流道結構對管式氣液霧化混合器性能的影響

孫歡 孔令真 陳家慶 徐孝軒 王強強 楊寒月 李奇

摘要：管式氣液霧化混合器可在有限的管式空間內將液體吸收劑霧化為微米級液滴，實現高效的氣液混合，進而顯著增大氣液接觸面積、強化氣液吸收傳質過程，是天然氣甘醇法脫水技術由塔式向管式轉變的關鍵設備。為提高管式氣液霧化混合器內液體射流破碎和氣液分散混合性能，基于初始流道結構，提出3種改進流道結構。結合試驗測試和數值模擬方法，探究流道結構對管式氣液霧化混合器霧化混合性能的影響規(guī)律，對比篩選出更為合理的流道結構。研究結果發(fā)現：霧化壓降隨氣量增大而增大，隨氣液比增大略有減小；霧化液滴粒徑隨氣體流量和氣液比增加逐漸減?。幌嗤r下菱形錐+帶凸臺流道結構的液滴粒徑最小，粒徑分布集中在37～60 μm，較初始流道結構的粒徑減小40%以上；同時該結構的霧化液滴體積分數最高，較初始流道結構的體積分數增加5～17倍。究其原因，菱形錐結構有助于引導橫向氣流均勻流動，有效減少壁面黏附，起到增強液滴破碎和減小液膜厚度的作用；凸臺結構有助于增強氣液分散效果，降低液滴平均粒徑，增加霧化液滴體積分數。所得結論可推動管式天然氣甘醇法脫水技術早日實現工業(yè)應用。

關鍵詞：天然氣脫水；氣液混合；霧化性能；流道結構；橫向射流破碎；液滴粒徑；高速攝像；數值模擬

0 引 言

天然氣作為一種清潔能源，其穩(wěn)定安全集輸對于保障我國能源安全和改善大氣環(huán)境具有重要意義。天然氣脫水是防止集輸過程中形成積液和水合物有效的措施之一［1-2］。在天然氣甘醇法脫水工藝中，傳統(tǒng)甘醇吸收塔存在體積和質量過大等問題，限制了其在海上平臺和陸上邊遠油氣田的應用，近10 a出現的管式天然氣脫水技術以其結構緊湊性和傳質高效性而展現出良好的應用前景［3-4］。管式氣液霧化混合器是實現管式天然氣甘醇法脫水技術的關鍵設備，通過在管式空間內將三甘醇霧化成微米級液滴，顯著強化氣液兩相的傳質過程，進而實現緊湊高效脫水［5］。國內外迄今所采用的管式氣液霧化混合器通?？煞譃?大類：一類是在管道內填充絲網填料或者安裝靜態(tài)混合器芯狀組件等擾流元件，實現氣液霧化分散混合［6］；另一類是通過合理設計文丘里流道、中心鈍體等結構，產生高速氣流將連續(xù)液流剪切破碎成微小液滴，進而實現氣液霧化分散混合［7-9］。相比之下，第二類較易在獲得高效氣液霧化混合效果的同時減少能耗，成為管式天然氣脫水技術的首選，但所涉及的復雜流道內液體橫向射流破碎機理及霧化分散混合性能的研究難度較大［10-11］。從公開發(fā)表的文獻來看，對橫向氣流作用下射流破碎的機理分析最早起源于L.RAYLEIGH［12］對圓柱自由射流的研究。20世紀，R.D.INGEBO等［13］借助高速攝像技術，給出了液霧平均直徑的經驗關系式；WU P.K.等［14-16］通過試驗分析了液體射流破碎狀態(tài)，提出了基于液氣動量通量比q和氣體韋伯數Weg的破碎模式經驗圖；G.VICH等［17］研究了低速橫向氣流條件下液體射流破碎模式，將破碎模式分為無橫流破碎、拱形破碎（arcade breakup）和袋式破碎（bag breakup）。國內研究方面，張巖等［18］基于R.D.INGEBO的工作，對橫向均勻氣流下直射式噴嘴的霧化性能進行了研究，給出了索特爾平均直徑的經驗關系式；王雄輝等［19-22］通過試驗對均勻橫向氣流中的初始破碎進行了研究，對射流軌跡、表面波波長、液滴速度及直徑等關系式進行了總結和理論分析；XU S.L.等［23-25］通過數值模擬對均勻橫向射流在超聲速下的霧化進行研究，解釋了液滴產生和破碎機理。但總的來看，已有研究大部分是針對直射式噴嘴噴入均勻橫向氣流的場合，對管內復雜流道下的非均勻橫向氣流研究較少；同時主要集中在超聲速或亞聲速領域，無法直接應用于管式天然氣脫水這類屬于管內低速橫向氣流的工況。

