噴霧干燥制備CL-20過程中噴嘴直徑對液滴霧化行為影響的CFD模擬

張彥奇，李偉偉，史曉瀾，柴 凡

(中北大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051)

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)的爆炸能量和密度優(yōu)于奧克托今(HMX)和黑索今(RDX)，但由于其感度較高，應(yīng)用受到很大限制. 粒徑和形貌是影響CL-20感度的主要因素. 噴霧干燥法制備的CL-20形貌好、粒徑小且粒徑分布均勻，該方法是使CL-20降感的有效方法之一. 目前，研究者采用噴霧干燥制備出了粒徑較小的含能材料，如：杭貴云等[1]制備出粒徑在1 μm～5 μm的CL-20/RDX球形共晶炸藥；宋原等[2]制備出平均粒徑為1.46 μm的ε-CL-20/EPDM，其特性落高比CL-20原料增加了23.36 cm；徐洋等[3]制備出平均粒徑為0.4 μm的ε-CL-20球形顆粒，其摩擦感度比原料CL-20降低了60%；Liu等[4]制備出平均粒徑為3.54 μm的CL-20/DNDAP共晶炸藥；Song等[5]制備出殼層厚度為20 nm～30 nm的CL-20/TNT復(fù)合炸藥.

噴霧干燥法制備CL-20的過程中，液滴的霧化性能會影響生成顆粒的性能，其中，噴嘴結(jié)構(gòu)的影響最大. 通過實驗優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)成本較高，且有一定的危險性，而模擬仿真可以有效降低實驗成本，并能快速預(yù)測不同的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)下干燥塔內(nèi)液滴粒徑的變化規(guī)律，從而為實驗研究提供理論指導(dǎo). 但噴霧干燥制備含能材料過程中的溫度、速度、濕度和粒徑分布[6-7]以及進料速率、氣體流量、入口溫度和溶劑對霧化液滴粒徑影響[8]的模擬研究較少. 針對噴嘴結(jié)構(gòu)，以水為研究對象，吳恩啟等[9]模擬了噴嘴氣液夾角對液滴索特平均直徑的影響；Yoon等[10]模擬了噴嘴旋流角度和孔徑對液滴粒徑分布的影響；Wang等[11]模擬了噴嘴的空氣帽出口直徑、注水孔直徑、噴孔數(shù)量對霧化角、液滴尺寸分布和液滴速度的影響. 上述研究表明，模擬仿真可以較好地預(yù)測物料在干燥塔內(nèi)的霧化特性，但噴霧干燥制備含能材料中噴嘴直徑對液滴霧化行為的模擬研究尚未見報道. 因此，本文在史曉瀾等[8]研究的基礎(chǔ)上，采用Computational Fluid Dynamics(CFD)耦合連續(xù)性方程、動量方程以及離散相方程，對噴霧干燥制備CL-20過程中不同工藝參數(shù)(液體流量、氣體流量、氣體溫度和溶劑)下，噴嘴直徑對霧化液滴粒徑的影響進行了模擬研究.

1 實驗流程及模型的建立

1.1 實驗流程

噴霧干燥法制備CL-20的流程如圖1 所示. CL-20溶液被蠕動泵輸送至噴嘴，并與經(jīng)電加熱器加熱后進入噴嘴的氮氣混合，然后在噴嘴處被霧化分散成小液滴，最終在干燥塔內(nèi)快速干燥和結(jié)晶，并形成顆粒，干燥顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離器進入產(chǎn)品收集器. 考慮到配制CL-20溶液的溶劑物性對干燥塔內(nèi)霧化液滴的粒徑有較大的影響，分別選擇丙酮、乙酸乙酯作為溶劑，并以純水為比較對象來更好地對比其噴霧干燥的霧化效果.

圖1 噴霧干燥實驗流程Fig.1 Flow chart of spray drying experiment

在噴霧干燥法制備CL-20的過程中，選用索特平均直徑(D32)作為評價噴嘴霧化性能的標(biāo)準(zhǔn)，其表達式為

(1)

式中：N為干燥塔內(nèi)的霧滴數(shù)；di為第i個液滴的直徑；ni為液滴直徑為di的霧滴數(shù).

