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四川大学硕士学位论文 同轴撞击流浓缩器的研究 化学工程专业 研究生：刘兴勇指导教师：刘钟海教授 撞击流是一种被证明能显著强化传递过程的技术，它己成功用于固体物料 的干燥、超细粉的制备和强化反应器内的混合等。本文将撞击流技术引入溶液 浓缩领域，在理论分析的基础上，运用撞击流原理开发了一种新型浓缩装置 撞击流浓缩器，从实验和理论两方面对该浓缩器的性能进行了全面研究，该研 究对开发新的溶液浓缩装置具有重要指导意义。 实验方面，本文采用蔗糖水溶液作为试验溶液，通过改变空气进口流量、 空气进口温度、溶液进口流量、加速管长度等因素对该浓缩器的性能进行的实 验研究结果表明：撞击流浓缩器的蒸发能力随空气进口温度的升高、液气比的 减小而提高；空气进c l 流量的变化对撞击流浓缩器的压降影响较大，压降随空 气进口流量的增大而增大；撞击流浓缩器具有较高的容积蒸发系数，其容积蒸 发系数随空气进口流量的增大、空气进口温度的升高而增大；加速管的长度是 撞击流设备的重要设计参数，在撞击流浓缩器中宜采用较短的加速管。通过对 实验数据的多元非线性回归，得到了撞击流浓缩器浓缩溶液的经验公式，该公 式与实验结果吻合较好，相对误差为2 2 4 2 5 8 。 在理论方面，本文从雾滴蒸发的机理出发，建立了撞击流浓缩器浓缩溶液 的理论模型。该模型在某种程度上可用于指导撞击流浓缩器的设备设计。借助 理论模型的数值计算，模拟了撞击流浓缩器内液滴的运动轨迹、液滴和空气速 度的变化、液滴和空气温度的变化、液滴的停留时间、液滴的累积蒸发量和浓 度的变化、液滴粒径的变化、液滴的最大渗入深度、操作参数( 空气进口温度、 空气进口流量、溶液进口流量) 对累积蒸发量的影响等，对模拟结果作出了合 理的分析和讨论：并通过撞击流浓缩器蒸发能力的模型计算值与实验数据的比 较验证了理论模型的正确性。 关键词：撞击流浓缩撞击流浓缩器理论模型数值计算 匹| 川大学硕士学位论文 s t u d y o nc o a x i a lt w o i m p i n g i n g s t r e a mc o n c e n t r a t o r o s c ) m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t ：l i u x i n g y o n gs u p e r v i s o r ：p r o fl i uz h o n g h a i t h ei m p i n g i n gs t r e a mi sat e c h n o l 0 9 3 w h i c hh a sb e e np r o v e di n t e n s i f y i n gt h e t r a n s p o r tp r o c e s s e s i th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt om a n y p r o c e s s e si nc h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，s u c h a s d r y i n g o fs o l i d p a n i c l e s ，m a k i n gs u p e r f i n e p o w d e r sa n d i n l e n s i f y i n gt h em i x i n gi nc h e m i c a lr e a c l o r s t nt h i sw o r k i ti sf u r t h e rd e v e l o p e d a san e wc o n c e n t r a t o ra s y s t e m a t i cs t u d y o i lt h ec o n c e n t r a t o ri sc a r r i e d o u t e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t sw i l lb eu s e f u li n d e v e l o p i n gan e w c o n c e n t r a t o r s u g a rg a g e s o t u t i o ni su s e da sat r i a l s o l u t i o ni nt h e e x p e r i m e n t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t f i r s t l y ，t h ee v a p o r a t i v ec a p a c i t yo ft h ei m p i n g i n g s t r e a mc o n c e n t r a t o ri n c r e a s e sw i t hi n c r e a s e di n l e ta i rt e m p e r a t u r e ，d e c r e a s e dw