CN112452577A - 一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及催化裂解多产化学品领域，尤其涉及原油高效雾化喷嘴技术。所述一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴包括，一级气泡破碎、二级撞击破碎、三级喉管式破碎、四级喉管式再破碎。最后经扩张缓冲室(18)进入喷头(24)由喷嘴喷口(19)喷射而出。因喷口呈倾斜状，最终形成薄扇形喷射雾状流，以有利于雾状流与来自预提升段的催化剂颗粒流充分混合。本新型喷嘴充分利用了气泡瞬间爆破的原理，并集成靶式喷嘴和喉管类喷嘴的优点特征，实现了高粘原油雾化性能的极大提升，有效产生粒径较小、粒径分布较窄的雾滴，且具有雾滴出射速度可调、气液比较低、雾化过程平稳、操作弹性大、结构简单、耐冲击磨损、减小裂解过程结焦等特点。

Description

一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴
技术领域
本发明涉及催化裂解多产化学品领域，尤其涉及原油高效雾化喷嘴技术。
背景技术
世界炼油工业正从传统燃料型炼厂转为炼化一体化模式。近年来，由于世界各国环境保护力度的加大、新能源汽车的大力发展、全球化学品需求的快速增长、原油价格的震荡和走低，正在重塑世界炼油行业格局，原油多产化学品悄然成为全球各大原油公司竞争方向。传统燃料型炼油厂的化学品产率约为5％～10％，常规炼化一体化装置化学品产率约为10％～20％，而原油多产化学品工厂超过60％甚至可达到70％以上。国外ExxonMobil开创了原油直接制化学品商业化项目的先河。国内已经开始利用先进炼化工艺技术建设原油最大化制化学品工厂，包括恒力石化大连长兴岛项目、浙江石化舟山项目、盛虹连云港项目等。
原油制化学品的重要设备单元是提升管反应器，而喷嘴是提升管反应器的关键组件之一。喷嘴的作用就是将原油快速分散成小液滴，喷入提升管内遇到高温催化剂迅速蒸发，然后发生催化裂解反应。原油雾化的效果直接影响催化裂解反应的产品组成、分布和结焦状况。良好的喷嘴能够改善产品分布，获得理想产物组成，降低结焦率，延长设备运行周期。因此，设计适于高粘度原油雾化的喷嘴是开发原油制化学品工艺的重要任务之一。理想的喷嘴应该具有以下特点：液滴粒径小、分布均匀、粒径分布范围窄、雾滴从喷口射出速度适中、不易堵塞、喷嘴压降小、气液比小、操作弹性大、喷射雾化过程稳定、结构简单、耐冲蚀等。
自上世纪六十年代以来，全球各大原油公司均对喷嘴做了大量研究。例如，埃索原油公司开发了适用于侧向进料的带螺旋叶片喷嘴(USP 3152065)、扩散管型喷嘴(USP3654140)和螺旋型喷嘴(GB 1357220)，太阳原油公司开发了适用于侧向进料的带分散锥形喷嘴(USP 3848811)、适合于中心进料的带截头锥形喷嘴(JTB-018404)，环球油品公司开发了适于中心进料的带分布板型喷嘴(USP 4097243、USP 4049964)，英国原油公司开发了组合式喷嘴(GB 1530809)，兼顾了雾化性能和流股分配问题。虽然结构不同，但是雾化机理相似，均依赖于雾化介质和原料油之间的高速冲撞，因此，流股速度是影响喷嘴雾化效果的关键变量之一。速度越大，雾化效果越好，但雾化速度越大，同时对提升管内催化剂颗粒冲击力越大，可加速催化剂磨损，同时也会对提升管喷嘴周围流场产生较大影响，不利于装置的稳态操作运行，还会消耗较多能源，不利于节能降耗，增加企业运行成本。
鉴于上述原因，一些大型原油公司又相继开发了多种新型雾化喷嘴，如Kellogg公司开发了Atomax及其改进Atomax-2喷嘴；UOP公司以Premix为基础推出了Optimix喷嘴；Lummus公司开发了一种成膜型设计的Micro-Jet进料喷嘴；洛阳森德石化工程有限公司开发了一种多级雾化的重油催化裂化防结焦喷嘴(CN202786132U)。但是从雾化原理上来说，主要分为以下几类：1、喉管类雾化喷嘴，如LPC型喷嘴、KH-2型喷嘴，主要利用收敛-扩张的喉道形特殊几何结构，尽可能大地提高雾化蒸汽流速和油相间的速度差，依靠气体动能撕裂液体薄膜，达到使原料油破碎成微油颗粒的目的。