热风分布板对喷雾干燥塔气流分布的影响

赵连鸿，白吉云，刘 涛，汪 毅，滕秋霞，田玉民，吕鹏刚，姜 健

(1.中国石油石油化工研究院兰州化工研究中心，甘肃 兰州 730060；2.中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060)

催化裂化催化剂是催化裂化的核心，催化裂化技术进步推动了催化剂制备工艺的持续发展。近年来，为进一步适应加工重质油品、多产低碳烯烃、生产清洁化以及增产化工原料的需求，国内炼油厂和科研机构大大加快了催化剂更新换代的步伐。同时，催化裂化装置增产丙烯、多产柴油、提高辛烷值等需求的增加也促进了催化裂化助剂制备技术的快速发展。随着催化剂和助剂种类的增多，不同类型催化剂产品制备方法和生产工艺之间的差异越来越大，对产品质量的控制和生产装备的适用性提出了更高的要求。

催化裂化催化剂生产过程中，喷雾干燥是成胶浆液经过雾化干燥形成微球产品的过程，也是产品质量的关键控制环节。改进喷雾干燥装置、优化生产工艺是提升产品球形度、磨损指数、粒径分布等指标的重要途径。国内多数喷雾干燥工业装置主要建设于20世纪90年代，因其传热传质过程的复杂性和影响因素的多元性，关键的热风分布技术和塔体结构形式一直沿用至今。计算机数值模拟技术的成熟和应用，推进了学者探索和研究干燥塔内部流场分布的进程。20世纪90年代，研究者开始采用数学模型对喷雾干燥过程进行建模计算，模拟颗粒运动轨迹和干燥效果[1-5]。2000年以后，有研究者采用MATLAB、FLUENT等软件针对喷雾干燥过程开展流动特性与数值模拟研究[6-8]。2010年以后，计算机数值模拟方法逐渐应用于催化裂化催化剂喷雾干燥过程研究，加快了工艺过程的研究进程[9-12]。许京荆等[13]采用ANSYS CFX软件对液滴与热气流的传热和传质过程进行了数值模拟研究。秦娅等[14-17]建立了干燥塔两相流数学模型，并优化了喷枪数量和雾化角度。谭永鹏等[18]通过建立CFD模型对干燥塔内的流场特性及催化剂颗粒运动状态进行模拟分析 。上述工作研究了喷雾干燥传热传质规律和颗粒运动轨迹，优化了雾化分散形式，为进一步研究干燥塔内部热风分布规律和优化塔体结构奠定了良好的基础。

催化裂化催化剂喷雾干燥装置适用的热风分布方式包括旋转下降、集中下降和垂直下降三种形式，主要采用热风分布装置调节热空气的运动状态和流动速率。干燥塔内部热风分布形式与雾滴干燥过程的传热传质效率密切相关，是影响干燥速率和流场特性的关键因素[19]。催化剂的干燥成型过程是雾滴内部水分不断迁移汽化、干燥收缩并形成球形颗粒的过程。在恒速干燥阶段，雾滴内部水分扩散速率大于表面汽化速率，物料表面处于湿润状态，热空气与物料表面的温度差是传质推动力，传热过程的阻力主要来自于表面汽化速率，影响干燥速率的主要因素为接触物料时热空气的温度和流动速率；在降速干燥阶段，干燥速率主要由物料内部水分扩散速率决定，物料特性是水分扩散速率的主要影响因素。

本文采用Fluent和Gambit软件，建立单喷枪压力式喷雾干燥塔模型，研究三种热风分布方式下干燥塔内部热空气的运动方向、运动速率、温度分布以及流场均匀程度，优化热风分布板和出风口位置等塔体结构形式，为高质量生产不同类型催化裂化催化剂和助剂提供技术路线。同时，探索解决物料粘壁等问题的方法，逐步提升工业喷雾干燥装置长周期运行能力。