i t h t h er a t i oo fi n l e ts u g a rc a n es o l u t i o nf l o wr a t et oi n l e t g a sf l o wr a t e ；s e c o n d l y ，t h e p r e s s u r ed r o p o ft h ei m p i n g i n gs t r e a mc o n c e n t r a t o ri n c r e a s e sw i t hi n c r e a s e di n l e ta i r f l o wr a t e t h i r d l y , t h ei m p i n g i n g s t r e a mc o n c e n t r a t o rh a sa h i g h v o l u m e t r i c e v a p o r a t i v ec o e f f i c i e n t 、a n d i ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s e di r f i e la i rt q o wr a t ea n d i n c r e a s e di n l e ta i rt e m p e r a t u r e ，t w ol e n g t h so ft h ea c c e l e r a t i n gp i p ea r ei n t r o d u c e d t o s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p i n g i n gs t r e a mc o n c e n t r m o rt h er e s u l t ss h o w t h a ti ti sb e t t e rt oa p p l yas h o r ta c c e l e r a t i n gp i p et ot h ec o n c e n t r a t o r a d d i t i o n a l l y , a d i m e n s i o n l e s s e q u a t i o n f o rt h e c o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o ni so b t a i n e d b y r e g r e s s i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hc a l lp r e d i c tc o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o n 晰也一2 24 t o2 58 r e l a t i v ee l t o r s am o d e li s e s t a b l i s h e db a s e do nt h e o r e t i c a l a n a l y s i s i n v i t t u eo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h et r a c eo f d r o p l e t ，t h ev e l o c i t i e so fd r o p l e t sa n dg a s ，t h e t e m p e r a t u r eo f a i ra n dd r o p l e t s ，t h er e s i d e n c et i m eo ft h ed r o p l e t s ，t h ee v a p o r a t e d f j 四川i 大学硕士学位论文 r a t eo fd r o p l e t s ，t h ec o n c e n t r a t i o no f d r o p l e t s ，t h e d i a m e t e ro f d r o p l e t s ，t h e p e n e t r a t i n gd e p t ho fd r o p l e t sa n dt h ee f f e c t so ft h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ( i n l e t g a st e m p e r a t u r e ：i n l e tg a sf l o wr a t e ，i n l e ts o l u t i o nf l o wr a t e ) o l le v a p o r a t e dr a t ea r e n u m e r i c a l l ys i m u l a t e dm o r e o v e r , t h es i m u l a t i v er e s u l t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h em o d e i sp r o v e