2、靶式类喷嘴，如BX-Ⅱ型靶式喷嘴、直隔板HW型喷嘴，主要利用高压油料高速冲击障碍物，在障碍物表面形成油膜，在横向雾化气流的高动能和高湍动作用下油膜迅速破裂形成溅射雾滴，但是这类喷嘴需要较高的油压和较大的气液比。3、旋流式雾化喷嘴，如BWJ型，主要利用离心力形成液膜，其主要特点是在喷嘴混合室后增设一个气液两相旋流器。4、气泡雾化喷嘴，该类喷嘴利用微小气泡在喷口处瞬间释放气泡内外压差能，快速高效使周围液体分散成微小液滴。从目前研究结果来看，气泡喷嘴雾化效果受流速和粘性影响较小，非常适合于高粘度重油的雾化，显示出优良的雾化性能，但是目前在国内装置上应用较少。
综上所述，本发明旨在充分了解和吸收现有各种类型喷嘴优点的基础上，充分发挥不同雾化原理的优势，集成设计新型原油雾化喷嘴，形成一种适于原油催化裂解的多级强化复合集成创新喷嘴。新设计的喷嘴具有雾滴粒径更小、分布更均匀、操作弹性大、不易堵塞、喷嘴出口速度灵活可调等优点，适于原油催化裂解。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种适于原油催化裂解的新型复合多级强化喷嘴，集成喉管类、靶式类和气泡雾化喷嘴的优势，创新设计复合雾化喷嘴，实现高粘原油雾化性能的极大提升，产生雾化粒径细小而均匀(本发明平均粒径35～40μm，经典传统粒径60μm左右)、粒径分布较窄、雾滴出射速度可调、气液比较低、雾化过程平稳、操作弹性大、结构简单、耐冲击磨损等效果。可广泛用于原油化工领域，特别适用于高粘度原油的催化裂解过程。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种适于原油催化裂解的高效雾化喷嘴，也可用于其他需要喷雾的工业领域。所述雾化喷嘴关键结构包括(如附图1所示)：(1)蒸汽入口；(2)原油入口；(3)蒸汽入口；(4)第一喉道；(5)泡化多孔管壁；(6)外腔室；(7)内腔室；(8)导流锥；(9)喷嘴壳体；(10)辅助蒸汽入口；(11)辅助蒸汽入口：(12)辅助蒸汽入口；(13)辅助蒸汽入口；(14)抑结焦多孔壁；(15)缩流腔道；(16)第二喉道；(17)抑结焦多孔壁；(18)扩张缓冲室；(19)喷嘴喷口；(20)外管壁；(21)椭球体；(22)喷嘴壁；(23)气液微通道混合器；(24)喷头；(25)喷嘴壳体外壁；(26)椭球体支撑杆；(27)气液微通道混合器出口；(28)蒸汽腔室；(29)蒸汽腔室。
所述雾化喷嘴内流体流向为，雾化蒸汽从蒸汽入口(3)进入内腔室(7)后，经多孔管壁(5)从内向外沿径向流出，且与从原油入口(2)进入的原油混合，产生泡状流，形成一次混合物。一次混合物泡状流经气液微通道混合器出口(27)高速撞击椭球体(21)后，产生溅射物且与来自于第一喉道(4)的高速蒸汽混合，形成二次混合物。二次混合物随后沿缩流腔道(15)、第二喉道(16)、扩张缓冲室(18)前行，在前行的过程中还与抑结焦辅助蒸汽(10、11、12、13)混合，形成三次混合物。三次混合物最后经喷口(19)喷射出。
所述雾化喷嘴内多级雾化原理为，原油在气液微通道混合器(23)内，与蒸汽形成高气含率的气液多相流混合物，致使原来呈连续流动的原油转变为不连续的分散流，形成原油的第一次分裂破碎。气液混合物经微通道混合器出口(27)时，由于出口突变导致气泡迅速破碎，随后造成气泡周围原油的撕裂破碎，形成原油的第二次分裂破碎。第二次分裂破碎后的混合物，继续高速撞击椭球体(21)，与椭球体壁面碰撞，高速动能部分转化为液滴的表面能，液滴进一步破碎，形成第三次分裂破碎。第三次分裂破碎后的混合物，继续被来自于第一喉道(4)的高速蒸汽冲击，由于速度差的原因致使液滴进一步被撕裂，形成第四次分裂破碎。第四次分裂破碎后的混合物，继续流经缩流腔道(15)和第二喉道(16)，气液速度差进一步被拉大，液滴被进一步撕裂，形成第五次破碎。第五次破碎后的混合物，最后进入喷头(24)，经小扁平喷口(19)以扇形结构喷出，形成最后一级的撕裂，即第六级破碎。
所述雾化喷嘴雾化原料为原油，也可为其它液体，例如水、汽油、柴油、燃料油等。雾化介质为蒸汽，也可为其它气体，例如干气(甲烷、乙烷、二氧化碳、氮气等)。
优选地，蒸汽入口(1)进料介质为水蒸汽。