鑒于此，筆者擬借助試驗觀察測試和計算流體動力學（CFD）數值模擬等手段，深入研究4種流道結構下管式氣液霧化混合器的霧化混合性能，篩選出更為合理的流道結構，以期豐富管道內復雜流道結構下氣液霧化混合性能的研究內涵，推動國內管式天然氣甘醇法脫水技術早日實現工業(yè)應用。

1 試驗系統(tǒng)與研究方案

1.1 試驗系統(tǒng)描述

1.1.1 工藝流程與評價指標

管式氣液霧化混合器霧化性能試驗裝置如圖1所示，主要由介質供應系統(tǒng)、有機玻璃材質的管式氣液霧化混合器及測量系統(tǒng)等組成。在介質供應系統(tǒng)中，氣相介質為空氣，由空氣壓縮機供給，通過減壓閥調節(jié)供氣壓力。液相介質為去離子水，由離心泵供液，并設置循環(huán)回路以保持供液壓力穩(wěn)定。測量系統(tǒng)包括美國IDT公司的Motion studioY3型高速攝像機、英國馬爾文公司的Spraytec噴霧粒度分析儀。其中：高速攝像機用于橫向氣流中液體射流破碎狀態(tài)的可視化研究，采用陰影法進行拍攝；噴霧粒度分析儀用來準確直觀地測量霧化場中的液滴粒徑。采用液滴索特爾平均直徑（Sauter mean diameter，SMD）ds表示霧化細度，由比爾朗伯定律計算得出的體積分數Cv表示霧化場中的液滴體積分數，后者在某種程度上反映了有效霧化混合量。這2個指標相結合即可準確評價管式氣液霧化混合器的霧化性能［26-27］。穿透深度是指射流在不同流向位置穿透到橫向氣流中的最大穿透程度，也可理解為噴霧羽流的上邊界，可以直觀表示液體射流在管道徑向上的高度［28-29］。高速攝像機和噴霧粒度分析儀都屬于非接觸式光學測量，對流場無干擾，測量精度高，有助于有效分析射流破碎形態(tài)和霧化特性。為了測試管式氣液霧化混合器工作過程中的壓降（簡稱霧化壓降），在氣體入口段安裝有YJB型壓力傳感器（壓力表）。由于出口段通向空氣（該處壓力值可近似看作大氣壓），所以待氣霧兩相穩(wěn)定后得到的入口段壓力值即為管式氣液霧化混合器的霧化壓降。

與此同時，在管道中心軸線上設置安放如圖3所示的三角形截面錐塊，錐塊的上、下錐面上各有一個直徑1 mm的噴孔，噴孔長徑比為4。試驗過程中，橫向氣流從左側進入管式氣液霧化混合器，在到達文丘里流道喉管段時逐步得到加速；連續(xù)液流經錐塊上、下錐面上的噴孔射流而出，在橫向氣流的剪切作用下被霧化成微小液滴；氣霧兩相在管內繼續(xù)向前流動過程中進一步混合擴散，在下游的傳質段充分接觸傳質。

為進一步增強管式氣液霧化混合器的霧化性能，筆者基于早期初始結構進行了改進設計，體現在2個方面：一是給三角形截面錐塊增加導流結構形成菱形錐；二是保持喉管處最小截面積不變，在擴張段增加凸臺結構。圖4匯總了涉及的4種不同流道結構，分別為初始結構（三角錐+無凸臺）、改進結構1（三角錐+帶凸臺）、改進結構2（菱形錐+無凸臺）和改進結構3（菱形錐+帶凸臺）。

