单喷嘴混流压力式喷雾干燥塔的三维数值模拟研究
时间：2020-03-18 05:13:26 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：随着喷雾干燥粉设备在陶瓷行业中广泛推广应用，人们对喷雾干燥工艺的研究也越来越重视，喷雾干燥器的结构较为简单，但是应用到的传热传质等理论却非常复杂，因此从结构上对其进行分析和设计也面临很大困难。本文基于两相流和传热传质理论，借助FLUENT软件对PD100型单喷嘴混流压力式喷雾干燥器进行三维数值模拟，并在此基础上对塔内雾化液滴粒径及其分布、塔内温度场和速度场进行仿真，以期能够为单喷嘴混流压力式喷雾干燥塔的优化设计提供必要的理论指导。
关键词：两相流；喷雾干燥；单喷嘴混流；三维数值模拟
喷雾干燥设备是一种现代干燥新技术之一，通过机械作用将固液混合的浆状物料分散成雾状液滴，其目的在于增大水分蒸发面积来加速干燥过程，最终将物料中的固体物质干燥成粉末。喷雾干燥技术的广泛应用，极大地简化了传统干燥方法的生产流程，而且能够在极短时间内完成干燥，热效率也得到了很大提高，具有孙坚干燥、物料本身不必承受高温、生活过程简单、公害污染少等优点，其在陶瓷行业原料生产中起到的作用瑟吉欧其他工作难以取代的，对其进行三维数值模拟研究，有着重要的现实理论指导意义。
一、喷雾干燥FLUENT数值模拟理论概述
（一）两相流理论分析
两相流是一种较为复杂的物理现象，喷雾干燥塔内部流场就属于两相流流动，目前常用于描述两相流的方法有欧拉法和拉格朗日法，前者着眼于空间的点，主要是对空间一点上的物理量及其变化进行考察；后者着眼于流体的质点，主要是对流体质点的运动全过程进行跟踪[1]。FLUENT在欧拉法中会被不同的相处理成相互贯穿的连续介质，由此构成的两相流模型有三种，即VOF模型、双流体模型和混合模型。VOF模型所在的欧拉网格是固定的，但能够对互不相融流体间交界面进行跟踪，多通过求解单独的动量方程来对不能混合的液体进行模拟，再有通过对反应器内部气液流动的模拟，可通过求解相的体积分率的连续性方程来对不能混合的液体进行模拟，但是无论哪一种模拟形式，其在应用过程中都存在一定的局限性，如无法形成无流体流动的区域、只能压缩一相流体、难以对混合物料进行模拟、界面速度精度易受到速度差影响等。双流体模型即欧拉-欧拉模型，该模型较为复杂，将分散相和连续相视为连续的一体，要对每一个相都建立动量方程和连续性方程，因需要复杂的封闭方程，难以由基本的原理导出，加之不同情况所考虑的作用力也不同，获取的计算结果也会存在很大差别。混合模型是一种简化的相流模型，可对不同速度的相流进行模拟，可求解多种方程。FLUENT在拉格朗日法中将主体相视为连续相，主体相仍用欧拉法，离散相则利用拉格朗日法，即建立欧拉-拉格朗日模型，主要用于描述喷雾干燥中的两相流模型[2]。
（二）喷雾干燥湍流模型和离散相模型
工程中多数流体流动都是湍流，单喷嘴混流压力式喷雾干燥塔的气流流动是一种比较复杂的湍流流动，通过湍流理论处理，能够提高对实际流动模拟的准确性。喷雾干燥湍流模型中以零方程模型和双方程模型最为常见，前者对于能够用经验确定混合长度的一些切变湍流，能够保证计算结果的准确性，但是无法考虑各点之间的能量输送影响以及历史作用；后者的应用范围较广，可用于平面射流、边界流、管流以及回流流动，目前其对强旋流、重力分层流、浮力流、曲壁边界层流等存在很多缺陷，这也是该模型的不足之处。标准壁面函数法是湍流流动近壁面处采用的主要处理方法，该方法采用较为精细的网格划分，能够有效保证计算精度[3]。因喷雾干燥过程是一个涉及传热传质的两相湍流运动，采用FLUENT进行数值模拟时，长采用离散相模型，即将干燥热空气视为连续相进行处理，同时将雾化后的料液雾滴视为离散相，除液滴轨道数学模型外，喷雾干燥离散相模型还有传热传质模型和压力——旋流雾化喷嘴模型。对于物质的传热传质，FLUENT为其提供了多种关联定律就喷雾干燥而言，主要有液滴加热和冷却、液滴沸腾、液滴蒸发等定律。在喷雾干燥过程中，料液雾化成液滴进入干燥塔后，要经历加热、蒸发、沸腾、冷却等过程，使液滴、干燥介质能够充分接触，通过扩散及对流作用将其输送到空气中，蒸发掉水分，实现干燥，整个过程的热量和质量传递是同时发生的。工业常用雾化喷嘴分别为气流式雾化喷嘴、离心式雾化喷嘴以及压力——旋流雾化喷嘴三种类型，因后者成本较低、结构简单且应用效果较好，因此陶瓷行业多采用该类型，FLUENT能够提供压力——旋流雾化喷嘴，无需对喷嘴进行单独建模[4]。
