韩旭, 张睿, 孟祥海, 等丨碳四烷基化流出物制冷过程中多液滴蒸发特性

文摘 2024-07-08 17:49 北京

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碳四烷基化流出物制冷过程中多液滴蒸发特性

韩旭张睿孟祥海郑涛刘海燕刘梦溪徐春明刘植昌

中国石油大学(北京)重质油全国重点实验室，北京 102249

DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.224001

摘要复合离子液体催化碳四烷基化是生产高品质清洁汽油调和组分的新技术，流出物制冷是维持其反应温度的重要过程。为了开发新的烷基化流出物制冷工艺，本工作研究了减压条件下异丁烷液滴的蒸发特性。将单个或多个异丁烷液滴悬浮在不同热电偶上，测量液滴的温度变化，同时使用高速摄像机记录其蒸发过程，考察了最终压力、环境温度和液滴间距对液滴蒸发特性的影响。结果表明，多液滴和单液滴都包含剧烈蒸发阶段和稳定蒸发阶段。在稳定蒸发阶段，所有液滴都适用d²定律，边缘和中心液滴的蒸发速率均小于单液滴。随着最终压力增加和环境温度降低，中心液滴与单液滴的蒸发速率差异逐渐增大。当两液滴的间距增加到5.48d₀时，液滴的蒸发速率逐渐接近单液滴。

关键词碳四烷基化；异丁烷；液滴；减压；蒸发

1 前言

随着环保要求的日益提高，我国对汽油的标准日益严格，具有高辛烷值、低硫、几乎不含烯烃和芳烃等优点的碳四烷基化油在汽油调和池中的重要性愈发明显^[1-3]。传统的碳四烷基化工艺采用浓硫酸或氢氟酸催化剂，但浓硫酸烷基化工艺存在废酸量大且处理成本高等问题^[4]；而氢氟酸有剧毒，存在严重的安全和环境问题^[5]。离子液体是由阴阳离子组成的低熔点盐，具有环境友好和物理化学性质可调节的优点，其中部分酸性离子液体是碳四烷基化的绿色催化剂^[6-8]，中国石油大学(北京)开发的复合离子液体催化剂具有良好的催化活性和稳定性，全球首套离子液体催化碳四烷基化工业示范装置于2013年成功投产。截至目前，该技术已经在中国石油、中国石化等多家炼厂推广应用。

碳四烷基化是典型的放热反应，反应温度升高会加剧裂化、歧化等副反应，造成烷基化油的辛烷值降低，同时缩减催化剂的使用寿命。因此，异丁烷和离子液体等流出物在循环回反应器前必须取热降温，使反应温度维持在适宜的范围。目前使用传统的换热器对流出物降温，由于离子液体的黏度较大，导热系数较小，所以在换热过程中存在换热效率低、所需换热面积大且投资较高等问题。为了开发高效的烷基化流出物制冷工艺，本课题组提出了流出物闪蒸喷雾制冷方案，使液滴进入过热状态，利用异丁烷的蒸发潜热吸收热量从而降低流出物的温度。新工艺在理论上不仅可以简化工艺流程，减少换热器的投资，而且部分汽化的异丁烷可以减轻后续脱异丁烷塔的负担，降低工艺能耗。

单液滴蒸发过程的研究是研究喷雾的一种简单的替代方法^[9-13]。当压力迅速下降时，液滴进入过热状态，如果热量无法迅速传导到液滴表面，蒸发将通过气泡生长的方式在液滴内部发生；而当压力稳定后，蒸发主要发生在液滴表面^[14]。Gao等^[15]利用热电偶和热红外相机研究了闪蒸过程中LiCl液滴的温度变化，发现在蒸发前期，液滴的表面温度略低于内部温度。Rebelo等^[16]研究了液氮单液滴浸入过热的不互溶液体中的蒸发过程，通过跟踪氮气气泡的生长速率量化蒸发过程，建立了一维气泡生长模型，该模型能很好地预测气泡的增长趋势。刘伟民等^[17]在对水滴在低压下闪蒸结冰的研究中发现，液滴在蒸发过程会经历蒸发、稳态蒸发-结冰、气泡生长-结冰、气泡溢出和爆裂。Liu等^[18]建立了一个数学模型模拟二元混合液滴的减压蒸发过程，模型预测结果与实验结果吻合较好，并得到了液滴内部的温度分布和浓度分布。本课题组^[19]对单个异丁烷液滴的减压蒸发特性和蒸发规律进行了研究，发现液滴在不同过热度下的蒸发包含膨胀破碎、只膨胀不破碎和稳态蒸发3种情形，并对不同蒸发条件下的液滴蒸发速率和温度变化进行了研究。