db y c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n dp r e d i c t e dr e s u l t s o f l s c se v a p o r a t i v ec a p a c i t yt h em o d e lc a r lb eu s e dt oa i dt h ed e s i g no f i m p i n g i n g s t r e a mc o n c e n t r a t o ri ns o m ed e g r e e l k e y w o r d s ：i m p i n g i n gs t r e a r o c o n c e n t r a t i o n i m p i n g i n gs t r e a m c o n c e n t r a t o r t h e o r e t i c a lm o d e l n u m e r i c a l b rs i m u l a t i o n 四川大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 。1 撞击流原理 撞击流方法是一种较新的技术，撞击流( i m p i n g i n gs t r e a m ，简称i s ) 的概念 于6 0 年代初由原苏i 黼e l p c r i n 1 】率先提出并进行实验研究。原理如图l 所示。 其基本构思是使两股或多股气固或气液两相流相向流动，在两流体的中点处 即如图l 所示的所谓的撞击面上相互撞击。撞击的结果是在撞击面附近产生了 一个较窄的高度湍动区。在撞击面上，气流的轴向速度趋于零而转化为径向流 1 ：f 图1 1 撞击漉原理 f i g 1 1p r i n c i p l e o f i m p i n g i n gs t r e a m s 动，而颗粒或液滴可藉惯性穿过撞击面渗入反向流，并在开始进入反向流的瞬 间气液( 气固) 相间相对速度达到极大值，理论情况下可接近2 倍气速【2 】。渗入 反向气流的颗粒在摩擦力作用下减速运动，直到轴向速度衰减为零时才被反向 加速向撞击面运动，在撞击面上有的颗粒又藉惯性再次渗入原来气流作减速运 动，并如此反复进行，直到因颗粒间相互碰撞、速度降低等原因被排出系统。 e i p c r i n 的实验证明颗粒在两股流体间反复渗透可多达5 - 8 次，颗粒的渗入深度可 因速度的不同而达到气体出口管直径的3 5 倍i ”。在该过程中颗粒群的运动非 常复杂，颗粒随时都有可能藉外力离开撞击区被扫出系统。颗粒在两股相向流 四j i f 大学硕士学位论文 体间往复渗透的振荡运动，一方面可以在一定程度上延长颗粒在撞击区中的平 均停留时间，另一方面可极大地促进颗粒与流体之间的混合。这种特殊的悬浮 体流动结构可导致热、质传递过程的显著强化。 1 2 撞击流的主要特性 撞击流的性质决定了它的应用，了解它的性质对拓展它的应用领域具有很 重要的意义。其主要特性简述如下： 1 2 1 流体阻力 在撞击流中流体运动速度较大，装置的流体阻力通常是人们关切的问题之 一，因为如果阻力过大将难以实现工业应用。t a m i r 等【3 】1 4 胴实验研究了多种不 同结构和大小的撞击流接触器( i s r ) 的总压降，由于引入了切向进料、多对撞击 流、多级撞击等许多非撞击流本征因素导致了附加阻力，其结果范围很宽，为 数十至数千帕，不能阐明引起压降的主要影响因素和减小流体阻力的可能性。 吴高安【6 】等对i s r 的流体阻力构成进行了研究，他们在一个同轴水平两流撞击 流接触器中研究了i s r 对气固悬浮体系的阻力。研究表明：两相流相互撞击产 生的压降只取决于气流速度，与有无颗粒存在无关；i s r 的流体阻力不大，在 相当宽的操作条件范围内。两相流通过实验用i s r 的总压降 7 0 0 范围内 微观混合时间 2 0 0 m s 。f r i c 等”m 用相似的方法研究了撞击流反应器中微观混合 程度与进料流量和位置的关系及能量耗散速率，得出微观混合特征时间随进料 流量增大而减小，最小可达4 m s 。刘海峰等【1 4 】也用相似的方法研究了撞击流反 应器中的微观混合。l e e 等l 】副研究了两种液体雾炬射流相向撞击时的混合行 为。所有这些研究结果都表明撞击流可以有效地促进微观混合，这是极有应用 潜力的特性。 1 3 撞击流的应用领域及研究现状 从撞击流的特性可以看出，撞击流可以数倍到数十倍地提高相间传递过 程，尤其是强化外扩散控制的传递过程，这一特性倍受人们的酱遍关注。撞击 流造成的另一结果是极大地促进混合，尤其是微观混合。近年来人们开始将这 一特性用于通过化学反应制取超细粉体等，己显示出巨大的应用潜力，该领域 4 四川大学硕士学位论文 的研究有呈迅速增长的趋势”“。然而，在撞击流中连续相和分散相的平均停留 时间都很短( o 5 2 s ) ，这是限制撞击流技术的致命弱点。由于许多过程需要 较长的时间才能达到要求的加工程度( 转化率、吸收率或脱水率等) ，故不可能 在单独的撞击中完成。寻求将撞击流技术与其它技术方法相结合，延长分散相 的平均停留时间是研究者们认为是促进该技术工业应用的有效途径。