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喷雾干燥耦合流场数值模拟与实验研究

喷雾干燥耦合流场数值模拟与实验研究

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作者：刘楠大连理工大学

学位级别：硕士

在众多的干燥技术中,喷雾干燥凭借干燥速率快,品控好的优点在化工、医药、食品等工业领域中应用广泛。喷雾干燥设备流程简单,但干燥塔内部流场十分复杂。流场内为多相湍流流动,而且干燥介质与液滴间还存在质热传递。实验研究中测量塔内... 详细信息

在众多的干燥技术中,喷雾干燥凭借干燥速率快,品控好的优点在化工、医药、食品等工业领域中应用广泛。喷雾干燥设备流程简单,但干燥塔内部流场十分复杂。流场内为多相湍流流动,而且干燥介质与液滴间还存在质热传递。实验研究中测量塔内微观物理量需要投入大量的时间和资金,而且对于人们较为关心的颗粒运动轨迹、颗粒的干燥过程很难进行准确的观测。将计算流体力学（CFD）引入喷雾干燥过程的研究中,可以使人们对计算域物理场、液滴的运动和干燥过程有更加直观的理解分析。因此本研究在构建实验室ZLG-5型中试喷雾干燥系统物理模型的基础上,应用理论分析、实验研究和数值模拟的方法,深入研究喷雾干燥塔内部流动特点,并进一步探究流场影响因素。本文在实验和数值仿真方面探究了喷雾干燥塔内流域特性。在实验方面,选取了山梨酸钾溶液为原料液进行了喷雾干燥实验。实验过程中选取了合适的实验操作条件,并选取塔内特征点进行了温度的测量,对塔内温度分布趋势进行分析。可以得到在干燥塔中心轴线上温度梯度较大。低温区出现在雾化盘周围,即料液刚进入流场的区域。塔内大部分区域接近排风温度。喷雾干燥所得产品含水率为0.85%,干燥效果良好,符合储存条件。在数值仿真方面,根据干燥实验设备,应用ICEM CFD构建了喷雾干燥塔的物理模型,并进行网格划分。在对干燥塔内流场特性基本认识的基础上,建立了液滴在干燥过程中的运动和传热传质模型。模拟中采用离散相模型（DPM）对液滴/颗粒受力和运动进行描述,采用RNG k-ε湍流模型描述连续相。通过CFD技术,实现了三维离心式喷雾干燥塔的数值仿真计算。模拟预测特征点温度与实验测温值吻合良好,最大绝对误差为2.76%,验证了模拟结果的准确性和可靠性。进一步分析干燥塔内水蒸气含量情况发现其分布与温度呈现相反趋势。热风由环形进风口进入干燥塔,之后沿轴线垂直方向旋流向下运动。同时还可以观察到在圆筒与锥部连接处出现较大的漩涡区,其他区域也存在一些小型漩涡。液滴在塔内运动呈现随机性。进一步分析液滴干燥过程,可以得到每一个液滴的干燥过程呈现独立性。液滴吸收热风提供的热量后受热蒸发内部水分,液滴直径减小至定值。雾化后的液滴直径并不均一,直径较大的液滴所需干燥时间更长。最后,本文对喷雾干燥过程的影响因素进行了探讨。模拟预测了不同进风温度、进风角度和雾化盘转速对喷雾干燥过程的影响,有利于更好地了解喷雾干燥过程。

关键词：喷雾干燥传热传质 CFD模拟 DPM模型离心式雾化盘

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