催化劑噴霧成型霧化過程分步式模擬技術及驗證

張絡明，焦 陽，苑志偉，梁維軍，楊振鈺，趙經偉，劉安鼐，達志堅

(1.中國石化催化劑有限公司，北京 100020；2.中國石化催化劑有限公司工程技術研究院；3.中石化石油化工科學研究院有限公司)

石油化工生產中使用的催化劑均是由活性組分、膠溶劑、黏結劑等加工成型得到的[1]。催化劑的成型過程是催化劑生產過程中的重要步驟,可以有效解決活性組分(如分子篩、氧化鋁粉體)顆粒較細、回收困難、易流失等問題[2-3]。噴霧干燥成型是催化劑成型常用的方法,其利用噴霧干燥的原理,將活性組分與助劑混合,然后以霧狀形式噴入干燥室,經快速干燥制得微球狀催化劑[4-6]。

為了調控催化劑產品性能,學者們對噴霧干燥過程進行了很多研究,主要集中于漿料物性的調節和操作條件調變對產品的影響等方面。王曉蘭等[7]在企業生產條件下,研究了影響噴霧干燥粉料粒度分布的因素,如泥漿黏度、泥漿含水率、供塔泥漿壓力、噴片孔徑等,分析了各因素與粉料粒度分布之間的關系,并就噴霧干燥塔的控制與應用提出了建議。初小葵等[8]對Al2O3的噴霧干燥過程進行了研究,探討了漿料制備條件、漿料含水率、噴嘴大小等對于產品性能的影響。

近年來,國家對石化行業節能降耗和提升效率提出了更高的要求,針對噴霧干燥生產催化劑過程的改進方向主要集中于降低能耗和降低細粉率等,而主要的改進手段在于對設備參數、操作條件和霧化漿料性質等進行改進調節,因而迫切需要對噴霧干燥過程進行系統性分析[9-12]。噴霧干燥的全過程主要包括漿料霧化過程、霧滴干燥過程和分離過程,其中對噴霧產品粒徑分布和顆粒性狀起決定性作用的是霧化過程。在工業化生產中,霧化噴霧干燥塔的塔體高約為30 m、直徑為10～15 m,單個霧化器噴霧量極大,難以用傳統表征方法對霧化過程表征,只能以噴霧干燥的結果對霧化過程進行推測。因此,對于噴霧干燥過程的研究仍不夠深入,開發高效的研究工具迫在眉睫。

對于難以直接試驗研究的處理過程,數值模擬方法可以起到有效的作用。年帥奇等[13]通過耦合流體體積(VOF)模型和大渦湍流模型,對離心噴嘴附近位置的霧化過程和噴嘴內部流場進行了分析;楊威等[14]對液滴在氣流中的破碎過程進行了數值模擬研究;饒莉等[15]對射流場中自由上升的單液滴形變和破碎過程進行了研究,采用高速攝像技術拍攝記錄了液滴的初始形狀、上升速度、進入射流場后的形變破碎等。

然而,噴霧干燥過程是一個非常復雜的過程,采用計算流體力學(CFD)仿真整個噴霧干燥過程非常困難,而且計算量巨大。基于此,本研究將霧化過程分為一級霧化和二級霧化兩部分,分別采用VOF模型和流體體積-可變形組件(VOF-to-DPM)模型進行分步模擬,并對比模擬結果與霧化試驗結果,驗證模擬方法的準確性,以為催化劑噴霧干燥過程控制和產品性能調節提供指導。

1 實 驗

1.1 裝置及流程

試驗所用霧化平臺裝置如圖1所示,其主要部分包括儲液罐、料液輸送裝置、料液加壓裝置、霧化裝置和檢測裝置(包括激光粒度儀和高速攝像機)。

圖1 噴霧試驗及檢測平臺示意

試驗所用高壓泵為沈陽雙環泵業有限公司制造的HP80MM/51-1.5/11型隔膜泵;噴嘴為中國石化催化劑有限公司生產的AA104-10-3型噴嘴;試驗料液為水;高速攝像機為合肥中科君達視界技術股份有限公司生產的千眼狼X213型相機;激光粒度儀為德國新帕泰克有限公司生產的HELOS-KR Multi-VARIO型粒度儀。

試驗時,首先將一定體積的料液注入到儲液罐中,打開離心泵緩慢提高至指定送料量;再打開高壓泵對料液進行加壓,緩慢提升至指定壓力;待噴霧錐穩定后,利用激光粒度儀或高速攝像機對霧錐指定位置測定噴霧顆粒的粒徑分布。

在一級霧化平均粒徑的描述中,以索特平均粒徑(SMD)為指標,定義為所有顆粒總體積與總表面積之比,能夠比較準確地反映顆粒的真實粒徑。其計算式見式(1)。

(1)

