NG喷射硝化过程中雾化特性模拟试验研究

景 青，刘 晶，周致富，康 超，马 宁

（1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）

引 言

硝化是硝化甘油生产的主要工艺过程，常用的硝化器有间断式硝化器、机械搅拌连续硝化器、压空搅拌连续硝化器和喷射硝化器，其中喷射硝化器以其安全、可靠、生产效率高等优点已经逐渐取代其他几种硝化器［1－2］。连续喷射硝化生产中，甘油及混酸在压缩空气的驱动下被雾化，雾化颗粒的粒径均匀度直接影响硝化反应的程度及硝化质量的好坏。造成雾化颗粒不均匀有多方面的原因，喷射压空压力、混酸流量、甘油流量及相应管道压力对硝化反应均有很大影响，硝化器本身结构对雾化效果也起着关键性的影响。因此需要对喷射硝化器的喷雾雾场进行检测，分析不同的工艺参数对雾化颗粒均匀度及粒径分布的影响，寻找理想的喷雾场喷雾压力、混酸与甘油配比。

目前喷雾场的测试方法有很多，传统多用接触式测量方法，如收集法、液蜡冻结法及氧化镁涂层印痕法等，这些方法操作复杂，而且对喷雾场产生不同程度的影响。随着光学技术和计算机技术的发展，出现了非接触式测量技术，例如相位多普勒技术（PDA）、粒子图像测速技术（PIV）、平面激光诱导荧光技术（PLIF）以及摄影测试技术等［3］。其中相位多普勒技术多用于两相湍流喷雾流动的测量，可以同时测量喷雾场液滴的速度和直径［4］。Panchagnula M V等［5］使用相位多普勒技术测量了两种流体喷雾速度分布规律，显示喷雾速度沿径向呈高斯分布；Lund和 Sutherland等［6－7］对气体驱动喷嘴速度进行了测量，得到了相同的结论。

本研究用相位多普勒粒子测量仪（PDPA）和高速摄像仪（CCD）测量不同喷雾场喷雾压力、不同混酸与甘油配比雾场内每个液滴的粒径和速度，在采集时间段内，对通过光探头的液滴进行统计平均，得到最终的平均液滴粒径、速度以及液滴数密度，以期为工业生产提供理论参考。

1 实 验

1.1 材料和仪器

以水替代混酸，混酸流量为35kg／h，密度1.733g／cm3，折算为水的流量约为20kg／h；甘油，北方川安化工有限公司，甘油温度为52℃；以甘油、水与压缩空气作为喷雾三流体介质。

FlowSizer2033型相位多普勒粒子测量仪（PDPA），美国TSI公司，可测粒径范围为0.5μm～4mm；V611型高速摄像仪（CCD），美国Phantom公司，拍摄速度为10000fps，曝光时间为30μs，分辨率为600×800；硝化喷射器，西安近代化学研究所自主加工。

1.2 液滴直径计算方法

本研究需要的并非每个液滴的粒径与速度值，而是经过一定方法计算得到的液滴粒径与速度统计值。用PDPA测得每个液滴的粒径与速度后采用Sauter平均粒径D32表示测得的液滴统计粒径，计算方法如式（1）所示［8］

式中：di为每个液滴的粒径。

2 结果与讨论

2.1 喷雾压力对喷雾液滴直径分布的影响

甘油流量（Q）为4kg／h，配置液用水代替，水的体积流量为0.336L／min，将喷雾压力从0.1MPa逐渐升至0.16MPa，不同喷雾压力下中心液滴粒径随轴向距离的变化曲线如图1所示。

从图1可看出，随着喷雾压力的增加液滴破碎，造成粒径波动距离增加，液体需要更长的距离达到稳定的液滴尺寸。同样在大驱动压力作用下，液滴之间的速度差增加，使得液滴粒径分布的波动性增强，进一步增加液滴的不稳定距离［9］。由此可知，并非喷雾驱动压力越大，中心液滴的破碎效果越好。从图1还可以看出，当喷雾压力大于0.14MPa时，液滴的轴向距离为50mm时，喷雾未能得到稳定的液滴粒径，进一步验证了随着驱动压力的增加，液滴粒径不稳定性增加的结论。因此由中心轴向液滴粒径分布特性确定最佳喷雾压力为0.12MPa，超过0.12MPa后，液滴粒径的波动性增大，当驱动压力为0.16MPa时，液滴粒径的稳定距离还未达到，说明粒径波动性仍然很强。

图1 不同喷雾压力下中心液滴粒径随轴向距离的变化曲线Fig.1 The curves of droplet size in centre changed with nozzle axial distance under different spray pressure

2.2 甘油流量对喷雾液滴粒径分布的影响

在水流量不变、喷雾压力为0.12MPa，不同甘油流量（Q）作用下中心液滴粒径的轴向分布曲线如图2所示。

图2 不同甘油流量作用下中心液滴粒径的轴向分布曲线Fig.2 The curves of droplet size in centre changed with nozzle axial distance under different glycerol flows

