LSXPT-1型双向液体喷头的研究

赵敏洁，高有飞，马立国，2

（1.中国石化洛阳工程有限公司，河南洛阳471003；2.中国石油大学（北京））

LSXPT-1型双向液体喷头的研究

赵敏洁1，高有飞1，马立国1，2

（1.中国石化洛阳工程有限公司，河南洛阳471003；2.中国石油大学（北京））

在Φ1 000 mm有机玻璃冷模试验装置上利用空气-水系统考察LSXPT-1型双向液体喷头的分布性能、喷出的液滴粒径、喷头入口压力、雾沫夹带等随液体流量变化的规律。结果表明：LSXPT-1型双向液体喷头的分布不均匀度系数在0.031～0.040之间，低于传统槽式液体分布器和缓冲沉降式液体分布器的分布不均匀度系数，分布性能优异；随着液体流量的增大，喷头入口压力增大，在液体流量为2.15～9.62 m3/h的范围内，喷头入口压力为0.04～0.66 MPa；喷出的液滴粒径在1 975～2 350μm之间，远高于当气速在3.0～4.0 m/s时因气液流动呈湍流状态液滴沉降所要求的液滴粒径（400～700μm）；该双向液体喷头即使在空塔气速高达4 m/s时，其雾沫夹带量仍不超过7%，可允许更高的操作气速上限，提高塔的处理能力。

双向 喷头 不均匀度 粒径 压力 雾沫夹带

烟气脱硫技术可以分为湿法脱硫（WFGD）和干法脱硫（DFGD）两类，以湿法脱硫技术为主。国内烟气脱硫装置大多从国外引进。中国石化洛阳工程有限公司根据目前国内外脱硫技术现状，为降低企业的投资和运行成本，针对石油化工领域催化裂化装置烟气排放的特性，开发了具有自主知识产权的可再生湿法烟气脱硫技术，为适应该技术的工艺条件和相关塔内设备的高效运转，开发了高液体通量的LSXPT-1型双向液体喷头［1］，在Φ1 000 mm有机玻璃冷模试验装置上利用空气-水系统考察LSXPT-1型双向液体喷头的分布性能、喷出液滴的粒径、喷头入口压力、雾沫夹带等随液体流量变化的规律。

1 实 验

LSXPT-1型双向液体喷头试验装置原则流程见图1。试验装置主要由Φ1 000 mm实验塔、水箱、水泵、离心鼓风机及相应配套管线和调节阀组成，塔内装有单个双向液体喷头、液体收集管嘴、破沫网、雾沫夹带收集器等。实验所用介质为空气、清水，水经电磁式液体流量计计量后进入双向液体喷头进行喷淋分布，并由喷头入口处的压力表计量双向喷头入口处的压力；空气经离心鼓风机输送到实验塔底部的气相分布器，经均匀分布后上行与双向液体喷头喷出的液体充分接触。为了研究极少量液体随气体排出的规律，在双向喷头上方600 mm处设置了雾沫夹带收集器，测定雾沫夹带量。为了研究LSXPT-1型双向液体喷头喷出液体的分布规律，在双向喷头下方600 mm处均匀设置9个呈一字形排列的内径为Φ16 mm的液体收集管嘴，如图1中12所示，所收集的液体通过9个液体收集管嘴流入9个量筒，根据每个量筒中水量的多少，测定液体喷头的各点径向分布量；利用美国TSI公司生产的PIV粒径成像测速系统，对双向液体喷头喷出的液滴粒径大小随液体流量变化的规律进行研究。实验过程中，通过调节控制阀的开度使液体流量由小到大逐渐变化，同时喷头入口压力随液体流量的增大也逐渐变大，液体负荷为2.15～9.62 m3/h，喷头入口压力为0.04～0.66 MPa。

图1 LSXPT-1型双向液体喷头试验装置原则流程

2 结果与讨论

2.1 分布均匀性能研究

实验中，从双向喷头喷出的液体通过9个液体收集管嘴和连接软管流入量筒，通过计量在一定时间内量筒中所收集到的液体量来定量分析每个液体流量下喷头喷出的液体在实验塔内9个径向分布点的分布状况，据此研究LSXPT-1型喷头在不同液体流量下的液体分布规律。LSXPT-1型喷头在不同液体流量下的液体分布规律见图2。从图2可以看出，随着液体流量的增大，每个管嘴接收的液体量也增大。虽然每个喷淋点的液体量有差别，但在相同的液体流量下各个喷淋点的液体接收量变化甚小。可见LSXPT-1型双向液体喷头的径向分布是非常均匀的。

