旋转闪蒸干燥过程中气固两相流动数值模拟

Numerical simulation of gas-solid two⁃phase flow in the spin flash drying process

摘要

旋转闪蒸干燥是分子筛制备中的关键成型步骤，干燥塔内部的气固两相流动是影响干燥效率和产品质量的重要因素。采用离散相模型（DPM），通过数值模拟方法计算了旋转闪蒸干燥塔内部的气固两相流动和分布状态，分析了不同操作参数对干燥塔内气固两相流动和颗粒停留时间的影响。结果显示，干燥塔内颗粒呈现明显的旋流运动状态，颗粒分布不均匀，整体呈现边壁浓、中间稀的分布特点；提高操作气速能够明显增大干燥塔内气相的流动速度并减小颗粒的平均停留时间；雾化器喷雾角度对平均停留时间的影响不明显，但喷雾角度过大会造成颗粒过早与干燥塔壁面接触，导致塔内壁结垢；喷雾高度对颗粒平均停留时间的影响较小，但喷雾高度过低容易造成颗粒在干燥塔底部聚集，影响产品质量。

Abstract

Spin flash drying is a crucial step in the preparation of molecular sieves. The gas-solid two-phase flow in the drying tower is an important factor affecting the drying efficiency and product quality. Using the discrete phase model （DPM）， the gas-solid two-phase flow and distribution inside a spin flash drying tower were calculated by numerical simulation methods. The influence of different operating parameters on the gas–solid two-phase flow and particle residence time in the drying tower was analyzed. The results show that the particles in the drying tower exhibit a distinct swirling motion. The particle distribution is uneven with a dense edge and a sparse center. Increasing the operating gas velocity can significantly increase the gas flow rate in the drying tower and reduce the average particle residence time. The influence of the spray angle of the atomizer on the average residence time is generally not significant. However， if the spray angle is too large， particles may come into contact with the dry tower wall prematurely， resulting in scaling on the inner wall. The influence of the spray height on the average particle residence time is also relatively small. However， if the spray height is too low， particles are likely to accumulate at the bottom of the drying tower， which will affect product quality.

Graphical abstract

关键词

旋转闪蒸干燥 / 喷雾干燥 / 计算流体动力学（CFD） / 离散相模型（DPM） / 停留时间

Key words

spin flash drying / spray drying / computational fluid dynamics （CFD） / discrete phase model （DPM） / residence time

引言

干燥成型是分子筛制备的关键步骤，旋转闪蒸（旋闪）干燥综合了气流干燥技术与流态化技术的特点，具有干燥快速、均匀等优势^［1-3］，适用于黏度高、热敏性和易分解的物料^［4-5］。旋闪干燥装置由干燥塔、振动筛、除尘布袋、送风系统和加热系统等部分组成^［6-7］，干燥塔底部一般设置分散叶片用于快速分散团块状物料，因此旋闪干燥技术可以用来干燥滤饼、膏糊状物料，已广泛应用于化工、食品、医药等领域。

目前，人们对于旋闪干燥装置的设计和操作多依赖于生产经验，缺乏系统性研究^［8-10］，干燥效果并不理想，严重影响产品质量。为此，本课题组对传统旋闪干燥装置进行了结构改进，在旋闪装置中设置雾化装置，雾化喷头位于干燥塔中部，物料通过雾化喷头雾化成细小液滴，通过与热风接触进行热量和质量的传递进而完成干燥，底部旋转刀组仅用于破碎大尺寸颗粒以及脱落的结壁物料。与传统旋闪干燥装置相比，改进的旋闪干燥装置具有干燥效率高、产品粒径均匀、原料适配性高等优势，已应用于干燥成型工艺中。