前人的研 究工作主要体现在以下一些领域： 1 3 ，1 撞击流干燥 干燥是以相间熟、质传递为基本特征的加工过程。由于撞击流能强化传递 过程，七十年代以来国内外学者在各种物料撞击流干燥方面进行了一系列研究， 试验了多种结构形式的撞击漉干燥机。主要工作如下： 1 3 1 i 固体颗粒物料的干燥 t a m i r 等对多种结构和不同级数的撞击流干燥机干燥固体颗粒物料进行了 广泛的研究，近年来国内学者伍沅、刘登滚【1 7 】f 1s l 等也开始了这方面的工作。 的0 6 5 6 倍距离，在颗粒的进料 田1 2 同轴水平撞击流千爆机 口前有一个缩脉口以保证顺利进 f g 1 2 c m x i i lb o r i z o n 衄i 咖 料，固体颗粒采用两种粒径的黍粒，i m p i n g i n g - s t r e a md r y e r 加料方式为均匀双边进辩和单边进 料两种方式。实验表明撞击距离、空气流量、干燥机容积、颗粒直径和加料方 式对传热系数没有影确：热质传递过程的有效容积很小，仅为加速管出口之间 s 四川大学硕士学位论文 的局部空间。他们还在另一个装置中通过在两流撞击流干燥机的撞击面上添加 隔板和不加隔板捧 的方法测定传热系数和颗粒的平均停留时间。实验发现，采 用撞击流可使传热系数提高o5 3 倍，撞击使颗粒的平均停留时间增大。当气 体速度、固体颗粒持料量、颗粒流量越大，撞击的影响越大。 ( 2 ) 同轴垂直撞击流干燥机 图1 3 为垂直撞击流干燥机的示意图，固体颗粒只从上边引入。如果关闭 上边的进气口，固体颗粒从下边进气口引入，则该装置就变成喷动床。t a m i r 气体 气体 图1 3 垂直撞击流千燥机 f i g 1 3v e r t i c a lt w o i m p i n g i n g - s t r e a md r y e r 颗粒 图1 4 带撞击腔的垂直撞击流干爆机 f i g 1 4v e r t i c a lt w oi m p i n g i n g - s t r e a m d r y e r w i t hi m p i n g i n gc h a m b e r 等在文献【2 0 】中通过垂直撞击流干燥机与喷动床的比较实验表明垂直撞击流干 燥机的传热系数为喷动床的1 5 一一3 倍。输送气体的功耗仅为喷动床的十分之 一口 张进疆1 2 l j 等设计了与该装置类似的干燥机。用小米、大米、啤酒糟作为物 料对对撞室为平底柱形和锥底柱形的干燥机进行了比较，结果表明锥底柱形对 撞干燥机的干燥性能优于平底柱形干燥机。胡学功等1 2 2 1 开发了如图1 4 所示的 垂直撞击流干燥机，它和图1 3 的主要区别在于它在干燥机的内部增加了一个 同心圆筒形撞击腔。通过冷模实验研究了撞击腔中的喷动现象、压降和流场等， 6 四川大学硕士学位论文 研究表明撞击腔的应用能增大颗粒的停留时间。 ( 3 ) 切向水平撞击流干燥机 t a m i r 等1 1 9 】研究了颗粒在两流、四流和多级等多种结构中的干燥性能。 图1 5 是切向水平两流撞击流干 燥机的示意图，干燥机的容积 v ，= 6 3 1 0 4 m 3 ( 包括进料管) ，具 体结构尺寸见文献【1 9 。干燥过广- 程在两个同心圆筒间的环室进 行。这种干燥机的主要特点在于， 一 气体载带颗粒从切向进入撞击 腔，颗粒在惯性和离心力的作用 加速管 a a 下在对撞面渗入反向流，并可在 = 三三二j 四川大学硕士学位论文 停留时间有所增大，但传热系数和容积蒸发系数均无明显变化。由于进料管的 增加， 增大。 加速管 加料口 图1 6 切向水平流动四流撞击流干爆机 f i g 1 6i m p i n g i n g 。s t r e a md r y e rw i t hf o u rt a n g e n t i a li m p i n g i n gs t r e a m s 使得该干燥机显得结构复杂，干燥机颗粒持料量的增加使得装置的压降 图1 7 是有两对空气流 的切向水平流动两流撞击流 干操机【3 j ，它是原始两流干 燥机的改型。其主要特点是 增加了两股切向进入的二次 空气流。二次空气流引入的 目的是增加颗粒持料量和平 均停留时间，并适当增加相 间湍动，以提高干燥强度。 但干燥器的颗粒持料量和传 递系数没有的明显的提高， 且二次空气的存在使装置的 尘尘 _ - 仁= 二二= 列 + 仁= = = = 豆j 图1 7 有主气滚和二次气流的撞击漉千燥机 f i g - i 7t w o - i m p i n g i n g s t r e a m sd r y e rw i t hm a j o r a n d s e c o n d a r ya i rs t r e a m s 8 ，l v a 墨 厂t a 四川大学硕士学位论文 流体阻力大增。 为了增加颗粒的平均停留时间，k i t r o n l 2 3 】等开发了一种切向水平两流三级 撞击流干燥机。其外形结构与切向水平两流撞击流干燥机类似，内酃为多层环 室重叠结构。两股悬浮体由最上一层环室一侧切向进入，在另一侧发生对撞， 进行第一次强烈热质传递后通过级间隔板的开孔进入下一层环室，由分流板将 流体分成两股，两流体沿相反的切线方向流动，并在另- - 徊j j 再次发生对撞，进 行第二次强烈热质传递。