闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟.docx

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闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟

分类号密级

UDC

学位论文

闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟

作者姓名：

吴

指导教师：

张副教授

东北大学工程图学教学与研究中心

申请学位级别：

硕士

学科类别：

工学

学科专业名称：

机械设计及理论

论文提交日期：

2008年6月15日

论文答辩日期：

2008年6月20日

学位授予日期：

2008年7月25日

答辩委员会席：

评阅人：

东北大学

2008年6月

AMaster'sThesisinMechanicalDesignandTheory

NumericalSimulationofGas-SolidTwo-phaseFlowWithinspinflashdryer

byWu

Supervisor:

AssociateProfessorZhang

NortheasternUniversity

June2008

独创性声明

本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：

即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。

（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。

）

学位论文作者签名：

导师签名：

签字日期：

签字日期：

SZ45型闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟

摘要

旋转闪蒸干燥装置是国外八十年代推出的将干燥技术和流态化技术综合为一体的一种干燥设备。

该装置技术先进、设备紧凑、操作简单、维修方便，强化了气固传热效果。

节能效果显著，是一种高效、快速的理想干燥设备，在化工、印染等行业得到了广泛的应用。

本课题根据干燥机工作的物理环境（热、流场），综合考虑气固两相流理论、计算流体动力学理论以及热力学理论，确定其影响的主要因素，建立了数学模型和控制方程。

在建立闪蒸干燥机三维实体模型的基础上，应用ANSYS分析软件中的FLOTRAN模块对干燥机进行数值模拟分析，得到系统内流场的温度、速度、压力和物料分布等。

利用ANSYS软件强大的后处理功能从各个方面对数值计算结果进行分析，为该机型的设计提供一定的理论依据。

论文还通过改变各边界条件，如高温气体初始温度、初始速度，比较各不同参数变量所对应的模拟结果。

分析各参数变量是如何影响干燥结果和整个流场运动情况的，最后通过对比、得出各参数影响的趋势。

本课题对干燥机多物理场藕合数值的模拟，基本能够真实地反映出该干燥机对物料的整个处理过程。

本文的理论、数值模拟计算方法是正确可靠的。

可见采用数值模拟技术对工程问题中的流动与传热过程进行计算分析是一种十分经济有效的方法，节省人力物力。

该研究成果为该产品的进一步开发设计提供了理论依据，同时为气固两相流动的研究提供了手段，还为数值模拟技术在该工程领域的实际应用和推广打下了基础。

关键词：

闪蒸干燥机ANSYS流场气固两相流湍流

NumericalSimulationofGas-SolidTwo-phaseFlowWithinSZ45Typespinflashdryer

Abstract

Spinflashdryerisakindofdryingequipmentthatbedetrusivedineightyagesandwhichcombinesdryingtechnologyandstreamstatetechnology.Thissophisticatedequipmentiseasytooperate、handleandmaintain,whichstrengthensheatpassageeffectbetweengasandsolid.Itisonekindofhigh-effect、energyconservationandidealdryingequipment,whichhasgotbroadapplicationinindustrysuchaschemical、printing、dyeingandsoon.

Accordingtothephysicsconditionofdryingmachine（environmentheat,flowdistribution）,themaineffectfactorsareascertainedandthemathematicmodelandthecontrolequationarebuilt,whichconsidersthetwo-phasestreamtheory、calculationflowmechanicstheoryandthermodynamicstheorysynthetically.Basingonthethree-dimensionalentitymodelandusingtheFLOTRANinANSYSsoftware,innerflowdistributiontemperature、speed、pressureandmaterialdistributionofthesystemaregot.Numericalvaluecalculationcanbecarriedoutfromeachaspectbyusingthepowerfulpost-processingfunctionoftheANSYSsoftware,whichprovidesthecertaintheoryforthedesignofthesystem.Bychanging

eachbordercondition,suchasinitialhightemperatureandinitialspeed,thesimulationresultofdifferentvariableparametersarecompared.Byanalysingeveryvariableparameterhowtoaffecttheresultanddryingmovecondition,theoptimumparameterisfixedsynthetically.

