自吸式文丘里洗涤器雾化液滴尺寸影响因素的实验研究

陈 松，郑 毅，刘 明，赵祥迪，杨 帅，王 正，袁纪武

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104 2. 中国石化销售股份有限公司山东石油分公司，山东济南 250000)

1 文丘里洗涤器雾化液滴研究现状

文丘里洗涤器是通过来自入口的气流，将液体雾化为液滴，进而使气液两相充分接触，以达到去除气体中气态或固态污染物目的的装置。文丘里洗涤器在化工行业应用广泛，在除尘以及HS等有毒气体洗消领域有着重要作用，是保障化工过程安全和降低粉尘污染的重要装置。文丘里洗涤器根据液体进入其内部方式的不同可分为外喷式和自吸式两种，其中自吸式文丘里洗涤器由气体通过喉部时产生的负压将喷管与外套管之间的液体带出，因此具有结构简单以及无需外加动力等优势，可有效降低系统复杂性。

Andreussi等提出当湍流过程雷诺数达到280时，环状间隙中的液膜会形成扰动波，从而引起液膜表面的压力变化，进而使得液膜变化为液滴。Zhou等提出文丘里的洗涤过程主要由传质和化学反应两种机制组成，这两种机制共同决定了文丘里的洗涤效率。其中，传质过程主要由气液接触面积和时间决定，而文丘里雾化液滴的尺寸，又决定了气液接触面积，故文丘里洗涤器雾化液滴的尺寸是影响其洗涤效率的重要因素。

由于雾化液滴直径的变化范围较大，难以确定其实际尺寸的分布，故通常使用平均直径来表征文丘里的雾化效果。其中，Sauter平均直径是常用的液滴直径表示方法。Simmons等利用激光衍射技术测量了水平管道中空气-水环形流动时的液滴尺寸分布，发现随着气相速度的增加，液滴的Sauter平均直径逐渐减小。在Simmons等人的实验基础上，Sarkhi等进行了不同管径下的空气-水环流实验，得出了液滴体积平均直径随管径(

D

)的增大而增大以及当气相流速大于30 m/s时，其值随

D

变化的结论，同时作者指出重力对液滴分布的影响随液滴直径的增大而增大。

Ambrosini等基于力学模型推导了环状流动中液滴尺寸的方程，在考虑液膜厚度以及液滴碰撞概率的同时，通过对大量气液流量、物性和管径的测量数据进行拟合，优化了Tatterson等提出的液滴Sauter平均直径表达式。Guerra等在考虑管壁液体沉积量的同时研究了矩形外喷式文丘里洗涤器气相流速和射流速度对雾化液滴尺寸的影响，结果表明射流速度的增大和气相速度的增大都有助于液滴尺寸的减小。

综上所述，目前对自吸式文丘里洗涤器雾化液滴尺寸实验研究较少，而液滴尺寸是影响文丘里洗涤效率的重要因素，液滴直径越小，气液接触面积越大，其洗涤效率越高，故本次研究通过改变文丘里喉部气相流速、喉部与液面高度差以及文丘里结构，探究雾化液滴尺寸的变化规律，以期为提高文丘里洗涤效率提供合理建议。

2 实验设计

本实验使用自吸式文丘里装置进行实验，装置包括喷管、扩散管、储液池、漩涡式风机，如图1所示。实验用自吸式文丘里洗涤器由304不锈钢加工而成，结构参数如图2所示。实验以空气-水作为实验介质，通过改变喉部气速、液面高度差以及文丘里结构，分析雾化液滴尺寸的变化规律。

图1 实验装置示意

图2 自吸式文丘里结构参数(单位：mm)

实验使用瑞士Sinovege公司生产的水敏试纸测量雾化液滴尺寸，待文丘里洗涤器工作稳定时将试纸在其扩散段出口处快速掠过(液面高度差为70 mm，喉部气速为47.8 m/s)，射流夹带的液滴在试纸上留下不同尺寸的斑点，如图3所示，待试纸完全干燥，将其扫描后使用Image-Pro Plus 6.0软件测量斑点的尺寸，即得到雾化液滴的尺寸分布。为减少实验误差，取3次数据的平均值作为结果。在后续讨论中，若没有说明，均采用