图2 LSXPT-1型喷头在不同液体流量下的液体分布规律

为了量化评价LSXPT-1型双向液体喷头分布的均匀程度，引入参数不均匀度系数Mf，计算式如下［2-6］：

式中：Mf为不均匀度系数；n为接收液体的降液孔总数，n＝9；Vi为第i个降液孔的实测降液量，mL；¯V为n个降液孔实测降液量的算术平均值，m L。

LSXPT-1型双向液体喷头在不同喷淋密度下的不均匀度系数见图3，图3中同时列出了缓冲沉降槽式液体分布器、传统槽式液体分布器、LPT-1型单向液体分布器的不均匀度系数。从图3可以看出：传统槽式液体分布器在喷淋密度低于1.8 m3/（m2·h）、缓冲沉降式槽式液体分布器在喷淋密度低于1.2 m3/（m2·h）时，分布不均匀度系数都大于0.05，并且随着喷淋密度的降低，二者的分布不均匀度系数迅速增大；LPT-1型单向喷头和LSXPT-1型双向液体喷头，在整个喷淋密度变化过程中其喷淋不均匀度系数都很小，在0.031～0.040之间变化，且变化很平滑，说明LSXPT-1型液体喷头的分布性能优异［7］。

图3 LSXPT-1型喷头与其它3种液体分布器在不同喷淋密度下的不均匀度系数

2.2 喷头入口压力随液体流量的变化

LSXPT-1型喷头入口压力随液体流量的变化见图4。由图4可见：随着液体流量的增大，喷头入口压力增大；在液体流量为2.15～9.62 m3/h的范围内，喷头入口压力为0.04～0.66 MPa。根据实验数据利用最小二乘法拟合出如下经验式：

式中：pi为喷头入口压力，MPa；A1为系数；QL为液体流量，m3/h。

在实验中还观察到：随着液体流量和喷头入口压力的增大，喷头圆锥喷淋角呈先增大后减小的变化规律，在液体流量约9.6 m3/h时，达到最大值（130℃），此后喷淋角随着液体流量的增大而减小，渐渐超出喷头喷淋的最佳范围，这可为工业应用提供重要参考。

2.3 不同喷淋截面的液滴粒径随液体流量的变化

利用美国TSI公司生产的PIV测试系统分别测试了在不同液体流量下距离LSXPT-1型喷头底端400，500，600，700 mm的4个不同喷淋截面的液滴粒径，如图5所示。由图5可见：在相同喷淋截面上，液滴粒径随液体流量变化不大；喷淋截面距离喷头底端越近，液滴平均粒径越小，反之，液滴平均粒径越大；在液体流量为2.15～9.62 m3/h的范围内，离喷头底端400 mm的水平截面的液滴平均粒径约为1 975μm，而距离喷头底端700 mm的水平截面的液滴平均粒径约为2 350μm。

图4 LSXPT-1型喷头的入口压力随液体流量的变化

图5 LSXPT-1型喷头在不同喷淋截面的液滴粒径随液体流量的变化

根据沉降原理，随着气相速度的增加，只有当夹带液体的粒径足够大时，液滴才容易沉降，而本实验过程中气相速度最高达到3.0～4.0 m/s，此时的相对运动为湍流，计算式如下［8］：

式中：u0为沉降速度；d为液滴粒径；ρs为液滴密度；ρ为气相密度；g为重力加速度。

根据上述公式计算，当为3.0～4.0 m/s时，只有当液滴粒径大于400～700μm时，液滴才容易沉降。而在本实验所测液体流量范围内的4个喷淋截面的液滴平均粒径最小为1 975μm，可见LSXPT-1型喷头所喷出的液滴不容易被气体夹带上升成为雾沫夹带的一部分。

