旋流组合式催化裂化进料喷嘴液流分布实验

李进贤，吴利平，韩迎龙，陈步学，赵思珍，闫 涛，张荣克

（1西北工业大学航天学院，陕西 西安 710072；2中国石化工程建设公司，北京 100101）

研究开发

旋流组合式催化裂化进料喷嘴液流分布实验

李进贤1，吴利平1，韩迎龙1，陈步学1，赵思珍2，闫 涛2，张荣克2

（1西北工业大学航天学院，陕西 西安 710072；2中国石化工程建设公司，北京 100101）

提出了一种采用组合式旋流器和球形双槽互击喷头的旋流组合式催化裂化进料喷嘴的概念，并针对不同的旋流器组合方式和喷头结构形式开展了旋流组合式催化裂化进料喷嘴液流分布实验，获得了其液流分布特性，初步掌握了喷嘴的雾化性能。结果表明，采用四组合式旋流器和采用内外嵌套组合式旋流器以及球形双槽互击喷头的喷嘴，喷射液层液流分布比较均匀，雾化效果较好；该结果对于进一步改进此类喷嘴的设计具有重要的参考价值。

催化裂化；进料喷嘴；组合式旋流器；球形双槽互击喷头；液流分布特性

随着全球石油资源日趋短缺，催化裂化（FCC）技术[1]越来越受到许多国家的重视。进料喷嘴是催化裂化的关键设备之一，其性能的优劣对裂化反应产品的质量和分布起着十分重要的作用，性能优异的进料喷嘴能够增加轻质油收率，降低焦炭产率，提高催化剂利用率，由此带来的经济效益十分可观[2-5]。因此，开发性能优异的进料喷嘴，是改进催化裂化生产工艺的重要环节。

进入20世纪80年代，伴随着催化裂化技术在整个炼油行业中的地位日益突出，许多国家和公司都开展了对进料喷嘴的研究工作，相继发展了多种特殊结构的喷嘴。如Kellogg公司在90年代研制的Atomax喷嘴，其后来又发展到Atomax-2型；UOP公司在Premix的基础上，又推出了Optimix喷嘴；S & W 公司研制的高压力降靶式进料喷嘴以及Lummus公司开发的 M icro-Jet进料喷嘴等[6-9]。近些年在国际上较为著名的 Total喷嘴，利用高速雾化介质对撞击金属靶后的原料油进行冲击，具有较好的雾化效果。特别是此喷嘴的雾化流股从半球状喷头的槽孔喷出，喷射面呈扇形，选择合适的喷嘴布局，可以使雾化流股在提升管截面上形成面积大、厚度薄的覆盖层，从而为裂化反应快速充分地进行提供必要条件。我国在引进了 Total喷嘴的同时，还自主开发了多种高效进料雾化喷嘴，如LPC、KH、HW、BP、BX型等。目前，国内催化裂化装置采用的进料喷嘴按照雾化机理的不同，大体上有 4类[10-14]，即喉管类、靶式类、气泡式以及旋流式（BWJ）喷嘴。其中，旋流式（BWJ）喷嘴是由西北工业大学联合中国石化集团公司相关单位共同开发研制的气液两相旋流式喷嘴，该型喷嘴从20世纪90年代工业化应用以来已取得了较好的效果。

随着催化裂化技术的不断向前发展，旋流式喷嘴在工业化应用中出现了新的问题，如雾化后的液流分布不均，并存在较为严重的“中空”现象以及雾化粒度布较差等。进料喷嘴的雾化机理十分复杂，单纯地依靠几何尺寸放大、增大气液比或提高喷射速度都无法取得理想的效果。因此，研究性能更好的喷嘴十分必要。本文作者提出了一种采用组合式旋流器和球形双槽互击喷头的旋流组合式催化裂化进料喷嘴概念，并针对实验喷嘴开展了液流分布特性研究，初步掌握了该型喷嘴的雾化性能，为后续的冷态雾化实验研究提供了参考。

1 旋流组合式进料喷嘴简介

旋流式喷嘴是一种将机械雾化和蒸气雾化结合使用的雾化喷嘴，从目前查到的资料来看，该种喷嘴是国内外 FCC装置中唯一使用旋流器结构的雾化进料喷嘴，其结构特点是在喷嘴混合室后安装了一个气液两相旋流器。这种旋流器有许多优点：黏稠液体在与气体混合加速流动的过程中，可借助气体能量来削弱黏性和表面张力对液体雾化的约束；气液两相密度相差较多，液体流量在一定弹性范围内变动时，两相流总体积流量变化相对较小，雾化质量不会显著恶化；喷嘴内部通道截面积较大，不易发生结焦、堵塞一类的故障，工作可靠性高。此外，该种喷嘴还具有结构简单、压降低、雾化粒径分布均匀性好等优点。旋流式喷嘴的雾化原理与其它喷嘴不同，液体与气体首先进入前混合腔进行预先混合和初步雾化，形成气液两相流；气液两相混合物经旋流器展膜，液膜被高速气流击碎，然后在较高压差作用下，气液混合物从喷嘴出口加速降压喷出，形成气雾两相射流，完成雾化过程。

