Использование технологии CFD для моделирования процесса распылительной сушки

рованным высвобождением. Выявлены основные факторы: проведения процесса, влияющие на качество покрытия. Методами математической статистики определен относительный вклад каждого из факторов и даны рекомендации по оптимальным условиям ведения процесса инкапсуляции.

Исследована кинетика высвобождения лекарственного вещества из инкапсулированного препарата в средах, имитирующих желудочно-кишечный тракт. Даны рекомендации по необходимой толщине покрытия, обеспечивающей защиту лекарственного вещества от действия желудочного сока и при этом мгновенное высвобождение в среде кишечника.

Библиографические ссылки

1. Air-suspension particle coating in the food industry / Stephen R.L. [ets.] // Powder Technology, 2007. № 171. PP. 25-45.

2. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: Учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1985. 327 с.

УДК 66.047.596: 001.891.573

А. А. Войновский, Е. А. Лебедев

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ CFD ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ

Process of microparticles producing by dispersion on apparatus Minor Spray Dryer is considered in. this article. Methods of modeling of process dispersion with using of Fluent software package based on CFD-technoIogy are considered. The mathematical model of process is developed. It includes the equations of hydrodynamics, heat and mass transfer and allows to estimate the process efficacy on different operation conditions, to detect the ways of energy and material, saving.

В данной статье рассматривается процесс получения микрочастиц диспергированием в аппарате Minor Spray Dryer. Рассмотрены методы моделирования процесса диспергирования с применением CFD-тех иол о гии, а именно программного пакета Fluent. Разработана математическая модель процесса с учетом гидродинамики и теплом ассобмена, позволяющая оценить эффективность работы, сушилки при различных рабочих параметрах, предложить пути снижения материальных и энергоресурсов.

Распылительная сушка в последние годы становиться всё более распространенной в фармацевтической промышленности, за счёт универсальности и возможности сушки практически любых жидкотекучих объектов. Она позволяет получить порошкообразный продукт с заданными структурными, дисперсными и качественными характеристиками. Так же распылительная сушка может использоваться в тех случаях, когда желателен кратковременный контакт вещества с теплоносителем-воздухом и необходимо проводить высушивание из раствора. Примером таких веществ могут быть

экстракты лекарственных растений, ферменты, белки и другие вещества. В фармацевтической промышленности распылительную сушку применяют также для процесса микрокапсуляции водно-маелянных эмульсий и суспензий полимеров. Благодаря таким достоинствам, как простота конструкции аппаратов, быстрота сушки, сравнительно высокая экономичность, распылительная сушка - это достаточно универсальный способ обезвоживания жидких материалов.

Основной целью данной работы стало исследование поведения диспергируемого материала внутри аппарата Minor Spray Dryer, а так же определение оптимальных условий проведения эксперимента.

Эксперимент проводился на установке Minor Spray Dryer. Технологическая схема приведена на рис. 1. Установка включает в себя вертикальную цилиндрическо-коническую сушильную камеру, оснащенную пневматической форсункой, а также систему подготовки и подачи сушильного агента, очистки отработанного воздуха и ёмкость для сбора продукта 7. Сушильный агент нагревается в калорифере 9. Подача сушильного агента осуществляется через воздуховод, расположенный в центре установки в направлении нормали плоскости поперечного сечения аппарата, через газораспределительную решётку (насадку 8).

Рис. 1. Принципиальная схема Minor Spray Dryer: 1 - перистальтический насос;

2 - компрессор; 3 - фильтр; 4 - пневматическая форсунка; 5 - вентилятор; 6 - циклон; 7 - ёмкость для сбора продукта; 8 - насадка и 9 - калорифер

Первым этапом моделирования стало построение геометрической модели аппарата и расчётной сетки на ней. Основным параметром при построении расчётной сетки является её плотность. Величина шага разбиения на насадке принята равной 1 мм, а величина шага в аппарате 1 см без изменений плотности по длине аппарата (рис.2). Скорость сушильного агента на входе в аппарат составляла 5 м/с. Другими необходимыми начальными параметрами являются: направление вектора скорости газового потока на входе, начальный диаметр капель диспергируемого материала, плотность диспергируемого материала, начальная скорость частиц диспергируемого материала, угол факела распыла, геометрические, координаты точки впрыска диспергируемого материала, радиус сопла форсунки.

Для создания модели необходимо было задаться следующими допущениями: 1. Аппарат работает в стационарном режиме; 2. Все диспергируемые частицы имеют сферическую форму и одинаковый начальный диаметр; 3. Вероятность столкновения частиц в объёме аппарата равна нулю; 4. Все столкновения частиц со стенками аппарата являются абсолютно упругими, то есть потери энергии отсутствуют.

Рис. 2. Иллюстрация расчётной сстки на насадке и на общей структуре аппарата

Модель процесса состоит из системы уравнений, граничных условий и дополнительных соотношений к основным уравнениям. Система уравнений приведена ниже:

о1 дх. дх.

& ОХ: дх,

(

/л +

( + —\

// +

1 **]

мЛ де

дх]

дх.

0)

+сиио1+сивь)-сир-

В уравнениях (1) и (2): к - кинетическая энергия турбулентности (м /с ); е-скорость диссипации кинетической энергии (м2/с}); Оц~ производство кине-

тической энергии, вызванное градиентом скорости; оу и с£ - числа Прандтля соответственно для кие (-); Си, С%, и С}е - константы (-).