优选地，蒸汽入口(1)进料压力为1.5atm、2.0atm、2.5atm、3atm、3.5atm、4.0atm、4.5atm、5.0atm、5.5atm、6.0atm、6.5atm、7.0atm、7.5atm、8.0atm、8.5atm、9.0atm、9.5atm、10.0atm、10.5atm、11.0atm、12.0atm(绝对压力)等。
优选地，蒸汽入口(1)进料通量为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0倍的原油处理量。
所述雾化喷嘴，增设气液微通道混合器(23)，由内外管组成，内腔室(7)通蒸汽，外腔室(6)通原油。对于单个喷嘴，所述气液微通道混合器沿OX轴呈环形阵列分布，如图3所示。
优选地，对于单个喷嘴，气液微通道混合器的数目n为2、4、6、8、10，具体数目依据单喷嘴原油加工处理量和其它部位几何结构尺寸优化而定。
优选地，气液微通道混合器中心线与OX轴的夹角β为20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90°。
优选地，气液微通道混合器外腔室(6)直径(D5)为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm、11.5mm、12.0mm、12.5mm、13.0mm、13.5mm、14.0mm、14.5mm、15.0mm、15.5mm、16.0mm、16.5mm、17.0mm、17.5mm、18.0mm、18.5mm、19.0mm、19.5mm、20mm。
优选地，气液微通道混合器内腔室(7)直径(D6)为0.1mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm、11.5mm、12.0mm、12.5mm、13.0mm、13.5mm、14.0mm、14.5mm、15.0mm、15.5mm、16.0mm、16.5mm、17.0mm、17.5mm、18mm。
气液微通道混合器内管管壁微孔径为0.001mm、0.005mm、0.010mm、0.015mm、0.020mm、0.025mm、0.030mm、0.035mm、0.040mm、0.045mm、0.050mm、0.055mm、0.060mm、0.065mm、0.070mm、0.075mm、0.080mm、0.085mm、0.090mm、0.095mm、0.100mm、0.105mm、0.110mm、0.115mm、0.120mm、0.125mm、0.130mm、0.135mm、0.140mm、0.145mm、0.150mm、0.155mm、0.160mm、0.165mm、0.170mm、0.175mm、0.180mm、0.185mm、0.190mm、0.195mm、0.200mm、0.250mm、0.300mm、0.355mm、0.400mm、0.450mm、0.500mm、0.550mm、0.600mm、0.650mm、0.700mm、0.750mm、0.800mm、0.850mm、0.900mm、0.950mm、1.000mm、1.050mm、1.100mm、1.150mm、1.200mm、1.250mm、1.300mm、1.350mm、1.400mm、1.450mm、1.500mm、1.550mm、1.600mm、1.650mm、1.700mm、1.750mm、1.800mm、1.850mm、1.900mm、1.950mm、2.000mm。鉴于原油高粘及易结焦特性，优选地，气液微通道混合器内管管壁微孔径为1.000mm、1.050mm、1.100mm、1.150mm、1.200mm、1.250mm、1.300mm、1.350mm、1.400mm、1.450mm、1.500mm。
优选地，气液微通道混合器内管管壁微孔开孔率为0.1、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60。
优选地，气液微通道混合器内管长度(L1)为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm、115mm、120mm、125mm、130mm、135mm、140mm、145mm、150mm、155mm、160mm、165mm、170mm、175mm、180mm、185mm、190mm、195mm、200mm，具体长度视原油处理量和要求的气含率而定。
