槲树叶水热环境下的传质传热模拟

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槲树主要分布在我国山区丘陵地带。槲树叶中含有丰富的类黄酮物质,具有一定的药用和商业价值。为提高槲叶的附加值,常采用乙醇回流法提取这些有效物质,但提取效率比较低;为提高提取效率,本组采用的水热醇提法经前期实验验证效果良好。本文首次对水热醇提过程中槲树叶颗粒的浸泡、升温无相变传质传热现象进行研究,具体内容如下:首先对粉碎后的槲树叶颗粒密度、堆积密度、粒度分布等物性参数进行测定,然后根据测定结果建立合适的物理数学模型,采用COMSOL Multiphysics仿真模拟软件,分别从微观、宏观和放大生产三个角度,对槲树叶颗粒内部、颗粒堆以及管式连续反应器内部的传质传热进行模拟研究,并对部分模拟研究进行了实验验证。物性参数测定结果表明,槲树叶颗粒的密度为490.7 kg/m~3,堆积密度为338.0kg/m~3,进而计算颗粒堆的孔隙率为0.31。干颗粒的体积平均径为116.7μm,在水中浸泡后体积呈不断变大的趋势,浸泡24 h后,平均粒径增加到127.3μm。在乙醇溶液中浸泡的颗粒体积变化更加明显,体积平均径先增大后减小。且在60%(V/V)乙醇溶液中浸泡40 min后,平均粒径增加到最大132.8μm,浸泡60 min后,平均粒径降至127.2μm。在无水乙醇中浸泡,最大值130.9μm出现在80min,因此槲叶颗粒在60%(V/V)乙醇溶液中浸泡比在水及无水乙醇中变化更明显。对于微观单颗粒而言,在外界乙醇浓度60%(V/V)的浸泡过程中,浓度场达到稳定时间为3.2 s,在该溶液外界温度40℃升温无相变过程中温度场达到稳定时间为0.5 s。在浸泡初期,乙醇溶质在槲树叶颗粒表面快速扩散,颗粒内部扩散具有滞后性,乙醇溶质浓度随着浸泡时间的增加变化缓慢,最终达到稳定的状态。升温无相变过程中由于颗粒体积小,温度上升得很快,内部温度分布能很快达到稳定,浸泡颗粒内部温度变化明显;之后颗粒整体的温度慢慢趋近于浸泡温度,最终达到平衡,温度高的溶液比温度低的溶液颗粒内部温度场率先达到稳定。宏观颗粒堆在外界乙醇浓度60%(V/V)的扩散过程中,浓度变化速率呈先增大后减小的趋势,内部扩散过程达到稳定的时间是60 s。颗粒堆内部扩散过程可分为三个阶段:第一阶段为边缘快速扩散阶段(0-10 s),第二阶段为内部快速扩散阶段(10 s-30 s),第三个阶段为稳定扩散阶段(30 s-100 s)。靠近颗粒堆上表面部分增速峰值出现在第一阶段,颗粒堆内部增速峰值出现在第二阶段。当外界浓度为60%(V/V)时,溶质在颗粒堆内传质效果最好。在外界温度40℃、乙醇浓度60%(V/V)下,颗粒堆温度达到稳定的时间为20 min。颗粒堆升温过程可分为两个阶段,第一阶段:快速升温阶段(0-2 min);第二阶段:稳定升温阶段(2 min-30 min)。温度的增速会先增加后减小,其增速峰值出现在快速升温阶段,距离下底面中心处越远,其到达增速峰值的时间越短,其增速峰值越高。在第二阶段温度场分布趋于稳定,并逐渐趋近外界温度。对颗粒堆内传热过程进行的实验验证与模拟结果相吻合。对管式连续反应器萃取过程的流动和传热进行了模拟,得到了入口直管处和整体部分的流速分布,符合层流特征。对温度场的模拟分析发现,入口直管处在10 s后温度基本达到稳定,且外界温度越低,其内部温度越接近外界温度。反应器外界温度越低时,管内温度达到稳态的时间越短。
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