D

液滴直径进行分析和对比。

图3 水敏试纸记录的液滴

本次实验使用G2RB 510-7AH26-Z风机为文丘里洗涤器提供引射动力，通过改变风机变频器频率改变风量，待风量稳定后，测量文丘里洗涤器出口处风速，并计算得出喉部气速。经测量，不同带液量对气相速度影响很小，故忽略不同带液量引起的气速变化。风机频率-喉部气速对应关系如表1所示。

表1 风机频率-喉部气速对应关系

3 实验结果与分析

3.1 喉部气速对雾化液滴尺寸的影响

文丘里洗涤器的喉部气速与液面高度差是影响其雾化液滴尺寸的重要因素，本文用液滴Sauter平均直径来表征液滴尺寸。

Nukiyama和Tanasawa提出的液滴Sauter平均直径经验公式被广泛应用于液滴平均直径的计算中，如式(1)所示：

(1)

式中：

D

——液滴Sauter平均直径，m；

V

——气相速度，m/s；

V

——液相速度，m/s；

σ

——液相表面张力，N/m；

ρ

——液相密度，kg/m；

μ

——液相黏度，kg/(m·s)；

D

——液气比，L/m。

Boll等利用单色光衰减理论对雾化液滴进行了测量，进而对Nukiyama和Tanasawa提出的经验公式进行优化，如式(2)所示：

(2)

实验在

ΔH

为0，30，70 mm工况下分别进行实验，计算得出液滴平均直径后与Boll模型进行对比，如图4所示。由图4可以看出，Boll模型的液滴Sauter理论直径(

D

)均小于实验测得的数据。分析认为，Boll模型的假设条件之一是雾化率达到100%，然而在实验中进入文丘里的一部分液体会沿扩散段管壁以液膜的形式流出，因此在液滴与液膜相互转化的过程中，气相动能被耗散一部分，雾化液滴不能被充分剪切，故实验值大于理论值。随着

ΔH

的增大，

D

与实验测量值的偏差逐渐增大，同时，在

ΔH

=30 mm和70 mm的工况下，随着喉部气速的增大，

D

与实验测量值的偏差也逐渐增大，由此可知，在本文实验条件下，Boll模型在

ΔH

为0和较低气速下对液滴Sauter平均直径的预测较为精确。

图4 不同液面高度差下液滴尺寸

另外，在理论计算和实验测得的数据中，液滴平均直径均随着喉部气速的增大而减小，当

ΔH

增大时，在较低气速范围内(

V

<54.6 m/s)，液滴平均直径随着气速的增大急剧减小，而在较高气速范围内(

V

>54.6 m/s)，液滴平均直径随着气速的增大变化较为缓慢。文丘里洗涤器工作时，通过喉部的高速气体形成负压，环隙中的液体进入喉部区域，在高速气体的剪切下，进入文丘里内部的液体被雾化为不同尺寸的液滴。当气相速度较小时，文丘里带液能力不足，气相剪切力不足，导致雾化液滴平均直径偏大，当

ΔH

较大时，这一现象更为明显。另外，在实验中可以观察到，被雾化的液滴在气流作用下，一部分被带出文丘里洗涤器，一部分不断撞击文丘里扩散段内壁从而形成液膜，同时，在高速气流的剪切力作用下，部分液膜脱离文丘里内壁形成液滴。随着气速的不断增大，气体对液滴的剪切能力增加，文丘里内部气液湍流程度增加，导致雾化液滴尺寸减小，同时更多的液体被吹散至管壁，导致雾化率减小。