,з,

Р р

В уравнении (3): и - скорость фазы-носителя (м/с); ир - скорость диспергированной частицы (м/с); р - плотность фазы-носителя (кг/м3); рр - плотность материала частицы (кг/м^); & - ускорение свободного падения (м/с2).

^{рЕ) + Ч^

В уравнении (4): - эффективная проводимость (к+кк, - турбулентная

проводимость, рассчитываемая в соответствии с моделью турбулентности) (Вт/м-К); .5/, - поток тепла между сушильным агентом и диспергированным

материалом (Вт/м*1); - тензор напряжений (Па).

трс,,-~£- = кл,1{Т« -т1)+врА1Лв1-'Тг)-

В уравнении (5); тр - масса частицы высушиваемого материала (кг); ср~ теплоёмкость высушиваемого материала (Дж/(кг-К)); Ар - площадь поверхности частицы (м2); Т.п - локальная температура сушильного агента (К): к - коэффициент конвективного тешкшереноса (Вт/(м2-К)); ер - коэффициент излучения частицы (-); а - константа Стефана-Больцмана (-); вц — температура излучения (К).

М,=кс{с„-с^).

В уравнении (6): Ы, - молярный поток водяных паров (кгмоль/(м2-с)); кс -коэффициент массопереноса (м/с); С« - концентрация водяных паров на поверхности частицы (кгмоль/м); С/.ю - концентрация водяных паров в объёме сушильного агента (моль/м3).

Первые два уравнения в системе описывают гидродинамику потока газа в колонне, уравнение (3) описывает поведение частиц диспергированного материала, Уравнение (4) отвечает за процесс теплопереноса. Через член 5* уравнение (4) связано с уравнением теплообмена (5) между частицами высушиваемого материала и сушильным агентом. Уравнение (6) - уравнение массопереноса от частицы диспергированного материала к сушильному агенту [1].

Рис. 3. Линии тока сушильного агента по длине аппарата и в области насадки

Расчёты проводились в программном пакете Fluent. Проведя расчеты по уравнения модели были получены данные по траектории движения частиц и полю векторов скоростей (см. рис. 3). На рисунке показываются линии тока сушильного агента по длине аппарата, для них характерна потеря скорости по длине аппарата, и замедление после выхода сушильного агента из насадки. Здесь и далее шкала в левой части рисунка показывает соответствие цветов и значений изменяющейся величины. При большем увеличении можно наглядно увидеть влияние насадки на изменение линий тока сушильного агента. Благодаря наличию данной насадки потоки воздуха внутри аппарата завихряются, тем самым создаётся ещё более турбулентный поток, что способствует лучшему высушиванию распыляемого вещества. Так же конструкция насадки с загнутым и лопастями позволяет избежать налипания вещества на поверхность насадки.

На рисунке 4 наглядно показывается скорость частиц во время их пребывания в аппарате. На первом этапе (0-0.1мс) частица, получившая начальное ускорение на выходе из форсунки, теряет свою начальную скорость за очень малый промежуток времени, за счёт встречного потока воздуха, малой массы и инерции. Далее не большой всплеск скорости (0.1-0.2 мс), характеризующийся подхватыванием частицы воздухом сушильного агента и постепенный её спад (удаление частицы в глубь аппарата). На третем этапе (4-4.2 мс) происходит разгон частицы, за счёт сужения камеры на выходе из аппарата. На последнем этапе (4.2 мс) происходит вылет частицы из аппарата. Всё это достаточно хорошо согласуется с экспериментальным данными.

Рис. 4, График зависимости скорости частиц по длине аппарата и от времени

В результате расчета уравнений модели с учетом тепло- и массопе-реноса удалось получить данные о времени протекания процесса в аппарате (см. рис. 5). Благодаря встроенным в Fluent средствам визуализации данных, после проведения расчётов уравнений модели, удалось получить траекторию движения отдельно взятых частиц высушиваемого материала с отображением значения диаметра частицы в каждый момент времени. Изменение диаметра частиц происходит на расстоянии 10 см от сопла форсунки, это означает, что на этом процесс сушки закончен. Дальнейшая сушка частиц мате-

риала во внутренней части аппарата не происходит так как масса частиц не меняется.

Рис. 5. График зависимости диаметра частиц по длине аппарата и от времени

На рисунке 6 показывается температура частиц во время их пребывания в аппарате. Условно его можно поделить на 3 этапа. На первом этапе (О-ОЛмс) частица на выходе из форсунки интенсивно нагревается встречным потоком горячего воздуха сушильного агента до температуры 372 К. Далее зона застоя температуры (0.1-0.5 мс). На третий этап (0.5-4 мс) соответствует завершению процесса удаления влаги. Частицы нагретые до температуры сушильного агента 473 К, теряют свою температуру по мере продвижения их к выходу из аппарата.

Рис. 6. Траектории частиц с отображением температуры частиц подлине аппарата

Таким образом, с помощью полученной модели можно исследовать: распределение давления в аппарате; движение потоков газа и частиц; изменение физических свойств газа по длине аппарата; пристеночные эффекты; тепло-массоперенос

Подводя итог, можно сделать вывод, что проведение процесса при данных условиях не совсем оптимально и более эффективно было бы проводить эксперимент при более низкой температуре или с меньшим расходом сушильного агента.

Библиографические ссылки

1. CFD Modeling of spray drying processes: Ph. D. Thesis. Lodz, Poland. Li X. 2004. 143 p.