基于旋轉超重力機的固體制劑除塵裝置設計與模擬

李梓軒 楊忠連 歐陽張文

摘 ?????要： 固體制劑生產時容易產生大量粉塵，如果處理不當，對生產過程和藥品質量都會產生很大影響。旋轉超重力機具有高效傳質和分離性能，設備體積小，開停車方便，已成熟應用于化工分離、環境保護等領域。采用Solidworks軟件對設備進行建模和組件設計，使用Fluent軟件對設備內流體流動狀態進行模擬和分析，從而得到設備內部各個零件的最優參數。

關 ?鍵 ?詞：固體制劑； 超重力；化工分離； 模擬

中圖分類號：TQ051.8+4 ?????文獻標識碼： A ????文章編號： 1004-0935（2024）05-0775-06

重力本質來源于地球的引力，表觀為物體隨地球一起轉動時受地球的引力^[1]。超重力指的是物質在加速度高于地球重力加速度（9.8?m/s²）的環境下所受的力^[2]。超重力科學是一門研究超重力環境下化學變化過程和物理變化過程的科學^[3]。超重力技術是指利用超重力科學原理創制的應用技術^[4]。超重力本質上是力的屬性，力在物理學中是矢量，數學中稱向量，是一類既有方向又有大小的物理量。

1 ?旋轉超重力技術

超重力可借助旋轉填料床實現，轉子裝上填料，在動力驅動下轉子與填料做圓周運動，填料層內的物料隨填料層一起做圓周運動。假設在沒有重力的條件下，且轉子做勻速圓周運動時，該運動體系內各處角速度大小相同，則轉子內各處做勻速圓周運動的物體會受到圓周運動的向心力以維持圓周運動，該向心力的大小與物體角速度大小ω與物體相對轉動中心的半徑r的成正比，在角速度ω確定時僅與物體所在位置相對轉動中心的距離r有關。把該體系中物體在旋轉體內受的力視為力場，該力場中的加速度大小為半徑r與角速度ω平方的乘積。表達式：

G=rω²（1）

在實際情況中，物體受重力影響，當該力場產生加速度G遠大于重力加速度g時，為了簡化計算，重力影響忽略不計。故可將該力場稱為超重力場，物體在該力場中所受的力也可以被稱為超重力^[5]。超重力場可看作是虛擬的離心加速度遠大于重力加速度的力場，該力場中重力加速度可忽略不計，該力場可借助物體高速旋轉實現。

2 ?旋轉超重力固體制劑除塵裝置的設計

2.1 ?外殼的設計

在本次研究中，使用牌號為Q235A^[6]的碳素鋼作為制作設備殼體的材料。殼體尺寸見表1。

2.2 ?轉子的設計

轉子^[7]是旋轉填料床的核心部件，其結構設計好壞與否直接關系到設備性能，同時關系著設備能否長期安全可靠地運行。轉軸的固定及其與轉鼓^[8]的連接方式也影響設備的正常運轉和設備使用壽命。

轉子多為動力機械和工作機械中的主要旋轉部件。轉子指由軸承支撐的旋轉體。光盤等自身沒有旋轉軸的物體，當它采用剛性連接或附加軸時，可視為一個轉子。轉鼓是指氣體流量計^[9]、離心機^[10]、磨面機、造粒機等設備中的轉動部件，轉鼓又稱滾桶。

目前轉鼓筒體材料主要采用304^[11]，316^[12]和雙相不銹鋼等，成型方法主要采用不銹鋼焊接，少量采用鍛造^[13]。本次設計中，轉子于固定轉子內各個零件的螺栓、螺母等均選用316不銹鋼。轉子尺寸見表2。

2.3 ?氣液進出管的設計

氣、液進出管作為旋轉填料床的主要部件之一，其幾何尺寸的確定依賴于操作時的氣液比G/L。在本次研究中，工藝的條件的最大值為G=45?m³/h、L=3.4?m³/h。在此基礎上對氣、液進出口管路的內徑計算：