Thesimulationofthewholecouplingnumericalvalueofthewholedryingsystemcanreflecttheprocessofhandlingthematerialbasically.Thetheorystudiesmethodandthenumericalvaluesimulatesreckoningofthispaperiscorrectandreliably.Itcanbeseenthatadoptingnumericalvaluesimulatingtechnologytocarryoutthecalculationoftransmissionandconductingheatiseffectiveandeconomical,whichcansavemanpowerandmaterialresourcessparingly.Theresultofthisstudyprovidestheoryforfurtherresearchandatthesametimeoffersmeansforthegassolidtwo-phasemobileresearch,whichalsolaysdownbasisfortheapplicationandspreadofthenumericalvaluesimulatestechnology.

Keywords:

spinflashdryer；ANSYSsoftware；flowfield；Gas-Solidtwo-phaseflow；rushingflow

目录

独创性声明i

摘要ii

Abstractiii

第1章绪论-1-

1.1课题来源-1-

1.2闪蒸干燥机简介-3-

1.2.1概述-3-

1.2.2旋转闪蒸干燥机的构造及原理-3-

1.2.3旋转闪蒸干燥机的应用特点-6-

1.3论文选题的目的和意义-7-

1.4本文研究的内容及方法-8-

1.4.1本文研究的主要内容-8-

1.4.2研究本课题采用的主要方法-8-

第2章闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟的理论基础-9-

2.1ANSYS软件及有限元法简介-9-

2.1.1有限元软件ANSYS简介-9-

2.1.2ANSYS/FLOTRAN模块简介[10]-11-

2.1.3ANSYS求解-14-

2.1.4数值模拟方法简介-15-

2.2传热学基础-17-

2.2.1传热学基本方程[1]-17-

2.2.2三种基本热传递方式-18-

2.2.3热分析材料基本属性-20-

2.2.4边界条件与初始条件-20-

2.2.5施加载荷[11]-21-

2.2.6稳态与瞬态热分析-22-

2.3计算流体力学研究现状-23-

2.4流体力学基础-25-

2.5气固两相流理论-27-

2.5.1两相流研究现状-27-

2.5.2两相流的数值模拟-28-

2.5.3两相流的理论模型-29-

第3章计算模型建立及数值模拟过程-33-

3.1概述-33-

3.2多组份传输分析-33-

3.2.1混合类型-33-

3.2.2多组份输运分析的计算过程-34-

3.3干燥机内温度场和流场数值模拟的数学模型-36-

3.3.1流场温度场的控制微分方程-36-

3.3.2湍流模型-39-

3.3.3微分方程的离散-42-

3.4建立模型及网格划分-43-

3.4.1实体模型的建立-43-

3.4.2有限元网格的划分-44-

3.5边界条件和初始条件的确定-46-

3.6FLOTRAN求解设置-47-

第4章计算结果的分析-51-

4.1温度分析-51-

4.2流场速度分析-54-

4.3压力分析-57-

4.4物料-60-

4.5小结-62-

第5章影响干燥机性能的因素及其数值模拟研究-63-

5.1、高温气体初始速度的影响-63-

5.2、高温气体初始温度的影响-68-

第6章结论与展望-73-

6.1本文主要研究结果-73-

6.2不足之处和研究展望-73-

参考文献-75-

致谢-78-

第1章绪论

1.1课题来源

在当今时代,干燥产业与我们工业生产和日常生活息息相关，在对国民经济发展有着重要影响的产业领域,例如化工、染料、矿业、医药、食品、建材、饲料等,干燥技术都是不可或缺的。

