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一 简表

摘要

旋转闪蒸干燥机也称旋流干燥机或旋转快速干燥机，是一种流态化干燥和气流干燥相结合的干燥设备，具有高效、节能、快速等特点，符合粉粒状、膏状和滤饼状物料的干燥特点，被广泛地应用于多种行业中。但是，干燥流场复杂，气固两相未充分接触，导致横截面利用不足，存在干燥死区;物料在干燥分离过程中流动阻力大，设备能耗大;分散器的变形量过大，导致干燥过程无法连续进行等，这些都与干燥机内部流场有很大关系。然而，对于旋转闪蒸干燥机内部的的流场研究还处于探索阶段，因此需要我们进一步研究旋转闪蒸干燥机内部的流场。

本课题拟采用实验研究和数值模拟相结合的方法，利用常州市优力干燥设备有限公司实验室现有的旋转闪蒸干燥机系统，根据实际操作要求，在不同进气温度，不同流量，不同搅拌转速的条件下，对旋转闪蒸干燥装置的干燥性能进行试验研究。建立旋转闪蒸干燥机的三维几何模型，采用FLUENT软件对旋转闪蒸干燥机流场进行数值模拟，分析旋转闪蒸干燥机流体的流动规律。根据FLUENT数值模拟得到的分散器周围流场，结合ANSYS软件计算不同结构分散器的变形量，建立分散器变形量的数学模型。据此，对旋转闪蒸干燥机结构进行优化研究。

关键词

中文 旋转闪蒸干燥机;分散器;数值模拟;变形量

英文 Spin flash dryer;Disperser;Numerical simulation;Deformation

二 选题依据(研究意义，国内外研究现状及分析，附主要参考文献)

1 课题的研究意义

干燥[1]是指含有水分或其他溶剂的湿物料，受热之后使其中的水分或其他溶剂气化，除去湿分的过程，它是一个传热传质的过程，可较为彻底地去除物料表面甚至内部的湿分，但其能耗较大，费用较高。

旋转闪蒸干燥机也称旋流干燥机或旋转快速干燥机，是一种流态化干燥和气流干燥相结合的干燥设备。在旋转闪蒸干燥机内，气流从下部切向进入，带着固体颗粒一边旋转，一边上升。在此过程中，固体颗粒受到因旋转产生的离心力作用而向器壁作径向运动。这个离心运动产生两个作用，一是增大气固两相的相对速度，从而增大气固界面更新率，促进传热传质，强化干燥过程，二是由于颗粒的径向运动速度与颗粒粒度的平方成正比，即大颗粒运动得快，到达器壁后下落，小颗粒运动得慢，来不及到达器壁而被气流从排气口带出。这样，旋转闪蒸干燥机就具有分级作用。这也正是干燥过程所需要的。小颗粒完成干燥后排出，大颗粒留下来进一步干燥。由于这些作用，物料在干燥机内得以快速干燥。由于干燥机底部分散器的打击、输送作用，旋转闪蒸干燥机可将高粘度的膏状物、沉积物或滤饼状物料一次干燥成粉，不需二次破碎。由于干燥时间短,物料温升低，更适用一些有热敏性物料及生物菌体等的干燥，而且具有结构简单、操作方便、设备占地面积小、能耗低、微负压操作、无粉尘飞扬等特点，极大地改善操作环境。在染料、农药以及其他有机化工、无机化工、矿物加工等行业都有大量应用[2-6]。

现阶段，旋转闪蒸干燥机虽然得到了较广泛的应用，但人们对旋转闪蒸干燥机的深入研究还不够。旋转闪蒸干燥技术由于应用时间不长，有关其干燥过程原理及加工工艺参数对产品质量的影响研究还有待继续深入。运用计算机技术对干燥过程进行数值模拟，深入探究物料在干燥过程中的流体运动情况将成为改进旋转闪蒸干燥技术和设备的重要研究方向。因此本文对旋转闪蒸干燥过程的研究及其数值模拟具有一定的学术意义和工程实用价值。

2 国内外研究现状

2.1 旋转闪蒸干燥机研究现状

旋转闪蒸干燥技术是在气流干燥技术的基础上发展起来的，旋转流场对干燥过程的影响很大，研究旋转流体的流体力学特性也就成为旋流干燥的重要任务之一。

国外对旋转闪蒸干燥机进行过一定的研究[7-9]。 Jens Getler等人[10]发明了一种新型的旋转闪蒸干燥机系统，在干燥室的上部安装两个不同直径的分级器，然后再用两个不同型号的旋风分离器分离被分级的颗粒，符合要求的颗粒进入下一干燥分级回收环节，不符合要求的颗粒返回干燥室继续进行干燥分级，同时在出风口安装一个换热器，利用余热，送入干燥室继续进行干燥，减小能耗。