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式中：D_g—氣體進出管內徑，m；

D_l—液體進出管內徑，m；

V_g—氣體流速，工程設計中通常取V_g=10?m/s^[14]；

V₁—液體流速，工程設計中通常取V_l=3?m/s；

G—氣體流量，m³/h；

V—液體流量，m³/h。

根據相應的鋼管規格，對計算結果進行調整，氣、液進出口管路的內徑分別取40?mm、20?mm。氣液進出管均使用316不銹鋼制作，選用厚度為

5?mm的316不銹鋼。

2.4 ?噴淋管的設計

噴淋管為旋轉填料床中的靜止件，噴淋管位于旋轉床的中空腔內。噴淋管的結構直接影響液體在旋轉填料層的分布狀況，本次設計的目標是使液體經噴淋管噴出后能夠在旋轉填料層的整個圓周上均勻分布，液體在床層內與氣體均勻且充分地接觸。噴淋管一般有開縫與開孔兩種結構類型。

開縫噴淋管相比于開孔噴淋管，具有不易堵塞、不易堵塞加工方便等優點。但是開縫噴淋管的液體噴出方向不垂直于噴淋管軸線，該情況不利于液體在床層內的均勻分布，且當設備尺寸較大時，該情況會極大降低設備的除塵效率，故本次設計中噴淋管選取開孔形式^[15]。

噴淋面積計算公式：

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式中：V_p—噴口速度，m/s；

V₀—液體在噴淋管內的流速，m/s；

S—噴淋管表面積，m²。

取單側開孔，該側6孔，每側孔間距為10?mm，孔徑5?mm。

3 ?旋轉超重力固體制劑除塵裝置的結構優化

3.1 ?外殼尺寸的優化

在本次設計中，殼體尺寸初始值為內半徑

160?mm，軸向高度200?mm，殼體使用碳素鋼Q235A制作，鋼板厚度為5?mm。殼體內設有轉子，轉子內半徑為130?mm，轉子軸向高度為100?mm，固定轉子與外殼的連接件尺寸可靈活調整，下面討論設備尺寸與其容積、質量間的關系。

設備內轉子各個參數固定，則設備外殼的最小內半徑為130?mm，設備最小軸向高度為100?mm。外殼內徑為r，外殼軸向高度為H，則設備外殼容積V可表示為：

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設備外殼所選用Q235A碳素鋼在設備使用環境下的密度ρ數值為7.85?g/cm³，設備外殼質量為M，設備外殼所用鋼板厚度h數值為5?mm，設備外殼體積為v，則設備外殼質量M可表示為：

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設備外殼體積v可表示為殼底、殼壁、殼頂三個部分，其體積分別為v₁、v₂、v₃分別表示為：

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則設備外殼質量M與外殼內半徑為r、外殼軸向高度為H之間的關系可表示為：

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設備外殼質量M與外殼內半徑為r、外殼軸向高度為H之間的關系可表示為：

。??????（13）

式中：V—設備外殼容積，m³；

r—設備外殼內半徑，m；

H—設備軸向高度，m；

ρ—設備材料密度，kg/m³；

v—設備外殼體積，m³；

v₁—設備殼底體積，m³；

v₂—設備殼壁體積，m³；

v₃—設備殼頂體積，m³；

M—設備外殼質量，kg；

A—設備優化效果，m³/kg。

固定設備外殼的軸向高度為200?mm，設備內半徑r的值分別取140?mm、145?mm、150?mm、155?mm、160?mm，對不同設備內半徑r取值下的設備優化效果A進行分析，見表3。

對結果進行分析，設備優化效果A隨著設備內半徑r的增加有顯著增長，故在綜合考慮因體積增加造成的設備重量增大和設備容積過小對設備運行穩定情況造成的影響后，仍選擇設備外殼內半徑160?mm作為設備外殼的最優內半徑。固定設備外殼的內半徑為160?mm，設備軸向高度H的值分別取140?mm、160?mm、180?mm、200?mm、220?mm、

