喷雾干燥制备CL-20过程中喷嘴直径对液滴雾化行为影响的CFD模拟

张彦奇，李伟伟，史晓澜，柴 凡

(中北大学 化学工程与技术学院，山西 太原 030051)

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的爆炸能量和密度优于奥克托今(HMX)和黑索今(RDX)，但由于其感度较高，应用受到很大限制. 粒径和形貌是影响CL-20感度的主要因素. 喷雾干燥法制备的CL-20形貌好、粒径小且粒径分布均匀，该方法是使CL-20降感的有效方法之一. 目前，研究者采用喷雾干燥制备出了粒径较小的含能材料，如：杭贵云等[1]制备出粒径在1 μm～5 μm的CL-20/RDX球形共晶炸药；宋原等[2]制备出平均粒径为1.46 μm的ε-CL-20/EPDM，其特性落高比CL-20原料增加了23.36 cm；徐洋等[3]制备出平均粒径为0.4 μm的ε-CL-20球形颗粒，其摩擦感度比原料CL-20降低了60%；Liu等[4]制备出平均粒径为3.54 μm的CL-20/DNDAP共晶炸药；Song等[5]制备出壳层厚度为20 nm～30 nm的CL-20/TNT复合炸药.

喷雾干燥法制备CL-20的过程中，液滴的雾化性能会影响生成颗粒的性能，其中，喷嘴结构的影响最大. 通过实验优化喷嘴的结构参数成本较高，且有一定的危险性，而模拟仿真可以有效降低实验成本，并能快速预测不同的设备结构参数下干燥塔内液滴粒径的变化规律，从而为实验研究提供理论指导. 但喷雾干燥制备含能材料过程中的温度、速度、湿度和粒径分布[6-7]以及进料速率、气体流量、入口温度和溶剂对雾化液滴粒径影响[8]的模拟研究较少. 针对喷嘴结构，以水为研究对象，吴恩启等[9]模拟了喷嘴气液夹角对液滴索特平均直径的影响；Yoon等[10]模拟了喷嘴旋流角度和孔径对液滴粒径分布的影响；Wang等[11]模拟了喷嘴的空气帽出口直径、注水孔直径、喷孔数量对雾化角、液滴尺寸分布和液滴速度的影响. 上述研究表明，模拟仿真可以较好地预测物料在干燥塔内的雾化特性，但喷雾干燥制备含能材料中喷嘴直径对液滴雾化行为的模拟研究尚未见报道. 因此，本文在史晓澜等[8]研究的基础上，采用Computational Fluid Dynamics(CFD)耦合连续性方程、动量方程以及离散相方程，对喷雾干燥制备CL-20过程中不同工艺参数(液体流量、气体流量、气体温度和溶剂)下，喷嘴直径对雾化液滴粒径的影响进行了模拟研究.

1 实验流程及模型的建立

1.1 实验流程

喷雾干燥法制备CL-20的流程如图1 所示. CL-20溶液被蠕动泵输送至喷嘴，并与经电加热器加热后进入喷嘴的氮气混合，然后在喷嘴处被雾化分散成小液滴，最终在干燥塔内快速干燥和结晶，并形成颗粒，干燥颗粒经旋风分离器进入产品收集器. 考虑到配制CL-20溶液的溶剂物性对干燥塔内雾化液滴的粒径有较大的影响，分别选择丙酮、乙酸乙酯作为溶剂，并以纯水为比较对象来更好地对比其喷雾干燥的雾化效果.

图1 喷雾干燥实验流程Fig.1 Flow chart of spray drying experiment

在喷雾干燥法制备CL-20的过程中，选用索特平均直径(D32)作为评价喷嘴雾化性能的标准，其表达式为

(1)

式中：N为干燥塔内的雾滴数；di为第i个液滴的直径；ni为液滴直径为di的雾滴数.