优选地，气液微通道混合器缩管直径(D4)为0.1mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、10.5mm、11.0mm、11.5mm、12.0mm、12.5mm、13.0mm、13.5mm、14.0mm、14.5mm、15mm。
优选地，气液微通道混合器出口处气含率范围为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60。
优选地，气液微通道混合器外管材料为金属(例如不锈钢、碳钢、铝合金等)，多孔内管材料为金属烧结材料、陶瓷等。
第一喉道(4)出口处增设椭球形障碍物椭球体(21)，以使气液微通道混合器(23)产生的泡状混合流高速撞击该椭球体(21)，在撞击过程中使液滴进一步破碎细化。该椭球体由支撑杆(26)支撑固定。
优选地，支撑杆(26)数目为4、6或8，且围绕椭球体中心线即OX轴呈环形阵列分布。
优选地，所述椭球体(21)材质为金属。
所述椭球体(21)内部为空心或实心结构。
优选地，所述椭球体(21)内部为空心结构，以利于发生共振。
优选地，所述椭球体(21)短半轴b/长半轴a的比值为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90。
优选地，所述椭球体(21)前段距蒸汽入口(1)的距离L6为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0倍的R1，其中R1为喷嘴外形轮廓半径。
从椭球体(21)溅射出的液滴继续被来自于第一喉道(4)的高速蒸汽，进一步因气液速度差的原因继续深度破碎，以产生更加细微的原油液滴，进而增强雾化效果。另外，高速蒸汽还可以雾化椭球体表面少量的液膜。喷嘴外廓基准尺寸为R1，尺寸范围为10～200mm。
优选地，所述第一喉道(4)的直径D3为0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20倍的R1(以R1为基准尺寸)。
优选地，蒸汽入口(1)处的内径尺寸(R2)为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95倍的R1。
气液混合物流经缩流腔道(15)，继续进入第二喉道(16)，经第二喉道加速进一步发生深度雾化，形成更加细小的雾滴。然后进入扩大缓冲室(18)，最后通过喷头(24)上的喷口(19)射出，射出过程中还会继续发生深度破碎雾化现象。
优选地，所述蒸汽腔室(28)的最窄处尺寸(D7)为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50倍的R1。
优选地，所述第二喉道(16)的最窄直径D8为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50倍的R1；
优选地，所述蒸汽腔室(28)两端夹角γ1为10、15、20、25、30、35、40°；
优选地，所述蒸汽腔室(28)两端夹角γ2为10、15、20、25、30、35、40°；
优选地，所述第二喉道(16)与几何中心线即OX轴的夹角β2为10、15、20、25、30、35、40、45°。
优选地，所述第二喉道(16)与几何中心线即OX轴的夹角β3为10、15、20、25、30、35、40、45、50°。
优选地，长度L5为1、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0倍的R1。
优选地，长度L4为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0倍的R1。
优选地，长度L3为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5倍的R1。
优选地，长度L2为1、2、3、4、5倍的R1。