1.1.3 觀測儀器設置

Spraytec噴霧粒度分析儀采用750 mm鏡頭，粒徑測量范圍為2～2 000 μm，測量介質為水和空氣，采用連續(xù)測量方式。為保證測量到穩(wěn)定霧化場，在距管道出口60 mm處開設有直徑30 mm的窗口，保證激光測量光束穿過。通過調整激光光束位置，使之與噴射中心線平行且處于同一水平面，激光穿過圓形窗口對管內的霧化場進行測量。為Motion studioY3型高速攝像機配備尼康AF-S微距尼克爾60 mm f/2.8G ED鏡頭，對正射流噴孔處并調整好光源位置，保證高速攝像機鏡頭內光線充足，以便能夠清晰地觀察到管道內液滴的破碎形態(tài)。高速攝像機的拍攝頻率設置為每秒12 500幀，單幀照片時間為0.08 ms，保存3 000幀作為分析圖像。

1.2 研究方案

1.2.1 試驗測試

為進行不同流道結構霧化性能的分析和對比，分別考慮氣液比和氣量對霧化壓降及液滴粒徑的影響?？紤]到天然氣管輸氣速一般不超過30 m/s，現有的工程設計經驗一般要求天然氣站場工藝管道內流速控制在25 m/s以內，因此設計試驗氣速為15～25 m/s，對應氣量為140～220 m3/h［29］?？紤]不同氣液比的影響，試驗過程中選擇中間氣量保持不變，即保持Q=180 m3/h不變，調節(jié)氣液比（Q/L）分別為300、400、500、600和700，探究氣液比對4種流道結構霧化性能的影響；然后保持氣液比（Q/L）為500不變，調節(jié)氣量Q分別為140、160、180、200和220 m3/h，探究氣體流量變化對4種流道結構霧化性能的影響。最后結合霧化場粒徑分布和射流破碎高速攝像圖像，分析不同結構及操作參數對霧化性能的影響規(guī)律，探究管式氣液霧化混合器內橫向射流破碎的霧化特性，并選出霧化性能最優(yōu)的流道結構。

1.2.2 流場CFD數值模擬

管式氣液霧化混合器內的流場分布規(guī)律直接影響液體射流的初次破碎、液滴二次破碎和霧化液滴分散運動特性，因此需要掌握低速橫流作用下不同流道結構所對應內部流場的分布規(guī)律。擬結合某些典型工況進行流體動力學（CFD）數值模擬，通過將數值模擬結果與高速攝像圖像對比，揭示不同結構對霧化性能的影響機制。

考慮到氣液兩相流場的計算機時耗費較大，而本文研究背景下氣體中的含液量較少，因此主要進行單相流場的CFD數值模擬。數值模擬基于ANSYS Fluent商業(yè)CFD軟件，采用基于壓力的求解器進行求解，速度與壓力耦合方法采用SIMPLE算法，湍流模型采用標準k-ε模型。設置入口邊界條件為速度入口，入口氣速為20 m/s，對應管內氣量為181.8 m3/h；出口邊界條件為壓力出口，出口壓力設置為常壓。對4種流道結構進行網格劃分時全部采用六面體網格，網格大小為1 mm，網格數量約為89萬，整體網格質量大于0.6，滿足ANSYS Fluent軟件的計算要求。

