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太原理工大学|郑文杰,杨景轩,郝晓刚,等:旋流式冷却造粒塔的优势与风险分析

2026-07-14 21:50:28

旋流式冷却造粒塔的优势与风险分析

郑文杰¹杨景轩^1,²孙刚³鲍鹏飞⁴丛有祥⁴郝晓刚^1,²

（1.太原理工大学化学与化工学院，山西太原 030024；2.山西科化技术服务有限公司，山西太原 030027；3.如皋市双马化工有限公司，江苏如皋 226571；4.南通赛孚机械设备有限公司，江苏如皋 226571 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20251267

摘要改善两相的流动和传热特性是提升造粒塔性能的关键。本文采用计算颗粒流体力学方法研究了硬脂酸在旋流式并流冷却造粒塔和常规逆流组合塔中的传热和造粒特性。结果表明，旋流塔中全部液滴降温至凝固点所需要的高度约是常规塔的一半。颗粒在旋流塔内平均停留时间为5.3 s，常规塔的对应值为8.5 s，这意味着前者的生产效率更高。相较于常规塔，旋流式造粒塔在大部分区域内显示出更优的颗粒温度分布均匀性，这表明旋转并流工艺有助于实现更均匀的液滴凝固过程。旋流塔具有以上优势的原因在于入塔气体因旋转形成更高的流速，进而使气固湍动程度增强和对流传热系数提高。此外，气流旋转形成的离心力场促使液滴向塔壁迁移，存在黏壁风险，但迁移过程也是对流传热最强的阶段，合理调控流场可消除风险。

关键词造粒；传热强化；两相流动；场流协同；计算颗粒流体力学

引用本文：郑文杰, 杨景轩, 孙刚, 鲍鹏飞, 丛有祥, 郝晓刚. 旋流式冷却造粒塔的优势与风险分析[J]. 化工学报, 2026, 77(5): 2503-2510(ZHENG Wenjie, YANG Jingxuan, SUN Gang, BAO Pengfei, CONG Youxiang, HAO Xiaogang. Advantages and risks of swirling cooling granulation towers[J]. CIESC Journal, 2026, 77(5): 2503-2510)

引言

造粒塔是化肥、精细化工、高分子材料等行业的核心设备之一，是实现熔融态物料规模化、连续化固化成型的关键环节^[1-2]。其性能不仅直接决定了最终产品的物理性质（如粒度分布、强度等）与生产成本（如能耗、返料率、检修周期等），还对工艺的环境友好性（粉尘排放等）有重要影响。

近年来关于造粒塔的研究报道多集中于塔体^[3-4]或喷头^[5-7]的工程设计优化，对内部传热过程的研究很少。造粒塔普遍采用颗粒顺重力下行、气流上行的逆流换热方式^[8-10]。这种换热方式也常见于喷雾干燥工艺。Carles等^[11]研究了并流和旋流结合对喷雾干燥过程的影响，发现其较纯并流、纯逆流具有干燥时间短和颗粒聚团少的特点。同时，在并流换热中，空气和颗粒的再循环几乎不会发生，改善了颗粒的团聚和壁面沉积^[12]。蒋中昕^[13]设计了一种使气流旋转的热风分配器，使得进入干燥室的气流更均匀，改善了物料的干燥效果。余承焰等^[14]设计了一种喷雾干燥造粒装置，结合了喷雾干燥原理和旋风分离器的原理，能在塔内形成相对规则的旋流流场，可以实现出料粒度的精确调节和控制。袁远等^[15]设计了一种喷雾干燥器，使热风从切向进气口进入塔体，可以在塔体内部形成旋转气流，增长物料喷雾与热风的接触，干燥更加均匀。Zhang等^[16]研究了煤-载气-载热颗粒并流下行中的传热过程，发现将气固流态从平流转变为旋流，离心立场和旋转湍流的共同作用可增强气固对流传热系数；另一方面，速度梯度和温度梯度的夹角减小产生场协同效应^[17]，场流协同作用使煤颗粒快速升温。