辅助蒸汽入口分别从(10)、(11)(12)、(13)进入腔室，并经抑结焦多孔壁面(14)、(17)喷出，与主流混合。设置辅助蒸汽的目的是为了：1、内部通道边壁附近产生气膜，延缓原油在内部壁面的结焦进程，防止内部壁面形成焦状物和阻塞喷口(19)，有效延长喷嘴的使用运行周期。2、兼顾调节气量气速，以调节四级破碎效率。
优选地，所述抑结焦多孔壁面(14)、(17)的孔径为1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3.0mm。
优选地，所述抑结焦多孔壁面(14)、(17)的开孔率为10％、15％、20％、25％、30％。
优选地，所述抑结焦多孔壁面(14)、(17)的材料为金属。
优选地，蒸汽入口(3)进料介质为水蒸汽、干气(氮气、甲烷、乙烷等)。
优选地，蒸汽入口(3)进料压力为1.5atm、2.0atm、2.5atm、3atm、3.5atm、4.0atm、4.5atm、5.0atm、5.5atm、6.0atm、6.5atm、7.0atm、7.5atm、8.0atm、8.5atm、9.0atm、9.5atm、10.0atm、10.5atm、11.0atm、12.0atm(绝对压力)等。
优选地，蒸汽入口(3)进料通量为0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55、1.60倍的原油处理量；
优选地，原油入口(2)进料压力为1.5atm、2.0atm、2.5atm、3atm、3.5atm、4.0atm、4.5atm、5.0atm、5.5atm、6.0atm、6.5atm、7.0atm、7.5atm、8.0atm、8.5atm、9.0atm、9.5atm、10.0atm、10.5atm、11.0atm、12.0atm(绝对压力)等。
喷头(24)顶部设有喷口(19)，所述喷口结构(19)如附图4所示，呈长方形，目的是为了使喷出流股呈扇形，以更加适应提升管催化裂化反应器。
优选地，尺寸(L7)为0.005、0.010、0.015、0.020、0.025、0.030、0.035、0.040、0.045、0.050倍的R1。
优选地，尺寸(L8)为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10倍的R1。
优选地，所述喷口喷射角度α为15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65°，具体大小由喷口处流体速度和喷口尺寸综合而定。
与现有技术相比，本发明至少具有如下效果：
1.本发明新型复合多级雾化喷嘴，充分利用了气液多相流动及其途经出口(27)时，因流道急剧扩径、气泡内外压力差骤变、气泡迅速破碎导致产生液滴的原理，并集成靶式喷嘴和喉管类喷嘴的优良特征，实现了高粘原油雾化性能的极大提升，有效产生雾化粒径细小而均匀(本发明平均粒径10～30μm，经典传统粒径60μm左右)、粒径分布较窄、雾滴出射速度可调、气液比较低、雾化过程平稳、操作弹性大、耐冲击磨损等效果。
2.本发明设计结构相对简单，适合于原油等高粘液体的雾化，同时本发明也适用于其它传统液体(例如：水等)的雾化，可广泛适用于原油、化工领域。
附图说明
图1为新型复合多级强化原油雾化喷嘴结构示意图(XY平面)。
图中标记示意为：(1)蒸汽入口；(2)原油入口；(3)蒸汽入口；(4)第一喉道；(5)泡化多孔管壁；(6)外腔室；(7)内腔室；(8)导流锥；(9)喷嘴壳体；(10)辅助蒸汽入口；(11)辅助蒸汽入口：(12)辅助蒸汽入口；(13)辅助蒸汽入口；(14)抑结焦多孔壁；(15)缩流腔道；(16)第二喉道；(17)抑结焦多孔壁；(18)扩张缓冲室；(19)喷嘴喷口；(20)外管壁；(21)椭球体；(22)喷嘴壁；(23)气液微通道混合器；(24)喷头；(25)喷嘴壳体外壁；(26)椭球体支撑杆；(27)气液微通道混合器出口；(28)蒸汽腔室；(29)蒸汽腔室。
图2为新型复合多级原油雾化喷嘴主要尺寸标注示意图(XY平面)。
图3为气液两相微通道混合器排布示意图(YZ平面)。
图4为喷嘴出口开口形式示意图(YZ平面)。
图5为喷嘴出口开口形式示意图(XZ平面)。
