旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥工藝及其在濾餅干燥中的應(yīng)用

田志鴻

（中國石化石油化工科學研究院)

0 概述

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥是近三十年發(fā)展起來的一種集干燥、流態(tài)化、攪拌分散為一體的先進干燥技術(shù)。旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥設(shè)備同常規(guī)的干燥設(shè)備相比 （如氣流干燥、流化床干燥等），具有結(jié)構(gòu)緊湊、干燥時間短、能源利用率高等優(yōu)點；干燥塔內(nèi)置攪拌分散槳，能快速分散團狀、塊狀物料，增大物料與熱空氣的接觸面積，提高傳熱效率；是一種高效、節(jié)能、快速、理想的干燥設(shè)備，特別適合于膏狀、糊狀、濾餅狀物料的干燥，在食品、化工、建材、礦業(yè)、涂料、燃料等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

催化劑的制備一般需要經(jīng)過洗滌、交換、過濾、浸漬等工藝過程，經(jīng)過這些工藝過程后會形成濕狀物料或者水含量較高的濾餅物。這些濕物料在沒有采用閃蒸干燥之前一般采用氣流干燥方式干燥。這種干燥方式由于濕物料接觸時需要經(jīng)過一定長度的干燥段才能完成與干燥氣體的傳質(zhì)、傳熱過程，因此通常設(shè)備的高度超過10 m，能源利用率低。若采用閃蒸干燥方式，設(shè)備尺寸將明顯縮小 。旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥技術(shù)在催化劑行業(yè)中有成功的應(yīng)用實例[1-2]，主要是應(yīng)用于分子篩的干燥。

本文將對FCC催化劑和NaY分子篩的干燥進行研究。

1 閃蒸干燥的工作原理及工藝計算

1.1 工作原理及工藝過程

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥裝置的干燥塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。干燥風從底部蝸殼分配器中以切線方式進入干燥塔內(nèi)，在干燥塔內(nèi)旋轉(zhuǎn)形成離心力場。在入風口的環(huán)形分配器中心處設(shè)一錐形體，一方面用于安裝軸承，支撐中心旋轉(zhuǎn)軸，縮短攪拌軸的懸臂距離，另一方面減少氣體環(huán)形蝸殼入口的面積，提高入口氣體速度，增加氣體對干燥物料的提升能力，減少物料沉降于底部環(huán)形空間的幾率。中心軸帶動攪拌分散槳旋轉(zhuǎn)，將輸送到干燥塔中的團狀、塊狀物料及時破碎，以增大物料與熱空氣的接觸面積，使?jié)裎锪显跇O短的時間內(nèi)被干燥。一般物料在干燥室里停留的時間為3～5 s。干燥塔頂部可設(shè)置分級部件，底部可設(shè)置物料破碎機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)操作參數(shù)，可保證產(chǎn)品的粒度達到最終要求。經(jīng)過干燥的物料從干燥塔的頂部出口隨干燥氣體一起排出干燥塔，然后經(jīng)過管路進入旋風分離器、布袋除塵器回收。

圖1 閃蒸干燥塔結(jié)構(gòu)

圖2 閃蒸干燥流程

閃蒸干燥的基本流程如圖2所示。空氣由鼓風機鼓入并經(jīng)過濾器進入加熱器中，經(jīng)加熱到所要求的溫度T1的熱空氣，經(jīng)熱風管路引入閃蒸干燥塔的蝸殼入口分配器中，以切線的方式進入干燥室的錐體的底部，在干燥塔里形成旋轉(zhuǎn)的上升氣流場。濕物料從螺旋加料器的入口以塊狀、團狀的形式加入到干燥塔內(nèi)，物料團塊經(jīng)塔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的攪拌槳破碎、分散，將其分散成顆粒狀的物料，隨氣流運動，此間顆粒與熱干燥氣體充分接觸，顆粒中的水分蒸發(fā)，顆粒被干燥，沿干燥塔上升，由頂部出風口排入后續(xù)管路；干燥后的顆粒經(jīng)后續(xù)管路中旋風分離器、布袋除塵器捕集下；大顆粒在塔內(nèi)運動時被旋轉(zhuǎn)氣流分離到器壁，或者被分級錐、分級輪攔截下，返回到攪拌分散區(qū)內(nèi)，與剛輸入的濕物料塊團一起經(jīng)攪拌槳分散成細顆粒。

