分子筛催化剂喷雾干燥塔的计算

龚占魁，赵丽娟

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060）

0 引言

喷雾干燥技术是用于对物料进行干燥的一种方法。将稀物料经过机械打散，分散成雾状小液滴，在与高温热空气接触，经过雾滴和热空气的传热、传质，雾滴中的水分迅速汽化[1]，即可得到干燥产品。喷雾干燥技术可将溶液、浆液等直接干燥成为颗粒状或粉状制品，从而省去粉碎、蒸发等生产工序。喷雾干燥技术在食品、生物制品、农产品加工、化工及医药领域有着广泛的应用[2]，尤其是对于产品颗粒大小要求严格的行业，如化学工业、陶瓷、食品添加剂等，喷雾干燥技术的应用更加普遍和广泛，同时也不断推动喷雾干燥技术的创新和研发。

分子筛催化剂在化学工业中使用广泛，尤其是石油炼制领域。分子筛催化剂的热稳定性和水热稳定性，对于很多反应具有高活性、高选择性。分子筛催化剂的生产制备过程中，需要对其原料浆液进行干燥，并制备出具有一定颗粒度的制品，喷雾干燥技术是分子筛催化剂的干燥和造粒的主要技术。在喷雾干燥的热空气温度、浆液雾化形式以及热空气与雾滴的运动方式等因素确定的基础上，喷雾干燥技术中关键设备喷雾干燥塔的计算是分子筛催化剂生产的核心部分，对于分子筛催化剂的产品性能是否满足生产要求起着至关重要的作用。

1 分子筛催化剂生产中喷雾干燥的选型

喷雾干燥效果与多种因素有关，尤其是进入喷雾干燥塔的热风温度、浆液的雾化形式和热空气与雾滴的运动方式3 个因素，对于喷雾干燥的效果影响较大。结合之前的相关影响因素的分析，得到分子筛催化剂的喷雾干燥具有以下选型。

1.1 喷雾干燥热风温度

空气加热器为喷雾干燥系统提供热风，热风的温度高低直接影响分子筛催化剂粒径的大小，从而影响分子筛催化剂的质量。热风温度过高得到的制品粒径较小，不仅产品品质会受到影响，同时也会提高后续布袋除尘的负荷，提高生产成本；热风温度过低，雾滴与热风传质不够充分，得到的制品粒径大，不符合制品要求，同时增加后续焙烧工序的负荷。因此，分子筛催化剂喷雾干燥的热风温度需要控制在一定范围内。本文计算示例中，喷雾干燥塔的进塔热空气初始温度为650 ℃。

1.2 喷雾干燥的雾化形式

喷雾干燥的雾化器主要有气流式雾化器、旋转式雾化器和压力式喷嘴3 种，3 种雾化形式各有优缺点，根据3 种雾化形式的特点，结合分子筛催化剂进料浆液的特性，分子筛催化剂生产中喷雾干燥的雾化形式选择压力式喷嘴雾化器，压力式喷嘴由高压泵提供动力，料液通过压力式喷嘴喷出，使得料液雾化。本文计算示例中采用的是压力式喷嘴的雾化形式。

1.3 喷雾干燥热空气与雾滴的运动方式

雾滴与热空气的运动方式由雾化器和热空气进口的相对位置决定，具体有并流、逆流和混合流三类。并流是指雾滴和空气沿相同方向并向运动；逆流是指雾滴和空气相向运动；混合流是指既有并流又有逆流的运动形式。3 种运动方式各自有优缺点，逆流操作的热利用率最高，但是温度不易控制，容易使得料液分解或变质。并流操作的热利用率不如逆流，但是其进口空气温度和空塔气速更易控制，更有利于对于粘壁物料的处理，更有利于物料干燥。若分子筛催化剂的物料干燥条件不是很苛刻，多采用雾滴与热空气并流的运动方式。若分子筛催化剂的物料干燥条件比较苛刻，并流运动不能满足要求的，采用逆流运动[3]。本文喷雾干燥热空气与雾滴的运动方式是并流运动。

2 喷雾干燥塔的设计计算示例

喷雾干燥塔的设计计算条件如下：

1）料液进料量G=15 000 kg/h，料液的最初含水量ω1=70%，产品的最终含水量ω2=21%，料液吸湿量（水分与绝干物质质量之比）ωn=45%，水分与总量之比ωb=31%，平衡湿度ωp=16%。

