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        硝基胍連續(xù)噴霧干燥數(shù)值模擬研究?

        2021-10-09 12:52:34趙林林郭效德黃珊珊向貴鋒
        爆破器材 2021年5期
        關(guān)鍵詞:模型

        趙林林 郭效德 黃珊珊 向貴鋒

        南京理工大學(xué)國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心(江蘇南京,210094)

        引言

        硝基胍是一種具有優(yōu)越綜合性能的易燃、易爆材料。為保證制造過程安全,硝基胍物料制備工序一般在水中進(jìn)行,然而使用時(shí)又需要足夠干燥。目前,硝基胍干燥設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的落后干燥技術(shù),很難滿足大批量、連續(xù)生產(chǎn)的工藝需求。因此,急需尋求一種新的干燥技術(shù)與裝備[1]。

        噴霧干燥因快速、高效等特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用與研究[2-4]。噴霧干燥是利用霧化器將料液分散為細(xì)小的霧滴,并在熱干燥介質(zhì)中迅速蒸發(fā)溶劑、形成干粉產(chǎn)品的過程。噴霧干燥一般包括4個(gè)階段:料液霧化、霧群與熱干燥介質(zhì)接觸混合、霧滴的蒸發(fā)干燥、干燥產(chǎn)品與干燥介質(zhì)分離[5]。采用噴霧干燥技術(shù)對硝基胍漿料進(jìn)行干燥,改善了落后工藝,滿足了工業(yè)化、連續(xù)性的生產(chǎn)需求[6-7]。

        隨著噴霧干燥技術(shù)在工業(yè)上的不斷應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者加深了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在噴霧干燥領(lǐng)域的研究,并模擬出干燥塔的流場分布、兩相流作用等,為干燥理論研究、塔內(nèi)優(yōu)化分析提供相應(yīng)的理論依據(jù)[8-11]。最近,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)常用于預(yù)測噴霧干燥過程的最優(yōu)工藝參數(shù)、兩相流動(dòng)動(dòng)力學(xué)等,以達(dá)到提高干燥效率、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化工業(yè)設(shè)備的目的[12-14]。

        本文中,采用數(shù)值模擬仿真手段有效地建立物理流體仿真模型,并對塔內(nèi)的速度、溫度和壓力剖面進(jìn)行預(yù)測,形象地再現(xiàn)流體流動(dòng)現(xiàn)象,揭示干燥塔內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、流場分布特性。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)可大幅減少高昂的測量成本,有效節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,為實(shí)驗(yàn)分析、操作優(yōu)化提供指導(dǎo)。

        1 數(shù)值模型的建立[15]

        參考前期預(yù)實(shí)驗(yàn)研究,從保證安全操作、提高工作效率、降低損耗等角度考慮,確定了硝基胍噴霧干燥合適工藝條件:控制硝基胍質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%;熱空氣進(jìn)風(fēng)溫度180℃,出風(fēng)溫度80℃。

        1.1 連續(xù)相控制方程組

        干燥塔內(nèi)的熱空氣滿足連續(xù)流體假設(shè),待干燥物料蒸發(fā)的水分與水蒸氣之間進(jìn)行對流與擴(kuò)散,此過程可以用組分質(zhì)量守恒方程進(jìn)行描述:

        其中,擴(kuò)散通量J可以表示為

        式中:t為時(shí)間,s;ρ為連續(xù)相密度,kg/m3;Y為質(zhì)量分?jǐn)?shù);J為擴(kuò)散通量;S為質(zhì)量源項(xiàng);D為擴(kuò)散系數(shù);T為溫度,K;Dt為時(shí)間t時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)。

        1.2 離散相控制方程組

        離散相控制方程組用于追蹤顆粒在干燥室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。將物料液滴視為離散相,液滴運(yùn)動(dòng)滿足的動(dòng)力學(xué)方程可表示為