虽然单液滴在减压条件下的蒸发过程和数学模型研究已经比较深入，但在实际蒸发中，并不只有一个孤立的液滴蒸发，液滴在蒸发时会受到周围液滴的影响，因此多液滴蒸发特性的研究具有重要意义。一些学者通过数值模拟研究了多液滴蒸发时周围蒸汽流场的变化，发现液滴只会影响周围特定的流场区域，且在该区域内液滴周围的浓度和温度都发生很大变化^[20-24]。在实验方面，水滴和燃料等多液滴的加热蒸发过程已有相关报道^[25,26]，Foudhil等^[27]通过实验研究了多个不连续液滴在固体基底上的蒸发，发现与单个液滴相比，被其他液滴包围的中心液滴的寿命增加了83%，蒸发流量减少了58%。Khilifi等^[28]研究了室温下多个水滴在固体基底上蒸发的相互作用，发现相邻液滴之间的相互作用会减缓液滴的蒸发，特别是位于中心的液滴，当液滴间距离增加至15 mm时，相互作用变得很弱。

尽管前人已经对多液滴的蒸发过程进行了大量研究，但异丁烷是一种易挥发(沸点为-11.8℃，常温常压下为气态)、纯组分冷却工质，掌握不同条件下蒸发过程中的形态变化、蒸发速率和蒸发温度等参数，是其应用于离子液体烷基化流出物制冷新工艺中工艺参数设计的基础，因此本工作以异丁烷为研究对象，研究了单个异丁烷液滴和三个液滴在热电偶上蒸发时液滴形态、温度、蒸发速率等参数的变化过程，分析了最终压力、环境温度、液滴间距对多液滴特性的影响规律，所得结果对异丁烷流出物制冷新工艺的设计和蒸发室的设计具有重要指导意义。

2 实验

2.1　实验设备和材料

图1为液滴闪蒸实验装置的示意图，主要由供气系统、蒸发系统、真空系统和数据采集系统组成。其中，供气系统包括配备虹吸管的异丁烷气瓶、压力容器(100 mL)和恒温水箱。蒸发系统主体为圆柱形不锈钢蒸发室(内部尺寸为Φ100 mm×130 mm)，两侧均装有聚碳酸酯视窗。蒸发室的侧面装有液滴注射口，用橡胶垫隔绝异丁烷和环境气体。蒸发室温度由夹层的恒温循环水控制。真空系统由一个真空泵和一个比蒸发室大50倍的真空罐组成。真空罐通过直径25 mm的圆管与蒸发容器相连。电磁阀安装在真空罐与蒸发室之间，通电后0.1 s内即可完全开启。数据采集系统由高速摄像机(Phantom Flex4K, US)、LED光源(3 kW)、计算机和数据采集仪(National instrument, cDAQ9185, US)组成。从镜头到液滴的距离约为50 mm。图像分辨率设置为2048×2048，像素尺寸为0.0256 mm。高分辨率图像可以减少图像处理中液滴大小提取的误差。高速摄像机的帧率设置为1000 fps，便于记录液滴蒸发的完整过程。数据采集系统从热电偶(热偶丝直径为0.125 mm，T型)和压力传感器(霍尼韦尔，STG74S)收集数据。实验所用的异丁烷(99.9%)由北京海普气体有限公司供应。

图1 液滴闪蒸装置示意图Fig.1 Schematic diagram of droplet flash evaporation experimental device

