趙敏潔，高有飛，馬立國(guó)，2

（1.中國(guó)石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南洛陽(yáng)471003；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京））

LSXPT-1型雙向液體噴頭的研究

趙敏潔1，高有飛1，馬立國(guó)1，2

（1.中國(guó)石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南洛陽(yáng)471003；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京））

在Φ1 000 mm有機(jī)玻璃冷模試驗(yàn)裝置上利用空氣-水系統(tǒng)考察LSXPT-1型雙向液體噴頭的分布性能、噴出的液滴粒徑、噴頭入口壓力、霧沫夾帶等隨液體流量變化的規(guī)律。結(jié)果表明：LSXPT-1型雙向液體噴頭的分布不均勻度系數(shù)在0.031～0.040之間，低于傳統(tǒng)槽式液體分布器和緩沖沉降式液體分布器的分布不均勻度系數(shù)，分布性能優(yōu)異；隨著液體流量的增大，噴頭入口壓力增大，在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，噴頭入口壓力為0.04～0.66 MPa；噴出的液滴粒徑在1 975～2 350μm之間，遠(yuǎn)高于當(dāng)氣速在3.0～4.0 m/s時(shí)因氣液流動(dòng)呈湍流狀態(tài)液滴沉降所要求的液滴粒徑（400～700μm）；該雙向液體噴頭即使在空塔氣速高達(dá)4 m/s時(shí)，其霧沫夾帶量仍不超過(guò)7%，可允許更高的操作氣速上限，提高塔的處理能力。

雙向 噴頭 不均勻度 粒徑 壓力 霧沫夾帶

煙氣脫硫技術(shù)可以分為濕法脫硫（WFGD）和干法脫硫（DFGD）兩類(lèi)，以濕法脫硫技術(shù)為主。國(guó)內(nèi)煙氣脫硫裝置大多從國(guó)外引進(jìn)。中國(guó)石化洛陽(yáng)工程有限公司根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外脫硫技術(shù)現(xiàn)狀，為降低企業(yè)的投資和運(yùn)行成本，針對(duì)石油化工領(lǐng)域催化裂化裝置煙氣排放的特性，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可再生濕法煙氣脫硫技術(shù)，為適應(yīng)該技術(shù)的工藝條件和相關(guān)塔內(nèi)設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)發(fā)了高液體通量的LSXPT-1型雙向液體噴頭［1］，在Φ1 000 mm有機(jī)玻璃冷模試驗(yàn)裝置上利用空氣-水系統(tǒng)考察LSXPT-1型雙向液體噴頭的分布性能、噴出液滴的粒徑、噴頭入口壓力、霧沫夾帶等隨液體流量變化的規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

LSXPT-1型雙向液體噴頭試驗(yàn)裝置原則流程見(jiàn)圖1。試驗(yàn)裝置主要由Φ1 000 mm實(shí)驗(yàn)塔、水箱、水泵、離心鼓風(fēng)機(jī)及相應(yīng)配套管線和調(diào)節(jié)閥組成，塔內(nèi)裝有單個(gè)雙向液體噴頭、液體收集管嘴、破沫網(wǎng)、霧沫夾帶收集器等。實(shí)驗(yàn)所用介質(zhì)為空氣、清水，水經(jīng)電磁式液體流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入雙向液體噴頭進(jìn)行噴淋分布，并由噴頭入口處的壓力表計(jì)量雙向噴頭入口處的壓力；空氣經(jīng)離心鼓風(fēng)機(jī)輸送到實(shí)驗(yàn)塔底部的氣相分布器，經(jīng)均勻分布后上行與雙向液體噴頭噴出的液體充分接觸。為了研究極少量液體隨氣體排出的規(guī)律，在雙向噴頭上方600 mm處設(shè)置了霧沫夾帶收集器，測(cè)定霧沫夾帶量。為了研究LSXPT-1型雙向液體噴頭噴出液體的分布規(guī)律，在雙向噴頭下方600 mm處均勻設(shè)置9個(gè)呈一字形排列的內(nèi)徑為Φ16 mm的液體收集管嘴，如圖1中12所示，所收集的液體通過(guò)9個(gè)液體收集管嘴流入9個(gè)量筒，根據(jù)每個(gè)量筒中水量的多少，測(cè)定液體噴頭的各點(diǎn)徑向分布量；利用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的PIV粒徑成像測(cè)速系統(tǒng)，對(duì)雙向液體噴頭噴出的液滴粒徑大小隨液體流量變化的規(guī)律進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)控制閥的開(kāi)度使液體流量由小到大逐漸變化，同時(shí)噴頭入口壓力隨液體流量的增大也逐漸變大，液體負(fù)荷為2.15～9.62 m3/h，噴頭入口壓力為0.04～0.66 MPa。

