陳遠(yuǎn)華王琪屈創(chuàng)
(1. 江蘇神農(nóng)滅菌設(shè)備股份有限公司,江蘇張家港 215600;2. 江蘇科技大學(xué),江蘇鎮(zhèn)江 212003)
連續(xù)式粉體滅菌干燥裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析
陳遠(yuǎn)華1王琪2屈創(chuàng)2
(1. 江蘇神農(nóng)滅菌設(shè)備股份有限公司,江蘇張家港 215600;2. 江蘇科技大學(xué),江蘇鎮(zhèn)江 212003)
傳統(tǒng)的滅菌干燥器是箱柜式的間歇式操作滅菌設(shè)備,經(jīng)常會(huì)引起含糖量高的粉粒狀物料的黏連、滅菌后產(chǎn)品顏色變深,不易控制的問(wèn)題。我們經(jīng)過(guò)多年的研制設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備,提出了一種動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌方法,能使物料進(jìn)行連續(xù)的滅菌、干燥和冷卻。針對(duì)回轉(zhuǎn)筒體的進(jìn)料端和出料端,設(shè)計(jì)了熱動(dòng)態(tài)密封組件;對(duì)滅菌回轉(zhuǎn)筒體進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)算其前6階模態(tài)的固有頻率及振型,得出系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振。所設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備,它在功能上突破“藥物粉粒靜態(tài)、蒸汽動(dòng)態(tài)”的傳統(tǒng)方法,能有效防止粉、粒狀物料結(jié)塊,滅菌后產(chǎn)品顏色穩(wěn)定,高效節(jié)能,實(shí)現(xiàn)了粉粒狀物料滅菌干燥的自動(dòng)化操作。
粉粒動(dòng)態(tài)連續(xù)式;過(guò)熱蒸汽;滅菌干燥;模態(tài)分析
針對(duì)制藥和食品加工行業(yè)的粉狀、顆粒以及液體等制品的種類(lèi)不同,涌現(xiàn)了重力滅菌、快速冷卻滅菌、水浴式滅菌、脈動(dòng)真空以及旋轉(zhuǎn)式滅菌等諸多方法[1]。然而,這些滅菌工藝方法大多都是采用箱柜式的間歇式滅菌方法。滅菌過(guò)程中,存在某些產(chǎn)品滅菌后顏色變化,特別是對(duì)于含糖量高的粉、粒狀制品會(huì)存在黏連現(xiàn)象;物料轉(zhuǎn)換時(shí),頻繁開(kāi)閉柜門(mén)等繁瑣操作,造成能源和人力的浪費(fèi)。
目前,國(guó)外已經(jīng)研制出了一些連續(xù)式滅菌設(shè)備。西班牙Nadeu公司、荷蘭VENTILEX公司等采取在管道空間里注入過(guò)熱蒸汽,連續(xù)噴入粉狀制品進(jìn)行滅菌,其滅菌、節(jié)能等效果十分顯著,但需要高效耐磨的氣、粉分離裝置,企業(yè)投入大;針對(duì)粉狀、顆粒制品,法國(guó)的ETIA公司研發(fā)一種螺旋輸送式連續(xù)滅菌裝置,效率高,但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格不菲[2]。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開(kāi)發(fā)了隧道微波滅菌干燥機(jī),能實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送,但此方法制品不能實(shí)現(xiàn)有效的滾動(dòng)和翻轉(zhuǎn),同樣,存在滅菌干燥效果不穩(wěn)定等方面的缺陷。
針對(duì)上述問(wèn)題,江蘇神農(nóng)滅菌設(shè)備股份有限公司與江蘇科技大學(xué)經(jīng)過(guò)聯(lián)合開(kāi)發(fā),專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種用于能對(duì)粉末、粒狀制品進(jìn)行連續(xù)輸送滅菌、干燥和冷卻的動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備,該設(shè)備廣泛適用于制藥、食品、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)對(duì)中藥藥粉、西藥藥粉、香料、谷物、魚(yú)粉、健康食品、茶葉、生物農(nóng)藥等粉狀和粒狀耐熱物品的滅菌作用[4]。它在功能上突破“藥物粉粒靜態(tài)、蒸汽動(dòng)態(tài)”的傳統(tǒng)方法,能有效防止含糖量高的粉、粒狀制品的粘連,高效節(jié)能,大大提高制品滅菌的自動(dòng)化程度。滅菌干燥效果顯示可達(dá)到霉菌、雜菌<10 cfu/g,含水量≤5 %,連續(xù)滅菌,連續(xù)出粉,出料速率15 kg/min。
動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備的工作流程為:純化水生成的蒸汽經(jīng)管道通入過(guò)熱蒸汽發(fā)生器中,過(guò)熱蒸汽發(fā)生器生成具有一定溫度和壓力的過(guò)熱蒸汽,筒體旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行預(yù)熱,當(dāng)筒體達(dá)到設(shè)定的預(yù)熱溫度時(shí),過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)熱蒸汽管道通入滅菌筒體內(nèi),同時(shí),打開(kāi)旋轉(zhuǎn)閥,物料被真空上料裝置輸送至滅菌筒體中,對(duì)物料進(jìn)行預(yù)熱、滅菌和干燥,并間歇式排氣。滅菌后的物料被輸送至冷卻筒體內(nèi),在冷卻水管上均勻分布的小孔將冷卻水噴在冷卻筒外壁上,對(duì)冷卻筒體內(nèi)的物料進(jìn)行冷卻,滅菌干燥設(shè)備工作流程如圖1所示。控制部分采用計(jì)算機(jī)、PLC、觸摸屏、監(jiān)控儀等組成,實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,打印和傳輸監(jiān)控。整個(gè)過(guò)程連續(xù)進(jìn)、出料,能達(dá)到高效節(jié)能的目的。