1 设计条件及计算式说明

设计条件：蒸发量100 kg·h-1，入口烟气温度450 ℃,出口烟气温度150 ℃，烟气量1 268 kg·h-1。干燥塔高度6 000 mm，直筒段高度2 500 mm，直筒段直径1 500 mm，设置6个300 mm×200 mm进风口，出风口直径300 mm，出风口开口向上时位于水平烟道上方1 500 mm处，出风口开口向下时位于水平烟道下方400 mm处，出风口水平设置时的切口角度为45°。

速率分布相对偏差公式：

2 模型建立

2.1 几何模型

采用Fluent 13.0和Gambit 2.4.6模拟软件，流场类型Steady，湍流模型Standardk-e和StandardWall Fn，压力速率耦合方法SIMPLE。求解方程为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

(1)质量守恒方程(连续性方程)

式中，u、v、w为直角坐标下不同方向的速率；x,y,z 为直角坐标下三个方向。

(2)动量守恒方程

式中，ρ为气体密度；μ为气体黏度；P为气体压力；S为源项。

(3)能量守恒方程

图1为喷雾干燥塔几何模型。

图1 喷雾干燥塔几何模型Figure 1 Geometric model of spray drying tower

建立的干燥塔模型中，塔体上部设置侧进式进风烟道，连接均匀分布6个进风口，出风烟道位于塔体下部锥体段。喷枪自塔顶插入，下端连接雾化器。所设置的两层热风分布板位于进风口下方、雾化器上方。网格采用结构网格与非结构网格相结合的方式。

2.2 边界条件

计算过程采用的假设条件为：烟气进口设为速率进口(Velocity Inlet)，出口设为压力出口(Pressure Outlet)，烟道及出风口挡板等设为壁面(Wall)，分布板设为多孔跳跃(Porous jump)。

3 模拟结果

3.1 旋转下降形式的分布规律

干燥塔内未设置热风分布板。热空气流经进风烟道，自进风口进入干燥塔，从出风烟道上方的出风口离开干燥塔。由图2～5可见，热空气在干燥塔内自上而下呈旋转下降状态，流动速率自塔壁到喷枪下游呈逐渐下降趋势。喷枪下游断面速率分布相对偏差为41.9%。由图6～7可见，塔壁附近温度较高，喷枪下方明显存在大范围低温区。由图4可见，出风口位于出风烟道上方时，其上方区域的热空气存在涡流和旋流现象。

图2 顶部烟道流线图Figure 2 Streamline diagram of top flue

采用旋转下降热风分布形式，雾化后的雾滴群进入低温区，与流速慢、温度低的热空气接触，导致恒速干燥段的干燥速率偏低，影响干燥效果。表面未形成干燥壳层的物料颗粒在湿球状态下与塔壁接触，易出现湿塔和粘壁现象。热空气携带物料在干燥塔内旋转下降，可延长物料在干燥塔内的停留时间，有益于水分迁移汽化和微球颗粒成型。喷枪下游断面速率分布相对偏差反映了同一断面速率分布的均匀程度，喷枪下游与塔壁附近热空气流速差异偏大是造成相对偏差较大的主要原因。出风口管口向上时，其上方热空气易形成大范围涡流和旋流，影响流场分布均匀性。

图3 喷枪下游1 000 mm断面速率分布Figure 3 Velocity distribution of 1000 mm section downstream of spray gun

图4 立面流线图Figure 4 Elevation streamline diagram

图5 干燥塔内部流线Figure 5 Internal streamline of the drying tower

图6 立面温度分布Figure 6 Elevation temperature distribution

图7 干燥塔内温度分布Figure 7 Temperature distribution in drying tower

3.2 垂直下降形式的分布规律

干燥塔内设置两层结构相同的热风分布板，分布板上均匀设置一定数量通孔，孔径 12 mm，开孔率25%。由图 8～10可见，热空气经过分布板后竖直向下运动，速率均匀分布，无涡流及湍流现象。喷枪下游断面速率分布相对标准偏差为 6.9%。由图9可见，出风口水平设置于出风烟道且管口采用斜侧切方式时，出风烟道上方热空气向同侧轻微偏移，烟道下方存在旋流现象。由图11～12可见，干燥塔内部温度呈梯度分布，且均匀性较好，烟道下方存在低温区。

