CN107038284A - 多腔回转炉及进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多腔回转炉，结构科学合理，干燥效果佳，耗能少，成本低，效率高，易于实现。在此基础上，本发明提供了一种利用多腔回转炉进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，采用计算流体动力学软件CFX对燃气多腔回转炉内催化剂物料的加热过程及伴随的热量传递过程进行数值计算，一定程度上避免实验或盲目设计导致的高成本和技术风险，对多腔回转炉实际操作条件具有一定的指导意义。

Description

多腔回转炉及进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种加热炉装置及加热炉参数模拟方法，特别是涉及一种回转炉装置及加热炉工作参数模拟方法，应用于催化剂生产制备装置及工艺技术领域。

背景技术

石油和化学工业是当代社会最基本、最大的三大支柱产业之一，它与能源和材料工业关系密切。催化剂在石油和化学工业中有着非常重要的作用。催化剂加热是其生产过程中不可或缺的过程，该过程可以在回转炉中完成。对于燃煤工业炉，我国中小企业一般采用直接燃煤方式为工业炉提供热源。煤的这种燃烧过程存在的主要问题在于助燃空气的增减及分布不能很好适应可燃成分的变化，导致炉温不易控制，炉温分布不均。这也是排烟黑度超标的根本原因。其次，由于煤中含有相当数量的不可燃灰份，在燃烧过程中，有一部分灰份随可燃气体从燃料层飘出，同烟气一起排入大气中，造成烟气尘含量超标。同时，煤粒反应表面积少，燃烧强度低。高负荷运行时，热效率低，而且烟气余热无法通过预热一次助燃空气加以回收，造成能源的浪费。与燃煤及燃油回转炉相比较，燃气回转炉具有操作方便、炉温易于调控、炉子的燃烧效率高、污染物排放低等优点，利用燃气回转炉生产催化剂越来越普遍。

催化剂物料在燃气多腔回转炉中加热时，需要对其温度进行严格控制，如何满足催化剂的温度要求与烟道气进口速度以及多腔回转炉的结构密切相关。中国是能源相对短缺的国家，提高能源利用率和降低能耗，对中国石油化工行业有着重大的现实意义和战略意义。较好的多腔回转炉结构有助于节能。在催化剂物料输送的过程中，多腔回转炉内同时发生有热传导、对流和辐射3种传热方式，当物料达到一定的温度后，发生有挥发分析出和化学反应。这些物理化学反应过程的影响因素众多，相互关联，相关参数不易确定，综合考虑各因素进行系统研究既耗时费力，又不易得到理想的结果。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种多腔回转炉及进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，本发明多腔回转炉结构科学合理，干燥效果佳，耗能少，成本低，效率高，且利用本发明多腔回转炉，在多腔回转炉中进行催化剂颗粒加热的数值模拟，能在一定程度上避免实验或盲目设计导致的高成本和技术风险，对多腔回转炉实际应用和操作条件具有一定的指导意义。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种多腔回转炉，包括燃烧室、回转炉体及支撑台，回转炉体的前端和后端均转动安装于支撑台上，在燃烧室内设置的加热装置的热端能对回转炉体的加热区段进行加热，回转炉体转动安装于燃烧室内，设置于燃烧室外部的回转炉体的前端和后端分别通过支撑辊进行转动支撑，设置于燃烧室外部的回转炉体的前端或后端的外壁固定安装连接外齿圈，在支撑台上固定设置驱动电机，驱动电机通过齿轮传动机构驱动外齿圈，进而驱动回转炉体进行旋转，在回转炉体的内腔中还固装有至少三个导热板，各导热板均沿着回转炉体的轴线进行延伸安装设置，各导热板的内沿一侧固定连接在一起形成与回转炉体的轴线平行的共用中心轴，导热板的前后两端分别设置于回转炉体的前端和后端位置处，各导热板的外沿一侧均固定连接在回转炉体的内壁上，将回转炉体的内腔分成沿轴线方向并行的至少三个管道腔，使回转炉体内腔被分隔，从而形成管道腔束筒体，在各不同的管道腔中的回转炉体内壁上分别固定设置抄板，各抄板也分别沿着回转炉体的轴线进行延伸设置，使抄板按照设定的间隔距离分布设置于回转炉体内壁上，在回转炉体进行转动工作时，抄板能将装入到各管道腔的物料抄起，使物料进行均匀混合。