2 結果分析與討論

2.1 霧化壓降試驗分析

圖5為氣體流量Q和氣液比（Q/L）對4種流道結構霧化壓降的影響曲線。從圖5a可以看出：①霧化壓降隨氣體流量的增大而增大；②不同工況下菱形錐+無凸臺結構的霧化壓降最小，菱形錐+帶凸臺結構和三角錐+無凸臺結構的霧化壓降比較接近，三角錐+帶凸臺結構的霧化壓降最大。霧化壓降隨氣量增大而增大的主要原因是［30］：氣量增大橫向氣流剪切力增大，液體流量隨氣速的增加而增大，使得液體破碎過程的能耗增加。從圖5b可以看出：①霧化壓降隨氣液比的增大略有減小，氣液比從300增大到700，菱形錐+無凸臺結構的霧化壓降最小；菱形錐+帶凸臺結構和三角錐+無凸臺結構的霧化壓降基本相同，三角錐+帶凸臺結構的霧化壓降最大。霧化壓降隨氣液比增大而減小的主要原因是：液體流量減少導致液霧體積分數降低，液體霧化破碎消耗的能量減少，且液霧體積分數降低對橫向氣流的阻力也略有減小，但霧化場的體積分數變化范圍有限，因此霧化壓降變化幅度不大。對比圖5a中不同結構還可以看出：①在凸臺結構保持一致的情況下，菱形錐結構的霧化壓降小于三角錐結構的霧化壓降；②當錐塊結構相同時，帶凸臺結構的霧化壓降大于不帶凸臺結構的霧化壓降?？偟膩砜矗庑五F結構有助于減小壓降，凸臺結構導致壓降增大。所有試驗條件下，菱形錐+帶凸臺結構與初始結構（三角錐+無凸臺結構）的霧化壓降基本相同。

2.2 霧化液滴粒徑試驗分析

2.2.1 氣液比對射流穿透深度和液滴粒徑的影響

射流穿透深度是描述橫向射流霧化混合特性的一個重要參數，會對下游的液滴分布產生直接影響，進而影響整體的霧化混合性能［31］。從高速攝像機得到的圖像中可以觀察到，氣液比對射流穿透深度產生了顯著影響。圖6所示為菱形錐+帶凸臺結構在保持氣量Q=180 m3/h不變時，Q/L分別為300、500和700時液體射流破碎形態(tài)的變化。從圖6a可以看到，Q/L為300時液體射流穿透深度基本達到上限，低速橫向氣流沒有足夠動能對液體進行充分的二次破碎。因此相當一部分液體會撞擊壁面產生壁面黏附，從而形成液膜，甚至產生液塊堆積在壁面。液膜或液塊破碎產生大粒徑液滴，導致整體霧化細度不高，霧化效果減弱。從圖6b可以看出，Q/L為500時射流穿透深度處于喉管段中間位置，既不會形成大量壁面黏附，也不會因穿透深度不足產生沿錐面流動的液膜，此時液體可以在氣動力作用下充分均勻地破碎。從圖6c可以看到，Q/L為700時穿透深度基本達到下限，以至于液體主要沿著錐面流動，只有少部分被分散成霧滴，大部分液體形成液膜再破碎，產生較多大粒徑的液滴。因此，滿足穿透深度的合理氣液比范圍為300～700，氣液比在500左右霧化效果最佳。

霧化過程中，液滴平均直徑和液滴體積分數是衡量霧化效果的重要參數，對管式氣液霧化混合器的設計優(yōu)化有重要的指導意義［32］。圖7為保持氣量Q=180 m3/h不變時，液滴索特爾平均直徑ds和體積體積分數Cv隨氣液比（Q/L）的變化曲線。從圖7a可以看出：①隨著氣液比的增加，ds逐漸減小，且減小的趨勢逐漸變緩，從大到小的順序依次為，三角錐+無凸臺結構>三角錐+帶凸臺結構>菱形錐+無凸臺結構>菱形錐+帶凸臺結構；②氣液比從300增加到700，與初始結構（三角錐+無凸臺）相比，改進結構1（三角錐+帶凸臺）、改進結構2（菱形錐+無凸臺）和改進結構3（菱形錐+帶凸臺）粒徑分別減小1.2%～3.7%、8.9%～13.7%和20.7%～21.5%；③當錐塊結構相同時，帶凸臺結構的ds小于無凸臺結構的ds；④當凸臺的結構相同時，菱形錐結構的ds小于三角錐結構的ds。隨著氣液比增加ds逐漸減小的原因主要有2個：一是氣液比增加即液體流量減小時，液體動能減小，氣液兩相的相對速度差增大，使得氣動力增大，液滴在較大氣動力的作用下破碎得更細［33-34］；二是液體流量減小時穿透深度降低，有效減少了撞擊壁面形成液膜的液量，避免了沿壁面流動的液膜破碎后形成大粒徑液滴。同時，隨著氣液比增大，液體流量相對減小，液體顆粒內氣體體積也相對減少，當氣體的能量不足以克服液體顆粒的表面張力及黏性力時，霧滴粒徑便趨于穩(wěn)定，因此粒徑減小速度由快變慢［35-36］。從圖7b可以看出：隨氣體流量增大，液體體積分數隨之減小，2種帶凸臺結構的體積分數較大，2種不帶凸臺的結構體積分數較小，其中菱形錐+帶凸臺結構的液滴體積分數最大；氣液比從300增加到700，與初始結構（三角錐+無凸臺）相比，改進結構1（三角錐+帶凸臺）、改進結構2（菱形錐+無凸臺）和改進結構3（菱形錐+帶凸臺）體積分數分別增大500%～1 669%、55%～90%和560%～1 770%。結果表明，增加凸臺可以顯著增加液滴體積分數。

