甲醇制丙烯反應(yīng)器霧化噴嘴的性能研究

梁 健，莊 壯，鄔文燕，閆玉強(qiáng)，曾磊赟，蘇 毅

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108；2. 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 研發(fā)中心，寧夏 銀川 750409）

甲醇制丙烯反應(yīng)器霧化噴嘴的性能研究

梁 健1，莊 壯2，鄔文燕1，閆玉強(qiáng)1，曾磊赟1，蘇 毅1

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 201108；2. 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 研發(fā)中心，寧夏 銀川 750409）

甲醇制丙烯（MTP）反應(yīng)器依靠噴嘴控制床層溫度，對(duì)穩(wěn)定反應(yīng)條件起關(guān)鍵作用。以Lurgi公司MTP工藝的反應(yīng)器噴嘴為研究對(duì)象，分別以氮?dú)夂退鳛闅庀嗪鸵合嗟哪M介質(zhì)，通過冷模實(shí)驗(yàn)，研究了氣液相流量與入口壓力的關(guān)系，測(cè)量了液相及氣相兩相工況下的霧化粒徑和霧化角度等指標(biāo)的變化規(guī)律，借助均勻性測(cè)量裝置，測(cè)量了噴嘴的霧化覆蓋直徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴嘴的氣液相流量隨入口壓力增大而逐漸增加，液相噴嘴的霧化性能與孔徑的尺寸相關(guān)，磨損或堵塞會(huì)對(duì)噴嘴性能產(chǎn)生不利影響；當(dāng)氣液兩相工作時(shí)，霧化粒徑大幅減小，霧化角度變小，沖擊力較大且霧化覆蓋范圍縮小。

甲醇制丙烯；噴嘴；霧化；粒徑；均勻性

丙烯是僅次于乙烯的最重要的基本有機(jī)原料，主要來(lái)源于蒸汽裂解和催化裂化［1-3］、丙烷脫氫［4-6］、甲醇制丙烯（MTP）［7-14］和甲醇直接轉(zhuǎn)化制低碳烯烴（DMTO）［15-20］。丙烯廣泛用于合成聚丙烯、環(huán)氧丙烷、丙烯腈和異丙醇等，隨著丙烯衍生物應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)展，丙烯需求量與日俱增，市場(chǎng)長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求的局面。此外，我國(guó)石油資源匾乏，迫切需要發(fā)展非石油基的丙烯制備工藝。MTP工藝以生產(chǎn)丙烯為主，且在國(guó)內(nèi)已工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)了以煤為原料高選擇性地生產(chǎn)丙烯的目標(biāo)，發(fā)展MTP工藝及其催化劑是我國(guó)煤化工領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的MTP裝置采用的是德國(guó)Lurgi公司的專利技術(shù)［21-24］，該工藝最佳反應(yīng)溫度介于470～480 ℃之間［25-30］，若反應(yīng)溫度過低，催化劑選擇性差，丙烯吸收率低，易產(chǎn)生高碳組分；反應(yīng)溫度過高則易加速催化劑的積碳失活，縮短催化劑壽命［31-33］。霧化噴嘴作為MTP反應(yīng)器的核心構(gòu)件，通過噴入水溶液和二甲醚氣體來(lái)控制床層溫度，穩(wěn)定反應(yīng)條件，這個(gè)過程要求所控制的反應(yīng)區(qū)間溫度分布均勻并與最佳反應(yīng)溫度基本一致，對(duì)噴嘴性能有較嚴(yán)格要求［34-37］。

本工作以Lurgi公司MTP工藝的噴嘴為研究對(duì)象，通過冷模實(shí)驗(yàn)，對(duì)流體流量特性、霧化粒徑、霧化角度和霧化均勻性等參數(shù)進(jìn)行了研究。

1 噴嘴的結(jié)構(gòu)

