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1、结晶釜直径对SAS成粒过程影响的CFD研究第30卷第7期计算机与应用化学Vol.30,No.72013年7月28日ComputersandAppliedChemistryJuly28,2013结晶釜直径对SAS成粒过程影响的CFD研究*张敏华,王召亚,李永辉,耿中峰天津大学,天津大学石油化工技术开发中心,绿色合成与转化教育部重点实验室,天津,300072摘要:为探讨结晶釜直径对SAS超临界抗溶剂法过程的影响规律,并确定适宜的结晶釜直径,本文采用计算流体力学CFD方法,选用Realizablek-ε湍动模型对S
2、AS喷射过程建立模型。结晶釜高度为L190mm,考察了直径分别为40mm、30mm、20mm和15mm时釜内流体迹线、溶剂浓度分布、有效扩散因子分布及湍动强度分布变化规律,尤其是喷嘴出口附近溶液射流区内的流场变化状况。结果表明,随着结晶釜直径的减小,釜内漩涡区逐渐向釜顶缩小,有利于避免釜内颗粒间碰撞造成的粘结;釜内溶剂浓度逐渐减小,而有效扩散因子分布及湍动强度的绝对值逐渐增大但分布范围逐渐向釜顶缩小;喷嘴出口附近溶液射流区内的有效扩散因子与湍动强度逐渐增大,有利于提高成核速率而减小颗粒粒径。较小直径的结晶釜,
3、还会降低流体在釜内的停留时间,减少颗粒生长时间而利于减小颗粒粒径,因此选择小直径结晶釜对SAS过程有利。本文通过CFD模拟研究,揭示了SAS结晶釜直径对SAS成粒过程的影响规律,对SAS结晶釜的优化设计具有一定的理论指导。关键词:SAS超临界抗溶剂法;结晶釜;直径;CFD;喷嘴中图分类号:TQ015.9;TP391.9;O6-39文献标识码:A文章编号:1001-4160201307-703-708DOI:10.11719///.m20130701体系代替溶质/溶剂/抗溶剂三元体系进行CFD模拟;1引言2喷嘴
4、位于结晶釜顶部壁面上,忽略溶液喷嘴的超临界流体抗溶剂Supercriticalantisolvent,SAS支撑固定部件对流场的影响。法制备微细颗粒,具有形貌、粒径可控且分布均一等特2.1网格划分及数值解法[1-3]点,在材料科学、食品加工和药物微细颗粒制备等[4-5]方面成为研究的热点。SAS过程中溶液的过饱和度决定着成核速率的快慢,过饱和度越高,意味着成核速率越快,越有利于得到小粒径的颗粒。抗溶剂与溶剂的有[6]效快速混合是形成过饱和的关键因素之一,良好的混合有助于CO抗溶剂效应的发挥,从而有助于溶液更快
5、2速达过饱和而析出。抗溶剂与溶剂进入SAS釜后的混合效果很大程度上取决于釜的结构。另外,釜结构通过对流场的影响还决定着已形成的粒子是否会因发生碰撞造成粘结或破碎,进而影响颗粒产品的质量。SAS结晶釜的直径会对流场分布和颗粒的停留时间产生较大影响,是重要的结构参数之一。本文拟采用CFD方法对SAS结晶釜直径的影响规律进行研究,通过固定结晶釜的高度改变直径考察釜内Fig.1ThreedimensionalgeometryanditssizesaandcorrespondingmeshdetailsboftheSA
6、Sprecipitator溶剂浓度分布、有效扩散因子分布、湍动强度分布及流图1aSAS结晶釜的空间结构及尺寸单位:mm;体迹线的变化规律,昀终确定适宜的直径,以加强釜内b网格划分情况尤其是成核区域的混合速率从而提高成核速率,并减弱直径为40mm时的SAS结晶釜基本结构及尺寸如漩涡的影响从而减少颗粒在釜内的相互碰撞。图1a所示,溶液喷嘴和CO入口均位于结晶釜的顶22模型建立部,其中溶液喷嘴入口位于中心处,2个CO入口对称2分布于溶液喷嘴两侧且与溶液喷嘴的入射角度呈45°。本文建立的CFD模型做了以下假设:构建模
7、型时,使坐标原点位于溶液喷嘴出口中心,Z轴1SAS过程中溶质浓度一般都很小,因此假设溶处于结晶釜的轴线上,且Y轴通过CO入口中心。本文2质对SAS过程的流场影响不大,采用溶剂/抗溶剂二元收稿日期:2013-05-07;修回日期:2013-06-24作者简介:张敏华1963?,男,吉林榆树人,教授,博士生导师,E-mail:mhzhang@//0>.联系人:耿中峰,男,河北石家庄人,博士,E-mail:zfgeng@//.704计算机与应用化学2013,307[13-15]所考察的不同结构的模型差别仅在于釜直径
8、d不同,其湍流模型在模拟圆形喷射方面有更高的准确性,近结构示意图如图2所示,d分别为40mm、30mm、壁处采用标准壁面函数法。溶液和CO入口采用速度入2-120mm和15mm。口边界,并保持溶液入口流率为1.2mL?min,出口边界条件设置为压力出口。迭代收敛标准为各项残差小于-61×10。2.3模型有效性验证[16]Cardoso等的工作表明,可以通过对比模拟得到的湍动黏度分布图及质量分数分布图
