旋转体孔结构对催化剂成型过程的影响

郭红起,杨 凌，尹 喆

(中国石化催化剂有限公司齐鲁分公司,山东 淄博 255300)

催化裂化(FCC)催化剂是粗细不均的颗粒混合体，细颗粒与粗颗粒相互夹杂可以起到润滑的作用，有利于流化，但是细颗粒过多或者粗细分布不集中反而会降低催化剂的流化性能，同时，会造成炼化装置催化剂消耗量的上升，增加污染物的排放，从而影响生产生活环境。圆球度及表面平整性不好，会加剧催化剂颗粒在催化反应过程中的磨损，降低催化剂的耐磨性能，导致催化剂的跑损，造成污染。因此，石油炼制企业为更好的承担自身的社会责任，持续进行装置结构合理化和产品燃料洁净化的同时，也对催化裂化催化剂的筛分质量和圆球度等质量参数提出了更加严格的要求。因此，作为催化裂化催化剂的生产企业在满足炼化用户对产品筛分质量要求的基础上，需要不断改进工艺流程，优化操作控制条件，逐步改善催化裂化催化剂的筛分集中度和颗粒圆球度，确保催化剂产品内、外在质量的全面提升。

喷雾干燥过程中，影响催化剂成型的因素有很多，如喷雾压力、旋转体及喷嘴的结构、其他干燥条件等。本文主要研究通过优化旋转体孔结参数，达到改善催化剂筛分质量及圆球度的目的。

1 实验部分

1.1 实验原理

喷雾成型的关键在于浆液雾化，液滴雾化的大小和均匀程度对最终产品的性质有较大影响。如果雾滴大小不均匀，就会出现大颗粒未干燥而小颗粒已过度干燥的现象；如果雾滴太大或太小，都会使产品粒度分布不合格。因此，雾化器是喷雾成型的关键设备，目前，工业生产中使用最普遍的是压力式雾化器。

压力式雾化器主要由旋转体、旋转室和喷嘴组成，高压泵使液体获得很高的压力，从旋转体切线入口进入旋转室中，液体在旋转室获得旋转运动，在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体则形成绕空气心旋转的环形薄膜，从喷嘴喷出，液膜伸长变薄，最后分裂成小液滴。液滴分散在喷雾干燥塔内的热空气中，使水分迅速蒸发，脱水成型，形成符合粒度分布的微球[1]。

1.2 实验方法

保持喷雾条件、喷嘴尺寸等条件不变，通过改变旋转体的孔结构参数研究其对催化剂成型过程的影响。

图1 雾化器内液体运动示意图

如图1旋转体纵切面，α角为旋转体切线孔与旋转体水平面的夹角，俯瞰图中β角为旋转体切线孔与旋转室切线的夹角，d为旋转体的切线孔直径,L为旋转体切线孔对孔的距离，选取(α，β，d，L)组合为旋转体Ⅰ，选取(α，β，d+R，L)组合为旋转体Ⅱ，选取旋转体(α+A，β，d，L)组合为旋转体Ⅲ，选取(α，β+B，d，L)组合为旋转体Ⅳ。

分别使用旋转体Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ进行喷雾生产，用激光粒度仪分析其筛分组成，用电子扫描电镜分析其形貌、圆球度。

2 结果与讨论

2.1 旋转体切线孔直孔径对产品成型过程的影响

表1 使用不同旋转体喷雾的产品筛分数据汇总

如表1数据所示，使用旋转体Ⅱ(α，β，d+R，L)进行喷雾实验时，产品筛分数据相比旋转体Ⅰ(α，β，d，L)，0～149μm催化剂颗粒分布减少，筛分集中度变差，平均粒径增大。

分析其原因，其他喷雾条件保持不变情况下，旋转体切线孔直径d越大，进料率增加，旋转室内液膜变厚，液膜经喷嘴喷出，分裂成的液滴尺径变大，平均粒径变大，同时，旋转体切线孔直径越大，旋转室内浆液的切线速度就越小，雾锥角θ(如图2)也就越小，筛分集中度变差。因此，适当降低旋转体的切线孔直径，有利于提高筛分集中度，且平均粒径会减小。

图2 喷雾雾锥示意图

2.2 旋转体孔角度对催化剂成型过程的影响

表2 使用不同旋转体喷雾的产品筛分数据汇总

使用旋转体Ⅲ进行喷雾实验时，产品筛分数据相比旋转体Ⅰ，0～149μm的催化剂颗粒分布增加，筛分集中度较好，平均粒径变小。分析其原因，如图1所示，物料以相同的速度进入旋转室，旋转体Ⅲα角比旋转体Ⅰ大，经旋转体Ⅲ进入旋转室，旋转室内切线速度越大，液体旋转越快，产生的雾锥雾化角θ(如图2)越大，雾锥角度越大，雾锥锥底的横断面就越大[2]，越有利于液滴的分散，液滴分散越好，筛分集中度较好，平均粒径变小。

使用旋转体Ⅳ进行喷雾实验时，产品筛分数据相比旋转体Ⅰ，筛分集中度较好，平均粒径变小。旋转体Ⅳβ角比旋转体Ⅰ大，经旋转体Ⅲ进入旋转室，旋转室内切线速度较大，雾锥角θ越大，同时液滴具有较大能量，液滴分散较好，同时，平均粒径变小。

3 结论

本文通过改变旋转体的孔结构参数，研究了旋转体的孔结构对催化裂化催化剂筛分质量和圆球度的影响，结果表明：

(1)旋转体孔径小有利于提高催化剂的筛分集中度，使催化剂粗细颗粒分布更均匀，在催化裂化反应时流化效果较好，提高反应活性。

(2)旋转体孔与旋转室切线的角度(α，β)越小，液体进入旋转室的切向速度越大，喷雾形成的雾锥角也越大，越有利于液滴更好的分散，提高筛分集中度和圆球度，并且催化剂微球表面的凹陷及粘连情况也得到较好的改善，减少了催化剂在催化反应时的磨损，减少环境污染，实现清洁生产。