Lurgi公司MTP反應(yīng)器內(nèi)的噴嘴為外混式氣粒霧化噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由內(nèi)到外依次由旋流器、內(nèi)噴嘴及外噴嘴組成。內(nèi)噴嘴的外壁與外噴嘴的內(nèi)壁構(gòu)成氣相通道，氣體通過內(nèi)噴嘴的旋流槽經(jīng)環(huán)隙高速旋轉(zhuǎn)噴出；內(nèi)噴嘴內(nèi)壁構(gòu)成中心液相通道，液體經(jīng)旋流器旋轉(zhuǎn)形成空心錐霧場(chǎng)，噴出后與氣相混合，形成氣液兩相的實(shí)心霧錐。液體進(jìn)入旋流器后，流經(jīng)分布于圓柱兩側(cè)的小孔進(jìn)入到與小孔近鄰的旋流槽內(nèi)，該旋流槽與內(nèi)噴嘴的內(nèi)壁面貼合形成了液相的旋流通道，該旋流槽尺寸非常小，液相因此形成兩股旋轉(zhuǎn)射流，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械霧化。

圖1 噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of nozzle.

霧化噴嘴均布于MTP反應(yīng)器內(nèi)各級(jí)催化劑床層。因?yàn)榇呋瘎┐矊觾?nèi)填裝的催化劑逐級(jí)增加，故每級(jí)床層反應(yīng)的轉(zhuǎn)化程度不盡相同，而MTP反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，對(duì)應(yīng)床層內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱存在差異，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)床層內(nèi)的床層溫度也不同。因此，每一級(jí)床層都有設(shè)定的噴嘴氣液相流量與壓力負(fù)荷（工作參數(shù)見表1）。

表1 MTP反應(yīng)器內(nèi)噴嘴的工作參數(shù)Table 1 The working parameters of the nozzles in methanol to propylene(MTP) reactor

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

噴嘴霧化性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由水泵、液（氣）相管路及其流量和壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工藝噴嘴安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)架等組成。噴嘴霧化性能測(cè)試裝置示意圖見圖2。實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)的記錄和調(diào)節(jié)均采用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括激光粒度儀、專用數(shù)據(jù)采集和記錄計(jì)算機(jī)以及高清攝像機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴嘴安裝在實(shí)驗(yàn)用槍體上，氣液相管線通過金屬軟管與槍體連接，噴嘴下方的平臺(tái)上放置十字交叉的試管架，在直徑為1 700 mm的圓周范圍內(nèi)均勻放置試管以測(cè)量霧化液滴的分布情況，試管距離噴嘴出口距離為2 100 mm，與實(shí)際運(yùn)行工況高度相符，而激光粒度儀的測(cè)量點(diǎn)距離霧化噴嘴的高度為1 900 mm。

圖2 噴嘴霧化性能測(cè)試裝置示意圖Fig.2 Schematics of experimental section for testing the spraying properties.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用氮?dú)夂退鳛槔淠?shí)驗(yàn)的模擬介質(zhì)。針對(duì)不同床層，每級(jí)選取一個(gè)噴嘴開展實(shí)驗(yàn)，編號(hào)分別為1#，2#，3#，4#，5#。對(duì)于每一級(jí)噴嘴，以實(shí)際運(yùn)行工況的氣體流量（G）或液體流量（L）為基準(zhǔn)（根據(jù)表1確定），氣相取60%G，80%G，100%G，120%G，140%G，液相取60%L，80%L，100%L，120%L，140%L等工況點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

噴嘴霧化性能實(shí)驗(yàn)的具體方法如下：

1）將霧化噴嘴安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，打開水泵，調(diào)節(jié)水路流量穩(wěn)定后，利用高清照相機(jī)對(duì)液相霧化過程進(jìn)行拍照和攝像，同時(shí)采用激光粒度儀收集霧化粒徑數(shù)據(jù)。

2）待液相測(cè)量完畢后，打開氣相管路閥門，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁糠€(wěn)定后，開始采集粒徑數(shù)據(jù)，同時(shí)重復(fù)攝像和拍照記錄。

3）將試管依次編號(hào)，稱重，并將其放置于試管架上，然后打開水路閥與氣路閥，待氣液相穩(wěn)定后，計(jì)時(shí)30 min；計(jì)時(shí)完畢后，關(guān)閉氣液相閥門，然后對(duì)帶有液體的試管二次稱重，記錄數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，采用激光粒度儀收集和分析霧化粒徑數(shù)據(jù)，采用高清照相機(jī)采集霧化角度的照片和霧化過程的視頻，利用稱重法分析霧化均勻性和霧化覆蓋直徑，利用Gimp2.8.10軟件分析霧化角度。