然后悬浮体进入下一层，重复上面的行为。当悬浮体 离开环室后就进入下面的锥体进行气固分离，固体颗粒在锥体的下部收集，大 部分废气经中心管由上面排出。研究表明，颗粒的持料量和平均停留时间比单 级显著增大，但传递系数和容积蒸发系数有所降低。 综合作用下，可以完全( 9 8 - 1 0 0 1 图1 8 旋转式撞击流干燥机 从气流中分离出来，这是旋转撞击 n g 1 8c ”椭n g ，。o t i n t e r - c u r 咖 流的最重要的特点。旋转撞击流的 “p 1 “p “g 。旧“r y 。7 另种实现形式是相反方向旋转的 卧式旋转流干燥机。两股逆流悬浮体在碰撞之前沿相反的方向旋转，颗粒的运 动包括振动的轴向、径向往复运动。气体为切向进气。固体颗粒是轴向进入。 悬浮体是从位于圆筒室中心的撞击区排出。 婴型查兰堡主兰堡兰翌 ( 5 ) 半间歇同轴垂直两流对撞式干燥机 1 1 i 一热空气进气管2 。5 舫漏筛网 3 一颗粒加遽臂4 一千燥机体 里l 。9 半蔺麓建壹麓手攮瓿 f i g 1 9 & m i - i n t e r v a lv e r t i c a l i m p i n g i n g - s t r c a md r y e r 重 1 0 嚣环撞壹爱手臻挠 f i g 1 1 0c i r c u l a t o r yi m p i n g i n g - s t r e a m d r y e r 该干燥机的特点在于，气体一次性通过干燥机。面颖粒保持在于燥规中循 环。因此可以通过控制循环次数来使产品达到一定豹干燥要求。干燥规的示惹 国如图1 9 示。实验时先将湿的油菜籽放入干燥机，通入热空气循环。由于干 矮枫内颗粒的静压头和5 点赴进入的空气的文丘里效应，颗粒可以在于燥机内 循环流动，且射流的速度决定了颖粒臼 】流量。下部气流携带颗粒进入中心管。 在中心管中被加速后与上面进入的热空气对撞，强烈热质交换后废气从侧壁筛 网流出，颗粒因筛网的阻挡在重力作用下落入环室，在干燥器内循环。环室空 闻育利于均化颗粒的渥度翱涩含量分毒，类似于棱食于婊中的“缓苏”作用j 。 该干燥机的优点在于可以任意延长颗粒的停留时间。 ( 6 ) 连续循环撞击流干爆机 黄凯等f 2 7 开发了如图11 0 所示的连续循环对撞式干燥机。湿料由螺旋加料 机送入上部进气管，由气流l 加速形成高速流动的气、固两相流；气流2 从干燥 机底部进入，由环室锥形底部抽入部分已于燥的颗粒带人中心导流管，形成另 段高速两楣流。两股两糨流在撞击区撞击后，转为径向流动。颡粒困重力或 1 “ 塑坐! 壁堡圭! 丝堡苎一一 与壁碰撞而下落至环室在其中向下运动到锥形底，再由气流2 携带，在干燥机 内循环气体则向上流动，经沉降分离后由顶部排出。在撞击区，颗粒可以迅 速脱除表面水；到达环室后，随着颗粒的向下运动，颗粒表面和内部的温度和 浓度梯度可望减小，对脱除颗粒中的孔隙水是非常有利的。该干燥机是半间隙 式干燥机的改进型，其最大的特点在于它能连续出料，适合工业生产实际。在 年处理约5 0 t ，p v c 的小型装置上的热态连续干燥实验获得了较为满意的干燥效 果，目前研究工作已转向工业装置的开发1 1 6 。 1 3 1 2 溶液和悬浮体的干燥 l e i n e r 和e l p c 亦等f l l 提出如图1 l 所示的撞击流干燥硫酸铝溶液的方法。出于 该过程属于外扩散过程。因此，撞击流对该过程是很有效的。溶液通过喷嘴3 雾化进入预干燥室5 。热气体网对送入壁l _ 稆2 闺鑫窑闽。高速流动者搴气体穿过多 孔壁2 进入室5 ，它同时也防止了盐颗粒粘壁。雾炬在预干燥室5 中与热气体直接 气体 圈1 。1 1 麓酸铝藩滚的撞击漉干爆系统 h g 1 1 1i m p i n g i n g - s t r e a md r y i n gs y s k m f o rt h es o l u t i o no f a l u m i n u ms u l f a t e 接触，开始蒸发水分。干燥过程最终在于燥室6 中完成，两股反向的气体一滴粒 流在导管4 中被加速后进入干燥室，并在撞击区7 发生对撞。在撞击区中，湿的 i l 四川大学硕士学位论文 盐颗粒因惯性渗入反向流并在其中减速，随后又向相反的方向加速。盐粒的平 均停留时间和相间速度得到了增大，因此强化了传递过程。当盐粒在撞击区由 于碰撞而速度为零时，在重力的作用下离开系统。研究者通过在撞击面上添加 隔板和不加隔板的方法表明，两流体之间的对撞可以使产品的最终湿含量比没 有对撞时低1 5 3 倍。 图11 2 是用撞击流干燥孢子有机微生物的流程1 2 6 】| 2 8 】示意图。干燥机为卧式 圆筒形，直径1 2 米，长4 米。热空气的主要部分在1 5 0 下从干燥机两端轴向与 雾化后的料浆并流进入干燥室；进口处的旋流气片使两股气流相互反向旋转运 动，补充空气在切向喷嘴的作用下在干燥室壁形成一层适当方向的薄膜，有效 的防止了物料粘壁和过热。由于强度蒸发，离开撞击区时温度降至7 0 。c 。该装 置的蒸发能力为o 0 0 7 8 k g 水( m 3 ，s ) 。