催化劑浸漬干燥設(shè)備的計算流體力學(xué)模擬

朱振興，田志鴻，呂廬峰，侯栓弟

(中國石化石油化工科學(xué)研究院煉油工藝和催化劑國家工程研究中心，北京 100083)

負(fù)載型催化劑是煉油工業(yè)常用的催化劑，其制備過程一般是將基質(zhì)組分、黏結(jié)劑和活性組分均質(zhì)細(xì)化后，充分打漿混合均勻，再經(jīng)過干燥、焙燒、浸漬等工藝步驟，得到一定粒度分布范圍的催化劑成品。對用于非固定床的負(fù)載型催化劑而言，粒度分布、強(qiáng)度、球形度等性能對催化反應(yīng)過程有重大影響。比如FCC催化劑，當(dāng)催化劑顆粒粒徑在45.8～111 μm之間時，催化劑才會具有較好的重油轉(zhuǎn)化能力、較低的焦炭產(chǎn)率和良好的流化性能[1]。

催化劑的粒度分布、強(qiáng)度和球形度等指標(biāo)一般與干燥過程密切相關(guān)。干燥在煉油催化劑生產(chǎn)中是關(guān)鍵處理工藝之一。如何根據(jù)物料物化性質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量要求選擇干燥設(shè)備，對產(chǎn)品質(zhì)量及運(yùn)行成本都會產(chǎn)生很大影響。當(dāng)前國內(nèi)外干燥技術(shù)發(fā)展迅速，干燥設(shè)備趨于大型化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，其研制也趨向?qū)I(yè)化，新型干燥設(shè)備不斷推出。新型干燥設(shè)備通過改善設(shè)備內(nèi)物料的流動狀況，強(qiáng)化和改善干燥過程，提高熱效率；增加或革新干燥設(shè)備的附屬裝置，優(yōu)化操作，提高其處理能力、降低操作費(fèi)用和難度；采用新的干燥方式及組合干燥方法等，強(qiáng)化干燥過程，以滿足物料干燥的特殊要求[2]。面對我國加工原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化的趨勢和日益嚴(yán)格的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)新型高效干燥設(shè)備，提高催化劑粒度分布和強(qiáng)度等性能，具有非常重要的意義。

催化劑的制備過程是將載體填充物、黏結(jié)劑、活性組元按照特定比例進(jìn)行打漿，通過噴霧干燥成型制成載體，載體經(jīng)高溫焙燒后進(jìn)入浸漬干燥聯(lián)合裝置浸漬浸漬液，然后迅速干燥，再將收集的細(xì)粉通過焙燒得到催化劑成品。

在浸漬過程中，浸漬液會與載體活性組元發(fā)生酸堿反應(yīng)，產(chǎn)生硬垢，嚴(yán)重時會附著在浸漬單元的表面，影響浸漬工藝的連續(xù)性。在保證浸漬時間充裕的前提下，應(yīng)盡快完成浸漬物料的干燥。因此，中國石化石油化工科學(xué)研究院(簡稱石科院)將閃蒸干燥與連續(xù)浸漬設(shè)備耦合，開發(fā)出浸漬干燥器[3]，實現(xiàn)了載體浸漬干燥的連續(xù)化生產(chǎn)。

在浸漬干燥器中，浸漬后的物料通過進(jìn)料管進(jìn)入干燥器內(nèi)將物料干燥。進(jìn)料管伸入干燥器的長度，將影響物料在干燥器內(nèi)的分布均勻程度，進(jìn)而影響物料與熱空氣的混合效果，與催化劑最終干燥效果有密切的關(guān)系，也是設(shè)計浸漬干燥器的關(guān)鍵。但是，通過實驗進(jìn)行干燥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將耗費(fèi)大量的人力、物力和時間。而且，由于浸漬干燥器通常是在高溫下進(jìn)行操作，進(jìn)料管長短對物料分散程度的影響不易通過實驗直接測得。采用計算流體力學(xué)(CFD)模擬研究不同進(jìn)料管長度情況下，干燥器內(nèi)的氣-固兩相流場，可以直觀地考察干燥器內(nèi)的物料分布情況，大大減少干燥器優(yōu)化的工作量，為催化劑浸漬干燥設(shè)備的設(shè)計和放大提供依據(jù)。

1 計算模型

CFD是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨(dú)立學(xué)科，通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達(dá)到對物理問題研究的目的。CFD的基本思想可以歸納為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(如速度場和壓力場)，用一系列有限個離散點上的變量值的集合代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上變量間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組，從而獲得場變量的近似值[4-6]。

