苗坤宏，崔彭帝，薛啟隆，于 洋*，李 正*

金銀花顆粒在旋風(fēng)分離器中的流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

苗坤宏1, 2, 3，崔彭帝1, 2, 3，薛啟隆1, 2, 3，于 洋1, 2, 3*，李 正1, 2, 3*

1. 天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥制藥工程學(xué)院，天津 301617 2. 省部共建組分中藥國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 301617 3. 現(xiàn)代中醫(yī)藥海河實(shí)驗(yàn)室，天津 301617

針對(duì)金銀花顆粒在旋風(fēng)分離器中的運(yùn)動(dòng)行為過程進(jìn)行研究，考察不同設(shè)計(jì)參數(shù)和操作工藝條件下，顆粒在設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程變化規(guī)律。基于仿真模擬技術(shù)，考察受不同設(shè)備長(zhǎng)徑比、入口進(jìn)氣雷諾數(shù)、顆粒質(zhì)量流量3個(gè)因素影響的金銀花顆粒在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并以金銀花顆粒得粉率為驗(yàn)證指標(biāo)參數(shù)，對(duì)模型可靠性進(jìn)行了分析。通過仿真模擬得到了各個(gè)不同工藝條件下的金銀花顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡分布，計(jì)算出了對(duì)應(yīng)設(shè)備的顆粒得粉率。提出金銀花顆粒分離的最佳工藝建議為設(shè)備長(zhǎng)徑比5∶1，入口進(jìn)氣雷諾數(shù)3.23×104，顆粒質(zhì)量流量80.1 mg/s，得到的金銀花顆粒得粉率為96.30%。為旋風(fēng)分離器內(nèi)金銀花顆粒的有關(guān)研究提供指導(dǎo)，同時(shí)改善旋風(fēng)分離器在控制和設(shè)計(jì)上的不足。

旋風(fēng)分離器；金銀花顆粒；仿真模擬技術(shù)；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；顆粒得粉率

作為我國(guó)醫(yī)藥工業(yè)的重要組成部分，中藥工業(yè)近年來(lái)保持較快增速。隨著國(guó)家對(duì)中藥工業(yè)的重視程度不斷提高，對(duì)于中藥制藥過程的研究也在不斷向縱深發(fā)展[1-2]。作為氣-固以及氣-液兩相分離重要裝置的旋風(fēng)分離器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作彈性大，分離效率高，管理維修方便并且購(gòu)置價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用于制藥工業(yè)過程中，常作為流化床反應(yīng)器的內(nèi)分離裝置或作為預(yù)分離器使用[3]。經(jīng)分離完成的固體顆?？捎糜诤罄m(xù)的制粒、壓片或者制成膠囊等工藝過程。旋風(fēng)分離器靠氣流切向引入造成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得固體顆?；蛘咭旱我蚓哂休^大慣性離心力而被甩向外壁面實(shí)現(xiàn)顆粒或液滴的分離[4-5]。在旋風(fēng)分離器中氣體和固體顆粒的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，在器內(nèi)任一點(diǎn)都有切向、徑向和軸向速度，并隨旋轉(zhuǎn)半徑變化。當(dāng)進(jìn)氣速度過小時(shí)，設(shè)備性能無(wú)法得到充分利用；而當(dāng)進(jìn)氣速度過大將造成嚴(yán)重的渦流和返混現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率[6-7]。此外顆粒的質(zhì)量流量與設(shè)備內(nèi)部壓降密切相關(guān)，過大的顆粒質(zhì)量流量會(huì)導(dǎo)致壓降減小，影響分離效率。從設(shè)備設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，不同長(zhǎng)徑比的旋風(fēng)分離器在分離效率方面也出現(xiàn)了分離效率的明顯差異[8]。為了有效評(píng)價(jià)設(shè)備的性能好壞，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用旋風(fēng)分離器的顆粒得粉率這一重要指標(biāo)進(jìn)行分析，而顆粒得粉率的高低又在一定程度上影響著中藥顆粒的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，因此該指標(biāo)在中藥顆粒分離評(píng)價(jià)過程中的作用進(jìn)一步加強(qiáng)。

在目前的中藥生產(chǎn)過程中，對(duì)于旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝操作參數(shù)的控制不足，常常導(dǎo)致設(shè)備的顆粒得粉率難以把握，生產(chǎn)效率無(wú)法得到有效保證。同時(shí)由于缺乏對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)中藥顆粒運(yùn)行特性的了解往往導(dǎo)致生產(chǎn)工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)具有盲目性。為了進(jìn)一步分析操作工藝參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器的顆粒得粉率影響，完成旋風(fēng)分離器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)中藥顆粒的高效分離，提高生產(chǎn)效率，研究基于數(shù)值模擬分析對(duì)旋風(fēng)分離器的入口進(jìn)氣雷諾數(shù)、顆粒質(zhì)量流量以及設(shè)備長(zhǎng)徑比3個(gè)因素進(jìn)行了考察。

