盐水液滴蒸发析晶实验研究及其反应工程法的单液滴模型

为建立适用于盐水喷雾蒸发数值模拟的单液滴蒸发模型,开展了NaCl溶液的单液滴蒸发析晶研究。首先,搭建了可同时测量液滴质量、温度、粒径的单液滴蒸发可视化实验平台,基于液滴的流致振动特性,提出了利用低通滤波改善振动信号对质量测量影响的方法;其次,开展了初始质量分数为10%的NaCl溶液液滴蒸发实验,明确了盐分析出对液滴温度、粒径和蒸发率的影响规律;最后,基于实验数据,获得了相对活化能和无量纲粒径随液滴干基含水率的变化关系,并建立了NaCl溶液液滴的反应工程法模型。数值模拟结果表明:所提模型预测结果的最大相对误差小于8%。该实验平台可为含析出性溶质液滴干燥过程中的质量测量提供重要借鉴,所提出的反应工程法模型也可用于NaCl溶液喷雾干燥的大规模高效数值计算。

脱硫废水液滴旋转喷雾蒸发的数值模拟

以江苏某燃煤电厂的脱硫废水旋转喷雾蒸发设备为研究对象,对液滴蒸发效果的影响因素开展数值模拟研究。通过用户自定义函数(UDF)的方法将反应工程法(REA)编译到Fluent DPM模型中,完善废水液滴蒸发过程的传热和传质数学模型;研究烟气分布器导流板偏转角度、雾化盘旋转方向等对液滴蒸发效果的影响。研究结果表明:REA-DPM模型能够准确地描述废水液滴的蒸发过程,与电厂现场测试结果的相对误差在5%以内,说明模型的可靠性较好;增大外导流板偏转角度,有利于增强烟气旋流强度,缩短液滴竖直蒸发距离,实现更好的液滴蒸发效果;液滴射流方向与烟气旋流方向相反时,液滴运动要克服烟气旋流,有利于避免液滴碰壁的发生,并且逆向流动的对流换热作用更强,能促进液滴的蒸发。

反应工程基础教学的实施及“后疫情”时代教学的思考

化学工程是利用化学、物理、数学、生物和经济学等原理有效实现物质和能量的转化及利用的工程科学。化学反应机理的研究和反应器的优化设计是化学工程的核心,因此反应工程基础是化学工程专业本科生的重要核心课之一。文章回顾了反应工程学科的历史贡献和发展历程,介绍了清华大学化工系近15年来的反应工程本科教学,并结合2020年新冠肺炎疫情期间网络教学的实践,探讨了“后疫情”时代线上线下混合式教学的发展趋势。

甘露醇喷雾干燥过程中液滴粒度分布变化的群体粒数衡算模拟和实验研究

利用群体粒数衡算(population balance,PB)计算机模拟和实验研究了甘露醇水溶液的喷雾干燥过程中液滴的粒度分布的变化规律。液滴干燥过程中的颗粒粒度的萎缩速率,在群体粒数衡算模型中描述为液滴的逆(或负)生长项,通过单个液滴反应动力学方法 (reaction engineering approach,REA)获得。基于单个液滴干燥的反应工程方法模型REA和群体粒数衡算模型PB集成建立了PBREA模型。PBREA模型的求解是通过高分辨率数值方法。本文模拟研究了不同工况下,不同粒径液滴的干燥时间、液滴平均含湿量以及液滴粒度分布随时间的变化。结果显示,液滴粒径越大,干燥时间越长,模型预测的颗粒平均粒径为实验值的1.0～1.5倍,粒度分布跨度是实验值的0.61～0.89倍。模拟误差主要来源于液滴及颗粒粒径分布统计精度、单个静止液滴与群体运动液滴干燥的差异、热导率及扩散系数是经验值3个方面。在使用Buchi 290小型喷雾干燥仪进行的实验中,使用了图像采集和分析方法得到了液滴及颗粒的数密度分布,并和模拟结果做了对比。结果表明该模型可以有效地预测喷雾干燥过程中干燥颗粒的平均粒度及分布跨度。