1.1 喷嘴结构

旋流式喷嘴的核心部分是气液二相旋流器，它的结构形式及工作原理与液体离心式喷嘴基本相同。组合式旋流器是将单个旋流器通过内外嵌套或者外部组合的方式重新合并成为一个旋流器组合件，这种方法拓展了两相旋流喷嘴的设计思想。

喷嘴进气口设计中采用了一路侧向进气加一路中心进气的进气方式。侧向进气由喷管外夹层引入，夹层出口环设置在旋流器出口附近及稳定段下游，并开有一定数目和孔径的小孔。模拟介质水从侧向进水口进入混合室，与从中心进气口进入喷嘴的气体在前混合室内初步混合，而从侧向进气口进入的气体则在旋流器之后分3次与气液混合物掺混，气液混合物最后通过喷头喷出，完成整个雾化过程。旋流组合式进料喷嘴的基本结构如图1所示，主要由中心进气喷嘴、侧向进气喷嘴、组合式旋流器、进水喷嘴、混合腔、稳定段、喷头等部分组成。

图1 旋流组合式进料喷嘴结构

1.2 组合式旋流器

旋流器用来强迫流体做旋转运动，并依靠离心力将液体展膜，液膜在外界气流作用下破碎雾化，为之后进行二次雾化打下良好的基础。旋流器的设计采用了由阿勃拉莫维奇提出的最大流量原理法[15]。这个方法的特点是不考虑雾化介质的黏度和流动中的径向速度，认为流动是轴对称的。

旋流器的雾化特性，可以用雾化锥角2 、流量系数cd和几何特性A之间的关系来表示。雾化锥角、流量系数和几何特性之间的关系如图2[16]所示。

设计时首先选择液膜锥角2α，从图2的曲线上查出对应的几何特性A和流量系数cd。一般来讲，2α取大值有利于雾化，对有内喷口的方案，雾化锥会过早撞击雾化室壁面，不利于雾状流的形成；而对于不带内喷口的方案，2α过大，旋流过强，则会导致扇形雾化锥内液流分布不均匀，侧边区液滴粒径增大。本研究采用无内喷口的方案，并将旋流器的入口至喷头的出口整体视为虚拟的等效内喷口，这样就可以利用图2来获得流量系数。流量公式见式（1）。

图2 流量系数、液膜角度、截面系数与几何特性的关系

式中，qs为单旋流槽总质量流量；cd为旋流槽流量系数；Fh为等效内喷口横截面积；Δps为旋流槽压降； 为气液二相流混合密度。此时等效内喷口直径见式（2）。

根据最大流量原理，几何特性定义为式（3）。

式中，A为旋流槽几何特性；R为节圆半径；rh为等效内喷口半径；β为螺旋升角；n为螺旋槽数目；Fs为单旋流槽横截面积。由式（3）计算可得到单旋流槽横截面积。根据以上获得参数，可分别求得旋流器的内外径、升角、导程、节圆直径和长度等结构参数。

本文研究的组合式旋流器是将单个旋流器通过内外嵌套或者外部组合的方式重新合并成为一个旋流器整体，并且组成这个整体的分旋流器旋向相反。如对于三组合式旋流器，两个分旋流器的旋向与另外一个相反，而四组合式旋流器则是保证相邻两个旋流器旋向相反，内外嵌套组合式旋流器则是内外旋流器旋向相反。目的都是为了使掺混作用能更加强烈，最大程度地削弱液膜贴壁流动对于液流分布的不利影响，从而增强一次雾化效果，同时也能够获得较好的雾化粒度分布。组合式旋流器的结构见图3和图4。

图3 外组合式旋流器

图4 内外嵌套组合式旋流器

1.3 喷头结构

共进行了两种结构类型喷头的实验，即球形单槽喷头以及双槽互击喷头，其结构见图5和图6。双槽互击喷头的设计利用了射流自身的动量，使射流在喷头外部以一定角度互相撞击，这相当于在原有的单槽雾化基础上又增加了一次雾化，因而形成的喷雾扇形面液流分布较单槽更加均匀。

图5 球形单槽喷头

图6 球形双槽互击喷头

2 进料喷嘴液流分布实验系统

由于气液两相喷嘴的雾化机理十分复杂，影响因素众多，目前研究人员不仅没有建立起合理的数学模型，而且对其雾化机理还没有一个全面而深刻的认识，因而，实验仍是研究喷嘴雾化的主要方式。本实验的目的在于从宏观上初步掌握旋流组合式喷嘴的液流分布和雾化性能，为进一步进行冷态雾化特性实验提供初步选型参考。

