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嘉峪檢測網 2024-08-30 20:36
本文為了深入分析研究西林瓶在熱風循環式隧道滅菌烘箱中的受熱情況，利用 CFD 計算流體動力學仿真技術對不同風溫及風速、不同西林瓶規格情況下的西林瓶溫升曲線進行模擬計算，并與實測的試驗數據進行對比，以期得到合理的熱風風溫、風速以及針對不同西林瓶規格的溫升控制策略，為隧道滅菌烘箱關鍵參數的設計及工業生產提供借鑒意義。
近幾年，制藥行業的藥品安全問題越來越被社會所關注，其中，藥瓶的滅菌效果直接關系到藥品使用者的生命及財產安全，因此藥瓶滅菌過程的嚴格控制顯得尤其重要。干熱滅菌法通過在干燥的空氣中將需要滅菌的物質高溫加熱殺死細菌以達到滅菌的效果，是目前制藥產業中藥瓶除熱原的重要方法，而熱風循環式隧道滅菌烘箱由于具有滅菌質量和效率高、符合 GMP 要求的特點，被廣泛作為西林瓶、安瓿瓶的主要滅菌設備[1]。
西林瓶的溫升曲線直接影響到熱風循環所應用的風溫、風速以及網帶運行的速度，是設計隧道滅菌烘箱時必須要考慮的關鍵參數[2]。目前，國內制藥裝備企業針對隧道滅菌烘箱關鍵參數的確定主要還是依靠經驗，這必然會導致控制精度不夠高，以及預留量太大，造成效率降低、能源浪費等問題。
1、模型描述
1.1三維模型
工業上常用的隧道滅菌烘箱內部為層流風，并采用三段式的結構設計：預熱段、加熱段和冷卻段，其中加熱段是烘箱的核心部位，滅菌的過程主要在這個階段進行，經過預熱的西林瓶，由網帶傳輸至這一區域，潔凈風在循環風機的驅動下，經過加熱管加熱至 300℃～ 350℃，然后再經過耐高溫高效過濾器過濾后對西林瓶進行熱交換以達到滅菌和去熱原的目的[3]。本文以加熱段腔室結構尺寸（長×寬×高：994 mm×598 mm×252 mm）的烘箱為分析對象，對 10 ml 西林瓶進行分析，如圖 1 所示。
圖1 10ml西林瓶三維模型
1.2數學模型
（1）質量守恒方程
依據牛頓的質量守恒定律，針對封閉的系統，單位時間系統內的總凈流出質量與從外界流入系統的質量相等，即
其中，ρ 為密度，kg/m3 ；u、v 和w 為速度矢量在 x、y 和 z 三個方向上的分量，m/s ；t 為時間，s。
（2）動量守恒方程
整個分析模型作為一個微元體，遵從動量守恒定律，微元體中流體的動量隨時間的變化率與作用在微元體上的各種外力之和是相等的，即流體在 x、y、z 三個坐標軸方向上的動量守恒表達式為：
其中，ρ 為密度，kg/m3；t 為時間，s ；
是速度矢量，mv/s ；p 是流體微元體上的壓力，N ；μ 是動力黏度，N · s/m2 ；Su 是源項；i 為 x，y，z。
（3）能量守恒方程
依據流體力學理論，一個微元體中能量的增長率與進入微元體的凈熱量及外力（表面力和體力）作用在微元體上所做的總功相等，表達式可描述為：
其中，cp 為定壓比熱，J/kg · K ；T為溫度，K ；λ 為流體的導熱系數，W/m2 · K；ST 為流體的內熱源以及流體粘性作用下機械能轉換為的熱能的總和。
（4）湍流模型
根據烘箱氣流的流動情況，選擇標準 κ -ε 湍流模型進行仿真計算[4]。模型中，耗散率 ε 的表達式為：
湍動粘度 ut 可表示為 k 和 ε 的函數，即：
式中，Cμ 為經驗常數。
2、仿真模擬計算
基于有限元前處理軟件分別對隧道烘箱中的加熱段腔室及西林瓶進行網格劃分，網格劃分方式采用多面體網格，并對西林瓶區域進行網格加密，整個計算域被劃分為 891769 個網格，有4949906 個節點，生成的網格模型如圖2所示。將生成好的網格模型導入到 CFD仿真軟件中進行計算，腔室頂端作為熱空氣入口邊界條件，并定義為速度入口，在速度入口設置不同的風速大小、風的流動方向以及溫度情況。腔室下端作為熱風出口，并定義為壓力出口邊界條件，設置為大氣壓。不考慮與兩端腔室的對流換熱，將兩端傳送帶的進出口定義為封閉的壁面，并將腔體壁面視為絕熱層。
圖2 網格模型
3、結果分析
3.1溫升曲線結果分析
選取西林瓶瓶口上部（Bottlepoint-1）、西林瓶頸部（Bottle-point-2）、西林瓶瓶身中部（Bottle-point-3）、西林瓶瓶內邊緣（Bottle-point-4）、西林瓶瓶內底中心（Bottle-point-5）、西林瓶瓶底中心（Bottle-point-6）六個測點跟蹤其溫升曲線，如圖3 所示。
圖3 瓶身溫度測點