1.2 CFD模拟过程

1.2.1 模型的建立

对喷雾干燥塔的物理模型进行简化，使用DM软件建模，使用ICEM CFD软件划分网格，网格模型如图2 所示，图中圆柱部分为干燥塔，其顶部为氮气入口，中心部位为气流式喷嘴. 网格划分采用中心O型切分，对喷嘴和氮气入口中心进行加密，加密后的网格质量在0.6以上，且网格最小正交质量为0.7，网格数约为120万. 采用Euler-Lagrange方法模拟喷雾干燥制备CL-20过程中的气体和液体两相流的流动过程. 氮气为连续相，CL-20溶液为离散相，在CL-20与溶剂质量比为1∶50 的条件下进行模拟计算. 离散相的相关参数如表1 所示，喷雾干燥制备CL-20的工艺参数如表2 所示.

图2 喷雾干燥塔网格模型Fig.2 Mesh model of spray drying tower

表1 离散相的相关参数Tab.1 Related parameters of discrete phase

表2 工艺参数设置Tab.2 Process parameter setting

1.2.2 控制方程

1) 连续相控制方程

质量方程

(2)

式中：ρg为气相密度，kg·m-3；t为时间，s；uj为j方向上的速度，m·s-1，j=1,2,3分别代表x,y和z轴上的速度；Sc为气相质量源项.

动量方程

(3)

式中：ui为i方向上的速度，m·s-1，i=1,2,3分别代表x,y和z轴上的速度；p为静压，Pa；μ为动力粘度，Pa·s；μt为湍动粘度，Pa·s；Fj为j方向上的体积力.

能量方程

(4)

式中：h为焓，J·kg-1；μe/σh为输运系数；Sh为气相能量源项.

2) 离散相控制方程

液滴运动方程

(5)

式中：ug为连续相速度，m·s-1；ul为液滴速度，m·s-1；fD为阻力系数；g为重力加速度，m·s-2；ρl为液滴密度，kg·m-3；ρg为连续相密度，kg·m-3；Fx为液滴受到的其他作用力，N.

式(5)中fD为

(6)

式中：CD为曳力系数；Re为雷诺数；dp为液滴直径，m.

式(6)中CD为

(7)

式(7)中球形液滴的a1,a2和a3均为常数[12].

干燥塔内液滴在氮气阻力的影响下发生变形破碎，液滴破碎方程为

(8)

式中：r为液滴半径，m；u为气液速度差，m·s-1；σ为表面张力，N·m-1；CF,CK,Cd和Cb均为无因次常数，借鉴Liu等[13]的研究成果，其值分别取1/3, 8, 5和0.5.

1.2.3 湍流模型

由于干燥塔内气相流动复杂且属于非稳态流动，液滴雾化过程中易出现气体回流而导致流场不稳定，使得计算发散. 选用Realizablek-ε湍流模型可降低流场内压力-速度梯度的波动.

1.2.4 边界条件的设置

喷嘴选用DPM模型中的air-blast-atomizer，参数设置见表3. 氮气入口设为mass-flow-inlet，出口设为outflow，进出口离散相设为escape，即雾滴撞击进出口视为该液滴计算终止；塔壁面设为no-slip.

表3 喷嘴参数设置Tab.3 Nozzle parameter setting

1.2.5 求解方法

为准确快速求得离散化方程的解，加快收敛速度，采用了PISO算法求解. 由于CL-20溶液在雾化过程中会出现雾滴的破碎碰撞，需激活TAB破碎模型，模型常数y0为0.05，Breakup Parcels为2. 使用压力式求解器，时间步长为5×10-5s. 当流域内质量误差低于1%时，视为计算收敛.

2 模拟结果及其分析

2.1 不同液体流量下喷嘴直径对液滴粒径的影响

在气体流量为5 950 mL·min-1，气体温度为353 K时，液滴粒径随液体流量和喷嘴直径的变化如图3 所示.