圖1 滅菌干燥設(shè)備工作流程Fig. 1 Sterilization and drying production line working fl ow chart
該動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備主要由滅菌段和冷卻段兩大部分組成,而且這兩段呈現(xiàn)“正交式”的上下布局。滅菌段的進(jìn)料端由支架支撐,滅菌段的出料端支撐在冷卻段的進(jìn)料端上。滅菌段的出料端與冷卻段的進(jìn)料端間連接有下料管,用于將滅菌后的物料通入下面冷卻段的冷卻筒體內(nèi),進(jìn)而對(duì)滅菌后的物料冷卻。該動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 滅菌干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig. 2 Sterilization and drying production line
2.1 滅菌段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
滅菌段主要由進(jìn)料系統(tǒng)、過(guò)熱蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、滅菌系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及外殼組成。進(jìn)料系統(tǒng)是由真空吸料裝置(圖中未畫(huà)出)將物料輸送至滅菌段頂部的物料桶,物料桶再經(jīng)下料管將物料輸送到筒體內(nèi)的螺旋導(dǎo)料槽內(nèi)。過(guò)熱蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)主要由過(guò)熱蒸汽發(fā)生器、過(guò)熱蒸汽管等組成,用于將由鍋爐提供的蒸汽變成過(guò)熱蒸汽。滅菌系統(tǒng)主要由滅菌筒體和過(guò)熱蒸汽噴管組成,筒體內(nèi)有螺旋導(dǎo)料槽,便于物料連續(xù)輸送滅菌和有效翻滾,防止物料結(jié)塊,筒體的下部有六個(gè)支撐滾輪;過(guò)熱蒸汽管上均勻分布有若干小孔,用于向滅菌筒體內(nèi)連續(xù)輸送的物料上噴入過(guò)熱蒸汽。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由減速電機(jī)、大齒輪、小齒輪組成,減速電機(jī)帶動(dòng)一對(duì)嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)滅菌筒體轉(zhuǎn)動(dòng),便于將筒體內(nèi)螺旋形導(dǎo)料槽上的物料連續(xù)輸送滅菌,從而實(shí)現(xiàn)“藥物粉粒及蒸汽都動(dòng)態(tài)”的連續(xù)滅菌方法,且整個(gè)滅菌段都具有干燥作用。
2.2 冷卻段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
冷卻段主要由進(jìn)料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及外殼組成。進(jìn)料系統(tǒng)通過(guò)冷卻段進(jìn)料管與上部滅菌段的出料端連接,用于將滅菌后的物料輸送至冷卻筒體內(nèi)。冷卻系統(tǒng)主要由冷卻筒體、冷卻水管及水槽組成,冷卻筒體內(nèi)有內(nèi)螺旋導(dǎo)料槽;冷卻水管上均勻分布有若干小孔,用于向冷卻筒體外壁噴冷卻水,進(jìn)而對(duì)滅菌后的物料進(jìn)行冷卻。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由減速電機(jī)、大齒輪、小齒輪組成,減速電機(jī)安裝在冷卻筒體上部的支架上,它帶動(dòng)小齒輪,小齒輪帶動(dòng)安裝在冷卻筒外壁上的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),冷卻筒最后隨大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),冷卻筒的下部采用了六個(gè)支撐滾輪。
2.3 筒體進(jìn)出料端動(dòng)態(tài)密封組件設(shè)計(jì)
為了有效避免進(jìn)料端處的細(xì)菌和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處揮發(fā)的油污分子對(duì)出料端處已完成滅菌的物料造成二次污染,由于筒體是轉(zhuǎn)動(dòng)工作,因此,在筒體進(jìn)、出料端設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)密封組件,使得進(jìn)料端、出料端以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)段之間相互隔斷開(kāi)來(lái),同時(shí)又不影響筒體的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)出料端的密封隔斷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。
圖3 進(jìn)出料端的密封隔斷裝置的結(jié)構(gòu)示意Fig. 3 The structure of the sealing and closing device of the inlet and outlet ends
