Blog berichten Volupe

REA Spuitdroging Verdamping

In de blogpost van deze week gaan we dieper in op een van de nieuwe modellen uit de laatste versie (2022.1), en welke theorie het oplevert. Het nieuwe vloeistof-vaste stof-gasmengsel model voor Lagrangiaanse deeltjes. Het model wordt "REA Spray drying Evaporation" genoemd (Reaction Engineering Approach). Het heeft zijn voornaamste toepassing in het simuleren van melkdruppels in sproeidrogen of het proces van het drogen van natte vaste stoffen (CPI).  

De video hieronder toont het proces van het drogen van melkdruppels in een tegenstroom sproeidroger.  

 

Wat is het REA-model? 

Het algemene REA-model is een manier om droogkinetiek te modelleren door toepassing van chemische reactietechnische beginselen. Het werd in 1996 gecreëerd en in 1997 in een publicatie gepubliceerd. In REA wordt verdamping gemodelleerd als een nul-orde kinetiek met activeringsenergie. De condensatie daarentegen wordt behandeld als een eerste-orde bevochtigingsreactie met betrekking tot de dampconcentratie van het oplosmiddel in de drooglucht, zonder activeringsenergie. Nul-orde kinetiek betekent dat de reactiesnelheid geen functie is van de concentratie. Terwijl de eersteordekinetiek lineair afhangt van slechts één reactantsconcentratie.  

Het model biedt twee verschillende submodellen, de L-REA (lumped REA) en de S-REA (Spatial REA), waarbij de S-REA in feite een uitbreiding is van de L-REA. In de lumped REA modelleren we de globale droogsnelheid met de aanname dat de activeringsenergie constant is. Met Spatial REA introduceren we een uitdrukking voor de activeringsenergie, en de mogelijkheid om de mogelijkheden van REA uit te breiden tot bijvoorbeeld intermitterende droging onder tijdsvariërende temperatuur, vochtigheid, en infraroodverwarming enz. In wezen kunnen we het globale L-REA-model koppelen aan een stelsel van behoudsvergelijkingen om het ruimtelijke S-REA-model te verkrijgen. Zonder modificaties kan de L-REA benadering convectief drogen van het mengsel van polymeeroplossingen nauwkeurig modelleren. Aangezien het model gedeeltelijk empirisch is, en meetgegevens vereist, kunnen de verkregen L-REA-parameters ook worden gebruikt voor de S-rea-benadering.  

Zij heeft haar basis in en kan worden vergeleken met de diffusiewet van Fick. De wet van Fick is een van de bekendste concepten van massaoverdracht in de literatuur. Met behulp van dezelfde wiskunde als in de wet van Fourier voor warmtegeleiding of de wet van Ohm voor elektrische geleiding, kan diffusie worden uitgedrukt als: 

 

Deze formulering vertegenwoordigt één dimensionale diffusie. Maar gezien de complexiteit van het droogproces van een poreus materiaal wordt een "effectieve diffusie" berekend om meer effecten in aanmerking te nemen dan alleen het zuivere diffusieproces.  

Het voordeel van REA in het algemeen is dat het droog kan worden uitgedrukt in termen van eenvoudige gewone differentiaalvergelijkingen (een functie met afgeleide uitdrukkingen, slechts gebaseerd op één onbekende) en dit neemt de complicatie weg van het gebruik van partiële differentiaalvergelijkingen (waar er afgeleide uitdrukkingen zijn van verschillende onbekenden). 

Onder de motorkap 

De in Simcenter gebruikte REA-formulering STAR-CCM+ is te zien in onderstaande afbeelding. Het model regelt de vochtafvoersnelheid door de momentane dichtheid van de oppervlaktedamp te correleren met zijn verzadigde waarde.  

In het beginstadium van de droging is het deeltje volledig bedekt met vloeistof en door de evenwichtsveronderstelling is de dampdichtheid gelijk aan de verzadigde waarde en de snelheidsreductiefactor 1. Dit leidt tot de formulering voor de verdamping van een zuivere vloeistofdruppel. Naarmate het drogen vordert, neemt de snelheidsreductiefactor geleidelijk af door de toename van de vaste fractie op het deeltjesoppervlak die de vochtverwijdering beperkt. De snelheidsreductiefactor (de "fractie" voor het mogelijk maken van droging) wordt gemodelleerd volgens onderstaande afbeelding.  

