CN201900063U - 一种气泡雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种气泡雾化喷嘴，其特征在于由内管(1)、中管(2)、外管(4)和喷头(9)组成，其中内管(1)、中管(2)和外管(4)为同轴的三层套管结构，中管(2)和外管(4)之间的环隙空间为混合腔(5)，内管(1)空间和中管与外管间的环隙空间为两个气体腔，混合腔(5)和气体腔之间的管壁开有气孔(6)，所述的混合腔(5)连通液体入口(3)，两个气体腔分别连通气体入口(11)，中管(2)的顶部为喷头(9)，喷头(9)上开有喷孔。本实用新型提供的气泡雾化喷嘴采用气体从内外两侧进入液相中混合，避免了单侧进气可能导致气液分层、造成气液混合不均匀等情况的发生，且可以强化液相湍动，破碎大气泡，形成均匀细小的气液泡状流，雾化效果好。

Description

一种气泡雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种雾化喷嘴，更具体地说，涉及一种气泡雾化喷嘴，适用于催化裂化装置进料雾化喷嘴。

背景技术

在炼油设备中，进料雾化喷嘴的任务是将催化裂化装置的原料油(重油、渣油或二者的混合物)雾化成细小的液滴喷入提升管，在反应温度下，原料油气化并在催化剂作用下发生裂化反应，然后经过分离装置，进行油气、剂的分离进入下道工序。在催化裂化装置中，虽然原料油喷嘴的尺寸较小、价格也不是很贵，但其雾化性能却对催化裂化最终的产品收率影响很大，所以引起多方重视。

炼油过程中，原料油通过催化裂化装置上喷嘴的整个运行过程是复杂的流体力学气(水蒸汽)液(原料油)两相流动过程，原料又是粘性流体，它还属于粘性流范畴。经分析研究，若通过喷嘴直接进入反应区的原料油微滴不均匀，则被破碎成雾状微细颗粒的覆盖面积小，与催化剂的混合接触机会相应减小，破碎不均匀，且喷嘴的出口面磨损大，使用寿命低，蒸汽用量大，催化剂损耗大，导致生成成本增加，影响企业经济效益。

液体雾化过程是克服液体表面张力做功、将其他形式的能量转化为液滴表面能的过程，如何使其他形式的能量有效地转化为表面能是能否将液体良好雾化的关键。

传统的雾化喷嘴由混合腔和喷出段组成，在混合腔中，被雾化的液体与雾化蒸汽相遇，相互剪切撕裂，形成相互掺混的两相流，然后通过喷出段的喷孔喷出。这些喷嘴都是基于流体动力学的流动稳定性理论，在混合腔中产生尽可能大的气液两相速度差，使液柱或者液膜在气体介质中失稳而破裂成小液滴。由于需要极大的气液两相速度差才能达到撕裂和破碎液体的目的，所以须采用极大的进气速度和气体入口压力，有的甚至达到了超音速，能耗较大，且会产生脉动，使反应器床层振动，影响装置的使用 安全。如果达不到所要求的速度，喷嘴就难以正常工作，雾化效果急剧恶化，操作弹性比较差。

气泡雾化喷嘴是20世纪80年代出现的一种新型气动雾化喷嘴，其主要思想是将高压空气在流动的燃油中产生气泡，用气泡作为雾化的动力，利用气泡的产生、运动、变形直到离开喷嘴出口爆破来产生非常细的液雾。与传统喷嘴的雾化方式不同，气泡雾化喷嘴是利用气泡的爆破能使液体破碎雾化。含细小气泡的气液两相流在离开喷嘴时，由于环境压力突然降低，气泡迅速膨胀，将液滴爆裂形成均匀细小的液滴，此气泡雾化过程中不仅利用了气相的动能，而且充分利用了气相的势能，因此能量的利用率高。由于气泡雾化喷嘴充分利用了气体的机械能，不必像传统雾化喷嘴那样只是尽可能大地利用气液相对速度差来达到撕裂和破碎气泡的目的，较低的气体注入速度即可实现液体的雾化，气液之间的压差也可以较低，只保持气体能注入液体一定浓度的压差即可。