浸漬干燥器內(nèi)為氣固兩相復(fù)雜體系，熱空氣作為連續(xù)相，物料作為分散相。可用于求解兩相流的模型主要有4種：Eulerian-Eulerian(歐拉-歐拉)模型、Eulerian-Lagrangia(歐拉-拉格朗日)模型、Volume of Fluid(VOF)模型和混合模型[7]。浸漬干燥器內(nèi)物料為膠團(tuán)狀物質(zhì)，研究的目的是考察進(jìn)料管長度對物料分布的影響，因此采用歐拉-歐拉模型進(jìn)行模擬。

歐拉-歐拉模型也稱為雙流體模型，一般基于以下幾個假設(shè)：氣相和固相均視為連續(xù)介質(zhì)，兩相之間互相滲透，共同占有空間區(qū)域；任意時刻在任何小的空間體積內(nèi)，都可以認(rèn)為被相含率分別為εg和εls的氣相和固相充滿；氣相為連續(xù)相，固相為分散相[8]。

因為非固定床(如漿態(tài)床反應(yīng)器)內(nèi)溫度分布非常均勻，因此可以看作為等溫過程，需要求解的基本控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程常稱作連續(xù)性方程[9]，如式(1)所示。

(1)

動量守恒方程[10]如式(2)和式(3)所示。

對于連續(xù)相：

(2)

對于分散相：

(3)

式中：Mg，i和Mls，i為相間作用力，kg/(m2·s2)；μg和μls分別為氣相和固相動力黏度，Pa·s；ρg和ρls分別為氣相和固相的密度，kg/m3；ug和uls分別為氣相和固相的流速，m/s；Pg和Pls分別為氣相和固相的壓力，Pa；ux，uy，uz分別為x，y，z三個方向的速度分量。

動量守恒方程中連續(xù)相的相間作用力項Mls，i由式(4)計算。

(4)

式中的動量傳遞系數(shù)cls-g可用下式求出：

(5)

式中：CD為兩相間的曳力系數(shù)；dP為分散相的當(dāng)量直徑，m。

相間作用力包括曳力、附加質(zhì)量力和徑向力，由于影響相間動量傳遞最主要的是連續(xù)相與分散相間的曳力，所以只考慮曳力的影響而忽略其他力的影響。采用Gidaspow模型[11]模擬氣固相間的曳力系數(shù)，如式(6)所示。

均勻鼓泡區(qū)，假設(shè)氣泡為橢圓形，曳力系數(shù)為：

(6)

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[12]求解各相的湍流強(qiáng)度。

2 浸漬干燥器CFD模擬

2.1 網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格獨(dú)立性考察

根據(jù)催化劑浸漬干燥器工業(yè)裝置建立三維幾何模型(塔徑為800 mm，高為10 m)，如圖1所示。為防止催化劑沉積，干燥塔底部為內(nèi)凹式，熱空氣從干燥浸漬塔底部環(huán)隙進(jìn)入。浸漬后的物料從干燥塔中部進(jìn)料管進(jìn)入，在底部攪拌槳的作用下與熱空氣混合，空氣從干燥塔頂部排出。為保證物料與熱空氣混合充分，設(shè)置三層斜葉式攪拌槳。

采用滑動網(wǎng)格技術(shù)[13]描述攪拌槳的旋轉(zhuǎn)。為了考察網(wǎng)格的獨(dú)立性，將圖1所示結(jié)構(gòu)分別離散為100萬網(wǎng)格、50萬網(wǎng)格和20萬網(wǎng)格，計算只有熱空氣存在下的反應(yīng)器內(nèi)沿軸向3個不同高度的徑向截面的平均速度，并計算三者間的偏差。計算結(jié)果表明，100萬網(wǎng)格與50萬網(wǎng)格3個截面的最大平均速度偏差為5%，50萬網(wǎng)格與20萬網(wǎng)格間的偏差為30%。權(quán)衡計算速率和計算精度，選用50萬網(wǎng)格的方案，具體網(wǎng)格劃分見圖2。為了增加計算精度，采用了最新的蜂窩狀多面體網(wǎng)格技術(shù)[14]。

