高温喷雾干燥塔气流分布器的设计方法探索

1、高温喷雾干燥塔气流分布器的设计方法探索张至英黄发瑞王勇田华(华东理工大学,上海市200237(齐鲁石化公司催化剂厂,淄博市255300摘要在高温喷雾干燥塔中,气流分布器的设计对整个装置的综合经济效益影响很大,亟需建立一种气流分布理论和数学模型来指导工业生产装置的设计和改造。本文提出了一种径向等流量分配理论及其数学模型,用来指导工业规模的大型高温喷雾干燥塔中气流分布器的设计。运用该法所设计的气流分布器已成功地应用于工业装置,并获得了国家专利。关键词气流分布器喷雾干燥等差级数分配理论径向等流量分配理论数学模型1概述随着炼油技术的发展,对炼油过程中所使用的各类催化剂,不仅要求其技术指标能满足不同生产

2、装置的要求,而且还要求产品价格能与国际市场接轨,这就给催化剂制备过程中的喷雾干燥装置提出了更高的要求。在国内现有的生产炼油催化剂的喷雾干燥装置中,多数采用并流型压力式工艺流程,也有并流型旋转式工艺流程和其他工艺流程的。国内习惯上把进入喷雾干燥塔的气流温度在450以上的称为高温喷雾干燥,而进塔温度小于450的则称为低温喷雾干燥,亦称为喷雾干燥。我国从1983年以来,先后从英国、丹麦、德国、美国等国引进了多套不同规格的喷雾干燥装置和系统,分别应用于化工、医药、食品、染料及催化剂等行业,这使我国喷雾干燥行业的工艺和装置水平达到了国外同行业的水平,也促进了我国喷雾干燥制造业的迅速发展。但我国在喷雾干燥

3、系统的理论研究方面与国外相比还有一些差距,有待于进一步深入研究,以便更好地指导工业化装置的设计和改造。尤其是对大型高温喷雾干燥塔的气流分布器国内尚无可靠的并经生产实践验证的设计方法,而往往凭经验进行设计。本文结合对大型高温喷雾干燥塔的气流分布器的技术改造,就如何设计气流分布器进行了一些探索,并提出了有关的设计方法供大家商榷。2喷雾干燥塔中的气流分布目前,在国内许多行业中大量应用喷雾干燥技术来制造各类产品,尤其是在化工类产品中,喷雾干燥工艺往往将产品的造粒、成形和干燥作为一道工序在喷雾干燥塔内来完成。由于喷雾干燥系统中的干燥塔对产品的质量、收率、能耗和生产成本等主要生产技术经济指标会产生直接的影

4、响,所以,近年来对喷雾干燥系统的工艺研究、系统的过程控制、干燥塔的结构、产品能耗的综合平衡等方面的研究较多。相对而言,对进入喷雾干燥塔后的气流在塔内的分布及其对干燥效果与产品质量的影响研究相对较少。究其原因主要是高温气流的各种参数测量相对困难,加之气流在进入喷雾干燥塔后在塔内的运动轨迹受多种因素的影响,故只能作整体上的定性描述。尽管如此,毋庸置疑的是,气流分布器对喷雾干燥塔中的气流分布有举足轻重的影响。所以,只有在设计出性能21高温喷雾干燥塔气流分布器的设计方法探索优异的气流分布器之后,才能期望在喷雾干燥塔内获得合乎工艺要求的气流分布,以满足产品的质量要求。以下仅以并流型压力式工艺流程的喷雾干

5、燥塔为例,对其气流分布器的设计作一些探讨。211气流分布器喷雾干燥塔的气流分布器按高温气流进入喷雾干燥塔的位置不同,大体上分为顶进风和侧进风两种形式。顶进风的气流分布器多以矩形渐开线风道将热风引至喷雾干燥塔的顶部,然后利用多个折流板结构的气流分布器使高温气流变为旋转气流进入喷雾干燥塔。侧进风的气流分布器是借助矩形或圆形风道将热风引至喷雾干燥塔上部的侧面,通过由不同结构和尺寸的分流口所组成的气流分布器,将高温气流均匀地分流进入喷雾干燥塔内,并使其形成旋转气流与湿物料接触来达到干燥物料的目的。综上所述,无论是顶部进风,还是侧面进风,其目的都是要使高温气流通过气流分布器在喷雾干燥塔内形成以干燥塔中心

6、线为轴心的旋转气流,并靠调节气流的流速、流量来控制被干燥物料在喷雾干燥塔内的停留时间,以期获得最佳的干燥效果。因此,喷雾干燥塔的气流分布器的设计就成了喷雾干燥技术的重要课题之一。212等差级数分布理论就并流型压力式喷雾干燥塔而言,在设计气流分布器时,不论其主风道是矩形渐开线变截面风道,还是圆形等截面风道,均要求能使进入喷雾干燥塔的高温气流在塔内形成均匀的旋转气流。因为经各个分流口进入塔内的高温气流的流量、流速和流向,在很大程度上受分流口结构及尺寸的影响,所以,要建立一种可靠的数学模型相对比较困难。但是,为了设计经济合理、高效可靠的气流分布器,它又是必不可少的。过去国内在建造并流型压力式喷雾干燥

