SASSAS 过程喷射流场过程喷射流场的的 CFDCFD 模拟模拟

导 师：张敏华 教授导 师：张敏华 教授 指导教师：孙永达 教授指导教师：孙永达 教授 报 告 人：王召亚报 告 人：王召亚

主要内容主要内容 拟选课题国内、外的研究动态拟选课题国内、外的研究动态1

2

提 纲

5

2

　拟解决的科学问题及意义2

参考文献

3 拟采取的措施和方法4 课题进展规划

1. 拟选课题在国内外的研究动态1. 拟选课题在国内外的研究动态

1.1 SAS 简介

SAS 是一个复杂的简单工艺过程

原理： 过程：可以是连续的、半连续的、间歇的。

溶剂溶质 反溶剂+ → 溶质 溶剂 反溶剂+

1.1.1 SAS 工艺流程简单

S1: CO2 supply; S2: liquid solution; RB: refrigerating bath; P1, P2: pumps; TC: thermocouple; M: manometer; PV:precipitation vessel; MV: micrometering valve; LS: liquid separator; BPV: back pressure valve; R: rotameter; DM: dry test meter.

Schematic representation of a SAS apparatus

图 1[1]

喷射流场：溶液从喷嘴里混合喷出至结晶成粒为最终产品的全过程。

Nozzle

非稳态

强扰动 超临界

多组分

微系统传质 多相

SAS 工艺过程十分复杂

1.1.2 SAS 过程的复杂性

过程的复杂性、影响因素的多样性使得其工业放大很难进行。

1.1.3 SAS 过程机理非常复杂

热量传递

热力学( 相平衡 ) 喷嘴雾化动力学

质量传递 结晶动力学

SAS 过程的本质是成核与生长

尺寸

形貌

近年来 , 一些研究者 [ 2- 4] 尝试利用相平衡、 液体射流、 传质和成核结晶等理论 , 并结合一些简化的假设 [ 4, 5] 来解释SAS 过程的机理 , 但是由于缺少超临界体系的基本物性数据和特定条件的限制 , 这些理论模型并不能普遍适用。

1.2.1 SAS 过程机理及本质规律的研究

因此，对于 SAS 过程机理的完善在不断进行

1.2 SAS 工艺过程的研究现状

微 粒微 粒形 貌形 貌

E. Reverchon等人 [3] ， SAS ，大量地文献试验数据，补充部分实验

微球 / 纳米粒：表面张力和射流模式

中空微粒：热力学和质量传递 [6]

Lee 等 [7]

，实验

1.2.2 国内外 SAS 过程理论研究进展一滴一核；一滴多核；无滴成核由内向外扩散；均匀混合沉淀

4 种形式喷射流，微粒尺寸和形貌各不同；滴状和瑞利散射形成的形貌，作出解释。

姜冬宇等 [25] SAS ，实验 中空纳米球：质量传递，热力学 由外向内收缩，由内向外沉淀流动和混合

微 粒微 粒尺 寸尺 寸

Bristow 等人 [8] ， SAS ，实验Jerzy Bałdyga

等 [9] ， SEDS ，建模

Henczka[11] 等人用 CFD 对 SEDS 过程建立数学模型，由流体速率预测粒子尺寸的数量变化趋势。Perez de Diego 等人 [12] 也指出亚临界区域内流体速率对微粒尺寸有影响。

Carretier 等 [13] ， SAS ，流体力学

…………

>Pc ，过饱和度与粒子尺寸的关系；对粒子尺寸影响最大的是初始晶核的形成机理；均匀成核速率的表达式

液滴分散和传质模型：预测尺寸变化的基本趋势，与实验值的一致性不好； SEDS 的工业放大：微观、介观、宏观的混合情况能够影响微粒尺寸分布

粒子的形态与尺寸主要取决于溶液流量

10

混合均混合均匀度匀度 过饱和度 喷射状态喷射状态

微粒形貌和尺寸微粒形貌和尺寸

影响微粒性质的主要因素

传质是控制 SAS过程的一个非常重要方面， Werling等 [14,15] 研究了在亚临界和超临界条件下单一有机溶剂液滴与抗溶剂 CO2之间的传质，并提出了一个可靠的数学模型。但他们在建立模型时假设液滴停滞不动，并且忽略了温度对传质的影响。

