分子篩催化劑噴霧干燥塔的計算

龔占魁，趙麗娟

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

噴霧干燥技術是用于對物料進行干燥的一種方法。將稀物料經過機械打散，分散成霧狀小液滴，在與高溫熱空氣接觸，經過霧滴和熱空氣的傳熱、傳質，霧滴中的水分迅速汽化[1]，即可得到干燥產品。噴霧干燥技術可將溶液、漿液等直接干燥成為顆粒狀或粉狀制品，從而省去粉碎、蒸發等生產工序。噴霧干燥技術在食品、生物制品、農產品加工、化工及醫藥領域有著廣泛的應用[2]，尤其是對于產品顆粒大小要求嚴格的行業，如化學工業、陶瓷、食品添加劑等，噴霧干燥技術的應用更加普遍和廣泛，同時也不斷推動噴霧干燥技術的創新和研發。

分子篩催化劑在化學工業中使用廣泛，尤其是石油煉制領域。分子篩催化劑的熱穩定性和水熱穩定性，對于很多反應具有高活性、高選擇性。分子篩催化劑的生產制備過程中，需要對其原料漿液進行干燥，并制備出具有一定顆粒度的制品，噴霧干燥技術是分子篩催化劑的干燥和造粒的主要技術。在噴霧干燥的熱空氣溫度、漿液霧化形式以及熱空氣與霧滴的運動方式等因素確定的基礎上，噴霧干燥技術中關鍵設備噴霧干燥塔的計算是分子篩催化劑生產的核心部分，對于分子篩催化劑的產品性能是否滿足生產要求起著至關重要的作用。

1 分子篩催化劑生產中噴霧干燥的選型

噴霧干燥效果與多種因素有關，尤其是進入噴霧干燥塔的熱風溫度、漿液的霧化形式和熱空氣與霧滴的運動方式3 個因素，對于噴霧干燥的效果影響較大。結合之前的相關影響因素的分析，得到分子篩催化劑的噴霧干燥具有以下選型。

1.1 噴霧干燥熱風溫度

空氣加熱器為噴霧干燥系統提供熱風，熱風的溫度高低直接影響分子篩催化劑粒徑的大小，從而影響分子篩催化劑的質量。熱風溫度過高得到的制品粒徑較小，不僅產品品質會受到影響，同時也會提高后續布袋除塵的負荷，提高生產成本；熱風溫度過低，霧滴與熱風傳質不夠充分，得到的制品粒徑大，不符合制品要求，同時增加后續焙燒工序的負荷。因此，分子篩催化劑噴霧干燥的熱風溫度需要控制在一定范圍內。本文計算示例中，噴霧干燥塔的進塔熱空氣初始溫度為650 ℃。

1.2 噴霧干燥的霧化形式

噴霧干燥的霧化器主要有氣流式霧化器、旋轉式霧化器和壓力式噴嘴3 種，3 種霧化形式各有優缺點，根據3 種霧化形式的特點，結合分子篩催化劑進料漿液的特性，分子篩催化劑生產中噴霧干燥的霧化形式選擇壓力式噴嘴霧化器，壓力式噴嘴由高壓泵提供動力，料液通過壓力式噴嘴噴出，使得料液霧化。本文計算示例中采用的是壓力式噴嘴的霧化形式。

1.3 噴霧干燥熱空氣與霧滴的運動方式

霧滴與熱空氣的運動方式由霧化器和熱空氣進口的相對位置決定，具體有并流、逆流和混合流三類。并流是指霧滴和空氣沿相同方向并向運動；逆流是指霧滴和空氣相向運動；混合流是指既有并流又有逆流的運動形式。3 種運動方式各自有優缺點，逆流操作的熱利用率最高，但是溫度不易控制，容易使得料液分解或變質。并流操作的熱利用率不如逆流，但是其進口空氣溫度和空塔氣速更易控制，更有利于對于粘壁物料的處理，更有利于物料干燥。若分子篩催化劑的物料干燥條件不是很苛刻，多采用霧滴與熱空氣并流的運動方式。若分子篩催化劑的物料干燥條件比較苛刻，并流運動不能滿足要求的，采用逆流運動[3]。本文噴霧干燥熱空氣與霧滴的運動方式是并流運動。