中国干燥产业从上世纪80年代中后期才迅速崛起。

据不完全统计,中国干燥企业有581家,年产值在40亿元左右。

绝大多数为中小型企业,且以民营企业为主,近58%的干燥企业集中在江苏的常州、江阴、苏州一带【1】。

目前常规干燥设备基本可以满足国内的生产需要,有部分机型达到了国际当代水平并出口到国外。

但是，我国干燥设备技术与世界发达国家的同行业相比还存在着一定的差距。

目前市场中、低技术产品占主导地位。

我国加入WTO后,将会有更多的国际同行进入国内市场,随着国际竞争的不断加剧,我们将面临巨大的竞争压力。

世界著名的干燥设备制造商,如丹麦的尼鲁集团、日本的大川原株式会社等已纷纷在我国设立分公司,抢夺中国市场[35]。

随着经济全球化进程的加快,更多的跨国公司将把目标转移到中国市场。

日益激烈的竞争要求我们的企业必须通过技术进步、吸收国外先进技术、自主创新来提升产品品质。

产品发展的思路要在设备的大型化、控制的自动化程度、设备表面处理质量、耐腐蚀材料的选用上下功夫,开发多功能组合机,促使产品的生命周期不断延长。

旋转闪蒸干燥机又称旋转快速干燥机，是对流干燥机型的一种【2】。

由于从物料中蒸发出气相的过程是在瞬间完成的，气流在干燥室内旋转上升，故称作旋转闪蒸。

旋转闪蒸干燥机是丹麦的安海达诺公司（ANHYDRO）为了解决高粘性膏状、糊状以及滤饼状物料的直接干燥问题，于70年代开发出的产品，并分别于1978年、1983年推出第二、三代产品，它是气流干燥技术最大的改进。

投入市场后，引起各国干燥行业的重视，纷纷引进用于染料等工业物料的干燥。

目前，瑞士、意大利、法国等近20个国家，拥有这种设备。

第一代旋转闪蒸干燥机（SPINFLASHDRYER）如图1.1（A型）所示，其结构与60年代末期我国上海染化十厂研究开发的粉碎—气流干燥设备很相似。

第二代改进产品，主机为平底式结构，干燥过程进入的热风及排除的乏气由一台引风机来完成，如图1.1（B型）所示。

干燥室底部物料与出口的流速上下基本一致，这样易发生物料沉积底部，使主机不能正常工作，而且物料产生过热，影响产品的产量及质量，如果有热敏性物料，就会发生易燃、易爆现象。

例如我国吉林化学工业公司购买一台旋转闪蒸设备用去65万美元的外汇，不但不能连续干燥H酸，每周都需要停机清理，而且该物料有热敏性，不时有自燃现象。

第三代产品，干燥主机底部改成倒锥体，如图1.1（C型）所示，增加了分级器，热风分布器也做了改进，虽然比前两种结构好些，但仍存在着一些问题。

从国内外旋转闪蒸干燥机的生产情况看，国产的旋转闪蒸干燥机技术比较混乱，生产能力也不足，但其中开发成功的干燥滤饼状、膏糊状物料的工艺已经达到了国际先进水平；国外的产品虽对重要参数有很好的自动控制，但自从国内研制出旋转闪蒸干燥机后，安海达诺公司的干燥设备失去了我国市场。

图1.1ANHYDRO公司三代旋转闪蒸干燥机示意图

Fig.1.1ANHYDROcompanythreegenerationsofspinflashdryerdiagram

根据旋转闪蒸干燥机的市场应用调查，旋转闪蒸干燥带给用户的直接利益是投资少，占地小，长远利益是每年可节省大量能源，使干燥成本下降，缩短了投资回收期，提高了利润率。

因此，在国内一问世，便得到广大用户的认可，在目前所有对流型干燥机中最受欢迎。

旋转闪蒸干燥尽管存在很多优势，但应用方面仍有不足。

例如，某些厂家对一些物料干燥后，产品质量不合格，经济效益不显著；一些粘性较大的物料干燥时积料现象严重，生产能力达不到设计要求。

干燥是一种高能耗的操作，随着全球经济、技术的竞争日趋激烈，人们对提高产品质量及产量、实现对环境良好的操作以及有效利用能源的意识在逐渐增强，因此，旋转闪蒸干燥技术仍需进一步完善。

对闪蒸干燥机内气固两相流进行数值模拟，是干燥机优化内部结构及运行参数，提高热效率，节约能源的重要前提。

本课题从工程应用的角度出发，综合以往数值模拟的优势，采用ANSYS热分析软件对干燥机内干燥室进行建摸，网络划分，然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点温度,继而进一步求解出其他相关量。