2.4 喷头的雾沫夹带规律研究

LSXPT-1型喷头在不同液体流量下的雾沫夹带量随气体流量的变化见图6。由图6可见：在液体流量一定时，喷出液体的雾沫夹带量随空塔气速的增大而增大；当空塔气速高达2.47 m/s时才开始出现微量的雾沫夹带，空塔气速大于3.65 m/s后雾沫夹带出现快速递增；空塔气速达到4.0 m/s时，雾沫夹带量小于7%，在塔器正常操作所允许的10%的雾沫夹带量范围内。可见LSXPT-1型双向液体喷头可允许更高的气速上限，提高塔的处理能力。在板式塔中当气速高于2.6 m/s时，雾沫夹带量已超过10%，这主要是因为板式塔内每层塔板的有效开孔率最大不超过塔截面的20%，急剧增大了塔内有效的气体速度，气体更容易将液体带走，使雾沫夹带量更大。而本实验塔接近空塔，喷头所占据的塔内有效空间非常少，使得气体通过塔内截面的自由空间增大，有效截面内的气体速度相对较低，在气速低于3.3 m/s时，相同气速下的雾沫夹带量随液体流量的变化不明显；随着气速的增大，雾沫夹带量曲线逐渐分开，在相同气速下雾沫夹带量随液体流量的增加而增加。

图6 LSXPT-1型喷头在不同液体流量下的雾沫夹带量随气体流量的变化

3 结 论

（1）LSXPT-1型双向液体喷头的液体分布不均匀度系数在0.031～0.040之间，分布效果优异。

（2）在液体流量为2.15～9.62 m3/h的范围内，LSXPT-1型双向液体喷头喷出的入口压力为0.04～0.66 MPa，液滴粒径在1 975～2 350μm之间，喷淋角度最大可达到130°，具有较大的有效喷淋面积。

（3）LSXPT-1型双向液体喷头在空塔气速达到4.0 m/s时，雾沫夹带量小于7%，在塔器正常操作所允许的10%的雾沫夹带量范围内，可允许更高的气速上限。

［1］高有飞.一种液体喷头：中国，ZL201020211607.1［P］.2011-01-12

［2］王吉红，于健，丁浩，等.填料塔的气液分布及分布器的设计［J］.石油化工设计，2001，18（2）：1-7

［3］白跃华，李秀芝，李凭力，等.喷射式分布器的冷模试验［J］.石油炼制与化工，2005，36（1）：39-43

［4］李凭力，颜世闯，解利昕，等.喷射式分布器的设计［J］.石油炼制与化工，2005，36（10）：41-44

［5］畅广西，王辰涯.新型槽式液体分布器的开发与应用［J］.炼油设计，1999，29（7）：43-45

［6］高有飞，冯志军.LPT-1型液体分布器的分布性能及工业应用［J］.石油炼制与化工，2011，42（5）：81-84

［7］俞晓梅.塔器［M］.北京：化学工业出版社，2010：235-236

［8］姚玉英.化工原理（上册）［M］.天津：天津科学技术出版社，2004：137-139

RESEARCH ON LSXPT-1 TYPE DUAL-DIRECTION LIQUID SPRAY NOZZLE

Zhao Minjie1，Gao Youfei1，Ma Liguo1，2
（1.SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Luoyang，Henan 471003；2.China University of Petroleum，Beijing）

The distribution performance，liquid drop size，the inlet pressure change and entrainment of the LSXPT-1 type dual direction liquid spray nozzle were studied in air-H2O system by synthetic glass tower（ID1 000 mm）device.The results indicate that its distribution non-uniformity coefficient are between 0.031—0.040，40%lower than that of the conventional trough-type liquid distributor as well as the buffer sedimentation-type liquid distributor，exhibiting excellent distribution performance.With increase of liquid flow rate，the nozzle inlet pressure increases.The pressure can reach to 0.04—0.66 MPa and the liquid drop size from dual-direction liquid spray nozzle is between 1 975—2 350μm in the flow rate range of 2.15—9.62 m3/h，much higher than the size of 400—700μm，required for the liquid droplet settling at gas-liquid flow in turbulent state when gas velocity between 3.0—4.0 m/s.Results show that the entrainment quantity is still less than 7%when the empty tower velocity is as high as 4 m/s.Thus the new nozzle can increase the tower’s upper limit of operating gas velocity and the processing capacity.

dual-direction；spray nozzle；non-uniformity；particle size；pressure；entrainment

2013-08-15；修改稿收到日期：2013-10-22。

赵敏洁，女，主要从事化学工程传质与分离的研究工作。

高有飞，E-mail：gaoyouf.lpec＠sinopec.com。