趙連鴻，白吉云，劉 濤，汪 毅，滕秋霞，田玉民，呂鵬剛，姜 健

(1.中國(guó)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(guó)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(lái)，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(guó)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(lái)越大，對(duì)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(guò)程中，噴霧干燥是成膠漿液經(jīng)過(guò)霧化干燥形成微球產(chǎn)品的過(guò)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(guó)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(guò)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(chǎng)分布的進(jìn)程。20世紀(jì)90年代，研究者開(kāi)始采用數(shù)學(xué)模型對(duì)噴霧干燥過(guò)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(duì)噴霧干燥過(guò)程開(kāi)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(guò)程研究，加快了工藝過(guò)程的研究進(jìn)程[9-12]。許京荊等[13]采用ANSYS CFX軟件對(duì)液滴與熱氣流的傳熱和傳質(zhì)過(guò)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(guò)建立CFD模型對(duì)干燥塔內(nèi)的流場(chǎng)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(guò)程的傳熱傳質(zhì)效率密切相關(guān)，是影響干燥速率和流場(chǎng)特性的關(guān)鍵因素[19]。催化劑的干燥成型過(guò)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(guò)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(rùn)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(guò)程的阻力主要來(lái)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(chǎng)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(wèn)題的方法，逐步提升工業(yè)噴霧干燥裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行能力。

1 設(shè)計(jì)條件及計(jì)算式說(shuō)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(kāi)口向上時(shí)位于水平煙道上方1 500 mm處，出風(fēng)口開(kāi)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(duì)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(chǎng)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(guò)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(kāi)干燥塔。由圖2～5可見(jiàn)，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(shì)。噴槍下游斷面速率分布相對(duì)偏差為41.9%。由圖6～7可見(jiàn)，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(jiàn)，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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(kāi)孔率25%。由圖 8～10可見(jiàn)，熱空氣經(jīng)過(guò)分布板后豎直向下運(yùn)動(dòng)，速率均勻分布，無(wú)渦流及湍流現(xiàn)象。噴槍下游斷面速率分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為 6.9%。由圖9可見(jiàn)，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(jiàn)，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(guò)程中普遍采用的一種方式，其優(yōu)勢(shì)在于熱空氣在豎直下降過(guò)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(duì)較小，在水平分布的高溫區(qū)域與熱空氣接觸時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)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(kāi)孔，開(kāi)孔率5%；四周位置均勻設(shè)置一定數(shù)量通孔，孔徑 12 mm，開(kāi)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(guò)中央圓形開(kāi)孔在噴槍附近分布，另一部分熱空氣穿過(guò)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(kāi)干燥塔。由圖13～15可見(jiàn)，噴槍下游的熱空氣流動(dòng)速率明顯快于四周區(qū)域，無(wú)明顯渦流、旋流和偏流現(xiàn)象。由圖14可見(jiàn)，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(duì)較長(zhǎng)，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(duì)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(jiàn)，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(kāi)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(zhǎng)，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(duì)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(shì)。

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(duì)較差。

(2)設(shè)置兩層均勻分布通孔的熱風(fēng)分布板，開(kāi)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(kāi)孔的熱風(fēng)分布板，中央圓形開(kāi)孔的開(kāi)孔率5%，四周通孔開(kāi)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(duì)較長(zhǎng)。