上述现有研究表明，旋流场能够有效增强湍动和气固对流传热，且已经在喷雾干燥领域展现出卓越的性能。然而，将这一强化手段系统应用于造粒塔的研究少有报道。本文尝试将场流协同强化传热的理念引入造粒工艺，采用数值模拟方法，从反应器尺度系统研究硬脂酸造粒过程的传热机制，分析旋流场发挥的作用，以期改善造粒塔的性能。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

图1(a)是江苏某化工厂的造粒塔结构，空气从塔底进入，经分布板后上行，从塔顶流出；液态硬脂酸经塔顶压力雾化喷头喷入，液滴顺重力下行，在塔底部富集、流化，逐步从侧面流出。简言之，该造粒塔是气固逆流下行床在上[如图1(a)区域1~8]、颗粒剧烈跳动的流化床在下[如图1(a)区域9~10]的组合结构，下文简称组合塔。图1(b)是根据场流协同强化传热理念提出的旋流式造粒塔结构，下文简称旋流塔。颗粒从中心锥周围均布入射，气流从与筒体相切的矩形入口流入，气固并流下行至底部，气流从中心排气管流出，颗粒进入收料仓。

图1造粒塔的几何模型、边界条件及切向速度径向分布：(a)组合塔；(b)旋流塔；(c)切向速度随径向位置的变化Fig.1Geometric model, boundary conditions, and variation of tangential velocity with radial position in the granulation tower: (a) combined tower; (b) swirling tower; (c) variation of tangential velocity with radial position

本文主要研究硬脂酸颗粒在两种造粒塔内的运动与传热行为，对实际造粒过程做如下简化：

（1）忽略硬脂酸颗粒在冷却过程中的膨胀行为和颗粒内部导热过程；

（2）根据造粒工艺，333 K液态硬脂酸进料后冷却凝固至常温，因此，忽略造粒过程中的水分蒸发等传质过程。

1.2 研究方法

CPFD (computational particle fluid dynamics)方法是分析气固流化床内流动^[18]、传热过程^[19]的常用方法。CPFD方法通过欧拉-拉格朗日耦合框架模拟气固流化床：气相作为连续相采用N-S方程求解，颗粒相则通过MP-PIC (multiphase particle-in-cell)方法将属性相似的颗粒聚并为“计算颗粒”^[20-22]进行追踪。本文采用Wen-Yu模型^[23]计算气固相间曳力。Liu等^[24]和Zheng等^[25]的研究表明，气固并流下行过程中，对流传热是相间传热的主导机制。对流传热系数

的表达式如下：

(1)

其中，k_f为流体的热导率，d_p为颗粒的直径，Nusselt数Nu_p是一个无量纲的参数，表示对流速率和传导速度之比。Nu_p采用Li and Mason建立的模型计算^[26]。

(2)

式中，Re_p为Reynolds数；Pr为Prandtl数；

为空隙率，考虑了气体体积分数项以及相邻粒子影响。

气固入口如图1所示，采用速度入口边界条件，出口采用压力边界条件，均为大气压。紧密堆积体积分数为0.5，碰撞最大动量偏转为40%，颗粒的切向碰撞恢复系数为0.99，颗粒的轴向碰撞恢复系数为0.3，时间步长为0.001 s。本研究将相变潜热转化为固体硬脂酸颗粒显热，经热量衡算，入塔颗粒的初始温度设为429.86 K。计算所用参数见表1和表2。

(3)