2）料液的密度为ρ=1 250 kg/m3，料液初始温度为tM1=25 ℃，平均比热容为Cm=0.248×4.184 kJ/（kg·K）。

3）进口空气的参数如下：当地空气相对湿度Φ0=80%。进塔空气的初始温度t1=650℃，湿含量d1=16 g/kg，排风温度为t2=150 ℃。

2.1 催化剂喷雾干燥塔塔径的计算

已知进料量G=15 000 kg/h，料液的最初含水量ω1=70%，则绝干物料的进料量为：G1=G×（1-ω1）=4500kg/h。

得到干燥产品的量为：G2=G1/（1-ω2）=5 696 kg/h。

蒸发出水的量为：G3=G-G2=9 304 kg/h。

将物料由25 ℃加热到150 ℃所需的能量：Q1=G2×Cm×（t2-tm1）=7.41×105kJ/h。

查表得：水在25 ℃时的焓值为I1=1.4.65 kJ/kg，150 ℃干饱和蒸汽的焓值为I3=2 745.92 kJ/kg。650 ℃空气的焓值I4=678.11 kJ/kg，150 ℃空气的焓值I5=133.95 kJ/kg。

物料蒸出水分需要的热量：Q2=G3×（I3-I1）=24.57×106kJ/h。

在干燥过程中需要的总能量为：Q3=Q1+Q2=25.32×106kJ/h。

将能量损耗估算为总能量的10%，则干燥需要的总能量为：Q=Q3/0.9=28.13×106kJ/h。

干燥需要的热风量为：G4=Q/（I4-I5）=5.2×104kg/h。

以1 kg 干燥空气表示的湿空气比容计算为：v0=4.64×10-6×（622+d）×（273+t）。式中，d 为空气湿含量，查空气湿焓图得：650 ℃的空气湿含量d1=16 g/kg，150 ℃的空气湿含量d2=750 g/kg。

计算得热风比容：v1=4.64×10-6×（622+16）×（273+650）=2.73 m3/kg。

排风比容：v2=4.64×10-6×（622+750）×（273+150）=2.69 m3/kg。

取空气在干燥塔中的平均气速为vc=0.6 m/s。

2.2 催化剂喷雾干燥塔塔高的计算

在干燥的第一阶段中，雾滴表面的温度约等于湿球温度，即tM=70 ℃（按湿焓图测定）。此过程微粒含湿量从ω1到ωb变化的范围内进行着，在此阶段中所蒸发的水分量为

在湿焓图上查得相应的空气温度t3=460 ℃。

在干燥第一阶段中：

物料：25 ℃→70 ℃

热空气：650 ℃→460 ℃

则第一阶段的平均温度差：

物料最终温度：

在干燥第二阶段中：

物料：70 ℃→123 ℃

热空气：460 ℃→150 ℃

则第二阶段的平均温度差：

干燥第一阶段和第二阶段时间之比：

空气和物料表面的平均温度差：

液滴的平均翔浮速度计算为式（1）：

式中：v 为空气平均温度时的运动黏度，36×10-6m2/s；ρ0为空气的平均密度，0.37 kg/m3；Vcp=0.41 m/s。

热交换容积系数计算见式（2）：

式中：λ 为在平均温度时的空气热导率，λ=5×10-2W/（m·K）；FK干燥塔的截面积，66.4 m2；αv=42 W/（m·K）。

干燥塔的有效高度计算见式（3）：

3 结语

本文在分子筛催化剂生产中喷雾干燥的选型基础上，即确定分子筛催化剂喷雾干燥的热风温度需要控制在一定范围内；确定喷雾干燥雾化形式；确定雾滴与热空气的运动方式等3 个影响因素。计算示例对应的条件为喷雾干燥塔的进塔热空气初始温度为650 ℃；采用的是压力式喷嘴的雾化形式；热空气与雾滴的运动方式是并流运动。在此条件下对分子筛催化剂的喷雾干燥塔尺寸进行了计算，计算得到相应的喷雾干燥塔的内径为9.2 m，塔高为18 m。此种喷雾干燥塔尺寸的计算方法为催化剂喷雾干燥塔的设计、制作提供了参考。