圖4 所示為熱風 320 ℃， 風速0.45 m/s，初始環境溫度 25℃工況下的溫升曲線，圖5 為某一時刻的溫度分布云圖，由圖4、圖5 可以得出瓶底升溫趨勢明顯低于瓶口上部、瓶頸部、瓶身中部及瓶內邊緣。Bottle-point-6 曲線與Bottle-point-5 曲線幾乎重合，說明西林瓶瓶底中心和西林瓶瓶內底中心在熱風下升溫趨勢一致，并且升溫最慢，為西林瓶升溫時的溫度最低點，與實際生產中溫度表象基本一致，也就是說只有保證瓶底的溫度（最冷點）才能確保去熱源的有效性，基于仿真模擬結果最冷點達到 300℃需要約 7 min。圖6 為西林瓶附近的速度分布矢量圖，由圖6 可知，氣流在經過西林瓶時，會繞過瓶身，并對瓶壁進行快速的加熱，瓶底由于氣流流速小，加熱最慢。
圖4 T入口 =320℃ V入口 =0.45m/s 初始環境溫度：25℃溫升曲線
圖5 溫度分布云圖
圖6 速度分布矢量圖
圖7、圖8 分別為對隧道烘箱測試時采用熱風為 320℃，風速 0.45m/s工況時的實際試驗現場圖，以及所獲得的不同測點的溫度溫升曲線圖，由圖8 可知，烘箱溫度要達到 300℃需要約 8 min 左右，該值與仿真模擬值相比略大，主要原因在于模擬時簡化為單個西林瓶在穩定風溫風速下的受熱情況，沒有考慮到烘箱的結構、瓶子的排列方式及預熱段、冷卻段對加熱段的影響。但是，仿真分析出的西林瓶升溫趨勢及受熱情況對實際生產具有相當大的參考價值，對風溫、風速及網帶運行速度的合理選擇具有重要的指導作用。
圖7 試驗現場圖
圖8 試驗結果
3.2不同工況下西林瓶溫升分析
西林瓶溫升會隨著入口風溫、風速的不同而有一定的差異。圖9 和圖10為相同風溫（300℃），不同風速下的溫升曲線，由圖可知，西林瓶在熱風溫度為 300℃的情況下很難快速升溫至滅菌所要求的溫度，需要花費至少 12 min的時間才會非常靠近 300℃，且隨著風速的增大，花費時間會減少。對比圖10 和圖11 相同風速、不同風溫下的溫升曲線，隨著風溫的增大，西林瓶最冷點達到 300℃花費的時間減少明顯，風溫為 320℃，風速為 0.7 m/s 工況時的升溫時間為 320 s 左右。另外，綜合以上模擬結果可知，隨著溫度升高，風速加快，西林瓶的溫升曲線更加陡峭，且溫度增大時，表現的更加明顯。然而，隨著溫度的升高，實際的設備能耗也會增加，同時，西林瓶不同位置的升溫差別也會逐漸加大，從而出現受熱不均勻極易導致破瓶的風險，因此工業生產需要綜合考慮。
圖9 T入口=300℃ V入口=0.45（3）m/s 初始環境溫度：25℃溫升曲線
圖10 T入口=300℃ V入口=0.7（3）m/s 初始環境溫度：25℃溫升曲線
圖11 T入口=320℃ V入口=0.7（3）m/s 初始環境溫度：25℃溫升曲線
3.3不同規格西林瓶溫升分析
同一款隧道烘箱實際需滿足多種規格西林瓶的溫升需求，分別對2 ml，20 ml，100 ml 三種規格的西林瓶進行溫升模擬分析，分析工況：T入口=320℃，V入口=0.7 m/s，初始環境溫度：25℃，圖12 是三種規格西林瓶的示意圖。
圖12 不同規格西林瓶示意圖
由圖13、圖14 可知，不同規格的西林瓶均表現出瓶口及瓶身升溫較快，瓶底升溫最慢的趨勢。但是，隨著西林瓶體積的增大，不同測點的升溫趨勢差別較大，且升溫達到 300℃所花費的時間變長，其中 100 ml 升溫時間約為 1271 s，20 ml 升溫時間約為 435 s，2 ml 升溫時間約為 316 s。
圖13 不同規格西林瓶溫度分布云圖
圖14 不同規格西林瓶溫升曲線
4、結 論
本文基于 CFD 仿真技術對隧道滅菌烘箱西林瓶升溫進行模擬，依據分析結果可得出以下結論：
（1）CFD 仿真技術可輔助隧道滅菌烘箱關鍵結構參數的設計，并輔助工藝參數的優化選型，為工業生產提供參考；
（2）隨著風溫、風速的加大，西林瓶升溫時間縮短，但受熱不均勻的情況加劇，破瓶風險增大，且能耗增加，因此實際生產中應選擇合理的風溫、風速；
（3）不同規格大小的西林瓶，其升溫時間及趨勢差異較大，實際生產中針對不同瓶型應選擇不同的工藝控制參數。
參考文獻
[1] 王志奇，鄒玉潔，劉柏希，等 . 熱圖 14 不同規格西林瓶溫升曲線風循環隧道烘箱的流場模擬及結構優化 . 過程工程學報，2020，20(5):531-539.
[2] 王 炳 剛， 于 穎， 盧 存 義 . 基 于fluent 的西林瓶升溫曲線模擬 [J].化工與醫藥工程，2014，35(3).
[3] 萬明偉 . 層流熱風滅菌隧道烘箱的設計與研究 [D]. 西安 : 陜西科技大學，2012.
[4] 王福軍 . 計算流體動力學分析 [M].北京 : 清華大學出版社，2004: 120-124.
本文作者王志剛，東富龍科技集團股份有限公司，僅供交流學習。
來源：制藥工藝與裝備