式中，Q为热量，r为相变潜热，C为硬脂酸的比热容，M为单颗粒质量，

为实际温度差，

为转换后的模拟温度差。

表1颗粒计算所用参数Table 1Parameters used in particle calculation

表2空气计算所用参数Table 2Parameters used in air calculation

1.3 网格无关性验证

鉴于气流出口尺寸相对较小，参考冯留海等^[28]的研究成果，对该区域采用局部网格加密的处理方式。图1(c)对比了不同网格数量条件下组合塔与旋流塔内部的气流速度分布，结果显示，当组合塔网格数量达到1747091、旋流塔网格数量达到2200520时，气流场状态不再随网格数量的增加发生变化。据此，后续数据分析工作将采用上述网格数量对应的计算结果。

1.4 模型验证

数值模拟结果的可靠性需通过与已有研究数据的比对来验证。图2比较了本研究的模拟结果与Okada等^[29]的实验及模拟结果，二者均呈现出高度一致的变化趋势，计算出的出口空气温度与实验数据偏差较小，说明本研究所采用的数值模拟方法能够较为准确地反应造粒塔中的多相流动和传热过程。

图2模拟结果与前人研究进行验证Fig.2Validation of simulation results with previous research

2 结果与讨论

3 结论

（1）计算结果表明，在旋流式造粒塔中上部，旋转气体流速高，颗粒Reynolds数大，对流传热系数较高，硬脂酸的冷却造粒过程在此区域全部完成。在相同的气体流量下，组合塔中的气体流速较低，大部分区域的颗粒Reynolds数偏小，对流传热系数偏低，冷却造粒过程在全塔范围内均存在。本研究所设定的条件下，旋流式造粒塔完成物料冷却和收集比组合塔快约70%，生产效率更高。

（2）旋流式造粒塔中，颗粒停留时间分布窄，接近平推流，颗粒的换热步调一致，有利于实现颗粒的精准控温。

（3）旋流式造粒塔中，颗粒向边壁聚集，存在因冷却凝固不完全而黏壁的风险。但在颗粒向器壁迁移的过程中，气固对流剧烈且液滴冷却速率快，这一风险可以通过合理的流场设计而实现有效控制。

Advantages and risks of swirling cooling granulation towers

ZHENG Wenjie¹YANG Jingxuan^1,²SUN Gang³BAO Pengfei⁴CONG Youxiang⁴HAO Xiaogang^1,²

（1.College of Chemical Engineering and Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China；2.Shanxi Kehua Technology Service Co., Ltd., Taiyuan 030027, Shanxi, China；3.Shuangma Chemical Co., Ltd. of Rugao City, Rugao 226571, Jiangsu, China；4.Nantong Saifu Machinery Equipment Co., Ltd., Rugao 226571, Jiangsu, China ）

AbstractImproving the flow and heat transfer characteristics of the two phases is key to enhancing the performance of granulation towers. This paper uses computational particle hydrodynamics to study the heat transfer and granulation characteristics of stearic acid in a swirling co-current cooling granulation tower and a conventional counter-current combined tower. The results show that the height required for all droplets to cool to their freezing point in the cyclone tower is approximately half that of the conventional tower. The average residence time of particles in the swirling tower is 5.3 s, compared to 8.5 s in the conventional tower, indicating higher production efficiency. Compared to the conventional tower, the swirling granulation tower exhibits better uniformity of particle temperature distribution in most areas, suggesting that the rotating co-current process helps achieve a more uniform droplet solidification process. The advantages of the swirling tower stem from the higher flow velocity of the inlet gas due to rotation, which enhances gas-solid turbulence and increases the convective heat transfer coefficient. Furthermore, the centrifugal force field generated by the rotating airflow promotes droplet migration towards the tower wall, posing a risk of wall adhesion; however, this migration process is also the stage with the strongest convective heat transfer, and this risk can be eliminated by properly controlling the flow field.

Keywordsgranulation；heat transfer enhancement；two-phase flow；field-flow synergy；computational particle fluid dynamics

第一作者：郑文杰（2001—），男，硕士研究生，2317279936@qq.com

通讯作者：杨景轩（1985—），男，博士，副教授，yangjingxuan@tyut.edu.cn

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旋流式冷却造粒塔的优势与风险分析

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