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(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222)

熱熔融流化床包衣是制備微膠囊的一種技術(shù)，采用霧化的熔融材料為壁材，與流化的芯材粉體接觸，進(jìn)行包衣成粒制備微膠囊，在醫(yī)藥、化工、食品行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。該技術(shù)可以降低溶劑揮發(fā)，延緩和控制芯材有效成分的釋放，延長食品微膠囊中的有效成分和風(fēng)味等[1-3]。

Kulah等[4]分別在小規(guī)模和大規(guī)模流化床中研究頭孢呋辛脂(芯材)和硬脂酸(壁材)的包埋率，在此過程中，入口流化空氣的溫度作為過程的控制參數(shù)，保持流化床的操作溫度為約26 ℃，以便頭孢呋辛脂分解。Moraga等[5]研究過程參數(shù)對熱熔融流化床造粒過程的影響，實驗結(jié)果表明，顆粒的團(tuán)聚速率隨著粘結(jié)劑流率增加而增加，隨著流化空氣流率、霧化空氣流率和床層溫度而減小。Milanovic等[6]采用改進(jìn)的流化床系統(tǒng)進(jìn)行熱熔融包衣，研究發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)(流化氣流、霧化氣壓和噴霧率)之間的相互作用對包衣顆粒大小、流動性和初始藥物的釋放速率具有顯著的影響。Ansari等[7]研究熱熔融噴霧流化床制備中空顆粒的機(jī)理，制備顆粒的尺寸與粘結(jié)劑液滴的尺寸成正比，壁厚取決于粘結(jié)劑-核顆粒的比，制備顆粒的尺寸小于某一值時，空心結(jié)構(gòu)就會消失。Ma?i?等[8]研究粘合劑種類、造粒時間、流化介質(zhì)速率對形成顆粒尺寸、粒度分布、形狀、流動性的影響，結(jié)果表明，熱熔融流化床包衣是一種較好的用以制備球形顆粒的產(chǎn)品。Xu等[9]利用熱熔融流化床包衣技術(shù)制備了“油脂-檸檬酸”酸味劑微膠囊顆粒，研究發(fā)現(xiàn)，在不同油-酸質(zhì)量比和霧化壓力時的膠囊的粒度分布規(guī)律，平均直徑D50和包埋率均隨壁材油脂的增多而增大。

濕顆粒的分布、粒徑的變化以及顆粒間的相互作用對包衣產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要影響，而這些影響因素很難利用實驗方法測量，因此多采用模擬方法進(jìn)行研究。Villa等[10]模擬發(fā)現(xiàn)了流化床造粒過程中顆粒團(tuán)聚和粒徑變化的規(guī)律。Matthias等[11]采用計算流體力學(xué)(CFD)和離散單元法(DEM)耦合的方法研究噴霧區(qū)對顆粒的停留時間分布、顆粒潤濕情況的影響。Fries等[12-13]基于CFD-DEM耦合模擬，以γ-Al2O3為顆粒模型，研究流化床幾何體模型尺寸對顆粒濕潤過程的影響，并在此基礎(chǔ)上，研究3種流化床中(頂部噴霧造粒機(jī)、Wurster包衣流化床、噴動床)顆粒的運(yùn)動和碰撞動力學(xué)。

在前期的相關(guān)研究中，運(yùn)用群體平衡模型代替離散相模型，研究流場中顆粒的聚并和破碎行為[14]。在此基礎(chǔ)上，我們采用CFD-DEM相耦合的方法，采用熔融油脂液滴為壁材，檸檬酸粉體為芯材，模擬油脂-檸檬酸粉體在熱熔融流化床包衣成粒的團(tuán)聚和潤濕過程，研究液滴與顆粒的接觸次數(shù)、接觸應(yīng)力、重疊長度、霧化器的位置等對包衣過程的影響。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本研究中流化床采用圓錐形[14]，噴嘴位置選用頂噴和中噴條件，幾何模型如圖1a所示,幾何尺寸如圖1b所示,其中頂噴噴嘴出液口高度為360 mm，中噴噴嘴出液口高度為180 mm。

模擬實驗中，檸檬酸粉體與油脂的物性參數(shù)如表1所示。流化床的網(wǎng)格模型及CFD-DEM耦合過程中壁面、顆粒與顆粒、顆粒與壁面的模擬條件參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖1 圓錐形流化床幾何模型Fig.1 The geometric model of conical fluidized bed

物料物性參數(shù)數(shù)值檸檬酸粉體泊松比0.24剪切模量/Pa1.7×107密度/(kg·m-3)1 665直徑/mm1數(shù)量8 000油脂泊松比0.5剪切模量/Pa1×107密度/(kg·m-3)880直徑/mm0.2數(shù)量10 000

表2 耦合過程中的條件參數(shù)Tab.2 Physical parameters in the coupling process

1.2 數(shù)學(xué)模型

在研究熱熔融流化床包衣成粒過程中，考慮流化床中氣固兩相和顆粒-顆粒間的相互作用，且能在顆粒尺度上描述氣固系統(tǒng)的動態(tài)變化過程，需要將CFD和DEM進(jìn)行耦合。計算流體力學(xué)中，存在顆粒相的流體控制方程如下：