        式中:FD為單位質(zhì)量物料液滴的拖曳力;u為連續(xù)相速度,m/s;up為液滴速度,m/s;g為重力加速度,m/s2;ρp為液滴密度,kg/m3;第3項(xiàng)F為其他力,m/s2,包括熱泳力、薩夫曼升力、布朗力等。

        等號右邊第1項(xiàng)為氣體與液滴間的阻力,第2項(xiàng)為重力,第3項(xiàng)為其他力。

        FD拖曳力表達(dá)式

        式中:μ為流體黏度,Pa·s;dp為液滴直徑,m;Re為液滴雷諾數(shù);CD為曳力系數(shù)。

        1.3 顆粒的傳熱傳質(zhì)方程組

        硝基胍物料顆粒受到熱空氣的加熱作用的同時(shí),由于表面水分的蒸發(fā),又會(huì)帶走部分熱量,顆粒的熱平衡滿足如下控制方程:

        式中:mp為液滴質(zhì)量,kg;cp為液滴比熱容,J/(kg·K);Tp為液滴溫度,K;h為對流傳熱系數(shù),W/(m2·K);Ap為液滴表面積,m2;T∞為連續(xù)相溫度,K;dmp/dt為蒸發(fā)速度,kg/s;hf,g為汽化潛熱,J/kg。

        顆粒表面對流換熱滿足Ranz-Marshall模型

        式中:Nu為努塞爾數(shù);k∞為空氣導(dǎo)熱系數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù)。

        顆粒表面水分蒸發(fā)的傳質(zhì)過程滿足如下動(dòng)力學(xué)方程:

        式中:N為蒸汽的摩爾流率通量,kmol/(m2·s);kc為傳質(zhì)系數(shù),m/s;cs為液滴表面蒸氣中硝基胍的濃度,kmol/m3;c∞為氣相主流的蒸汽濃度,kmol/m3。

        傳質(zhì)系數(shù)kc可以根據(jù)舍伍德數(shù)Sh計(jì)算獲得,舍伍德數(shù)根據(jù)如下方程計(jì)算:

        式中:D為蒸汽擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Sc為施密特?cái)?shù),Sc=μ/(ρD)。

        1.4 氣流式噴嘴模型

        在氣流式噴嘴中,物料液滴以液膜或液柱的形式離開噴嘴后與高速氣流相混合,在高速氣體的剪切、摩擦等作用下,液膜被撕扯、拉伸,進(jìn)而破碎成細(xì)小的液滴,從而實(shí)現(xiàn)霧化。隨著氣流與液體速度差異以及液滴顆粒直徑的不同,液膜會(huì)經(jīng)歷多種不同機(jī)制的破碎,如啞鈴形破碎、袋形破碎、傘形破碎等[16]。

        模擬計(jì)算過程中,需要考慮高速氣流對液體的破碎作用,選用經(jīng)典的TAB(Taylor analogy breakup)模型計(jì)算液滴的破碎過程。TAB模型中,假設(shè)相對于標(biāo)準(zhǔn)的球形液滴,氣流中的液滴變形量用x表示,其無量綱形式可表示為

        式中:y為變形率,是無量綱常數(shù);Cb=0.5;r為液滴的半徑。

        無量綱變形量y滿足如下動(dòng)力學(xué)方程:

        式中:σ表示水滴的表面張力,N/m;ρl為液滴密度,kg/m3;μl為水滴的動(dòng)力黏度,kg/(m·s);ρg為氣體密度,kg/m3;CF、Ck和Cd為無量綱參數(shù),取值分別為1/3、8和5。

        式(11)中等號右邊的3項(xiàng)分別為作用在液滴上的氣動(dòng)力、表面張力和黏性力,在液滴破碎過程中分別起到了激振力、恢復(fù)力和阻尼力的作用。

        當(dāng)y>1時(shí),即發(fā)生液滴破碎,新形成的液滴尺寸滿足如下分布:

        在氣流式噴嘴霧化過程中,由于液滴的破碎,式(4)中的曳力系數(shù)會(huì)隨著液滴破碎發(fā)生變化,此時(shí)曳力系數(shù)可表示為

        考慮液滴剪切變形的影響,曳力系數(shù)做如下修正:

        其中,y根據(jù)式(11)確定。

        2 幾何模型

        2.1 物理模型

        物理模型參照南京理工大學(xué)國家特種超細(xì)粉體中心研發(fā)的LPG-150型噴霧干燥塔,霧化方式采用氣流式霧化,噴霧干燥裝置簡圖如圖1所示。

        圖1 噴霧干燥裝置簡圖Fig.1 Simplified schematic of spray drying devic e

        空氣通過加熱裝置加熱后從頂部熱風(fēng)分配器中流出;同時(shí),硝基胍漿料通過蠕動(dòng)泵輸送至干燥塔內(nèi),并由氣流式霧化噴嘴噴出;噴霧液滴與高溫干燥空氣在噴嘴處發(fā)生混合,液滴被撕扯、扭曲,比表面積增加,與高溫空氣接觸后吸收熱量,汽化并蒸發(fā)大量水分,從而實(shí)現(xiàn)硝基胍漿料的干燥。在出口處收集干燥的硝基胍產(chǎn)品,干燥過程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過兩級除塵后排放至外界。

        將霧化器外形進(jìn)行相應(yīng)的簡化,忽略壁面的厚度,通過Solidworks三維建模構(gòu)建干燥塔三維模型,并導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分??紤]計(jì)算的收斂性與穩(wěn)定性,通過合理的優(yōu)化,在全干燥塔內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,整體網(wǎng)格劃分如圖2所示。在熱風(fēng)進(jìn)口和噴嘴附近,流場較為復(fù)雜,進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,最小網(wǎng)格4 mm;干燥塔頂部靠近側(cè)壁區(qū)域?qū)α鲌鲇绊戄^小,網(wǎng)格可適當(dāng)放寬,網(wǎng)格尺度最大約100 mm。最終網(wǎng)格量約246萬。

        圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing diagram

        2.2 邊界條件

        熱空氣是經(jīng)過加熱器加熱后得到的,定義邊界條件為質(zhì)量流速,空氣質(zhì)量流速設(shè)為10 000 kg/h,湍流強(qiáng)度為5%,水力直徑為240 mm,其物理性質(zhì)見表1。

        表1 熱空氣的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of hot air

        使用氣流式霧化方式,物料質(zhì)量流速設(shè)為345 L/h,選用3個(gè)SU42型噴嘴,單個(gè)噴嘴物料質(zhì)量流速約為115 L/h,噴嘴外徑約為3 mm。模擬計(jì)算過程中,3個(gè)噴嘴均勻布置,處于熱風(fēng)風(fēng)口下方,噴嘴和干燥塔中心軸線的距離為200 mm,將3個(gè)氣流式噴口分別設(shè)定3個(gè)射流源,x、y、z表示液滴注入點(diǎn)距離的位置,如表2所示。

        表2 射流源位置Tab.2 Position of injectionmm

        模擬中選擇Air-blast-atomizer空氣輔助霧化(霧化器模型),設(shè)定物料質(zhì)量流速為0.037 5 kg/s。液膜與空氣之間的最大相對速度為200 m/s。其模型參數(shù)如表3所示。

        表3 Air-blast-atomizer噴霧模型參數(shù)Tab.3 Parameters of Air-blast-atomizer Spray Model

        3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

        選用離散相模型進(jìn)行計(jì)算。將熱空氣視為連續(xù)相,液滴顆粒視為離散相,通過兩相耦合計(jì)算噴霧液滴霧化蒸發(fā),湍流模型選擇Realizable k-ε。

        3.1 速度分布

        干燥塔內(nèi)空氣流速分布見圖3。模擬可得,空氣最大流速為48.7 m/s,平均流速為27.2 m/s。

        圖3 干燥塔內(nèi)空氣流速分布Fig.3 Distribution of air velocity in drying tower

        高溫空氣以與軸線成25°的形式從頂部風(fēng)口螺旋進(jìn)入干燥塔,并與噴出的硝基胍物料混合,相互作用,形成如圖4所示的干燥塔內(nèi)的熱空氣跡線。