2.2.2 氣體流量對液滴粒徑和體積分數的影響

保持氣液比（Q/L）為500不變時，探究氣體流量對霧化性能的影響，得到ds和液滴體積分數隨氣體流量的變化曲線，如圖8所示。

從圖8a可以看出：①液滴索特爾平均直徑ds隨氣體流量增大逐漸減小，菱形錐+帶凸臺結構的ds總體最小，ds分布集中在37～60 μm，其次是菱形錐+無凸臺結構和三角錐+帶凸臺結構，三角錐+無凸臺結構粒徑最大；②氣體流量從140 m3/h增加到220 m3/h，與初始結構相比，改進結構1、改進結構2和改進結構3的ds分別減小29.12%～31.20%、32.2%～32.70%和43.3%～43.70%；③當氣體流量在140～180 m3/h時，ds減小的速度較快，當氣體流量大于180 m3/h時，ds減小的趨勢趨于平緩。這是因為當液體流量一定時，氣體流量在一定范圍內增大，氣液間的相對速度越大，氣流對水的破碎和霧化作用明顯，故隨著氣體流量的增加，霧化液滴粒徑減小速度較快；超出此范圍后，破碎和霧化作用減弱，霧化液滴粒徑減小速度變慢［35］。從圖8b可以看出，隨氣體流量增大，液體體積分數隨之增大，不同氣量下凸臺對體積分數的影響規(guī)律與不同氣液比下凸臺對體積分數的影響規(guī)律相同。此外，當氣體流量從140 m3/h增加到220 m3/h，與初始結構相比，改進結構1、改進結構2和改進結構3體積分數分別增大211.0%～481.0%、25.9%～27.4%和243.7%～543.9%。

總的來看，菱形錐+帶凸臺結構的粒徑最小且體積分數最大，因此可以說菱形錐+帶凸臺流道結構的霧化效果最好。

2.3 菱形錐和凸臺結構對霧化性能的影響機制

2.3.1 菱形錐對霧化性能的影響機制

為深入揭示菱形錐對霧化性能的影響機制，首先通過高速攝像觀測和CFD數值模擬對三角錐和菱形錐在液體橫向射流破碎過程中對霧化性能的影響開展分析。圖9為不同錐塊下速度云圖及液體射流破碎高速攝像圖像。對比不同錐塊氣相流場速度云圖可以看出：圖9a中，三角錐+無凸臺結構在錐面尾端形成湍流死區(qū)，高速氣流向壁面流動。液體在死區(qū)內由于氣速過低難以破碎從而形成大液滴，而高速氣流將液體帶向壁面形成液膜，液膜沿壁面流動，不利于液體破碎及形成良好的氣液混合擴散效果。圖9b中，菱形錐+無凸臺結構由于增加了導流錐，速度場得到有效改善，避免了低速區(qū)產生，擴張段流場更加均勻。同時，雙文丘里結構并聯的流道可以顯著增加橫向氣流的氣動力，引導橫向氣流均勻加速，氣霧兩相擴散方向向流道中部靠近，有利于減少壁面黏附降低液膜厚度。對比三角錐和菱形錐的射流破碎高速圖像可以看出：圖9c中，三角錐結構導致大部分液體呈斜向壁面方向噴射到壁面上形成壁面黏附，過多的壁面黏附是管式霧化效果欠佳的主要因素。圖9d中，在菱形錐結構下液體呈平行和斜向流道中部的方向擴散，顯著減少了液體的壁面黏附量。菱形錐的作用還體現在低速橫向氣流的剪切力不足導致一次霧化不充分時，一部分液體沿著錐面形成的液膜在尾錐棱線處產生了強烈擾動，這部分液體以液膜形式重新進行了一次破碎，并在流道中心處受氣體剪切作用參與了二次破碎，因此菱形錐結構的霧化效果更佳。