两相流在干燥室中心对撞后，两股物料携带 粉状物料进入分离系统。 图1 1 2 微生物物幸斗的撞击流千爆机 f i g 1 1 2i m p i n g i n g - s t r e a md r y e r f o rm i c r o b i o l o g i c a lm a t e r i a l s 1 3 1 3 其它撞击流干燥机 为了利用撞击流干燥机能强化热质传递的优点克服平均停留时间很短的 缺点，研究者们将撞击流与其它干燥器组合，以期达季日理想的效果。下面是几 四j i i 大学硕士学位论文 个已中试化的实例 ( 1 ) 工业淤浆的干燥 在工业淤浆的处理中，干燥及其费用是非常重要的问题，它对处理过的淤 浆进一步利用的可行性起决定作用。图1 】3 是一种处理高湿工业淤浆的工艺简 图【2 8 】，它实质是撞击流、气流干燥和旋风干燥的组合。物料的初始湿含量为2 2 8 图1 。1 3 淤浆的撞击菠一气淹一旋流干燥机 f i g 1 1 3i m p i n g i n g - s t r e a md r y e ra r r a n g e m e n t f o r d r y i n go f s e w a g e s l u d g e - - 4 5 6 k g k g ( - 干基) ，要求最终湿含量为0 2 l o 4 2 k g k g ( 干基) ，除水能力为0 9 2 k g 水s 。装置的主要参数是：加速管直径0 3 米，长0 9 米：加速管中心管速为1 0 米s ： 燃气喷出速度为2 0 - - 2 5 m s 。操作时先将湿物料与返料细粉混合，然后送入撞击 流干燥室脱出大部分水，同时破碎物料，气固悬浮体先后通过气升管和离心分 离器并在该空间中继续干燥。分离器中分离出的粗级分即为产品，细料作为返 料，其作用是吸收淤浆中的水分，防止淤浆粘附在加速管和撞击室的内壁。从 离心分离器顶部出来的气体送入一个废气处理系统处理后放空。 1 3 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 高分散药物的干燥 孰 ( 1 围1 ，1 4 药物的气流谨击流干爆机 r 2 1 1 4i m p i n g l n g - s t r e a md r y e rf o r d r y i n go f p h a r m a c e u t i c a l s 前苏联进行了某药物干燥的中间实验，它实质是气流干燥与撞击流干燥的 组合，其示意图见图l ，1 4 ：- 示1 2 6 1 1 2 9 1 。湿物料由螺旋加料机送入与1 8 0 热空气混合， 并由气流输送。悬浮体通过气流干燥管顶部的装有旋气片的同轴管道进入撞击 流干燥室并向上旋转运动，另一股1 5 0 c 的热空气切向进入干燥嚣的顶部并向下 反向旋转运动。物料在两股旋转气流的相互对撞作用下干燥后在离心力的作用 下向壁运动，随后沿壁落入料仓。上部迸气形成的外旋流通过折流挡板使之反 转向上，与内旋流的空气一起排出。该装置约生产能力为2 ，7 s k g 干产品s ，颗粒 的捕集效率为9 8 9 9 。 1 3 ，2 攫击流在其它方面的应用 1 ，3 2 1 化学反应器方面 液相和液、固相混合对于在液相或以液相为连续相的多相体系中进行的过 程，混合状况有重大影响。两流体对撞使撞击区发生强烈的湍动能使反应物 充分混合。这有利于反应的进行。夏代宽等f 3 0 】利用撞击流能促进混合的特点 开发了用氨中和湿法磷酸制得的高粘度磷酸一铵料浆的撞击流反应器，试验结 1 4 四川大学硕士学位论文 果达到了反应器内氨负荷较大，混合情况良好，反应较彻底，氨逸出率低的要 求。而且运用上述结果，已将反应器放大至5 1 5 万妇磷酸二铵的生产规模，实 现了一次开车成功、长周期稳定运行、环境条件好和经济效益佳等目标。 1 3 2 2 燃烧方面 燃烧是一个非常重要课题，应用极为广泛，例如电力生产，加工工业及居 民和工业加热都涉及燃烧。目前全世界消耗的能量中仍有9 5 以上是依靠燃烧 提供的。尽管在不断地寻找替代的能源，燃烧仍是很重要的。任何燃烧过程的 主要目标是提高效率，即用一定的燃料获得最大的熟垂。气体、固体和液体燃 料燃烧的方式有很多种。由于在撞击流中两流体在撞击区达到良好的混合：在 可控制的条件下颗粒的振荡运动增加了它们在燃烧室中的平均停留时间；颗粒 ( 液滴) 的碰撞可导致他们的进一步破碎等都极大地强化了燃烧。5 0 年代开发的 k t 粉煤汽化炉f i j 就是应用撞击流的典型例子，并已证明是成功的。多股火焰相 互倾斜撞击的方式已用于较新型的民用燃气灶具。最近的研究主要集中在改进 燃烧室结构和喷燃器的安排方面，以期进一步提高燃烧效率【1 6 】。 1 3 2 3 超细粉的制备 气固撞击流装置中气流携带被加速的颗粒对撞可导致颗粒间或颗粒与壁 间剧烈的碰撞。产生粉碎和研磨作用。这一特性可用来制取亚微米级超细粉体。 已成功开发- 了t r o s t 射流磨机 1 6 j 。旅冰宁等f 3 1 1 研究认为颗粒间的冲击压力是引起 粉碎的主要原因，冲击波的作用加强了颗粒的粉碎。利用此方法制备出了亚微 米级超细h m x 和r d x 高能炸药颗粒。由于通过反应沉淀法制取超细粉体需要 提供很高而且均匀的过饱和度环境。