作为本发明的优选的技术方案，在燃烧室的外壁上或者燃烧室的外壁外部设有绝热材料层，使绝热材料层对应设置于回转炉体的加热区段的两端位置处，通过在绝热材料层的筒形内壁上设置动密封结构，在驱动回转炉体进行转动时对燃烧室进行动密封。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，各导热板为将回转炉体的内腔均匀等分，各导热板均采用长条形平板，任意相邻的两个导热板之间的夹角相等。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，回转炉体倾斜安装，使回转炉体的相对于水平面的坡度倾斜角度不大于5°。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，设置于回转炉体的前端和后端的支撑辊进行对称安装设置，设置于回转炉体的前端和后端的支撑辊的数量相同，设置于回转炉体的前端和后端的对应的支撑辊在回转炉体周向的设置位置相同。

一种在本发明多腔回转炉中进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，包括如下步骤：

Ⅰ.构造多腔回转炉的三维几何数值模型：

使用三维绘图软件绘制多腔回转炉的三维几何模型图，设定回转炉体的长度、内径、外径以及倾角的数值，以设定转速使回转炉体绕中心轴旋转，设置导热板厚度和相邻的导热板的夹角数值，作为输入数据输入到多腔回转炉的三维几何数值模型中，建立多腔回转炉实验模型的实体三维数值模型；

Ⅱ.建立多腔回转炉的有限元模型并进行求解，具体方法如下：

A.设定数值模拟的假设条件；

a)不考虑物料受热时水分的蒸发；

b)忽略加热过程中发生的化学反应；

c)忽略物料间夹杂的空气；

d)催化剂固体物料当作流体处理；

e)忽略筒体的转动效应；

B.将装入回转炉体内腔的各分隔腔室内的催化剂物料当作流体，其连续性方程、运动方程和能量方程与空气流体一致，其中，

催化剂物料的运动连续性方程为：

催化剂物料的运动方程为：

催化剂物料的运动能量方程为：

在式(1-1)～(1-3)中：ρ为流体密度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；U为流体速度，单位为m/s；p为流体压力，单位为Pa；τ为应力张量，单位为Pa；h为焓，单位为J/kg；λ为热传导系数，单位为W/(m*K)；T为温度，单位为K；

多腔回转炉的回转炉体的壳体内部发生热传导过程，其传热方程为：

C.采用离散传递辐射模型，忽略热射线的散射效果，得出传递辐射模型方程为：

在式(1-5)中，I_v为光谱辐射强度，单位为W/(m³*sr)；r为位置矢量，单位为m；S为光谱投射方向；K_av为光谱吸收系数，单位为m^-1；I_b为黑体辐射强度，单位为W/(m³*sr)；v为频率，单位为Hz；T为温度，单位为K；

D.在ANSYS Workbench的CFX中，导入在步骤Ⅰ中建立多腔回转炉实验模型的实体三维数值模型，在步骤A、B、C的假设及计算方法的基础上，建立设定的计算域，并预测装入回转炉体内腔的各分隔腔室内的催化剂物料在加热的高温段的驻留时间，设置各项参数，模拟计算出回转炉体内物料、空气和回转炉体的筒体的轴向温度分布及炉内热量分配，得到数值模拟结果；

E.构建多腔回转炉实验模型，并将在步骤D的得到数值模拟结果与实验结果进行对比分析，验证数值模拟方法的适用性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明多腔回转炉结构设计科学合理，通过在回转炉内安装导热板，不仅增加物料在旋转干燥时的接触面积，而且还因导热板传导了炉内的温度，使物料的干燥更加充分，减少了耗能，平均一吨产品就能比之前减少一半的生产成本；