本次实验是在不考虑油温、蒸汽温度和提升管背压的情况下，分别用水和空气代替原油和蒸汽进行的。喷嘴冷态液流分布实验系统如图7所示，主要由雾化喷嘴、供气系统、供水系统、液体分配盘以及实验台架等组成。①雾化喷嘴：共进行7组喷嘴的液流分布实验，旋流器组合方式分别为三旋流器外组合、四旋流器外组合、内外嵌套组合以及在嵌套式旋流器内旋流器上开孔的方式；喷头则有板头单槽、球头单槽以及球头互击双槽等形式。②中心和侧向模拟进气均来自压缩气罐，压缩空气经过截止阀、减压阀、流量调节阀、流量计之后进入喷嘴，最高压力为0.6 MPa；模拟进水由水罐供给， 最高压力为1 MPa。③液体分配盘如图8所示，分配盘长1600 mm，宽700 mm，高500 mm，内均布等面积的105个正方形分配格并将其胶和在一起，各方格之间保持密封，方格底部开孔并连接胶管，胶管头用堵头塞紧。④模拟空气和水的流量、温度等参数分别由转子流量计、水银温度计来测定。

图7 喷嘴液流分布实验系统

图8 液体分配盘（单位：mm）

实验方案见表 1，实验时喷嘴的喷孔距液体分配盘的距离统一定为 750 mm，测试时的水流量为20 t/h，中心与侧向进气口的气流量按气液质量比3%进行供给。

表1 实验方案

3 实验方法和步骤

实验时首先用设在分配盘上的滑动盖板将液体分配盘盖严，然后打开气路和水路截止阀进行喷射，将流量调至实验状态并记录参数，此时喷射流没有进入分配盘；迅速拉开滑动盖板，让喷射流进入分配盘中，观察盘中各方格内液面的高度，待盘中某一方格内的液体将要溢出时，立即拉动滑动盖板将水盘封上，同时关闭水路截止阀，待气流将集存在管道及喷嘴内的残液吹扫干净后，再将滑动盖板拉开，测量盘中各方格内的液面高度；最后打开每个方格底部的排液管塞，排空所有液体后塞好排液管。更换不同喷头或组合式旋流器后重复上述实验过程。

4 实验结果及分析

分配盘收集到的液体，主要集中分布在喷嘴中心两侧300 mm宽的方格内，300 mm以外的方格收集到的液体很少，故处理结果时主要处理中心两侧300 mm宽方格内的液体分布数据；另外，100 mm宽的中心喷射区也是具有代表性的区域，在此一并处理；最后以喷射域长度方向为横坐标，收集到的喷射液层高度为纵坐标，分别绘制出100 mm中心喷射区的液层高度和喷嘴中心两侧300 mm范围内的平均液层高度沿喷射长度方向的分布曲线，曲线见图9～图15。

图9 1#实验喷嘴液流分布

图10 2#实验喷嘴液流分布

图11 3#实验喷嘴液流分布

图12 4#实验喷嘴液流分布

图13 5#实验喷嘴液流分布

图14 6#实验喷嘴液流分布

图15 7#实验喷嘴液流分布

（1）1#、6#、7#实验喷嘴喷射液层高度分布曲线成马鞍形状，尤以6#、7#最为严重，说明喷射液层边缘厚中间薄，出现了“中空”现象，液流分布很不均匀；1#喷嘴较6#和7#喷嘴液流分布比较集中，且喷射角很小。以上这两种情况都不利于提升管内雾化颗粒与催化剂的充分混合与反应。

（2）2#～5#实验喷嘴，液层高度分布曲线大致为梯形，中心喷射区液层分布曲线较为平缓，说明液流分布趋于均匀，这将有利于雾化颗粒与催化剂的充分混合与反应。

（3）1#实验喷嘴分布曲线相比于2#，液层分布带明显较窄，这是由板形喷头的结构特点所决定的，与此同时液流分布还出现了一定程度的“中空”现象。出现这种现象的原因是：在混合腔内形成的气液两相混合物进入旋流器的螺旋通道后进行回旋流动，当其从旋流器内喷出时，由于离心力的作用，两相混合物被展成圆锥面薄膜并沿喷嘴内壁做贴壁流动，此时位于喷嘴内部的两相混合物在喷嘴横截面上的分布很不均匀，越靠近中心处，流量越低，混合物流经喷头向外喷出时位于槽孔两侧的流量要明显大于中心处，此时易形成“中空”现象；在换用球形单槽喷头之后，“中空”现象得到了明显改善，原因是球形喷头内壁如同喷管的收敛段一样，有一个不断将贴壁液膜向中心聚拢的作用，因而能够在一定程度上增加喷嘴中心处的液流流量，改善“中空”现象。2#实验喷嘴在300 mm工作范围内的平均液层高度比100 mm中心喷射区的液层高度更高，说明中心喷射区两侧 100 mm内的液层高度均比中心喷射区液层高度高，中心喷射区之外的液流分布多，也说明 2#实验喷嘴喷射液层在收集盘宽度方向上的跨度较大，液层较厚，这种情况对于提升管内原料油与催化剂的充分接触是不利的。