图8 喷枪下游1 000 mm断面速率分布Figure 8 Velocity distribution of 1 000 mm section downstream of spray gun

垂直下降热风分布形式是催化裂化催化剂喷雾干燥过程中普遍采用的一种方式，其优势在于热空气在竖直下降过程中速率和温度呈梯度分布，热风分布均匀性较好。同时，由于喷枪雾化角通常约为60°，雾化后的雾滴群分散角度相对较小，在水平分布的高温区域与热空气接触时间相对较短，对干燥效果存在一定程度影响。垂直下降热风分布形式适用于水分迁移阻力相对较小的催化裂化催化剂和助剂的连续化工业生产，易出现干燥和成型过程难以兼顾的情况，往往需要在产量和质量之间作出选择。在长周期运行过程中，其直筒段下部易出现物料粘壁现象。

图9立面流线图Figure 9 Elevation streamline diagram

图10 干燥塔内部流线图Figure 10 Internal streamline of the drying tower

图11 立面温度分布Figure 11 Elevation temperature distribution

图12 干燥塔内温度分布Figure 12 Temperature distribution in drying tower

3.3 集中下降形式的分布规律

干燥塔内设置两层结构相同的热风分布板，分布板中央设置一个圆形开孔，开孔率5%；四周位置均匀设置一定数量通孔，孔径 12 mm，开孔率20%。热空气从进风口进入干燥塔流经热风分布板，一部分热空气穿过中央圆形开孔在喷枪附近分布，另一部分热空气穿过四周通孔后竖直向下运动，最后热空气自出风烟道下方的出风口离开干燥塔。由图13～15可见，喷枪下游的热空气流动速率明显快于四周区域，无明显涡流、旋流和偏流现象。由图14可见，出风口位于出风烟道下方且管口向下时，热空气在干燥塔内部的运动距离相对较长，出风烟道上方热空气分布均匀性较好。喷枪下游断面速率分布相对偏差为 62.5%，其影响因素为喷枪下游热空气的流速较快。由图16～17可见，喷枪下方存在V形高温区且呈梯度分布。

图13 喷枪下游1 000 mm断面速率分布Figure 13 Velocity distribution of 1 000 mm section downstream of spray gun

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

图15 立面流线图Figure 15 Elevation streamline diagram

图16 立面温度分布Figure 16 Elevation temperature distribution

采用集中下降热风分布形式，空气流经热风分布板时，中央圆形开孔处的运动阻力小于四周通孔区域，大部分热空气呈V型集中分布于喷枪下游，流动速率快且高温较高。分散后的雾滴群运动轨迹与高温、高速的热空气重合程度高，接触时间长，可大幅度提升物料在恒速干燥阶段的干燥速率，使液滴在接触塔壁前达到临界点，更易于表面形成干燥壳层，从而减少物料粘壁现象的发生。同时，出风口的管口向下设置，可最大限度提升物料停留时间，为水分迁移阻力较大的物料提供相对充足的干燥成型时间。集中下降热风分布形式适用于多种类型催化裂化催化剂和助剂的连续工业化生产，在控制微球颗粒形态、提升产品抗磨损性能以及解决物料粘壁等方面具有优势。

图17 干燥塔内温度分布Figure 17 Temperature distribution in drying tower

4 结 论

(1)干燥塔内未设置热风分布板，热空气呈旋转下降分布状态，喷枪下游存在较大范围低温区，塔体上部存在涡流和旋流现象，分布均匀性相对较差。

(2)设置两层均匀分布通孔的热风分布板，开孔率25%，干燥塔内部热气流运动方向竖直向下，温度自上而下呈梯度分布，热空气速率和温度分布均匀性较好。

(3)设置两层中央开孔的热风分布板，中央圆形开孔的开孔率5%，四周通孔开孔率20%，干燥塔内部热气流运动呈现集中分布状态，喷枪下游温度分布呈V型梯度分布。

(4)出风口管口向上，其上部易形成涡流、旋流现象；出风口采用水平斜切方式，烟道下方存在低温区；出风口管口向下，物料停留时间相对较长。