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超临界流体制备粉体过程基本流体力学问题的数值模拟

姜圣翰  
【摘要】: 超细微粒制备技术,特别是基于超临界流体技术的超细微粒制备技术是当前材料科学和化学工程研究中最重要的领域之一,获得粒径小且分布均匀的超细粉体是人们追求的目标。目前已提出了好几种以超临界流体制备超细粉体的技术,其中比较有代表性的有超临界溶液快速膨胀过程(简称RESS)、超临界反溶剂过程(简称SAS)和超临界辅助雾化过程(简称SAA)。上述过程都需要内径接近200μm的微细喷嘴来实现,因此对于超临界流体在该喷嘴内外流场的模拟对于过程的预测和优化显得非常重要。 为了保证对超临界流体制备粉体过程中喷嘴内外流体流场模拟的准确性,本文对超临界CO_2和乙醇物性参数的计算方法进行了总结和比较,确定了计算状态参数应用的状态方程,同时计算了CO_2和乙醇的粘度、导热系数、表面张力等物性参数。 本文针对纯CO_2通过单孔喷嘴流动的基本流体力学问题,建立了超临界流体通过喷嘴在自由空间快速膨胀的数学模型。在给定的模拟条件下,利用商业流体力学计算软件FLUENT对计算区域内的快速膨胀过程进行了数值模拟,得到了压力、温度、密度、速度沿着喷嘴轴线的变化曲线,考察了预膨胀压力、温度,以及喷嘴出口直径等结构参数对膨胀过程的影响。 超临界辅助雾化(SAA)过程是最近几年提出的一种新型的利用超临界流体制备固体超细微粒的方法。该过程最大的特点就是通过微细喷嘴产生的高速气流将溶有超临界CO_2的溶剂雾化成极细的液滴,从而产生粉体。本文以过程常用的溶剂乙醇为模型材料,建立了乙醇通过微细喷嘴的气体辅助雾化模型,利用流体力学计算软件FLUENT对雾化过程进行了模拟计算,得到了SAA过程中结晶器内部的液滴粒径、速度、温度等因素的变化规律,同时也分析了入口压力、温度及溶液流量变化对液滴粒径的大小和分布的影响。 虽然超临界流体制备粉体工艺具有其他方法无可比拟的优点,但是喷嘴出口截面积过小限制了制备粉体的产量,因此限制了此类方法的应用和推广。本文设计了一种应用于超临界流体制备粉体过程的新型喷嘴,此喷嘴由内心芯和外壳构成的环隙空间作为喷嘴出口。以纯CO_2为模型介质,对该喷嘴的快速膨胀过程进行数值模拟发现,该类喷嘴具有和单孔喷嘴相同的膨胀效果,而制备粉体的产量有了明显的提高。


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