Carretier 等 [13]

研究了设备、操作参数对 SAS 过程流体力学的影响，发现在不同的实验条件下，粒子的形态与尺寸主要取决于溶液流量。 Perez de Diego 等人 [12] 微粒性质因流体喷射模式及机理不同而有所不同，亚临界区域流体速率对微粒尺寸的影响较大

Mukhopadhyay 等[16] 则认为在 SAS 过程中， CO2 向溶液扩散是一个放热过程，而溶剂挥发是一个吸热过程。因此，液滴内部温度的变化是非常重要的。他们从传热和传质两方面考虑建立数学模型，并研究了热力学状态和其它操作条件对最初液滴大小、液滴大小的改变、温度及组成的影响 .

Lengsfeld 等 [17] 是第一个研究 SAS 过程流体动力学的研究小组，运用不溶、部分互溶、互溶体系表面张力的发展和消失来确定流体雾化成液滴还是气体羽状喷射。结论是当射流破碎之前表面张力消失时，形成气体羽状喷射。T. Petit-Gas 等人 [10] 研究了流体动力学在 SAS过程中的作用，晶核形成是因流体喷射破碎形成，细小微粒的形成关键点是混合状态，而良好的雾化条件能使得粉体性质更均匀

传质 能量 动力学条件参数

1.2.3 国内外 SAS 过程理论研究进展

12

粒子粒子性质性质

传质传质 能量

条件参数条件参数 动力学动力学

研究微粒尺寸需要考虑的因素

1 2 3 4

Lengsfeld 等 [17]

详细研究了溶剂通过喷嘴雾化进入反溶剂的过程。他们分析了可能出现溶剂和反溶剂互溶、部分互溶和不互溶的情况。在完全不互溶或部分互溶的情况下，液滴形成可以用经典的喷嘴雾化动力学理论计算。

Rantakyla[20] 曾用经典的喷嘴雾化动力学理论分析SAS 过程中雾化的液滴大小与最终颗粒大小的关系。通过理论计算得到的喷嘴雾化后的液滴大小，与实验生成颗粒的大小没有直接的关系。

Bristow[8] 通过实验，研究了较高雷诺数下，两相喷嘴中反溶剂和溶剂的过饱和度。认为对喷嘴溶液过饱和度的分析有助于研究用 SAS 过程生成的颗粒的大小和产率。同时指出在混合超临界点以上，溶液结晶取决于喷嘴中的混合情况和溶质的结晶特性

Berend[22] 等用结晶理论分析了SAS 间歇操作过程，指出了为使溶液保持一定的过饱和度和晶体的产率，操作压力须随时间变化，并提出了SAS 间歇式过程中操作压力的确定方法。

1.2.4 喷射过程流体力学研究

14

A.Martín 等 [22] 用 CFD 建模，只能描述现象，不能预测： CFD 用于判断沉淀室 SAS制粒过程优劣的重要性 1用 Fluent模拟 SAS喷射流场改善沉降室中的流场分布

2

1.2.5 采用 CFD 模拟的研究进展

王鈜艳等 [24] 用 Fluent 对 SAS 过程流体力学特性进行了研究，实验值与模拟值基本一致：流场分布指导实验研究及设备的改进。3

M.A. Tavares Cardoso 等 [19] 建立 CFD 模型，考查 SAS 微粒化设备的优劣：浮力效应和溶剂的膨胀度是微粒化过程改善最重要的因素

大多数理论只能解释或描述现象，但不能准确预测将各影响因素同时真实准确地整合进模型有待深入研究

1.2.6 SAS 理论研究存在的问题

微粒产品形貌、尺寸的均一且可控，一直是研究者的目标，研究也一直围绕着影响结晶及其生长的各因素进行。

要想顺利地进行工业放大，许多理论、技术问题有待解决。

2.1 本课题要解决的科学问题

拟解决的具体技术问题减弱或消除沉淀室内死区的影响： 使喷射产生的密度场、压力场、速度场等尽量均匀：喷射过程中溶液与反溶剂混合均匀，接触充分，组分分布均匀，沉淀室内过饱和度一致，从而产生性质均一的产品微粒。