1. Needle valve 2. Vacuum pump 3. Vacuum chamber 4. Solenoid valve 5. Pressure transducer 6. Thermocouple 7. Evaporation chamber 8. NI data acquisition system 9. High-speed camera 10. Computer 11. Isobutane tank 12. Pressure vessel 13. LED backlight 14. Thermostatic water tank 15. Temperature controller 16. Water inlet 17. Water outlet

实验的具体步骤如下：首先，调整高速摄像机对热电偶聚焦，并通过蒸发室夹层的恒温循环水控制蒸发室内的温度。开启真空泵抽出蒸发室内的空气直至压力小于1 kPa，然后向蒸发室内缓慢注入气态异丁烷，直至达到所需压力。待蒸发室内的温度和压力稳定后，用注射器(Hamilton, Germany)将液滴分别悬挂在三根热电偶的尖端，如图2所示。液滴初始直径由注射器注射的液体体积决定，控制在1.15~1.20 mm之间，在液滴直径与蒸发时间关系的研究中，为了减小液滴直径差异的影响，引入无量纲直径用于减小液滴直径微小变化的影响^[9]；最后，打开高速摄像机和数据采集器，并开启电磁阀。直至液滴完全蒸发，关闭电磁阀，实验结束。每个实验至少重复三次。尽管本研究中的液滴直径比实际喷雾(20~60 μm)中的液滴大，但研究^[29,30]发现，毫米级液滴的蒸发特性与微米级液滴相似，而且较大直径的液滴经历更完整的蒸发周期^[31]。

图2 液滴生成示意图

Fig.2 Schematic diagram of droplet formation

1. Pressure transducer 2. Thermocouple 3. Syringe 4. Injection port 5. Interlayer of evaporation chamber 6. Evaporation chamber

2.2　液滴直径获取方法

在本工作中，液滴直径可由液滴的投影面积求得，并通过引入有效直径来确定^[10,32,33]。图像处理程序的过程如图3所示，具体过程如下：首先从像素为2048×2048的原始图像中提取一个像素为300×300的区域，以减少计算时间；然后通过二值化处理得到液滴和热电偶线图像，利用经典的Otsu方法确定每个区域段的最优阈值，并从图像中去除热电偶线，只留下液滴图像。最后通过图像像素校准确定液滴的像素数并校准为长度单位。Han等^[9]的研究表明，该方法计算的液滴直径误差约为2.7%。

图3 图像处理过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the image processing

3 结果与讨论

3.1　液滴的参数定义和蒸发过程

对单液滴蒸发过程中无量纲尺寸随时间的变化进行考察，结果如图4(a)所示。开启电磁阀后，液滴迅速蒸发，并伴随着液滴直径的剧烈波动。随着蒸发室内的压力逐渐稳定，液滴与周围环境气体的传质传热进入稳定阶段，此时液滴缓慢蒸发，液滴的直径变化符合d²定律^[33-35]。根据液滴的蒸发特性，液滴的蒸发过程被分为两个阶段：剧烈蒸发阶段和稳态蒸发阶段。从蒸发开始到t₁时刻定义为剧烈蒸发阶段，此阶段的液滴蒸发时会不断膨胀破裂；从t₁到液滴完全蒸发时定义为稳态蒸发阶段。为了使蒸发速率为正值，将稳态蒸发阶段的蒸发速率定义为：

图4 异丁烷液滴蒸发时(a)归一化直径平方和(b)液滴温度的影响；(c) 蒸发室压力随时间的变化Fig.4 Effects of (a) normalized diameter square and (b) droplet temperature on isobutane droplet evaporation; (c) variation of evaporation chamber pressure with evaporation time

(1)

蒸发速率定义为稳定蒸发阶段的直线斜率的绝对值，由最小二乘法求得。从0 s/mm²到液滴蒸发结束的时间定义为液滴寿命，d²定律的表达式如下，

(2)