目前广泛采用的气动雾化喷嘴主要采用气液速差将液滴破碎，气液接触面积小，气体的能量只有很少一部分转化为液滴的表面能，能量利用率低；而气泡雾化喷嘴的气液接触面积大，并充分利用气泡离开喷口后的压力突降、体积变大、释放势能所产生的爆破将液滴雾化，能量利用率高；但只有在混合室内形成理想泡状流须在一定的结构和工作参数条件下才可以实现良好雾化，如供气孔过大或在非工作范围内则不可能形成均匀泡状流，导致雾化效果变差。当流速过低或者湍动不强时，气泡容易聚并导致气液分相，对于非垂直放置的喷嘴，由于重力的作用，更容易出现气液分层的情况。因此，只有设计一种合理的喷嘴结构，气体注入液体中，可在液体中形成数量众多、尺寸细小、分布均匀的气泡，并使喷嘴能够在较大的操作范围内具有良好的气液泡状流，且在混合腔的高速运动中气泡不聚并，使产生的气泡在离开喷口后因膨胀而炸裂，产生均匀的液雾，才能实现良好的液体雾化。

发明内容

本实用新型的要解决的技术问题是提供一种雾化液滴粒度均匀且细小、雾化角度大、使用寿命长的高性能催化裂化装置原料油喷嘴。

本实用新型提供的一种气泡雾化喷嘴，包括内管1、中管2和外管4，其中内管1、中管2和外管4为同轴的三层套管结构，内管1和中管2之间的环隙空间为混合腔5，内管1空间和中管与外管间的环隙空间为两个气体腔，混合腔5和气体腔之间的管壁开有气孔6，所述的混合腔5连通液体入口3，两个气体腔分别连通气体入口11，中管2的顶部为喷头9，喷头9上开有喷孔10。

本发明提供的气泡雾化喷嘴的有益效果为：

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴采用气体从内外两侧进入液相中进行混合，避免了单侧进气可能导致气液分层、造成气液混合不均匀等情况的发生，且可以强化液相湍动，破碎大气泡，形成均匀细小的气液泡状流，雾化效果好。

用于催化裂化装置原料油喷嘴时，能将重油进料雾化成接近催化剂粒径的细微雾滴，且雾滴粒径均匀而细小，能与催化剂在较大的空间范围内充分接触，有利于重油催化裂化的气相反应。在提升管的温度下，均匀细小的原料油雾滴可迅速气化，使裂化反应在气态进行，提高轻质油的产率，并降低生焦。由于喷嘴产生的喷雾射流具有一定的初速度，在提升管进料段的催化剂密相流动中有一定的穿透力，可使喷雾射流达到提升管中部。喷雾射流的形状由喷头前面的喷孔决定，可根据需要改变喷孔的形状和排列次序，形成对提升管截面的良好覆盖，减小返混；且喷雾射流的速度可以迅速减弱，避免射到喷嘴对面的提升管管壁，造成提升管内的结焦的催化裂化装置的进料雾化喷嘴。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种气泡雾化喷嘴的结构示意图；

图2为旋转挡板的截面示意图。

具体实施方式

本实用新型具体是这样实施的：

本实用新型提供的一种气泡雾化喷嘴，包括内管1、中管2和外管4，其中内管1、中管2和外管4为同轴的三层套管结构，内管1和中管2之间的环隙空间为混合腔5，内管1空间和中管与外管间的环隙空间为两个气体腔，混合腔5和气体腔之间的管壁开有气孔6，所述的混合腔5连通液体入口3，两个气体腔分别连通气体入口11，中管2的顶部为喷头9，喷头9上开有喷孔10。

在使用过程中，气体由气体入口11进入气体腔，液体由液体入口3进入混合腔5，气体通过气孔6进入混合腔5。由于气体从内外两侧进入液相，避免了单侧进气可能导致气液分层、造成气液混合不均匀等情况的发生，且可以强化液相湍动，破碎大气泡，形成均匀细小的气液泡状流。