图6为椭球体二维示意图(XY平面)。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。但下述实例仅仅是本发明的例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
大庆原油雾化：一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，如图1所示，一定通量的大庆原油FLUXoil经外部装置预加热至220～250℃，由高压泵加压至10atm左右送至喷嘴入口(2)处，进入外腔室(6)，待与水蒸汽混合。一定量的雾化过热水蒸汽FLUXgas经外部装置预加热至250±20℃，由压缩机加压到10atm左右送至蒸汽入口(3)，然后进入内腔室(7)，再经泡化多孔管壁(5)流出，在管壁(5)外表面与大庆原油混合形成气泡。泡状气液高压混合流沿着外腔道(6)继续流向气液微通道混合器出口(27)。其中，质量比FLUXgas/FLUXoil＝0.8，D5为14mm，D6为10mm，泡化多孔管壁(5)的孔径为1mm(对于高粘原油，孔径不宜过小，否则容易阻塞孔道)，D4为6mm，L1为100mm，多孔管壁(5)开孔率为0.25，泡化多孔管壁(5)的材料为多孔微孔金属粉末烧结管。
在气液微通道混合器出口(27)处，由于骤然扩径的原因，在气泡内外压差的推动下，气泡迅速破碎，致使原油雾化。此时一次雾化液滴尺寸较大，在毫米级以上。此气液混合物以高速射流的方式，冲向椭球体(21)，在椭球体表面溅射向四周，形成液滴的再次粉碎雾化，液滴尺寸迅速降至毫米级以下。其中，气液微通道混合器中心线与OX轴的夹角β为30°，椭球体短半轴b/长半轴a的比值为0.35，椭球体为空心金属结构，壁厚3mm。椭球体(21)前段距蒸汽入口(1)的距离L6为3.0倍的R1，其中R1为喷嘴外形轮廓半径，为30mm。
经椭球(21)粉碎雾化后的混合物，与来自于第一喉道(4)的高速蒸汽进一步冲撞，进一步粉碎雾滴。其中，蒸汽入口(1)处的水蒸汽温度为250±20℃，压力为10atm左右，通量为原油处理量的1.0倍。第一喉道(4)的直径D3为0.10倍的R1，尺寸R2为0.45倍的R1。
上述气液混合物，继续经缩流腔道(15)，进入第二喉道(16)，进一步破碎雾化，至扩张缓冲室(18)。其中，尺寸D8为0.05倍的R1，尺寸L5为1.5倍的R1，尺寸L4为0.8倍的R1，尺寸L3为0.7倍的R1，尺寸L2为2倍的R1。
扩张缓冲室(18)中的气液混合物，继续经由喷嘴喷头(24)以扇形状态喷射出，形成平均粒径45μm的原油雾滴。喷口(19)结构如图4所示。其中，尺寸(L7)为0.01倍的R1，尺寸(L8)为0.03倍的R1，喷射角度α在60°左右。
另外，为了抑制结焦，降低结焦量，延长喷嘴运行周期，特设置辅助蒸汽及其腔室，辅助蒸汽入口(10)、(11)、(12)、(13)的水蒸汽为经外部装置预加热至250±20℃，压力为10atm，通量为0.2倍的原油处理量。抑结焦多孔壁面(14)、(17)的孔径为1.0mm，开孔率为15％。所述蒸汽腔室(28)两端夹角γ1为25°。所述蒸汽腔室(28)两端夹角γ2为30度。所述第二喉道(16)与几何中心线即OX轴的夹角β2为20°。所述第二喉道(16)与几何中心线即OX轴的夹角β3为35°。
利用上述喷嘴结构及尺寸，原油雾化液滴平均粒径为45μm，最大粒径尺寸为60μm。
对比例1-1
与实施例1的区别仅在于：用洛阳森德石化工程有限公司的重油催化裂化防结焦喷嘴(CN202786132U)代替实施例1中所用喷嘴。
所得原油雾化液滴平均粒径为62μm，最大粒径达116μm。
实施例2
0号柴油雾化：利用实施例1中的喷嘴结构和参数，用当前北京地区常温0号柴油代替高温原油，用常温空气代替高温水蒸气，其它均与实施例1中的保持一致。可以得到平均粒径为38μm的柴油雾滴，雾滴粒径显著减小,最大粒径为58μm，粒径范围显著变窄。
对比例2-1
与实施例2的区别仅在于：用洛阳森德石化工程有限公司的重油催化裂化防结焦喷嘴(CN202786132U)代替实施例2中所用的喷嘴。
所得柴油雾化液滴平均粒径为51μm，最大粒径达88μm。
实施例3