式中，d为液滴直径(mm)，t是蒸发时间(s)，d₀为液滴初始直径(mm)，k是蒸发速率常数(mm²/s)。图4(b)是液滴降压蒸发过程液滴温度随时间的变化，可以看出，液滴的温度变化分为两个阶段：第一阶段是电磁阀开启0~0.3 s/mm²内，此时环境内的压力迅速降低，液滴温度迅速下降；第二阶段液滴的温度达到最低值，液滴继续蒸发，液滴蒸发结束后，热电偶温度升高。从图4(c)可以看出，压降过程也可分为两个阶段：压力在最初的2 s内迅速下降，随后趋于稳定。蒸发室内的压力在不同最终压力下的变化趋势基本一致，只有最终平衡压力存在差异。

单液滴的蒸发过程呈现在图5(a)中，蒸发室的温度维持在25℃，蒸发室内的压力由350 kPa降至81 kPa。从降压开始到0.0178 s/mm²液滴表面未出现明显变形，0.0237 s/mm²时，液滴内部的气泡逐渐聚集长大，在0.0414 s/mm²时，气泡达到最大值，随后气泡破碎，液滴变形；随着蒸发的继续进行，液滴内部重新出现气泡，并在0.1065 s/mm²时捕捉到液滴破碎的瞬间，随后液滴进入稳定蒸发直至液滴蒸发完全。图5(b)为三个液滴的蒸发过程，相邻热电偶节点的距离为3 mm。由图可知，多液滴的蒸发特性与单液滴相似，但液滴形变的持续时间较单液滴略有缩短。

图5 异丁烷液滴的蒸发过程：(a) 单液滴；(b) 多液滴Fig.5 Evaporation process of isobutane droplet: (a) single droplet; (b) multiple droplets

从图5中可以看出，无论是单液滴还是多液滴，液滴的蒸发过程都可以分为两个阶段：第一阶段蒸发室内的压力迅速下降，液滴进入过热状态，异丁烷从自身和周围气体中吸收足够的热量，克服分子间的吸引力和表面张力，然后逃逸到周围环境中，液滴内部的异丁烷蒸发产生大量蒸汽，导致液滴膨胀、破碎再膨胀，这一阶段称为剧烈蒸发阶段；第二阶段的液滴，无论是单液滴还是多液滴，液滴的形状波动不明显，直至完全蒸发，该阶段称为稳定蒸发阶段，液滴在重力和表面张力的共同作用下呈椭球型。异丁烷液滴在其他最终压力的蒸发过程与81 kPa时相似。

3.2　离子液体对异丁烷蒸发的影响

流出物中包含异丁烷和离子液体，但离子液体与异丁烷几乎不溶解，为了证明该冷却方法的可靠性，本节单独考察了异丁烷与离子液体混合液滴降压过程的蒸发特性，离子液体液滴悬挂在热电偶节点，随后在密闭条件下注射异丁烷液滴，使异丁烷液滴完全包裹离子液体，异丁烷与离子液体体积比近似为3。纯异丁烷液滴和包含离子液体液滴的归一化直径平方如图6(a)所示。由图可知，离子液体的加入对异丁烷液滴稳定蒸发阶段的蒸发速率影响很小，且与纯异丁烷相比，液滴中心区域的离子液体温度在0.3 s/mm²内降至最低温度，且最低温度与异丁烷液滴相比只高了1℃左右。随着蒸发过程的进行，离子液体的温度逐渐趋于纯异丁烷的温度，这说明即使包含离子液体，异丁烷仍能高效地冷却流出物。但总体来说，离子液体对异丁烷液滴蒸发速率和温度影响很小，所以在多液滴的研究中，只研究了纯异丁烷液滴的蒸发。

图6 离子液体的加入对(a)异丁烷液滴归一化直径平方和(b)液滴温度的影响Fig.6 Effects of the addition of ionic liquid on (a) normalized diameter square of isobutane droplet and (b) droplet temperature

