大型催化裂化催化劑噴霧干燥塔數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化

秦 婭，呂廬峰，侯栓弟，朱振興

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，人們對(duì)催化裂化(FCC)的要求已經(jīng)不再停留在只是單一生產(chǎn)輕質(zhì)油，而是轉(zhuǎn)變成過(guò)程脫硫、降烯烴、多產(chǎn)低碳烯烴等，而催化裂化技術(shù)的核心是催化劑，因此對(duì)FCC催化劑的性狀提出了更高的要求，同時(shí)FCC催化劑也具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。噴霧干燥塔是催化劑制備成型的核心裝置。國(guó)外FCC催化劑裝置中，催化劑漿料的干燥也采用噴霧干燥塔進(jìn)行預(yù)干燥，其關(guān)鍵設(shè)備——噴霧干燥塔，多采用的是丹麥Niro公司和美國(guó)SDS公司研發(fā)的噴霧干燥塔；但是，采用其工藝技術(shù)的FCC催化劑裝置產(chǎn)能多數(shù)在5～30 kt/a，如今，隨著FCC催化劑裝置大型化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)需新建50 kt/a FCC催化劑裝置以適應(yīng)市場(chǎng)需求。若采用成熟的國(guó)外技術(shù)，就必須配套2套噴霧干燥系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是：①國(guó)外進(jìn)口噴霧干燥系統(tǒng)只是小型化噴霧干燥技術(shù)的復(fù)用，不利于大型化噴霧干燥技術(shù)的發(fā)展；②采用國(guó)外裝備及工藝技術(shù)除了一次投資費(fèi)用高外，噴霧干燥塔的噴嘴等易損件需要從配套的國(guó)外公司長(zhǎng)期進(jìn)口，存在長(zhǎng)期的二次投資費(fèi)用。因此，需要在前期技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)上，技術(shù)突破再創(chuàng)新，才能形成單條線產(chǎn)能達(dá)到50 kt/a 以上FCC催化劑裝置的噴霧干燥技術(shù)[1-3]。另外，現(xiàn)有噴霧干燥成型過(guò)程中及大型化過(guò)程存在一些問(wèn)題，如催化劑產(chǎn)品球形度不好、顆粒粒徑分布范圍較寬、催化劑產(chǎn)品均一性差等，影響了催化劑產(chǎn)品的品質(zhì)。大型噴霧干燥塔的結(jié)構(gòu)和內(nèi)構(gòu)件形式以及操作參數(shù)會(huì)對(duì)干燥效果產(chǎn)生很大影響，而噴霧干燥塔內(nèi)部流場(chǎng)有助于了解噴霧干燥過(guò)程以及其對(duì)催化劑產(chǎn)品性能可能產(chǎn)生的影響。由于這種高溫操作裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)十分困難，因此近年來(lái)出現(xiàn)了一些CFD模擬研究[4-6]，而對(duì)FCC催化劑制備噴霧干燥塔內(nèi)流場(chǎng)研究的報(bào)道相對(duì)較少[7]。本課題前期通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)CFD模擬的方法[8]，建立了中型噴霧干燥塔的CFD模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對(duì)50 kt/a的大型噴霧干燥塔進(jìn)行數(shù)值模擬，從而對(duì)催化劑的工業(yè)放大和操作條件優(yōu)化過(guò)程起到指導(dǎo)作用，為FCC催化劑裝置中大型噴霧干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的技術(shù)保障。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型[8]

基于歐拉-拉格朗日模型，由連續(xù)相控制方程組、離散相控制方程以及氣體-顆粒熱質(zhì)傳遞模型構(gòu)成了模擬噴霧干燥過(guò)程的CFD模型。連續(xù)相控制方程組用于描述干燥塔內(nèi)氣相的性質(zhì)，如氣流溫度、濕度、速度及壓力；離散相模型用于追蹤顆粒在干燥室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡；氣體-顆粒熱質(zhì)傳遞模型用于描述兩相間質(zhì)量、動(dòng)量變換，能量的轉(zhuǎn)移和耗散。氣、液兩相湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.2 幾何模型及邊界條件

在計(jì)算過(guò)程中采用的假設(shè)包括：①噴霧干燥塔軸對(duì)稱；②氣粒兩相全部從下面出口流出；③忽略噴霧干燥過(guò)程的熱損失；④顆粒初始粒徑均一。

