流化床干燥實驗裝置液體分布器的改進

張健平,趙周能,康中寶

(西南科技大學(xué),四川綿陽 621010)

流化床干燥實驗裝置液體分布器的改進

張健平,趙周能,康中寶

(西南科技大學(xué),四川綿陽 621010)

原流化床干燥實驗裝置沒有液體分布器,很難使水均勻潤濕固體顆粒變色硅膠使其達到飽和,導(dǎo)致學(xué)生做實驗時所測得的臨界含水率增大,干燥速率變小,干燥速度曲線恒速干燥階段無法確定,鑒于此,采用管式錐形孔液體分布器改進了原流化床干燥實驗裝置。經(jīng)FLUNET數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)改進后,水在顆粒床層內(nèi)流速分布的均勻性顯著提高,其擴散范圍也明顯擴大,流速更加趨于穩(wěn)定,且進出口速度差顯著降低,減小為原實驗裝置的0.12倍,則水可以均勻地潤濕床層內(nèi)的固體顆粒變色硅膠使其達到飽和,從而減小了實驗誤差,提高了實驗結(jié)果的準確率。

流化床干燥實驗裝置;液體分布器;改進;數(shù)值模擬;實驗精度

流化床干燥器廣泛應(yīng)用于輕工、化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)的顆粒狀和粉狀物料的干燥,具有較高的傳質(zhì)和傳熱速率[1]。因此我校過控實驗室采用流化床干燥實驗裝置進行干燥實驗,主要目的是測定固體顆粒變色硅膠的干燥速率、干燥速度曲線,以及臨界點和臨界濕含量[2]。在流化床干燥實驗裝置中液體分布器是一個關(guān)鍵部件,其作用是把水在流化床干燥實驗裝置的頂部進行均勻的初始分布,以提高潤濕的有效表面,改善液-固相間接觸,使水充分潤濕干燥實驗裝置內(nèi)的固體顆粒變色硅膠。目前常用的液體分布器大體上可以分為3種類型:噴頭式液體分布器、管式液體分布器和槽式液體分布器[3-6]。其特點分別如下:①噴頭式液體分布器的優(yōu)點是構(gòu)造簡單,造價成本低,但噴淋面積較小,均勻性差,因此當前實際生產(chǎn)中使用較少;②管式液體分布器具有液體均布性能好,氣流通道大,通道面積甚至可超過70%干燥器的截面,且結(jié)構(gòu)簡單,加工方便,易于支承,造價低廉等優(yōu)點,故已得到廣泛使用,不過其主要不足點是允許的噴淋密度不大,操作彈性比較小,孔口流速不能太大,對進料中不允許含固體雜質(zhì)、夾帶氣(汽)體[7-8];③槽式液體分布器具有液體分布質(zhì)量高,氣相流動阻力低,流量大,抗堵塞及分布性能穩(wěn)定等特點,適用于大型塔設(shè)備[9-10]。根據(jù)過控實驗室流化床干燥實驗裝置,因水中沒有固體顆粒且負荷不大,管式液體分布器的制作成本相對效低,且結(jié)合浙江工業(yè)大學(xué)朱菊香等[11-13]對其結(jié)構(gòu)上的改進與應(yīng)用研究的分析發(fā)現(xiàn),實驗室的流化床干燥實驗裝置選用管式液體分布器可使水達到均勻分布和操作穩(wěn)定,能滿足流化床干燥實驗裝置液體分布器技術(shù)改造的要求。鑒于此,本文采用管式液體分布器來改進過控實驗室流化床干燥實驗裝置,通過理論計算和數(shù)值模擬分析以得到合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與具體尺寸,以使水更均勻地潤濕床層內(nèi)的固體顆粒變色硅膠,提高實驗結(jié)果準確率。

1 原流化床干燥實驗裝置存在的缺陷

過控實驗室流化床干燥實驗裝置的工藝流程如圖1所示,新鮮空氣經(jīng)過電加熱管5加熱后,由干燥器底部鼓入,進入床層8將固體顆粒流化并進行干燥,濕空氣由干燥器頂部,經(jīng)旋風(fēng)分離器11進行固氣分離后放空;固體變色硅膠采用間歇操作方式,由干燥器頂部加料口13加入,試驗結(jié)束后由下部卸料口9排出。在實驗前從加水口12加入一定水量潤濕床層內(nèi)的顆粒達到飽和,當加至飽和后,繼續(xù)以小流量緩慢均勻地加水,直至流化床內(nèi)溫度至70℃時為止[2]。