1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式

旋風(fēng)分離器在設(shè)備構(gòu)成上包括：進(jìn)氣管、排氣管、排灰口以及分離器罐體[9]。本實(shí)驗(yàn)以某制藥過程中的旋風(fēng)分離器作為研究對(duì)象，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中進(jìn)氣管管徑（）為47 mm，進(jìn)氣管與分離器罐體頂部距離（）為50 mm，進(jìn)氣管長(zhǎng)度（）為150 mm；排氣管管徑（e）為65 mm，排氣管插入分離罐體的長(zhǎng)度（）為97 mm，未插入分離罐體的長(zhǎng)度（）為65 mm；分離罐體直徑（）為170 mm，排灰口管徑（）為54 mm，分離器罐體總高（）為510 mm，其中圓柱形罐體部分的高度（）為150 mm。

圖1 旋風(fēng)分離器幾何結(jié)構(gòu)示意圖

為了考察不同長(zhǎng)徑比下旋風(fēng)分離器內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究基于實(shí)際設(shè)備尺寸（長(zhǎng)徑比∶＝3∶1），共建立了5個(gè)不同長(zhǎng)徑比的旋風(fēng)分離器，建成的設(shè)備長(zhǎng)徑比∶如表1所示。

2 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)數(shù)值模擬

本實(shí)驗(yàn)基于商用模擬仿真軟件平臺(tái)，使用Euler- Lagrangian模型，將常溫氣流視為連續(xù)相，干燥顆粒視為分散相，用來(lái)分析旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流與顆粒之間的相互作用。對(duì)于連續(xù)相計(jì)算而言，進(jìn)氣端設(shè)置為速度入口，排氣端設(shè)置為壓力出口，出口壓力絕壓為1個(gè)大氣壓?？刂品匠滩捎糜邢摅w積法離散，通過simple算法求解壓力與速度耦合，選取差分格式為quick格式，壓力插補(bǔ)格式為presto格式[10]。對(duì)于分散相運(yùn)動(dòng)過程計(jì)算而言，為了簡(jiǎn)化數(shù)值模擬分析過程，設(shè)置排氣口為逃逸邊界條件，固體壁面邊界為無(wú)滑移全反射邊界條件。

表1 不同長(zhǎng)徑比的旋風(fēng)分離器設(shè)備尺寸

2.1 連續(xù)相方程

在連續(xù)相模型的守恒方程框架中，包括了連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程。連續(xù)性方程如式（1）所示，動(dòng)量方程如式（2）所示。

?ρ/?＋??(ρ?U)＝Γ,CD（1）

?(ρ?u)/?＋??(ρ?u?u)＝??＋??＋ρ?＋C（2）

ρ為連續(xù)相密度，U為連續(xù)相速度，為時(shí)間，Γ,CD為由連續(xù)相至離散相的質(zhì)量源項(xiàng)，CD為連續(xù)相至離散相的受力，為重力常數(shù)，為動(dòng)力壓強(qiáng)，為黏性應(yīng)力張量，u、u表示平均速度分量

對(duì)于牛頓流體，可由式（3）計(jì)算得到。

＝eff[?u＋?u] （3）

eff為有效黏度，可通過式（4）求得。式（4）中為黏度，t為渦動(dòng)黏性。

eff＝＋t（4）

在雷諾Navier-Stokes方法中需要通過湍流建模來(lái)封閉對(duì)流加速度的非線性項(xiàng)。參考不同湍流模型的研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選用剪切應(yīng)力輸運(yùn)（Shear-Stress Transport，SST）-2方程渦黏性數(shù)值模擬模型來(lái)模擬整個(gè)Navier-Stokes方程中固有的波動(dòng)[8]。SST-模型由Menter提出[11]，該模型在邊界層附近可直接計(jì)算到粘性底層，且無(wú)需額外的阻尼公式，同時(shí)該模型可有效避免入口自由來(lái)流湍流過于敏感的問題[12-13]。具體計(jì)算過程如下所示?；赟ST-模型改寫動(dòng)量守恒方程如式（5）所示。

?ρU/?＋?ρUU/?x＝?/?x＋?/?x[(＋t)?(?U/?x＋?U/?x)] （5）

U為第個(gè)速度分量，U為第個(gè)速度分量，x、x、x為笛卡爾坐標(biāo)，為流體密度，渦動(dòng)黏性由-SST模型計(jì)算得到。該模型中的方程和方程分別如下。