7、塔时,通常沿用等差级数分配理论。以往在对气流分布器内的压力分布未作深入细致分析的情况下,直观地认为,沿等截面主风道流动的气流由于不断分流,其流速总是呈下降趋势,为了保证流经各分流口的气流能以等流量进入喷雾干燥塔,就必须依次增加分流口的截面积,这就是一直沿用的等差级数分配理论。它可用式(1来表述:A=A1+(A1+(A1+2+A1+(n-1(1式中A分流口之总面积A1第一个分流口之截面积相邻分流口的截面积之差n分流口个数随着我国喷雾干燥技术应用范围的扩展及实践经验的积累,发现应用上述理论所设计的工业化装置的喷雾干燥塔在运行过程中存在一些问题,诸如在主风道内沿进风方向上有产品堆集现象;在喷雾干燥塔

8、内存在着旋转气流的旋转中心与塔的几何中心不相重合的偏转现象;另外,塔内还出现不规则的旋转气流和乱流等。凡此种种均会导致不良的干燥效果,尤其是在用高温喷雾干燥工艺生产具有高温烧结性能的产品时,为保证产品质量,不得不提高进喷雾干燥塔的气流温度加以弥补,导致单位产品能耗的增加。这些都足以说明用等差级数分配理论来指导喷雾干燥塔内气流分布器的设计还存有一些不合理之处。为此,需要建立一种更好的数学模式来指导工业装置的设计,以提高喷雾干燥装置的综合经济效益。3径向等流量分配理论及其数学模型为便于分析,对于侧进风的并流型压力式高温喷雾干燥塔而言,由于引导热风进入喷雾干燥塔的主风道的长度与其直径的比值较大(通常

9、大于20,加之,在大型喷雾干燥塔中,因塔径较大,主风道的曲率半径亦较大,因此,在建立数学模型时,可将其简化为直风道。这就意味着可将喷雾干燥塔的气流分布问题,简化为在一直风道上单面开口调节的气流分布问题31化工装备技术第20卷第2期1999年了。当喷雾干燥系统进入稳定工作状态时,由主风道经分流口进入喷雾干燥塔的气流流动情况如图1所示,即相当于径向流动过程,故可借用径向流体均布的研究成果,探讨适用于喷雾干燥塔的气流分布器设计的数学模型 。图1进入干燥塔气流示意图311喷雾干燥塔主风道的静压分布将主风道视为等截面的分流管,并认为从主风道侧面分流口流出的气流垂直于主风道的轴向,完全没有轴向动量,如图2

10、所示,在含有分流口的截面 - 与 - 之间建立动量方程:A 0p -(p +d p -w D e dx=A 0(+d 2-2(2 图2主风道分流动量交换模拟图式中A 0主风道之截面积p 气流在主风道内的静压主风道内气流的流速流体的密度D e 主风道的当量直径w 壁面切应力因w =82,代入式(2并取(d 20,可将式(2简化为d p +2d +2De 2d x =0(3式中主风道管壁摩擦系数由于式(3未考虑分流口的侧流开孔及开孔角度对动量变化以及对管壁边界层和管壁摩擦的影响,故必须引入动量交换系数K 加以修正。修正的方法是在摩擦项保持不变的前提下,将动量交换项乘上系数K ,于是式(3变为d p

11、 +2K d +2D e2d x =0(4式(4称为动量微分方程,其中动量交换系数K 需由实验确定。在进行主风道内静压分布计算时,为简化计算,可将K 和视作常数。并考虑到在流体沿等截面主风道的分流口进行等流量分流的情况下,主风道内的速度分布可假定为=0(1-x L (5将式(5代入式(4并加以积分,即得主风道内静压分布规律:p -p 0=20K 1-(1-x L 2-L 6D e1-(1-x L 3(6式中0主风道进口端气流的流速p 0主风道进口端气流的静压流体的密度L 主风道的长度x 主风道内任一点离主风道进口端的轴向距离由式(6可见,主风道分流流道压差包括动量交换项和摩阻项两部分。 在主风

12、道中,随着分流的进行,主风道流速逐渐降低,这时动量交换项使流道静压回升,而摩阻项却使静压趋于降低。当K 1-1-xL2L 6D e 1-1-xL3时,摩阻项造成的静压降可忽略不计,主风道分流管的静压差主要由动量交换项所决定,应用在工 业装置上时称为“流量型”;而当K 1-1-x L2L 6D e 1-1-x L3时,动量交换项造成的静压变化可忽略不计,主风道分流管的静压差主要由摩阻项来决定,应用在41高温喷雾干燥塔气流分布器的设计方法探索工业装置上时称为“压力型”。在设计喷雾干燥塔的气流分布器时,首先要判断喷雾干燥塔主风道的分流管属于何种类型。若为“压力型”,因摩阻的关系使静压随主风道轴向距离