(a) CL-20/乙酸乙酯(b) CL-20/丙酮(c) 水图3 不同液体流量和喷嘴直径下干燥塔内液滴的雾化特性Fig.3 Atomization characteristics of droplet in drying tower under different liquid flow rate and nozzle diameter

由图3 可以看出，当液体流量为1.5 mL·min-1时，随着喷嘴直径由2.0 mm减小至0.9 mm，溶剂为乙酸乙酯的D32从 190.31 μm快速减小至8.58 μm，溶剂为丙酮的D32从186.74 μm快速减小至8.08 μm，水的D32从585.45 μm快速减小至23.67 μm，D32分别减小了181.73 μm，178.66 μm 和561.78 μm，减幅较大；当喷嘴直径由0.9 mm减小至0.5 mm，溶剂为乙酸乙酯的D32从8.58 μm减小至1.08 μm，溶剂为丙酮的D32从8.08 μm 减小至0.84 μm，水的D32从23.67 μm减小至2.28 μm，D32分别减小了7.50 μm，7.24 μm和21.39 μm，减幅较小. 从液滴直径的减小程度可以发现，随着喷嘴直径的减小，液滴直径初始时快速减小之后缓慢减小.

当液体流量由1.5 mL·min-1增加至7.5 mL·min-1，喷嘴直径为2.0 mm时，溶剂为乙酸乙酯的D32从190.31 μm增加至208.52 μm，溶剂为丙酮的D32从186.74 μm增加至198.94 μm，水的D32从585.45 μm增加至627.16 μm，D32分别增加了18.21 μm, 12.20 μm和41.71 μm，增幅较小；喷嘴直径为0.5 mm时，溶剂为乙酸乙酯的D32从1.08 μm增加至1.83 μm，溶剂为丙酮的D32从0.84 μm增加至1.50 μm，水的D32从2.28 μm增加至4.12 μm，D32分别增加了0.75 μm, 0.66 μm和1.84 μm，增幅不明显. 由此可见，液滴直径随着液体流量和喷嘴直径的减小而减小，且在液体流量为1.5 mL·min-1，喷嘴直径为0.5 mm时，雾化效果最佳. 液体流量对D32的影响在较大喷嘴直径(2.0 mm)时大于在较小喷嘴直径(0.5 mm)时. 这是因为随着喷嘴直径的增大，氮气对液膜的冲击作用减弱，液膜破碎形成较大的液滴，伴随着液体流量的增加，雾化液滴数量上升，液滴间易发生碰撞，使得液滴相互聚合形成大液滴.

对比图3(a)，图3(b)和图3(c)，发现丙酮的雾化液滴最小. 这是因为水的表面张力最大，在相同雾化条件下，水雾化所需的能量最多，产生的液滴直径最大，乙酸乙酯次之，丙酮最小.

2.2 不同气体流量下喷嘴直径对液滴粒径的影响

在液体流量为1.5 mL·min-1，气体温度为353 K时，液滴粒径随气体流量和喷嘴直径的变化如图4 所示.

由图4 可以看出，当气体流量为4 100 mL·min-1，喷嘴直径从0.5 mm增加至0.9 mm 时，溶剂为乙酸乙酯的D32从1.85 μm增加至 17.51 μm，溶剂为丙酮的D32从1.66 μm增加至17.18 μm，水的D32从5.03 μm增加至 51.35 μm，D32分别增加了15.66 μm, 15.52 μm和46.32 μm，增幅较小；喷嘴直径继续由0.9 mm增加至2.0 mm时，溶剂为乙酸乙酯的D32从17.51 μm 增加至400.38 μm，溶剂为丙酮的D32从17.18 μm增加至395.96 μm，水的D32从51.35 μm 增加至1 204.01 μm，D32分别增加了382.87 μm, 378.78 μm和1 152.66 μm，增幅较大. 从液滴直径的增加程度可以发现，随着喷嘴直径的增大，液滴直径初始时平缓增加之后快速增大.