?/?＋?ρUk/?x－?/?x?[(＋σμt)??/?x]＝τ?U/?x－*（6）

?/?＋?ρUω/?x－?/?x?[(＋σμt)??/?x]＝γ/t?τ??U/?x－*?2＋2(1－2)?σ2/??/?x??/?x（7）

為湍流動(dòng)能，為湍流動(dòng)能的特定消散，τ為雷諾應(yīng)力，它們分別定義為

＝1/2 uu（8）

/*（9）

τ＝t(?U/?x＋?U/?x)－2/3?δ（10）

為湍流動(dòng)能消散率，可由式（11）求得；δ為克羅內(nèi)克函數(shù)，t＝t/為動(dòng)力渦黏性，其中t可通過渦流黏度公式（12）得到。

＝t??u/?x??u/?x（11）

t＝/?1/max(1/*,2/1ω) （12）

x表示笛卡爾坐標(biāo)，表示應(yīng)變率大小，*表示湍流阻尼黏度系數(shù)，2為混合函數(shù)，由式（13）求得。

2＝tanh(22) （13）

2＝max(2?1/2/0.09, 500/(2) （14）

是節(jié)點(diǎn)到最近壁面的距離，2是關(guān)于節(jié)點(diǎn)到最近壁面距離的函數(shù)，σ、σ、、σ2、*為模型系數(shù)

2.2 離散相方程

在離散相模型中，粒子的運(yùn)動(dòng)行為是由力平衡方程計(jì)算的。根據(jù)牛頓第二定律，建立單顆粒運(yùn)動(dòng)方程如式（15）所示。

dD/d＝CDdrag?(C－D)＋?(D－C)/D（15）

CDdrag為單顆粒曳力函數(shù)，用于確定離散相和連續(xù)相的相互作用關(guān)系，該值可由式（16）求得，C和D分別為連續(xù)相和離散相速度。

CDdrag＝Σ[3drag?C/(4D?D)(C－D)2′D?Δ（16）

drag作為阻力系數(shù)，可由阻力系數(shù)定律確定，′D為離散相質(zhì)量流量

drag＝1＋2/eD＋3/eD2（17）

1、2、3為常數(shù)，與粒子雷諾數(shù)相關(guān)；eD為離散相雷諾數(shù)，計(jì)算公示如式（18）所示，D為離散相粒子直徑。

eD＝C(D－C)D/C（18）

3 方法與參數(shù)設(shè)定

3.1 材料與儀器設(shè)備

金銀花藥材，河北省安國(guó)市騰躍藥業(yè)有限公司，批號(hào)211010，經(jīng)天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院張麗娟教授鑒定為忍冬科忍冬屬植物忍冬Thunb.的干燥花蕾或帶初開的花。藥材通過冷凝回流方式進(jìn)行提取，通過H-spray 5S先導(dǎo)式噴霧干燥設(shè)備生產(chǎn)得到干燥顆粒，用作旋風(fēng)分離器的注入粒子進(jìn)行流場(chǎng)模擬試驗(yàn)。

H-spray 5S先導(dǎo)式噴霧干燥設(shè)備、H-spray 5S型旋風(fēng)分離器，天津市現(xiàn)代創(chuàng)新中藥科技有限公司；DH-300固體密度儀，北京儀特諾電子科技有限公司；Mastersizer-3000激光散射儀，英國(guó)Malvern Instruments有限公司。

3.2 金銀花提取液干燥顆粒物性參數(shù)測(cè)定與設(shè)備的顆粒得粉率測(cè)定

金銀花提取液干燥顆粒的粒徑分布由Mastersizer-3000激光散射儀測(cè)定得到，顆粒的粒徑分布在1.88～35.3 μm，且各粒徑的顆粒占比在總干燥顆粒中存在較大差異，其中6.72 μm的顆粒占比最多（圖2）。金銀花提取液干燥顆粒的密度使用DH- 300固體密度儀測(cè)定得到，該值為1.55×103kg/m3。實(shí)際試驗(yàn)中，由于旋風(fēng)分離器與噴霧干燥設(shè)備相連接，故使用噴霧干燥設(shè)備物料的出口條件作為旋風(fēng)分離器物料的入口初始條件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到噴霧干燥設(shè)備出口的固體顆粒質(zhì)量流量即為旋風(fēng)分離器入口的固體顆粒質(zhì)量流量，該值為94.2 mg/s。