旋闪干燥过程存在复杂的气固两相流动和能量、物质交换，了解其中复杂的流动状态有利于进一步控制干燥过程和产品质量。目前，工业装置中复杂的流动情况难以通过实验测量。随着计算技术的发展，数值模拟逐渐成为研究气固流动的重要方法^［11-12］。在工业尺度反应器的模拟中一般使用双流体模型^［13-14］，但是双流体模型将颗粒相视为连续相，丢失了大量颗粒尺度的信息，因此无法处理颗粒尺度的问题，例如颗粒的粒径分布、停留时间等。在颗粒流体的离散化模拟中，流体相仍被视为连续相，颗粒相则使用牛顿运动方程进行描述^［15-16］。离散化方法无需引入连续性假设，而是直接跟踪每个颗粒的信息，因此具有更高的流场解析度和精确度，并且可以实现多粒径、多密度、多球形度分布的颗粒模拟。但是随着模拟体系的增大、颗粒数量的增加，离散化方法的计算成本变得十分巨大。依靠并行技术、CPU⁃GPU混合计算和粗粒化计算技术，计算速度得到大幅提高，使得离散化方法可以应用于工业尺度模拟^［17-19］。

为了明确本课题组改进的旋闪干燥装置的内部流动特性以提高干燥效率和产品质量，本研究采用离散相模型（DPM），通过计算流体动力学（CFD）对该旋闪干燥塔内的流动状态进行模拟，分析了不同操作参数（操作气速、喷雾角度和喷雾高度）对干燥塔内气固两相流动和颗粒停留时间的影响，研究结果可为旋闪干燥塔的工业尺度放大和规范操作提供参考。

1 控制方程

本研究使用DPM进行模拟计算，在DPM中，将气相视为连续相，使用Eulerian方法进行描述和求解，颗粒和雾滴则使用Lagrangian方法进行离散化计算，连续相与离散相之间存在质量、动量和热量的双向传递耦合。本研究将空气视为理想的不可压缩流体，其连续性方程为

\frac{\partial }{\partial t}\left({\rho }_i\right)+\nabla \bullet \left({\rho }_i{\mathit{u}}_i\right)=\mathrm{0}（1）

式中：\rho为密度，kg/m³； u 为速度，m/s；下标i表示气相的不同组分。

连续相的动量方程为

\frac{\partial }{\partial t}\left({\rho }_i{\mathit{u}}_i\right)+\nabla \bullet \left({\rho }_i{\mathit{u}}_i{\mathit{u}}_i\right)={\rho }_{i}g+\nabla p_i+\nabla \bullet \left(\stackrel{̿}{\mathit{\tau }}\right)+{\mathit{F}}_i（2）

式中：p为压力，Pa； F 为气固相相互作用力，N/m³；g为重力加速度，9.81 m/s²；\stackrel{̿}{\mathit{\tau }}为应力张量，其表达式为

\stackrel{̿}{\mathit{\tau }}=\mu \left[\left(\nabla {\mathit{u}}_i+\nabla {\mathit{u}}_i^{\mathrm{T}}\right)-\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\nabla \bullet {\mathit{u}}_i\stackrel{̿}{\mathit{I}}\right]（3）

式中：\mu为气相有效剪切黏度，Pa·s；\stackrel{̿}{\mathit{I}}为无量纲单位张量。其中\mu由层流剪切黏度{\mu }_{\mathrm{l}}和湍流黏度{\mu }_{\mathrm{t}}组成，而湍流黏度应用大涡模型（LES）求解，\mu的表达式为

\mu ={\mu }_{\mathrm{l}}+{\mu }_{\mathrm{t}}={\mu }_{\mathrm{l}}+C_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{g}}{∆}^{\mathrm{2}}\sqrt[]{s{\left(\frac{\partial {\mathit{u}}_i}{\partial x_j}+\frac{\partial {\mathit{u}}_j}{\partial x_i}\right)}^{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{4}\right)

式中：∆为网格尺度；C_{\mathrm{s}}为Smagorinsky系数，取值为0.01^［20］；下标g表示气相；s表示应变率张量的模，s^-1。

对于颗粒相，本研究使用DPM进行离散化求解，颗粒的运动可以用牛顿运动方程描述。

m_{\mathrm{p}}\frac{\mathrm{d}{\mathit{u}}_{\mathrm{p}}}{\mathrm{d}t}=m_{\mathrm{p}}\frac{{\mathit{u}}_{\mathrm{g}}-{\mathit{u}}_{\mathrm{p}}}{{\tau }_{\mathrm{r}}}+m_{\mathrm{p}}\frac{g\left({\rho }_{\mathrm{p}}-{\rho }_{\mathrm{g}}\right)}{{\rho }_{\mathrm{p}}}+\mathit{F}\left(\mathrm{5}\right)

