趙連鴻，白吉云，劉 濤，汪 毅，滕秋霞，田玉民，呂鵬剛，姜 健

(1.中國石油石油化工研究院蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州 730060；2.中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060)

催化裂化催化劑是催化裂化的核心，催化裂化技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了催化劑制備工藝的持續(xù)發(fā)展。近年來，為進(jìn)一步適應(yīng)加工重質(zhì)油品、多產(chǎn)低碳烯烴、生產(chǎn)清潔化以及增產(chǎn)化工原料的需求，國內(nèi)煉油廠和科研機(jī)構(gòu)大大加快了催化劑更新?lián)Q代的步伐。同時(shí)，催化裂化裝置增產(chǎn)丙烯、多產(chǎn)柴油、提高辛烷值等需求的增加也促進(jìn)了催化裂化助劑制備技術(shù)的快速發(fā)展。隨著催化劑和助劑種類的增多，不同類型催化劑產(chǎn)品制備方法和生產(chǎn)工藝之間的差異越來越大，對產(chǎn)品質(zhì)量的控制和生產(chǎn)裝備的適用性提出了更高的要求。

催化裂化催化劑生產(chǎn)過程中，噴霧干燥是成膠漿液經(jīng)過霧化干燥形成微球產(chǎn)品的過程，也是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。改進(jìn)噴霧干燥裝置、優(yōu)化生產(chǎn)工藝是提升產(chǎn)品球形度、磨損指數(shù)、粒徑分布等指標(biāo)的重要途徑。國內(nèi)多數(shù)噴霧干燥工業(yè)裝置主要建設(shè)于20世紀(jì)90年代，因其傳熱傳質(zhì)過程的復(fù)雜性和影響因素的多元性，關(guān)鍵的熱風(fēng)分布技術(shù)和塔體結(jié)構(gòu)形式一直沿用至今。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的成熟和應(yīng)用，推進(jìn)了學(xué)者探索和研究干燥塔內(nèi)部流場分布的進(jìn)程。20世紀(jì)90年代，研究者開始采用數(shù)學(xué)模型對噴霧干燥過程進(jìn)行建模計(jì)算，模擬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和干燥效果[1-5]。2000年以后，有研究者采用MATLAB、FLUENT等軟件針對噴霧干燥過程開展流動(dòng)特性與數(shù)值模擬研究[6-8]。2010年以后，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法逐漸應(yīng)用于催化裂化催化劑噴霧干燥過程研究，加快了工藝過程的研究進(jìn)程[9-12]。許京荊等[13]采用ANSYS CFX軟件對液滴與熱氣流的傳熱和傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。秦婭等[14-17]建立了干燥塔兩相流數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化了噴槍數(shù)量和霧化角度。譚永鵬等[18]通過建立CFD模型對干燥塔內(nèi)的流場特性及催化劑顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析 。上述工作研究了噴霧干燥傳熱傳質(zhì)規(guī)律和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化了霧化分散形式，為進(jìn)一步研究干燥塔內(nèi)部熱風(fēng)分布規(guī)律和優(yōu)化塔體結(jié)構(gòu)奠定了良好的基礎(chǔ)。

催化裂化催化劑噴霧干燥裝置適用的熱風(fēng)分布方式包括旋轉(zhuǎn)下降、集中下降和垂直下降三種形式，主要采用熱風(fēng)分布裝置調(diào)節(jié)熱空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)速率。干燥塔內(nèi)部熱風(fēng)分布形式與霧滴干燥過程的傳熱傳質(zhì)效率密切相關(guān)，是影響干燥速率和流場特性的關(guān)鍵因素[19]。催化劑的干燥成型過程是霧滴內(nèi)部水分不斷遷移汽化、干燥收縮并形成球形顆粒的過程。在恒速干燥階段，霧滴內(nèi)部水分?jǐn)U散速率大于表面汽化速率，物料表面處于濕潤狀態(tài)，熱空氣與物料表面的溫度差是傳質(zhì)推動(dòng)力，傳熱過程的阻力主要來自于表面汽化速率，影響干燥速率的主要因素為接觸物料時(shí)熱空氣的溫度和流動(dòng)速率；在降速干燥階段，干燥速率主要由物料內(nèi)部水分?jǐn)U散速率決定，物料特性是水分?jǐn)U散速率的主要影響因素。

