超临界抗溶剂法喷射流场的CFD模拟研究

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超临界抗溶剂(SAS)法是最具发展前景的微粒化方法之一。析出釜作为SAS法微粒成核及生长的主要场所,是制粒过程中的关键设备。对于SAS析出釜,增强溶液喷嘴出口附近射流区内溶液与抗溶剂的湍动与混合,有利于提高喷嘴出口附近射流区内溶液的过饱和度,减小颗粒粒径。此外,减弱釜内的漩涡流动,避免颗粒碰撞,是保持颗粒形貌及粒径均一的重要保证。析出釜内CO2入口与溶液喷嘴的设置方式是影响釜内流场的重要因素。本文采用CFD方法分别研究了CO2侧壁入口和顶部入口情况下析出釜内的流场特征。研究结果表明从侧壁进入的CO2入口的高度低于溶液喷嘴高度时,能够得到利于CO2与溶液混合的流场。对于CO2从顶部竖直进入的情况,CFD模拟结果表明CO2入口与溶液喷嘴的距离越接近,越能充分利用CO2的入射动量促进喷嘴出口附近区域内溶液与抗溶剂之间的混合。当CO2入口从顶部偏斜一定角度进入时,CFD模拟结果表明,CO2入口与竖直方向夹角的较佳值为45°。本文在CO2入口与竖直方向夹角为45°的条件下,考察了析出釜直径和CO2入口直径对釜内流场的影响,借以研究适宜的CO2通量和CO2入射速度。CFD模拟结果表明,提高析出釜内单位面积上CO2的通量,利于加强喷嘴出口附近溶液射流区内流体的湍动以及溶液与抗溶剂之间的混合,有助于提高成核速率而减小颗粒粒径。增大通量还会促使釜内漩涡向釜顶部缩小,利于颗粒形成后在距喷嘴出口更短的距离处开始以平推流的方式向下运动。这有助于减弱颗粒的碰撞,保持颗粒形貌和粒径的均一。通过模拟不同CO2入口直径对析出釜内流场的影响发现,减小CO2入口直径,一方面使入射速度增大而提高入射动量,促进喷嘴出口附近溶液射流区内组分的混合,加强流体的湍动,利于提高成核速率而减小颗粒的粒径。另一方面,使对称入射的两股CO2碰撞接触面缩小,不利于促进混合。本文通过CFD方法研究SAS析出釜结构对流场的影响,得到了流场变化规律。本文的研究结果对析出釜的优化设计和工程放大具有重要的理论意义和应用价值。
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