2 噴霧干燥塔的設計計算示例

噴霧干燥塔的設計計算條件如下：

1）料液進料量G=15 000 kg/h，料液的最初含水量ω1=70%，產品的最終含水量ω2=21%，料液吸濕量（水分與絕干物質質量之比）ωn=45%，水分與總量之比ωb=31%，平衡濕度ωp=16%。

2）料液的密度為ρ=1 250 kg/m3，料液初始溫度為tM1=25 ℃，平均比熱容為Cm=0.248×4.184 kJ/（kg·K）。

3）進口空氣的參數如下：當地空氣相對濕度Φ0=80%。進塔空氣的初始溫度t1=650℃，濕含量d1=16 g/kg，排風溫度為t2=150 ℃。

2.1 催化劑噴霧干燥塔塔徑的計算

已知進料量G=15 000 kg/h，料液的最初含水量ω1=70%，則絕干物料的進料量為：G1=G×（1-ω1）=4500kg/h。

得到干燥產品的量為：G2=G1/（1-ω2）=5 696 kg/h。

蒸發出水的量為：G3=G-G2=9 304 kg/h。

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

查表得：水在25 ℃時的焓值為I1=1.4.65 kJ/kg，150 ℃干飽和蒸汽的焓值為I3=2 745.92 kJ/kg。650 ℃空氣的焓值I4=678.11 kJ/kg，150 ℃空氣的焓值I5=133.95 kJ/kg。

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

在干燥過程中需要的總能量為：Q3=Q1+Q2=25.32×106kJ/h。

將能量損耗估算為總能量的10%，則干燥需要的總能量為：Q=Q3/0.9=28.13×106kJ/h。

干燥需要的熱風量為：G4=Q/（I4-I5）=5.2×104kg/h。

以1 kg 干燥空氣表示的濕空氣比容計算為：v0=4.64×10-6×（622+d）×（273+t）。式中，d 為空氣濕含量，查空氣濕焓圖得：650 ℃的空氣濕含量d1=16 g/kg，150 ℃的空氣濕含量d2=750 g/kg。

計算得熱風比容：v1=4.64×10-6×（622+16）×（273+650）=2.73 m3/kg。

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

取空氣在干燥塔中的平均氣速為vc=0.6 m/s。

2.2 催化劑噴霧干燥塔塔高的計算

在干燥的第一階段中，霧滴表面的溫度約等于濕球溫度，即tM=70 ℃（按濕焓圖測定）。此過程微粒含濕量從ω1到ωb變化的范圍內進行著，在此階段中所蒸發的水分量為

在濕焓圖上查得相應的空氣溫度t3=460 ℃。

在干燥第一階段中：

物料：25 ℃→70 ℃

熱空氣：650 ℃→460 ℃

則第一階段的平均溫度差：

物料最終溫度：

在干燥第二階段中：

物料：70 ℃→123 ℃

熱空氣：460 ℃→150 ℃

則第二階段的平均溫度差：

干燥第一階段和第二階段時間之比：

空氣和物料表面的平均溫度差：

液滴的平均翔浮速度計算為式（1）：

式中：v 為空氣平均溫度時的運動黏度，36×10-6m2/s；ρ0為空氣的平均密度，0.37 kg/m3；Vcp=0.41 m/s。

熱交換容積系數計算見式（2）：

式中：λ 為在平均溫度時的空氣熱導率，λ=5×10-2W/（m·K）；FK干燥塔的截面積，66.4 m2；αv=42 W/（m·K）。

干燥塔的有效高度計算見式（3）：

3 結語

本文在分子篩催化劑生產中噴霧干燥的選型基礎上，即確定分子篩催化劑噴霧干燥的熱風溫度需要控制在一定范圍內；確定噴霧干燥霧化形式；確定霧滴與熱空氣的運動方式等3 個影響因素。計算示例對應的條件為噴霧干燥塔的進塔熱空氣初始溫度為650 ℃；采用的是壓力式噴嘴的霧化形式；熱空氣與霧滴的運動方式是并流運動。在此條件下對分子篩催化劑的噴霧干燥塔尺寸進行了計算，計算得到相應的噴霧干燥塔的內徑為9.2 m，塔高為18 m。此種噴霧干燥塔尺寸的計算方法為催化劑噴霧干燥塔的設計、制作提供了參考。