圖2 金銀花顆粒粒徑分布

為了試驗(yàn)測(cè)定設(shè)備的顆粒得粉率，在長(zhǎng)徑比∶為3∶1的旋風(fēng)分離器設(shè)備的排灰口底部加裝集塵袋，用于捕集分離完成的中藥顆粒。通過前期實(shí)驗(yàn)研究得到噴霧干燥塔的出口顆粒質(zhì)量，該值即為注入旋風(fēng)分離器的顆粒初始量。由式（19）計(jì)算得到該條件下旋風(fēng)分離器的顆粒得粉率。

＝s/0（19）

為設(shè)備的顆粒得粉率，s為集塵袋中顆粒質(zhì)量（kg），0為注入設(shè)備的顆粒質(zhì)量（kg）

3.3 模型邊界條件的設(shè)定

在模型的計(jì)算過程中，連續(xù)相選用20 ℃下的空氣，密度為1.23 kg/m3，黏度為1.79×10?5kg/(m·s)，空氣入口速度由旋風(fēng)分離器入口的流速檢測(cè)裝置給出，該值為7.73 m/s。研究為了確定最佳的顆粒質(zhì)量流量設(shè)置，基于試驗(yàn)測(cè)定值，分別增大15.00%、30.00%的進(jìn)料質(zhì)量流量，以及減小15.00%、30.00%的進(jìn)料質(zhì)量流量。

在旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣入口處，除了顆粒的質(zhì)量流量這一重要參數(shù)外，入口進(jìn)氣雷諾數(shù)也是影響著設(shè)備的顆粒得粉率，可以作為顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述的重要工藝參數(shù)。設(shè)備的入口進(jìn)氣雷諾數(shù)可由式（20）計(jì)算得到。

e＝v?v?/（20）

e表示入口進(jìn)氣雷諾數(shù)，v表示空氣密度，v表示空氣進(jìn)氣速度，表示進(jìn)氣管道的直徑，為空氣黏度

由式（20）計(jì)算得到旋風(fēng)分離器入口進(jìn)氣雷諾數(shù)為2.49×104，為了進(jìn)一步明確進(jìn)氣雷諾數(shù)對(duì)旋風(fēng)分離器的顆粒得粉率的影響，基于試驗(yàn)值分別增大15.00%的入口進(jìn)氣雷諾數(shù)，增大30.00%的入口進(jìn)氣雷諾數(shù)，減小15.00%的入口進(jìn)氣雷諾數(shù)，減小30.00%的入口進(jìn)氣雷諾數(shù)。并設(shè)置入口湍流強(qiáng)度為10.00%，水力直徑為47.00 mm。

3.4 正交試驗(yàn)篩選分離工藝

采用L25(53)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選擇入口進(jìn)氣雷諾數(shù)、設(shè)備長(zhǎng)徑比、顆粒進(jìn)料質(zhì)量流量3個(gè)因素。以金銀花顆粒分離試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)指標(biāo)，如“2.2”項(xiàng)所述，擴(kuò)大參數(shù)范圍進(jìn)行最佳工藝篩選，因素水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

4 流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 模型驗(yàn)證

在旋風(fēng)分離器運(yùn)行使用過程中，設(shè)備的顆粒得粉率是一個(gè)最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確可靠性，研究對(duì)比了設(shè)備長(zhǎng)徑比（∶）為3∶1，入口進(jìn)氣雷諾數(shù)為2.49×104，顆粒質(zhì)量流量為94.2 mg/s時(shí)，顆粒得粉率的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)在相同初始條件下，平行完成了3次，結(jié)果得到設(shè)備的平均顆粒得粉率為87.86%，與對(duì)應(yīng)條件下模擬仿真得到的設(shè)備的顆粒得粉率89.92%相比，相對(duì)偏差為2.34%。結(jié)果表明，模擬所采用的模型可準(zhǔn)確反映實(shí)際設(shè)備生產(chǎn)情況，所以運(yùn)用該模型可以對(duì)不同長(zhǎng)徑比、不同進(jìn)氣雷諾數(shù)和不同進(jìn)料質(zhì)量流量下旋風(fēng)分離器的顆粒得粉率情況進(jìn)行模擬研究。

4.2 氣相流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖3-a～e分別給出了由模型計(jì)算得到的分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度矢量圖。由于同一長(zhǎng)徑比下的旋風(fēng)分離器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度矢量圖差異很小，所以在圖3中僅展示了正交試驗(yàn)組1（∶＝3∶1），正交實(shí)驗(yàn)組6（∶＝4∶1），正交實(shí)驗(yàn)組11（∶＝5∶1），正交實(shí)驗(yàn)組16（∶＝6∶1），正交實(shí)驗(yàn)組21（∶＝7∶1）的速度矢量圖。隨著設(shè)備長(zhǎng)徑比的變化，為了更直觀的分析設(shè)備內(nèi)部氣流情況，取排氣管底部與分離器罐體相切平面＝?162 mm作為斷面，取分離器罐體錐部高度的1/2處位置作為斷面（與長(zhǎng)徑比分別對(duì)應(yīng)為＝?395、?505、?615、?725、?835 mm），取＝0 mm斷面作為斷面進(jìn)行氣流情況對(duì)比。