撞击流具有促进微观混合的特性，可以创 造上述条件，近十多年来倍受重视。伍沅等【3 2 j 利用循环撞击流反应器可以促进 微观混合的特性，已成功制得了超细自炭黑以及纳米钛酸锶。该项成果已申请 了中国专利l ”l 。 1 3 2 4 吸收方面的应用 吸收或气体洗涤过程是使气体混合物中的一种或多种可溶组分选择性地 传递和溶解到一种相对不挥发的液体中。在干燥过程中传递的阻力主要来自气 1 5 四川大学硕士学位论文 体阻力，即由外阻力控制：而在吸收过程中。全部的阻力来自液滴。在气一液撞 击流体系中下列因素可使传质迸一步强化( i ) 由于撞击面上滴粒问碰撞和气流 对滴粒的剪切力作用，原来的滴粒可能再雾化，从而增大了传质面积并促进液 漓表丽更新：2 由于滚粒阃碰撞、滂粒变形、剪切力和表面张力弓l 起界面和 滴粒内部的环流。当然，某些情况下滴粒间也可自聚并而减小传质面积。 t a m i r t ”3 4 峰在撞击流吸收器中，利用水吸收混合在空气中的c 0 2 、丙酮等 实验验证了撞击流可强化吸收。李发永等【35 】利用清水吸收空气中的c 0 2 ，在实 验室内考察了撞击流吸收器的吸收性能，并与具有内循环的喷射式吸收器、鼓 泡式吸收器进行了对比。实验结果表明，撞击流吸收器的吸收率和体积传质系 数明显高于具有内循环的喷射式吸收嚣和鼓泡式吸收器。但将撞击流吸收应用 于工业生产实际还没冤文献报道。 此外，撞击流在液液萃取i3 6 1 、固体溶解f 3 7 】、空气的蒸发冷却、磷矿焙烧 3 9 1 、乳液制备f 柚】1 、离子交换、除尘【1 】等方面都具有一定的优势。 1 4 撞击流浓缩器 8 0 年代以前主要是前苏联科学家在从事撞击流方面的研究工作，8 0 年代 后主要是t a m i r 领导的研究小组等在总结的基础上开展了大量的工作川，包括 固体颗粒的干燥、固固和气气混合、伴有或没有化学反应时气体的吸收和解 吸、气体和煤的燃烧、磷矿焙烧、乳液制各、液液萃取、离子交换、粉尘收集 和造粒以及空气的蒸发冷却等过程。本文将撞击流技术引入液体的浓缩领域， 并在理论分析的基础上开发了一神颓型浓缩装置撞击流浓缩器。 撞击流浓缩器( i m p i n g i n g s t r e a mc o n c e n t r a t o r , 简记为：i s c ) 主要由雾化装 置、液滴加速装置、对撞室等三部分构成。浓缩过程般分为三个阶段即：料 液雾化成雾滴、雾滴在干燥介质( 大多数为空气) 中运动、两相流在对撞室发 生对撞，在每一阶段两相之间都存在强烈的热质交换。现分别说明如下： 1 ) 料液雾化 4 j 】 其目的在于将料液分散成微细的雾滴，从而增大料液与 干燥介质接触的表面积，有利于水分的汽化。由于雾滴大小和均匀程度对于产 品质量影响很大，因此使料渡雾化所照的雾化器是浓缩器的关键毫往分之一，晷 前常用的雾化器主要有三种，即：气流式喷嘴 4 2 1 、压力式喷嘴和旋转式雾化器。 由雾化器雾化得到的液滴粒径总是按一定规律分布的。常见的分布函数1 4 3 , 4 4 1 有 1 6 四川大学硕士学位论文 四种：r o s i n - r a m m l e r 分布函数、n u k i y a m a - t a n a s a w a 分布函数、对数分布函数 和平方根正态分布函数。 2 ) 液滴在空气中运动出雾化器后的液滴进入加速管，液滴在热空气的 曳力作用下加速，进入撞击腔后，两相流形成自由射流。由于整个过程中水分 不段地蒸发，液滴直径逐渐减小，空气温度逐渐降低，再加上进入撞击腔后， 流通截面的突然增大，空气速度不段减小。会出现液滴的运动速度比气体快【4 “。 3 ) 两相流在浓缩室中发生对撞在撞击面上，气流的轴向速度趋于零并转 化为径向流动，而液滴籍惯性渗入反向流，并可在两流体间发生振荡运动。液 滴间由于速度的不同导致发生碰撞，碰撞的结果可导致液滴的聚并和再雾化。 t a m i r 等对气固两相流的碰撞研究表明，当颗粒对气体的体积比在1 0 。4 数量级 时，可以认为流体是无碰撞流动的悬浮体。 由于悬浮体中颗粒的碰撞与气体动力学理论中的分子碰撞有相似性， c u l i c k 和p 甜i j 首先提出将波尔兹曼( b o l t a m a n n ) 方程应用于固体颗粒，用统计力 学的方法来处理颗粒间的碰撞问题。a s h g r i z t 和g i v i 辐1 观察到了水滴间相互作 用有如下几种情况：( 1 ) 弹性碰撞：( 2 ) 单纯碰撞，渡滴闻仅相互稍微接触，不 发生聚并；( 3 ) 永久聚并或临时聚并，产生大的液滴：( 4 ) 在高能量下发生碎裂 碰撞，相互碰撞的液滴周围向径向分裂出大量细小滴粒。这样的捆互作用动态 非常复杂。k i t l - o n 4 7 等在研究气体运载液体时，在分析中仅考虑了聚并和再雾 化作用，它们取决于雷诺数、拉普拉斯( l a p l a c e ) 和韦伯数( w e b e r ) 。碰撞液滴的 相对速度和气体- 液滴间的滑动速度较大时，滴粒雾化的趋势增长。较小的表面 张力和气体阻力有利于再雾化。并在变形b o l t z m a n n 分子动力学方程的基础上 用m o n t e - c a r l o 模拟方法理论分析了滴粒间碰撞对撞击流吸收和液体燃烧过程 速率的影响。 