1.2 干燥工藝計算

對閃蒸干燥的工藝計算文獻已有報道[3-4]，但不夠詳細。本文對此進行詳細的論述。

（1） 水蒸發(fā)量

在一定進風溫度、一定氣量下，水蒸發(fā)量的大小是衡量干燥器干燥能力的主要參數(shù)，而產(chǎn)品最終含濕量的高低也是衡量干燥器性能的另一重要參數(shù)。干燥器的蒸發(fā)水量可由物料的處理量、物料的初始含濕量和產(chǎn)品含濕量計算得到。即：

式中W——蒸發(fā)水量，kg/h；

GC——絕干物料的產(chǎn)量，kg/h；

G1——濕物料的進料量，kg/h；G2——產(chǎn)品的產(chǎn)量，kg/h;

w1——濕物料中含水量，kg/kg;

w2——產(chǎn)品中含水量，kg/kg;

X1——濕物料中干基水含量，kg/kg;

X2——產(chǎn)品中干基水含量，kg/kg。

（2）干燥所需的熱量與干燥空氣的量

一般閃蒸干燥采用熱空氣作為干燥熱載體，干燥器所需的熱量通過加熱器或者換熱器獲得。 熱量的消耗主要用于物料中水分蒸發(fā)及溫升，物料的溫升與散熱損失有關(guān)。絕干熱空氣的消耗量計算式為：

式中Q——干燥總熱量，kJ；

Qw——蒸發(fā)水溫升及蒸發(fā)熱量，kJ；

QG2——干燥物料溫升熱量，kJ；

QL——干燥熱損失，kJ；

La——干空氣的消耗量，kg/h;

rw——水蒸發(fā)潛熱，kJ/kg;

t1——空氣經(jīng)加熱后的溫度，℃；

t2——干燥完尾氣溫度，℃；tm1——濕物料初始溫度，℃；

tm2——物料干燥完終了溫度，℃；

Cp——絕干物料的比熱容，kJ/(kg℃);

Ca——空氣的比熱容 ，kJ/(kg℃);

Cw——水的比熱容，kJ/(kg℃);

Cwv——水蒸氣的比熱容，kJ/(kg℃);

H1——吸入空氣的濕度，kg/kg。

QL一般在噴霧干燥中簡單估算時可采用總熱量的5%～10%來計算[5]；對于閃蒸干燥而言，由于塔體表面積小，QL可采用總熱量的8%～10%來計算，也可以根據(jù)塔體內(nèi)熱空氣的流速、溫度、保溫外壁的溫度進行精確計算。

空氣從大氣中吸入，經(jīng)加熱器加熱，空氣溫度升高。當采用燃油、燃氣加熱時，空氣的加熱溫度與燃料消耗量的關(guān)系為：

式中W0——燃油、燃氣消耗量，kg/h;

q——燃料熱值，kJ/kg；

t0——空氣吸入加熱器時的溫度，℃。

（3）系統(tǒng)風量計算

對于質(zhì)量一定、含濕量一定、溫度一定的濕空氣，可根據(jù)分壓原理計算其比容[5-6]。由于閃蒸干燥塔及管路的壓力接近于外界大氣，因此可以忽略壓力的影響。具體計算方法如下：

式中V——濕空氣體積消耗量，m3濕空氣/h；

Ma、MH——空氣分子量（29）、水分子量（18）；

v0——濕空氣的比容，m3濕空氣/kg干空氣。

2 干燥試驗調(diào)試

2.1 試驗裝置與分析方法

本試驗采用直徑600 mm的閃蒸干燥塔，干燥塔高3500 mm，有5層攪拌分散器，攪拌分散電機的功率7.5 kW，干燥器水蒸發(fā)量70～90 kg/h，空氣加熱到的最高溫度為420℃，出口未安裝分級機構(gòu)。

干燥物料為裂化催化劑濾餅和NaY分子篩濾餅，干燥后FCC催化劑含水量為～13%，堆密度710～830 kg/m3，干燥前含水量為40%～45%，催化劑的比熱容1.086 kJ/(kg℃)，NaY分子篩的比熱容0.95 kJ/(kg℃)。含水量的測量方法：將物料在馬弗爐內(nèi)（800℃）焙燒1 h并測其焙燒前后的質(zhì)量，然后經(jīng)換算即得物料的含水量。溫度測量方法：由裝置中各點的熱電偶和溫度計測量而得。