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴中，所述的内管直径与中管直径的比值为(0.4-0.8)∶1。过小的内管直径会使内侧的气孔面积减小，需要较大的气孔数量才能实现良好的气液混合，对雾化过程不利；比值过大会使混合腔5的流道面积过小，使流动阻力变大，能耗增加。

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴中，当内管1只有入口处与中管2相连时，容易使喷嘴在操作过程中出现振动，使内管的位置发生偏移，三个通道不同轴，影响喷嘴的正常工作。优选的方案是在所述的内管1和中管2之间的前部设有旋转挡板7，旋转挡板7将内管1与外管2之间的环隙空间分为雾化腔8和混合腔5。所述的雾化腔8沿轴向的长度与中管2的直径的比值为(0.5-3)∶1。所述的旋转挡板7的厚度与中管2的壁厚相当，沿轴向的长度与内管1的直径相当。

所述的旋转挡板7的安装位置在靠近内管1前端，如图2所示，具有类似于风扇形结构，并对旋转挡板7的迎风面进行了圆整，以减小流动阻力，降低能耗，这样旋转挡板既具有固定内管1的作用，又具有破碎气泡、强化湍动的作用，避免当流量较小时，出现气液分层，对增大操作区间有利。挡板上开有孔，既可以减小流动阻力，又可以强化湍动、破碎大气泡。

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴中，所述的混合腔5两侧边壁的气孔轴线与混合腔5两侧边壁斜切，且与三套管轴线的夹角为30°～75°，对 于垂直两相流动，操作不当容易出现栓塞流或搅拌流；对于水平流动，容易出现分层流、间歇流。这样既可以保证液滴雾化所需要的气量，又避免由于气流速度过高，直接喷射至对面通道边壁所导致的气液分层，且斜向进气可以使液体在混合腔内具有一定的角速度，使液体内在混合腔内旋转前进，具有破碎气泡的作用，有利于气液泡状流的形成。

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴中，所述进气孔6的直径为其所在管直径的1％-50％。过小的气孔会造成加工困难且导致流动阻力增加，过大的气孔不利于在液相形成均匀细小的气泡。当液体处理量较大时，优选在所述的气孔6两侧衬有丝网，既不增加阻力又可形成均匀的小气泡；气孔的数量以保证一定的气液速度差为标准，保证射流深度达2/3径向深度，不宜过大，也不宜过小。

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴中，所述的内管1顶端为半球形或半椭球形，且开有喷孔，喷孔孔径与内管1边壁的气孔孔径相当，喷孔的轴线垂直于喷孔所在的切平面。

本实用新型提供的气泡雾化喷嘴中，所述的旋转挡板7、内管顶部及中管顶部所围的空间为雾化腔8，在雾化腔内，由于气液流道直径突然变大，压力降低，速度变化较大，湍动强度加剧，气液两相进一步均匀混合，液体得到初步雾化；雾化腔8的长度不宜过大，否则湍动强度会逐渐减弱，导致气泡聚并，因此合适的雾化腔8长度对于实现良好的液体雾化具有重要意义，此处雾化腔8的长度与中管2直径的比值为(0.5-3)∶1。

附图1为本实用新型提供的一种气泡雾化喷嘴的结构示意图，下面参照附图说明本实用新型的工作过程，但本实用新型并不受到任何限制：

由附图1可见，本实用新型所述气泡雾化喷嘴由内管1、中管2、外管4、旋转挡板7、喷头9组成，内管1和中管2围成的边壁上气孔6沿斜切向进入混合腔5，且气孔6的轴线与内管1轴线的夹角介于30°～75°之间。内管1与中管2的后端可通过焊接、法兰或螺纹连接，内管1与中管2的前部，旋转挡板7焊接在内管1外侧成搅拌浆形，挡板外侧与中管2内侧通过焊接或螺纹连接。中管2与外管4的前后两端可以法兰、螺纹或焊接密封。喷头9上喷孔10的结构与排布可以根据喷嘴的安装位置及所需的喷雾形状决定。各喷孔的轴线与内管的轴线交于一点，可根据液体流量及喷嘴安装角度的不同，调整喷孔10轴线与内管轴线间的夹角。由于各喷孔喷出的液雾呈一定角度，相互分开向前运动，不会因汇集而凝聚成为大液滴，并且由于液滴与周围环境间仍存在较大的速度差，对液滴表面形成扰动，这种扰动会使液滴得到进一步雾化，喷雾的形状可通过喷孔的形状及排布次序调节。