孙勤 2 4 1 等采用载片取样、图象分析测定的方法实验研究了撞击前后雾化液 滴粒径分布和平均直径。获得的结果是：两股两相流撞击后液滴粒径分布交窄， 即粒径趋于均化；撞击对雾粒群平均直径没有影响。即撞击后大粒径液滴倾向 于分裂即再雾化，小滴粒则倾向于聚并。s a i t o l l6 】等进行的类似研究，结果稍有 不同：发现滴粒问很少碰撞。发生碰撞后聚并的机会比破碎少，s a u t e r 平均直径 强小。这些结果澍撞击漉应用于液体浓缩只有一定船意义。 1 四川大学硕士学位论文 1 5 本课题的意义 硫酸是应用最广的基本化工产品之一，硫酸在使用过程中大体可以分为三 种情况：或作为产品的组成部分被固定在产品内；或转变成为不希望的副产品， 如芒硝、石膏、硫酸亚铁等：或以废硫酸形态从产品系统中排出1 4 ”。 硫酸的一大用户是有机化工工业( 包括原油处理工业、印染工业等) ，其 中大约有1 3 的硫酸转变成废酸【4 9 】；另一个硫酸大用户是t i 0 2 工业，所生成的 废酸仅限于较窄的浓度范围：2 0 2 3 的硫酸和7 1 8 的金属硫酸盐；用于冶 金工业的酸洗液也一样。另外，在磷酸制造中同样有废硫酸的生成。废硫酸由 于在使用过程中被稀释和污染，一般不宜在原生产系统中再次使用。因此，如 何处理和回收这些废硫酸，无论从充分利用自然资源的角度，还是从环境保护 的角度，都是引入注目的问题。迄今为止，废酸回收的工艺主要分为两大类： 一类是废酸再生；一类是废酸浓缩。所谓废酸再生指的是在高温下便废酸热分 解为二氧化硫，此时所有的杂质被完全除去，再按接触法将二氧化硫气体加工 成浓硫酸或发烟硫酸闭】。虽然用热分解法再生污浊废酸能够得到高质量的硫 酸，但由于该方法的成本和能耗都比较高，因此，在实际的工业生产中很少被 采用。目前，工业生产更多的采用浓缩废酸的方法来回收硫酸，这类方法包括 浸没燃烧浓缩、鼓式浓缩、真空浓缩、锅式浓缩和喷雾浓缩等。 由于撞击流能显著地强化相间传递过程，撞击流装置的容积蒸发系数较高 ”；。本研究对开发新的稀硫酸浓缩工艺具有重要指导意义。 1 6 本研究的主要工作 本研究的主要工作是结合雾化，运用撞击流原理在理论分析的基础上设计 开发一种新型浓缩器，并从实验和理论两方面对该浓缩器进行系统研究。实验 中采用蔗糖水溶液作为试验溶液，通过调节熟空气进口温度、热空气进1 5 1 流量、 待浓缩溶液进口流量以及加速管的长度等工艺参数来研究该浓缩器的性能。理 论上，作者将从雾滴蒸发的机理出发建立起撞击流浓缩器浓缩溶液的数学模型， 并运用四阶龙格库塔法对整个浓缩过程进行数值模拟，并与实验结果进行比 较。 四川i 大学硕士学位论文 2 1 装置及流程 第二章实验部分 l 一风机：2 一阀门；3 孔援流量计；4 求镊湿度计；5 一电加热嚣；6 - 空气入口湿度控制 仪( _ 配e 型热电偶) t 7 一文丘里管；8 一加速管：9 一浓缩室 1 0 一转子流量计：1 l 高位槽： 1 2 、1 3 一温度计；1 4 一旋风分离器：1 5 一水洗槽；1 6 、1 7 一产品贮槽：1 8 一压差计 图2 ，1 实验渣程示意图 f i e 2 ，1 s c h e m a t i cf l o wd i a g r a m 在研究中，实验的主体设备采用水平同轴对撞式浓缩器。浓缩室是一个长 2 0 0 m m ，内径为1 4 7 r a m 的蜃 式不锈钢圆筒，两相流的进口管是内径为2 0 r a m 的不锈钢管。它们同轴对称地安装在浓缩室的两端。雾化装置采用喉管直径为 l o m m 的文丘里雾化器。实验流程如图2 1 所示，空气由鼓风机1 送入电加热 器5 ，送风量由阀门2 调节，一定量的空气经电加热器5 加热后分成等量的 两股进入文氏管7 ，待浓缩的溶液从高位槽加入，经转子流量计1 0 计量后分成 1 9 四川大学硕士学位论文 等量的两股进入文丘里雾化器的喉管处，在此经文氏管处高速热空气雾化，形 成非常微小的雾滴( 约几微米至一百多微米) ，从而形成气液两相流。雾滴经文 氏管渐扩段约束加速后，再进入直管加速段8 加速。两相流以自由射流的方式 离开加速管进入浓缩室9 ，两股两相流在浓缩室内发生对撞，气液两相在其中 进行强烈的热、质交换，水分迅速地汽化。浓缩后的液滴由于重力作用一部分 进入浓缩室下部的产品贮槽1 7 ，另一部分由气流夹带进入旋风分离器1 4 。在其 中完成液滴的分离后，液体从旋风分离器底部进入其下部的产品贮槽1 6 ，从旋 风分离器顶部引出的废气经水箱1 5 洗涤后放空。 2 2 实验参数的测定 在研究中，采用蔗糖水溶液作为试验溶液，主要研究了空气进口流量、空 气进口温度、溶液进口流量和加速管的长度这四个因素对浓缩器蒸发能力的影 响。因此需要测定气体进口流量、气体进、出口温度、溶液进口流量和溶液的 进、出浓度等系列参数。 ，糖水浓度的测定：首先用比重天平和温度计测出待测糖水溶液的比重 和温度，然后将测出的比重和温度代入公式f 副j ( 2 1 ) 即可算出糖水溶液的质量百 分比浓度。 c = - 3 9 1 0 7 9 + 5 3 4 3 3 0 p 一1 4 3 5 1 6 p ? 一0 0 2 4 6 + o o o o t e 2 + o 0 5 8