式中：m为质量，kg；下标p表示颗粒相； F 为颗粒受到的其他作用力（如虚拟质量力、压力梯度力等），N；方程右侧第一项表示颗粒与流体之间的曳力，其中{\tau }_{\mathrm{r}}为颗粒的弛豫时间，其计算式为

{\tau }_{\mathrm{r}}=\frac{{\rho }_{\mathrm{p}}{d}_{\mathrm{p}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{18}\mu }\frac{\mathrm{24}}{C_{\mathrm{d}}Re}\left(\mathrm{6}\right)

Re=\frac{\rho d_{\mathrm{p}}\left|{\mathit{u}}_{\mathrm{p}}-{\mathit{u}}_{\mathrm{g}}\right|}{\mu }\left(\mathrm{7}\right)

C_{\mathrm{d}}=a_{\mathrm{1}}+\frac{a_{\mathrm{2}}}{Re}+\frac{a_{\mathrm{3}}}{R{e}^{\mathrm{2}}}\left(\mathrm{8}\right)

式中：d_p为颗粒直径，m；Re为雷诺数；C_{\mathrm{d}}为颗粒的曳力系数；a_{\mathrm{1}}、a_{\mathrm{2}}和a_{\mathrm{3}}为常数。

2 模型设置

图1为旋闪干燥塔结构示意图，表1和表2分别为模型的几何参数和边界条件，表3为物料性质。旋闪干燥塔高度H为1 770 mm，直径D为325 mm。底部速度入口本为环隙进风，模型中为了简化计算并提高精度，在保证气速和空气流量的前提下将环隙进风口等效为侧方长方形进气口，尺寸为162.5 mm × 230 mm。顶部侧边设压力出口，尺寸为100 mm × 150 mm。分别在模型高度为700、900、1 100 mm处设置颗粒入口，颗粒使用锥形喷射方式进入干燥塔内部，喷射角度α为10°~30°。颗粒在出口界面为逃逸边界条件，其余壁面均为反射条件，颗粒与壁面之间为完全弹性碰撞。模型网格数量约为48万，计算时间步长为0.000 1 s，计算时间为10 s。模拟中将颗粒粒径简化为单粒径分布，现场测量得知颗粒平均粒径为10 μm，且集中分布在3~20 μm，属于Geldart C类颗粒，同一分类下不同粒径的颗粒具有相似的流化性质，因此选择单粒径模型进行简化。

本研究使用CFD⁃DPM耦合算法进行模拟，旋闪干燥塔内喷雾颗粒应为颗粒与水分的混合状态，在干燥过程中水分逐渐蒸发，固相则形成颗粒。但由于算法限制，颗粒干燥成型过程难以模拟。同时考虑水分蒸发和颗粒运动，其物理模型与实际情况偏差较大，含水分子筛的关键物理性质难以测量，并且体系中水分含量较低。因此，本研究主要关注固体颗粒在干燥塔内的运动和分布情况，忽略水分运动和蒸发过程的影响。

3 结果与讨论

3.1 旋闪干燥塔内颗粒分布状态

图2为操作气速10 m/s、颗粒入口速度100 m/s、喷射角度15°、喷射高度900 mm条件下颗粒的运动过程。从图中可以看到，在t = 0.005 s时喷雾的颗粒呈现明显的锥形结构，随后在上升气流的作用下颗粒向上运动，在气体旋流的作用下颗粒同时进行旋流运动，形成稳定的流动结构并从顶部压力出口流出旋闪干燥塔。从图中还可以看出颗粒基本保持在旋闪干燥塔的中上部运动，只有极少量颗粒运动到干燥塔的底部。