经过二十多年的研究和发展【3】，目前旋转闪蒸干燥机已经在生产中得到广泛应用。

在印染、化工、城市污泥处理等领域产生了显著效果。

但是由于旋转闪蒸干燥器中对气固两相流的流场温度场分析过程十分复杂，而干燥机的实验和理论还处于发展阶段。

关于闪蒸干燥机的实验研究通常都着眼于具体型号干燥器的干燥参数实验或者各个参数之间的最佳匹配实验，尚未见到其它单位从事旋转闪蒸干燥机气固两相流的流场温度场方面的研究。

因此，无论从理论上还是从应用来看，“闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟”这一课题来源于实际工程的需要，它的实现不仅可以解决了旋转闪蒸干燥机存在的一些问题，而且对我国干燥行业的发展也有着现实意义，而且具有一定的社会意义。

1.2闪蒸干燥机简介

1.2.1概述

旋转闪蒸干燥装置是一种将干燥技术和流态化技术综合为一体的干燥设备,它克服了干燥设备能耗大和流化床干燥不均匀的缺点,集两者之所长,成为具有高效、节能、快速等特点的理想干燥设备。

它特别适合于膏状物、滤饼等物料的直接干燥,弥补了耙式干燥效率低、产量小的不足,改变了喷雾干燥先稀释再进行喷雾处理的复杂过程。

数年来,旋转闪蒸干燥广泛应用于轻工、石油、化纤、食品、矿山、涂料、染料及中间体等化工行业的高粘度、高稠度、热敏性膏状物料的干燥。

与其他干燥设备相比,旋转闪蒸干燥装置技术先进、设备紧凑、操作简单、维修方便,强化了气固传热效果,使干燥时间大为缩短,产品产量及质量大大提高,节能效果十分显著。

1.2.2旋转闪蒸干燥机的构造及原理

1.2.2.1干燥机的构造

旋转闪蒸干燥机的结构【4】如图1.2所示，主体是圆筒形干燥室4，由热风分布器2、分级器5、下部打散机构3等组成，还有螺旋加料器等辅助设备，由下自上大体可分为三个部分:

流化段、干燥段、回收段。

其中，干燥机流化段由热风分布器2、下打散机构3及干燥机倒锥体底部组成，分级器5为圆环状，其附近及上部为回收段，流化段和回收段之间的部分为干燥段。

1——螺旋输料机2——热风分布器3——打散机构

4——干燥室5——分级器6——防爆帽

图1.2旋转闪蒸干燥机示意图

Fig.1.2sketchmapofspinflashdryer

图1.3闪蒸干燥机气固流动状态

Fig.1.3gas-solidfluidformofspinflashdryer

图1.3为闪蒸干燥机气固流动的状态图。

如图所示，干燥室底部为锥体结构,其外圆环为热风分配器,与热风入口相连,热风在此作圆环状分布,从筒体底部环隙以切线方向进入流化段形成旋转风场。

环隙尺寸是直接影响干燥机工作状况的主要参数。

锥体结构,可使热风流通截面自下而上不断变大,底部气速相对较大,上部气速相对较小,从而保证了下部的大颗粒处于旋转悬浮状态的同时,上部的小颗粒也处于旋转悬浮状态。

另外,锥体结构还缩小了搅拌轴悬臂部分的长度,增加了运转的可靠性,改善了轴在高温区的工作状况,延长了轴承的使用寿命。

流化段内设有打散机构,用来破碎、分散物料,使热风与物料充分接触并保证粒子在干燥室高温区停留时间为最短。

为防止物料在打散机构作用下抛向四壁,粘结在四壁上出现“结巴”现象,并导致不能正常操作,为此在打散叶片上安装了刮板,并与室底及器壁保持微小间隙。

这种结构可以保证物料在与器壁粘结牢固之前便将其剥落。

另外,打散机构转数也应合理选择,其转速的常规范围为50～500r/min。

打散轴与干燥机底部有良好的密封装置。

干燥室顶部的分级器是一个有一定角度的锥筒。

分级器的作用主要是将颗粒较大、还没有干燥的物料分离挡下,以继续进行干燥,从而保证满足产品粒度分布窄、湿含量均匀一致的要求。

分级器孔径大小和高度决定干品粒度,当高度一定时,孔径越小其产品的粒度越细。

1.2.2.2干燥原理【5】

将旋转闪蒸干燥机的主体设备分为三部分:

底部流化段,中间干燥段,上部回收段。

各段结构不同,所起作用不一样。

（1）流化段是物料入口以下部分,内设有打散机构，如图1.4所示。

它能帮助破碎高粘性物料,使湿料与干燥热空气充分接触,产生最大的传热系数。

干燥热风从切线方向以一定速度进入干燥器底部的环形通道,从壳底缝隙进入流化段。

由于通道截面突然减小,使风速增大,这样在器内形成具有较高风速的旋转风场。

物料自螺旋输送器进入干燥器后,首先承受打散机构的机械粉碎,在离心、剪切、碰撞的作用下物料被微粒化,与旋转热风充分接触形成流化床而被流态化。

处于流化状态的颗粒表面完全暴露在热风中,彼此间互相碰撞和摩擦,同时水分蒸发,使粒子间粘性力减弱,颗粒之间形成分散、不规则的运动,使气固两相充分接触,加速了传质、传热过程。

在流化段内冷热介质温差最大,大部分水分在此区被蒸发。

只有充分干燥后的微粒才能被热风带出流化段。

流化段属于高温区,因为流化段物料颗粒内部保持着一定的水分,物料不会过热,而干燥后的微粒瞬间便脱离高温区,所以旋转闪蒸干燥设备对热敏性物料非常适用。

经过流化段干燥后,物料被破碎干燥成各种粒度不同的球形和不规则形状颗粒,在旋转空气的浮力和径向离心力的作用下,未干燥的颗粒向器壁运动,并因其具有较大的沉降速度而落回流化段重复流化干燥；较小颗粒向上进入干燥段。

图1.4旋闪破碎段内气流走向剖面图

Fig.1.4Rotaryflashintheflowdirectionofthebrokensectionof

（2）干燥段是流化段以上到分级器之间的空间,此时物料在旋转风场中继续干燥。

较小颗粒继续向上进入分级段；较大颗粒在器壁周围向上运动与分级器碰撞下落重新干燥,直至达到干燥质量要求。

干燥段的热风经过流化段质热交换后,风速减小,湿度增大,保证了干燥段在稳定条件下顺利进行。

为了控制物料在干燥器内的停留时间,应根据空气在干燥器内停留的时间来调节空气流速,从而使成品的粒度、产量及最终含水量得到控制,使干燥器形成一种进料速率与符合要求的干品产量之间的平衡。

旋转闪蒸干燥器最终产品的含水量很少受进料湿含量波动的影响,这也是该干燥器的优点之一。

（3）回收段是包括分级器在内的分级器以上部分。

分级器是一个圆锥筒,通过改变孔的直径和分级段高度,即改变空气流速就可以控制离开干燥器的粒子尺寸和数量。

在此段完成干燥、达到粒度要求的物料随热风进入干燥系统后面的气固分离设备进行捕集。

1.2.3旋转闪蒸干燥机的应用特点

旋转闪蒸干燥机又称旋转快速干燥机，由于从物料中蒸发出气相的过程是在瞬间完成的，气流在干燥室内旋转上升，故称作旋转闪蒸。

在应用上具有以下的特点：

（1）能干燥粘性的、非粘性的，甚至粘稠的膏状物料。

在粘性、膏状物料的干燥方面，一直缺少有效的干燥设备，旋转闪蒸干燥使这些物料在很短的时间内得到良好干燥，干燥成品的含水量合格，色泽十分均匀。

（2）集干燥、粉碎、输送于一体，操作简便。

旋转闪蒸干燥机可以将物料一次干燥成为粒度均匀、湿份合格的产品，优于其他干燥设备，减化了工艺流程。

例如，带式干燥机、转筒干燥机等还要将干燥后的物料粉碎；喷雾干燥将干燥前的物料先稀释再干燥。

（3）