1.2 CFD模擬過程

1.2.1 模型的建立

對噴霧干燥塔的物理模型進行簡化，使用DM軟件建模，使用ICEM CFD軟件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖2 所示，圖中圓柱部分為干燥塔，其頂部為氮氣入口，中心部位為氣流式噴嘴. 網(wǎng)格劃分采用中心O型切分，對噴嘴和氮氣入口中心進行加密，加密后的網(wǎng)格質(zhì)量在0.6以上，且網(wǎng)格最小正交質(zhì)量為0.7，網(wǎng)格數(shù)約為120萬. 采用Euler-Lagrange方法模擬噴霧干燥制備CL-20過程中的氣體和液體兩相流的流動過程. 氮氣為連續(xù)相，CL-20溶液為離散相，在CL-20與溶劑質(zhì)量比為1∶50 的條件下進行模擬計算. 離散相的相關(guān)參數(shù)如表1 所示，噴霧干燥制備CL-20的工藝參數(shù)如表2 所示.

圖2 噴霧干燥塔網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of spray drying tower

表1 離散相的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of discrete phase

表2 工藝參數(shù)設(shè)置Tab.2 Process parameter setting

1.2.2 控制方程

1) 連續(xù)相控制方程

質(zhì)量方程

(2)

式中：ρg為氣相密度，kg·m-3；t為時間，s；uj為j方向上的速度，m·s-1，j=1,2,3分別代表x,y和z軸上的速度；Sc為氣相質(zhì)量源項.

動量方程

(3)

式中：ui為i方向上的速度，m·s-1，i=1,2,3分別代表x,y和z軸上的速度；p為靜壓，Pa；μ為動力粘度，Pa·s；μt為湍動粘度，Pa·s；Fj為j方向上的體積力.

能量方程

(4)

式中：h為焓，J·kg-1；μe/σh為輸運系數(shù)；Sh為氣相能量源項.

2) 離散相控制方程

液滴運動方程

(5)

式中：ug為連續(xù)相速度，m·s-1；ul為液滴速度，m·s-1；fD為阻力系數(shù)；g為重力加速度，m·s-2；ρl為液滴密度，kg·m-3；ρg為連續(xù)相密度，kg·m-3；Fx為液滴受到的其他作用力，N.

式(5)中fD為

(6)

式中：CD為曳力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；dp為液滴直徑，m.

式(6)中CD為

(7)

式(7)中球形液滴的a1,a2和a3均為常數(shù)[12].

干燥塔內(nèi)液滴在氮氣阻力的影響下發(fā)生變形破碎，液滴破碎方程為

(8)

式中：r為液滴半徑，m；u為氣液速度差，m·s-1；σ為表面張力，N·m-1；CF,CK,Cd和Cb均為無因次常數(shù)，借鑒Liu等[13]的研究成果，其值分別取1/3, 8, 5和0.5.

1.2.3 湍流模型

由于干燥塔內(nèi)氣相流動復(fù)雜且屬于非穩(wěn)態(tài)流動，液滴霧化過程中易出現(xiàn)氣體回流而導(dǎo)致流場不穩(wěn)定，使得計算發(fā)散. 選用Realizablek-ε湍流模型可降低流場內(nèi)壓力-速度梯度的波動.

1.2.4 邊界條件的設(shè)置

噴嘴選用DPM模型中的air-blast-atomizer，參數(shù)設(shè)置見表3. 氮氣入口設(shè)為mass-flow-inlet，出口設(shè)為outflow，進出口離散相設(shè)為escape，即霧滴撞擊進出口視為該液滴計算終止；塔壁面設(shè)為no-slip.

表3 噴嘴參數(shù)設(shè)置Tab.3 Nozzle parameter setting

1.2.5 求解方法

為準(zhǔn)確快速求得離散化方程的解，加快收斂速度，采用了PISO算法求解. 由于CL-20溶液在霧化過程中會出現(xiàn)霧滴的破碎碰撞，需激活TAB破碎模型，模型常數(shù)y0為0.05，Breakup Parcels為2. 使用壓力式求解器，時間步長為5×10-5s. 當(dāng)流域內(nèi)質(zhì)量誤差低于1%時，視為計算收斂.

2 模擬結(jié)果及其分析

2.1 不同液體流量下噴嘴直徑對液滴粒徑的影響

在氣體流量為5 950 mL·min-1，氣體溫度為353 K時，液滴粒徑隨液體流量和噴嘴直徑的變化如圖3 所示.