3 結(jié)果與討論

3.1 液相流量特性

根據(jù)液相噴嘴的流量與壓力數(shù)據(jù)，得出MTP噴嘴的液相流量特性曲線，如圖3所示。由圖3可見，5個(gè)噴嘴的液相流量特性均較好，在相同壓降下，1#～5#噴嘴的液相流量逐漸增大。為了達(dá)到液相霧化效果，1#噴嘴所需流量最小，而5#噴嘴所需流量最大，說(shuō)明噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴的液相流量產(chǎn)生較大的影響，這與不同催化劑床層需要的液相流量不同相適應(yīng)。

圖3 MTP噴嘴液相流量與壓力的變化曲線Fig.3 Curves of liquid flow of MTP spraying nozzle varying with pressure.

3.2 氣相流量特性

MTP噴嘴氣相流量與壓力的變化曲線見圖4。由圖4可見，隨氣相入口壓力的增加，氣相流量隨之增大。5個(gè)噴嘴的氣相流量特性曲線基本重合，說(shuō)明Lurgi噴嘴的氣相通道結(jié)構(gòu)一致。

圖4 MTP噴嘴氣相流量與壓力的變化曲線Fig.4 Curves of gas flow of MTP spraying nozzle varying with pressure.

3.3 霧化特性實(shí)驗(yàn)

霧化噴嘴液相通道依靠?jī)?nèi)部的旋流器結(jié)構(gòu)配合出口的小孔徑實(shí)現(xiàn)機(jī)械霧化，圖5為在僅液相工質(zhì)工作時(shí)，霧化噴嘴的霧化粒徑（索達(dá)爾平均直徑，SMD）與流量的變化曲線。就單個(gè)噴嘴來(lái)說(shuō)，隨著液相流量的增加（液相壓力增加），SMD逐漸降低。1#噴嘴的SMD由148 μm降至100 μm；2#噴嘴的SMD由146 μm降至105 μm；3#噴嘴的SMD由145 μm降至107 μm；4#噴嘴的SMD由136 μm降至96 μm；5#噴嘴的SMD由129 μm降至95 μm。分析認(rèn)為，5個(gè)噴嘴唯一的區(qū)別在于液相出口孔徑的大小，在相同流量下，1#～5#噴嘴的入口壓力減小，對(duì)應(yīng)的SMD增大。

圖5 MTP噴嘴霧化粒徑與液相流量的變化曲線Fig.5 Curves of SMD of MTP spraying nozzle varying with liquid flow.

圖6為不同氣液負(fù)荷下1#噴嘴的霧化角度。由圖6可看出，一次霧化角度隨液相進(jìn)料量的增加而增大；與一次霧化角度相比，二次霧化角度明顯減小。當(dāng)噴嘴液相進(jìn)料量分別為60%L，100%L，120%L時(shí)，霧化角度依次為58.41°，77.65°，77.87°；當(dāng)噴嘴氣液同時(shí)工作，混合進(jìn)料量為60%G-60%L，100%G-100%L，120%G-120%L時(shí)，霧化角度分別為15.63°，14.03°，13.53°。經(jīng)測(cè)量，SMD由一次霧化時(shí)的100 μm降至20 μm。根據(jù)氣粒式霧化的原理，高速旋轉(zhuǎn)的氣相流體對(duì)液相進(jìn)行沖擊、摩擦，實(shí)現(xiàn)霧化，由于噴嘴氣相通道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和大氣液比的流量分配，噴嘴的SMD可達(dá)到20 μm的水平，同時(shí)霧化角度受到極大的壓縮，氣液兩相的沖擊力較大，此現(xiàn)象不利于霧化的均勻性。

圖6 不同氣液負(fù)荷下1#噴嘴的霧化角度Fig.6 Atomization angle of 1# nozzle under different load.

