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奶粉氣流式噴霧干燥過(guò)程中粘壁現(xiàn)象的研究
奶粉行業(yè)噴霧干燥技術(shù)已日趨成熟，但仍存在一些問(wèn)題亟需解決，諸如干燥產(chǎn)品雜質(zhì)度高、液滴蒸發(fā)量低、干燥器內(nèi)壁掛粉等，其中*為嚴(yán)重的就是奶粉噴霧干燥過(guò)程中的粘壁(即掛粉)現(xiàn)象。本文以YC-015實(shí)驗(yàn)室小型噴霧干燥機(jī)為基礎(chǔ)模型，采用理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究奶粉噴霧干燥過(guò)程中可控操作參數(shù)對(duì)粘壁現(xiàn)象的影響，為奶粉生產(chǎn)提供理論依據(jù)。運(yùn)用前處理軟件GAMBIT對(duì)實(shí)驗(yàn)室小型噴霧干燥機(jī)幾何模型進(jìn)行了整體網(wǎng)格劃分和局部加密；在FLUENT中考慮了重力和空氣拽力對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)的影響，以及離散相與連續(xù)相的雙向耦合，建立了波動(dòng)破碎霧化模型來(lái)模擬霧滴的二次霧化，并將壁面離散相邊界條件設(shè)置為trap，確定了迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.0001s，對(duì)離散相進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)追蹤。得到并分析了塔內(nèi)流場(chǎng)的溫度分布、速度分布、濕度分布及顆粒軌跡、顆粒溫度、顆粒停留時(shí)間等特性。
為了加深對(duì)粘壁現(xiàn)象的研究，*后還分析了霧滴滴徑的影響因素和旋風(fēng)分離裝置對(duì)粘壁的影響。結(jié)果證實(shí)：霧滴的平均滴徑隨著進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料速率的增大而增大，隨氣液相對(duì)速度的增大而減??；旋風(fēng)分離器對(duì)粒徑20μm以內(nèi)的顆粒分離性能較好，粒徑過(guò)大就易在旋風(fēng)分離器發(fā)生粘壁。
建立了干燥塔內(nèi)氣相控制方程以及液滴顆粒的軌道方程,通過(guò)對(duì)氣相控制方程的求解獲得塔內(nèi)氣相流場(chǎng),通過(guò)對(duì)液滴顆粒軌道方程求解獲得粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡。同時(shí),通過(guò)氣-粒的耦合計(jì)算,得到干燥粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的熱、質(zhì)傳遞特性,獲得粒子從一開(kāi)始入塔到*終離開(kāi)干燥塔期間的動(dòng)態(tài)蒸發(fā)過(guò)程以及粒子與氣相間的熱質(zhì)交互作用；顆粒吸熱蒸發(fā)過(guò)程中不斷向氣相傳遞水分,通過(guò)耦合計(jì)算獲得干燥塔內(nèi)部各時(shí)刻的溫度與相對(duì)濕度變化,得到了干燥塔尾氣的排氣溫度、濕度。實(shí)驗(yàn)室小型噴霧干燥機(jī)通過(guò)對(duì)典型粒子運(yùn)動(dòng)的追蹤,獲得了粒子在干燥塔內(nèi)的停留時(shí)間。搭建了噴霧干燥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度、料液濃度、進(jìn)料速率三個(gè)變量分別進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)與響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并在不同工況下分別取樣利用環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，實(shí)驗(yàn)室小型噴霧干燥機(jī)利用紅外真空干燥箱進(jìn)行含水量測(cè)定，找出了在粘壁量*小前提下的*優(yōu)工藝參數(shù)用于后續(xù)的數(shù)值模擬驗(yàn)證。噴霧干燥過(guò)程中用于粒子回收的旋風(fēng)分離器對(duì)顆粒的分離效率跟旋風(fēng)分離器的物理尺寸、入口風(fēng)速和粒子直徑有密切關(guān)系;對(duì)于既定的旋風(fēng)分離設(shè)備,入口風(fēng)速的增加和顆粒粒徑的增加在一定程度上可以提高其分離效率,但是入口風(fēng)速的增加同時(shí)也帶來(lái)進(jìn)出口壓差快速增加,帶來(lái)更大的動(dòng)力消耗,故而盲目地提高旋風(fēng)分離器的入口風(fēng)速來(lái)提高其分離性能是不可取的。*優(yōu)工藝參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)溫度200℃，料液濃度25％，泵轉(zhuǎn)速55r/min。分析了*優(yōu)工藝下各因素的交互作用響應(yīng)曲面圖，表明進(jìn)風(fēng)溫度和泵轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)粘壁的影響較大，在選擇參數(shù)時(shí)要綜合考慮各因素的交互作用
