（化学工艺专业论文）超临界抗溶剂（SAS）过程流体力学特性研究.pdf

中文摘要 流体的流体力学状况是影响超临界抗溶剂过程( s u p e r c f i t i c a la n t i s o l v e n t ， s a s ) 的主要因素之一，它决定了流体的流动特性及流体的分布，从而影响s a s 过程得到粒子的尺寸和形态。本文利用计算流体力学软件f l u e n t 对s a s 过程 流体力学特性进行了研究。 s a s 方法的实施有多种不同的过程安排和装置，本文对抗溶剂压缩沉淀过程 ( p r e c i p i t a t i o nb yac o m p r e s s e da n t i s o l v e n t ，p c a ) 和超l 临界流体提高溶液分散过 程( s o l u t i o ne n h a n c e dd i s p e r s i o nb ys u p e r c r i f i c a lf l u i d s ，s e d s ) 进行了研究，并 根据喷嘴结构的不同建立了四个不同的模型，通过湍流强度和溶剂分布研究了溶 液流量、二氧化碳密度、喷嘴内径尺寸和微粒化设备长径比对s a s 过程流体力 学特性的影响。 研究表明，对所研究的四个s a s 过程，增大溶剂流量，湍流强度增大，溶 剂体积分率增大；减小喷嘴内径尺寸，湍流强度增大。对于p c a 过程，二氧化 碳密度减小，湍流强度增大；当二氧化碳密度接近溶剂密度时，溶剂分布较均匀； 当二氧化碳密度低于溶剂密度时，溶剂在容器底部分布较多，当二氧化碳密度高 于溶液密度时，溶剂在容器顶部分布较多。对于s e d s 过程，二氧化碳密度减小， 湍流强度增大：当二氧化碳密度接近溶剂密度时，溶剂分布最均匀；增大微粒化 设备长径比，湍流强度增大。在相同工艺条件下，喷嘴内部存在混合腔的s e d s 过程得到的湍流强度大，溶剂分布均匀，更容易得到粒径小且分布均匀的微粒。 适当增大溶剂流量、选择合适的温度压力使二氧化碳密度接近溶剂密度、选择小 的喷嘴内径尺寸以及大的微粒化设备长径比均有助于得到粒径小且分布均匀的 微粒。 通过模拟分析可知，现有实验设备的结构存在一定的缺陷，不同操作条件下 所得湍流强度均很小。将模拟结果与p c a 过程制备聚乙二醇微粒得到的实验结 果进行比较，基本一致。因此，表明采用g a m b i t 和f l u e n t 模拟s a s 过程的 流场分布对实验研究及设备的改进有很好的指导作用。 关键词：超临界抗溶剂，数值计算，计算流体力学 a b s t r a c t h y d r o d y n a m i c sp r o p e r t yo ft h ef l u i di so n eo ft h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n t ( s a s ) p r o c e s s ，w h i c hi n f l u e n c e st h es i z ed i s t r i b u t i o na n d m o r p h o l o g yp r o d u c e db ys a sp r o c e s s t h eh y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fs a s p r o c e s sa r es t u d i e dw i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d 、i nt h i sp a p e r s a sp r o c e s si n c l u d e sd i f f e r e n t p r o c e s s e s i nt h i sp a p e r , p r e c i p i t a t i o nb ya c o m p r e s s e da n t i s o l v e n t ( p c a ) p r o c e s s a n ds o l u t i o ne n h a n c e d d i s p e r s i o nb y s u p e r c l i t i c a lf l u i d s ( s e d s ) a r es t u d i e d i nf o u rm o d e l sw i t hd i f f e r e n tn o z z l es t r u c t u r e ， t h ei n f l u e n c e so fs o l v e n tf l u x ，d e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d e ，s i z eo fn o z z l ea n dt h e l e n g t h - - t o d i a m e t e rr a t i oo nt h eh y d r o d y n a m i c sp r o p e r t i e so fs a sp r o c e s sa r es t u d i e d b ym e a n so f t h et u r b u l e n ti n t e n s i t ya n dv o l u m ef a c t i o nd i s t r i b u t i o no fs o l v e n t t h er e s u l t ss h o w st h a tf o ra l ls t u d i e ds a sp r o c e s s ，t u r b u l e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e s i nf i e l da ss o l v e n tf l u xi n c r e a s i n g ，a n dt h ev o l u m ef r a c t i o no fs o l v e n ti n c r e a s e s a n d a ss i z eo fn o z z l ed e c r e a s e s ，t u r b u l e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e s f o rp c a p r o c e s s ，t u r b u l e n t i n t e n s i t yi n c r e a s e sa st h ed e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d ed e c r e a s e s w h e nt h ed e n s i t yo f c a r b o nd i o x i d ei sc l o s et ot h ed e n s i t