确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的方法和系统与流程

本发明涉及石油化工领域，具体涉及确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的方法和系统。

背景技术：

近年来，催化裂化炼油过程中，由于原料油的劣质、重质化趋势，对催化裂化的原料油雾化喷嘴提出了更高的要求。原料油雾化喷嘴基于高速流动过程雾化的机理，双喉道构型喷嘴是一种能够达到高效雾化的喷嘴构型，其工作原理为：喷嘴中心管道进高压蒸汽，原料油由第一喉道后端开口处进入混合腔。蒸汽经过第一喉道充分加速后，与原油在混合腔形成强剪切流，通过第二喉道后，摩擦，混合雾化，之后以射流形式将混合油气从喷嘴出口喷出。

通过对管道流动的机理分析，可以得到射流破碎的雾滴SMD与射流液膜的厚度呈正相关关系，也就是说，喷嘴喉道的液膜越薄，喷嘴的雾化粒度越细。所以有效的控制液膜厚度对雾化结果有着关键的影响。喷嘴的结构设计中，其中一个重要参数为喷嘴的出口喉道尺寸的控制，通过调节喷嘴的出口喉道尺寸可以改变喷嘴出口喉道处的液膜厚度和气体的流速也会带来影响。

然而现有技术中喷嘴出口喉道直径与雾化结果控制参数(喷嘴出口喉道液膜厚度)、蒸汽消耗量的关联控制还需要进一步探索和提高，以减少能源消耗同时达到最优的炼化效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的方法和系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的方法，包括如下步骤：

步骤1，确定原油炼化喷嘴内部的气体流动模型；

步骤2，根据特定方程，获取超声速流下喷嘴出口喉道直径最大值；

步骤3，获取原油催化裂化过程中的测量参数，包括喷嘴液膜厚度、喷嘴出口喉道直径、蒸汽进气量；

步骤4，根据测量参数拟合公式计算喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系。

本发明的有益效果是：对原油炼化喷嘴的喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系进行了分析和模拟计算，可以得到了原油雾化过程中最优的喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系区间，为提高石油炼化性能及减少能源消耗提供指导。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中气体流动模型为变截面一维等熵流动模型，通过一维定常流动欧拉运动方程、一维可压缩定常流动连续性方程、声速公式及马赫数推导出亚声速气流及超声速流在不同的管道中的压力与速度的关系。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过模型推导，指导预定测量参数的选取和对石油炼化过程中参数的测量。

进一步，所述步骤2中喷嘴出口喉道满足拉伐尔喷嘴构型,所述特定方程为理想气体状态方程，通过声速公式及一维可压缩定常流动连续性方程计算推导出喷嘴出口喉道直径最大值的公式。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过理想气体状态方程计算得到超声速流状态下喷嘴出口喉道直径的最大值，为最后的拟合计算做准备。

进一步，所述步骤4的具体实现包括：

步骤4.1，根据测量的喷嘴液膜厚度和喷嘴出口喉道直径，以及计算出的喷嘴出口喉道直径最大值计算液膜厚度占比与喷嘴出口喉道直径无量纲尺度的比值，修正并绘制液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线，并通过数据拟合得到液膜厚度占比公式；

步骤4.2，根据实验测量的经验参数，得到喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式；

步骤4.3，基于所述喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式及测量参数计算并绘制喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线；

步骤4.4，根据生产中的油品性质对雾化结果的要求、雾化蒸气量的配比要求，基于所述液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线和所述喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线确定喷嘴出口喉道尺寸的数值区间。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过对关键数据进行实验测量、计算、拟合、修正等，得到所述液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线和所述所述喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线，为最终确定喷嘴出口喉道尺寸的数值区间提供依据。

进一步，所述喷嘴出口喉道尺寸的数值区间的取值为：雾化粒度需求不大于0.13时喷嘴出口喉道直径无量纲尺度取值大于0.85。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述结果为拟合计算得到的数值范围，可以指导原有炼化生产，获得较好的炼化效果，同时减少能源消耗。

本发明的另一面，提供一种确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的系统，包括模型推导模块、直径推算模块，参数测量模块、拟合计算模块；

所述模型推导模块，用于确定原油炼化喷嘴内部的气体流动模型；

所述直径推算模块，用于根据特定方程，获取超声速流下喷嘴出口喉道直径最大值；

所述参数测量模块，用于获取原油催化裂化过程中的测量参数，包括喷嘴液膜厚度、喷嘴出口喉道直径、蒸汽进气量；

所述拟合计算模块，用于根据测量参数拟合公式计算喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系。

进一步，所述模型推导模块中气体流动模型为变截面一维等熵流动模型；所述模型推导模块还包括推导单元，用于通过一维定常流动欧拉运动方程、一维可压缩定常流动连续性方程、声速公式及马赫数推导出亚声速气流及超声速流在不同的管道中的压力与速度的关系。

进一步，所述直径推算模块中喷嘴出口喉道满足拉伐尔喷嘴构型,所述特定方程为理想气体状态方程，通过声速公式及一维可压缩定常流动连续性方程计算推导出喷嘴出口喉道直径最大值的公式。