2.本发明多腔回转炉的抄板在回转炉工作时，用于把物料抄起，起到均匀混合物料的目的，干燥效果佳、耗能少、成本低、效率高、易于实现的优点，是一种具有较高创新性的高效回转炉；

3.本发明采用了一种多腔回转炉中催化剂颗粒加热的数值模拟方法，采用计算流体动力学软件CFX，对燃气多腔回转炉内催化剂物料的加热过程及伴随的热量传递过程进行数值计算，一定程度上避免实验或盲目设计导致的高成本和技术风险，对多腔回转炉实际操作条件具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例一多腔回转炉的整体结构示意图。

图2为本发明实施例一多腔回转炉的整体侧立面结构示意图。

图3为本发明实施例一多腔回转炉的前端面结构示意图。

图4为本发明实施例一多腔回转炉的实验三维模型结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～4，一种多腔回转炉，包括燃烧室、回转炉体2及支撑台5，回转炉体2的前端和后端均转动安装于支撑台5上，在燃烧室内设置的加热装置9的热端能对回转炉体2的加热区段进行加热，回转炉体2转动安装于燃烧室内，设置于燃烧室外部的回转炉体2的前端和后端分别通过支撑辊4进行转动支撑，设置于燃烧室外部的回转炉体2的前端外壁固定安装连接外齿圈6，在支撑台5上固定设置驱动电机7，驱动电机7通过齿轮传动机构驱动外齿圈6，进而驱动回转炉体2进行旋转，在回转炉体2的内腔中还固装有三个导热板3，各导热板3均沿着回转炉体2的轴线进行延伸安装设置，各导热板3的内沿一侧固定连接在一起形成与回转炉体2的轴线平行的共用中心轴，导热板3的前后两端分别设置于回转炉体2的前端和后端位置处，各导热板3的外沿一侧均固定连接在回转炉体2的内壁上，将回转炉体2的内腔分成沿轴线方向并行的三个管道腔，使回转炉体2内腔被分隔，从而形成管道腔束筒体，在各不同的管道腔中的回转炉体2内壁上分别固定设置抄板1，各抄板1也分别沿着回转炉体2的轴线进行延伸设置，使抄板1按照设定的间隔距离分布设置于回转炉体2内壁上，在回转炉体2进行转动工作时，抄板1能将装入到各管道腔的物料抄起，使物料进行均匀混合。本实施例回转炉体2实体模型长5.3m，内径0.252m，外径0.268m，倾角5°，以0.7r/min的转速绕中心轴旋转，导热板3厚为0.006m，相邻的导热板3的夹角为120°。本实施例在回转炉体2固装有3个导热板3，导热板3将回转炉体2内腔均匀分成三等份，导热板3的外沿与回转炉体2内壁固装，回转炉体2的内部还固定安装有3个抄板1，抄板1均匀分布在回转炉体2的内壁表面上，结构简单。本实施例多腔回转炉结构科学合理，干燥效果佳，耗能少，成本低，效率高。

在本实施例中，参见图1～4，在燃烧室的外壁上设有绝热材料层8，使绝热材料层8对应设置于回转炉体2的加热区段的两端位置处，通过在绝热材料层8的筒形内壁上设置动密封结构，在驱动回转炉体2进行转动时对燃烧室进行动密封。

在本实施例中，参见图1、图3和图4，各导热板3为将回转炉体2的内腔均匀等分，各导热板3均采用长条形平板，任意相邻的两个导热板3之间的夹角皆为120°；使回转炉体2的相对于水平面的坡度倾斜角度为5°。

在本实施例中，参见图1～4，设置于回转炉体2的前端和后端的支撑辊4进行对称安装设置，设置于回转炉体2的前端和后端的支撑辊4的数量相同，设置于回转炉体2的前端和后端的对应的支撑辊4在回转炉体2周向的设置位置相同。