(a) CL-20/乙酸乙酯(b) CL-20/丙酮(c) 水圖3 不同液體流量和噴嘴直徑下干燥塔內(nèi)液滴的霧化特性Fig.3 Atomization characteristics of droplet in drying tower under different liquid flow rate and nozzle diameter

由圖3 可以看出，當(dāng)液體流量為1.5 mL·min-1時，隨著噴嘴直徑由2.0 mm減小至0.9 mm，溶劑為乙酸乙酯的D32從 190.31 μm快速減小至8.58 μm，溶劑為丙酮的D32從186.74 μm快速減小至8.08 μm，水的D32從585.45 μm快速減小至23.67 μm，D32分別減小了181.73 μm，178.66 μm 和561.78 μm，減幅較大；當(dāng)噴嘴直徑由0.9 mm減小至0.5 mm，溶劑為乙酸乙酯的D32從8.58 μm減小至1.08 μm，溶劑為丙酮的D32從8.08 μm 減小至0.84 μm，水的D32從23.67 μm減小至2.28 μm，D32分別減小了7.50 μm，7.24 μm和21.39 μm，減幅較小. 從液滴直徑的減小程度可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴嘴直徑的減小，液滴直徑初始時快速減小之后緩慢減小.

當(dāng)液體流量由1.5 mL·min-1增加至7.5 mL·min-1，噴嘴直徑為2.0 mm時，溶劑為乙酸乙酯的D32從190.31 μm增加至208.52 μm，溶劑為丙酮的D32從186.74 μm增加至198.94 μm，水的D32從585.45 μm增加至627.16 μm，D32分別增加了18.21 μm, 12.20 μm和41.71 μm，增幅較?。粐娮熘睆綖?.5 mm時，溶劑為乙酸乙酯的D32從1.08 μm增加至1.83 μm，溶劑為丙酮的D32從0.84 μm增加至1.50 μm，水的D32從2.28 μm增加至4.12 μm，D32分別增加了0.75 μm, 0.66 μm和1.84 μm，增幅不明顯. 由此可見，液滴直徑隨著液體流量和噴嘴直徑的減小而減小，且在液體流量為1.5 mL·min-1，噴嘴直徑為0.5 mm時，霧化效果最佳. 液體流量對D32的影響在較大噴嘴直徑(2.0 mm)時大于在較小噴嘴直徑(0.5 mm)時. 這是因為隨著噴嘴直徑的增大，氮氣對液膜的沖擊作用減弱，液膜破碎形成較大的液滴，伴隨著液體流量的增加，霧化液滴數(shù)量上升，液滴間易發(fā)生碰撞，使得液滴相互聚合形成大液滴.

對比圖3(a)，圖3(b)和圖3(c)，發(fā)現(xiàn)丙酮的霧化液滴最小. 這是因為水的表面張力最大，在相同霧化條件下，水霧化所需的能量最多，產(chǎn)生的液滴直徑最大，乙酸乙酯次之，丙酮最小.

2.2 不同氣體流量下噴嘴直徑對液滴粒徑的影響

在液體流量為1.5 mL·min-1，氣體溫度為353 K時，液滴粒徑隨氣體流量和噴嘴直徑的變化如圖4 所示.

由圖4 可以看出，當(dāng)氣體流量為4 100 mL·min-1，噴嘴直徑從0.5 mm增加至0.9 mm 時，溶劑為乙酸乙酯的D32從1.85 μm增加至 17.51 μm，溶劑為丙酮的D32從1.66 μm增加至17.18 μm，水的D32從5.03 μm增加至 51.35 μm，D32分別增加了15.66 μm, 15.52 μm和46.32 μm，增幅較小；噴嘴直徑繼續(xù)由0.9 mm增加至2.0 mm時，溶劑為乙酸乙酯的D32從17.51 μm 增加至400.38 μm，溶劑為丙酮的D32從17.18 μm增加至395.96 μm，水的D32從51.35 μm 增加至1 204.01 μm，D32分別增加了382.87 μm, 378.78 μm和1 152.66 μm，增幅較大. 從液滴直徑的增加程度可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴嘴直徑的增大，液滴直徑初始時平緩增加之后快速增大.