240?mm、260?mm、280?mm，對不同設備軸向高度H取值下的設備優化效果A進行分析。

對計算結果進行分析發現，當設備外殼內半徑的值固定為160?mm時，隨著設備軸向高度的逐漸增大，優化效果A的值增加的速度逐漸放緩，當設備軸向高度的值超過200?mm后，隨著設備軸向高度增大，優化效果的增加顯著減緩。綜合考慮過高的設備外殼質量可能帶來的額外能耗，在本次設計中，設備軸向高度優化后的值仍取200?mm。

3.2 ?噴淋管的優化

在設備初始設計中，使用Solid works軟件^[16]對噴淋管進行建模，為方便對噴淋管的孔徑、開孔數量、開孔方式等進行進一步優化，使用Fluent軟

件^[17]對液體經噴淋管進入設備的過程進行模擬，首先使用SpaceClaim軟件對Solid works建立的噴淋管進行初步模型進行體積抽取，得到可用于分析的流體模型，見圖3和圖4。

得到流體模型后使用meshing軟件對流體進行網格劃分^[18]，將模型劃分為6?112個節點和29?925個單元^[19]，單元尺寸為6.165?1e-003?m，見圖5。

本次設計目的為研究流體在噴淋管內流動狀態，該次研究中不考慮傳質與傳熱情況，在進行數值設定時，認為在模擬流動過程中沒有熱量傳遞與質量傳遞^[20]。在此基礎上，設置各項參數數值。

黏性模型^[21]設置為k-epsilon（2 eqn），模型常數Cmu為0.09，C1-Epsilon為1.44，C2-Epsilon設置為1.92，TKE Prandt1數為1，TDR Prandt1數為1.3。k-epsilon模型設置為Standard，壁面函數設置為標準壁面函數（SWF）。

將噴淋管入口設置為流體入口inlet，該處流體狀態設置為流速3?m/s，壓力為0?Pa，流體材質設置為fluent軟件材質中的水water-liquid；將噴淋管內壁面設置為流體邊界wall，材質設置為fluent軟件材質中的不銹鋼steel，壁面為靜止壁面，粗糙度模型為標準粗糙度；將噴淋管開孔處設置為流體出口outlet。

經標準初始化且未出現報錯情況后運行計算，迭代次數設置為2?000。

在本次計算過程中，迭代次數為2?000次時輸出結果。

流體流動模型示意圖見圖6。

對其矢量圖（圖7）進行分析，可看出從矢量圖中出口處流體流速從左向右逐漸下降，但其數值差別不明顯，入口處流體流速為3?m/s，出口處最高流速出現在從左向右第一個開孔中心位置，約為11.7?m/s。在初始設計中，噴淋管出口處流體流速分布較為均勻，流速未出現嚴重差距。

對其云圖（圖8）進行分析，流體壓力最高值出現在噴淋管的封口處，該處流體軸向流速接近0?m/s，其動能相當多的一部分轉化為靜壓能，該情況符合實際流體流動規律。6處流體出口孔壓力差距較小。

對其跡線圖（圖9）進行分析，流體經入口流入噴淋管后，大概率從噴淋管開孔處流出，流體滯留在噴淋管內或流體流向入口的概率極低，流體在前四個開孔處流出較為均勻，噴淋管末端兩處開孔流量較少但在允許范圍內。

優化后噴淋管單側開孔數量為4，噴淋管孔徑大小調整為4?mm，噴淋管上兩孔間間距調整為

16?mm，由單側開孔改為雙側開孔，兩側共8孔，稱軸對稱分布。

優化后噴淋管模型示意圖見圖10。優化后流體模型示意圖見圖11。

模型優化后的流體模擬計算中，為控制無關變量，所有參數設置均與初始設計中的參數保持一致。在本次計算過程中，共9?011個節點，45?012個單元，迭代次數為2?000次時輸出結果。