在本实施例中，参见图1～4，本实施例的多腔回转炉的回转炉体2的两侧均对称安装有支撑辊4，回转炉体2通过支撑辊4转动安装于燃烧室内，回转炉体2的前端外壁固装有外齿圈6，驱动电机7通过齿轮传动机构驱动外齿圈6进而驱动回转炉体2旋转，本实施例中的导热板3为3个；回转炉体2的内部还固定安装有三个抄板1，抄板1均匀分布在回转炉体2的内部，抄板1沿回转炉体2的轴线方向设置在回转炉炉体1的内壁上，抄板1的形状为长条形，且抄板1的数量为3个。

参见图1～4，一种在本实施例多腔回转炉中进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，包括如下步骤：

Ⅰ.构造多腔回转炉的三维几何数值模型：

多腔回转炉实验模型的主要由筒体、空气和催化剂物料三部分组成，根据本实施例多腔回转炉实验模型结构示意图，如图4所示，使用三维绘图软件绘制多腔回转炉的三维几何模型图，设定回转炉体2的长度、内径、外径以及倾角的数值，以设定转速使回转炉体2绕中心轴旋转，设置导热板3厚度和相邻的导热板3的夹角数值，作为输入数据输入到多腔回转炉的三维几何数值模型中，建立多腔回转炉实验模型的实体三维数值模型；输入数据参数为：回转炉体2实体模型长5.3m，内径0.252m，外径0.268m，倾角5°，以0.7r/min的转速绕中心轴旋转，导热板3厚0.006m，相邻的导热板3的夹角为120°；回转炉体2的中间加热区段的外壁面被电加热器包围，电加热器两侧是保温材料，形成绝热材料层8，使回转炉体2的中间加热区段维持1118K恒温；回转炉体2的其余外壁面直接暴露在外部环境中；在多腔回转炉实验模型的实体模型中，并没有包含电加热器和绝缘材料实体模型，因为在施加边界条件时前者用恒温壁面代替，后者用绝热壁面代替，进而简化计算模型，且对计算结果几乎没有影响；

Ⅱ.建立多腔回转炉的有限元模型并进行求解，具体方法如下：

A.设定数值模拟的假设条件：催化剂物料在多腔回转炉中运动情况复杂，且考虑炉内的传热过程，采用数值模拟方法完全再现物料的运动和传热过程比较困难，也不易得到理想结果。因此，在本实施例中的催化剂物料在多腔回转炉中加热过程的数值模拟主要基于以下假设：

a)不考虑物料受热时水分的蒸发，理由是：

由于催化剂物料在多腔回转炉中进行的加热过程处在其他干燥设备进行干燥过程之后，此时物料含水量不及1％，故不考虑物料受热时水分的蒸发；

b)忽略加热过程中发生的化学反应，理由是：

当催化剂物料温度高于1073K时，内部会发生一系列复杂的吸热化学反应，但与物料和空气吸收的能量相比，化学反应产生的能量非常小，故忽略加热过程中发生的化学反应；

c)忽略物料间夹杂的空气，理由是：

物料充分混合，物料层高度保持不变，忽略物料间夹杂空气；

d)催化剂固体物料当作流体处理；

e)忽略筒体的转动效应，理由是：

由于多腔回转炉转速较低，物料几乎始终位于每个腔的最低处，且回转炉筒体的热传导系数较高，故忽略筒体的转动效应；

B.将装入回转炉体2内腔的各分隔腔室内的催化剂物料当作流体，其连续性方程、运动方程和能量方程与空气流体一致，其中，

催化剂物料的运动连续性方程为：

催化剂物料的运动方程为：

催化剂物料的运动能量方程为：

在式(1-1)～(1-3)中：ρ为流体密度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；U为流体速度，单位为m/s；p为流体压力，单位为Pa；τ为应力张量，单位为Pa；h为焓，单位为J/kg；λ为热传导系数，单位为W/(m*K)；T为温度，单位为K；

