高压射流中的戊烷闪蒸过程数值模拟

高压射流中的戊烷闪蒸过程数值模拟

聂永广;毛羽;王江云;王娟

【摘要】Flash evaporation of pentane is one of the most important factors in the process of asphalt spray granulation. According to the mechanism of mass and heat transfer in phase change due to pressure depress, the pentane flash evaporation model was built and implanted into commercial code Fluent by UDF. The agreement between numerical simulation result and theoretical calculation result was achieved. Comparisons of different nozzles showed that the nozzle with coin structure could avoid pressure suddenly reducing, decrease the vaporization rate of pentane in nozzle and prevent blockage of nozzle due to asphaltene particles being more, which is helpful to continue the process of spray granulation.%戊烷闪蒸是沥青喷雾造粒过程中的一个重要因素.根据戊烷减压相变中的传质传热规律,基于计算流体力学软件Fluent中的混合模型,采用UDF建立了戊烷瞬态闪蒸模型,并对戊烷的射流闪蒸过程进行了数值模拟计算,模拟结果与理论计算值较为吻合.通过对采用不同结构喷嘴的戊烷闪蒸相变过程分析发现,在原有喷嘴上加入渐缩段后,可以避免喷嘴中的压力突变,有效减少喷嘴中戊烷的气化率,防止沥青颗粒过多析出阻塞喷嘴,有利于喷雾造粒过程的持续进行.

【期刊名称】《石油学报（石油加工）》

【年(卷),期】2012(028)005

【总页数】7页(P814-820)

【关键词】喷雾造粒;闪蒸;非平衡热力学;数值模拟;混合模型

【作者】聂永广;毛羽;王江云;王娟

【作者单位】中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重

质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249;中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249

【正文语种】中文

【中图分类】TE65

闪蒸过程广泛存在于石油、化工、制冷和航天等工业中。在近几年提出的渣油溶剂脱沥青耦合沥青造粒新技术中，溶剂与沥青的分离以及沥青的喷雾造粒就是利用溶剂与沥青的高温高压流体射流闪蒸这一工艺实现的。沥青和溶剂的混合物以高温高压的临界状态通过进料喷嘴进入喷雾造粒塔内，经过喷嘴的节流降压后喷出，溶剂瞬间减压闪蒸为气体，沥青则以颗粒的形式释放出来，实现沥青与溶剂的气、固分离［1－2］。这一工艺采用减压相变技术，不需提供附加能量，从而降低了溶剂

回收部分的投资和操作费用，因此可以有效简化流程，降低设备投资。戊烷闪蒸相变过程中的气、液两相压力，温度与气体体积分数的分布对喷雾造粒中沥青颗粒的成形具有重要影响。不合理的喷嘴结构会导致喷嘴内溶剂气化率过大，使过多的沥青析出堵塞喷嘴。因此，对戊烷快速减压引起的闪蒸流动进行研究，对喷嘴结构的改进、优化设备设计和操作条件具有重要意义，可以有效推进重油分离技术的发展。减压造成的闪蒸过程在世界范围内一直属于研究热点。研究多以实验为主，Henry 等［3］和Wallis［4］通过实验考察了气、液两相临界流动中非平衡热力学过程

的影响。Kim等［5］通过实验对短管内的制冷剂闪蒸现象进行了观察。Saury等

［6］通过实验研究了闪蒸中液膜厚度对闪蒸时间和蒸发量的影响。郭迎利等［7］利用CCD摄相机对闪蒸中初始温度对蒸发量和两相温度的影响进行了研究。这些实验研究得到了闪蒸过程的一些经验公式，但是不具有普适性，更不可能计算得到流场内的详细信息；再者，戊烷属于易燃易爆气体，实验风险较大，并且沥青喷雾造粒中使用的喷嘴较小，压力传感器等测量仪器安装困难，也很难用实验方法获得流场的详细信息。计算流体力学的发展为闪蒸过程的研究提供了还原真实情况的可能。笔者根据戊烷减压相变的传质传热规律，建立了戊烷闪蒸相变模型，采用数值模拟方法对戊烷闪蒸相变过程进行研究，考察了不同喷嘴形式对戊烷闪蒸相变过程的影响，为渣油脱溶剂沥青喷雾造粒的设备设计提供重要参考。由于在渣油脱溶剂沥青喷雾造粒过程中，沥青与其他流体间仅存在动量和热量交换，不存在相变，因此在本研究中暂只考虑沥青相的影响。

1 研究戊烷闪蒸过程采用的模型及数值计算方法

根据时间尺度和温度变化，减压引起的相变可以分为两类。一类是在小时间尺度、温度较低且变化较小的情况下，减压相变可以认为是热平衡状态下的空穴流动。第二类是热流体因减压作用发生剧烈相变、传质传热较强的非平衡热力学状态，可以看作因为压力降低造成的沸腾现象即闪蒸［8］。近几年来，基于热平衡假设成功地发展了多种空穴模型，如Kunz模型和SchnerrSauer模型［9－10］。然而，

基于平衡热力学假设，使用空穴模型对温度变化较大的闪蒸现象进行模拟会得到不合理的速度场。在非平衡热力学过程中预测成功的关键是蒸发率的计算。Wallis ［4］根据建模的原理将非平衡热力学模型分为3类，即经验模型、物理模型和双流体模型。经验模型缺乏普适性，针对特定过程较为准确。物理模型和双流体模型可以较为精确地模拟非平衡热力学过程中的流场分布，但是模拟的准确性强烈地依靠气泡直径、气泡成核密度等参数，而在闪蒸过程中这些重要参数都很难用统一的公式进行描述，并且由于闪蒸过程相变剧烈，计算收敛困难。因此多数学者采用经