(1)

式中，從左至右依次是瞬態(tài)項、對流項、擴(kuò)散項、源項[15]。其中ε為空隙率；ρg為氣體密度；φ為通用變量；u為速度；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。

顆粒與顆粒接觸時允許顆粒產(chǎn)生形變，假設(shè)顆粒為軟球模型。根據(jù)牛頓第二定律，控制碰撞顆粒i的平移和旋轉(zhuǎn)控制方程[16-17]為

(2)

(3)

作用在顆粒i上的合外力為

(4)

模擬時，以10 000個檸檬酸粉體顆粒、8 000個液滴為研究對象，在軟件EDEM2.5中建立顆粒碰撞模型，導(dǎo)入軟件FLUNET14.5建立的流場模型，檸檬酸粉體流化的同時液滴霧化，進(jìn)行模擬計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 液固相在氣相流場中的運(yùn)動

2.1.1 流化速度的影響

通過Wen等[18]公式計算，并結(jié)合前期實驗[9]得出本模擬中顆粒的最小流化速度umf=0.4 m/s。本研究選取umf、1.5umf、2.5umf、3.5umf4組流化速度模擬結(jié)果進(jìn)行討論，原因是前期研究發(fā)現(xiàn)在4組流化速度下液滴與顆粒的接觸效果最好[14]。

不同流化速度下顆粒的速度分布如圖2所示。分別比較不同時刻下圖2a、2b、2c顆粒的流化效果，發(fā)現(xiàn)均在0.6 s時，顆粒在Y方向上速度分布較為均勻，此時顆粒的流化能夠達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

a 流化速度為umf

b 流化速度為1.5 umf

c 流化速度為2.5 umf圖2 頂噴時不同流化速度下的顆粒速度分布Fig.2 Particles velocity distribution of different fluidization velocities at top spray conditions

圖2a流化速度為umf時，顆粒獲得的動能較小，在0.2 s時，觀察到顆粒的流化效果不明顯，隨著流化時間的增加，流化效果逐漸加劇，在0.6 s流化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時顆粒與粉體的包衣效果如圖3a所示，觀察到顆粒包衣不均勻，出現(xiàn)大量的團(tuán)聚。圖2b中流化速度為1.5umf時，顆粒獲得的動能較為適中，在0.2 s時，觀察到顆粒的流化效果較為明顯，且在床層中間顆粒流化速度小，四周流化速度大，隨著流化時間的增加，顆粒在Y方向上速度分布逐漸均勻，在0.6 s時，流化效果尤為劇烈且達(dá)到穩(wěn)定流化狀態(tài)，此時顆粒與粉體的包衣效果如圖3b所示，液滴對粉體能夠產(chǎn)生比較均勻的包覆。流化速度為2.5umf時，如圖2c所示，由于顆粒具有較高的流化速度，顆粒之間碰撞劇烈，顆粒流化速度分布不均勻，使得團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，最終達(dá)到的包衣效果也不明顯。因此，相比較之下，流化速度為1.5umf時，顆粒的流化速度適中，包衣效果較好。

a 流化速度為umf

b 流化速度為1.5 umf圖3 頂噴條件下t=0.6 s時顆粒的包衣效果Fig.3 Particle coating effect at t=0.6 s under top spray conditions

2.1.2 液固相體積分?jǐn)?shù)

顆粒在包衣過程中，不同流化速度下固相的體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。分別比較圖4a、4b中相同時刻下，不同流化速度時顆粒的體積分?jǐn)?shù)。在0.1 s時，觀察到在1.5umf時顆粒相的體積分?jǐn)?shù)大于umf時的體積分?jǐn)?shù)，隨著流化時間的增加，發(fā)現(xiàn)在1.5umf時，由于顆粒存在較為適中的動能，顆粒相的體積分?jǐn)?shù)均大于umf時的體積分?jǐn)?shù)，因此流化速度為1.5umf的情況下，顆粒相的體積分?jǐn)?shù)較大，利于顆粒的包衣。

2.2 液固相的接觸次數(shù)

接觸次數(shù)是指熔融液滴與流化顆粒碰撞過程中的接觸次數(shù)。液滴與顆粒在不同流化速度下的接觸次數(shù)如圖5所示。

a umf

b 1.5 umf圖4 不同的流化速度下顆粒相體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Volume fraction of the particle phase at different fluidization velocities

a 中噴條件

b 頂噴條件圖5 不同條件下液滴與顆粒在不同流化 速度下的接觸次數(shù)Fig.5 Contact times between droplets and particles at different fluidization velocities under different conditions