由图2可以看出，甘油流量为4kg／h时，液滴粒径较大，继续增加甘油流量时液滴粒径有明显减小的现象；当甘油流量为5和6kg／h时，液滴粒径差别不大，甘油流量为5kg／h时液滴粒径分布的脉动性最小，并且达到液滴粒径中心稳定区域所需的加速距离最短，仅需要30mm左右。因此甘油流量5kg／h为最佳中心液滴粒径分布的操作条件，液滴粒径对压力变化具有较小的跟随特性。

2.3 喷雾雾场分布规律

2.3.1 喷雾径向液滴粒径分布

为了探索最佳驱喷雾力下液滴粒径径向分布是否满足工业要求，测量了甘油流量5kg／h、喷雾压力0.12MPa时不同轴向距离下液滴的径向分布曲线如图3所示。

图3 甘油流量5kg／h、喷雾压力0.12MPa时液滴粒径沿径向的分布曲线Fig.3 The distribution curves of particle size along radial distance under glycerol flow is 5kg／h and driving pressure is 0.12MPa

由图3可以看出，液滴粒径随着喷雾径向距离（R）的增加而增大，在不同轴向距离时喷雾边缘区域的液滴粒径最大，而中心部分的液滴粒径最小。这是由于在中心部位气体对液体可以充分加速，在较大的气液两相速度差作用下，液体被充分破碎，但是边缘液滴由于没有被气体充分加速，其破碎主要依靠与空气之间的速度差来进行（将这一破碎机理称为二次破碎），破碎效果较弱，导致边缘液滴粒径较大［10－11］。由图3还可以看出，随着轴向距离的增加，边缘液滴粒径也呈减小趋势，这主要由喷嘴结构决定，由于驱动气体在喷嘴内部经过旋流槽，导致驱动气体在出口具有圆周运动的特性，因而被加速的液滴也具有圆周运动特性，大小液滴惯性产生径向速度差，液滴之间相互作用使得随着喷雾轴向距离的增加，液滴径向速度差异稍微减小，因此由于速度而引起的破碎作用会稍微增强，使得随着轴向距离增加液滴粒径分布更为均匀。

2.3.2 喷雾径向液滴速度分布

甘油流量5kg／h，喷雾压力0.12MPa时液滴速度的径向分布曲线如图4所示。

由图4可以看出，随着轴向距离的增加，液滴速度差异逐渐变小。就相同径向距离来看，液滴速度并不随喷雾距离的增加而减小，中心液滴速度随轴向距离的增加呈降低趋势，这也说明液滴径向之间有作用力存在，与较大轴向距离下液滴粒径的径向分布差异较小相吻合。从液滴速度分布来看，喷雾距离为50mm时液滴处于稳定阶段。

图4 甘油流量5kg／h、驱动压力0.12MPa时液滴速度沿径向的分布曲线ig.4 The distribution curves of particle speed along radial distance in different axial distances under glycerol flow is 5kg／h and driving pressure is 0.12MPa

液滴速度的全径向分布曲线如图5所示。

图5 50mm轴向距离时不同甘油流量液滴速度的径向分布曲线Fig.5 The distribution curves of particle speed along radial distance under different glycerol flows when the axial distance is 50mm far from nozzle

从图5可以看出，液滴速度分布呈良好的高斯分布，这一结果与文献［5－7］的结论一致。由图5还可以看出，尽管喷雾液体混合比例不同，但喷雾液滴达到的最大速度相差不大，约为35m／s，能够达到较好的喷雾效果。

2.4 雾化效果实验验证

不同喷雾压力下3种流体喷雾的高速摄像图像见图6。

从图6（a）可以看出，当无驱动气体作用时，两种液体从喷嘴出口流出，中心黄绿色液体为甘油，外部包裹的透明液体为水，随着喷雾压力的增加两种液体被驱动气体带动作旋转运动；从图6（b）可以看出，在低喷雾压力作用下，喷雾区域分为紧邻喷嘴区和再次破碎区两个部分。这两个区域液滴破碎机理是不相同的，在紧邻区液体被旋转运动的气体加速，并且破碎为液丝状，由于惯性作用，丝状液体被甩出喷嘴中心位置，运动的液丝在第2区域由于与大气存在速度差进而被破碎为更细小的液滴［12］。

图6 3种流体喷雾高速摄像图像Fig.6 The CCD diagrams of thri－fluid spray

不同甘油流量下喷嘴喷雾特性的高速摄影图见图7。

图7 不同甘油流量下喷嘴喷雾特性图像Fig.7 Diagrams of spray character under different glycerol flows

从图7可以看出，当甘油流量为4kg／h时，其雾场范围明显小于5和6kg／h，因而从雾化锥角和雾化区域来看后两种流量配比更有优势。从图7还可以看出，喷雾边缘有未充分加速而形成的大液滴，这就有待对喷嘴结构进一步优化。

3 结 论

（1）当喷雾压力为0.12MPa、甘油流量为5kg／h时，硝化喷射器喷雾雾化效果最好，此时中心液滴粒径分布最小，为20μm。

（2）液滴粒径随轴向距离的增加而缩小，随径向距离的增加而增大；喷雾径向速度服从高斯分布。

（3）3种流体在喷射器喷雾边缘还存在未充分雾化的大液滴，因此需要对喷射器的结构进一步优化。

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