圖1 簡(jiǎn)化模型噴霧干燥塔結(jié)構(gòu)示意1—?dú)庀嗳肟冢?2—漿料入口； 3—對(duì)稱面； 4—出口

1.3 初步模擬結(jié)果

1.3.1流速場(chǎng)分布噴霧干燥塔內(nèi)熱氣體的速度場(chǎng)是氣體進(jìn)入塔后的運(yùn)行軌跡，能直觀反映氣體的流動(dòng)情況。初步模擬所得的流速場(chǎng)矢量分布見(jiàn)圖2，速度流線見(jiàn)圖3。從圖2可以看出，熱氣流進(jìn)塔經(jīng)過(guò)多孔板后流速增加，由于分布板中央死區(qū)的存在，在其附近形成低速區(qū)，氣體與催化劑漿料接觸后，由于漿料中水分迅速蒸發(fā)，氣體流量增大從而流速加大，在塔的中央?yún)^(qū)域形成了一段高流速區(qū)，而四周流速較小。從圖3可以看出，四周的低速氣流旋而向上，形成2個(gè)大的漩渦，全塔形成了中央流速大、周邊流速小的趨勢(shì)。

圖2 初步模擬所得流速場(chǎng)矢量分布

圖3 初步模擬所得速度流線

1.3.2溫度場(chǎng)分布噴霧干燥塔內(nèi)不同截面的溫度分布見(jiàn)圖4。分布板上方的紅色區(qū)域代表熱空氣，溫度較高，經(jīng)過(guò)分布板后與噴槍噴出的漿料接觸的位置溫度最低；漿料與熱空氣接觸后水分大量蒸發(fā)，全塔塔內(nèi)溫度顯著降低。由于物料有一定的噴射角度，因此物料運(yùn)行過(guò)程中，塔的中心區(qū)域溫度較低，而四周溫度較高。

1.3.3顆粒運(yùn)行軌跡噴霧干燥塔內(nèi)顆粒運(yùn)行軌跡見(jiàn)圖5。漿料由噴嘴噴出后形成顆粒，受?chē)娮旖嵌鹊目刂葡蛑胁考?，然后顆粒主體整體向下。由于噴前壓力、霧化角度、干燥過(guò)程、空氣流速、干燥塔的大小及出口方式等因素的影響，顆粒運(yùn)行軌跡相對(duì)復(fù)雜，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全塔顆粒運(yùn)行狀況十分困難，但是該模型可以預(yù)測(cè)主體顆粒的運(yùn)行軌跡，而且可以觀察到噴嘴出口的顆粒流速很大，隨后顯著減小，可為噴霧干燥塔的設(shè)計(jì)提供參考。

圖4 初步模擬所得噴霧干燥塔內(nèi)不同截面的溫度分布

圖5 初步模擬所得噴霧干燥塔內(nèi)顆粒運(yùn)行軌跡

2 模型修正

2.1 修正模型驗(yàn)證

為更準(zhǔn)確對(duì)大型噴霧干燥塔進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行了修正，主要包括：①干燥后的催化劑顆粒及氣流出口由1個(gè)改為2個(gè)，一部分顆粒由氣流夾帶由塔側(cè)面出口流出；另一部分從塔底的出口出料；②噴槍數(shù)量減少2支；③考慮過(guò)程的熱損失，設(shè)置壁面溫度為25 ℃。

噴霧干燥塔溫度的模擬預(yù)測(cè)值與工業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看出，模型誤差最大為16.9%，基本滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的需要。

表1 噴霧干燥塔溫度設(shè)計(jì)值與模擬值的對(duì)比

2.2 修正模型的模擬結(jié)果

以修正模型進(jìn)行全塔模擬，得到的流速場(chǎng)矢量分布見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，氣相主體向下，中央流速較大，左右兩側(cè)各有漩渦生成，但是并不完全對(duì)稱，受側(cè)面氣相出口的影響，呈現(xiàn)出偏流趨勢(shì)。噴霧干燥塔整體呈現(xiàn)出氣相流速不均勻的現(xiàn)象。

