张健平,赵周能,康中宝

(西南科技大学,四川绵阳 621010)

流化床干燥实验装置液体分布器的改进

张健平,赵周能,康中宝

(西南科技大学,四川绵阳 621010)

原流化床干燥实验装置没有液体分布器,很难使水均匀润湿固体颗粒变色硅胶使其达到饱和,导致学生做实验时所测得的临界含水率增大,干燥速率变小,干燥速度曲线恒速干燥阶段无法确定,鉴于此,采用管式锥形孔液体分布器改进了原流化床干燥实验装置。经FLUNET数值模拟分析发现,经改进后,水在颗粒床层内流速分布的均匀性显著提高,其扩散范围也明显扩大,流速更加趋于稳定,且进出口速度差显著降低,减小为原实验装置的0.12倍,则水可以均匀地润湿床层内的固体颗粒变色硅胶使其达到饱和,从而减小了实验误差,提高了实验结果的准确率。

流化床干燥实验装置;液体分布器;改进;数值模拟;实验精度

流化床干燥器广泛应用于轻工、化工、食品、医药等行业的颗粒状和粉状物料的干燥,具有较高的传质和传热速率[1]。因此我校过控实验室采用流化床干燥实验装置进行干燥实验,主要目的是测定固体颗粒变色硅胶的干燥速率、干燥速度曲线,以及临界点和临界湿含量[2]。在流化床干燥实验装置中液体分布器是一个关键部件,其作用是把水在流化床干燥实验装置的顶部进行均匀的初始分布,以提高润湿的有效表面,改善液-固相间接触,使水充分润湿干燥实验装置内的固体颗粒变色硅胶。目前常用的液体分布器大体上可以分为3种类型:喷头式液体分布器、管式液体分布器和槽式液体分布器[3-6]。其特点分别如下:①喷头式液体分布器的优点是构造简单,造价成本低,但喷淋面积较小,均匀性差,因此当前实际生产中使用较少;②管式液体分布器具有液体均布性能好,气流通道大,通道面积甚至可超过70%干燥器的截面,且结构简单,加工方便,易于支承,造价低廉等优点,故已得到广泛使用,不过其主要不足点是允许的喷淋密度不大,操作弹性比较小,孔口流速不能太大,对进料中不允许含固体杂质、夹带气(汽)体[7-8];③槽式液体分布器具有液体分布质量高,气相流动阻力低,流量大,抗堵塞及分布性能稳定等特点,适用于大型塔设备[9-10]。根据过控实验室流化床干燥实验装置,因水中没有固体颗粒且负荷不大,管式液体分布器的制作成本相对效低,且结合浙江工业大学朱菊香等[11-13]对其结构上的改进与应用研究的分析发现,实验室的流化床干燥实验装置选用管式液体分布器可使水达到均匀分布和操作稳定,能满足流化床干燥实验装置液体分布器技术改造的要求。鉴于此,本文采用管式液体分布器来改进过控实验室流化床干燥实验装置,通过理论计算和数值模拟分析以得到合理的结构设计与具体尺寸,以使水更均匀地润湿床层内的固体颗粒变色硅胶,提高实验结果准确率。

1 原流化床干燥实验装置存在的缺陷

过控实验室流化床干燥实验装置的工艺流程如图1所示,新鲜空气经过电加热管5加热后,由干燥器底部鼓入,进入床层8将固体颗粒流化并进行干燥,湿空气由干燥器顶部,经旋风分离器11进行固气分离后放空;固体变色硅胶采用间歇操作方式,由干燥器顶部加料口13加入,试验结束后由下部卸料口9排出。在实验前从加水口12加入一定水量润湿床层内的颗粒达到饱和,当加至饱和后,继续以小流量缓慢均匀地加水,直至流化床内温度至70℃时为止[2]。

图1 流化床干燥实验装置的工艺流程图

通过实验教学发现,学生做实验过程中所测定的临界含水率增大,干燥速率变小,干燥速度曲线的降速阶段较为明显,而恒速阶段无法确定,不便于学生对理论知识的掌握。通过对实验设备的了解和对理论知识的研究发现,其实验设备主要存在缺陷之一是,实验前从加水口加入一定水量润湿床层内的颗粒,由于原流化床干燥实验装置顶部没有液体分布器,水从干燥实验装置顶部中心直接流入床层内,很难使水均匀润湿固体颗粒变色硅胶[13]。本文通过理论分析和数值模拟改进这一缺陷,对管式液体分布器进行初步结构设计,通过ANSYS软件分析,改进水的入口装置,以获得最佳的液体分布器结构设计和具体尺寸。通过改进后以解决2个主要问题以提高实验结果的准确率:①实验前能缓慢地加水,且水能均匀地润湿固体颗粒变色硅胶达到饱和;②当加至饱和后,能继续以小流量缓慢均匀地加水,直至流化床内温度至70℃时为止。

2 液体分布器的改进与验证

2.1 液体分布器的改进

通过比较分析不同类型液体分布器的优缺点,并结合过控实验室流化床干燥实验装置的具体情况,选择了管式液体分布器作为改进对象,并通过数值模拟分析,以管式液体分布器为基础,采用锥形孔来改进所有的开孔形状,使水分布更均匀,且解决了实验过程中的2个主要问题,实验结果准确率提高,其具体结构与尺寸如图2所示。管式锥形孔液体分布器共开孔16个,开孔的最大直径为φ6mm,最小直径为φ3mm,均匀合理的分布在一根管长为120mm、管径为φ6mm和两根管长为100mm、管径为φ6 mm管子上,其中两边管中的孔间距为15mm,一共6个出水口;中间的孔间距为20mm,一共8个出水口;为了保证在横向方向上水可以均匀流入干燥塔中,在起链接作用的横向管的两端开设了2个出水口。