92号汽油雾化：利用实施例1中的喷嘴结构和参数，用当前北京地区92号常温汽油代替高温原油，用常温空气代替高温水蒸气，其它均与实施例1中的保持一致。可以得到平均粒径为35μm的汽油雾滴，雾滴粒径显著减小，最大粒径为55μm，粒径范围显著变窄。
对比例3-1
与实施例3的区别仅在于：用洛阳森德石化工程有限公司的重油催化裂化防结焦喷嘴(CN202786132U)代替实施例3中所用的喷嘴。
所得汽油雾化液滴平均粒径为50μm，最大粒径达86μm。
实施例4
与实施例1的区别仅在于：质量比FLUXgas/FLUXoil＝0.85，泡化多孔管壁(5)的孔径为1.5mm，多孔管壁(5)开孔率为0.20，气液微通道混合器中心线与OX轴的夹角β为35°。
利用上述喷嘴结构及尺寸，原油雾化液滴平均粒径为42μm，最大粒径尺寸为55μm。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明各原料的等效替换，均在本发明的保护和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，连续相原油分级进行破碎雾化，经四级强化实现原油的高效雾化；原油先经一级气泡破碎雾化，其基本流程为：经外部预加热的原油经原油入口(2)进入气液微通道混合器(23)的外腔室(6)；雾化蒸汽经蒸汽入口(3)进入气液微通道混合器(23)的内腔室(7)，并经内腔道表面的泡化多孔管壁(5)进入外腔室(6)，与外腔室(6)内的原油混合，在外腔室(6)内形成高气含率的气液混合物，且气泡大小为微米级；微米级的气泡经变径管增压加速流至气液微通道混合器出口(27)处，由于空间的急剧增大和气泡的内外压差导致在气液微通道混合器出口(27)气泡迅速破碎，形成细小的雾化液滴，实现一级气泡破碎雾化；
一级破碎雾化后的液滴，以较高的线速度、一定角度β射向前方的椭球体(21)，高速雾滴撞击椭球体后继续破碎产生更小的雾滴；以此实现原油的二级雾化；称之为二级撞击破碎雾化；
二级撞击破碎雾化后的液滴，与来自于第一喉道(4)的高速蒸汽混合；在高速蒸汽与液滴速度差和界面张力的作用下，进一步被撕裂成更加细小的液滴，形成喉管式三级雾化单元，实现了原油的三级破碎雾化；另外，来自于第一喉道(4)的高速气流还会对椭球体(21)表面的薄膜流进行有效撕裂，此薄膜流是气液微通道混合器出口(27)雾滴高速撞击椭球体而在椭球体表面产生的；
三级雾化后的气液混合物继续经喉管式结构(缩流腔道(15)、第二喉道(16)、扩张缓冲室(18))，经第二喉道(16)进一步增加气液两相的速度差，在速度差和界面张力的作用下，继续进行液滴的破碎雾化过程，实现原油的四级雾化过程；气液混合物流经扩张缓冲室(18)，再经由喷嘴喷口(19)以扇形形式喷出，最终实现原油的高效雾化；
优选地，蒸汽入口(1)进料介质为水蒸汽、干气(氮气)等；
优选地，蒸汽入口(1)进料压力范围为1.5～12atm(绝对压力)；
优选地，蒸汽入口(1)进料通量范围为0.4～3.0倍的原油处理量。
2.根据权利要求1所述的一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，原油从原油入口(2)进入，蒸汽从蒸汽入口(3)和(1)进入；雾化原油从喷口(19)喷出；辅助蒸汽入口分别从(10)、(11)(12)、(13)进入腔室，并经抑结焦多孔壁面(14)、(17)喷出，与主流混合；设置辅助蒸汽的目的是为了：内部通道边壁附近产生气膜，延缓原油在内部壁面的结焦进程，防止内部壁面形成焦状物和阻塞喷口(19)，有效延长喷嘴的使用运行周期；兼顾调节气量气速，以调节四级破碎效率；
优选地，所述抑结焦多孔壁面(14)、(17)的孔径范围为1～3mm；
优选地，所述抑结焦多孔壁面(14)、(17)的开孔率为10～30％；
优选地，所述抑结焦多孔壁面(14)、(17)的材料为金属；
优选地，蒸汽入口(3)进料介质为水蒸汽、干气(氮气)等；
优选地，蒸汽入口(3)进料压力范围为1.5～12atm(绝对压力)；
优选地，蒸汽入口(3)进料通量范围为0.4～1.6倍的原油处理量；
优选地，蒸汽入口(2)进料压力范围为1.5～12atm(绝对压力)。