13、的增长而递减,如在沿主风道不同轴向距离处设置阻力相同的分流口,当气流流入可视为等压的喷雾干燥塔时,就会出现不均匀的流量分配,即离主风道始端近的分流口分流量大,而离主风道始端远的分流口分流流量就小。若属于“流量型”则情况正好相反。312流体均布的实施鉴于上述分析,在设计喷雾干燥塔的气流分布器时,应综合考虑流体的动量变化和摩阻对压力分布的影响,并选用合适的分流口压降加以调节和控制,只有当这些因素都能合理匹配时,才能获得理想的气流分布。流入主风道分流管的气流,如图3所示,其压力经历一个由主风道进口处的p 0变为分流口前的p i ,最终流过分流口进入干燥塔后相应的压力为p b 。在干燥塔内,由于高度湍

14、动的气流造成良好的动量传递,因此,在沿同样水平高度的不同分流口处的p b 应视为相同。显然,在不同分流口前的p i 是各不相同的。尽管如此,如图3所示,下列关系始终成立,即p 0-p b =-(p i -p 0+(p i -p b (7 图3主风道分流口简图设定在主风道的某一分流口处的压力变化系数C p i 为C p i =p i -p 01220在主风道的某一分流口处的穿孔阻力系数i为i =p i -p b122i 主风道总穿孔阻力系数0为0=p 0-p b1220于是式(7可改写为p 0-p b =020 2=-C p i 20 2+i 2i 2(8将式(8简化得出0=-C p i +i

15、(i 02(9为使进入喷雾干燥塔的气流形成均匀的旋转气流,必须使每个分流口的穿孔流量均相等,即A i i =A i+1i+1(10所以A 00=nA i i(11式中A i 某一分流口之开孔面积i 某一分流口之穿孔速度n 分流口之数目将式(11代入式(9,可得0=-C p i +iA0Ai21n2(12由式(12得出A i =A 0n i0+C p i1 2(13当主风道的结构尺寸以及分流口的数目确定后,在通过实验得出i 、0及C p i 的情况下,可求出各个分流口A i 的面积,以实现气流均布。这种方法称之为径向等流量分配方法,应用此种方法设计的气流分布器已取得了国家专利。4工业放大及其应用

16、近年来,在中国石化集团所属企业的两套喷雾干燥生产装置的技术改造中,运用上述方法,对喷雾干燥塔的高温气流分配的风道和气流分布器的结构进行了改造,并取得了成功。这两套喷雾干燥的工艺流程分别为并流型顶进风51化工装备技术第20卷第2期1999年旋转式喷雾干燥工艺和并流型侧进风旋转式喷雾干燥工艺。通过改造,使装置不但能满足多种产品生产的要求,并使产品质量有不同程度的提高,还较充分地发挥了装置的生产潜力,取得了良好的经济效益和社会效益。5结束语(1在对中国石化集团所属企业的两套喷雾干燥生产装置的技术改造时,运用径向等流量分配理论对原喷雾干燥塔的气流分布器重新进行设计,达到了预期的效果,取得了良好的经济效

17、益和社会效益。(2在国内高温喷雾干燥系统的气流分布器设计中,引入了径向等流量分配理论,并建立了数学模型,但这仅是运用此种理论进行的两次工业放大的初步尝试,还需进一步完善。(3建议在国内喷雾干燥系统的喷雾干燥塔的气流分布器设计中,更多地运用径向等流量分配理论进行设计计算,并引入计算机模拟进行验算,以提高其在工业装置应用中的可靠程度。同时,尽可能积累有关工业装置运行的生产经验,逐步建立起更加适合工业应用的数学模型。参考文献水力旋流器结构与分离性能研究(六3柱段结构(长度褚良银陈文梅李晓钟刘培坤(四川联合大学,成都市610065摘要研究了水力旋流器柱段长度对其分离性能的影响,结果表明:随着柱段长度的增大,水力旋流器处理能力呈单调上升趋势、其分离修正总效率呈上升趋势、其溢流浓度则呈单调减小趋势。在水力旋流器用于固液分离场合时,其柱段长度宜较长为佳。关键词水力旋流器柱段长度分离性能水力旋流器结构简单是其倍受青睐的主要原因之一。一般地,水力旋流器均由上部圆筒段和下部圆锥段组成。通常人们把上部圆柱形空间视为预分离区域,而把下部圆锥形空间视为主分离区域,即认为真正的分离过程是在下部圆锥形空间内完成的1。因此,在目前水力旋流器的设计中,人们往往更注重其锥段的锥