如圖3所示,筒體兩端的外壁分別通過(guò)一組動(dòng)態(tài)密封組件與機(jī)殼相互密封接觸;動(dòng)態(tài)密封組件將進(jìn)料端和出料端相互密封隔斷開(kāi),設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)密封組件包括固定安裝在筒體外壁上的圓環(huán)形密封塊和固定安裝在機(jī)殼內(nèi)壁上的圓環(huán)形密封膠條,密封塊中間設(shè)有向內(nèi)凹陷的密封凹槽,密封膠條的下端插入密封塊上的密封凹槽中,密封膠條與密封塊能相互轉(zhuǎn)動(dòng)又能相互密封。其中,密封塊與筒體之間的具體連接結(jié)構(gòu)為:在筒體外壁上安裝有固定座,固定座頂部設(shè)置有一對(duì)能相向夾持密封塊的角鋼,角鋼將密封塊夾持固定在固定座上,密封塊與筒體的這種連接結(jié)構(gòu)使得密封塊被牢牢固定鎖止在筒體外壁上,避免密封塊在與密封膠條發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生滑移、錯(cuò)位,增強(qiáng)了密封性,確保進(jìn)料口與出料口之間相互密封隔斷。密封膠條與機(jī)殼之間的具體連接結(jié)構(gòu)為:機(jī)殼內(nèi)壁上安裝有內(nèi)圈圓形外圈矩形的密封板,內(nèi)圈圓形外圈矩形的密封板的里端通過(guò)連接件將兩片對(duì)半結(jié)構(gòu)的密封膠條固定在一起而形成完整的圓環(huán)形密封膠條,密封膠條采用對(duì)半結(jié)構(gòu)拼接固定的形式,使密封組件的組裝、拆卸過(guò)程十分方便,便于維修和保養(yǎng)。最后,密封塊和密封膠條采用硅膠材料制作,由于硅膠具有優(yōu)異的密封性能和抗拉力性能,不僅能有效阻隔進(jìn)料口處的細(xì)菌和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)段中揮發(fā)產(chǎn)生的油污分子,而且在筒體的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,密封膠條和密封塊不易變形,使用壽命長(zhǎng)。
振動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常遇到的問(wèn)題之一。大部分結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都不希望有振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生,振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)疲勞而破壞。然而結(jié)構(gòu)本身具有某種程度的剛性,故其固有振動(dòng)頻率及模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須了解的特性之一。滅菌回轉(zhuǎn)筒體作為動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備的關(guān)鍵部件,在滅菌過(guò)程中旋轉(zhuǎn)連續(xù)輸送滅菌物料,其動(dòng)態(tài)特性對(duì)滅菌筒體的工作狀態(tài)有重要影響,所以有必要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析,研究其動(dòng)態(tài)特性。
3.1 模態(tài)分析的設(shè)計(jì)公式
模態(tài)分析就是將一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性,用一系列模態(tài)參量形成的系統(tǒng)傳遞函數(shù)來(lái)表達(dá)。可根據(jù)傳遞函數(shù),對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化[5]。固有頻率與振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。如果要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)疊加響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,固有頻率和振型也是必要的[6]。該滅菌回轉(zhuǎn)筒體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程見(jiàn)式(1)。
式中 [ M ]——質(zhì)量矩陣;
[ K ]——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>
{ X' }——速度向量;
[ C ]——阻尼矩陣;
{ X" }——加速度向量;
{ X }——位移向量。
模態(tài)分析是分析系統(tǒng)的自振特性,與外界荷載無(wú)關(guān)。忽略掉較小的阻尼影響,得到簡(jiǎn)化的振動(dòng)微分方程見(jiàn)式(2)。
3.2 模態(tài)分析過(guò)程及結(jié)果分析
滅菌回轉(zhuǎn)筒體材料為不銹鋼,彈性模量 1.95×105MPa,泊松比 μ為0.247,密 度為7 930 kg/m3。網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié),網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將影響到計(jì)算結(jié)果和分析的準(zhǔn)確性。對(duì)于脫粒滾筒裝配體,進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前采用 From new part 操作來(lái)形成多體部件體,這樣零件連接處的單元共享節(jié)點(diǎn)可使節(jié)點(diǎn)間的傳力更加精確[7]。由于筒體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,整個(gè)滾筒體模型共生成443 202個(gè)節(jié)點(diǎn), 劃分為229 884個(gè)單元。
研究進(jìn)行的是模態(tài)分析,模態(tài)分析屬于動(dòng)態(tài)分析中的固有特性分析,固有特性由固有頻率、振型等一組模態(tài)參數(shù)構(gòu)成,它由結(jié)構(gòu)本身(質(zhì)量與剛度分布)決定,而與外部載荷無(wú)關(guān)[8]。所以在對(duì)滅菌回轉(zhuǎn)筒體進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),只需施加自由度約束即可。滅菌回轉(zhuǎn)筒體可以沿著軸向旋轉(zhuǎn)(繞著軸旋轉(zhuǎn)),定義的約束必須要限制滾筒體其他5個(gè)自由度。所以要在四段筒體連接處的外表面設(shè)置遠(yuǎn)距離約束,約束其他3個(gè)方向的平動(dòng)和2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