国内，天津大学的顾芳珍等人[11,12]通过理论分析与试验研究表明，干燥筒中气流的切向速度分布既非势流流动的规律，亦非平面圆旋流规律，从中心到器壁切向速度一直在升高，器壁附近风速最大，中心处最小。另外，旋转气流螺旋上升，越向上旋转速度越小，直至不再旋转。

武汉化工学院的舒安庆等人[13]以天津大学研制的旋转闪蒸干燥机(如图1)为实验装置，假定旋转流为不可压流体的定常流动，采用雷诺方程经简化推出干燥室旋流切向速度沿径向分布规律为：

轴向速度沿径向分布规律为：

其中：n 为旋转特性指数，C1、C2为积分常数。

为了使表达式更具通用性，将实验数据进行拟合，得到了切向速度分布的经验式：

轴向速度分布的经验式：

1-分级器;2-干燥室;3-进料口;4-分散器;5-气体分布器

图1 旋转闪蒸干燥机结构简图

图2[14]给出了干燥室内下断面的压力分布情况(分散器静止)。由图可见，在干燥中心压力最低，在干燥室外圆处，压力相对较大。气体旋流压力在圆形室半径为R时最大，最大为P，而后随旋转半径R的减小，压力逐渐减小。各点压力值为：

p; (2-5)

其中 为圆形室最外圆处的压力， 为气体在各点的切向分速度。

图2 干燥室内下断面的压力分布

为了研究旋转闪蒸干燥机内部的气流速度分布，WANG Xiao-jing等人[15]讨论了旋转闪蒸干燥机内部的气流速度分布，表明了干燥室内部的旋流场分成两部分，势流区和平面涡流区，实验说明了切向速度对干燥过程的影响最大，随着干燥室径向和轴向位置的变化，径向速度分布和水分含量呈现有规律的分布，另外，进料口的操作参数得到了优化，为了严格符合进料口物料的水分要求，一个狭长的绞龙安装在干燥机适当的壁面上，在绞龙上面还安装了一个过滤器，以除去一部分水分，然后使物料进入干燥机内部进行干燥。

酒糟是用沾米或者糯米通过酒饼发酵后酿制的食品，是一种非常营养的食品，在日常生活中得到了广泛的使用。近年来，许多研究者对其干燥性能进行了探索。LIU Kun[16]对木薯酒糟在旋转闪蒸干燥器中的基本干燥特性进行了实验研究，结果表明该物料干燥后的含水质量分数与干燥介质温度呈直线关系，与干燥时间呈指数曲线关系。李文曲[17]以啤酒糟为物料，不仅系统地研究了啤酒糟的干燥曲线、营养成分，而且作出了各参数对产品终湿含量的影响曲线。同时，通过对各方面因素的综合分析，提出了利用旋流闪急干燥器干燥啤酒糟时的最佳工艺参数，建立了对流传热准数的经验公式。FENG Dian-yi等人[18]通过对啤酒糟旋转闪蒸干燥过程实验研究，建立了干燥过程的数学模型，并基于该模型对过程进行优化，得到了不同生产条件下最经济的操作温度，解决了干燥过程的最佳操作参数的匹配问题，优化模型达到足够的精度，具有一定的实用价值。

王书伟[19]对旋风分离器内气相流场和旋转闪蒸干燥机的各项速度沿径向分布进行数值模拟和实验研究，建立了旋转闪蒸干燥机的流体力学模型，使用计算流体力学模拟软件FLUENT模拟出了旋转闪蒸干燥机气相速度场三维轴向、径向和切向的分速度场分布，并且用实验数据对模拟结果进行了验证，取得了很好的一致性。

旋转闪蒸干燥过程是一个传热传质过程，涉及到热力学、流体力学、多相流等学科，吴海艳[20]根据干燥机工作的物理环境(热、流场)，建立了干燥机流场及温度场数值模拟的数学模型和控制方程。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。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。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，通过对比，得出各参数影响的趋势。

但是，对于旋转闪蒸干燥机内部的的流场研究还处于探索阶段，国内外相关的研究文献还比较少，特别是对气固两相湍流流场不甚了解，然而，旋转闪蒸干燥机内部流体的流动规律与旋风分离器内部流体的流动规律很相似，随着计算机的发展以及数值模拟方法的不断成熟，近几年，国内外对旋风分离器内部流场进行了大量的数值模拟研究，我们可以参考对旋风分离器流场的模拟方法，对旋转闪蒸干燥机内部流场进行更深一步的研究，从而为实际设计制造提供参考意见。