图3为旋闪干燥塔内流动稳定后（t=1.0 s）局部颗粒瞬时分布图。可以看出，干燥塔内部颗粒处于非均匀分布状态，整体颗粒分布呈现边壁浓、中间稀的特点（俯视图），颗粒形成大量絮状聚团（局部颗粒分布图），这种聚团的形成极大地影响了旋流塔内的两相流动和干燥过程，聚团的运动、破碎、聚并、增长、消亡是旋闪过程呈现非均匀特性的主要原因，同时极大地影响了反应器的放大设计^［21-22］。

图4为旋闪干燥塔内不同高度处的速度分布和速度矢量。可以看出，干燥塔内旋流效果明显，边壁附近的速度极大，而中心处的速度较小。一方面，这样的速度分布增加了颗粒在旋闪干燥塔内的停留时间，使得颗粒与干燥介质能够充分地接触，增加颗粒的干燥程度。另一方面，颗粒在旋流的作用下产生旋风分离效果，大尺寸颗粒更加贴近壁面，在顶部出口处淘析环的阻挡下不易流出旋闪干燥塔；大尺寸颗粒掉落后在底部打散装置的作用下以及在颗粒与颗粒、颗粒与壁面的碰撞下进一步破碎成小尺寸颗粒，然后流出旋闪干燥塔。

3.2 操作参数对气固两相流动和颗粒停留时间的影响

3.2.1 操作气速

图5为不同操作气速下旋闪干燥塔内的流线分布（喷雾角度α=15°，喷雾高度h=900 mm）。整体上看，不同操作气速下干燥塔内的流线分布没有明显区别，但随操作气速增大，旋闪干燥塔内的气相速度明显增大。空气从底部速度入口进入干燥塔后，首先沿直线方向运动，接触到壁面后在壁面的作用下逐渐形成环流，环流在旋闪干燥塔的中间高度处较强，而在干燥塔上部由于压力出口的负压作用，环流效果降低，最终携带颗粒流出旋闪干燥塔。

图6为不同操作气速下旋闪干燥塔内不同高度处的速度分布。随着操作气速增加，旋闪干燥塔内的气体速度明显增大，同时均能看到明显的旋流现象。在壁面附近流动速度较大，而在中心处流动速度明显降低。特别是在操作气速大于15 m/s时，壁面附近的速度极大，并且塔内速度分布相对均匀，但在中心附近速度仍明显较低。

图7和图8分别为不同操作气速下旋闪干燥塔出口处颗粒的停留时间分布和平均停留时间。结果显示，随着操作气速增加，颗粒的停留时间明显减少。当操作气速较小时（v_g=5 m/s），颗粒的停留时间一般小于2.0 s，颗粒的平均停留时间约为1.16 s，颗粒在塔内停留时间过长，易造成颗粒堆积。当操作气速为10 m/s时，颗粒的平均停留时间减少为0.5 s，但仍有部分颗粒的停留时间大于1.0 s。结合图3的颗粒瞬时分布状态，可知部分颗粒在旋闪干燥塔底部的停留时间过长，造成停留时间增加。当操作气速提升到20 m/s时，颗粒的平均停留时间减少为0.2 s左右，此时停留时间过短，不利于颗粒的充分干燥。

3.2.2 喷雾角度

雾化器的喷雾角度是影响旋闪干燥过程的重要参数，本研究考察了喷雾角度10°、15°、20°、30°下旋闪干燥塔内颗粒的流动状态（操作气速v_g=10 m/s，喷雾高度h=900 mm）。图9为不同喷雾角度下颗粒在初始时刻（t=0.005 s）和流动稳定后（t=1.0 s）的分布状态。从图中可以看出，喷雾角度的变化对颗粒的初始状态和发展有明显影响。当喷雾角度过大时，喷雾颗粒与壁面的间距过小，在实际旋闪干燥过程中由于颗粒含有大量水分，在未完全干燥时颗粒接触壁面有可能造成内部结垢，影响干燥操作。