對(duì)一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),其振動(dòng)是各階固有振型的線(xiàn)性組合。其中較低階的振型對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響程度大于高階振型,因此低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[9-10]。所以,利用 Lanczos 法提取了前6 階的固有頻率和振型,1、2、4、6階振型圖分別如圖4中的(a)、(b)、(c)、(d)所示。
前 6 階振型中,隨著振型階次的增加,滅菌回轉(zhuǎn)筒體的固有頻率逐漸增加。其中,2階和3階、4階和5階固有頻率分別相近,表現(xiàn)的振型也相似,如表 1所示。
圖4 1、2、4、6階振型Fig. 4 1,2,4,6 step mode
表1 前6階固有頻率和振型Tab. 1 The1st to 6th natural frequencies and modes
所設(shè)計(jì)的滅菌回轉(zhuǎn)筒體,工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為 16 r/min,由 f = n/60 可以求出滾筒的工作頻率為0.267 Hz,顯然,滅菌回轉(zhuǎn)筒體的各階頻率都遠(yuǎn)大于其工作頻率,所以不會(huì)發(fā)生共振,不會(huì)對(duì)物料的動(dòng)態(tài)輸送產(chǎn)生明顯的影響。
用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設(shè)備,提出了一種動(dòng)態(tài)連續(xù)式滅菌方法,并介紹其工作流程;在回轉(zhuǎn)筒體的進(jìn)料端和出料端設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)密封組件;對(duì)其關(guān)鍵部件滅菌回轉(zhuǎn)筒體進(jìn)行模態(tài)分析,得到其前6階模態(tài)的固有頻率及振型,確保其不會(huì)發(fā)生共振。它在功能上突破“藥物粉粒靜態(tài)、蒸汽動(dòng)態(tài)”的傳統(tǒng)方法,能有效防止粉、粒狀制品結(jié)塊,高效節(jié)能,大大提高制品滅菌的自動(dòng)化程度。在樣機(jī)上進(jìn)行了多次滅菌試驗(yàn),滅菌效果滿(mǎn)足要求。滅菌干燥效果可達(dá)到霉菌、雜菌<10 cfu/g,含水量≤5 %,連續(xù)滅菌,出料速率15 kg/min。
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Structural Design and Performance Analysis of Dynamic Continuous Sterilization and Drying Equipment
Chen Yuanhua, Wang Qi, Qu Chuang
(1. Jiangsu Shennong Autoclave Inc. Zhangjiagang 215600; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003)
Traditional sterilizing dryer is intermittent cabinet equipment, in which It is easy to cause agglomeration of powder, dark color of products and uncontrolled product quality. After the research for several years a dynamic continuous sterilizing and drying equipment has been developed. One dynamic continuous sterilization method was presented in this article, with which the materials can be continuously sterilized, dried and cooled. With respect to the inlet and outlet ends in rotary cylinder, thermal dynamic sealing component was designed. Based on modal analysis for rotary cylinder and the fi rst six natural frequencies and modal shapes calculated, it was concluded no resonance occurred. By using this designed dynamic continuous sterilizing and drying equipment, agglomeration of powder can be effectively protected, the color of products is stable and energy can be saved. The functions of this equipment is different from that in traditional method that “powder particles motionless and steam motion”, so that the automatic operation of sterilization and drying for powder can be realized.
dynamic continuous operation; super heated steam; sterilization and drying; modal analysis
TQ 051.8+92
:A
:2095-817X(2017)02-0041-005
2017-02-16
國(guó)家自然科學(xué)基金(11502098),江蘇省產(chǎn)業(yè)前瞻重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資金(BE2015196)和張家港市科技支撐項(xiàng)目(ZKG1506)資助。
陳遠(yuǎn)華(1969—),男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)闈駸嵴羝麥缇夹g(shù)的研發(fā)與制造。