脱硫废水旋转喷雾蒸发特性数值模拟

利用反应工程法(REA)建立脱硫废水液滴传热传质蒸发模型,分析液滴的蒸发过程,利用计算流体力学(CFD)方法将模型进行编程模拟计算,并利用该模型对某电厂600 MW机组的脱硫废水蒸发过程进行模拟,研究干燥塔进口烟气温度、处理废水量等蒸发工艺参数对干燥塔内流场和废水雾滴运动与蒸发的影响特性。研究结果表明:脱硫废水液滴在蒸发过程中存在等速和降速两个明显的蒸发阶段;进口烟气温度主要通过影响传热过程影响液滴群的蒸发效果,进口烟气温度越高,塔内沿程平均温度越高;处理废水量主要是通过影响传质过程影响液滴群的蒸发效果,处理废水量越大,塔内的湿度越大。

反应工程方法在锂电池真空干燥模拟上的应用

锂离子电池注液之前的真空干燥,对于电芯的循环性能、安全性、稳定性有极其重要的影响。电芯结构设计、材料体系、烘箱尺寸等的不同会导致真空干燥过程存在差异。反应工程方法(REA)在常压、高初始水含量的对流干燥模拟预测上已有广泛应用,本研究将REA干燥理论应用于真空、低初始水含量的干燥过程仿真,发现与实验结果匹配良好。同时考虑了电芯气袋与烘箱环境湿度变化对干燥过程的影响,水含量预测偏差小于10%,利用单因子仿真实验所总结的规律能用于指导锂电池真空干燥工艺的改善。介绍了该模型在生产中的应用情况,也表明REA将在锂电池真空干燥预测上有很好的工业应用前景。

入口旋流对均一粒径液滴喷雾干燥塔影响的数值模拟

均一粒径液滴喷雾干燥塔(MDSD)在生产均匀尺寸颗粒产品中发挥着较大优势,进一步优化其干燥过程操作尤为重要。集成离散相(DPM)和反应工程法(REA)干燥方法,通过耦合分散室和主干燥室模型,本研究开发了完整的MDSD三维计算流体力学模型。并系统探究了在干燥过程中分散气旋流、热空气旋流以及二者共同旋流对颗粒运动和最终干燥效果的影响。模拟结果表明,在30°入射角下加入旋流效果最优。同时引入分散室和干燥室旋流后发现,同向旋流比反向旋流带来的干燥效果提升2%,更比无旋流操作下的干燥效果提升30%。欲达到同样的干燥效果,引入同向旋流,塔身可缩短近12%。

基于无量纲法的隧道排水管道CaCO3结晶速率研究

为了探究隧道排水管道CaCO_(3)结晶沉积速率,以化学反应机理和流体动力机理共同作用下的隧道排水管道CaCO_(3)结晶沉积过程为研究对象。通过Fluent软件建立了基于化学反应模型和离散相模型,并考虑固液耦合作用的隧道排水管道CaCO_(3)结晶沉积速率数值模拟模型。以流体流速、温度、Ca^(2+)浓度为主要研究因素,并对每个因素取3个水平:流体流速、温度、Ca^(2+)浓度。对所选化学反应过程的反应速率常数k进行了计算,由此开展了不同工况下正交试验数值模拟,探究了各种影响因素下的CaCO_(3)结晶发展规律。在数值模拟的基础上,通过无量纲法推导出基于流体流速、温度与Ca^(2+)浓度这3种因素作用下隧道排水管道单位面积CaCO_(3)结晶沉积速率的关联式。为验证关联式可靠性,开展了室内循环水结晶试验,将同等工况下关联式计算值和室内试验所得单位面积CaCO_(3)结晶沉积速率值进行了对比验证。结果表明:CaCO_(3)结晶量与温度及Ca^(2+)浓度呈正相关关系,与流体流速呈负相关关系;Ca^(2+)浓度对CaCO_(3)结晶生成量的影响程度最大,温度的影响程度最小;推导所得关联式计算结果与室内试验结果较为契合,误差小于3%,处于允许范围之内,表明关联式能较准确地求得排水管道单位面积CaCO_(3)结晶沉积速率。

Numerical investigation of droplet pre-dispersion in a monodisperse droplet spray dryer

Monodisperse droplet spray dryers have great advantages in particle formation through spray drying because of their ability to produce uniform sized particles. Experimental analyses of this system have shown that droplets atomized through the piezoceramic nozzle need to be sufficiently well dispersed before entering the drying chamber to achieve sufficiently dried particles. However, the dispersion dynamics cannot be readily observed because of experimental limitations, and key factors influencing the dispersion state currently remain unclear. This study carried out numerical simulations for droplet dispersions in the dispersion chamber, which allow this important process to be visualized. The system- atic and quantitative analyses on the dispersion states provide valuable data for improving the design of the dispersion chamber, and optimizing the spray drying operation.