在圖5a中，中噴條件下不同流化速度時，接觸次數(shù)隨時間呈現(xiàn)出先增加后減少,最后達(dá)到穩(wěn)定的變化趨勢。這主要是因為中噴條件下熔融液滴到達(dá)流化床底部時，液滴在氣相流場的作用下會隨著流化氣體進(jìn)行流化，從而與流化的顆粒進(jìn)行充分的接觸，使液滴與流化顆粒能夠達(dá)到最大接觸次數(shù)。由于顆粒之間會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚顆粒落在流化床底部無法與液滴接觸，從而出現(xiàn)接觸次數(shù)減少的現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到團(tuán)聚穩(wěn)定時，接觸次數(shù)就不再發(fā)生變化。不同流化速度下，液固相接觸次數(shù)的變化率隨流化速度的增大而減小，主要是由于在中噴條件下，霧化器被放置在如圖1b所示的位置處，在較大流化速度時，顆粒獲得較大的動能，會先被流化到霧化器位置以上，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定流化狀態(tài)時，顆粒無法及時與液滴相接觸，使得其接觸次數(shù)的變化率較小。

由圖5b可知，頂噴條件下，液滴與顆粒的接觸次數(shù)在不同流化速度下，均呈現(xiàn)出隨時間先增大后穩(wěn)定的變化趨勢，且流化速度為1.5umf時，液滴與顆粒的接觸次數(shù)最多。與中噴條件下相比，液滴與顆粒的接觸次數(shù)無先增加后減少，最后達(dá)到穩(wěn)定的變化過程，也無隨速度的不斷增大，接觸次數(shù)的變化率一直減小的現(xiàn)象。這是由于頂噴條件下隨著模擬的進(jìn)行，顆粒會進(jìn)入穩(wěn)定流化狀態(tài)，液滴與顆粒的接觸次數(shù)會達(dá)到穩(wěn)定值。

2.3 液固相的接觸應(yīng)力

液滴與顆粒接觸時產(chǎn)生的正應(yīng)力，會影響顆粒的生長與破碎。圖6反映的是不同條件下液滴與顆粒在不同流化速度下接觸后正應(yīng)力的變化。

由圖6a可知，顆粒的最大正應(yīng)力隨著流化速度的增加而增加，圖中所呈現(xiàn)的變化，正是由于顆粒在不同流化速度下會獲得不同的動量，流化速度越大，顆粒獲得的動量也越大，動量越大則顆粒與液滴接觸時產(chǎn)生的正應(yīng)力也會隨之增大，因此在3.5umf的流化速度下，顆粒與液滴接觸的正應(yīng)力達(dá)到最大值。圖中出現(xiàn)的正應(yīng)力先增大后減小的變化和接觸次數(shù)的變化類似，原因是一樣的。

圖6b中，與中噴條件下不同的是，隨著流化速度的增加，在頂噴條件下液滴與顆粒的接觸正應(yīng)力會不斷增加，且更具規(guī)律性，使得頂噴條件下液滴與顆粒接觸時重疊長度也呈現(xiàn)出更為理想的狀態(tài)。

2.4 液固相的重疊長度

在EDEM軟件中，液滴與顆粒接觸時，由于液滴會產(chǎn)生微小的形變，所以會與顆粒形成微小的面接觸。重疊長度指液滴與顆粒接觸后，接觸位置的切向重疊長度。

a 中噴條件

b 頂噴條件圖6 不同條件下液滴與顆粒在不同流化 速度下的正應(yīng)力Fig.6 Normal stress between droplets and particles at different fluidization velocities under different conditions

在頂噴條件下，不同流化速度下液滴與顆粒的重疊長度如圖7所示。由圖7可以看出，流化速度為1.5umf時，重疊長度較長，原因是1.5umf時，顆粒的接觸次數(shù)相對較大，接觸應(yīng)力也比較適中。霧化的液滴在碰到壁面時，會產(chǎn)生回流，如果顆粒的速度太大，則會使液滴與顆粒接觸后再次破碎； 如果顆粒速度太小，則回流的液滴很可能無法直接與顆粒接觸，包覆在顆粒表面，所以1.5umf時重疊長度較長。

熱熔融流化床包衣過程中，液滴與顆粒的接觸次數(shù)、接觸應(yīng)力都對包衣效果有影響，液滴與顆粒的重疊長度，可以較為直接地反映包衣效果，這也符合對液滴與顆粒的接觸次數(shù)以及液滴與顆粒接觸應(yīng)力的分析結(jié)果。

圖7 不同流化速度下液滴與顆粒的重疊長度Fig.7 The overlap of droplets and particles at different fluidization velocities

3 結(jié)論

本研究采用CFD-DEM相耦合的方法，模擬熱熔融流化床液固接觸的包衣過程。在頂噴條件不同流化速度下，液滴與顆粒接觸時，接觸次數(shù)隨著時間呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的變化，且當(dāng)流化速度為1.5umf時，接觸次數(shù)達(dá)到最大為16 600次；接觸應(yīng)力隨流化速度的增大而增大；在1.5umf時，重疊長度較長。因此可以得出：頂噴時液滴與顆粒的接觸次數(shù)更多更充分，且1.5umf為較理想條件，頂噴條件優(yōu)于中噴條件。