喷雾干燥中的干燥过程及仿真模型的建立外文翻译资料

 2022-07-05 07:07

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喷雾干燥中的干燥过程及仿真模型的建立

Imrich Orlovskyacute; ，男，博士1,a ；Michal Hatala，男，副教授, 博士.2,b；Milan Mičko，男3,c

1斯洛伐克共和国普雷绍夫市柯西策技术大学（普雷绍夫分校）生产技术系

2斯洛伐克共和国普雷绍夫市柯西策技术大学（普雷绍夫分校）生产技术系

3斯洛伐克共和国普雷绍夫市柯西策技术大学（普雷绍夫分校）生产技术系

a imrich.orlovsky@tuke.sk, bmichal.hatala@tuke.sk, cmilan.micko@tuke.sk

关键词：干燥，造粒，仿真

摘要：本文所描述的是喷雾干燥过程，针对该过程建立了一个干燥的数学模型。该模型允许在整个干燥过程中进行识别和定义，其输出结果是一个平衡方程式。这次仿真的对象是陶瓷颗粒的生产过程，然后在Matlab程序软件中建立一个仿真模型——Simulink，其依据是根据能量平衡方程和实际干燥系统的参数值进行拟合。仿真结果显示，干燥颗粒出口水分与干燥介质的绝对湿度有关，与产量有关。

前言

几乎所有的工业领域中都会应用到燥技术。它是一种在不改变物料化学性质的情况下，利用加热方法来降低物料水分的物理过程。干燥是陶瓷制品生产的基本工艺之一。根据要求，将含水料浆进行喷雾干燥后的最终产品是物料颗粒。喷雾干燥是陶瓷造粒生产工艺中最常用的方法之一。

喷雾干燥器中陶瓷造粒的生产

喷雾干燥法适合于那些以溶液形式、以乳化液形式、以悬浮液形式而呈现的物质，它的最终产物为颗粒粉末形式。

干燥器

喷雾干燥的基本原理是被干燥物料被高度地分散在干燥介质中。乳化液利用一个特殊的装置来进行雾化，然后再进入干燥室中，同时伴随着热干燥气体的循环。

干燥器内的干燥过程阶段为：

  • 制备乳化液
  • 干燥
  • 颗粒分离

干燥器的数学模型

数学模型以理论方式描述了干燥器内的干燥过程，它定义了干燥器的输入量和输出量，干燥过程中的大多数可观测的影响因素是颗粒的水分。在此基础上，可以得出颗粒水分与干燥气体水分以及干燥器产量的关系。质量和能量平衡方程被用于干燥过程的输入和输出量从而来创建数学模型。根据适用的范围，研究的是理论干燥过程。但是如果只考虑到这种类型的干燥过程，那么就不需要考虑干燥过程中的热量损失。

基于以上所述，我们假定干燥气体的焓在干燥过程的输入值和输出值是相同的。

图1 喷雾干燥器的示意图

1-鼓风机；2-燃烧室；3-雾化器；4-喷雾干燥室；

5-热风分布器；6-送料泵；7-旋风分离器；8-排风系统

具体干燥过程要素的基本参数

在喷雾干燥过程的参数中，具体干燥过程要素的基本参数是：

输入参数 - 干燥过程开始时的干燥气体和乳化液的参数

输出参数 - 干燥后的干燥气体和颗粒的输出参数

图2 简要地显示了干燥过程及其输入要素和输出要素以相应的参数。

图2 干燥过程示意图

进入干燥器内的干燥介质：

干燥介质通常是燃烧产物与空气的混合气，这样就导致干燥器能够达到所需的温度。干燥所需的热量来自于热源。

干燥介质的主要参数是：

- 温度（T1）[℃，K]，

- 质量流量（msp）[kg.s-1]，

- 绝对湿度（Y1）[g.m-3，kg.m-3]，

- 相对湿度（phi;1）[％]，

- 焓（i1）[J. kg-1]，

乳化液

乳化液是水和固态物料的混合体，在高压状态下将它通过喷嘴雾化后再通入干燥室中。同时，在循环热干燥介质作用下，上述混合体中的水分被蒸发并与干燥介质一起从干燥器中排走。

水的主要参数是：

- 水温（Tv1）[℃，K]，

- 水的质量流量（mv1）[kg.s-1]，

- 水分（u1）[g.kg-1，kg.kg-1]，

- 水的比热容（cv）[J.kg-1.K-1]

固态物料的主要参数是：

- 固态物料的温度（Ts1）[℃，K]，
- 固态物料的质量流量（ms）[kg.s-1]，
- 固态物料的水分（u1）[g.kg-1，kg.kg-1]，
- 固态物料的比热容（cs1）[J.kg-1.K-1]

从干燥器内排出的气体

从干燥器中排走的气体中含有一定量的颗粒物。这些颗粒物通过旋风分离器被收集起来，然后再用于乳化液的制备过程。气体则流入烟囱被排走。

主要参数是：

- 温度（T2）[℃，K]，

- 质量流量（msp）[kg.s-1]，

- 绝对湿度（Y1）[g.kg-1，kg.kg-1]，

- 相对湿度（phi;2）[％]，

- 焓（i2）[J.kg-1]