3.2 液面高度差对雾化液滴尺寸的影响

前人研究发现，在气相速度较低时，液面高度差

ΔH

是影响文丘里洗涤器带液量的重要因素，在相同的气相速度下，随着液面高度差

ΔH

的增大，文丘里洗涤器的带液量明显降低。带液量和气相速度共同影响雾化液滴平均直径的大小，液滴直径随液面高度差

ΔH

的变化趋势如图5所示。

图5 液滴平均直径随液面高度差ΔH的变化

由图5可知，随着液面高度差

ΔH

的增加，液滴平均直径呈减小趋势，当气相速度

V

较小时，液滴平均直径随

ΔH

的增加变化比较缓慢，当

V

>47.8 m/s时，随着

ΔH

的增加，液滴平均直径快速减小。分析认为，随着

ΔH

的增加，气相带液量降低，使得扩散段内部的液滴间距较大，在相同气速下，单位风量气体对液滴的做功能力提高，液滴平均直径逐渐减小。当

V

较小时，气相的剪切能力弱，液滴平均直径较大且随着

ΔH

的增加变化缓慢，当

V

较大时，液滴在高速气流作用下被不断剪切，故液滴平均直径快速减小。

3.3 结构改进对雾化液滴尺寸的影响

本次研究设计了3种环形挡板(A、A、A)，为贴合文丘里洗涤器扩散段内壁，3种挡板均为倒圆台状设计，外径相同，内径依次增大，具体参数如图6所示。

图6 挡板结构参数(单位：mm)

实验中依次将3种挡板置于文丘里洗涤器扩散段合适位置处，在

ΔH

=0 mm工况下，分别测量不同喉部气速下的液滴平均直径，实验数据如图7所示。由图7可知，当

V

≥47.8 m/s时，挡板的存在明显使得液滴平均直径减小，同时，液滴平均直径随喉部气速的变化趋势不受扩散段内挡板的影响。但在

V

=38.5 m/s工况下，挡板存在时的液滴平均直径略大于无挡板的工况，分析认为，喉部气速较小导致气相剪切力较小，挡板的存在虽然在一定程度上增大了扩散段内的湍流状态，但液滴在扩散段后半段的碰撞融合速率大于被气相剪切破碎的速率，故会出现实验值和预测值均增大的结果。另外，对比A、A、A三种挡板下的雾化液滴平均直径，由图7可以看出，A挡板下的液滴平均直径最大，当

V

<54.6 m/s时，A挡板下的液滴平均直径略小于A挡板下的液滴平均直径，但当

V

<54.6 m/s时，结果相反。由此可知，在本实验条件下，当

V

>54.6 m/s时，较小内径的环形挡板对液相流体具有更好的雾化效果，而当

V

<54.6 m/s时，在环形挡板内径为46～54 mm之间存在一个最佳内径，使得文丘里洗涤器雾化效果达到最好。

图7 不同文丘里结构下雾化液滴平均直径的变化(ΔH=0 mm)

由前人研究可知，随着气相速度的增加，文丘里洗涤器在带液量增加的同时雾化率减小。分析认为，当

V

>54.6 m/s时，较大的气相速度导致文丘里洗涤器扩散段内壁液膜增加，挡板内径越小，扩散段内的紊流程度越大，从而导致液滴直径不断减小。当

V

<54.6 m/s时，在气速和扩散段内壁结构的共同作用下，存在一个使得雾化液滴平均直径最小的档板结构，这为提高自吸式文丘里洗涤器洗涤效率提供了新的结构设计思路。

4 结论

本次研究通过改变自吸式文丘里洗涤器喉部气速、液面高度差以及扩散段结构，分析了其雾化液滴尺寸的变化规律，得到以下主要结论。

a) 实验测得的

D

与Boll模型的液滴Sauter理论直径变化趋势一致，且实验测得的

D

均略高于预测值。b) 雾化液滴平均直径受喉部气速影响，随喉部气速的增大，气相产生的剪切力增强，液滴平均直径逐渐减小；在

ΔH

=30 mm和70 mm的工况下，当

V

<54.6 m/s时，液滴平均直径随着喉部气速的增大迅速减小。c) 液面高度差

ΔH

通过影响文丘里洗涤器的带液量影响雾化液滴的平均直径，

D

随

ΔH

的增加呈减小趋势，且在不同

V

表现出不同的变化速率。

d) 扩散段挡板对液滴平均直径有着显著的影响，在环形挡板内径为46～54 mm之间存在一个使得文丘里洗涤器雾化效果最好的最佳内径。

自吸式文丘里洗涤器的设计除考虑雾化液滴平均直径外，还需综合考虑引射量、雾化率以及气液反应时间等因素，本研究从雾化液滴平均直径方面对自吸式文丘里洗涤器进行了实验研究，后续研究将综合考虑不同工况下自吸式文丘里洗涤器的引射量、雾化率等参数，对自吸式文丘里洗涤器的结构设计提出综合建议。