旋流式组合压力喷雾干燥技术研究

摘要

压力喷雾干燥装置是利用压力雾化装置将原料液分散成细小雾滴,并与热介质在干燥塔内充分进行热量、质量交换,最终达到干燥产品的目的.干燥产品可以根据需要生产成细粉状、颗粒状、空心球状或团聚状.压力喷雾干燥装置其雾化器的结构适用易调,可通过改变喷嘴的内部结构得到所需要的喷液量和雾滴尺寸,目前该型式干燥机已推广应用于食品、化工、医药、建材、环保等行业.作为能源消耗的大户之一的喷雾干燥,如何在保证干燥产品质量的前提下,进一步提高能源利用率,提高干燥塔的体积蒸发强度;减少环境污染,降低运行成本;加强系统的自动化程度以提高劳动生产率;在提高产品质量的同时减少设备尺寸,减少固定投资等都具有重要的研究和应用价值.该文总结了国内外在压力喷雾干燥装置的研究应用状况,并分析了现有喷雾干燥装置设计方面的优缺点,运用流体力学、空气动力学、传热传质学、机械设计和计算机技术等多学科知识,综合研究了传统压力喷雾干燥系统的单喷嘴雾化装置在并流、逆流以及混流干燥中的应用和喷雾干燥塔的不同布风装置以及出风装置的设置情况等,提出了新型旋流式组合压力喷雾干燥技术并对此进行了研究,其主要内容包括:(1)该文创造性地设计出旋流式组合压力喷嘴的基本结构,并通过对料液的物化特性研究分析以及颗粒度的分布要求,给出了喷嘴的不同结构设计参数.(2)对旋流式组合压力喷嘴喷射雾化机理加以分析,建立了旋流式喷嘴雾化的数学模型,采用冷态试验法并借助激光雾滴测试等实验装置对喷嘴的雾化参数(如雾化压力、喷液量、料液温度、雾化角、雾距、雾滴直径和分布以及喷嘴的空芯半径等)进行测量和计算.针对几种不同物化特性的物料,并利用CFD技术模拟分析影响其雾化的关键参数,通过调整喷嘴的结构参数和喷射条件,优化了该型式喷嘴的雾化性能.(3)采用k-ε模型实验了压力喷雾干燥塔的温度场、湿度场、流场的理论建模,利用计算流体力学(CFD)技术来解决喷雾干燥过程中热介质与雾滴间的传热传质以及动量传递的湍流扰动等问题,避免了干燥过程中的设计不合理状况;通过增加双格栅均风装置和旋转出风装置,改善了干燥塔内的热质传递,提高了干燥塔的体积蒸发强度.(4)采用旋流式组合压力喷嘴雾化后的液滴直径大都分布在30~150um之间,雾滴分布范围较窄,其雾化的平均液滴直径在50~100um左右,压力喷嘴的雾化角度可在150°~180°范围内.因雾滴的脱水时间与其直径的平方成正比,减小液滴直径有利于缩短干燥脱水时间,可有效降低干燥塔的高度;由于旋流式组合压力喷嘴雾化滴径的减小,脱水速度明显加快,在不影响干燥物料性质的前提下,适当提高进风温度,同时有效地降低排气温度,有利于提高干燥塔的蒸发强度,也有利于提高干燥设备的平均能源利用率.(5)该文创造性地设计了新型的双格栅均风装置并设置在压力喷雾干燥塔的上部,强化了干燥塔内气、液两相间的混合,最大限度地消除了干燥塔内的无效区域,对热敏性物料的干燥更显出该结构型式的优越性.应用结果表明:采用新型的旋流式压力喷雾干燥塔的体积蒸发强度可达12kgH<,2>O/m<'3>·h,能源利用率可达60％,既提高了产品的质量和产量,又降低了设备投资和土建规模.压力喷雾干燥塔的高度比常规压力式喷雾干燥塔高度降低1/3,总投资要节省1/3以上,具有较高的应用推广价值.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1液体射流雾化研究

1.2.2干燥模型和装置研究

1.2.3喷雾干燥测试技术

1.3旋流式组合压力喷雾干燥技术的提出

1.4研究内容

第二章旋流式组合压力喷嘴雾化模型研究

2.1序言

2.2旋流式组合压力喷嘴的雾化模型

2.2.1旋流式组合压力喷嘴的结构型式

2.2.2喷液量和流量系数

2.2.3雾化角

2.2.4雾化速度

2.2.5雾滴直径

2.3旋流式压力喷嘴的CFD模拟

2.4本章小结

第三章旋流式组合压力喷嘴雾化试验研究

3.1序言

3.2冷态雾化试验装置

3.3冷态雾化试验

3.3.1自来水雾化试验

3.3.2碱式硫酸铬雾化试验

3.4雾化试验分析

3.4.2旋流式压力喷嘴气芯影响因素分析

3.4.3旋流式压力喷嘴雾化角影响因素分析

3.4.4旋流式压力喷嘴雾化液滴直径影响因素分析

3.5本章小结

第四章旋流式组合压力喷嘴干燥的数学模拟

4.1序言

4.2压力喷雾干燥试验装置

4.3压力喷雾干燥数学模型

4.3.1模拟区域

4.3.2气相控制方程组

4.3.3颗粒轨道模型

4.3.4气粒两相间热质传递模型

4.3.5模型边界条件

4.4压力喷雾干燥数学模型求解

4.4.1模型区域的非结构网格化

4.4.2微分方程离散化

4.4.3方程求解

4.4.4单相代数方程组SIMPLE算法

4.4.5气体一颗粒两相流的LEGAML算法

4.5压力喷雾干燥CFD模拟

4.6本章小结

图

第五章旋流式组合压力喷嘴干燥的试验研究

5.1序言

5.2热态试验装置

5.2.1旋流式组合压力喷嘴

5.2.2热风分配器

5.2.3旋转出风装置

5.3热态喷雾试验

5.3.1食盐水热态试验

5.3.2猩红酸热态试验

5.3.3碱式硫酸铬热态试验

5.3.4混凝土减水剂热态试验

5.4工业化设计路线

5.4.1确定操作参数

5.4.2确定颗粒尺寸及分布

5.4.3确定产品的堆积密度

5.4.4确定进料浓度

5.4.5干燥温度的选择

5.4.6成品排卸方法

5.5工业装置设计应用

5.6旋流式组合压力喷雾干燥条件对干燥成品的影响

5.7本章小结

第六章结论与建议

6.1主要结论

6.2建议

附录一雾化装置的设计计算

附录二双格栅布风装置的设计计算

参考文献

符号一览表

致 谢

作者简历