颗粒

具有必要水分的干燥颗粒从干燥塔落到输送机上，通过振动筛并储存在储存箱中。它的水分是确保其质量性质的主要参数，而且对其用途具有重要影响。

主要参数是：

- 颗粒温度（Ts2）[℃，K]，

- 颗粒质量流量（ms）[kg.s-1]，

- 度量水分（u2）[g.kg-1，kg.kg-1]，

- 颗粒的比热容（cs2）[J.kg-1.K-1]

从平衡方程式可以得到所需的关系式，具体于式（1）所示：

[kg.kg-1] （1）

方程描述：

Msp——干燥介质流经干燥室的质量流动[ kg.s-1]

i0——输入热装置的空气的焓[ J.kg-1]

t0——输入热装置的空气温度[℃ ]

Y0 ——输入热装置的干燥介质的绝对湿度[ kg.kg-1]

i1——干燥器内气体的焓[J.kg-1]

t1——输入干燥器的干燥介质温度[℃ ]

Y1——输入干燥器的干燥介质的绝对湿度[ kg.kg-1]

i2——输出干燥器的干燥介质焓[J.kg-1]

t2——输出干燥器的干燥介质温度[℃ ]

Y2——输出干燥器的干燥气体的绝对湿度[ kg.kg-1]

m.s——干燥物料（固体）通过干燥器的质量流动[ kg.s-1]

u1——输入干燥器物料的水分[ kg.kg-1]

u2——输出干燥器物料的水分[ kg.kg-1]

ts1——输入干燥器的固态物料温度[℃ ]

ts2——输出干燥器的固态物料温度[℃ ]

tv1——输入干燥器的水温度[℃]

cs1——输入固态物质的比热容[J.kg-1.K-1]

cs2——输出固态物质的比热容[J.kg-1.K-1]

cv——水的比热容[J.kg-1.K-1]

喷雾干燥器中干燥过程的仿真

这部分是关于干燥过程的计算机仿真。根据喷涂干燥器Scaron;koda100F这一具体型号建立模型，该模型被用于Ceramtec公司Sumperk工厂的碳化硅生产线。

在真实干燥过程中，人们不太愿意改变操作参数，所以，在操作过程中改变具体参数的可能性很小。这就是使用Matlab程序软件——Simulink中的模型来替代该真实操作系统的原因所在，在Simulink程序软件中，可以控制其在不同操作条件下的特性。这些仿真的目标可以通过以下几点来获得：

1.根据已知的方程，结果和给定的常数，创建陶瓷干燥造粒的仿真模型

2.在干燥器产量一定的条件下，验证干燥颗粒水分与干燥气体湿度之间的相关性

3.利用本模型来进行实验以及对于这些实验的评价（具体评价见下一章）

碳化硅生产工艺过程是很复杂的，因为它是受到很多因素的影响。由于处理物质的范围所限，所以该模型被简化并且没有考虑热量和材料损失。于是可以假定干燥介质的输入焓值与输出焓值是相同的。

基于以下两点可以进行仿真计算：

bull; 能量平衡方程和确定的干燥参数，

bull; 来自干燥器实验测量值

具体参数的测量值和计算值

利用在实际干燥器Scaron;koda100F所进行的实验测量，可以得到碳化硅干燥过程中所需的具体参数值。在输入到干燥器的1950kg乳化液之中，包括了880kg水和1070kg固态物料。 干燥过程持续10小时，生产出了861kg陶瓷颗粒，平均水分为8％左右。根据干燥开始和干燥过程中的输入值，我们可以确定的固态物料的质量流量ms和水分mv1。管道中的干燥气体的绝对湿度Y2及其温度T2是在干燥器产量一定的情况下通过测量来确定。输入量Y1的绝对湿度输入值由焓湿图I-Y确定。根据干燥的理论，我们可以说，在理论干燥过程中，干燥介质的输入焓值和输出焓值是相同的。干燥介质的输入质量流量和输出质量流量则可以通过质量守恒计算来确定。在干燥室干燥点处的干燥介质温度T1是可以通过测量来确定。乳化液的温度要素Ts1和Tv1则取周围环境值。通过计算单位时间内单位体积干燥颗粒料的重量降低值可以确定固态物料的输出质量流量。再根据干燥颗粒的水分以及固态颗粒的输出质量流量还可以确定干燥介质的输出质量流量mv2。物料的输入水分则可以通过水的重量与乳化液（水 固态物料）的总重量之比来确定。数学模型中的有关常数值是可以通过查表来获得。

表1给出了（在实际操作条件下测量产量情况下）固态物料相对水分值与相应干燥介质的绝对湿度。根据测量水分也可以计算固态物料的相对水分。根据这些值便可以绘制一个图（见图4），该图用于与仿真结果进行比较。

表1颗粒的水分与干燥介质的湿度值[1]

w2[%]

Y2[kg.kg-1]

0.772

0.062

0.823

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