式中:D為噴霧顆粒粒徑,μm;N為顆粒數量。

1.2 數值模擬部分

料液由噴嘴噴出后的過程可分為一級霧化和二級霧化兩個子過程。其中,一級霧化主要描述料液從噴嘴噴出到形成液膜并撕裂成較大液滴的過程,其研究主體為連續相,采用VOF模型(其對質量守恒的連續相模擬結果較為準確)進行模擬,得到產生大液滴的尺寸和速度矢量;二級霧化主要描述料液從高速大液滴與空氣相互作用進一步破碎成小霧滴的過程[16-17],其研究對象為分散相的單個液滴,采用多分散相VOF-to-DPM模型對其進行破碎模擬,最終得到不同破碎霧滴的粒度分布[18-19]。

一級霧化形成的液膜和較大液滴不穩定,會與空氣相互作用破碎成各種霧滴,即二級霧化過程。該過程與空氣動力、溫度、液體表面張力及液體黏度等因素直接相關。因此,要完整地分析整個霧化過程的效果,必須對兩級霧化過程進行模擬計算。因此,采用 ANSYS FLUENT軟件分別對一級霧化和二級霧化進行模擬計算。

VOF模型的計算連續性方程如式(2)所示。

(2)

式中:ρ為氣相密度,kg/m3;t為時間,s;uj為x,y,z軸上的速度矢量,m/s;S代表質量源項。

VOF模型的動量守恒方程為:

(3)

式中:ui為氣相速度,m/s;p為靜壓,Pa;μ為動力黏度,Pa·s;μt為湍動黏度,Pa·s;F為體積力。

VOF模型的能量守恒方程為:

(4)

式中:Hf為焓變,J/kg;μe/σh為輸運系數;St為能量源項。

采用DPM模型計算離散相部分,其單顆粒運動控制方程為:

(5)

式中:mk是指顆粒k的質量,g;vk是指顆粒k的運動速度,m/s;(∑F)k是指顆粒k所受的合力,N。

單個顆粒的軌道方程為:

(6)

單位質量顆粒的運動方程為:

(7)

式中:fd(u-up)為單位質量顆粒受到的阻力,N/g;gx(ρp-ρ)ρp為單位質量顆粒所受重力與浮力的合力,N/g;u和up分別為連續相和顆粒速度,m/s;ρ和ρp分別為連續相和顆粒密度,kg/m3。

2 結果與討論

2.1 數據的獲取

通過調節試驗平臺中隔膜泵的頻率,獲取不同操作壓力下的噴霧錐,利用激光粒度儀和高速相機觀測噴霧錐指定高度處的粒徑分布,得到不同壓力下霧化產物的粒徑分布,結果如圖2所示。

圖2 不同操作壓力下的霧化產物粒徑分布

由圖2可知:當壓力較小(不高于4 MPa)時,由于液體動能較低,無法充分霧化,小液滴出現概率較低,未充分霧化的大液滴出現概率較高,分布范圍廣;隨著隔膜泵頻率增加,操作壓力不斷增大,液體獲得的動能更高,逐漸達到充分霧化的條件,表現為小粒徑液滴出現概率明顯增加,大液滴出現概率降低,且分布更為集中,粒徑在200 μm以上的液滴基本消失。這主要是由于在空氣作用下,較大的高速霧滴發生了二次霧化,破碎成了小霧滴。

2.2 一級霧化模擬及其與試驗結果的對比

首先,對AA104-10-3型噴嘴進行建模和網格化處理,結果如圖3所示。

圖3 噴嘴建模及網格化結果

采用VOF模型對一級霧化進行模擬計算,通過調節噴嘴模型入口處的壓力,對不同一級霧化的效果實現模擬,得到不同壓力下噴霧錐角的模擬結果,并與高速攝像機拍攝的結果(見圖4)進行比較,結果見表1。

表1 不同進料壓力下的觀測噴霧錐角和模擬噴霧錐角及液膜厚度

圖4 高速攝像機拍攝的壓力5 MPa下的噴霧效果

由表1可知,模擬得到的一級霧化噴霧錐角與攝像機的觀測值相近且變化規律一致,即隨著進料壓力的增加,噴霧錐角呈現先明顯增大后趨于穩定的趨勢,由于壓力式霧化的全部動力來源于前端進料壓力,因而在較低的進料壓力下無法實現充分霧化。對于該試驗條件來說,當進料壓力達到5 MPa后噴霧角趨于穩定,說明實現了充分霧化。

通過測量液膜厚度可知,隨著進料壓力的增大,液膜厚度呈下降趨勢,這是因為隨著進料壓力的提高,噴嘴噴出料液的速度增大,在壓力較低不能充分霧化時,液膜邊緣隨著延展逐漸變薄并在空氣和重力作用下主要發生穿孔破碎和波動破碎,此時形成的液膜厚度較大;隨著壓力提高至4 MPa以上,噴嘴噴出料液的液膜充分延展,液膜破碎的方式主要為湍動破碎,此時液膜厚度變化較小。隨著壓力的進一步提高,破碎液膜的長度減小,液膜撕裂破碎過程發生得更快,見圖5。

