陈叔平;高慧毅;陈秋雄;温永刚;姚淑婷;金树峰;焦纪强teleport pro中文版
【摘 要】为了优化液化天然气气质,探究结构参数对喷射混合器内部流场的影响,优化其结构,基于不同沸点低温液体互溶混合机理,以液态甲烷、液态丙烷为工质,分析了不同引射角度和喷嘴直径喷射混合器内两股流体的流动特性和混合效果.分析结果表明:液态甲烷和丙烷可互溶,引射角度发生变化时,速度核心发生了不同程度的偏移,随着引射角度的增加速度核心偏移程度逐渐得到改善.压降随着引射角度的增加呈现先减小后增大的变化趋势,混合流体出口压力呈增大的趋势,两股流体混合后引射流体质量分数沿中心轴线方向呈逐渐增加的趋势,当引射角度为90度时,两股流体混合后流场分布相对其它引射角度均匀,速度核心偏移现象较不明显,且压力降、混合流体出口压力及引射流体的质量分数最大.喷嘴直径过大时,喷射混合器出口位置出现了回流现象.随着喷嘴直径的增加喷射混合器内两股流体达到均匀混合所需的距离增大,压力降、混合流体出口压力及混合后引射流体质量分数逐渐减小,当喷嘴直径为13 mm时,压力降、混合流体出口压力和两股流体混合后引射流体的质量分数最大. 【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】8页(P49-56)
【关键词】喷射混合器;引射角;压降;数值模拟
【作 者】陈叔平;高慧毅;陈秋雄;温永刚;姚淑婷;金树峰;焦纪强
【作者单位】兰州理工大学石油化工学院 兰州730050;兰州理工大学石油化工学院 兰州730050;深圳市燃气集团有限公司 深圳518040;深圳市燃气集团有限公司 深圳518040;兰州理工大学石油化工学院 兰州730050;兰州理工大学石油化工学院 兰州730050;兰州理工大学石油化工学院 兰州730050
【正文语种】中 文
【中图分类】阿尔巴尼亚与中国关系TB613
1 引 言缓解生猪市场价格周期性波动调控预案
随着我国能源结构改革力度的加深，液化天然气(LNG)的产量、进口量和供应量不断增加。由于其具有使用方便、经济性好、燃烧产物对环境污染小等优点，在城市供气、发电、冶金、化工、车用燃气等领域得到了广泛的应用。不同气源LNG组分、华白数及燃烧特性各不相同，在供给各个领域用户使用时，存在燃气设施与所供燃气的匹配问题。目前，国内外应用比较广泛的LNG气质互换性判断指标为华白数。华白数是指燃气的热值与其相对密度平方根的比值，在相同压力下具有相同华白数的LNG在同一燃具上将释放出相同的热量。华白数过高，易造成不完全燃烧，烟气中一氧化碳浓度过高；华白数过低，易产生离焰现象，火焰不稳定，甚至熄灭。为满足各个领域的需求，提高经济效益、避免能源浪费，可通过低温液体喷射混合器调整LNG组分的含量来提高或降低LNG的华白数，统一其华白数、优化其品质。
喷射混合器是一种高效的混合设备，其原理为利用高速高压主流体卷吸低速引射流体，在主流体剪切力和絮流扩散作用下，实现两股流体之间的能量交换和混合传质[1-3]。针对常温介质在喷射混合器内的流动特性及结构变化对混合特性的影响，许多学者做过相应的研究工作。如E Rusly等[4]在试验的基础上，对几种不同喷嘴结构的喷射混合器进行数值模拟，通过比较分析得出喷射混合器结构对其流动特性影响很大，在激波出现前喷射系数达
icson到最大，喷嘴的位置是喷射混合器设计的重要参数；Egon Hasse等[5]对主次流体同轴喷射混合器进行了实验与数值模拟研究，得到了同轴喷射混合器速度场和浓度场的分布，并与实验结果进行对比，验证了数值模型的准确性；Q Zaheer等[6]利用FLUENT软件在以往RANS湍流模型的基础上，引入LES模型，将模型分为三个区域，每个区域采用不同湍流模型，对液液喷射泵内部流场进行分析，得出了漩涡拉伸现象对喷射混合器的混合效果有较大的影响，选择恰当的湍流模型是研究混合器内部流场的前提；赵红妹等[7]通过对常温液液喷射混合器不同进料方式下喷射混合过程的分析，得出了工作流体和引射流体不同进料方向与中心轴线之间的夹角会对混合效果产生影响；别海燕等[8]运用CFD软件，对4种不同喷嘴出口形状的喷射混合器内部流场进行了模拟，研究发现相同工况下，喷嘴出口形状为椭圆形时，其混合效果最好，达到完全混合所需的时间最短；马连湘[9]结构尺寸对液液喷射混合器转化率计算公式和混合性能的影响，发现喷嘴与混合段直径之比对转化率和混合效果影响显著；徐海涛等[10-11]研究了蒸汽喷射混合压缩器结构参数、温度和操作压力对其工作性能的影响，发现存在最优喉嘴距与最优面积比。
目前，国内外学者对喷射混合器的研究多数集中在常温介质喷嘴位置、喷嘴出口形状、喉嘴距，截面比，混合段长度，混合段收缩角度等参数对喷射混合性能的影响。而针对低温
介质引射流体入口角度和喷嘴直径对混合性能影响的研究还较为少见。基于此，结合前人所做工作，建立了不同引射流体入口角度(后续简称引射角)α和喷嘴直径喷射混合器三维模型，采用k-ε湍流模型与多相流混合模型相结合的方法，对相同工况下引射流体的6种不同进液方式和4种喷嘴直径进行了数值模拟，以期为LNG气质优化提供一定的参考。
2 互溶混合机理及喷射混合器数值模型
2.1 低温液体互溶混合机理