进一步，所述拟合计算模块包括：

第一计算单元，用于根据测量的喷嘴液膜厚度和喷嘴出口喉道直径，以及计算出的喷嘴出口喉道直径最大值计算液膜厚度占比与喷嘴出口喉道直径无量纲尺度的比值，修正并绘制液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线，并通过数据拟合得到液膜厚度占比公式；

第二计算单元，用于根据实验测量的经验参数，得到喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式；

第三计算单元，用于基于所述喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式及测量参数计算并绘制喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线；

第四计算单元，用于根据生产中的油品性质对雾化结果的要求、雾化蒸气量的配比要求，基于所述液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线和所述喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线确定喷嘴出口喉道尺寸的数值区间。

进一步，所述喷嘴出口喉道尺寸的数值区间的取值为：雾化粒度需求不大于0.13时喷嘴出口喉道直径无量纲尺度取值大于0.85。

附图说明

图1为本发明确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的方法流程图；

图2为本发明所述原油炼化喷嘴示意图；

图3为本发明第一实施例液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线图；

图4为本发明第二实施例喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线图；

图5为本发明确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的方法流程图,包括：

步骤1，确定原油炼化喷嘴内部的气体流动模型；

步骤2，根据特定方程，获取超声速流下喷嘴出口喉道直径最大值；

步骤3，获取原油催化裂化过程中的测量参数，包括喷嘴液膜厚度、喷嘴出口喉道直径、蒸汽进气量；

步骤4，根据测量参数拟合公式计算喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系。

本发明所述原油炼化喷嘴如图2所示，第一实施例及第二实施例所述公式、参数、测量数据及计算推导都建立在图2所示的喷嘴基础上。

图2所示喷嘴为双喉道构型喷嘴，所述喷嘴的一侧设置有蒸汽入口，所述蒸汽入口连接第一喉道；所述喷嘴的一侧还包括设置在所述蒸汽入口外的两侧并从第一喉道处接入喷嘴的原油入口；所述喷嘴的另一侧设置有第二喉道，所述第二喉道连接喷嘴出口。所述第二喉道为出口喉道。

所述双喉道构型喷嘴是一种能够达到高效雾化的喷嘴构型，其工作原理为：喷嘴中心管道进高压蒸汽，原料油由第一喉道后端开口处进入混合腔。蒸汽经过第一喉道充分加速后，与原油在混合腔形成强剪切流，通过第二喉道后，摩擦、混合雾化，之后以射流形式将混合油气从喷嘴出口喷出。

本发明实施例喷嘴内部的气体流动如图2所示，喷嘴管道内白色部分为气体(蒸气)，阴影条纹部分为液体(原油)。蒸气由蒸汽入口进入，经过第一喉道后，与原油进行混合形成剪切流，再经过第二喉道，高速雾化喷出。图中各参数ρ为密度，P为压力，V为速度，d为液膜厚度，D为出口喉道直径，下标1代表入口，下标2代表出口，下标h代表出口喉道处。

所述步骤1中气体流动模型为变截面一维等熵流动模型，其推导过程如下：

根据一维定常流动欧拉运动方程，在忽略体积的情况下公式为：

可得

由一维可压缩定常流动连续性方程：

m＝ρVA＝Const (3)

对上式取微分，并除以，可得：

由声速公式

c²＝dp/dρ (5)

联立(2)式可得：

由马赫数

Ma＝V/c (7)

(6)式可化为：

或由(2)式

从(8)(9)二式可得，

当Ma<1时，Ma2-1<0，dA与dV异号，与dp同号；

当Ma>1时，Ma2-1>0，dA与dV同号，与dp异号；

由上述推导可得：

在原油催化裂化过程中，亚声速气流(Ma<1)在收缩管(dA<0)中将加速(dV>0)减压(dp<0),在扩张管(dA>0)中将减速(dV<0)增压(dp>0)；超声速流(Ma>1)在收缩管中将减速增压,在扩张管中将加速减压，与亚声速流正好相反。

所述步骤2中，亚声速流下的喷嘴出口喉道满足拉伐尔喷嘴构型,所述特定方程为理想气体状态方程，通过声速公式及一维可压缩定常流动连续性方程计算推导出喷嘴出口喉道直径最大值的公式。

所述理想气体状态方程为：

其中为T温度，γ为气体绝热指数，代入声速公式可得

根据连续性方程，即(3)式，通过喷嘴喉道的流量为

m＝ρ_hV_hA_h

由式(9)解得：

所以喷嘴第二喉道直径的最大取值不应大于：

其中，m_max为最大蒸气流量，D_max为厚道出口直径最大值。

所述步骤3中获取原油催化裂化过程中的测量参数，包括喷嘴液膜厚度、喷嘴出口喉道直径、蒸汽进气量。

原油的催化裂化过程中，一般来说，喉道变细，液膜在喷嘴喉道处的速度受更强气体射流剪切，有利于使液膜变薄，但是喉道变细的同时，喉道截面积与截面周长的减小又会使同等流速下的液膜变厚。喷嘴喉道尺寸和射流液膜厚度之间是一种比较复杂的关系。