圖1 LSXPT-1型雙向液體噴頭試驗(yàn)裝置原則流程

2 結(jié)果與討論

2.1 分布均勻性能研究

實(shí)驗(yàn)中，從雙向噴頭噴出的液體通過(guò)9個(gè)液體收集管嘴和連接軟管流入量筒，通過(guò)計(jì)量在一定時(shí)間內(nèi)量筒中所收集到的液體量來(lái)定量分析每個(gè)液體流量下噴頭噴出的液體在實(shí)驗(yàn)塔內(nèi)9個(gè)徑向分布點(diǎn)的分布狀況，據(jù)此研究LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的液體分布規(guī)律。LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的液體分布規(guī)律見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，隨著液體流量的增大，每個(gè)管嘴接收的液體量也增大。雖然每個(gè)噴淋點(diǎn)的液體量有差別，但在相同的液體流量下各個(gè)噴淋點(diǎn)的液體接收量變化甚小?？梢?jiàn)LSXPT-1型雙向液體噴頭的徑向分布是非常均勻的。

圖2 LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的液體分布規(guī)律

為了量化評(píng)價(jià)LSXPT-1型雙向液體噴頭分布的均勻程度，引入?yún)?shù)不均勻度系數(shù)Mf，計(jì)算式如下［2-6］：

式中：Mf為不均勻度系數(shù)；n為接收液體的降液孔總數(shù)，n＝9；Vi為第i個(gè)降液孔的實(shí)測(cè)降液量，mL；ˉV為n個(gè)降液孔實(shí)測(cè)降液量的算術(shù)平均值，m L。

LSXPT-1型雙向液體噴頭在不同噴淋密度下的不均勻度系數(shù)見(jiàn)圖3，圖3中同時(shí)列出了緩沖沉降槽式液體分布器、傳統(tǒng)槽式液體分布器、LPT-1型單向液體分布器的不均勻度系數(shù)。從圖3可以看出：傳統(tǒng)槽式液體分布器在噴淋密度低于1.8 m3/（m2·h）、緩沖沉降式槽式液體分布器在噴淋密度低于1.2 m3/（m2·h）時(shí)，分布不均勻度系數(shù)都大于0.05，并且隨著噴淋密度的降低，二者的分布不均勻度系數(shù)迅速增大；LPT-1型單向噴頭和LSXPT-1型雙向液體噴頭，在整個(gè)噴淋密度變化過(guò)程中其噴淋不均勻度系數(shù)都很小，在0.031～0.040之間變化，且變化很平滑，說(shuō)明LSXPT-1型液體噴頭的分布性能優(yōu)異［7］。

圖3 LSXPT-1型噴頭與其它3種液體分布器在不同噴淋密度下的不均勻度系數(shù)

2.2 噴頭入口壓力隨液體流量的變化

LSXPT-1型噴頭入口壓力隨液體流量的變化見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：隨著液體流量的增大，噴頭入口壓力增大；在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，噴頭入口壓力為0.04～0.66 MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合出如下經(jīng)驗(yàn)式：

式中：pi為噴頭入口壓力，MPa；A1為系數(shù)；QL為液體流量，m3/h。

在實(shí)驗(yàn)中還觀察到：隨著液體流量和噴頭入口壓力的增大，噴頭圓錐噴淋角呈先增大后減小的變化規(guī)律，在液體流量約9.6 m3/h時(shí)，達(dá)到最大值（130℃），此后噴淋角隨著液體流量的增大而減小，漸漸超出噴頭噴淋的最佳范圍，這可為工業(yè)應(yīng)用提供重要參考。

2.3 不同噴淋截面的液滴粒徑隨液體流量的變化

利用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的PIV測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)試了在不同液體流量下距離LSXPT-1型噴頭底端400，500，600，700 mm的4個(gè)不同噴淋截面的液滴粒徑，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)：在相同噴淋截面上，液滴粒徑隨液體流量變化不大；噴淋截面距離噴頭底端越近，液滴平均粒徑越小，反之，液滴平均粒徑越大；在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，離噴頭底端400 mm的水平截面的液滴平均粒徑約為1 975μm，而距離噴頭底端700 mm的水平截面的液滴平均粒徑約為2 350μm。