        從圖4中可以看出:熱氣流并未沿著干燥塔軸線穩(wěn)定地向下流動(dòng),而是稍稍偏離軸心;在干燥塔下半段,大部分氣流沿著壁面流動(dòng),并最終排出干燥塔;而其余氣流則受到錐體結(jié)構(gòu)的約束,呈螺旋向上,在錐體部分充分混合,具有一定的攪拌作用。

        圖4 干燥塔內(nèi)熱空氣跡線圖Fig.4 Trace of hot air in drying tower

        圖5 為不同截面的空氣流速分布,截面距離頂部分別為1、2、3 m和5 m。由于氣體具有黏性,高溫氣流螺旋流動(dòng)時(shí)會(huì)誘導(dǎo)周圍空氣一起做螺旋流動(dòng),相應(yīng)地,周圍空氣對高溫氣流的阻力等因素也會(huì)致使高溫氣流誘導(dǎo)的流場速度不斷減小。從圖5中心區(qū)域的顏色變化可以看出,這一現(xiàn)象隨著高溫氣流的向下流動(dòng)變得越發(fā)明顯。

        圖5 不同截面的空氣流速分布Fig.5 Distribution of air velocity on different sections

        在去除向下氣流后,可以得出圖6。分析可得:在靠近噴嘴處,氣流繞軸線的速度可達(dá)2.5 m/s;而靠近出口處,這一速度約為0.5 m/s。

        圖6 去除向下氣流后不同截面上的速度分布Fig.6 Velocity distributions on different sections after removal of downdraft

        3.2 溫度分布

        圖7 為干燥塔內(nèi)溫度分布??梢钥闯觯稍锼F體部分溫度較高。這是由于大量熱空氣在此處進(jìn)行螺旋混合,與圖4相呼應(yīng),由于熱空氣向下沖刷,并未到達(dá)頂部壁面附近,再加上干燥塔頂部漏熱,故頂部氣體溫度相對較低。熱空氣在進(jìn)入干燥塔頂部的過程中與噴嘴處的硝基胍物料進(jìn)行混合,將高溫釋放給低溫物料,硝基胍物料吸收大量的熱量并實(shí)現(xiàn)自身干燥,故在出風(fēng)口位置處會(huì)出現(xiàn)局部的藍(lán)色低溫點(diǎn)。

        圖7 干燥塔內(nèi)溫度分布Fig.7 Temperature distribution in drying tower

        測試塔頂、塔底及距離噴霧塔頂部距離為y1=0.6 m、y2=2.0 m、y3=5.2 m 5個(gè)位置處的溫度分布。圖8為塔內(nèi)實(shí)測溫度,旨在驗(yàn)證CFD模型的正確性。在實(shí)際噴霧干燥塔內(nèi),安裝的測試探頭并非位于塔的正軸心,所以選取的模擬值的點(diǎn)并非正好是測量點(diǎn)的位置,只能檢查預(yù)測的溫度是否在實(shí)測值范圍內(nèi)。從表4可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果大致吻合,可在一定程度上驗(yàn)證此模型的正確性。

        表4 不同平面處的預(yù)測溫度與實(shí)測溫度Tab.4 Predicted and measured temperatures in different planes

        圖8 塔內(nèi)實(shí)測溫度Fig.8 Measured temperature in tower

        3.3 顆粒運(yùn)動(dòng)與水分含量

        圖9 給出了物料顆粒直徑的變化情況。物料離開氣流式噴嘴時(shí),液滴直徑約30 μm,之后與高溫空氣混合,由于空氣摩擦、剪切和撕扯等作用,物料顆粒中的水分不斷蒸發(fā),顆粒直徑快速縮小,平均粒徑約15 μm。