２拟解决的科学问题及意义

考察喷嘴尺寸及喷入位置对流场均匀化的影响规律

2.2 SAS 喷射过程存在死区问 题

喷射过程中，由于流场的作用，在沉淀室内会出现死区。进入死区内的微粒，因喷射作用产生复杂的悬浮力不能立即沉降，而随气流不断循环运动，直至粒子的重力增大至克服这种悬浮力，才能够沉降下来被收集为产品。

图 2 [2]

危害 最直接的后果是产品微粒的粒径不均一：同期形成的比较均匀的微粒，其中未受到悬浮力作用而直接沉降下来得到的微粒，必定小于进入死区受到悬浮力作用的微粒粒径。同时会造成设备利用度不高：死区造成室内溶剂与反溶剂混合严重不均匀，影响沉淀。在死区内，溶剂或者反溶剂绕沉淀室不断循环运动，使溶液与反溶剂混合不均匀，传质作用弱。

产品粒径、形貌不可控

死区影响的减弱或者消除的研究很有必要

二甲胺四环素的质量分数分布 CO2 的质量分数分布

2.2.1 沉淀室内的死区的影响

图 2 [19]

过饱和度的分布

19

混合均混合均匀度匀度 过饱和度 喷射状态喷射状态

微粒形貌和尺寸微粒形貌和尺寸

影响微粒性质的主要因素 死区的存在又会直接影响物质混合度、过饱和度，喷射过程会影响死区

例子：当微粒粒径小于 5 μm 时， 微粒可通过吸入式给药 [18] ：当微粒的平均粒径在 2~5 μm时，微粒可直接被肺吸收；当微粒的平均粒径小于 1 μm 时，微粒可直接被网状内皮组织系统吸收，而不产生药物的全身循环。 微粒粒径均一，储放时间会更长。

制得的微粒要粒径均一 :1--5 μm

2.2.2 对产品的均一性要求微粒粒径、形貌均一，一直是研究者追求的目标。

要求避免或者减弱死区的影响

M.A. Tavares Cardoso等人 [19]首次将沉降室中由喷射过程产生的浮力考虑进模型中，模拟了喷嘴位置对场分布的影响。未将死区作为重点进行研究，并未作深入分析，也没有提出解决死区问题的有效方案

2.2.3 沉降室内死区问题的研究状况

目前，还没有专门研究死区问题的报道。

二甲胺四环素的质量分数

喷嘴位置对最终产品的粒径影响较大过饱和度

图 4[19]

喷嘴位置？

SAS 流体力学的理论研究：能够指导调控操作得到需要的喷射流流场状态；描述 SAS 过程的行为过程，进而认识本质规律，用于预测、调控产品的粒径、形貌等；有助于放大规律的研究，指导 SAS 设备的放大

2.3 本课题的意义

理论意义

实际意义死区的消除或者其影响的减弱：使得到的产品微粒粒径均一，促进对粒径要求严格的产品的工业化生产，尤其是药物类微粒的生产；使设备利用度提高，对工业放大具有重要的经济意义；

CFD 模拟喷射过程的密度、压力、速度场等1

通过实验验证模拟计算的正确性、可行性等

通过改变模型参数计算各种流场是否均匀化2

3

３ . 拟采取的措施和方法

用微观手段研究宏观过程

拟采取方法

3.1 用 CFD 模拟喷射过程以研究 SAS 过程

用 CFD 模拟的有效性结合了质量、 能量、 动量和组分守恒方程 , 及湍流方程，可描绘各种场分布，模拟体系的微观混合行为。为 SAS 法制备微粒的理论的阐释及模型建立开辟了新的思路 [4] 。

