喷雾干燥塔的数值模拟

论文摘要

喷雾干燥是采用雾化器将料液分散为雾滴,用干燥介质使雾滴蒸发干燥而获得产品的一种干燥技术。喷雾干燥是复杂的气-液-固多相流热质传递过程,一些定性或经验化结论在喷雾干燥塔的设计及指导实际生产方面起到了较大的作用。但现阶段喷雾干燥过程也存在着粘壁、能耗大等值得分析改进的问题,并且对于干燥塔内气体与雾滴运行情况的了解也十分匮乏。本文建立气流式喷雾干燥塔的实验装置,以奶粉水溶液为原料液、热空气为干燥介质,测定塔内气相速度场和温度场。应用计算流体力学方法,借助商用CFD软件Fluent,建立喷雾干燥过程传递微分方程组,考虑离散相与气流间的耦合作用,采用SIMPLER算法分别求解标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、RSM模型的差分方程,得到各模型的气相速度、温度等流场,并把各模型的气相速度场、温度场与实验测量值相比较,进行定性分析,得到最适合于本文喷雾干燥塔模拟的数学模型。结果表明各模型均可以反映干燥塔内流场的流动趋势,RSM模拟的模拟结果与实验测量值最接近。采用RSM模型对工业喷雾干燥塔底部排风结构进行模拟研究。以喷雾干燥塔排风管上方的锥冒半径、锥冒角度、排风管插入锥冒的深度为考察因素,以颗粒的分离效率与排风压降为指标,采用正交设计法安排试验方案。其模拟结果表明:当锥冒半径1900mm、锥冒角度60度、排风管插入锥冒的深度200mm时塔底排风结构最佳。喷雾干燥过程的数值模拟,可得到塔内气相速度场、温度场、湿度分布、颗粒运动轨迹和颗粒温度变化等参数的收敛解,为探讨干燥塔内流体流动和液滴传热传质特性提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 干燥概述
• 1.2 喷雾干燥技术
• 1.2.1 喷雾干燥研究现状
• 1.3 计算流体动力学概述
• 1.3.1 fluent软件包的简介
• 1.4 计算流体力学在喷雾干燥中的应用
• 1.5 研究的主要内容及意义
• 1.5.1 研究的主要内容
• 1.5.2 研究的意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 喷雾干燥实验内容
• 2.2 喷雾干燥实验流程
• 2.3 主要实验设备
• 2.4 实验物料的热质衡算
• 2.5 实验方法及步骤
• 2.6 实验测量结果
• 第三章 喷雾塔的数值模拟
• 3.1 数值模拟的控制方程
• 3.1.1 质量守恒方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.1.3 能量守恒方程
• 3.1.4 组分质量守恒方程
• 3.2 湍流模型
• 3.2.1 标准k-ε模型
• 3.2.2 Realizable k-ε模型
• 3.2.3 RNG k-ε模型
• 3.2.4 RSM模型
• 3.3 颗粒的运动模型与传热传质模型
• 3.3.1 颗粒的力平衡
• 3.3.2 颗粒的轨迹模型
• 3.3.3 颗粒的传热传质模型
• 3.4 几何模型网格的划分
• 3.5 计算的模拟条件
• 3.5.1 边界条件
• 3.5.2 初始条件
• 3.5.3 假设条件
• 3.6 流场的计算
• 3.6.1 SIMPLE算法
• 3.6.2 SIMPLER算法
• 3.6.3 PISO算法
• 3.7 流场计算停止的条件
• 3.8 本章小结
• 第四章 不同模型的数值模拟结果与分析
• 4.1 塔内气相速度场
• 4.2 塔内温度场的分布
• 4.3 塔内颗粒的运动轨迹
• 4.4 液滴的温度变化
• 4.5 塔内湿度分布
• 4.6 本章小结
• 第五章 数值模拟结果的实验验证
• 5.1 干燥塔内气相速度场分布的对比
• 5.2 干燥塔内温度场分布的对比
• 5.3 本章小结
• 第六章 喷雾干燥塔数值模拟的应用
• 6.1 结构模型
• 6.2 因素与水平的确定
• 6.3 网格划分与边界条件
• 6.4 模拟结果
• 6.4.1 气相流场的结果与分析
• 6.4.2 固相流场的结果与分析
• 6.4.3 压降分析
• 6.4.4 直接分析
• 6.4.5 计算分析
• 6.4.6 综合平衡分析
• 6.5 验证模拟实验
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录