结焦，提高原油的掺渣率，延长设备运作周期。 随着数值计算技术的发展，数值模拟方法已经逐渐成为喷嘴研发的一个重要的辅助?手段之一。Rizk[3]等人在90年代通过采用实验和数值模拟相互协同、合作的方法，研究了气体雾化喷嘴的液体工质雾化、液雾蒸发等参数的变化情况，并且得出了一些有一定应用范围的经验公式。Jeng[4,5]等人采用CFD方法对压力雾化喷嘴液膜的喷射情况进行了研究，他们采用Arbitrary-Lagrangian-Eulerian（ALE）数值模拟的方法对模型中气液交界面进行了追踪研究，通过气液交界面的研究预测了喷口处液膜的改变及其雾化锥角的影响；并且采用了实验与数值模拟相互结合的方法对喷嘴结构参数对出口液膜厚度、出口速度以及喷雾锥角的影响等进行了研究，这些基础为后人在此方面的研究提供了相当有参考价值的理论依据。之后，Smith[6]等通过VOLUME-OF-FLUID的方法对气体雾化喷嘴的内部流场进行了数值模拟，他们主要研究了在不同工作参数的情况下液膜厚度、出口处液膜的变化、喷口处速度以及喷嘴锥角的变化情况，并且将模拟计算的结果与实验的结果进行了对比。Soteriou[7]、Chaves[8]、ArcoumaniS[9]等也利用透明喷嘴深入研究了产生高速液体射流的喷孔内流动过程。目前，大部分是采用ALE和VOF方法来对于喷嘴内流场进行研究模拟的。 在国内，对喷嘴的数值模拟方面的研究相对来说起步比较晚，公开发表的文献中最早是在1996年王振国[10]等采用计算流体力学（CFD）的方法对气液同轴离心式喷嘴的冷态液雾两相流场进行了数值模拟，并且将计算结果与实验结果进行了比较分析。在2002年周立新[11]等人在单流体模型以及气液两相混合分数概念的基础上建立了离心式喷嘴内部流场的数学模型。王国辉[12]等人对于旋流式喷嘴进行了实验和数值研究，并采用VOF方法对喷嘴内部三维气液两相流场进行了计算。 本研究是针对重油进料喷嘴的结构参数（嘴蒸汽入口直径，油液入口直径，喷口直径以及油液入射角度）进行数值模拟，通过分析对比模拟结果。通过正交试验，选取适当的结构参数，建立正交实验表，对模型进行合理的喷嘴结构参数进行合理均匀的整合，并对