圖1 催化劑浸漬干燥器三維幾何模型1—干燥器； 2—進(jìn)料管； 3—攪拌混合器；4—環(huán)形空氣入口； 5—?dú)夤滔喑隹?/p>

圖2 催化劑浸漬干燥器和攪拌槳網(wǎng)格劃分

2.2 吸附劑浸漬干燥器氣固兩相CFD模擬

催化劑浸漬干燥器內(nèi)為氣固兩相復(fù)雜體系，為了較準(zhǔn)確地進(jìn)行CFD模擬計算，應(yīng)用歐拉-歐拉模型將空氣作為連續(xù)相，將催化劑作為擬連續(xù)相。為了優(yōu)化干燥器的結(jié)構(gòu)，分別針對進(jìn)料管長度為20，80，140 mm的3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD模擬計算，計算結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3是3種進(jìn)料管長度時，干燥器內(nèi)空氣軸向速度分布。由圖3可知，進(jìn)料管的長度越短，對空氣在干燥器內(nèi)軸向流動影響越大。由于熱空氣是從干燥器底部進(jìn)入，而進(jìn)料管在干燥器的中部，進(jìn)料管長度對干燥器內(nèi)空氣的影響主要體現(xiàn)在干燥器的中上部。在此區(qū)域內(nèi)，進(jìn)料管長度越短，干燥器中心的空氣流速越高，且該中心高速區(qū)的面積越大，相應(yīng)地在干燥器內(nèi)的軸向速度分布越不均勻。

圖4是3種進(jìn)料管長度時，干燥器內(nèi)催化劑軸向速度分布。由圖4可知，進(jìn)料管的長度對干燥器內(nèi)催化劑的軸向流動有一定影響。與空氣的速度分布類似，進(jìn)料管長度越短，催化劑在干燥器中心的速度越大，相應(yīng)地在干燥器中上部的速度分布越不均勻。

圖5是3種進(jìn)料管長度時，干燥器內(nèi)距底部2.6 m截面上的催化劑徑向速度分布。由圖5可知，進(jìn)料管的長度對于干燥器內(nèi)催化劑的速度分布有較大影響。進(jìn)料管越長，催化劑在干燥器內(nèi)的徑向分布越均勻。進(jìn)料管越長，物料進(jìn)入干燥器時的湍流發(fā)展越充分，物料進(jìn)入的位置越接近干燥器的中心，物料與干燥器內(nèi)的熱空氣的接觸面也越對稱。因此，干燥器內(nèi)催化劑的流動狀態(tài)越接近平推流，其分布也越均勻。

圖6是3種進(jìn)料管長度時，干燥器內(nèi)催化劑軸向體積分?jǐn)?shù)分布。由圖6可知，進(jìn)料管長度對催化劑的軸向體積分?jǐn)?shù)分布有較大影響。進(jìn)料管越短，催化劑在干燥器壁面處的體積分?jǐn)?shù)越大，壁流現(xiàn)象越嚴(yán)重，催化劑在干燥器的分布越不均勻，越不利于催化劑的分散和與熱空氣的充分接觸，從而會大大降低干燥的效率。

圖7是3種進(jìn)料管長度時，干燥器內(nèi)距底部2.6 m截面上的催化劑徑向體積分?jǐn)?shù)分布。由圖7可知，進(jìn)料管的長度對催化劑在干燥器內(nèi)的徑向體積分?jǐn)?shù)分布有較大影響。進(jìn)料管越短，催化劑在干燥器壁面處的體積分?jǐn)?shù)越高，壁流現(xiàn)象越嚴(yán)重，催化劑的徑向分布越不均勻，越不利于催化劑的分散和與熱空氣的充分接觸。而且進(jìn)料管越短，催化劑在徑向截面上的分布越不均勻，導(dǎo)致流出干燥器的吸附劑干燥程度差異很大，不利于后續(xù)工序的操作。

為了更直觀地體現(xiàn)進(jìn)料管長度對浸漬干燥器內(nèi)流場的影響，引入相對標(biāo)準(zhǔn)偏差作為兩相速度和體積分?jǐn)?shù)不均勻度(σ)的判定標(biāo)準(zhǔn)，計算方法如式(7)所示[15]。

(7)

圖3 空氣軸向速度分布

圖4 催化劑軸向速度分布

圖5 干燥器內(nèi)距底部2.6 m截面上催化劑徑向速度分布

圖6 催化劑軸向體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 干燥器內(nèi)距底部2.6 m截面上催化劑徑向體積分?jǐn)?shù)分布

∕mm1400.120.120.160.110.12800.160.170.220.150.19200.200.190.280.190.31

由表1可知，隨著進(jìn)料管長度的增加，浸漬干燥器內(nèi)兩相的軸向和徑向流速和體積分?jǐn)?shù)分布都更均勻。對于現(xiàn)有裝置來說，140 mm長的進(jìn)料管能提供更好的吸附劑流動和分布，更有利于干燥過程的進(jìn)行；進(jìn)料管縮短后不利于吸附劑的分散和干燥。

3 結(jié) 論

建立了浸漬干燥塔三維幾何模型，運(yùn)用歐拉-歐拉模型進(jìn)行了氣固兩相CFD模擬研究。模擬結(jié)果表明，石科院自主開發(fā)的催化劑浸漬干燥塔能提供較好的氣固相流動和分布效果；較長的進(jìn)料管(140 mm)有利于催化劑在干燥器中的分布，對催化劑的干燥過程更有利。