圖4 LSXPT-1型噴頭的入口壓力隨液體流量的變化

圖5 LSXPT-1型噴頭在不同噴淋截面的液滴粒徑隨液體流量的變化

根據(jù)沉降原理，隨著氣相速度的增加，只有當(dāng)夾帶液體的粒徑足夠大時(shí)，液滴才容易沉降，而本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣相速度最高達(dá)到3.0～4.0 m/s，此時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為湍流，計(jì)算式如下［8］：

式中：u0為沉降速度；d為液滴粒徑；ρs為液滴密度；ρ為氣相密度；g為重力加速度。

根據(jù)上述公式計(jì)算，當(dāng)為3.0～4.0 m/s時(shí)，只有當(dāng)液滴粒徑大于400～700μm時(shí)，液滴才容易沉降。而在本實(shí)驗(yàn)所測(cè)液體流量范圍內(nèi)的4個(gè)噴淋截面的液滴平均粒徑最小為1 975μm，可見(jiàn)LSXPT-1型噴頭所噴出的液滴不容易被氣體夾帶上升成為霧沫夾帶的一部分。

2.4 噴頭的霧沫夾帶規(guī)律研究

LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的霧沫夾帶量隨氣體流量的變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：在液體流量一定時(shí)，噴出液體的霧沫夾帶量隨空塔氣速的增大而增大；當(dāng)空塔氣速高達(dá)2.47 m/s時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)微量的霧沫夾帶，空塔氣速大于3.65 m/s后霧沫夾帶出現(xiàn)快速遞增；空塔氣速達(dá)到4.0 m/s時(shí)，霧沫夾帶量小于7%，在塔器正常操作所允許的10%的霧沫夾帶量范圍內(nèi)?？梢?jiàn)LSXPT-1型雙向液體噴頭可允許更高的氣速上限，提高塔的處理能力。在板式塔中當(dāng)氣速高于2.6 m/s時(shí)，霧沫夾帶量已超過(guò)10%，這主要是因?yàn)榘迨剿?nèi)每層塔板的有效開(kāi)孔率最大不超過(guò)塔截面的20%，急劇增大了塔內(nèi)有效的氣體速度，氣體更容易將液體帶走，使霧沫夾帶量更大。而本實(shí)驗(yàn)塔接近空塔，噴頭所占據(jù)的塔內(nèi)有效空間非常少，使得氣體通過(guò)塔內(nèi)截面的自由空間增大，有效截面內(nèi)的氣體速度相對(duì)較低，在氣速低于3.3 m/s時(shí)，相同氣速下的霧沫夾帶量隨液體流量的變化不明顯；隨著氣速的增大，霧沫夾帶量曲線逐漸分開(kāi)，在相同氣速下霧沫夾帶量隨液體流量的增加而增加。

圖6 LSXPT-1型噴頭在不同液體流量下的霧沫夾帶量隨氣體流量的變化

3 結(jié) 論

（1）LSXPT-1型雙向液體噴頭的液體分布不均勻度系數(shù)在0.031～0.040之間，分布效果優(yōu)異。

（2）在液體流量為2.15～9.62 m3/h的范圍內(nèi)，LSXPT-1型雙向液體噴頭噴出的入口壓力為0.04～0.66 MPa，液滴粒徑在1 975～2 350μm之間，噴淋角度最大可達(dá)到130°，具有較大的有效噴淋面積。

（3）LSXPT-1型雙向液體噴頭在空塔氣速達(dá)到4.0 m/s時(shí)，霧沫夾帶量小于7%，在塔器正常操作所允許的10%的霧沫夾帶量范圍內(nèi)，可允許更高的氣速上限。

［1］高有飛.一種液體噴頭：中國(guó)，ZL201020211607.1［P］.2011-01-12

［2］王吉紅，于健，丁浩，等.填料塔的氣液分布及分布器的設(shè)計(jì)［J］.石油化工設(shè)計(jì)，2001，18（2）：1-7

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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。

趙敏潔，女，主要從事化學(xué)工程傳質(zhì)與分離的研究工作。

高有飛，E-mail：gaoyouf.lpec＠sinopec.com。