3.3　最终压力对多液滴蒸发的影响

图7为不同最终压力下单液滴、边缘液滴和中心液滴的归一化直径平方的变化规律。液滴的初始温度为25℃，初始直径约为1.15 mm，最终环境压力(绝压)分别为62, 103和205 kPa。随着最终压力减小，单液滴的蒸发速率常数由0.0533 mm²/s增加至0.1185 mm²/s，因为这一阶段液滴的蒸发主要通过环境与液滴之间的热交换实现，压力越低，液滴的温度越低(见图8)，环境温度与液滴的温差越大，液滴蒸发速率越快。在实验条件下，三个液滴的蒸发过程均包含快速蒸发阶段和稳定蒸发阶段，这表明液滴之间的相互作用不会改变液滴的蒸发阶段，边缘液滴和中心液滴在稳定蒸发阶段仍然符合d²定律。当最终压力为205 kPa时，单液滴、边缘液滴和中心液滴在稳定蒸发阶段的蒸发速率分别为0.0533, 0.0474和0.0402 mm²/s，由于周围液滴的影响，两液滴之间区域的异丁烷浓度升高，导致单液滴的蒸发速率大于边缘液滴和中心液滴的蒸发速率。

图7 不同最终压力下单个、边缘和中心液滴的归一化直径平方：(a) 62 kPa; (b) 103 kPa; (c) 205 kPaFig.7 Normalized diameter quare of single, edge, and central droplets at different final pressures: (a) 62 kPa; (b) 103 kPa; (c) 205 kPa

图8 不同最终压力下单个、边缘和中心液滴的温度变化Fig.8 Variations of temperature of single, edge, and central droplets at different final pressures

图8为不同最终压力下，单液滴、边缘液滴和中心液滴的温度变化。在闪蒸开始的0.3 s/mm²内，不同最终压力下单液滴、边缘液滴和中心液滴的温度均剧烈下降。异丁烷液滴在剧烈蒸发阶段的降温速率随着最终压力的降低而增加，且最终压力越低，液滴温度越低。因为在低压时，异丁烷液滴有更大的蒸发潜热，所以液滴温度越低。在实验范围内，随着最终压力的改变，液滴总能在0.3 s/mm²左右降至最低温度，且最低温度在随后的蒸发过程中几乎保持不变，这说明异丁烷液滴具有良好的降温性能，通过改变最终压力可以实现冷却温度的精准调控。从图中还可以看出，多液滴对液滴的降温速率和最低温度的影响很小。通过蒸发时间可以看出，中心液滴的寿命比边缘液滴和单液滴的寿命长，这是因为中心液滴的蒸发速率最小，当最终压力达到62 kPa时，单液滴和中心液滴的寿命几乎相同，此时，单液滴和中心液滴的蒸发速率相近。

图9为单液滴、边缘液滴和中心液滴在稳定蒸发阶段的蒸发速率常数。结果表明，液滴的蒸发常数随着最终压力的降低而增大，归因于液滴的最低温度随最终压力的降低而下降，导致液滴与周围环境之间的温差增大，加快了液滴的蒸发速率。当有液滴在其他液滴附近蒸发时，由于受周围液滴的影响，两液滴之间区域的异丁烷浓度升高，异丁烷浓度梯度小于其他区域，传质速率减小，液滴汽化的难度也会增加，因此液滴的蒸发速率减慢。在62 kPa时，两边缘液滴对中心液滴的影响较小，但在103和205 kPa时的影响较大。中心液滴在205 kPa时的蒸发速率常数比单液滴低24.6%，这主要是因为最终压力较高时，异丁烷蒸汽扩散速度较慢，中心液滴附近的浓度梯度较小，周围异丁烷蒸汽对中心液滴的影响较大；当最终压力较低时，液滴周围的异丁烷浓度梯度增大，边缘液滴产生的部分异丁烷蒸汽对浓度梯度的影响较小。

图9 稳定蒸发阶段单个、边缘和中心液滴的蒸发速率常数Fig.9 Evaporation rate constants of single, edge, and central droplets at stable evaporation stage