(a) CL-20/乙酸乙酯(b) CL-20/丙酮(c) 水图4 不同气体流量和喷嘴直径下干燥塔内液滴的雾化特性Fig.4 Atomization characteristics of droplet in drying tower under different gas flow rate and nozzle diameter

在气体流量由4 100 mL·min-1增加至7 883 mL·min-1，喷嘴直径为0.5 mm时，溶剂为乙酸乙酯的D32从1.85 μm减小至0.44 μm，溶剂为丙酮的D32从1.66 μm减小至0.34 μm，水的D32从5.03 μm减小至1.61 μm，D32分别减小了1.41 μm, 1.32 μm和3.42 μm，减幅不明显；喷嘴直径为2.0 mm时，溶剂为乙酸乙酯的D32从400.38 μm减小至108.41 μm，溶剂为丙酮的D32从395.96 μm减小至107.15 μm，水的D32从1 204.01 μm 减小至321.70 μm，D32分别减小了291.97 μm, 288.81 μm和882.31 μm，减幅明显. 由此可见，液滴的D32随着气体流量的增大和喷嘴直径的减小而减小，且在气体流量为7 883 mL·min-1，喷嘴直径为0.5 mm时，雾化效果最佳. 气体流量对D32的影响在较大喷嘴直径(2.0 mm)时大于在较小喷嘴直径(0.5 mm)时. 这是因为随着喷嘴直径的减小和气体流量的增大，气液两相间的速度差增大增强了氮气对液膜的冲击，气液两相间扰动增强，促使液膜破碎为更小的液滴，使得雾化后的液滴粒径变小.

2.3 不同气体温度下喷嘴直径对液滴粒径的影响

在液体流量为1.5 mL·min-1，气体流量为7 883 mL·min-1时，液滴粒径随气体温度和喷嘴直径的变化如图5 所示.

由图5 可以看出，当喷嘴直径从0.5 mm增加至2.0 mm时，气体温度为293 K，溶剂为乙酸乙酯的D32从1.05 μm增加至124.88 μm；当气体温度上升至353 K时，D32达到最小值，D32从0.44 μm 增加至108.41 μm；当气体温度继续升至373 K时，D32从0.98 μm增加至115.09 μm. 溶剂为丙酮，气体温度为293 K时，D32从0.60 μm增加至118.99 μm；当气体温度上升至333 K时，D32达到最小值，D32从0.31 μm增加至103.36 μm；当气体温度继续升至373 K时，D32从0.66 μm增加至113.87 μm. 当气体温度为293 K 时，水的D32从2.66 μm增加至340.89 μm；当气体温度上升至373 K 时，D32从1.46 μm增加至310.16 μm. 由此可见，当喷嘴直径不变时，以乙酸乙酯或丙酮为溶剂的D32随着气体温度的上升先减小后增大，水的D32随着气体温度的上升逐渐减小；当气体温度不变时，D32随着喷嘴直径的减小而减小，且在喷嘴直径为0.5 mm时，D32最小. 喷嘴直径的影响远大于气体温度的影响. 这是因为气体温度不变，单位时间内提供的热量有限，伴随着喷嘴直径的增大，液滴粒径呈增大趋势，使得液滴中溶剂的蒸发速度减缓，雾化后的液滴粒径变大；随着气体温度的升高，溶液的表面张力下降，雾化所需动能降低，液滴粒径减小；当气体温度达到溶剂沸点并继续升高时，溶剂蒸发速度加快，导致液滴内部压力过大而使液滴膨胀破碎发生团聚，造成液滴粒径变大.

(a) CL-20/乙酸乙酯

(b) CL-20/丙酮

(c) 水图5 不同气体温度和喷嘴直径下干燥塔内液滴的雾化特性Fig.5 Atomization characteristics of droplet in drying tower under different gas temperature and nozzle diameter

3 结 论

本文通过建立CL-20的喷雾干燥雾化模型，研究了不同工艺参数(液体流量、气体流量、气体温度和溶剂)下喷嘴直径对干燥塔内液滴粒径的影响，主要结论如下：

1) 在相同的液体流量、气体流量、气体温度和溶剂下，随着喷嘴直径的减小，D32呈减小趋势，且喷嘴直径在0.5 mm～0.9 mm之间时，D32减小速度平缓.

2) 当液体流量为1.5 mL·min-1、气体流量为7 883 mL·min-1、气体温度为333 K、溶剂为丙酮且喷嘴直径为0.5 mm时，液滴D32最小.