由圖3可以清楚看出，分離器內(nèi)部氣體流動(dòng)的不對(duì)稱性，且設(shè)備長(zhǎng)徑比∶取值越小，氣體流動(dòng)越劇烈，流動(dòng)形成的旋渦越貼近設(shè)備軸。此外隨著設(shè)備長(zhǎng)徑比∶取值的增大，設(shè)備不斷加長(zhǎng)，排氣管底部與分離器罐體交界處氣體流速不斷加快，氣體流動(dòng)的復(fù)雜程度不斷加劇[14-15]。

圖4、5分別給出了正交試驗(yàn)組在＝?162斷面和＝?（分離器罐體錐部高度的1/2）斷面的切向速度比較情況。圖4中的流速曲線清楚地表征了渦的結(jié)構(gòu)，處于設(shè)備軸附近的強(qiáng)制渦和外層的自由渦，在2種渦的交界處，切向速度突變，出現(xiàn)速度峰。圖5結(jié)果表明，該斷面位置的強(qiáng)制渦消失，不再出現(xiàn)速度突變，氣體流動(dòng)速度趨于平緩，且湍流脈動(dòng)開始向壁面靠近。此外，隨著入口處進(jìn)氣雷諾數(shù)的增大，設(shè)備內(nèi)部各處的氣流速度都出現(xiàn)了相應(yīng)增大。

圖6、7分別給出了正交試驗(yàn)組在＝?162斷面和＝?（分離器罐體錐部高度的1/2）斷面的軸向速度比較情況。在圖6中同樣能清楚看出處于設(shè)備軸附近的強(qiáng)制渦和外層的自由渦，渦交界處出現(xiàn)軸向速度突變，且強(qiáng)制渦軸向速度顯著高于外層的自由渦軸向速度。由圖7可知，在分離器罐體錐部高度的1/2處斷面位置的強(qiáng)制渦消失，氣體流動(dòng)軸向速度趨于平緩[16]。

圖3 不同設(shè)備長(zhǎng)徑比的分離器內(nèi)部速度矢量圖

圖4 各編號(hào)1～25正交試驗(yàn)中分離器(Z＝?162 mm)斷面切向速度分布

圖5 各編號(hào)1～25正交試驗(yàn)中分離器圓臺(tái)罐體不同斷面切向速度分布

圖8、9分別給出了正交試驗(yàn)組在＝?162斷面和＝?（分離器罐體錐部高度的1/2）斷面的徑向速度比較情況。在圖8中速度為負(fù)表示氣流向設(shè)備軸運(yùn)動(dòng)。由圖9可知，徑向速度比切向速度以及軸向速度小，且隨著斷面分布的不同，利用模型計(jì)算得到的徑向速度差異明顯，說(shuō)明分離器內(nèi)部存在沿徑向的輸運(yùn)情況。

圖6 各編號(hào)1～25正交試驗(yàn)中分離器(Z＝?162 mm)斷面軸向速度分布

圖7 各編號(hào)1～25正交試驗(yàn)中分離器圓臺(tái)罐體不同斷面軸向速度分布

綜上，在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣流存在強(qiáng)制渦和自由渦，渦流帶動(dòng)顆粒在設(shè)備內(nèi)部螺旋運(yùn)動(dòng)。隨著渦流沿設(shè)備軸向運(yùn)動(dòng)，氣流產(chǎn)生的強(qiáng)制渦逐漸消失，自由渦強(qiáng)度也不斷下降，最終讓隨氣流運(yùn)動(dòng)的顆粒逐漸沉降，實(shí)現(xiàn)顆粒的分離。在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，由于設(shè)備處理的顆粒大小不一，因此有部分顆粒受氣流作用明顯，將會(huì)從排氣口逸出設(shè)備，從而導(dǎo)致設(shè)備的生產(chǎn)效率降低。