2.2 計算與試驗結(jié)果對比

分別對FCC催化劑濾餅和NaY分子篩濾餅進行閃蒸干燥試驗，并用試驗條件進行閃蒸干燥工藝計算，計算值與試驗結(jié)果對比見表1。

表1中的實測值為測試結(jié)果。由于采用畢托管測試風速具有一定的誤差，故進風量的測試數(shù)據(jù)有一定的誤差。干燥塔截面平均氣速是按入口風加上蒸發(fā)水量換算到塔體內(nèi)溫度狀態(tài)時氣體的體積量。表1以實測的條件 （進風條件、出風溫度、初始含水量等）和水蒸發(fā)量為依據(jù)，計算出物料的水含量、干燥氣體量和柴油用量。由表1可見，計算結(jié)果基本與實測結(jié)果相接近，其中總風量相差小于12%，產(chǎn)品的含水量FCC催化劑相差2.5個百分點，NaY相差4.4個百分點，柴油消耗量對于FCC催化劑計算值比實際用量約多2 kg/h，對于NaY分子篩比實際用量約多4.4 kg/h。

2.3 干燥參數(shù)對干燥性能的影響

為了考察閃蒸干燥操作參數(shù)對FCC催化劑濾餅、NaY分子篩濾餅干燥性能的影響，分別進行了不同進風干燥溫度、不同含濕量、不同干燥風速和不同攪拌分散速度的試驗，試驗結(jié)果如下。

表1 FCC催化劑濾餅、NaY分子篩濾餅閃蒸干燥試驗與計算對比

（1）進風干燥溫度的影響

為了考察干燥進風溫度對干燥性能的影響，進行了200～320℃干燥溫度的試驗，而其他參數(shù) （原料含水量、顆粒平均停留時間、攪拌槳轉(zhuǎn)速）固定。試驗結(jié)果表明，F(xiàn)CC催化劑濾餅干燥后的含水量在12%～15%之間，NaY分子篩濾餅干燥后的含水量在18%～23%之間，隨著進風溫度的增加，干燥后產(chǎn)品的含水量均降低，但是降低幅度平緩。進氣溫度對干燥性能的影響如圖3所示。

圖3 進氣溫度對干燥性能的影響

（2）物料含水量的影響

對FCC催化劑濾餅和NaY分子篩濾餅分別進行了三種含水量干燥試驗，F(xiàn)CC催化劑濾餅含水量分別為35%、40%、45%，NaY分子篩濾餅含水量分別為45%、55%、64%，其他參數(shù)固定。由圖4可以看出，F(xiàn)CC催化劑濾餅干燥后的含水量在13%～16%之間，NaY分子篩濾餅的含水量在18%～23%之間，總體呈現(xiàn)出原料含水量越高、產(chǎn)品的含水量也越高的趨勢。

圖4 物料含水量對干燥性能的影響

（3）干燥停留時間的影響

試驗中改變進入干燥塔的總風量，固定進風溫度為230～250℃，同時調(diào)節(jié)進料速率，控制干燥尾氣出風溫度120～140℃。由于干燥塔的高度一定，故假設(shè)顆粒的平均速度與干燥平均截面氣速相等。試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，隨著顆粒在干燥塔內(nèi)平均停留時間的增加，干燥產(chǎn)品的水含量緩慢下降。

圖5 干燥入口風速對干燥性能的影響

（4）攪拌分散槳轉(zhuǎn)速的影響

由圖6可見，閃蒸干燥塔的攪拌槳轉(zhuǎn)速變化對FCC催化劑濾餅干燥的影響不明顯，對NaY分子篩濾餅而言，隨著攪拌槳轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)品的含水量隨之緩慢降低。這是因為FCC催化劑分散性好，在攪拌槳低速狀態(tài)時基本都分散開，而對NaY分子篩而言，在高轉(zhuǎn)速下相對低轉(zhuǎn)速時分散性好，因此表現(xiàn)出轉(zhuǎn)速越高，干燥產(chǎn)品中含水量就越低。

圖6 攪拌器轉(zhuǎn)速對干燥性能的影響

3 結(jié)束語

本文詳細論述了閃蒸干燥工藝計算方法。用FCC催化劑濾餅和NaY分子篩濾餅進行閃蒸干燥試驗，依據(jù)試驗條件進行了詳細的干燥工藝計算，結(jié)果與試驗結(jié)果基本接近；用這兩種物料進行了主要操作參數(shù)對干燥性能的影響試驗，其中干燥進風溫度越高，產(chǎn)品的含水量越低；物料含水量越高，產(chǎn)品的含水量也越高；干燥停留時間越長，產(chǎn)品的含水量就越低；當干燥NaY分子篩濾餅時，攪拌槳的分散轉(zhuǎn)速在200～600 r/min內(nèi)，轉(zhuǎn)速越快，干燥產(chǎn)品的含水量就越低；但對FCC濾餅而言，攪拌槳的分散轉(zhuǎn)速在200～600 r/min內(nèi)基本不起作用。

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