硝基胍連續(xù)噴霧干燥數(shù)值模擬研究?

趙林林 郭效德 黃珊珊 向貴鋒

南京理工大學(xué)國(guó)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(guò)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(guò)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(duì)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(guó)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(chǎng)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(cè)噴霧干燥過(guò)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(duì)塔內(nèi)的速度、溫度和壓力剖面進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(chǎng)分布特性。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)可大幅減少高昂的測(cè)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(duì)流與擴(kuò)散，此過(guò)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(hào)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(duì)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(duì)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(guò)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(kāi)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(guò)程中，需要考慮高速氣流對(duì)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(guò)程。TAB模型中，假設(shè)相對(duì)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(wú)量綱形式可表示為

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

無(wú)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(wú)量綱參數(shù)，取值分別為1/3、8和5。

式(11)中等號(hào)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(guò)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(guò)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(guó)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(jiǎn)圖如圖1所示。

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

空氣通過(guò)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)除塵后排放至外界。

將霧化器外形進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，忽略壁面的厚度，通過(guò)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(guò)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(chǎng)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?chǎng)影響較小，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(wàn)。

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(guò)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(jiàn)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(guò)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(duì)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(chǎng)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。可以看出，干燥塔錐體部分溫度較高。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(duì)較低。熱空氣在進(jìn)入干燥塔頂部的過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量點(diǎn)的位置，只能檢查預(yù)測(cè)的溫度是否在實(shí)測(cè)值范圍內(nèi)。從表4可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)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(cè)溫度與實(shí)測(cè)溫度Tab.4 Predicted and measured temperatures in different planes

圖8 塔內(nèi)實(shí)測(cè)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(kāi)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(guò)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(shuō)明了物料顆粒進(jìn)行了較為充分的干燥。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)干燥后產(chǎn)品進(jìn)行含水率測(cè)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(duì)濕度的分布?？梢钥闯?，干燥塔內(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(duì)濕度較大。較低的相對(duì)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(duì)濕度分布Fig.14 Relative humidity distribution in drying tower

4 結(jié)論

對(duì)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(kāi)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(chǎng)與溫度場(chǎng)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(duì)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(cè)量塔內(nèi)溫度具有一定的困難。對(duì)比測(cè)量點(diǎn)的預(yù)測(cè)溫度和實(shí)驗(yàn)溫度，兩者大致吻合，說(shuō)明模擬結(jié)果有一定的準(zhǔn)確度和可靠性。