2.3.2 凸臺結構對霧化性能的影響機制

為深入揭示凸臺結構對霧化性能的影響機制，進一步通過高速攝像觀測和CFD數值模擬對凸臺結構在液體橫向射流破碎（流量Q=180 m3/h，Q/L=450）過程中對霧化性能的影響開展分析，結果如圖10所示。對比菱形錐+帶凸臺結構、菱形錐+無凸臺結構的湍流強度云圖及流線圖可以看出，菱形錐+帶凸臺結構擴張段上、下壁面產生2個湍流強度較大的渦流區(qū)，漩渦流動方向為沿管壁向錐塊錐面流動。圖10b中，菱形錐+無凸臺結構的流場湍動強度很小，流線與壁面接近平行，向出口均勻流動。對比菱形錐+帶凸臺結構、菱形錐+無凸臺結構的高速圖像可以看出，圖10c中菱形錐+帶凸臺結構的液體在渦流區(qū)由管壁向錐塊錐面呈翻轉狀流動，當翻轉到接近凸臺高度時，一部分液團會在橫向氣流的作用下從渦流區(qū)分離出來并破碎，產生卷積破碎現象，有效增加液滴霧化量。同時，由于凸臺存在使得擴張段橫截面積變大，氣液分散效果得到顯著加強，凸臺的存在也能給予氣流充分穩(wěn)定的時間和空間，這對于下游形成穩(wěn)定霧化場具有促進作用；圖10d中，菱形錐+無凸臺結構由于缺少擾流結構，射流液體沿壁面擴散，造成較多壁面黏附，不利于良好霧化場的形成。因此，凸臺結構有助于提高管式吸收器的霧化性能。

總體來說，三角錐結構壁面黏附過多射流減小了霧化量，菱形錐結構形成了雙文丘里結構并聯流道，有助于增加氣動力、穩(wěn)定流場，并且可以有效減小壁面黏附。凸臺結構雖然會導致壓降略有增加，但由于擴張段截面積增加有助于形成良好的氣液分散效果，且形成渦流區(qū)有助于增加霧化量。因此，菱形錐結構和凸臺結構可以在較小能耗下實現液滴的充分破碎和均勻混合，有助于提高管式氣液霧化混合器霧化混合性能。

3 結 論

本文研究了4種流道結構的管式氣液霧化混合器霧化混合性能，考慮氣體流量、氣液比對霧化壓降和霧化性能的影響，重點分析了菱形錐結構及凸臺結構對管式氣液霧化混合器霧化性能的影響機制，得到如下結論：

（1）氣體流量是影響霧化壓降的主要因素，菱形錐有助于減小壓降，凸臺會導致壓降增加；霧化液滴粒徑隨氣體流量和氣液比增大逐漸減小，菱形錐+帶凸臺結構的霧化粒徑最小且體積分數最大。

（2）菱形錐結構形成雙文丘里并聯流道，可以起到導流作用，增加橫向氣流氣動力。凸臺結構有利于強化氣液分散效果，增加氣液相互作用的湍動程度，增加霧化量。2種結構都有助于減少壁面黏附，實現液滴的充分破碎和均勻混合。

（3）經過分析對比，菱形錐+帶凸臺結構與初始結構的霧化壓降基本相同；菱形錐+帶凸臺結構的管式氣液霧化混合器粒徑分布集中于37～60 μm，較初始結構粒徑最多可減小40%以上，體積分數最多可增加17倍，整體來看其霧化混合性能最優(yōu)。因此，菱形錐+帶凸臺結構為最優(yōu)流道結構。

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