圖8 各編號(hào)1～25正交試驗(yàn)中分離器(Z＝?162 mm)斷面徑向速度分布

圖9 各編號(hào)1～25正交試驗(yàn)中分離器圓臺(tái)罐體不同斷面徑向速度分布

4.3 顆粒運(yùn)動(dòng)模擬

顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡受設(shè)備長(zhǎng)徑比作用明顯，為了更好的說(shuō)明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本研究從25組正交實(shí)驗(yàn)顆粒軌跡中選擇了正交實(shí)驗(yàn)編號(hào)1（設(shè)備∶＝3∶1），編號(hào)6（設(shè)備∶＝4∶1），編號(hào)11（設(shè)備∶＝5∶1），編號(hào)16（設(shè)備∶＝6∶1），編號(hào)21（設(shè)備∶＝7∶1）的5組運(yùn)動(dòng)軌跡圖展示在圖10中。由圖10可知，顆粒粒徑（p）為1.88、3.12、4.03 μm的顆粒隨氣流旋轉(zhuǎn)向下螺旋運(yùn)動(dòng)，其中部分顆粒在到達(dá)錐部后又隨內(nèi)部的上升氣流螺旋向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入排氣管，逸出設(shè)備；部分顆粒在沒有到達(dá)設(shè)備底部時(shí)就進(jìn)入內(nèi)旋流，通過旋流進(jìn)入排氣管。

對(duì)于顆粒粒徑稍大的顆粒，由于受到較大的離心力作用，被甩向壁面，沿壁面螺旋下滑，到達(dá)分離器底部，完成分離[17]。顆粒粒徑為7.64～35.30 μm的顆粒在設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)了“上灰環(huán)”效應(yīng)，即顆粒大部分聚集在分離罐體圓柱部分與排氣管之間，該現(xiàn)象在設(shè)備∶＝3∶1和4∶1的情況下尤為明顯，隨著設(shè)備長(zhǎng)徑比的增大，該現(xiàn)象逐漸減弱，顆粒隨氣流向分離器底部螺旋運(yùn)動(dòng)。

考慮出現(xiàn)該現(xiàn)象是因?yàn)樵凇幂^小的設(shè)備內(nèi)部，氣流運(yùn)行的軸向距離較短，氣體的螺旋渦流作用更強(qiáng)（軌跡渦環(huán)更加緊密），尤其是排氣管附近氣流擾動(dòng)最為劇烈，導(dǎo)致上述粒徑范圍內(nèi)的顆粒大量地被束縛在氣流中，形成了“上灰環(huán)”，隨著設(shè)備∶的增大，氣流運(yùn)行的渦流作用逐漸減弱（軌跡渦環(huán)逐漸稀疏），顆粒被離心力甩向設(shè)備壁面后，氣流無(wú)法再牢牢束縛顆粒，此時(shí)顆粒借自由渦流沿壁螺旋運(yùn)動(dòng)到達(dá)設(shè)備排灰口，“上灰環(huán)”現(xiàn)象減弱。

4.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)表3所示數(shù)據(jù)分別進(jìn)行極差分析與方差分析，以獲得設(shè)備長(zhǎng)徑比、入口進(jìn)氣雷諾數(shù)和顆粒進(jìn)料質(zhì)量流量3個(gè)因素的影響主次關(guān)系，并對(duì)各因素的測(cè)量結(jié)果影響的顯著性做出評(píng)價(jià)[18-20]。

使用極差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，該方法中極差等于每種試驗(yàn)因素同一水平平均值中的最大值和最小值之差，顆粒得粉率極差分析數(shù)值如表4所示。分析表4數(shù)據(jù)可知，旋風(fēng)分離器各影響因素對(duì)顆粒得粉率的影響敏感度排序?yàn)槿肟谶M(jìn)氣雷諾數(shù)＞設(shè)備長(zhǎng)徑比＞顆粒進(jìn)料質(zhì)量流量，說(shuō)明對(duì)顆粒得粉率影響起主導(dǎo)作用的試驗(yàn)因素為入口進(jìn)氣雷諾數(shù)，且隨著入口進(jìn)氣雷諾數(shù)的增大，顆粒得粉率增加，呈正相關(guān)，其中顆粒進(jìn)料質(zhì)量流量對(duì)顆粒得粉率影響最小。

表3 金銀花顆粒得粉率正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 金銀花顆粒得粉率極差分析

為了進(jìn)一步明確顆粒得粉率和各個(gè)試驗(yàn)因素之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表5所示?？芍?，設(shè)備長(zhǎng)徑比、入口進(jìn)氣雷諾數(shù)、進(jìn)料顆粒質(zhì)量流量的因子顯著性分別為0.04、0.00、0.66，表明不同的設(shè)備長(zhǎng)徑比和不同的進(jìn)氣雷諾數(shù)對(duì)顆粒得粉率影響的差異顯著，而不同顆粒進(jìn)料質(zhì)量流量對(duì)顆粒得粉率的影響無(wú)顯著差異。