二、喷雾干燥物理模型的建立及数值模拟结果分析
（一）建立喷雾干燥物理模型
因对喷雾干燥过程进行数值模拟涉及到两相流、传热传质等方面问题，借助FLUENT软件能够简化喷雾干燥塔的实体模型。目前喷雾干燥塔的研究呈现出两大发展趋势，一是超大型化发展，一是小型化发展，现根据PD100型单喷嘴混流压力式喷雾干燥塔结构尺寸进行建模，在此基础上进行三维数值模拟。采用FLUENT软件中自带的压力——旋流雾化喷嘴模型，只需设置喷嘴参数即可，但是该软件本身并不带建模和网格划分功能，应选用兼容性较好的GAMBIT软件辅助完成建模和网格划分。对于离散问题的处理，首先要对连续相进行流体计算，然后再加入离散相，并对其进行计算，为使问题简化，所模拟的干燥塔边界条件中，将进口边界条件设置为速度入口，出口边界条件设置为出流，将无滑移边界条件作为壁面边界条件，速度入口设置分别完成湍流强度和水力半径的计算，离散相Injection参数设置包括喷嘴直径、喷嘴雾化半角、泥浆流量、泥浆温度和喷嘴雾化压力，离散相材料相关参数设置包括密度、比热、导热率、粘度、蒸发潜热、饱和蒸汽压、表面张力和质量扩散系数[5]。
（二）三维数值模拟结果分析
采用FLUENT软件对喷雾干燥进行三维数值模拟要对雾化角、喷嘴直径、雾化压力等喷嘴参数下的雾化效果进行模拟和分析，在干燥塔中不同位置下的温度场和速度场进行，通过实验对模拟结果进行验证。目前生产行业常用的喷嘴雾化角多在80°以上，在此将其设置为50°，更能够满足于陶瓷行业对泥浆雾化的要求，雾化效果更为理想；喷雾干燥塔常用喷嘴孔径为2毫米左右，在此将其设置为4毫米，以避免采用小塔喷雾干燥时单个喷嘴料浆流量增大的问题；喷雾干燥塔常用雾化压力为1.7MPa，为满足陶瓷行业颗粒级配，将其设置为2MPa，调整后对喷嘴的磨损减小，而且还可以降低泥浆泵的功率。通过对两种不同喷嘴位置的温度场特性以及速度矢量场特性的分析，在干燥塔高度确定的情况下，可通过提高喷嘴在塔中的位置来提高干燥塔的热效率，以此确保产品的质量，同时通过适当提高喷嘴在干燥塔中的位置来加大流场速度，还能够增大干燥塔内传热传质速率，从而加快料浆干燥速度。
结论：
综上所述，通过采用FLUENT软件对单喷嘴混流压力式喷雾干燥塔涉及的参数进行设置，并对相关参数与雾化效果关系的分析，在此基础上完成三维数值模拟，实现了对整个喷雾干燥塔实体的简化，并通过不同喷嘴位置对干燥塔内温度场、速度场的影响进一步验证了三维数值模拟的可靠性，该研究的结果对小型喷雾干燥塔的设计具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 肖志锋，乐建波，吴南星.基于CFD-DPM的陶瓷料浆喷雾干燥过程数值模拟[J].硅酸盐通报，2014，17（9）：2186-2190.
[2] 毕龙，刘阿龙，韩坤，等.离心喷雾干燥过程数值模拟[J].天然气化工（C1化学与化工），2011，12（3）：12-16.
[3] 陈翠玲.旋流式干燥塔物理场的数值模拟及其结构优化研究[D].长沙理工大学，2013.
[4] 夏红波.压力式喷雾干燥设备的改进设计[J].石油和化工设备，2012，10（3）：25-27.
[5] 陈翠玲，姜昌伟，童永清，等.旋流式喷雾干燥塔热风环与干燥塔通道均流设计优化研究[J].广东化工，2012，11（2）：163-164.
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