多腔回转炉的回转炉体2的壳体内部发生热传导过程，其传热方程为：

C.采用离散传递辐射模型，忽略热射线的散射效果，得出传递辐射模型方程为：

在式(1-5)中，I_v为光谱辐射强度，单位为W/(m³*sr)；r为位置矢量，单位为m；S为光谱投射方向；K_av为光谱吸收系数，单位为m^-1；I_b为黑体辐射强度，单位为W/(m³*sr)；v为频率，单位为Hz；T为温度，单位为K；

D.在ANSYS Workbench的CFX中，导入在步骤Ⅰ中建立多腔回转炉实验模型的实体三维数值模型，在步骤A、B、C的假设及计算方法的基础上，建立设定的计算域，并预测装入回转炉体2内腔的各分隔腔室内的催化剂物料在加热的高温段的驻留时间，设置各项参数，模拟计算出回转炉体2内物料、空气和回转炉体2的筒体的轴向温度分布及炉内热量分配，得到数值模拟结果；

E.构建多腔回转炉实验模型，并将在步骤D的得到数值模拟结果与实验结果进行对比分析，验证数值模拟方法的适用性。

本实施例多腔回转炉结构科学合理，干燥效果佳，耗能少，成本低，效率高，易于实现。在多腔回转炉基础上进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，采用计算流体动力学软件CFX，对燃气多腔回转炉内催化剂物料的加热过程及伴随的热量传递过程进行数值计算，一定程度上避免实验或盲目设计导致的高成本和技术风险，对多腔回转炉实际操作条件具有一定的指导意义。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，导热板3的数量采用4片，任意相邻的两个导热板3之间的夹角皆为90°，且将回转炉体2内腔均匀分成4等份；且抄板1的数量为4个。在本实施例多腔回转炉基础上进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，采用计算流体动力学软件CFX，对燃气多腔回转炉内催化剂物料的加热过程及伴随的热量传递过程进行数值计算，也在一定程度上避免实验或盲目设计导致的高成本和技术风险，对多腔回转炉实际操作条件具有一定的指导意义。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明多腔回转炉及进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多腔回转炉，包括燃烧室、回转炉体(2)及支撑台(5)，所述回转炉体(2)的前端和后端均转动安装于所述支撑台(5)上，在所述燃烧室内设置的加热装置(9)的热端能对回转炉体(2)的加热区段进行加热，其特征在于：所述回转炉体(2)转动安装于所述燃烧室内，设置于燃烧室外部的所述回转炉体(2)的前端和后端分别通过支撑辊(4)进行转动支撑，设置于燃烧室外部的所述回转炉体(2)的前端或后端的外壁固定安装连接外齿圈(6)，在所述支撑台(5)上固定设置驱动电机(7)，所述驱动电机(7)通过齿轮传动机构驱动所述外齿圈(6)，进而驱动所述回转炉体(2)进行旋转，在所述回转炉体(2)的内腔中还固装有至少三个导热板(3)，各所述导热板(3)均沿着所述回转炉体(2)的轴线进行延伸安装设置，各所述导热板(3)的内沿一侧固定连接在一起形成与所述回转炉体(2)的轴线平行的共用中心轴，所述导热板(3)的前后两端分别设置于所述回转炉体(2)的前端和后端位置处，各所述导热板(3)的外沿一侧均固定连接在所述回转炉体(2)的内壁上，将所述回转炉体(2)的内腔分成沿轴线方向并行的至少三个管道腔，使所述回转炉体(2)内腔被分隔，从而形成管道腔束筒体，在各不同的管道腔中的所述回转炉体(2)内壁上分别固定设置抄板(1)，各所述抄板(1)也分别沿着所述回转炉体(2)的轴线进行延伸设置，使所述抄板(1)按照设定的间隔距离分布设置于所述回转炉体(2)内壁上，在所述回转炉体(2)进行转动工作时，所述抄板(1)能将装入到各所述管道腔的物料抄起，使物料进行均匀混合。