图2 液体分布器具体尺寸与结构示意图

2.2 液体分布器的验证

2.2.1 物理模型的建立

原过控实验室流化床干燥实验装置的具体结构和尺寸(图3)。

图3 流化床干燥实验装置实物图

经简化得到本文研究的物理模型,其示意图如图4所示,流化床干燥实验装置的总高度为755.8mm,直径为φ137.2 mm;在干燥实验装置顶部进水口高度为105mm,直径为φ6mm。

图4 物理模型示意图

2.2.2 数学模型的建立

本文采用稳态隐式求解,粘性方程采用标准k-ε方程,压力速度耦合采用SIMPLE算法,控制方程的离散采用有限体积法,忽略流体与壁面摩擦力。本文只考虑液相(水)的流动情况,其各控制方程如下:

连续方程

动量守恒方程

式中ρ为水的密度,kg/m3;ε为空隙率;u为水的流速,m/s;β为相间动量传递系数,kg/(m3·s);Ñp为压降,Pa·s;v为颗粒的流速,m/s; τ为粘性应力,kg/(m·s2);g为重力加速度, m/s2。

湍流模型采用标准的k-ε模型,k和ε的守恒方程的具体表达式为:

式中Gk为由于平均速度梯度而造成的湍流动能项;μt为湍流粘度系数;Gb为由于浮力而产生的湍流动能项;YM为湍流马赫数;C1ε、C2ε是模型常数;σk和σε分别是k和ε的湍流普朗特数;Sk和Sε均为用户自定义源项。

2.2.3 网格划分与边界条件

在gambit中按照10∶1的比例构建了流化床干燥实验装置三维物理模型,都采用非结构体网格进行划分,由于液体分布器是重点分析部分,且其具有较小的锥形孔,为了提高分析精度和计算效率,其部分划分网格时需细分,而对其它部分可以适当采用稍大的网格,其具体网格划分如图5所示。进口边界条件定义为VELOCITY-INLET,其流速为0.07 m/s,出口边界条件定义为OUTFLOW,床层内流体为水。

图5 改进后流化床干燥实验装置的网格划分

2.2.4 数值模拟的结果

通过FLUENT数值模拟分析分别得到了原流化床干燥实验装置与改进后的实验装置的速度分布图和速度矢量图,如图6和图7所示。

图6 改进前后的流化床干燥实验装置速度分布云图

从图6可以看出,由于原实验装置的水直接从流化床干燥实验装置顶部流入床层,没有通过液体分布器进行分布,使得水在床层内分布不均匀,在床层内水入口处中心附近区域流速最大,其余部分水流过的速度较小,特别在流化床壁面附近区域内水流速基本为零,床层内水进口处中心与壁面之间产生了较大的速度差,最大的速度差达到了0.569m/s。基本上没有水可以到达流化床壁面附近区域内,从而造成流化床壁面附近区域内水无法润湿固体颗粒变色硅胶,无法达到饱和,而床层中心部分的固体颗粒变色硅胶含水量又过多以使过饱和,因此水无法均匀地润湿固体颗粒变色硅胶以使达到饱和,这与实际实验现象相符合。但是,经改进后,在水入口处布置管式锥形孔液体分布器,水在颗粒床层内流速分布的均匀性显著提高,其扩散范围明显扩大,流速更加趋于稳定,且进出口的速度差也显著降低,减小为原实验装置的0.12倍,则水能均匀地润湿床层内的固体颗粒变色硅胶使其达到饱和,同时也满足了当加至饱和后,继续以小流量缓慢均匀地加水,直至流化床内温度至70℃时为止。因此采用管式锥形孔液体分布器改进现有流化床干燥实验装置可以减小实验误差,提高实验结果的准确率。

图7 改进前后的流化床干燥实验装置速度矢量图

从图7速度矢量云图也可以看出,原实验装置靠近水入口处流速偏大,水很难在瞬间达到均匀分布,造成远离水入口一定区域难以润湿固体颗粒,从而使得固体颗粒变色硅胶很难均匀地达到饱和。经改进后,水通过管式锥形孔液体分布器后均匀地分布在床层内,流速沿轴向和周向孔口出流速度均匀,只是由于壁面效应影响,在壁面附近很小区域内流速稍小一些,能较好地完成水入口的分布任务,显著地提高了水分布的均匀性,使床层内固体颗粒润湿的均匀性得到了显著地提高,从而可提高实验结果的准确率,达到了实验装置液体分布器技术改进的目的。

3 结 论

(1)原流化床干燥实验装置没有液体分布器,很难使水均匀润湿固体颗粒变色硅胶使其达到饱和,且也无法满足当加至饱和后,继续以小流量缓慢均匀地加水,因此在很大程度上抑制了固体颗粒变色硅胶干燥效果,导致实验测得的临界含水率增大,干燥速率变小,干燥速度曲线恒速阶段无法确定。

(2)采用管式锥形孔液体分布器对原流化床干燥实验装置进行改进,使水分布更均匀,且解决了实验过程中的2个主要问题,可以减小实验误差,提高实验结果的准确率。

(3)经改进后,水在颗粒床层内流速分布的均匀性显著提高,其扩散范围明显扩大,流速更加趋于稳定,且进出口的速度差显著地降低了,减小为原实验装置的0.12倍,使水能均匀地润湿床层内的固体颗粒变色硅胶使其达到饱和。

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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