3.4 霧化均勻性實(shí)驗(yàn)

在霧化均勻性測(cè)量裝置中將試管十字布置，并對(duì)試管進(jìn)行標(biāo)號(hào)，中心試管編號(hào)為O，其余按照順時(shí)針方向依次標(biāo)為A列（由內(nèi)向外依次為A1～A18）、B列（B1～B18）、C列（C1～C18）、D列（D1～D18），A列和C列對(duì)角線布置，B列和D列對(duì)角線布置，每個(gè)試管間距為40 mm。選取100%G + 100%L的正常運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前后均需對(duì)試管進(jìn)行稱重，根據(jù)試管的質(zhì)量變化研究霧化的均勻性。1#和5#噴嘴的試管稱重曲線見圖7。由圖7可知，試管的質(zhì)量呈現(xiàn)中間高兩邊低的正態(tài)分布。

圖7 1#和5#噴嘴的試管稱重曲線Fig.7 Test tube weighting curves of 1# and 5# nozzle.

引入流量分布不均勻程度參數(shù)δ：

式中，mmax，mmin，mcp分別表示A，B，C，D四列試管質(zhì)量的最大值、最小值和平均值，g。計(jì)算δ的平均值，得出噴嘴的流量不均勻程度。噴嘴的霧化均勻性參數(shù)見表2，其中，以編號(hào)為O的試管為圓心，取每列試管凈重累加之和占總凈重80%的試管所在的位置作為霧化范圍。由表2可見，霧化噴嘴在霧化過程中80%的液相流量分布在直徑640 mm（1#～4#噴嘴）或720 mm（5#噴嘴）的范圍內(nèi)，僅占要求霧化范圍（根據(jù)Lurgi噴嘴的霧化設(shè)計(jì)角度20°～30°，可計(jì)算出設(shè)計(jì)的霧化直徑最大值是1 125 mm）的25.4%或32.14%，表明霧化范圍偏小、且不均勻程度較高。

表2 噴嘴的霧化均勻性參數(shù)Table 2 The spray uniformity parameter(δ) of the atomization nozzles

4 結(jié)論

1）噴嘴的液相流量特性均較好，流量隨壓力增大而增加，在相同壓降下，1#噴嘴所需流量最小，而5#噴嘴所需流量最大，噴嘴孔徑的變化對(duì)流量特性有較大影響。

2）隨液體流量的變化，1#～5#噴嘴的SMD具有相同的變化規(guī)律，流量增加（壓力增加），SMD減小，霧化角度在55°～80°之間。當(dāng)氣液相同時(shí)進(jìn)料時(shí)，SMD降至20 μm，霧化角度減小至15°左右。

3）80%的液相流量集中在中心小區(qū)域內(nèi)，氣流剛性強(qiáng)，動(dòng)量大，實(shí)際運(yùn)行對(duì)催化劑床層的沖擊力較大。

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（編輯 王 萍）

Performance of atomization nozzles in methanol to propylene reactor

Liang Jian1，Zhuang Zhuang2，Wu Wenyan1，Yan Yuqiang1，Zeng Leiyun1，Su Yi1

（1. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China；2. Research and Development Division，Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co.，Ltd.，Yinchuan Ningxia 750409，China）

Methanol to propylene reactor depends on process nozzle to control the bed temperature，which plays a key role in stabilizing the reaction conditions. In the nozzle as the research object，respectively，using nitrogen and water as gas phase and liquid phase simulation medium，through the cold model experiment，the relationship between the gas and liquid flow and entrance pressure，variation of liquid phase and gas phase under the condition of atomization particle size and atomization angle index measurement were studied. Using uniformity measuring means，the spray nozzle cover diameter was measured. The results showed that the gas and liquid flow rate of nozzle increased with the inlet pressure increasing，the atomization performance of the liquid phase nozzle was related to the size of the aperture. Wear or blockage would adversely affect the performance of the nozzle. When the gas-liquid two-phase ran together，the atomized particle size decreased greatly and the spray angle became smaller，the impact force simultaneously was stronger and the covered area of the atomization began to narrow. According to the problems existing in the operation，it is necessary to improve and optimize the structure of the nozzle.

methanol to propylene；nozzle；atomization；particle size；uniformity

1000-8144（2017）07-0908-06

TQ 221.2

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.07.013

2017-01-10；［修改稿日期］2017-06-05。

梁?。?987—），男，山東省泰安市人，碩士，工程師，電話 021-31310279，電郵 443103309@qq.com。

中國(guó)國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2015DFA40660）；寧夏回族自治區(qū)寧東能源化工基地科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2014NDKJ100）。