2.根据权利要求1所述多腔回转炉，其特征在于：在燃烧室的外壁上或者燃烧室的外壁外部设有绝热材料层(8)，使所述绝热材料层(8)对应设置于所述回转炉体(2)的加热区段的两端位置处，通过在绝热材料层(8)的筒形内壁上设置动密封结构，在驱动所述回转炉体(2)进行转动时对燃烧室进行动密封。

3.根据权利要求1或2所述多腔回转炉，其特征在于：各所述导热板(3)为将所述回转炉体(2)的内腔均匀等分，各所述导热板(3)均采用长条形平板，任意相邻的两个所述导热板(3)之间的夹角相等。

4.根据权利要求1或2所述多腔回转炉，其特征在于：所述回转炉体(2)倾斜安装，使所述回转炉体(2)的相对于水平面的坡度倾斜角度不大于5°。

5.根据权利要求1或2所述多腔回转炉，其特征在于：设置于所述回转炉体(2)的前端和后端的支撑辊(4)进行对称安装设置，设置于所述回转炉体(2)的前端和后端的支撑辊(4)的数量相同，设置于所述回转炉体(2)的前端和后端的对应的支撑辊(4)在所述回转炉体(2)周向的设置位置相同。

6.一种在权利要求1所述多腔回转炉中进行催化剂颗粒加热的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

Ⅰ.构造多腔回转炉的三维几何数值模型：

使用三维绘图软件绘制多腔回转炉的三维几何模型图，设定回转炉体(2)的长度、内径、外径以及倾角的数值，以设定转速使回转炉体(2)绕中心轴旋转，设置导热板(3)厚度和相邻的导热板(3)的夹角数值，作为输入数据输入到多腔回转炉的三维几何数值模型中，建立多腔回转炉实验模型的实体三维数值模型；

Ⅱ.建立多腔回转炉的有限元模型并进行求解，具体方法如下：

A.设定数值模拟的假设条件；

a)不考虑物料受热时水分的蒸发；

b)忽略加热过程中发生的化学反应；

c)忽略物料间夹杂的空气；

d)催化剂固体物料当作流体处理；

e)忽略筒体的转动效应；

B.将装入回转炉体(2)内腔的各分隔腔室内的催化剂物料当作流体，其连续性方程、运动方程和能量方程与空气流体一致，其中，

催化剂物料的运动连续性方程为：

催化剂物料的运动方程为：

催化剂物料的运动能量方程为：

在式(1-1)～(1-3)中：ρ为流体密度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；U为流体速度，单位为m/s；p为流体压力，单位为Pa；τ为应力张量，单位为Pa；h为焓，单位为J/kg；λ为热传导系数，单位为W/(m*K)；T为温度，单位为K；

多腔回转炉的回转炉体(2)的壳体内部发生热传导过程，其传热方程为：

C.采用离散传递辐射模型，忽略热射线的散射效果，得出传递辐射模型方程为：

在式(1-5)中，I_v为光谱辐射强度，单位为W/(m³*sr)；r为位置矢量，单位为m；s为光谱投射方向；K_av为光谱吸收系数，单位为m^-1；I_b为黑体辐射强度，单位为W/(m³*sr)；v为频率，单位为Hz；T为温度，单位为K；

D.在ANSYS Workbench的CFX中，导入在所述步骤Ⅰ中建立多腔回转炉实验模型的实体三维数值模型，在所述步骤A、B、C的假设及计算方法的基础上，建立设定的计算域，并预测装入回转炉体(2)内腔的各分隔腔室内的催化剂物料在加热的高温段的驻留时间，设置各项参数，模拟计算出回转炉体(2)内物料、空气和回转炉体(2)的筒体的轴向温度分布及炉内热量分配，得到数值模拟结果；

E.构建多腔回转炉实验模型，并将在步骤D的得到数值模拟结果与实验结果进行对比分析，验证数值模拟方法的适用性。