3.4　环境温度对多液滴蒸发的影响

图10为不同环境温度下单液滴、边缘液滴和中心液滴的归一化直径平方的变化规律。液滴的初始温度为25℃，环境温度为25和35℃，液滴初始直径为1.20 mm，由于最终压力较高时，单液滴与多液滴的蒸发速率差异较大，所以在最终环境压力为154 kPa时进行实验。随着环境温度由25℃升高至35℃，单液滴蒸发速率由0.06994 mm²/s增加至0.09601 mm²/s。因为环境温度升高，液滴与环境之间的温度差增大，传热速率随之增加，导致液滴的蒸发速率加快。但随着环境温度升高，中心液滴与单液滴之间蒸发速率的差异减小，环境温度为25℃时，中心液滴的蒸发速率比单液滴低21.5%；当环境温度升高至35℃时，中心液滴的蒸发速率仅比单液滴低4%。这是由于环境温度升高，异丁烷液滴周围的蒸汽浓度梯度增加，边缘液滴蒸发产生的异丁烷蒸汽对中心液滴附近的浓度梯度的影响也随之减小，并且环境温度的升高加剧了异丁烷分子在蒸发室内的扩散。Zhao等^[22]的模拟结果显示，随着环境与液滴之间温差增加，液滴的影响区域半径增加，且影响区域内的温度升高，加快了异丁烷气体的扩散。该结果从侧面印证了本实验的结果。

图10 不同温度下单个、边缘和中心液滴的归一化直径平方：(a) 25℃; (b) 35℃Fig.10 Normalized diameter square of single, edge, and central droplets at different temperatures: (a) 25℃; (b) 35℃

3.5　液滴距离对多液滴蒸发的影响

液滴距离的影响本质上与液滴数量的影响相似，两液滴间距离的减小，导致周围局部蒸汽浓度增加和蒸汽浓度梯度减小。因此增加了液滴汽化的难度，降低传质速率。因为异丁烷常温下为气态，液滴的悬挂需要在蒸发室内进行，由于注射器针头长度的限制，难以探究三个液滴间距离对液滴蒸发过程的影响，所以本节对距离不同的两个液滴进行了闪蒸实验。液滴间的不同距离通过改变两热电偶结点的距离实现。为了避免液滴距离很近时，液滴在快速蒸发阶段的膨胀过程出现液滴融合现象，在液滴和环境温度为25℃，液滴初始直径d₀为1.20 mm，最终压力为205 kPa的条件下进行实验。图11为液滴的归一化直径平方随归一化时间的变化。为了更好地解释液滴蒸发过程的影响区域，将液滴间距与液滴初始直径的比值定义为归一化间距。随着液滴间距离的减小，液滴的蒸发速率明显降低，因为液滴间距离的减小，导致液滴气液界面周围的异丁烷浓度增加，降低了液滴蒸发时的气态浓度梯度，从而降低了液滴蒸发速率。当两液滴之间的距离由1.35d₀ (1.62 mm)增加至5.48d₀ (6.58 mm)时，两液滴的蒸发速率由0.04033 mm²/s增加至0.05319 mm²/s，相同蒸发条件下，单液滴的蒸发速率为0.0533 mm²/s。两液滴的蒸发速率与单液滴的蒸发速率几乎相同，这说明多液滴之间的相互作用会随着液滴之间距离的增加而减弱，当两液滴的距离大于5.48d₀时，液滴间的相互作用可以忽略。

图11 不同归一化距离液滴的蒸发速率(双液滴)Fig.11 Evaporation rates of droplets with different normalized droplet distances (double-droplet)

4 结论

本工作研究了多个异丁烷液滴在减压过程中的蒸发特性，主要包括最终压力、环境温度和液滴距离对异丁烷液滴蒸发性能的影响，研究结果总结如下。

(1) 多液滴的蒸发规律与单液滴相似。单液滴、边缘液滴和中心液滴的蒸发过程仍然可分为剧烈蒸发和稳定蒸发两个阶段，且d²定律仍然适用于边缘和中心液滴。

(2) 中心液滴的蒸发速率<边缘液滴的蒸发速率<单液滴的蒸发速率，随着最终压力的增加和环境温度的降低，中心液滴与单液滴之间的蒸发速率差异愈发明显。

(3) 在两液滴蒸发实验中，随着液滴距离增大，液滴的稳定蒸发速率随之增加，且当液滴间的距离大于5.48d₀时，两个液滴间的蒸发的相互作用可以忽略。

略

Evaporation characteristics of multiple droplets of isobutane alkylated effluent during refrigeration