利用喷射混合器进行液态甲烷与液态丙烷混合过程涉及二者的相容性问题。溶解是指一种或一种以上的物质以分子或离子状态分散在液体分散媒的过程，其中被分散的物质称为溶质，分散媒称为溶剂。溶解的一般规律为相似相溶，指溶质与溶剂极性程度相似的可以相溶，可通过分子间力论、离子极化论、硬软酸碱论及Gibbs自由能变判断物质是否互溶，具体依据参数为溶解度参数、介电常数、Gibbs自由能变。
2.1.1 溶解度参数
溶解度参数是基于溶液理论提出的研究混合物溶解性质的重要特征参数，表征了溶解度、
汽化潜热和内聚能量密度的关系，广泛适用于非极性的溶液、极性溶液和缔合溶液。两种液体的溶解度参数接近则可以互溶，且越接近互溶性越好，在许多行业中，将溶解度参数作为选择溶剂、判断相容性的重要依据。液体溶解度参数用δ来表示，计算式为：
(1)
乙酸乙酯的性质ΔH=ΔE+RT
(2)
式中：δSP为液体的溶解度参数，(J/m3)1/2；ΔE为内聚能密度，表示单位体积物质的聚集在一起所需的能量，J/m3；ΔH为液体在温度T时的摩尔蒸发焓，J；RT为液体转化为气体时所需要的膨胀功，J；Vm为液体的摩尔体积，m3。
通过以上计算可知，甲烷的溶解度参数为11.618(J/m3)1/2、丙烷的溶解度参数为13.091(J/m3)1/2，因此从溶解度参数的角度来判断它们是可互溶的。
2.1.2 极性程度
相对介电常数简称介电常数，用符号ε表示，是溶剂的一个重要性质，它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。介电常数大的溶剂，有较大隔开离子的能力，同时也具有较强的溶剂化能力。介电常数的计算式为：
(3)
式中：C0为两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容值，C；Cx为两块极板之间充满均匀电介质时的电容值，C。
按照介电常数ε大小，液体可分为极性(ε=30—80)、半极性(ε=5—30)、非极性(ε=0—5)三种。根据相溶相似原理，非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂，极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂。介电常数可通过实验的手段获得，表1为一些常用液体的介电常数。由表1可知，当温度为-162 ℃时液态甲烷的介电常数为1.675，液态丙烷的介电常数为1.683。因此从介电常数的角度来判断甲烷、丙烷均为非极性，且介电常数极为相近是可互溶的。
表1 常用液体的介电常数Table 1 Dielectric constants of common liquids物质温度/℃介电常数物质温度/℃介电常数液态二氧化碳-571.585-1851.9液氦-2531.058液态甲烷-1621.675液氢-270.81.22液态乙烷-1621.44液氧-1851.465液态丙烷-1621.683液氮-1960.31液态丁烷-1621.774
2.1.3 Gibbs自由能变
吉布斯自由能G又叫吉布斯函数，是一个重要的热力学函数。在实际应用中，通常用吉布斯自由能的变化作为溶剂与溶质是否互溶及恒温、恒压过程自发与平衡的判据。吉布斯自由能的变化量可以定义为：
ΔG=ΔH-TΔS
(4)
吉布斯自由能该变量表明状态函数G是体系所具有的在等温等压下做非体积功的能力。反应过程种G的减少量是体系做非体积功的最大限度，体现了反应进行的方向和方式。ΔG<0，自发过程，表示溶质可以与溶剂互溶；ΔG≥0，非自发过程，表示溶质与溶剂不互
溶。
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2.2 喷射混合器结构
喷射混合器由主流体入口、引射流体入口、吸入室、喷嘴、混合段、喉段、扩散室段及其它附属部件组成，其结构如图1所示。该喷射混合器基本尺寸为主流体入口直径Φ80 mm，引射流体入口直径Φ25 mm、喷嘴直径Φ13 mm，α为引射角，喉段直径Φ78 mm，混合段、喉段与扩散段总长度450 mm。
图1 喷射混合器结构示意图Fig.1 Structure of ejector
2.3 计算模型
由于本文研究的主要内容为结构参数对液态甲烷-丙烷喷射混合器内部流动特性的影响，且喷射混合器具有对称性，为提高计算效率，在进行数值模拟时仅对喷射混合器内部流体流动空腔部分的一半进行建模，结合上述喷射混合器结构及基本尺寸参数，在保证混合器的其它结构参数不变的情况下，以喷嘴所在位置为零点，即喷嘴处x=0，对6种不同引射角α(90°、75°、60°、45°、30°、20°)和4种不同喷嘴直径(13 mm、16 mm、19 mm、22 mm)
的喷射混合器分别建立流体模型，使用ICEM软件分别对10种流体模型划分非结构网格并对局部区域进行加密处理，图2引射角度为90°、喷嘴直径为13 mm时，喷射混合器内部流体网格模型。根据引射角度不同，网格单元数在67万—91万，节点数在11万—16万。
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