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喷雾冷冻干燥（SFD）颗粒冻结过程的数值模拟

作　者: 耿县如
导　师: 李占勇
学　校: 天津科技大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 喷雾冷冻单液滴冻结数值模拟碰撞流场分析
分类号: TB611
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

液滴冻结过程往往决定着干燥产品的微结构。论文从不同角度研究了喷雾冷冻单液滴冻结过程,首先利用数值计算的方法研究了液滴大小、气体流速和环境温度三个参数对其冻结过程的影响,并对冻结颗粒在流场内的滞留时间以及“消失”时冻结状态进行了分析。通过单液滴与板面的碰撞实验,较深入地了解了液滴与壁面的碰撞情况。数值计算结果发现液滴越大冻结时所需的形核时间和完全固化时间越长,而且冻结过程随着气体流速的增大和环境温度的降低而缩短。通过方差分析发现液滴大小较气体流速和环境温度对液滴完全固化时间的影响有较显著差异。液滴冷冻过程中,其质量损失率随着液滴大小的增大而略有减小,随着气体流速的增加及环境温度的降低而减小,其中环境温度对液滴质量损失率的影响最大。在喷雾冷冻过程中必须考虑雾化的液滴与壁面碰撞而引发的粘壁问题。为了准确地分析喷雾冷冻流场的壁面边界条件,以单液滴撞击低温表面为研究对象,利用实验方法研究了不同韦伯数的液滴在冷板面上铺展、收缩震荡及冻结过程,用高速摄像的方法得到了不同液滴大小、不同撞击速度、不同的板面温度对铺展直径和完全凝固时间的影响。研究发现,在喷雾室内粒径小的颗粒更容易受到气流的影响而长时间随着回流气体在塔室内漂流,而粒径大的颗粒更容易在流场内“消失”；通过对颗粒冻结状态分析发现粒径大颗粒达到完全冻结状态需要的时间长,导致这部分颗粒在“消失”时并未达到冻结状态,这一结果为工程应用中塔室的设计提供了参考。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 前言  8-31
  1.1 喷雾冷冻干燥的基本原理  8
  1.2 喷雾冷冻干燥过程  8-17
    1.2.1 雾化过程  8-11
    1.2.2 冻结过程  11-16
    1.2.3 干燥过程  16-17
  1.3 喷雾冷冻干燥发展  17-18
  1.4 喷雾冷冻干燥技术的现状  18-27
    1.4.1 喷雾冷冻冻结阶段工艺  18-23
    1.4.2 喷雾冷冻干燥阶段工艺  23-27
  1.5 喷雾冷冻干燥技术的应用  27-31
    1.5.1 喷雾冷冻干燥在医药和生物制品行业中的应用  27-28
    1.5.2 喷雾冷冻干燥在食品行业中的应用  28
    1.5.3 喷雾冷冻干燥在化工行业中的应用  28-31
2 单液滴冻结过程的模拟研究  31-46
  2.1 单液滴冻结过程物理模型  31-32
  2.2 单液滴冻结过程的难点  32
  2.3 单液滴冻结过程控制方程  32-34
    2.3.1 表面热流  32-33
    2.3.2 冷冻阶段  33
    2.3.3 冻结固化阶段  33
    2.3.4 相变区  33-34
  2.4 单液滴冻结过程参数  34-36
    2.4.1 冻结点  34-35
    2.4.2 密度  35
    2.4.3 比热  35
    2.4.4 导热系数  35
    2.4.5 扩散系数  35
    2.4.6 饱和蒸汽密度  35
    2.4.7 层数的划分和时间步长的选取  35-36
  2.5 模拟进程及框架图  36-37
  2.6 单液滴冻结过程实验验证  37-40
  2.7 单液滴冻结过程结果与讨论  40-45
    2.7.1 液滴大小对冻结过程的影响  41
    2.7.2 气体流速对冻结过程的影响  41-42
    2.7.3 环境温度对冻结过程的影响  42
    2.7.4 分析冻结过程各参数的影响  42-44
    2.7.5 冻结过程质量损失  44-45
  2.8 小结  45-46
3 液滴与冷板碰撞过程的实验研究  46-58
  3.1 碰撞实验装置及方法  46-48
    3.1.1 碰撞实验装置  46-48
    3.1.2 碰撞实验条件  48
  3.2 实验结果与讨论  48-56
    3.2.1 液滴与常温板面碰撞过程分析  48-52
    3.2.2 液滴在冷板面上铺展过程分析  52-53
    3.2.3 液滴在冷板面上收缩过程分析  53-55
    3.2.4 液滴在冷板面上冻结过程分析  55-56
  3.3 小结  56-58
4 CFD流场分析  58-70
  4.1 背景  58
  4.2 CFD模型理论  58-60
    4.2.1 质量方程  58
    4.2.2 动量方程  58-59
    4.2.3 能量方程  59
    4.2.4 湍动模型  59
    4.2.5 颗粒追踪  59-60
  4.3 喷雾冷冻CFD数值模拟  60-63
    4.3.1 模拟计算边界条件  61-62
    4.3.2 模拟条件  62-63
  4.4 结果与讨论  63-69
    4.4.1 模型验证  63-66
    4.4.2 结果与分析  66-69
  4.5 小结  69-70
5 结论与展望  70-72
  5.1 结论  70-71
  5.2 展望  71-72
6 参考文献  72-82
7 攻读硕士学位期间发表论文情况  82-83
8 致谢  83

喷雾冷冻干燥（SFD）颗粒冻结过程的数值模拟

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