優化后流體模型網格劃分示意圖見圖12。優化后流體矢量圖見圖13。

對其矢量圖進行分析，可看出從矢量圖中出口處流體流速從左向右逐漸下降的數值較優化前有顯著降低，各出口最高流速均為13?m/s左右，各個出口處流體流速相差很小，在本次設計中可認為優化后各個出口處流體流速相同。在優化設計后，各個噴淋管出口處流體流速分布更為均勻。

對其云圖進行分析，流體壓力最高值出現在噴淋管的封口處，該處流體軸向流速接近0?m/s，其動能相當多的一部分轉化為靜壓能，該情況符合實際流體流動規律。流體各個出口壓力分布無顯著差異。優化后流體壓力示意圖見圖14。

對其跡線圖進行分析，流體在8處出口分布均勻，優化前流體在末端孔流量較少問題得到顯著優化。

故在本次設計中，選用優化后的噴淋管模型，噴淋管直徑為20?mm，材料厚度為5?mm，噴淋管上的開孔直徑為4?mm，兩孔間間距為16?mm，開孔設計采用雙側開孔，每側開孔4處，共開8個孔。優化后流體跡線圖見圖15。

4 ?結 論

在本次設計過程中，主要使用Solidworks軟件對設備進行建模，使用CFD軟件 Ansys Fluent 2021 R1作為計算平臺對部分零件的流體運動狀態進行分析，以對部分設備零件進行合理優化。

最終設備設計結果如下：轉子的外半徑為

130?mm，轉子的內半徑為30?mm，轉子軸向高度為100?mm，轉子材料選用具有更高耐腐蝕性的316不銹鋼，所使用的不銹鋼厚度為5?mm。外殼的內半徑為160?mm，設備外殼的軸向高度為200?mm，設備外殼選用的制作材料為牌號為Q235A的碳素鋼，設備外殼選用制作材料的厚度為5?mm，當無法獲得

5?mm厚的Q235A碳素鋼時，設備外殼殼壁選用厚度為4?mm的Q235A不銹鋼，設備外殼的上下兩處平板封頭選用厚度為6?mm的Q235A不銹鋼。氣體進出管的內徑為40?mm，液體進出管的內徑為

20?mm，氣、液進出管均選用厚度為5?mm的316不銹鋼制作。噴淋管的開孔孔徑為4?mm，噴淋管的孔間距為16?mm，單側開孔數量為4，采用雙側開孔，共8處開孔。

綜上所述，本研究在設計超重力除塵設備的基礎上對設備的主要部件進行了優化，使設備具有運轉穩定、易于清洗維護、設備耐酸、耐堿性能好等優點。且設備部分零件可根據使用需要進行更換，可減少因使用條件變動更換設備的成本。

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Design and Simulation of Solid Pharmaceutical Preparation Dust

Removal Device Using Rotating High Gravity Machine

LI Zixuan，YANG Zhonglian，OUYANG Zhangwen

（College of Chemical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：??It is easy to produce a lot of dust during producing solid preparations， and if it is not handled properly， it can have a significant impact on the production process and drug quality. The rotating super gravity machine has efficient mass transfer and separation performance， small equipment volume， convenient start and stop， and has been widely used in fields such as chemical separation and environmental protection. In this article， Solidworks software was used to model and design components for the equipment， and Fluent software was used to simulate and analyze the fluid flow state inside the equipment， in order to obtain the optimal parameters of various parts inside the equipment.

Key words：?Solid preparations; Super gravity; Chemical separation; Simulation

基金項目： 安徽省現代環境工程國際聯合研究中心實驗室開放課題（項目編號：XDHJGC2022005）。

收稿日期： 2023-09-01

作者簡介： 李梓軒（1999-），男，安徽省宿州市人，碩士，2024畢業于安徽理工大學材料與化工專業，研究方向：化工過程模擬。

通信作者： 楊忠連（1981-），男，副教授，博士，研究方向：大氣污染防治、生物質高值化利用、過程強化及工程設計。