本文采用Fluent和Gambit軟件，建立單噴槍壓力式噴霧干燥塔模型，研究三種熱風(fēng)分布方式下干燥塔內(nèi)部熱空氣的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速率、溫度分布以及流場均勻程度，優(yōu)化熱風(fēng)分布板和出風(fēng)口位置等塔體結(jié)構(gòu)形式，為高質(zhì)量生產(chǎn)不同類型催化裂化催化劑和助劑提供技術(shù)路線。同時(shí)，探索解決物料粘壁等問題的方法，逐步提升工業(yè)噴霧干燥裝置長周期運(yùn)行能力。

1 設(shè)計(jì)條件及計(jì)算式說明

設(shè)計(jì)條件：蒸發(fā)量100 kg·h-1，入口煙氣溫度450 ℃,出口煙氣溫度150 ℃，煙氣量1 268 kg·h-1。干燥塔高度6 000 mm，直筒段高度2 500 mm，直筒段直徑1 500 mm，設(shè)置6個(gè)300 mm×200 mm進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口直徑300 mm，出風(fēng)口開口向上時(shí)位于水平煙道上方1 500 mm處，出風(fēng)口開口向下時(shí)位于水平煙道下方400 mm處，出風(fēng)口水平設(shè)置時(shí)的切口角度為45°。

速率分布相對偏差公式：

2 模型建立

2.1 幾何模型

采用Fluent 13.0和Gambit 2.4.6模擬軟件，流場類型Steady，湍流模型Standardk-e和StandardWall Fn，壓力速率耦合方法SIMPLE。求解方程為質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

式中，u、v、w為直角坐標(biāo)下不同方向的速率；x,y,z 為直角坐標(biāo)下三個(gè)方向。

(2)動(dòng)量守恒方程

式中，ρ為氣體密度；μ為氣體黏度；P為氣體壓力；S為源項(xiàng)。

(3)能量守恒方程

圖1為噴霧干燥塔幾何模型。

圖1 噴霧干燥塔幾何模型Figure 1 Geometric model of spray drying tower

建立的干燥塔模型中，塔體上部設(shè)置側(cè)進(jìn)式進(jìn)風(fēng)煙道，連接均勻分布6個(gè)進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)煙道位于塔體下部錐體段。噴槍自塔頂插入，下端連接霧化器。所設(shè)置的兩層熱風(fēng)分布板位于進(jìn)風(fēng)口下方、霧化器上方。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方式。

2.2 邊界條件

計(jì)算過程采用的假設(shè)條件為：煙氣進(jìn)口設(shè)為速率進(jìn)口(Velocity Inlet)，出口設(shè)為壓力出口(Pressure Outlet)，煙道及出風(fēng)口擋板等設(shè)為壁面(Wall)，分布板設(shè)為多孔跳躍(Porous jump)。

3 模擬結(jié)果

3.1 旋轉(zhuǎn)下降形式的分布規(guī)律

干燥塔內(nèi)未設(shè)置熱風(fēng)分布板。熱空氣流經(jīng)進(jìn)風(fēng)煙道，自進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥塔，從出風(fēng)煙道上方的出風(fēng)口離開干燥塔。由圖2～5可見，熱空氣在干燥塔內(nèi)自上而下呈旋轉(zhuǎn)下降狀態(tài)，流動(dòng)速率自塔壁到噴槍下游呈逐漸下降趨勢。噴槍下游斷面速率分布相對偏差為41.9%。由圖6～7可見，塔壁附近溫度較高，噴槍下方明顯存在大范圍低溫區(qū)。由圖4可見，出風(fēng)口位于出風(fēng)煙道上方時(shí)，其上方區(qū)域的熱空氣存在渦流和旋流現(xiàn)象。

