陶瓷料浆喷雾干燥CFD-DPM模拟 肖志锋.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143505 陶瓷料浆喷雾干燥CFD-DPM模拟 肖志锋1，乐建波1，吴南星1 （景德镇陶瓷学院机械电子工程学院，江西景德镇 333403） (Email:cauxiao@126.com) 摘要：针对陶瓷料浆喷雾干燥过程中干燥塔内气固两相流动及传热传质复杂，温度场、速度场、湿度场、颗粒直径分布等难于测量问题，基于CFD方法，采用DPM模型描述陶瓷料浆颗粒运动轨迹，构建陶瓷料浆喷雾干燥过程二维轴对称数学模型，并进行了数值模拟。搭建喷雾干燥试验装置，开展了陶瓷料浆喷雾干燥实验，实验测得颗粒直径分布、颗粒湿含量与模拟结果吻合，验证了该模型的有效性。陶瓷料浆喷雾干燥过程数值模拟得到了干燥塔内空气湿度、速度、温度分布，以及颗粒的运动轨迹、湿含量情况，可为陶瓷料浆喷雾干燥塔的优化设计提供理论指导。陶瓷料浆；喷雾干燥；DPM；数值模拟喷雾干燥具有干燥时间短、颗粒产品表面积大、球形度好等优点，目前这一技术在陶瓷工业陶瓷粉料制备中被广泛应用[12]，人们对喷雾干燥工艺及干燥器的研究也在不断的深入。但由于陶瓷料浆喷雾干燥过程气固两相流场复杂，热质耦合传递，干燥机理复杂，目前一般采用实验方法来研究此项技术，然而这种方法通常需要昂贵的测试设备和实验费用，特别是喷雾塔内温度、湿含量、速度等气固两相流参数在当前技术条件下难于测量，制约了陶瓷工业喷雾干燥技术的创新发展。 节省实验所需的大量经费、时间和人力目前国内外研究人员已尝试通过CFDComputational Fluid Dynamics）方法对工业喷雾干燥过程进行了一些基础研究[,4]。S. Dyshlovenko等[5]采用CFD方法建立了描述磷灰石粉末喷雾干燥特性的数学模型，陈友庆等[6]模拟了新型减水剂在压力式喷雾干燥塔内的干燥过程，吴中华等[7]利用CFD 模型对脉动燃烧喷雾干燥过程进行了模拟，以上物料的喷雾干燥CFD数值模拟研究都得到了干燥塔内气固两相流参数分布情况，分析了物料喷雾干燥特性，为工业喷雾干燥器的优化设计提供了理论参考。相比于其他工业物料，陶瓷料浆在喷雾干燥过程中的流体动力学特性更加复杂[8]，一些研究人员已尝试应用CFD方法于陶瓷喷雾干燥过程分析，程小苏等[9]通过CFD模拟陶瓷微球制备喷雾干燥过程，张柏清等[2]对单喷混流压力式干燥塔进行了三维模拟，这些研究的计算结果与实际测量结果存在一定偏差，特别是没有详细分析干燥塔内热空气湿度、速度矢量、温度及陶瓷料浆湿含量等干燥动力学参数特性，因此有必要进一步对干燥塔内陶瓷料浆喷雾干燥两相间热质传递过程进行定量研究。 为此，笔者基于CFD方法对陶瓷料浆喷雾干燥传热传质过程进行理论分析，采用DPM模型（Discrete Phase Model）描述陶瓷料浆颗粒在喷雾干燥塔中的运动轨迹，构建干燥过程二维轴对称数学模型，并进行数值求解和实验验证。在此基础上，通过数值模拟研究陶瓷料浆喷雾干燥特性和流体动力学特性，了解陶瓷料浆喷雾干燥过程中干燥塔内空气湿度、速度、温度分布，以及颗粒的运动轨迹、湿含量情况。试验装置 图 1 实验装置示意图 Fig.1 The schematic diagram of experimental device （1—贮料罐 2—蠕动泵 3—气流式喷嘴4—干燥塔5—锁紧带 6、7—产品收集器 8—旋风分离器 9—过滤布袋 10—测控系统 11—鼓风机 12—加热装置） 陶瓷料浆喷雾干燥试验装置如图1所示喷雾干燥塔1300 mm，其中圆柱体部分长1150 mm，直径200 mm，出料口处直径70 mm。式喷嘴干燥成陶瓷颗粒。 图 干燥塔物理模型 Fig. The physical model of spray drying tower 以实际陶瓷料浆喷雾干燥试验为依据建立喷雾干燥塔物理模型如图所示。表1所示物性参数及实验工况条件。表1 物料参数及实验工况条件 Tab. 1 Material parameters and test conditions 参数 数值 陶瓷料浆 60% 陶瓷料浆温度/ K 300 密度/ kg·m-3 1480 陶瓷导热系数/ W·m-·K-1 0.116 绝干陶瓷颗粒比热容/ J·kg-1·K-1 900 进口陶瓷料浆流量/·s-1 0.005 进口热空气流量/ ·s-1 0.3 进口热空气湿度 /kg·kg-1 0.002 进口热空气温度/ K 433 / K