[发明专利]喷雾干燥塔中物料蒸发的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种喷雾干燥塔内悬浮液物料干燥的数值模拟方法。使用一种结构科学合理，干燥效果佳、耗能少、成本低、效率高、易于实现的喷雾干燥塔，提供了一种喷雾干燥塔内物料干燥的数值模拟方法，采用计算流体动力学软件FLUENT对该喷雾干燥塔内物料的蒸发过程及伴随的传热传质过程进行数值计算，避免了实验或盲目设计导致的高成本和原料浪费，对提高物料产品质量以及塔的产量具有一定的指导意义。本发明在一定程度上避免实验或盲目设计导致的高成本和技术风险；本发明数值模拟仿真过程的程序易于实现，对于物料高效和高质量干燥过程应用具有显著的价值。

主权项

1.一种喷雾干燥塔中物料蒸发的数值模拟方法，其特征在于，步骤如下：(1)使用三维绘图软件绘制喷雾干燥塔的三维几何模型图：利用ANSYS Workbench中的建模模块Design Model对喷雾干燥塔三维模型进行建模；(2)建立喷雾干燥塔的有限元模型并进行求解，具体如下：A.设定数值模拟的假设条件；a)不考虑液滴之间的碰撞；b)液滴‑颗粒当作球体计算；c)忽略颗粒内部与外部的温度差；B.使用欧拉‑拉格朗日方法对热空气‑颗粒相进行建模，干燥介质‑热空气为连续相，液滴‑颗粒为离散相，那么热空气所需满足的方程如下：质量守恒方程为：运动方程为：能量方程为：式中：ρF为流体密度(kg/m3),t为时间(s),ux、uy、uz为流体速度分量(m/s),p为流体压力(Pa),u流体速度矢量(m/s)，τxx、τxy、τxz作用在流体微元上的粘性应力分量(Pa)，fx、fy、fz作用在流体微元上的力(N)，E为流体微元的总能(J)，包含有内能、动能和势能之和，T为流体温度(K)，hj为组分j的焓值(J/kg)，keff为有效热传导系数[W/(m·K)]，τeff为有效粘性力(Pa)，Jj为组分j的扩散通量；C.采用拉格朗日方法对离散相进行建模，液滴运动、传热及传质过程满足的方程如下：颗粒运动方程：传热方程：当颗粒温度低于沸点温度时传质方程：Ni＝ki(Ci,s‑Ci,∞)当液滴温度高于沸点：式中，h为流体的焓值(J/kg)，Nu为努赛尔数，即Nusselt，FD(u‑up)为颗粒的单位质量曳力(N)，up为颗粒运动速度(m/s)，u为干燥介质的运动速度(m/s)，gx为x向重力加速度(m/s2)，t为时间(s),ρp为颗粒密度(kg/m3)，ρF为流体密度(kg/m3),Fxi包含有虚拟质量力以及压力梯度力，也就是在此次仿真中只考虑了拖曳力、重力、虚拟质量力以及压力梯度力，忽略了其他作用在颗粒上的力，mp为颗粒质量(kg)，cp为颗粒比热[J/(kg·k)]，Tp为颗粒温度(K)，T∞为干燥介质温度(K)，Ap为液滴表面积(m2)，hfg为汽化潜热，J/kg，Ni为蒸汽摩尔流率[mol/(m2·s)]，ki为传质系数(m/s)；Ci,s为液滴表面的蒸汽浓度[mol/m3]，Ci,∞为气相的蒸汽浓度(mol/m3)，Di,m为蒸汽扩散系数(m2/s)，Red为雷诺数，Sc为传质施密特数，k∞为干燥介质导热率[W/(m·K)]，dp为颗粒直径(m)，cp,∞为干燥介质比热[J/(kg·K)]；D.使用k‑ε湍流模型，湍动能k及湍动能耗散率ε公式如下：式中ρF为流体密度(kg/m3),u流体速度矢量(m/s)，t为时间(s),μ为分子粘度(Pa·s)，μt为湍流粘度(Pa·s)，Pk是湍流剪切产出项[kg/(m·s3)]，Cε1、Cε2、σk、σε为常数，分别为1.44、1.92、1、1.3；E.选用喷嘴模型：根据FLUENT软件中提供的雾化模型，对于喷雾干燥塔的喷嘴模型进行选择，根据喷雾干燥塔中物料蒸发实际情况主要输入喷嘴模型参数和流量；F.在ANSYS Workbench的FLUENT软件中导入喷雾干燥塔的三维几何模型，在步骤A、B、C、D、E的假设及信息基础上的建立计算域及物理模型，设置各项参数，主要模拟计算出喷雾塔内液滴到颗粒的蒸发过程、颗粒停留时间、蒸发量、连续相温度场和速度场；G.设计喷雾干燥实验模型，并将步骤F的数值模拟结果与实验结果进行对比分析，验证了数值模拟方法的适用性。