研究喷射过程的必要性喷射过程包含溶液的混合，初始液滴的形成，质量传递，动量传递，能量传递，以及最终产品的形成，是影响最终产品的形貌及粒径的最重要的工艺环节。

研究流体力学的必要性SAS 过程中的传质和成核都是在流体流动过程中进行的，传质速率和成核速率与流体流动状况密切相关。同时，溶剂的体积分率也影响着体系的相平衡。

1. 用 solidworks/proE 建立三维几何模型，导入 gambit 中进行网格划分，用 fluent/ansys 进行计算分析。

2. 由于 SAS 过程机理复杂，涉及到热力学、动力学、相平衡，湍动等，鉴于计算机性能，需要对模型进行简化，假设制粒过程是连续进行的，过程是稳态的。

3. 本课题是对 SAS 过程流体的喷射至成粒过程的的模拟，在模型中，除了要考虑基本的能量、动量、质量守恒控制方程之外，还要考虑喷射作用产生的复杂的悬浮力的影响，以及湍动方程等。

3.2 CFD 模拟拟采取的措施3.2.1 CFD 初步建模

4. 研究过程涉及成核及结晶，即涉及到气－液－固传质，所以过程模拟时需要选择合适的多相模型（包括动量、质量和能量传递方程）；因流体流速极快，湍动强度大，要选择适合体系的湍动方程；由于系统处于超临界状态，要选择合适的状态方程。

5. 考察改变模型参数对沉淀室内密度场、压力场、速度场等的影响，即对各组分分布、过饱和度等的影响，也即考查死区状况。

6. 模拟结果可以通过数据（文献、实验数据）来验证，并且希望能在保证模拟结果准确的情况下，根据模拟结果对提出解决死区问题的有效方案，甚至推导出有效的关联式。

3.2.1 CFD 初步建模

改变各个物流进入沉降室的入口位置；

改变喷嘴的长径比或改换喷嘴； 改变喷嘴在沉降室中的高度入口

3.2.2 改变模型拟采取的措施

喷嘴

从对已有文献的数据分析来看，流体间歇操作和连续操作所得到的结果似乎是一样的 [22] 。

3.3 验证模拟结果拟进行的实验

因条件的限制，实验验证时采用间歇的 SAS 过程。

实验拟采用工艺流程

S1: CO2 supply; S2: liquid solution; RB: refrigerating bath; P1, P2: pumps; TC: thermocouple; M: manometer; PV:precipitation vessel; MV: micrometering valve; LS: liquid separator; BPV: back pressure valve; R: rotameter; DM: dry test meter.

采用图 1 所示流程，参数条件、溶质与溶剂的选用同模拟

图 1

完成课题的条件

个人知识技能•熟练掌握 fluent/ansys软件并且学习了相关基础知识，掌握gambit 、 solidworks 等软件的应用。•掌握相平衡、流体力学、结晶、传热和超临界过程等相关知识。

设备条件•实验室具备模拟所需要的fluent/ansys软件，高性能计算服务器。

3.4 完成课题具备的条件

查阅文献，确定在超临界微粒方面的具体研究方向；学习 Fluent软件及课题相关知识。

对实体模型进行简化，建立计算模型，给出各种场分布；根据计划改变计算模型并求出场分布；对比分析结果。

对比分析模拟结果和实验结果，总结出规律性知识，并给出问题有效的解决方案。定课题 学软件

建模计算分析结果

实验验证分析结果

总结数据形成论文课题进展总体规划

根据模拟计算时的参数数据进行试验，对产品进行分析测试，与模拟结果对比分析。

４ . 课题进展规划

2011.05-2011.08 查阅课题相关文献，了解研究现状，熟悉课题，学习基础 知识； 2011.09-2011.11 熟练操作软件，掌握软件的应用，建立合理的几何模型， 进行网格划分，研究网格划分对计算结果的影响，进行试算； 2011.12-2012.06 对喷射过程进行模拟计算，并将实验（或文献数据）与模拟 结果进行对比分析； 2012.07-2012.10 中期整理，总结前期工作，撰写小论文，在前期工作基础上 制定下一步研究目标； 2012.11-2013.03 按照中期整理后的思路进一步进行计算和实验，结果分析 整理； 2013.04-2013.05 撰写学位论文。

课题进展规划表

参考文献参考文献[1] Ernesto Reverchon, Iolanda De Marco. Mechanisms controlling supercritical

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