气体从混合腔5两侧以一定的速度和角度进入液相，由于气孔6的尺寸较小，气体以小气泡的形式进入液相，且由于气体的搅动作用，混合腔5内的气液混合物具有较高的湍动强度，使气泡不会因为碰撞而聚并为大气泡导致气液分层。旋转挡板7及其上的流孔也具有进一步破碎气泡、强化湍动的作用，使气液混合物分散形成均匀的气液泡状流。

喷嘴前部的喷头9上沿一定的半径方向开有若干喷孔10，喷孔的直径与中管2直径的比介于0.1～0.3之间，均匀的气液泡沫流在雾化腔8内初步雾化，经喷孔10离开喷嘴。气液以泡沫流的形式离开喷嘴，由于环境压力突然降低，使气泡减压膨胀，体积增加，气泡炸裂所释放的势能将其周围的液体破碎成均匀微小的液滴，实现液体的良好雾化。由上述过程可以看出，由于本实用新型喷嘴所采取的三套管结构设计，能够在混合腔内形成理想的泡状流，不仅充分利用了气体的动能，而且利用了气体的势能，在压降很小的情况下，即能在混合腔内形成非常均匀的气液两相流，使离开喷孔10后的雾化液滴均匀细小。为了保证喷嘴能够长周期运行地，喷孔处要作耐磨处理。

应用相位多普勒粒度仪测量雾化液滴粒径，较大液体流量时，本实用新型提出的气泡雾化喷嘴，可能将粘度为4mPa.s的液体雾化为平均粒径55～80μm的细小液滴。由于液滴呈一定的粒径分布，可以使液滴更好的分布于不同空间范围内，避免反应的局部过于剧烈，并且由于液滴尺寸较小，避免了在催化剂表面停留时间过长而导致催化剂积碳。

Claims (9)

1.一种气泡雾化喷嘴，其特征在于包括内管(1)、中管(2)和外管(4)，其中内管(1)、中管(2)和外管(4)为同轴的三层套管结构，内管(1)和中管(2)之间的环隙空间为混合腔(5)，内管(1)空间和中管与外管间的环隙空间为两个气体腔，混合腔(5)和气体腔之间的管壁开有气孔(6)，所述的混合腔(5)连通液体入口(3)，两个气体腔分别连通气体入口(11)，中管(2)的顶部为喷头(9)，喷头(9)上开有喷孔(10)。

2.按照权利要求1的雾化喷嘴，其特征在于所述的内管(1)和中管(2)之间的环隙设有旋转挡板(7)，旋转挡板(7)将内管(1)与外管(2)之间的环隙空间分隔为雾化腔(8)和混合腔(5)。

3.按照权利要求2的雾化喷嘴，其特征在于所述的雾化腔(8)沿轴向的长度与中管(2)的直径的比值为(0.5-3)∶1。

4.按照权利要求1、2或3的雾化喷嘴，其特征在于所述的内管(1)直径与中管(2)直径的比值为(0.4-0.8)∶1。

5.按照权利要求1、2或3的雾化喷嘴，其特征在于所述的混合腔(5)两侧边壁的气孔轴线与混合腔(5)两侧边壁斜切，且与三套管轴线的为30°～75°。

6.按照权利要求1、2或3的雾化喷嘴，其特征在于所述的气孔(6)的直径为孔所在管直径的1％-50％。

7.按照权利要求2或3的雾化喷嘴，其特征在于所述的内管(1)顶端为半球形或半椭球形，且开有小孔，孔径与内管(1)边壁的孔径相同，孔的轴线方向垂直于其所在的切平面。

8.按照权利要求1、2或3的雾化喷嘴，其特征在于所述的气孔(6)两侧管壁衬有丝网。

9.按照权利要求1的喷嘴，其特征在于所述的喷头(9)顶部各喷孔(10)的轴线与内管轴线相交于一点。 

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