（4）3#实验喷嘴喷射液层分布曲线比较平缓，液流分布更加均匀；分析认为，对于四组合式旋流器，由于其分旋流器的旋向对称分布，两相混合物流过旋流器组合件后，其在喷嘴内部的分布除去重力作用的影响之后基本上是对称的，这样从喷头喷出时所形成的喷射面也应是对称的，得到的分布曲线必然较采用三组合式旋流器的喷嘴得到的液层分布曲线平缓和均匀；另外，3#喷嘴在300 mm范围内的平均液层高度与中心喷射区的液层高度差值较2#实验喷嘴大，这反映了3#实验喷嘴喷射液层液流较集中地分布于中心喷射区域，其厚度相对要薄。以上表明四旋流器组合式喷嘴的液流分布效果要优于三旋流器组合。

（5）4#实验喷嘴较3#喷射范围更大，沿喷射域长度范围内的分布更加均匀，说明混合物流经双槽互击喷头并经过射流撞击雾化之后形成的喷雾扇分布在较大的横截面上，这种分布能够极大地提高原料油与催化剂在提升管内的混合效率；另外，300 mm范围内平均液层高度与中心喷射区液层高度的差值较3#喷嘴更大，说明4#喷嘴的液流主要集中分布于中心喷射区，而中心喷射区以外的液体分布极少，这是一种比较理想的分布状况。

（6）5#～7#实验喷嘴采用的都是内外嵌套组合式旋流器，从结果来看，效果与三组合及四组合式旋流器的差距较大。原因是混合物分别流经内旋流器与外旋流器所形成的液膜之间扰动作用相对较弱，对于改善液膜贴壁流动的效果并不明显；而5#实验喷嘴喷射液层高度分布情况较6#有非常明显的改善。由分布曲线可以看到，5#喷嘴液层分布曲线基本上消除了马鞍形状，且液流集中分布在中心喷射区域内，说明两股射流经过撞击雾化之后使得液流在雾化区域内进行了重新分布，这证明双槽互击喷头对于改善喷嘴液流分布具有非常明显的作用和相对较好的效果。

（7）6#、7#喷嘴液层高度分布曲线大致相同，说明采用内组合式旋流器喷嘴在与单槽喷头配合使用时的液流分布不理想，而给内旋流器上开孔的方法并不能够显著增大喷嘴中心处的液流流量，如何进一步改进还需要继续研究。

5 结 论

（1）旋流器外组合时，球形喷头实验取得了较好的液流分布效果。同时，四旋流器组合的实验结果优于三旋流器组合。

（2）采用内外嵌套组合式旋流器能够极大地减小喷嘴外径，这对于FCC装置的大型化有着十分重要的意义。采用内外嵌套组合式旋流器和双槽互击喷头的喷嘴实验获得了较好的液流分布效果。

（3）对于喷头的结构形式来讲，球形喷头的液流分布较好，喷射角明显大于板型喷头，其中双槽比单槽分布效果好，板型喷头的液流分布最差。

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Experimental research on the flow characteristics of combined swirl FCC feed injection nozzle

LI Jinxian1，WU Liping1，HAN Yinglong1，CHENG Buxue1，ZHAO Sizhen2，YAN Tao2，ZHANG Rongke2
（1College of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，Shaanxi，China；2SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing 100101，China）

A new FCC feed injection nozzle，where a combined cyclone and spherical like-doublet impinging injector is used，is presented in this paper，then an experimental study on the combined sw irl FCC feed injection nozzle based on different cyclone combination and injector structure was conducted．The results show that the feed injection nozzle w ith four external combined cyclone，internal combined cyclone and spherical like-doublet impinging injector achieves good results. The result has important values for the improvement of combined sw irl feed injection nozzle design．

FCC；feed injection nozzle；combined cyclone；spherical like-doublet impinging injector；flow characteristics

TQ 051

A

1000-6613（2012）06-1193-07

2011-11-28；修改稿日期：2012-01-31。

及联系人：李进贤（1963—），男，教授，博士生导师。E-mail lijinxian@nwpu.edu.cn。