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大型催化裂化催化剂喷雾干燥塔数值模拟及参数优化

2019-04-17吕庐峰侯栓弟朱振兴

石油炼制与化工 2019年4期
关键词:塔内喷枪浆料

秦 娅,吕庐峰,侯栓弟,朱振兴

(中国石化石油化工科学研究院,北京 100083)

随着环保要求的日益严格,人们对催化裂化(FCC)的要求已经不再停留在只是单一生产轻质油,而是转变成过程脱硫、降烯烃、多产低碳烯烃等,而催化裂化技术的核心是催化剂,因此对FCC催化剂的性状提出了更高的要求,同时FCC催化剂也具有非常广阔的市场前景。喷雾干燥塔是催化剂制备成型的核心装置。国外FCC催化剂装置中,催化剂浆料的干燥也采用喷雾干燥塔进行预干燥,其关键设备——喷雾干燥塔,多采用的是丹麦Niro公司和美国SDS公司研发的喷雾干燥塔;但是,采用其工艺技术的FCC催化剂装置产能多数在5~30 kt/a,如今,随着FCC催化剂装置大型化的发展,国内需新建50 kt/a FCC催化剂装置以适应市场需求。若采用成熟的国外技术,就必须配套2套喷雾干燥系统,其缺点是:①国外进口喷雾干燥系统只是小型化喷雾干燥技术的复用,不利于大型化喷雾干燥技术的发展;②采用国外装备及工艺技术除了一次投资费用高外,喷雾干燥塔的喷嘴等易损件需要从配套的国外公司长期进口,存在长期的二次投资费用。因此,需要在前期技术研发基础上,技术突破再创新,才能形成单条线产能达到50 kt/a 以上FCC催化剂装置的喷雾干燥技术[1-3]。另外,现有喷雾干燥成型过程中及大型化过程存在一些问题,如催化剂产品球形度不好、颗粒粒径分布范围较宽、催化剂产品均一性差等,影响了催化剂产品的品质。大型喷雾干燥塔的结构和内构件形式以及操作参数会对干燥效果产生很大影响,而喷雾干燥塔内部流场有助于了解喷雾干燥过程以及其对催化剂产品性能可能产生的影响。由于这种高温操作装置进行实验十分困难,因此近年来出现了一些CFD模拟研究[4-6],而对FCC催化剂制备喷雾干燥塔内流场研究的报道相对较少[7]。本课题前期通过计算流体力学CFD模拟的方法[8],建立了中型喷雾干燥塔的CFD模型并进行了数值模拟计算,在此基础上进一步针对50 kt/a的大型喷雾干燥塔进行数值模拟,从而对催化剂的工业放大和操作条件优化过程起到指导作用,为FCC催化剂装置中大型喷雾干燥系统设计提供相应的技术保障。

1 模型建立

1.1 数学模型[8]

基于欧拉-拉格朗日模型,由连续相控制方程组、离散相控制方程以及气体-颗粒热质传递模型构成了模拟喷雾干燥过程的CFD模型。连续相控制方程组用于描述干燥塔内气相的性质,如气流温度、湿度、速度及压力;离散相模型用于追踪颗粒在干燥室内的运动轨迹;气体-颗粒热质传递模型用于描述两相间质量、动量变换,能量的转移和耗散。气、液两相湍流模型采用标准k-ε模型。

1.2 几何模型及边界条件

在计算过程中采用的假设包括:①喷雾干燥塔轴对称;②气粒两相全部从下面出口流出;③忽略喷雾干燥过程的热损失;④颗粒初始粒径均一。

图1 简化模型喷雾干燥塔结构示意1—气相入口; 2—浆料入口; 3—对称面; 4—出口

1.3 初步模拟结果

1.3.1流速场分布喷雾干燥塔内热气体的速度场是气体进入塔后的运行轨迹,能直观反映气体的流动情况。初步模拟所得的流速场矢量分布见图2,速度流线见图3。从图2可以看出,热气流进塔经过多孔板后流速增加,由于分布板中央死区的存在,在其附近形成低速区,气体与催化剂浆料接触后,由于浆料中水分迅速蒸发,气体流量增大从而流速加大,在塔的中央区域形成了一段高流速区,而四周流速较小。从图3可以看出,四周的低速气流旋而向上,形成2个大的漩涡,全塔形成了中央流速大、周边流速小的趋势。

图2 初步模拟所得流速场矢量分布

图3 初步模拟所得速度流线

1.3.2温度场分布喷雾干燥塔内不同截面的温度分布见图4。分布板上方的红色区域代表热空气,温度较高,经过分布板后与喷枪喷出的浆料接触的位置温度最低;浆料与热空气接触后水分大量蒸发,全塔塔内温度显著降低。由于物料有一定的喷射角度,因此物料运行过程中,塔的中心区域温度较低,而四周温度较高。