圖1 流化床干燥實驗裝置的工藝流程圖

通過實驗教學(xué)發(fā)現(xiàn),學(xué)生做實驗過程中所測定的臨界含水率增大,干燥速率變小,干燥速度曲線的降速階段較為明顯,而恒速階段無法確定,不便于學(xué)生對理論知識的掌握。通過對實驗設(shè)備的了解和對理論知識的研究發(fā)現(xiàn),其實驗設(shè)備主要存在缺陷之一是,實驗前從加水口加入一定水量潤濕床層內(nèi)的顆粒,由于原流化床干燥實驗裝置頂部沒有液體分布器,水從干燥實驗裝置頂部中心直接流入床層內(nèi),很難使水均勻潤濕固體顆粒變色硅膠[13]。本文通過理論分析和數(shù)值模擬改進這一缺陷,對管式液體分布器進行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過ANSYS軟件分析,改進水的入口裝置,以獲得最佳的液體分布器結(jié)構(gòu)設(shè)計和具體尺寸。通過改進后以解決2個主要問題以提高實驗結(jié)果的準確率:①實驗前能緩慢地加水,且水能均勻地潤濕固體顆粒變色硅膠達到飽和;②當加至飽和后,能繼續(xù)以小流量緩慢均勻地加水,直至流化床內(nèi)溫度至70℃時為止。

2 液體分布器的改進與驗證

2.1 液體分布器的改進

通過比較分析不同類型液體分布器的優(yōu)缺點,并結(jié)合過控實驗室流化床干燥實驗裝置的具體情況,選擇了管式液體分布器作為改進對象,并通過數(shù)值模擬分析,以管式液體分布器為基礎(chǔ),采用錐形孔來改進所有的開孔形狀,使水分布更均勻,且解決了實驗過程中的2個主要問題,實驗結(jié)果準確率提高,其具體結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2所示。管式錐形孔液體分布器共開孔16個,開孔的最大直徑為φ6mm,最小直徑為φ3mm,均勻合理的分布在一根管長為120mm、管徑為φ6mm和兩根管長為100mm、管徑為φ6 mm管子上,其中兩邊管中的孔間距為15mm,一共6個出水口;中間的孔間距為20mm,一共8個出水口;為了保證在橫向方向上水可以均勻流入干燥塔中,在起鏈接作用的橫向管的兩端開設(shè)了2個出水口。

圖2 液體分布器具體尺寸與結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 液體分布器的驗證

2.2.1 物理模型的建立

原過控實驗室流化床干燥實驗裝置的具體結(jié)構(gòu)和尺寸(圖3)。

圖3 流化床干燥實驗裝置實物圖

經(jīng)簡化得到本文研究的物理模型,其示意圖如圖4所示,流化床干燥實驗裝置的總高度為755.8mm,直徑為φ137.2 mm;在干燥實驗裝置頂部進水口高度為105mm,直徑為φ6mm。

圖4 物理模型示意圖

2.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用穩(wěn)態(tài)隱式求解,粘性方程采用標準k-ε方程,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,控制方程的離散采用有限體積法,忽略流體與壁面摩擦力。本文只考慮液相(水)的流動情況,其各控制方程如下:

連續(xù)方程

動量守恒方程

式中ρ為水的密度,kg/m3;ε為空隙率;u為水的流速,m/s;β為相間動量傳遞系數(shù),kg/(m3·s);?p為壓降,Pa·s;v為顆粒的流速,m/s; τ為粘性應(yīng)力,kg/(m·s2);g為重力加速度, m/s2。

湍流模型采用標準的k-ε模型,k和ε的守恒方程的具體表達式為:

式中Gk為由于平均速度梯度而造成的湍流動能項;μt為湍流粘度系數(shù);Gb為由于浮力而產(chǎn)生的湍流動能項;YM為湍流馬赫數(shù);C1ε、C2ε是模型常數(shù);σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特數(shù);Sk和Sε均為用戶自定義源項。

2.2.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在gambit中按照10∶1的比例構(gòu)建了流化床干燥實驗裝置三維物理模型,都采用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格進行劃分,由于液體分布器是重點分析部分,且其具有較小的錐形孔,為了提高分析精度和計算效率,其部分劃分網(wǎng)格時需細分,而對其它部分可以適當采用稍大的網(wǎng)格,其具體網(wǎng)格劃分如圖5所示。進口邊界條件定義為VELOCITY-INLET,其流速為0.07 m/s,出口邊界條件定義為OUTFLOW,床層內(nèi)流體為水。