在原油处理量不变的条件下，调节蒸汽进气量及喷嘴出口喉道实际尺寸，测量喷嘴液膜厚度，获取连续测量值，为步骤4的数据拟合做准备。

所述步骤4的具体实现包括：

步骤4.1，根据测量的喷嘴液膜厚度和喷嘴出口喉道直径，以及计算出的喷嘴出口喉道直径最大值计算液膜厚度占比与喷嘴出口喉道直径无量纲尺度的比值，修正并绘制液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线，并通过数据拟合得到液膜厚度占比公式；

经计算并实验修正，液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线，即喷嘴液膜在喉道中的尺寸占比(即喷嘴出口喉道液膜厚度的两倍2d_h与喉道直径D)和喉道直径实际取值D与D_max比值的关系，如图3所示。

根据数据拟合，液膜厚度在喉道中的尺度占比:

步骤4.2，根据实验测量的经验参数，得到喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式；

通过调节喷嘴出口喉道的尺寸，对喷嘴的进气量和带来影响满足下式:

其中ξ为流动阻尼，k为实验测得的经验系数。

步骤4.3，基于所述喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式及测量参数计算并绘制喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线，如图4所示。

步骤4.4，根据生产中的油品性质对雾化结果的要求、雾化蒸气量的配比要求，基于所述液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线和所述喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线确定喷嘴出口喉道尺寸的数值区间。

上述方案通过对关键数据进行实验测量、计算、拟合、修正等，得到所所述液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线和所述喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线，为最终确定原油炼化喷嘴入口压力提供依据。

根据图3、图4得到的所述原油炼化喷嘴入口压力数值区间的取值为：雾化粒度需求不大于0.13时喷嘴出口喉道直径无量纲尺度取值大于0.85。

根据实际生产的气液比流量和图3的曲线给出的最优取值为：

当气液比4％时，取值为0.87；

当气液比4.5％时，取值为0.91。

本专利旨在提出一种喷嘴出口喉道尺寸设计的控制方法，通过数值计算评估，分别给出喷嘴出口喉道直径与雾化结果控制参数(喷嘴出口喉道液膜厚度)、蒸汽消耗量的关联公式，得到喷嘴出口喉道尺度的有效控制区间，在保证雾化过程蒸汽消耗在可承受的范围内时，达到最优的原油雾化效果，为原油催化裂化工程应用中的压力控制奠定良好的理论基础。

本发明对原油炼化喷嘴的入口压力参数进行了分析和模拟计算，可以得到了原油雾化过程中最优的喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系区间，为提高石油炼化性能及减少能源消耗提供指导。

如图5所示，本发明还提供一种确定原油炼化喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系的系统，包括模型推导模块、直径推算模块，参数测量模块、拟合计算模块；

所述模型推导模块，用于确定原油炼化喷嘴内部的气体流动模型；

所述直径推算模块，用于根据特定方程，获取超声速流下喷嘴出口喉道直径最大值；

所述参数测量模块，用于获取原油催化裂化过程中的测量参数，包括喷嘴液膜厚度、喷嘴出口喉道直径、蒸汽进气量；

所述拟合计算模块，用于根据测量参数拟合公式计算喷嘴喉道尺寸与液膜厚度关系。

所述模型推导模块中气体流动模型为变截面一维等熵流动模型；所述模型推导模块还包括推导单元，用于通过一维定常流动欧拉运动方程、一维可压缩定常流动连续性方程、声速公式及马赫数推导出亚声速气流及超声速流在不同的管道中的压力与速度的关系。

所述直径推算模块中喷嘴出口喉道满足拉伐尔喷嘴构型,所述特定方程为理想气体状态方程，通过声速公式及一维可压缩定常流动连续性方程计算推导出喷嘴出口喉道直径最大值的公式。

所述拟合计算模块包括：

第一计算单元，用于根据测量的喷嘴液膜厚度和喷嘴出口喉道直径，以及计算出的喷嘴出口喉道直径最大值计算液膜厚度占比与喷嘴出口喉道直径无量纲尺度的比值，修正并绘制液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线，并通过数据拟合得到液膜厚度占比公式；

第二计算单元，用于根据实验测量的经验参数，得到喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式；

第三计算单元，用于基于所述喷嘴出口喉道尺寸与蒸汽进气量公式及测量参数计算并绘制喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线；

第四计算单元，用于根据生产中的油品性质对雾化结果的要求、雾化蒸气量的配比要求，基于所述液膜厚度占比与出口喉道直径无量纲尺度的关系曲线和所述喷嘴出口喉道直径无量纲尺度与气液质量比的关系曲线确定喷嘴出口喉道尺寸的数值区间。

所述喷嘴出口喉道尺寸的数值区间的取值为：雾化粒度需求不大于0.13时喷嘴出口喉道直径无量纲尺度取值大于0.85。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。