圖6 修正模型模擬所得流速場(chǎng)矢量分布

噴霧干燥塔內(nèi)不同截面溫度分布見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，漿料與熱空氣接觸后水分大量蒸發(fā)，全塔塔內(nèi)溫度顯著降低。由于物料有一定的噴射角度，因此物料運(yùn)行過(guò)程中，塔的中心區(qū)域溫度較低，而四周溫度較高。同時(shí)，塔內(nèi)低溫分布區(qū)并未完全集中在塔中央，即溫度場(chǎng)分布整體呈現(xiàn)出一定偏流的趨勢(shì)，說(shuō)明塔內(nèi)顆粒蒸發(fā)情況與流體流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。

噴霧干燥塔內(nèi)顆粒運(yùn)行軌跡見(jiàn)圖8。從圖8可以看出：與熱空氣并流的顆粒整體向下，在側(cè)面抽出口的下部分為兩部分，一部分被氣流夾帶由側(cè)面出口流出，另一部分顆粒從底部出口流出；受氣相出口方式的影響，在側(cè)面出口管的下部，大部分顆粒集中在塔的中部和右側(cè)，未充分利用塔內(nèi)空間，亦存在粘壁的可能性[9]。

圖7 修正模型模擬所得噴霧干燥塔內(nèi)不同截面的溫度分布

圖8 修正模型模擬所得噴霧干燥塔內(nèi)顆粒運(yùn)行軌跡

3 大型噴霧干燥塔參數(shù)優(yōu)化

3.1 噴槍數(shù)目對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響

在建立噴霧干燥塔數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，為對(duì)噴霧干燥塔進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)大型噴霧干燥塔模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步考察了噴槍數(shù)目對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響。對(duì)比了x支噴槍和x+2支噴槍的操作情況，其他操作條件均不變，分別進(jìn)行兩種工況的數(shù)值模擬。噴霧干燥塔內(nèi)不同噴槍數(shù)目時(shí)軸向截面溫度分布見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，增加噴槍數(shù)目后，塔內(nèi)溫度分布更加均勻，說(shuō)明單位截面內(nèi)分布點(diǎn)增加，有利于物流分布均勻度的提高，溫度場(chǎng)分布越均勻，則顆粒的運(yùn)行軌跡、停留時(shí)間和蒸發(fā)速率趨于一致，對(duì)控制噴霧干燥裝置在最佳狀態(tài)下操作具有重要的指導(dǎo)意義。

圖9 噴霧干燥塔內(nèi)不同噴槍數(shù)目時(shí)的軸向截面溫度分布

3.2 噴霧角度對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響

噴霧角度對(duì)于噴霧干燥塔內(nèi)冷物料與熱風(fēng)的接觸方式、物料干燥速率、停留時(shí)間以及塔內(nèi)空間利用率等具有重要影響，因此進(jìn)一步考察了噴霧角度對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的影響。噴霧干燥塔內(nèi)不同噴霧錐角時(shí)顆粒運(yùn)行軌跡見(jiàn)圖10。從圖10可以看出，在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，隨著噴霧角度的增加，噴霧顆粒在塔內(nèi)紊流程度增加，停留時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，在塔內(nèi)的空間利用率亦有所提高。然而停留時(shí)間并非越長(zhǎng)越好，受原料物性的影響，若已經(jīng)干燥的物料在塔內(nèi)停留與半干的顆粒相接觸，易導(dǎo)致粘連等現(xiàn)象發(fā)生。因此需要對(duì)各方面因素進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)特定工況確定適宜的噴霧角度。

圖10 噴霧干燥塔內(nèi)不同噴霧錐角時(shí)的顆粒運(yùn)行軌跡

4 結(jié) 論

將噴霧干燥數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于工業(yè)大型噴霧干燥塔的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)對(duì)大型噴霧干燥塔進(jìn)行初步模擬及修正模型后的模擬計(jì)算，得到了較詳細(xì)的大型噴霧干燥塔內(nèi)流場(chǎng)信息。結(jié)果表明，氣相在塔中央流速較快，左右兩側(cè)各有漩渦生成，但是并不完全對(duì)稱。噴霧干燥塔整體呈現(xiàn)出氣相流速不均勻的現(xiàn)象。漿料與熱空氣接觸后水分大量蒸發(fā)，全塔塔內(nèi)溫度顯著降低，溫度與流速呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)。塔內(nèi)顆粒運(yùn)行軌跡情況亦表明顆粒并非全部集中在塔的中央。噴霧干燥塔的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，增加噴槍數(shù)目時(shí)噴霧效果更好，同時(shí)也得到了較優(yōu)的噴霧角度。