木质纤维素喷爆过滤数值模拟的研究.pdf

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1、26一■论文广场石20油14和年化第工17设卷备木质纤维素喷爆过滤数值模拟的研究刘岩，蔡纪宁，汪宗太(北京化工大学机电工程学院，北京100029)[摘要]本文采用Fluent计算流体力学软件，对喷爆过滤过程进行了数值模拟，得到了流场的压力、速度、固相浓度的变化规律。研究结果表明，滤网中心处压力最大，最大值先增加再缓慢降低；除过滤区外，固液两相在喷爆过滤过程中速度分布基本一致，但同一位置固液两相速度并不相同；滤饼含水率降低，固相浓度由中心向外围逐渐升高。[关键词]木质纤维素；喷爆过滤；数值模拟；流场；研究目前，如何高效利用水解物中的混合糖类进过程实现了蒸汽爆破产生的较高动能向压力能的行发酵是

2、木质纤维素生物转化研究中的焦点问题转化，为过滤提供了推动力，降低了能耗，是适之一【1]，将不同组分分开进行酶解、发酵是解决此应木质纤维素蒸汽爆破预处理的分离技术。问题的一种途径。由于蒸汽爆破预处理后，纤维素被打碎成细小固体，半纤维素水解得到可溶性糖溶于水中，两者可以通过过滤技术实现分离，进而分开酶解发酵，生产不同的化工产品，实现酶解效率和产品经济价值的提高。过滤技术是最实用的固液分离技术。达西1856年研究了流体流经固体颗粒堆积床层时压力降和流量的关系，提出了关于渗透水流动速度的达西公式，为过滤理论的发展奠定了基础_2]。20世纪30～40年代，Camman~RuthI入了压缩渗透性实验进

3、行过滤的理论分析。Tillert和白户纹平1等对罗斯方程中比阻进行了修正，提出了现代过滤理论。近年来，人们利用计算流体力学软件对过图1喷爆过滤过程示意图滤过程进行数值模拟研究。Mortimert1等用Fluent软件分析了粉尘颗粒通过滤料的动力学特征和滤1．1模型假设料的收集机理。单丽君【等采用了Fluent软件对过(1)固、液两相均视为连续性介质，将水视为滤器内的流场进行了数值模拟与分析，准确地找不可压缩流体，纤维素颗粒视为等径的不可破碎出过滤器内的死区，为优化设计提供了依据。颗粒。本文采用Fluent计算流体力学软件，对喷爆过(2)假设整个流体流动过程为常温状态下的等滤过程进行数值模拟

4、，研究流场各参数的变化规温过程。律，用来指导木质纤维素预处理工艺的改进。(3)将滤网视为均匀多孔介质且各项同性；在1数值模型多孔介质区，液体为层流流动。本文研究的喷爆过滤过程如图1所示，包括两(4)由于喷放速度很快，假设多孔介质区及附个阶段，首先是蒸汽爆破预处理的固液混合物料近阻力系数不随时间变化。经过拉瓦尔喷头的喷爆射流过程；然后是物料高1．2数值模型的建立速撞击滤网，纤维素颗粒被截留，半纤维素水解液滤出，实现两者分离的过程。滤网在电动滚筒作者简介：刘岩(1989一)，男，河北唐山人，硕士，北京化工的带动下将纤维素输送至下一工序中。喷爆过滤大学机电工程学院，研究方向为化工设备设计和流体密

5、封技术。第8期刘岩等木质纤维素喷爆过滤数值模拟的研究本文研究短时间内滤网某一位置的过滤过湍流动能耗散率e方程程。操作压力取1．0MPa，操作温度20~C。颗粒粒径0．1mm，浓度为0-3，黏度为1．6×10Pa·S。利用．)+{嗨jGambit软件建立二维几何模型并进行网格划分，+根据实际工况设定边界条件和求解方案，如图2所譬咔示。其模型主要包括喷头、喷爆挡板和滤网三部(5)分。采用结构化四边形网格对模型划分网格，并对滤网附近进行了网格细化。喷头入口设置为压2喷爆过滤过程模拟结果分析力入口，滤液流出口为压力出口，表压为零，壁2．1滤网表面的压力分布面采取无滑移边界条件。图3给出了某一时刻下

6、滤网表面附近径向的压力分布图。图3显示，滤网表面压力在正对喷头的滤网中心处最大，向两边急剧下降至大气压，静压力大于500kPa的半径范围在0．15m左右，近似为喷头出口的半径大小。这表明物料发散程度很小，绝大部分物料打在滤网中心，对称中心附近臻7m1动能最大，而动能转化为压力能，所以滤网中心链或i处压力最大。}!黜霉jL舟趱氍㈣靴盼渤图2喷爆过滤过程数值模型示意图由于混合物中固相含量较高，喷爆速度快而剧烈，数值模拟采用欧拉(Eular)多相流模型以及标准(Standard)k一￡湍流模型，主相为空气，第二相为水解液，第三相为纤维素颗粒。滤网采用多孔介质模型，主要公式有[7】：欧拉多相流连续

7、方程7ll》5-044}34}0n{时01娃2004n50．6叩iIm}+v(碑(1)图3喷爆过滤过程滤网表面附近压力分布图欧拉多相流动量方程图4给出了不同时刻下，x=O处滤网附近静压力最大值的变化曲线，图4显示，在刚接触滤网的盖{}{V()(2)⋯∑f镌I}ai州+0多孔介质区的能量方程损失源项方程。iD．，c，睾l{ji{(3)湍流动能k方程图4滤网附近静压力最大值随时间变化情况28一■论文广场石20油和化工设备．1