旋轉(zhuǎn)體孔結(jié)構(gòu)對催化劑成型過程的影響

郭紅起,楊 凌，尹 喆

(中國石化催化劑有限公司齊魯分公司,山東 淄博 255300)

催化裂化(FCC)催化劑是粗細(xì)不均的顆?；旌象w，細(xì)顆粒與粗顆粒相互夾雜可以起到潤滑的作用，有利于流化，但是細(xì)顆粒過多或者粗細(xì)分布不集中反而會降低催化劑的流化性能，同時，會造成煉化裝置催化劑消耗量的上升，增加污染物的排放，從而影響生產(chǎn)生活環(huán)境。圓球度及表面平整性不好，會加劇催化劑顆粒在催化反應(yīng)過程中的磨損，降低催化劑的耐磨性能，導(dǎo)致催化劑的跑損，造成污染。因此，石油煉制企業(yè)為更好的承擔(dān)自身的社會責(zé)任，持續(xù)進(jìn)行裝置結(jié)構(gòu)合理化和產(chǎn)品燃料潔凈化的同時，也對催化裂化催化劑的篩分質(zhì)量和圓球度等質(zhì)量參數(shù)提出了更加嚴(yán)格的要求。因此，作為催化裂化催化劑的生產(chǎn)企業(yè)在滿足煉化用戶對產(chǎn)品篩分質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，需要不斷改進(jìn)工藝流程，優(yōu)化操作控制條件，逐步改善催化裂化催化劑的篩分集中度和顆粒圓球度，確保催化劑產(chǎn)品內(nèi)、外在質(zhì)量的全面提升。

噴霧干燥過程中，影響催化劑成型的因素有很多，如噴霧壓力、旋轉(zhuǎn)體及噴嘴的結(jié)構(gòu)、其他干燥條件等。本文主要研究通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)體孔結(jié)參數(shù)，達(dá)到改善催化劑篩分質(zhì)量及圓球度的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

噴霧成型的關(guān)鍵在于漿液霧化，液滴霧化的大小和均勻程度對最終產(chǎn)品的性質(zhì)有較大影響。如果霧滴大小不均勻，就會出現(xiàn)大顆粒未干燥而小顆粒已過度干燥的現(xiàn)象；如果霧滴太大或太小，都會使產(chǎn)品粒度分布不合格。因此，霧化器是噴霧成型的關(guān)鍵設(shè)備，目前，工業(yè)生產(chǎn)中使用最普遍的是壓力式霧化器。

壓力式霧化器主要由旋轉(zhuǎn)體、旋轉(zhuǎn)室和噴嘴組成，高壓泵使液體獲得很高的壓力，從旋轉(zhuǎn)體切線入口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室中，液體在旋轉(zhuǎn)室獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在噴嘴中央形成一股壓力等于大氣壓的空氣旋流，而液體則形成繞空氣心旋轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜，從噴嘴噴出，液膜伸長變薄，最后分裂成小液滴。液滴分散在噴霧干燥塔內(nèi)的熱空氣中，使水分迅速蒸發(fā)，脫水成型，形成符合粒度分布的微球[1]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

保持噴霧條件、噴嘴尺寸等條件不變，通過改變旋轉(zhuǎn)體的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)研究其對催化劑成型過程的影響。

圖1 霧化器內(nèi)液體運(yùn)動示意圖

如圖1旋轉(zhuǎn)體縱切面，α角為旋轉(zhuǎn)體切線孔與旋轉(zhuǎn)體水平面的夾角，俯瞰圖中β角為旋轉(zhuǎn)體切線孔與旋轉(zhuǎn)室切線的夾角，d為旋轉(zhuǎn)體的切線孔直徑,L為旋轉(zhuǎn)體切線孔對孔的距離，選取(α，β，d，L)組合為旋轉(zhuǎn)體Ⅰ，選取(α，β，d+R，L)組合為旋轉(zhuǎn)體Ⅱ，選取旋轉(zhuǎn)體(α+A，β，d，L)組合為旋轉(zhuǎn)體Ⅲ，選取(α，β+B，d，L)組合為旋轉(zhuǎn)體Ⅳ。