3.根据权利要求1所述的一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，增设气液微通道混合器(23)，由内外管组成，内腔室(7)通蒸汽，外腔室(6)通原油；
对于单个喷嘴而言，所述气液微通道混合器沿OX轴呈环形阵列分布，如图3所示；
优选地，对于单个喷嘴而言，气液微通道混合器的数目n为2～10，具体数目依据单喷嘴原油加工处理量和其它部位几何结构尺寸优化而定；
优选地，气液微通道混合器中心线与OX轴的夹角β范围为20～90°；
优选地，气液微通道混合器外腔室(6)直径(D5)范围为0.5～20mm；
优选地，气液微通道混合器内腔室(7)直径(D6)范围为0.1～18mm；
优选地，气液微通道混合器内管管壁微孔径范围为0.001～2mm；
优选地，气液微通道混合器内管管壁微孔开孔率为0.1～0.6；
优选地，气液微通道混合器内管长度(L1)范围为10～200mm，具体长度视原油处理量和要求的气含率而定；
优选地，气液微通道混合器缩管直径(D4)范围为0.1～15mm；
优选地，气液微通道混合器出口处气含率范围为0.1～0.6；
优选地，气液微通道混合器外管材料为金属(例如不锈钢、碳钢、铝合金等)，多孔内管材料为金属烧结材料、陶瓷等。
4.根据权利要求1所述的一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，第一喉道(4)出口处增设椭球形障碍物椭球体(21)，以使气液微通道混合器(23)产生的泡状混合流高速撞击该椭球体(21)，在撞击的过程中使液滴进一步破碎细化；该椭球体由椭球体支撑杆(26)固定；
优选地，支撑杆(26)数目为4～8，且围绕椭球体中心线即OX轴呈环形阵列分布；
优选地，所述椭球体(21)材质为金属，例如不锈钢、碳钢、铝合金等；
所述椭球体(21)内部为空心或实心结构；
优选地，所述椭球体(21)内部为空心结构，以利于发生共振；
优选地，所述椭球体(21)短半轴b/长半轴a的比值范围为0.1～0.9；
优选地，所述椭球体(21)前段距蒸汽入口(1)的距离为2～5R1，其中R1为喷嘴外形轮廓半径，尺寸范围为10～200mm。
5.根据权利要求1所述的一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，从椭球体(21)溅射出的液滴继续被来自于第一喉道(4)的高速蒸汽，进一步因气液速度差继续深度破碎，以产生更加细微的原油液滴，进而增强雾化效果；另外，高速蒸汽还可以雾化椭球体表面少量的液膜；
所述第一喉道(4)的直径范围为0.05～0.2R1(以R1为基准尺寸)；
优选地，蒸汽入口(1)处的内径尺寸(R2)范围为0.1～0.95R1。
6.根据权利要求1所述的一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，气液混合物流经缩流腔道(15)，继续进入第二喉道(16)，经第二喉道加速进一步发生深度雾化，形成更加细小的雾滴。然后进入扩大缓冲室(18)，最后通过喷头(24)上的喷口(19)射出，射出过程中还会继续发生深度破碎雾化现象；
所述蒸汽腔室(28)的最窄处尺寸(D7)为0.05～0.5R1；
所述蒸汽腔室(28)两端夹角γ1的范围为10～40°；
所述蒸汽腔室(28)两端夹角γ2的范围为10～40°；
所述第二喉道(16)与几何中心线即OX轴的夹角β2的范围为10～45°；
所述第二喉道(16)与几何中心线即OX轴的夹角β3的范围为10～50°；
优选地，长度L5的范围为1～4R1；
优选地，长度L4的范围为0.8～2R1；
优选地，长度L3的范围为0.5～1.5R1；
优选地，长度L2的范围为1～5R1。
7.根据权利要求1所述的一种气泡破碎和靶式撞击联合强化的喉管式喷嘴，其特征在于，喷头(24)顶部设有喷口(19)，所述喷口(19)如附图4所示，呈长方形结构，目的是为了使喷出流股呈扇形，以更加适应提升管反应器；
优选地，尺寸(L7)的范围为0.005～0.05R1；
优选地，尺寸(L8)的范围为0.01～0.1R1；
所述喷口喷射角度α范围为15～65°，具体大小由喷口处流体速度和喷口尺寸综合而定。
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