圖2 頂部煙道流線圖Figure 2 Streamline diagram of top flue

采用旋轉(zhuǎn)下降熱風(fēng)分布形式，霧化后的霧滴群進(jìn)入低溫區(qū)，與流速慢、溫度低的熱空氣接觸，導(dǎo)致恒速干燥段的干燥速率偏低，影響干燥效果。表面未形成干燥殼層的物料顆粒在濕球狀態(tài)下與塔壁接觸，易出現(xiàn)濕塔和粘壁現(xiàn)象。熱空氣攜帶物料在干燥塔內(nèi)旋轉(zhuǎn)下降，可延長物料在干燥塔內(nèi)的停留時(shí)間，有益于水分遷移汽化和微球顆粒成型。噴槍下游斷面速率分布相對偏差反映了同一斷面速率分布的均勻程度，噴槍下游與塔壁附近熱空氣流速差異偏大是造成相對偏差較大的主要原因。出風(fēng)口管口向上時(shí)，其上方熱空氣易形成大范圍渦流和旋流，影響流場分布均勻性。

圖3 噴槍下游1 000 mm斷面速率分布Figure 3 Velocity distribution of 1000 mm section downstream of spray gun

圖4 立面流線圖Figure 4 Elevation streamline diagram

圖5 干燥塔內(nèi)部流線Figure 5 Internal streamline of the drying tower

圖6 立面溫度分布Figure 6 Elevation temperature distribution

圖7 干燥塔內(nèi)溫度分布Figure 7 Temperature distribution in drying tower

3.2 垂直下降形式的分布規(guī)律

干燥塔內(nèi)設(shè)置兩層結(jié)構(gòu)相同的熱風(fēng)分布板，分布板上均勻設(shè)置一定數(shù)量通孔，孔徑 12 mm，開孔率25%。由圖 8～10可見，熱空氣經(jīng)過分布板后豎直向下運(yùn)動(dòng)，速率均勻分布，無渦流及湍流現(xiàn)象。噴槍下游斷面速率分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為 6.9%。由圖9可見，出風(fēng)口水平設(shè)置于出風(fēng)煙道且管口采用斜側(cè)切方式時(shí)，出風(fēng)煙道上方熱空氣向同側(cè)輕微偏移，煙道下方存在旋流現(xiàn)象。由圖11～12可見，干燥塔內(nèi)部溫度呈梯度分布，且均勻性較好，煙道下方存在低溫區(qū)。

圖8 噴槍下游1 000 mm斷面速率分布Figure 8 Velocity distribution of 1 000 mm section downstream of spray gun

垂直下降熱風(fēng)分布形式是催化裂化催化劑噴霧干燥過程中普遍采用的一種方式，其優(yōu)勢在于熱空氣在豎直下降過程中速率和溫度呈梯度分布，熱風(fēng)分布均勻性較好。同時(shí)，由于噴槍霧化角通常約為60°，霧化后的霧滴群分散角度相對較小，在水平分布的高溫區(qū)域與熱空氣接觸時(shí)間相對較短，對干燥效果存在一定程度影響。垂直下降熱風(fēng)分布形式適用于水分遷移阻力相對較小的催化裂化催化劑和助劑的連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)，易出現(xiàn)干燥和成型過程難以兼顧的情況，往往需要在產(chǎn)量和質(zhì)量之間作出選擇。在長周期運(yùn)行過程中，其直筒段下部易出現(xiàn)物料粘壁現(xiàn)象。