分別使用旋轉(zhuǎn)體Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ進(jìn)行噴霧生產(chǎn)，用激光粒度儀分析其篩分組成，用電子掃描電鏡分析其形貌、圓球度。

2 結(jié)果與討論

2.1 旋轉(zhuǎn)體切線孔直孔徑對產(chǎn)品成型過程的影響

表1 使用不同旋轉(zhuǎn)體噴霧的產(chǎn)品篩分?jǐn)?shù)據(jù)匯總

如表1數(shù)據(jù)所示，使用旋轉(zhuǎn)體Ⅱ(α，β，d+R，L)進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)時，產(chǎn)品篩分?jǐn)?shù)據(jù)相比旋轉(zhuǎn)體Ⅰ(α，β，d，L)，0～149μm催化劑顆粒分布減少，篩分集中度變差，平均粒徑增大。

分析其原因，其他噴霧條件保持不變情況下，旋轉(zhuǎn)體切線孔直徑d越大，進(jìn)料率增加，旋轉(zhuǎn)室內(nèi)液膜變厚，液膜經(jīng)噴嘴噴出，分裂成的液滴尺徑變大，平均粒徑變大，同時，旋轉(zhuǎn)體切線孔直徑越大，旋轉(zhuǎn)室內(nèi)漿液的切線速度就越小，霧錐角θ(如圖2)也就越小，篩分集中度變差。因此，適當(dāng)降低旋轉(zhuǎn)體的切線孔直徑，有利于提高篩分集中度，且平均粒徑會減小。

圖2 噴霧霧錐示意圖

2.2 旋轉(zhuǎn)體孔角度對催化劑成型過程的影響

表2 使用不同旋轉(zhuǎn)體噴霧的產(chǎn)品篩分?jǐn)?shù)據(jù)匯總

使用旋轉(zhuǎn)體Ⅲ進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)時，產(chǎn)品篩分?jǐn)?shù)據(jù)相比旋轉(zhuǎn)體Ⅰ，0～149μm的催化劑顆粒分布增加，篩分集中度較好，平均粒徑變小。分析其原因，如圖1所示，物料以相同的速度進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室，旋轉(zhuǎn)體Ⅲα角比旋轉(zhuǎn)體Ⅰ大，經(jīng)旋轉(zhuǎn)體Ⅲ進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室，旋轉(zhuǎn)室內(nèi)切線速度越大，液體旋轉(zhuǎn)越快，產(chǎn)生的霧錐霧化角θ(如圖2)越大，霧錐角度越大，霧錐錐底的橫斷面就越大[2]，越有利于液滴的分散，液滴分散越好，篩分集中度較好，平均粒徑變小。

使用旋轉(zhuǎn)體Ⅳ進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)時，產(chǎn)品篩分?jǐn)?shù)據(jù)相比旋轉(zhuǎn)體Ⅰ，篩分集中度較好，平均粒徑變小。旋轉(zhuǎn)體Ⅳβ角比旋轉(zhuǎn)體Ⅰ大，經(jīng)旋轉(zhuǎn)體Ⅲ進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室，旋轉(zhuǎn)室內(nèi)切線速度較大，霧錐角θ越大，同時液滴具有較大能量，液滴分散較好，同時，平均粒徑變小。

3 結(jié)論

本文通過改變旋轉(zhuǎn)體的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了旋轉(zhuǎn)體的孔結(jié)構(gòu)對催化裂化催化劑篩分質(zhì)量和圓球度的影響，結(jié)果表明：

(1)旋轉(zhuǎn)體孔徑小有利于提高催化劑的篩分集中度，使催化劑粗細(xì)顆粒分布更均勻，在催化裂化反應(yīng)時流化效果較好，提高反應(yīng)活性。

(2)旋轉(zhuǎn)體孔與旋轉(zhuǎn)室切線的角度(α，β)越小，液體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室的切向速度越大，噴霧形成的霧錐角也越大，越有利于液滴更好的分散，提高篩分集中度和圓球度，并且催化劑微球表面的凹陷及粘連情況也得到較好的改善，減少了催化劑在催化反應(yīng)時的磨損，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。