流化床内颗粒流动与传热传质的数值模拟

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流化床具有结构简单、传热传质效率高、物料混合均匀、密封性能好等优点,是制药工业的重要装置。流化床内颗粒流动特性与传热传质是近年来气固两相研究的重要领域。由于流化床应用领域广泛,新工艺过程频出不繁,因此要达到对流化床内的各种物理、化学过程进行全面的数值模拟和准确的预测还需要很多的研究工作。本文采用欧拉双流体模型和颗粒动力学方法,运用商业软件包Fluent12.0数值模拟了流化床内气固两相流动。研究了流化床内颗粒体积分率分布、床层压力变化以及颗粒运动规律,并对不同直径和结构的流化床内颗粒流动特性进行了研究。通过Fluent自定义宏UDF模拟了流化过程中粒径随时间变化时颗粒的流动特性。结果表明,与Gidaspow曳力模型和Wen-Yu曳力模型相比,Syamlal-O’Brien曳力模型更适合小粒径、低气速的流化床模拟,其最大误差为2.03%。随着粒径的增大,床层压降减小,颗粒达到流化状态所需的气速增大。床层压降随初始床层的增大而增大,然而颗粒的临界流化速度不变。床体结构能够影响颗粒在床内的流动形态。为了探索颗粒在三维流化床内的运动规律,采用离散单元法(Discrete ElementMethod,DEM),运用商业软件PFC3D对三维流化床内的颗粒进行了跟踪模拟。结果表明,大部分颗粒在床内水平方向顺时针运动,在竖直方向上下循环流动。在相同条件下,欧拉双流体模型三维模拟结果与离散单元模型三维模拟结果基本相同。应用欧拉双流体模型对淀粉颗粒在流化床内的传热传质过程进行了数值模拟,研究了淀粉颗粒的干燥特性。通过正交试验设计方法分析了空气温度、速度以及湿度对干燥干湿分离情况的影响。结果表明,颗粒最终湿含量随着空气温度和速度的增大而减小,随空气湿度的增大而增大,空气温度对干燥的影响最大。建立了淀粉颗粒的干燥经验方程,并用最小二乘法回归得出了模型参数值。
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