图10和图11分别为不同喷雾角度下旋闪干燥塔出口处颗粒的停留时间分布和平均停留时间。结果显示，随着喷雾角度的增大，颗粒的平均停留时间小幅度减少。当喷雾角度为10°和15°时，颗粒的停留时间分布基本相同，平均停留时间分别为0.512 s和0.501 s。在一定范围内喷射角度越大，越有利于雾化颗粒分散，从而加快物料干燥。当喷雾角度增大到30°时，出口处颗粒的平均停留时间减少为0.461 s。虽然增大雾化器喷雾角度可以小幅度减少颗粒的停留时间，但是在实际生产过程中，喷雾角度过大可能使得半干物料过早接触壁面，造成旋闪干燥塔内结垢，影响干燥效率和产品质量。因此，干燥塔内最优的雾化器喷雾角度约为15°。

3.2.3 喷雾高度

雾化器高度也是影响喷雾和干燥效果的重要操作参数，本研究考察了不同喷雾高度下干燥塔内颗粒的流动状态（操作气速v_g=10 m/s，喷雾角度α=15°）。图12为不同喷雾高度下颗粒的初始分布（t=0.005 s）和稳定流动分布（t=1.0 s）。随着喷雾高度的提高，流动稳定后颗粒逐渐在干燥塔上部集中。当喷雾高度过低时（h=700 mm），大量颗粒集中在干燥塔底部，并且部分颗粒在底部形成循环流动，造成局部颗粒的停留时间延长。在实际旋闪干燥操作中，这样的颗粒分布容易造成底部壁面结垢，如果颗粒未能及时完全干燥，还可能形成大块团聚料，影响打散装置运行，不利于干燥塔操作。

图13和14分别为不同喷雾高度下旋闪干燥塔出口处颗粒的停留时间分布和平均停留时间。结果显示，喷雾高度的变化对平均停留时间的影响不明显，不同喷雾高度下颗粒的平均停留时间均在0.5 s左右。当喷雾高度较低时（h=700 mm），颗粒的平均停留时间与其他高度条件下的平均停留时间没有明显区别（图14），但其停留时间分布并不均匀（图13）。

图15为喷雾高度700 mm下旋闪干燥塔内的速度分布。可以看出，干燥塔内的速度分布并不均匀，整体呈现出速度随高度提升而逐渐降低的分布趋势。图16显示，在干燥塔底部，旋风在竖直方向上的速度明显较低。因此，当喷雾高度较低时（h=700 mm），部分颗粒随高速气体直接流出干燥塔，另一部分颗粒却长时间停留在干燥塔底部（如图3所示，干燥塔底部存在少量颗粒），这部分颗粒占比较少，虽然平均停留时间没有明显变化，但其停留时间分布并不合理，从而对干燥效果产生不利影响。当喷雾高度较高时，颗粒主要集中在干燥塔的上部，由于中上部的旋风速度较低，其停留时间减少并不明显。旋闪干燥塔上部温度较低，不利于颗粒完全干燥，加之气体速度较低，可能造成干燥塔内壁结垢。

4 结论

本研究使用数值模拟方法计算了不同条件下旋闪干燥塔内颗粒的流动和分布情况，得到以下结论。

（1）干燥塔内颗粒呈明显的旋流运动状态，并存在大量的非均匀介尺度结构，在研究旋闪干燥塔的传质、传热和放大时须考虑非均匀结构的影响。

（2）操作气速对干燥塔内流体流动、速度分布和颗粒停留时间分布的影响非常明显。操作气速过大时颗粒的停留时间显著减少，操作气速过小则不利于维持颗粒的稳定流动，易造成颗粒堆积。

（3）雾化器喷雾角度对颗粒停留时间的影响较小。增大喷雾角度可小幅缩短颗粒停留时间，但喷雾角度过大易导致颗粒过早接触壁面，造成干燥塔内壁结垢。

（4）雾化器喷雾高度对颗粒平均停留时间的影响不明显，但对颗粒的停留时间分布有较大影响。喷雾高度过低可能造成干燥时间不均匀，影响产品质量。

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