催化裂化進(jìn)料霧化噴嘴的數(shù)值模擬及分析

李欣疏 孫鵬堯

摘 要：本文采用計算流體力學(xué)fluent軟件，基于歐拉-歐拉方法的VOF模型，對催化裂化進(jìn)料霧化噴嘴的內(nèi)部氣液兩相工質(zhì)流動狀態(tài)進(jìn)行模擬，對噴嘴內(nèi)部液相體積分?jǐn)?shù)分布、速度、湍流強(qiáng)度以及壓力進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：催化裂化；噴嘴；數(shù)值分析

中圖分類號：TH123.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0041-03

Numerical Simulation and Analysis of FCCFeed Atomizing Nozzle

LI Xinshu1 SUN Pengyao2

（1. College of Electromechanic Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022；2.Jilin Special Equipment Inspection Center，Jilin Jilin 132022）

Abstract： Based on the VOF model of euler - euler method， Fluent software was used to simulate the flow state of the internal gas-liquid two-phase working medium of the catalytic cracking feed atomizing nozzle. The volume fraction distribution， velocity， turbulence intensity and pressure of liquid phase in nozzle were analyzed.

Keywords： catalytic cracking；nozzle；numerical analysis

隨著原料油質(zhì)量下降，催化裂化進(jìn)料霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)要求逐日提高。催化裂化作為一種在湍流狀態(tài)下的催化反應(yīng)，其原料油與催化劑的接觸形式將直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量[1，2]。王文嬌[3]等人應(yīng)用fluent軟件分析噴嘴腔內(nèi)氣液兩相工質(zhì)的流場，通過計算分析該噴嘴內(nèi)部氣液兩相的壓力、溫度、密度和速度等參數(shù)的基本情況，同時對該噴嘴出口的激波和相變凝結(jié)激波進(jìn)行分析，并對其基本特性進(jìn)行理論分析與驗證。徐開華[4-7]等人分析了噴嘴內(nèi)工質(zhì)的流動特性及外部霧化特征。Chen[8]等人對催化裂化反應(yīng)器的提升管進(jìn)行研究，通過對提升管反應(yīng)器數(shù)值進(jìn)行分析，得出催化裂化進(jìn)料霧化噴嘴在提升管反應(yīng)器中的重要位置。

1 計算方法

該噴嘴氣相工質(zhì)為可壓縮蒸汽，氣液兩相工質(zhì)間存在能量交換，遵從能量守恒定律。采用計算流體力學(xué)CFD方法，fluent軟件的Euler-Euler方法的VOF模型對噴嘴內(nèi)部的氣液兩相流動狀態(tài)進(jìn)行分析。與Mixture模型相比，VOF模型計算更便捷。采用[k-ε]模型的修正方案RNG [k-ε]模型進(jìn)行計算。

2 數(shù)值模擬過程

2.1 幾何模型

如圖1所示，霧化蒸汽由水平方向的進(jìn)氣管進(jìn)入噴嘴，原料油由斜插的進(jìn)液管進(jìn)入噴嘴。為方便網(wǎng)格劃分，提高網(wǎng)格質(zhì)量，對噴嘴計算模型進(jìn)行簡化，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該模型的結(jié)構(gòu)規(guī)則區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的進(jìn)液孔段無法生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這樣既可以提高計算效率，又不會對混合腔段流場產(chǎn)生影響。網(wǎng)格劃分總數(shù)為162 825個。

2.3 邊界條件及初始條件

邊界條件設(shè)置如下：氣相入口邊界采用mass-flow-inlet，液相入口邊界采用velocity-inlet，出口邊界設(shè)置為pressure-inlet。霧化蒸汽進(jìn)與原料油兩相工質(zhì)的進(jìn)料量之比為1∶20。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 氣液兩相體積分?jǐn)?shù)分布

液相原料油體積分?jǐn)?shù)分布情況如圖2所示。原料油由液相入口進(jìn)入噴嘴，被高體積分?jǐn)?shù)的蒸汽沖擊，流經(jīng)混合腔至出口。隨著Z值不斷減小，原料油由較為集中的4點(diǎn)分布逐漸擴(kuò)散開，體積分?jǐn)?shù)分布在出口Z=-610mm截面處，相比混合腔初始部位Z=-10mm截面處要均勻得多。

3.2 速度分布

如圖3所示，霧化蒸汽在噴嘴喉部收縮段由于截面變小，從而速度增大，到喉部擴(kuò)張段由于截面變大，速度有所降低，待流至進(jìn)液孔處，受原料油摻混的影響，霧化蒸汽流動空間受限，故在霧化蒸汽組分較高的混合腔中心部位速度較高。但是，隨著原料油與霧化蒸汽在混合腔內(nèi)混合逐漸均勻，流體速度也逐漸趨于平穩(wěn)。噴嘴出口處截面突然變小，致使流體速度再次提升，如圖4所示?；旌锨唤诿嫣幈戎行奶幵嫌偷慕M分高，故噴嘴出口速度呈現(xiàn)出中心高近壁面低的趨勢，噴嘴出口速度峰值出現(xiàn)在中心處，最大值達(dá)到209m/s，出口平面的速度平均值為101.18m/s。

3.3 湍流強(qiáng)度分布

氣相霧化蒸汽的流速明顯高于液相原料油的流速。由于霧化蒸汽在混合腔中心區(qū)域的流動占主導(dǎo)地位，故混合腔中心區(qū)域的湍流強(qiáng)度變化明顯。如圖5所示，由于出口段截面減小，湍流程度更劇烈。噴嘴出口湍流強(qiáng)度的徑向分布如圖6所示。從圖6可以看出，出口平面湍流強(qiáng)度基本呈對稱分布，在半徑3mm的出口平面中心內(nèi)，湍流強(qiáng)度達(dá)到最大值，且數(shù)值趨于平穩(wěn)，在半徑大于3mm的區(qū)域，隨著半徑的逐漸增大，湍流強(qiáng)度值逐漸降低。

3.4 壓力分布

噴嘴的霧化效果在一定程度上與噴嘴的壓力降有關(guān)，故壓降大小決定了噴嘴霧化程度。如圖7所示，噴嘴氣相入口壓力為0.75MPa，隨著氣液兩相的流動，噴嘴內(nèi)部的壓力無明顯變化，噴嘴出口段壓力逐漸下降，最終在出口平面達(dá)到0.35MPa，壓力在噴嘴出口段的變化最為明顯。

4 結(jié)論

①采用VOF多相流模型可以有效模擬噴嘴內(nèi)部氣液兩相的流動狀態(tài)。

②噴嘴出口段氣液兩相摻混最均勻，且出口平面中心處速度最大值為209m/s，湍流程度在出口平面半徑3mm內(nèi)最激烈，有利于工質(zhì)霧化。

③壓力在噴嘴出口段的變化證明了在一次霧化末端，二次霧化前端，噴嘴出口段的結(jié)構(gòu)對噴嘴物化性能的影響尤為重要。

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