(a) CL-20/乙酸乙酯(b) CL-20/丙酮(c) 水圖4 不同氣體流量和噴嘴直徑下干燥塔內(nèi)液滴的霧化特性Fig.4 Atomization characteristics of droplet in drying tower under different gas flow rate and nozzle diameter

在氣體流量由4 100 mL·min-1增加至7 883 mL·min-1，噴嘴直徑為0.5 mm時，溶劑為乙酸乙酯的D32從1.85 μm減小至0.44 μm，溶劑為丙酮的D32從1.66 μm減小至0.34 μm，水的D32從5.03 μm減小至1.61 μm，D32分別減小了1.41 μm, 1.32 μm和3.42 μm，減幅不明顯；噴嘴直徑為2.0 mm時，溶劑為乙酸乙酯的D32從400.38 μm減小至108.41 μm，溶劑為丙酮的D32從395.96 μm減小至107.15 μm，水的D32從1 204.01 μm 減小至321.70 μm，D32分別減小了291.97 μm, 288.81 μm和882.31 μm，減幅明顯. 由此可見，液滴的D32隨著氣體流量的增大和噴嘴直徑的減小而減小，且在氣體流量為7 883 mL·min-1，噴嘴直徑為0.5 mm時，霧化效果最佳. 氣體流量對D32的影響在較大噴嘴直徑(2.0 mm)時大于在較小噴嘴直徑(0.5 mm)時. 這是因為隨著噴嘴直徑的減小和氣體流量的增大，氣液兩相間的速度差增大增強了氮氣對液膜的沖擊，氣液兩相間擾動增強，促使液膜破碎為更小的液滴，使得霧化后的液滴粒徑變小.

2.3 不同氣體溫度下噴嘴直徑對液滴粒徑的影響

在液體流量為1.5 mL·min-1，氣體流量為7 883 mL·min-1時，液滴粒徑隨氣體溫度和噴嘴直徑的變化如圖5 所示.

由圖5 可以看出，當(dāng)噴嘴直徑從0.5 mm增加至2.0 mm時，氣體溫度為293 K，溶劑為乙酸乙酯的D32從1.05 μm增加至124.88 μm；當(dāng)氣體溫度上升至353 K時，D32達到最小值，D32從0.44 μm 增加至108.41 μm；當(dāng)氣體溫度繼續(xù)升至373 K時，D32從0.98 μm增加至115.09 μm. 溶劑為丙酮，氣體溫度為293 K時，D32從0.60 μm增加至118.99 μm；當(dāng)氣體溫度上升至333 K時，D32達到最小值，D32從0.31 μm增加至103.36 μm；當(dāng)氣體溫度繼續(xù)升至373 K時，D32從0.66 μm增加至113.87 μm. 當(dāng)氣體溫度為293 K 時，水的D32從2.66 μm增加至340.89 μm；當(dāng)氣體溫度上升至373 K 時，D32從1.46 μm增加至310.16 μm. 由此可見，當(dāng)噴嘴直徑不變時，以乙酸乙酯或丙酮為溶劑的D32隨著氣體溫度的上升先減小后增大，水的D32隨著氣體溫度的上升逐漸減?。划?dāng)氣體溫度不變時，D32隨著噴嘴直徑的減小而減小，且在噴嘴直徑為0.5 mm時，D32最小. 噴嘴直徑的影響遠大于氣體溫度的影響. 這是因為氣體溫度不變，單位時間內(nèi)提供的熱量有限，伴隨著噴嘴直徑的增大，液滴粒徑呈增大趨勢，使得液滴中溶劑的蒸發(fā)速度減緩，霧化后的液滴粒徑變大；隨著氣體溫度的升高，溶液的表面張力下降，霧化所需動能降低，液滴粒徑減??；當(dāng)氣體溫度達到溶劑沸點并繼續(xù)升高時，溶劑蒸發(fā)速度加快，導(dǎo)致液滴內(nèi)部壓力過大而使液滴膨脹破碎發(fā)生團聚，造成液滴粒徑變大.

(a) CL-20/乙酸乙酯

(b) CL-20/丙酮

(c) 水圖5 不同氣體溫度和噴嘴直徑下干燥塔內(nèi)液滴的霧化特性Fig.5 Atomization characteristics of droplet in drying tower under different gas temperature and nozzle diameter

3 結(jié) 論

本文通過建立CL-20的噴霧干燥霧化模型，研究了不同工藝參數(shù)(液體流量、氣體流量、氣體溫度和溶劑)下噴嘴直徑對干燥塔內(nèi)液滴粒徑的影響，主要結(jié)論如下：

1) 在相同的液體流量、氣體流量、氣體溫度和溶劑下，隨著噴嘴直徑的減小，D32呈減小趨勢，且噴嘴直徑在0.5 mm～0.9 mm之間時，D32減小速度平緩.

2) 當(dāng)液體流量為1.5 mL·min-1、氣體流量為7 883 mL·min-1、氣體溫度為333 K、溶劑為丙酮且噴嘴直徑為0.5 mm時，液滴D32最小.