圖5 一級霧化過程模擬計算得到的液膜撕裂過程

由以上分析結果可知,對一級霧化模擬計算的結果具有較好的準確性,根據模擬液膜的厚度可以得到一級霧化的大液滴的粒徑,并可用于二級霧化結果的計算。

2.3 二級霧化模擬及其與試驗結果對比

將一級霧化得到的大液滴粒徑和初始速度作為初始條件,進行單液滴二級霧化的破碎模擬研究。圖6為進料壓力5 MPa下通過模擬計算和試驗得到的二級霧化粒徑分布結果,其中,曲線分布為模擬計算連續分布結果,柱狀分布為激光粒度儀測得的粒徑分布結果。

圖6 進料壓力5 MPa條件下模擬計算和試驗測定的粒徑分布

由圖6可知,模擬和試驗得到的粒徑分布趨勢一致,均為雙峰形分布,粒徑分布峰中心分別位于粒徑40 μm和100 μm左右。根據液滴破碎機理的研究結果[20-21],單液滴在高速氣體作用下的破碎狀態與韋伯數(We)有關,當進料壓力為5 MPa時,一級霧化的液滴速度為100 m/s,液滴粒徑約為500 μm,計算得到We為69.4,符合多袋破碎機理,其破碎的典型結果為雙峰分布。對比試驗結果與模擬結果,發現對粒徑較小顆粒的模擬計算結果偏大,而對粒徑較大顆粒的模擬計算結果偏小。這說明,與模擬結果相比,試驗測得的大液滴顆粒更多,可能的原因是裝置噴霧口下方距離料槽底部較近,沖向底部的霧滴部分發生了回流,導致與霧化形成的霧滴發生碰撞,合并成粒徑較大的霧滴。

采用相同方法得到進料壓力為7 MPa時的霧滴粒度分布,結果如圖7所示。由圖7可知,進料壓力為7 MPa時的霧滴粒度分布結果與進料壓力為5 MPa時的分布結果相似,霧滴粒度分布也呈雙峰分布,分布雙峰分別位于粒徑40 μm和95 μm左右,大顆粒粒徑更小,說明提高進料初始壓力可使霧化更充分,生成更多的小液滴,這與實際生產情況相符。在進料壓力為7 MPa下,對粒徑較小顆粒的模擬計算結果比試驗結果偏大,而對粒徑較大顆粒的模擬計算結果偏小,而且偏差更為明顯。這主要是因為,在更高的進料壓力下霧化更加充分,產生的霧滴平均粒徑更小,致使霧滴更易受到氣流的影響,發生相互碰撞的概率更高,因而融合成大粒徑液滴的可能性也更大。這一現象在催化劑的實際生產中不易發生,主要是實際生產中存在干燥過程,小液滴具有更高的比表面積,干燥更快,顆粒能快速形成表面硬殼,從而防止顆粒間碰撞融合。

圖7 進料壓力7 MPa條件下模擬計算和試驗測定的粒徑分布

在進料壓力為4 MPa以上時,一次霧化足夠充分,二次霧化的研究對象大液滴粒徑基本不變,主要變量是大液滴的初始速度,更高的大液滴初始速度(即更大的We)使二次霧化生成的小粒徑霧滴更多。

通過調整噴嘴距離激光粒度儀的相對位置,得到壓力5 MPa條件下不同取樣高度(H)的霧滴粒度分布,結果如圖8所示。從圖8可以看出,隨著取樣點與噴嘴口高度差的增加,較小粒徑分布峰的峰高顯著降低,較大粒徑分布峰的位置明顯向右偏移且峰形出現寬化,說明離噴嘴口位置越遠,霧滴碰撞后發生融合的概率明顯上升,這與模擬計算結果的推論相吻合。

圖8 壓力5 MPa條件下不同取樣高度的粒徑分布

綜上所述,該分步模擬模型可以很好地實現對霧化霧滴粒徑分布的預測,并可根據試驗與模擬結果出現偏差原因的合理推斷(即霧滴間的相互碰撞融合),用試驗數據驗證模擬計算結果。

3 結 論

鑒于催化劑噴霧干燥成型過程的復雜性,將壓力式噴霧霧化過程分為一級霧化和二級霧化兩部分,以利于采用CFD方法對該過程進行分步分析研究。

分別采用VOF模型對一級霧化的液膜撕裂過程進行模擬,得到了一級霧化液滴的粒徑和速度;采用VOF-to-DPM模型對一次霧化單液滴進行二次霧化模擬計算,發現一級霧化模擬噴霧錐角與試驗觀測結果基本吻合,二級霧化模擬得到的最終粒度分布結果與試驗結果相一致。這說明該分步模擬方案可行,霧化過程模擬的準確性較高,可以大幅降低噴霧模擬計算的難度和運算量。

模擬研究發現:進料壓力為4 MPa以上時,一次霧化足夠充分,霧化液滴粒徑基本不變;噴霧霧化液滴粒度分布呈雙峰分布,較小粒徑主要集中于40 μm左右,較大粒徑主要集中于95～100 μm;進料壓力越高,一次霧化越充分、霧化液滴初始速度越大,二次霧化產生的小粒徑霧滴越多。由于小粒徑液滴受高速空氣影響更大,因而碰撞融合成大液滴的可能性也更大。