圖5 改進后流化床干燥實驗裝置的網(wǎng)格劃分

2.2.4 數(shù)值模擬的結(jié)果

通過FLUENT數(shù)值模擬分析分別得到了原流化床干燥實驗裝置與改進后的實驗裝置的速度分布圖和速度矢量圖,如圖6和圖7所示。

圖6 改進前后的流化床干燥實驗裝置速度分布云圖

從圖6可以看出,由于原實驗裝置的水直接從流化床干燥實驗裝置頂部流入床層,沒有通過液體分布器進行分布,使得水在床層內(nèi)分布不均勻,在床層內(nèi)水入口處中心附近區(qū)域流速最大,其余部分水流過的速度較小,特別在流化床壁面附近區(qū)域內(nèi)水流速基本為零,床層內(nèi)水進口處中心與壁面之間產(chǎn)生了較大的速度差,最大的速度差達到了0.569m/s?；旧蠜]有水可以到達流化床壁面附近區(qū)域內(nèi),從而造成流化床壁面附近區(qū)域內(nèi)水無法潤濕固體顆粒變色硅膠,無法達到飽和,而床層中心部分的固體顆粒變色硅膠含水量又過多以使過飽和,因此水無法均勻地潤濕固體顆粒變色硅膠以使達到飽和,這與實際實驗現(xiàn)象相符合。但是,經(jīng)改進后,在水入口處布置管式錐形孔液體分布器,水在顆粒床層內(nèi)流速分布的均勻性顯著提高,其擴散范圍明顯擴大,流速更加趨于穩(wěn)定,且進出口的速度差也顯著降低,減小為原實驗裝置的0.12倍,則水能均勻地潤濕床層內(nèi)的固體顆粒變色硅膠使其達到飽和,同時也滿足了當加至飽和后,繼續(xù)以小流量緩慢均勻地加水,直至流化床內(nèi)溫度至70℃時為止。因此采用管式錐形孔液體分布器改進現(xiàn)有流化床干燥實驗裝置可以減小實驗誤差,提高實驗結(jié)果的準確率。

圖7 改進前后的流化床干燥實驗裝置速度矢量圖

從圖7速度矢量云圖也可以看出,原實驗裝置靠近水入口處流速偏大,水很難在瞬間達到均勻分布,造成遠離水入口一定區(qū)域難以潤濕固體顆粒,從而使得固體顆粒變色硅膠很難均勻地達到飽和。經(jīng)改進后,水通過管式錐形孔液體分布器后均勻地分布在床層內(nèi),流速沿軸向和周向孔口出流速度均勻,只是由于壁面效應(yīng)影響,在壁面附近很小區(qū)域內(nèi)流速稍小一些,能較好地完成水入口的分布任務(wù),顯著地提高了水分布的均勻性,使床層內(nèi)固體顆粒潤濕的均勻性得到了顯著地提高,從而可提高實驗結(jié)果的準確率,達到了實驗裝置液體分布器技術(shù)改進的目的。

3 結(jié) 論

(1)原流化床干燥實驗裝置沒有液體分布器,很難使水均勻潤濕固體顆粒變色硅膠使其達到飽和,且也無法滿足當加至飽和后,繼續(xù)以小流量緩慢均勻地加水,因此在很大程度上抑制了固體顆粒變色硅膠干燥效果,導(dǎo)致實驗測得的臨界含水率增大,干燥速率變小,干燥速度曲線恒速階段無法確定。

(2)采用管式錐形孔液體分布器對原流化床干燥實驗裝置進行改進,使水分布更均勻,且解決了實驗過程中的2個主要問題,可以減小實驗誤差,提高實驗結(jié)果的準確率。

(3)經(jīng)改進后,水在顆粒床層內(nèi)流速分布的均勻性顯著提高,其擴散范圍明顯擴大,流速更加趨于穩(wěn)定,且進出口的速度差顯著地降低了,減小為原實驗裝置的0.12倍,使水能均勻地潤濕床層內(nèi)的固體顆粒變色硅膠使其達到飽和。

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Im provement of the Liquid Distributor for the Experimental Fluidized Bed Dryer

ZHANG Jian-ping,ZHAO Zhou-neng,KANG Zhong-bao
(Southwest University of Science and Technology,Sichuang Mianyang 621010)

The former experimental fluidized bed dryer did not arrange the liquid distributor to cause to difficultly even wet solid color silica gel to the saturation.Thismay lead to increase of the experimental data of criticalmoisture content and decrease of drying rate,which is hard to determine constant the speed stage of drying speed curve.Therefore,this experimental fluidized bed dryerwas improved by using of the tubular conical-hole liquid distributor.The flow field of before and after improvement of experimental fluidized bed dryerwas analysis by FLUNET numerical simulation.The results showed that thewaterwell distributed in the fluidized bed after improvement of experimental fluidized bed dryer,and its range of scatter was wider.Moreover,the velocity of the water was tended to be stable,and then its velocity differencewas0.12 times of the former experimental fluidized bed dryer.Consequently,the watermore evenly wetted granular allochroic silica gel in order to decrease experimental error and increase accuracy of experimental result after improvement of experimental fluidized bed dryer.

experimental fluidized bed dryer;liquid distributor;improvement;numerical simulation; experiment precision

1007-2934(2015)05-0064-05

G 482

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.019

2015-05-06