表5 方差分析

綜上，在設(shè)計(jì)旋風(fēng)分離器過程中為了保證設(shè)備生產(chǎn)效率，應(yīng)重點(diǎn)考察設(shè)備入口進(jìn)氣雷諾數(shù)，再考慮設(shè)備的長(zhǎng)徑比，而顆粒進(jìn)料質(zhì)量流量對(duì)生產(chǎn)效率的影響作用較弱，可最后參考調(diào)節(jié)。本研究通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算出的最佳工藝為設(shè)備∶5∶1，入口進(jìn)氣雷諾數(shù)3.23×104，顆粒質(zhì)量流量減小15%（80.1 mg/s），得到的金銀花顆粒得粉率為96.30%。

5 結(jié)論

研究以設(shè)備的顆粒得粉率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Shear-Stress Transport（SST）-數(shù)值模擬模型，對(duì)粉體在設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)行為過程進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，粒徑在1.88～4.03 μm的顆粒容易隨氣體渦流到達(dá)設(shè)備錐部之后，又借由上升螺旋氣流逸出設(shè)備；對(duì)于粒徑稍大的顆粒，由于受到較大的離心力作用，被甩向壁面，沿壁面螺旋下滑，到達(dá)分離器底部，完成分離；粒徑在7.64～35.30 μm的顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部易出現(xiàn)“上灰環(huán)”現(xiàn)象，該現(xiàn)象隨著設(shè)備∶的增大會(huì)逐漸減弱。

在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，本研究模擬了受不同設(shè)備∶、入口進(jìn)氣雷諾數(shù)、顆粒質(zhì)量流量3個(gè)因素影響的金銀花顆粒在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算得到了模擬條件下設(shè)備的顆粒得粉率，研究推薦最佳工藝為設(shè)備∶＝5∶1，入口進(jìn)氣雷諾數(shù)3.23×104，顆粒質(zhì)量流量80.1 mg/s，得到的金銀花顆粒得粉率為96.30%。其中，設(shè)備長(zhǎng)徑比對(duì)于顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡作用明顯，設(shè)備長(zhǎng)徑比越大，設(shè)備受到的渦流作用越弱，顆粒越容易因掙脫自由渦流作用而完成沉降。而入口進(jìn)氣雷諾數(shù)與顆粒得粉率呈正相關(guān)，隨著入口進(jìn)氣雷諾數(shù)的增加，顆粒受到的離心力也在增加，設(shè)備內(nèi)部渦流作用越顯著，顆粒越容易在設(shè)備內(nèi)部隨渦流運(yùn)動(dòng)直至沉降后被捕集。在研究中，大部分顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與空氣渦流作用的強(qiáng)弱有關(guān)，該現(xiàn)象導(dǎo)致顆粒自身的質(zhì)量流量對(duì)顆粒得粉率的影響與入口進(jìn)氣雷諾數(shù)相關(guān)。對(duì)于旋風(fēng)分離器的顆粒得粉率而言，是上述3個(gè)重要參數(shù)綜合作用的結(jié)果。通過金銀花顆粒在旋風(fēng)分離器中的流場(chǎng)數(shù)值模擬研究，為旋風(fēng)分離器的設(shè)備改進(jìn)和操作工藝優(yōu)化提供了參考，為其他中藥顆粒的分離過程研究提供了借鑒。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

[1] 黃迪菲. 中藥制藥工藝優(yōu)化與發(fā)展 [J]. 當(dāng)代化工研究, 2022(012): 137-139.

[2] 薛啟隆, 王鐾璇, 苗坤宏, 等. 中藥制藥工藝知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法研究 [J]. 中國(guó)中藥雜志, 2022, 47(12): 3402-3408.

[3] Gao Z, Wang J, Wang J,. Time-frequency analysis of the vortex motion in a cylindrical cyclone separator [J]., 2019, 373: 1120-1131.

[4] 張海紅. 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)與分離性能的數(shù)值模擬研究 [D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2004.

[5] Baltr?nas P, Crivellini A, Leonavi?ien? T,. Investigation on particulate matter and gas motion processes in the advanced multi-channel cyclone-separator with secondary gas inlets [J]., 2022, 27(1): 1-13.

[6] Winfield D, Cross M, Croft N,. Performance comparison of a single and triple tangential inlet gas separation cyclone: A CFD Study [J]., 2013, 235: 520-531.

[7] 付烜, 孫國(guó)剛, 劉佳, 等. 旋風(fēng)分離器進(jìn)口渦旋感生速度場(chǎng)的減阻增效作用 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2011, 62(7): 1927-1932.

