惰性粒子流化干燥研究及气体分布板结构优化

摘要

本文针对惰性粒子流化床干燥器，为进一步提高设备的传热与传质等生产操作性能，拟设计获取基于流场分析和结构优化的新型高效气体分布板。为此，在大量文献调研的基础上，以洗衣粉悬浮液为对象，先后开展了惰性粒子流化干燥过程的实验测定、数学建模和CFD模拟研究。通过测定流化床的流化和床层压降操作曲线，以及在相同进风速率、惰性粒子直径、进料体积流量、物料初始质量分数、进风温度或静床高等操作条件下的体积传热系数、热效率、干燥强度和滞留率的变化曲线，考察并比较了气体分布板开直孔和开斜孔时的流体力学、传热及传质性能。结果表明，在相同的操作工况下，与传统的开直孔气体分布板相比，气体分布板开斜孔时的流化操作压降虽有所升高，但其临界流化速率和滞留率将减小，同时体积传热系数、热效率和干燥强度将增大，从而表明了斜孔较直孔更加有利于流化床干燥传递性能的提高。 利用测得的实验数据，并结合文献报道的常用假设，通过将流化流动与颗粒沉降流动、饼层过滤流动进行机理的类比，构建得到了可描述临界流化速率和床层压降的数学模型。与此同时，运用量纲分析法，关联得到了可描述体积传热系数和干燥强度的无量纲模型。经初步地模型分析发现，所建模型可较好地反映出因、自变量之间的对应变化关系，且与前期的实验结果基本吻合。 基于上述的研究成果，运用CFD商用计算软件，模拟并分析了气体分布板开直孔和开斜孔时的流场分布特性，同时比较了两者在正三角形、正方形布孔排列下的气固流场差异，并由此确定了斜孔、正三角形排列的最佳分布板结构。采用该结构的气体分布板通常可维持床内惰性粒子充分和剧烈地流化，其颗粒的平均流化速率及相应的浮动床层高度均将最大。在此基础上，针对该结构的气体分布板，以降低操作的床层压降为目标，借用均匀设计的研究手段，对气体分布板的板厚及开孔尺寸等参数进行了计算与优化。结果表明，在计算考察的范围内，当开孔角度35°、开孔直径2.5 mm、开孔率10.5％、板厚1.2 mm时，该结构的气体分布板可获得最低的床层压降，故相应的尺寸信息应为最优的尺寸组合。进一步实验考察的结果表明，优化后的气体分布板与传统的直孔气体分布板相比，床层压降值可降至基本相当，但体积传热系数、热效率和干燥强度均较后者有着显著地提高，增幅分别达到13％、39％和21％，同时临界流化速率和滞留率也可分别降低17％和20％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

前言

第一章 流化干燥操作及其数值模拟技术的研究进展

1.1流化干燥操作

1.1.1传统的流化干燥操作

1.1.2改进的流化干燥操作

1.1.3惰性粒子流化干燥操作

1.2流化干燥的数学模型

1.2.1流化床模型的分类

1.2.2惰性粒子流化干燥模型

1.3气体分布板的性能与结构

1.3.1孔板压降

1.3.2分布板的结构

1.4计算流体力学(CFD)与优化设计

1.4.1 CFD简介

1.4.2 CFD商业化软件

1.5论文的课题来源与研究重点

1.6论文的主要创新点及组织结构

第二章 惰性粒子流化干燥实验

2.1引言

2.2实验目的、内容及方案设计

2.3实验装置流程

2.4主要设备的结构型式

2.4.1流化床主体结构

2.4.2加料输送设备

2.4.3气体分布板

2.5实验参数设计

2.5.1惰性粒子材质与尺寸

2.5.2惰性粒子的静床高

2.5.3进风速率

2.6实验数据测定与计算

2.6.1进料量、操作温度与风速

2.6.2床层压降

2.6.3体积传热系数和热效率

2.6.4干燥强度和滞留率

2.7结果与讨论

2.7.1分布板开直孔时干燥性能

2.7.2分布板开斜孔时干燥性能

2.8本章小结

第三章 惰性粒子流化干燥模型

3.1引言

3.2建模理论与假设

3.2.1量纲分析法

3.2.2模型假设

3.3模型的建立与分析

3.3.1临界流化速率模型

3.3.2床层压降模型

3.3.3传热与传质模型

3.4本章小结

第四章 基于CFD的气体分布板结构优化

4.1引言

4.2 CFD的模型理论

4.2.1 N-S方程组的通用表达式

4.2.2基于双流体理论的气固流场模型

4.2.3基于离散颗粒法的气固流场模型

4.3离散计算方法

4.4惰性粒子流化床的流场模拟

4.4.1模拟参数信息

4.4.2模拟计算步骤

4.4.3网格划分与计算条件

4.5模拟结果与讨论

4.5.1未添加惰性粒子时的单相流场特性

4.5.2添加惰性粒子后的气固流场特性

4.5.3分布板优化后的气固流场特性

4.5.4分布板优化前后的实测干燥性能对比

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文工作总结

5.2工作不足与展望

致谢

参考文献

发表的学术论文