        圖9 物料顆粒的直徑變化Fig.9 Diameter changes of material particles

        將實(shí)驗(yàn)收集到的硝基胍產(chǎn)品進(jìn)行粒度實(shí)驗(yàn)分析,得出其粒徑分布如圖10所示。噴霧干燥后的硝基胍平均粒徑d50為12.6 μm,與模擬所得平均粒徑誤差約為13%。其原因是干燥塔出口連接有旋風(fēng)分離器,出料桶位置位于旋風(fēng)分離器出口處,故引起了粒度偏差。

        圖10 噴霧干燥硝基胍的粒徑分布Fig.10 Particle size distribution of nitroguanidine in spray drying

        從圖11的物料顆粒密度變化中可以看出:在靠近噴嘴出口處,顆粒含水量較高,密度較低;隨著干燥的進(jìn)行,水分很快蒸發(fā),物料顆粒被充分干燥,顆粒密度趨近于硝基胍物料密度1 710 kg/m3。從 圖12的物料顆粒表面?zhèn)髻|(zhì)速度可以看出,水分蒸發(fā)速度最快的地方位于噴嘴區(qū)域,高溫氣流將熱量傳遞給物料,物料吸收熱量并快速蒸發(fā)水分,與圖11的顆粒密度變化規(guī)律相一致。

        圖11 物料顆粒密度的變化Fig.11 Density changes of material particles

        圖12 物料顆粒表面?zhèn)髻|(zhì)速率Fig.12 Mass transfer rate on the surface of material particles

        從圖13可以看出,經(jīng)過干燥后,物料顆粒中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從入口的75%降低到了接近于0,說明了物料顆粒進(jìn)行了較為充分的干燥。通過實(shí)驗(yàn),對干燥后產(chǎn)品進(jìn)行含水率測定,水的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%,含水率較低,與模擬結(jié)果一致,表明物料顆粒液滴進(jìn)行了較為充分的干燥。

        圖13 物料顆粒中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.13 Mass fraction of water in material particles

        圖14 給出了干燥塔內(nèi)空氣相對濕度的分布??梢钥闯觯稍锼?nèi)整體濕度較低,只有噴嘴處濕度較大。這是因?yàn)槲锪现兴衷诖颂幷舭l(fā),形成水蒸氣,使得空氣相對濕度較大。較低的相對濕度分布有利于物料的充分干燥,因此,在干燥塔內(nèi)部可有效實(shí)現(xiàn)物料的干燥。

        圖14 干燥塔內(nèi)相對濕度分布Fig.14 Relative humidity distribution in drying tower

        4 結(jié)論

        對LPG-150型氣流式干燥塔進(jìn)行三維建模與網(wǎng)格劃分,建立了干燥塔內(nèi)熱空氣流動(dòng)與硝基胍物料干燥的分析模型,并開展了數(shù)值模擬。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

        1)在熱空氣質(zhì)量流速為10 000 kg/h、單個(gè)噴嘴硝基胍物料質(zhì)量流速為115 L/h條件下,模擬顯示,熱空氣進(jìn)入干燥塔后螺旋向下快速?zèng)_刷,干燥塔內(nèi)空氣流場與溫度場受到入口結(jié)構(gòu)以及物料顆粒液滴的共同作用。在靠近噴嘴處,物料液滴中的水分快速汽化,物料干燥作用明顯。

        2)模擬結(jié)果顯示,出口處物料含水率趨近于0,干物料顆粒直徑約15 μm。用噴霧干燥法對硝基胍漿料進(jìn)行干燥,干燥后產(chǎn)品的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.03%,平均粒徑d50=12.6 μm,比模擬的平均粒徑結(jié)果相差約13%。

        3)由于干燥塔內(nèi)部封閉,準(zhǔn)確測量塔內(nèi)溫度具有一定的困難。對比測量點(diǎn)的預(yù)測溫度和實(shí)驗(yàn)溫度,兩者大致吻合,說明模擬結(jié)果有一定的準(zhǔn)確度和可靠性。

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