[8] 高助威, 王娟, 王江云, 等. 大長(zhǎng)徑比直筒型旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)特性研究 [J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2018, 32(6): 1288-1298.

[9] 彭麗, 石戰(zhàn)勝, 董方. 基于CFD-DPM的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J]. 發(fā)電技術(shù), 2021, 42(3): 343-349.

[10] 魏新利, 張海紅, 王定標(biāo), 等. 旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒軌跡的數(shù)值模擬 [J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2004(3): 14-17.

[11] Menter F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications [J]., 1994, 32(8): 1598-1605.

[12] Loureiro J B R, Alho A T P, Freire A P. The numerical computation of near-wall turbulent flow over a steep hill [J]., 2008, 96(5): 540-561.

[13] El-Behery S M, Hamed M H. A comparative study of turbulence models performance for separating flow in a planar asymmetric diffuser [J]., 2011, 44(1): 248-257.

[14] 閆思博, 單學(xué)軍, 劉芳芳. 旋風(fēng)分離器分離效率影響因素分析 [J]. 水泥工程, 2022(4): 12-16.

[15] 焦丹丹, 李大尉, 鄭輝, 等. 基于分離器工作參數(shù)優(yōu)化及性能分析 [J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2022, 41(8): 113- 114.

[16] 曹萬(wàn)秋. 旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)數(shù)值模擬分析 [J]. 輕金屬, 2022(005): 59-62.

[17] 楊柳松, 劉云峰, 孫潞潞, 等. 旋風(fēng)分離器分離效率關(guān)鍵影響因素研究 [J]. 礦山機(jī)械, 2022, 50(2): 44-49.

[18] 趙慶磊, 王以憲. 基于SPSS的正交試驗(yàn)在鐵礦石檢測(cè)中應(yīng)用研究 [J]. 中國(guó)檢驗(yàn)檢測(cè), 2021, 29(1): 26-27.

[19] 張冬梅, 王燦, 張壘壘, 等. 基于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法的螺栓擰緊伸長(zhǎng)量影響因素研究 [J]. 工程機(jī)械, 2020, 51(3): 39-43.

[20] 王君順. 基于正交設(shè)計(jì)的弱膨脹性泥巖相似材料配比試驗(yàn)研究 [J]. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào), 2022, 34(4): 130-136.

Numerical simulation ofparticles in cyclone separator

MIAO Kun-hong1, 2, 3, CUI Peng-di1, 2, 3, XUE Qi-long1, 2, 3, YU Yang1, 2, 3, LI Zheng1, 2, 3

1. College of Pharmaceutical Engineering of Traditional Chinese Medicine, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 301617, China 2. State Key Laboratory of Component traditional Chinese Medicine, Tianjin 301617, China 3. Haihe Laboratory of Modern Chinese Medicine, Tianjin 301617, China

To investigate the movement behavior ofparticles (LJFP) in the cyclone separator and the changing laws of the movement process of particles in the equipment under different design parameters and operating conditions.Based on the simulation technology, the movement laws of LJFP in the separator affected by the length- diameter ratio of different equipments, the Reynolds number of inlet air and the particle mass flow rate were investigated. The reliability of the model was analyzed with the powder yield of LJFP as the validation index parameter.The particle trajectory distribution under different process conditions through simulation was obtained, and the corresponding powder yield of particles wascalculated. The optimal process recommendations for the separation of LJFP were as follows: The length-diameter ratio of the equipment was 5:1, the Reynolds number of the inlet air was 3.23 × 104, and the mass flow rate of the particles was 80.1 mg/s. The powder yield of particles was 96.30%.This study can provide guidance for the research on LJFP in cyclones separators and improve the deficiencies in the control and design of cyclones separators.

cyclone separator;particles; numerical simulation technology; laws of movement; powder yield of particles

R283.6

A

0253 - 2670(2023)04 - 1087 - 11

10.7501/j.issn.0253-2670.2023.04.008

2022-08-23

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（82074276）；國(guó)家中醫(yī)藥管理局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與人才培養(yǎng)計(jì)劃（ZYYCXTD-D-202002）；國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(xiàng)（2018ZX09201011）；天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（YJSKC-20201025）

苗坤宏，碩士研究生，研究方向?yàn)橹兴幹扑庍^程智能控制。Tel: 13987626533 E-mail: 13987626533@163.com

于 洋，助理研究員，研究方向?yàn)橹兴幹扑幑こ碳夹g(shù)研究與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。E-mail: yuyang@tjutcm.edu.cn

李 正，研究員，研究方向?yàn)橹兴幹扑幑こ碳夹g(shù)研究與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。E-mail: lizheng@tjutcm.edu.cn

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]