1.3.3颗粒运行轨迹喷雾干燥塔内颗粒运行轨迹见图5。浆料由喷嘴喷出后形成颗粒,受喷嘴角度的控制向中部集中,然后颗粒主体整体向下。由于喷前压力、雾化角度、干燥过程、空气流速、干燥塔的大小及出口方式等因素的影响,颗粒运行轨迹相对复杂,准确预测全塔颗粒运行状况十分困难,但是该模型可以预测主体颗粒的运行轨迹,而且可以观察到喷嘴出口的颗粒流速很大,随后显著减小,可为喷雾干燥塔的设计提供参考。

图4 初步模拟所得喷雾干燥塔内不同截面的温度分布

图5 初步模拟所得喷雾干燥塔内颗粒运行轨迹

2 模型修正

2.1 修正模型验证

为更准确对大型喷雾干燥塔进行模拟计算,对模型进行了修正,主要包括:①干燥后的催化剂颗粒及气流出口由1个改为2个,一部分颗粒由气流夹带由塔侧面出口流出;另一部分从塔底的出口出料;②喷枪数量减少2支;③考虑过程的热损失,设置壁面温度为25 ℃。

喷雾干燥塔温度的模拟预测值与工业设计数据的对比见表1。从表1可以看出,模型误差最大为16.9%,基本满足工业设计的需要。

表1 喷雾干燥塔温度设计值与模拟值的对比

2.2 修正模型的模拟结果

以修正模型进行全塔模拟,得到的流速场矢量分布见图6。由图6可见,气相主体向下,中央流速较大,左右两侧各有漩涡生成,但是并不完全对称,受侧面气相出口的影响,呈现出偏流趋势。喷雾干燥塔整体呈现出气相流速不均匀的现象。

图6 修正模型模拟所得流速场矢量分布

喷雾干燥塔内不同截面温度分布见图7。从图7可以看出,浆料与热空气接触后水分大量蒸发,全塔塔内温度显著降低。由于物料有一定的喷射角度,因此物料运行过程中,塔的中心区域温度较低,而四周温度较高。同时,塔内低温分布区并未完全集中在塔中央,即温度场分布整体呈现出一定偏流的趋势,说明塔内颗粒蒸发情况与流体流动状态密切相关。

喷雾干燥塔内颗粒运行轨迹见图8。从图8可以看出:与热空气并流的颗粒整体向下,在侧面抽出口的下部分为两部分,一部分被气流夹带由侧面出口流出,另一部分颗粒从底部出口流出;受气相出口方式的影响,在侧面出口管的下部,大部分颗粒集中在塔的中部和右侧,未充分利用塔内空间,亦存在粘壁的可能性[9]。

图7 修正模型模拟所得喷雾干燥塔内不同截面的温度分布

图8 修正模型模拟所得喷雾干燥塔内颗粒运行轨迹

3 大型喷雾干燥塔参数优化

3.1 喷枪数目对塔内流场的影响

在建立喷雾干燥塔数学模型的基础上,为对喷雾干燥塔进行参数优化,根据大型喷雾干燥塔模拟基础数据,进一步考察了喷枪数目对塔内流场的影响。对比了x支喷枪和x+2支喷枪的操作情况,其他操作条件均不变,分别进行两种工况的数值模拟。喷雾干燥塔内不同喷枪数目时轴向截面温度分布见图9。从图9可以看出,增加喷枪数目后,塔内温度分布更加均匀,说明单位截面内分布点增加,有利于物流分布均匀度的提高,温度场分布越均匀,则颗粒的运行轨迹、停留时间和蒸发速率趋于一致,对控制喷雾干燥装置在最佳状态下操作具有重要的指导意义。

图9 喷雾干燥塔内不同喷枪数目时的轴向截面温度分布

3.2 喷雾角度对塔内流场的影响

喷雾角度对于喷雾干燥塔内冷物料与热风的接触方式、物料干燥速率、停留时间以及塔内空间利用率等具有重要影响,因此进一步考察了喷雾角度对塔内流场的影响。喷雾干燥塔内不同喷雾锥角时颗粒运行轨迹见图10。从图10可以看出,在实验考察范围内,随着喷雾角度的增加,喷雾颗粒在塔内紊流程度增加,停留时间相对延长,在塔内的空间利用率亦有所提高。然而停留时间并非越长越好,受原料物性的影响,若已经干燥的物料在塔内停留与半干的颗粒相接触,易导致粘连等现象发生。因此需要对各方面因素进行综合考虑,根据特定工况确定适宜的喷雾角度。

图10 喷雾干燥塔内不同喷雾锥角时的颗粒运行轨迹

4 结 论

将喷雾干燥数学模型应用于工业大型喷雾干燥塔的设计及优化过程。通过对大型喷雾干燥塔进行初步模拟及修正模型后的模拟计算,得到了较详细的大型喷雾干燥塔内流场信息。结果表明,气相在塔中央流速较快,左右两侧各有漩涡生成,但是并不完全对称。喷雾干燥塔整体呈现出气相流速不均匀的现象。浆料与热空气接触后水分大量蒸发,全塔塔内温度显著降低,温度与流速呈现出对应的趋势。塔内颗粒运行轨迹情况亦表明颗粒并非全部集中在塔的中央。喷雾干燥塔的参数优化结果表明,增加喷枪数目时喷雾效果更好,同时也得到了较优的喷雾角度。

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