Xu HAN Rui ZHANG Xianghai MENG Tao ZHENG Haiyan LIU Mengxi LIU Chunming XU Zhichang LIU

State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum, Beijing 102249, China

Abstract: Isobutane alkylation catalyzed by composite ionic liquid is a new technology for the production of high quality and clean gasoline blending components. Maintaining the appropriate temperature during the alkylation reaction is crucial, and effluent cooling emerges as a pivotal measure in this regard. Currently, heat exchangers are used to cool the effluent, but there are shortcomings such as large heat exchange area requirements, high equipment cost and limited cooling effect. The presence of excess isobutane makes it possible to cool the effluent with flash spray. In order to develop a new refrigeration process for alkylated effluents, the evaporation characteristics of isobutane droplets under reduced pressure were studied. Since isobutane is a gas at room temperature and pressure, it is difficult to exist as a liquid. Therefore, a special experimental device was set up to study the evaporation process of isobutane droplets in this work. Single isobutane droplet or multiple droplets were suspended at the top of thermocouples to measure the temperature variation of each droplet, while a high-speed camera recorded the evaporation process. The effects of final pressure, ambient temperature, and droplet spacing on droplet evaporation characteristics were analyzed. The results showed that isobutane droplets underwent intense evaporation and stable evaporation phases, and the evaporation behavior of multi-droplet was similar to that of single droplet. During the stable evaporation phase, all droplets followed the classical d² law, and the evaporation rate of the edge and center droplets was below the single droplet. With the increase of the final pressure and the decrease of the ambient temperature, the difference between the evaporation rate of the center droplet and the single droplet gradually increased. The temperature field and vapor concentration field during droplet evaporation had a limited range of variation. When the distance between the two droplets increased to 5.48d₀, the evaporation rate of the droplet gradually approached that of the single droplet.

Keywords: isobutane alkylation；isobutane；droplet；depressurization；evaporation

引用本文：韩旭, 张睿, 孟祥海, 等. 碳四烷基化流出物制冷过程中多液滴蒸发特性. 过程工程学报, 2024, 24(6): 660-669. (Han X, Zhang R, Meng X H, et al. Evaporation characteristics of multiple droplets of isobutane alkylated effluent during refrigeration (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(6): 660-669, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.224001.)

作者简介：韩旭，博士研究生，化学工程与技术专业，E-mail: hx1996117@163.com

作者简介：刘植昌，教授，主要从事离子液体及清洁油品生产相关研究，E-mail: lzch@cup.edu.cn

基金信息：国家自然科学基金资助项目(编号：22021004; 21890763)

中图分类号： TE624

文章编号：1009-606X(2024)06-0660-10

文献标识码： A

收稿日期：2024-01-01

修回日期：2024-02-27

出版日期：2024-06-28

网刊发布日期：2024-06-26

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MzM2MjgyOQ==&mid=2247531009&idx=1&sn=f5a145b17f2df6973b8b787e92b93369

过程工程学报

《过程工程学报》(月刊)创刊于1976年，由中国科学院过程工程研究所主办、科学出版社出版。《过程工程学报》以过程工程科学为学科基础，重点刊登材料、化工、生物、能源、冶金、石油、食品、医药、资源及环境保护等领域中涉及过程工程的原创论文。

韩旭, 张睿, 孟祥海, 等丨碳四烷基化流出物制冷过程中多液滴蒸发特性

1 前 言

2 实 验

2.1 实验设备和材料

2.2 液滴直径获取方法

3 结果与讨论

3.1 液滴的参数定义和蒸发过程

3.2 离子液体对异丁烷蒸发的影响

3.3 最终压力对多液滴蒸发的影响

3.4 环境温度对多液滴蒸发的影响

3.5 液滴距离对多液滴蒸发的影响

4 结 论