Onder de aanname van een klein Biot-getal wordt de oppervlaktetemperatuur benaderd met de deeltjestemperatuur. Het Biot-getal beschrijft de verhouding tussen de thermische weerstand binnen een lichaam en aan het oppervlak van een lichaam, en bepaalt of er een sterke gradiënt binnen het lichaam is [Maatloze getallen - VOLUPE Software]. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de verdamping een activeringsproces is, wat betekent dat de verdamping een energiebarrière moet overwinnen, b.v. door de vorming van korst op het druppeloppervlak. De schijnbare activeringsenergie vertegenwoordigt een "weerstand" tegen het onttrekken van vocht, ongeacht het droogstadium.  

Verdere uitbreiding van de mogelijkheden van het model voor variërende drooggasomstandigheden, de schijnbare activeringsenergie wordt genormaliseerd met de evenwichtswaarde van het drooggas. 

De normalisatie maakt dat de activeringsenergie slechts een functie is van de afwijking van het vochtgehalte op het deeltjesoppervlak ten opzichte van zijn evenwichtswaarde in het drooggas. Wat dan wordt gebruikt is een model voor de genormaliseerde activeringsenergie. De term X_eq in het model voor de genormaliseerde activeringsenergie is het evenwichtsvochtgehalte en is op zijn beurt een functie van de wateractiviteit. De wateractiviteit (a_w) met betrekking tot water in voedingsmateriaal, wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de partiële dampdruk van water in het monster en de partiële dampdruk van zuiver water bij dezelfde temperatuur. En dit wordt op zijn beurt opgelost met behulp van een ander model, het GAB-model (Guggenheim-Anderson-de Boer-model).  

 

Merk op dat beide modellen vol zitten met constanten (a, b en c voor Chen-Li en C_0, K_0 en X_mo voor GAB) en de waarden voor deze constanten kunnen worden gevonden in de documentatie voor Simcenter STAR-CCM+ onder "Particle Heat and Mass Transfer" in het theoriegedeelte voor de Lagrangiaanse benadering. Er zij op gewezen dat de standaardwaarden, die vooraf zijn geselecteerd bij gebruik van het model, betrekking hebben op een 20 wt% magere-melkoplossing. Correlaties voor verschillende materialen en initiële samenstellingen kunnen uit de literatuur worden gevonden en met door de gebruiker gedefinieerde veldfuncties worden geïmplementeerd. (Een nog uitgebreidere beschrijving van de modellen en vergelijkingen is te vinden in het eerder genoemde documentatiegedeelte) 

In Simcenter STAR-CCM+ 

Nu, we hebben onder de motorkap gekeken voor dit nieuwe model, maar welke selecties doen we in de software om dit model te gebruiken? Het is vrij eenvoudig, bij het creëren van je Lagrangiaanse fase selecteer je het nieuwe knooppunt van "Vloeistof-Vaste Stof-Gasmengsel". Daarnaast schakel je het REA-Spray drying evaporation model in. Merk op dat er ook een model voor Meerfase-mengselverdamping is dat kan worden geselecteerd in plaats van het REA-model. Dat model werkt precies zoals het model voor Meer-componentendruppelverdamping. Verder kunt u alle constanten met betrekking tot de eerder genoemde modellen vinden in de eigenschappen voor elk model. En vanaf dit punt moet u de componenten in uw mengsel definiëren, en hier kunt u nu een vaste stof opnemen, iets wat voorheen niet mogelijk was. Vanaf hier is de procedure dezelfde als in eerdere versies.  

Ik hoop dat dit nuttig is geweest en dat het enig inzicht heeft gegeven in het nieuwe model dat in STAR beschikbaar is. Aarzel niet om contact op te nemen met support@volupe.com als je vragen hebt.  

Auteur

Robin Viktor

Robin Victor

+46731473121

support@volupe.com

Meer blogberichten

nl_BEDutch