圖9立面流線圖Figure 9 Elevation streamline diagram

圖10 干燥塔內(nèi)部流線圖Figure 10 Internal streamline of the drying tower

圖11 立面溫度分布Figure 11 Elevation temperature distribution

圖12 干燥塔內(nèi)溫度分布Figure 12 Temperature distribution in drying tower

3.3 集中下降形式的分布規(guī)律

干燥塔內(nèi)設(shè)置兩層結(jié)構(gòu)相同的熱風(fēng)分布板，分布板中央設(shè)置一個(gè)圓形開孔，開孔率5%；四周位置均勻設(shè)置一定數(shù)量通孔，孔徑 12 mm，開孔率20%。熱空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥塔流經(jīng)熱風(fēng)分布板，一部分熱空氣穿過中央圓形開孔在噴槍附近分布，另一部分熱空氣穿過四周通孔后豎直向下運(yùn)動(dòng)，最后熱空氣自出風(fēng)煙道下方的出風(fēng)口離開干燥塔。由圖13～15可見，噴槍下游的熱空氣流動(dòng)速率明顯快于四周區(qū)域，無明顯渦流、旋流和偏流現(xiàn)象。由圖14可見，出風(fēng)口位于出風(fēng)煙道下方且管口向下時(shí)，熱空氣在干燥塔內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)距離相對較長，出風(fēng)煙道上方熱空氣分布均勻性較好。噴槍下游斷面速率分布相對偏差為 62.5%，其影響因素為噴槍下游熱空氣的流速較快。由圖16～17可見，噴槍下方存在V形高溫區(qū)且呈梯度分布。

圖13 噴槍下游1 000 mm斷面速率分布Figure 13 Velocity distribution of 1 000 mm section downstream of spray gun

圖14 立面速率分布Figure 14 Elevation speed distribution

圖15 立面流線圖Figure 15 Elevation streamline diagram

圖16 立面溫度分布Figure 16 Elevation temperature distribution

采用集中下降熱風(fēng)分布形式，空氣流經(jīng)熱風(fēng)分布板時(shí)，中央圓形開孔處的運(yùn)動(dòng)阻力小于四周通孔區(qū)域，大部分熱空氣呈V型集中分布于噴槍下游，流動(dòng)速率快且高溫較高。分散后的霧滴群運(yùn)動(dòng)軌跡與高溫、高速的熱空氣重合程度高，接觸時(shí)間長，可大幅度提升物料在恒速干燥階段的干燥速率，使液滴在接觸塔壁前達(dá)到臨界點(diǎn)，更易于表面形成干燥殼層，從而減少物料粘壁現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，出風(fēng)口的管口向下設(shè)置，可最大限度提升物料停留時(shí)間，為水分遷移阻力較大的物料提供相對充足的干燥成型時(shí)間。集中下降熱風(fēng)分布形式適用于多種類型催化裂化催化劑和助劑的連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)，在控制微球顆粒形態(tài)、提升產(chǎn)品抗磨損性能以及解決物料粘壁等方面具有優(yōu)勢。

圖17 干燥塔內(nèi)溫度分布Figure 17 Temperature distribution in drying tower

4 結(jié) 論

(1)干燥塔內(nèi)未設(shè)置熱風(fēng)分布板，熱空氣呈旋轉(zhuǎn)下降分布狀態(tài)，噴槍下游存在較大范圍低溫區(qū)，塔體上部存在渦流和旋流現(xiàn)象，分布均勻性相對較差。

(2)設(shè)置兩層均勻分布通孔的熱風(fēng)分布板，開孔率25%，干燥塔內(nèi)部熱氣流運(yùn)動(dòng)方向豎直向下，溫度自上而下呈梯度分布，熱空氣速率和溫度分布均勻性較好。

(3)設(shè)置兩層中央開孔的熱風(fēng)分布板，中央圓形開孔的開孔率5%，四周通孔開孔率20%，干燥塔內(nèi)部熱氣流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)集中分布狀態(tài)，噴槍下游溫度分布呈V型梯度分布。

(4)出風(fēng)口管口向上，其上部易形成渦流、旋流現(xiàn)象；出風(fēng)口采用水平斜切方式，煙道下方存在低溫區(qū)；出風(fēng)口管口向下，物料停留時(shí)間相對較長。