yo fs o l v e n t ，t h ed i s t r i b u t i o no fs o l v e n tb e c o m e s m o r eu n i f o r m f o rs e d sp r o c e s s ，t u r b u l e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e sa st h ed e n s i t yo f c a r b o nd i o x i d ed e c r e a s e s w h e nt h ed e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d ei sc l o s et ot h ed e n s i t y o fs o l v e n t ，t h ed i s t r i b u t i o no fs o l v e n tb e c o m e sm o r eu n i f o r m t u r b u l e n ti n t e n s i t y i n c r e a s e sa st h el e n g t h t o d i a m e t e rr a t i oi n c r e a s e s t h et w os e d sp r o c e s s e sr e f e r r i n g t oc a r b o nd i o x i d ea n ds o l v e n ta r em i x e di nn o z z l eb e f o r es p r a y i n gi n t ov e s s e l ，o b t a i n h i g ht u r b u l e n ti n t e n s i t ya n dh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fs o l v e n t i n c r e a s i n gs o l v e n t f l u xp r o p e r l y , t h ed e n s i t yo fc a r b o nd i o x i d ec l o s i n gt ot h ed e n s i t yo fs o l v e n t ， d e c r e a s i n gs i z eo fn o z z l e ，i n c r e a s i n gt h el e n g t h t o d i a m e t e rr a t i oa r eo fh e l pt oo b t a i n b e t t e rr e s u l t s f o re x i s t e n te q u i p m e n t ，t u r b u l e n ti n t e n s i t yi sv e r yl i t t l ed u et oi t ss e l fs t r u c t u r e i n a d d i t i o n ，p e g 一6 0 0 0i sp r e p a r e db yp c ap r o c e s s t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t r e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h er e s u l t so h t a i n e df r o ms i m u l a t i o no ff l o w f i e l dw i t hf l u e n ts o f t w a r ec a r lg i v eg o o dg u i d e l i n et ot h es t u d yo fs a sp r o c e s s k e 3 7w o r d s ：s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n t ，r l m n e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨连盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：工名目毛 签字日期：丑嘶年月前同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 0 ；e 掘导师签名 獬戈 签宁同期：埘年月j 旁f = | 签字同期：粕年6 月砧r 前击 月盯吾 超临界抗溶剂技术( s a s ) 是近二1 卜年爿发展起来的新技术，受到国内外学 者的广泛关注，并陆续丌展了这方面的研究工作。随着s a s 过程研究和应用的 不断扩大，从理论上对该过程的机理进行研究显得尤为重要。但是，该技术涉及 热力学、流体力学、质量传递和晶体成核动力学等学科，对其进行全面研究困难 比较大。目前，研究人员对热力学、质量传递和晶体成核动力学进行了有益的研 究，但对该过程流体力学方面的研究还不够深入。 流体的流体力学状况是s a s 过程中重要的研究内容，不同的s a s 实施过程、 喷嘴结构及工艺条件对流体的流动特性有很大的影响，最终影响获得的粒子的尺 寸及形态。因此，对s a s 过程流体力学方面进行研究对该技术的进一步发展有 重要的理论和实际意义。 本文利用计算流体力学的方法对s a s 过程的流场进行模拟。采用湍流强度 和溶剂体积分率作为s a s 过程的评价指标，分别从溶液流量、二氧化碳密度、 喷嘴内径尺寸及微粒化设备长径比等方面研究s a s 过程流体的流动特性。本文 还分别对s a s 四个不同的实施过程进行了模拟研究，并对其进行比较分析，提 出了适宜的操作模型及相应的工艺条件，为s a s 过程的设计及操作条件的选择 提供了理论支持。 最后，本文利用p c a 过程制备了聚乙二醇微粒，将实验结果与模拟结果进 一步分析对比，基本一致，表明采用g a m b i t 和f l u e n t 模拟s a s 过程的流 场分布对实验研究及设备的改进有很好的指导作用。 第一章立献综述 第一章文献综述 超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) 是指温度压力都处于临界点以上的流体 它具有与液体相近的密度，粘度却与气体接近，而自扩散系数比液体高得多。在 骗界点附近，超临界流体的压缩性电很大，温度或压力的稍微变化就会引起密度 显著变化，导致流体剥溶质的溶解能力发生明显改变。 鉴于上述特性，科研工作者丌发山了众多实用技术，超临界流体微粒化技术 是近2 0 年发展起来的具有广阔应用前景的超细粒子制备方法。与传统方法相比， 超临界流体微粒化技术结晶生眭时间短、粒子尺寸小，粒径分布均匀，具有明显 的优势。口前，对该技术的研究已经取得了一些根有实用价值的成果，关于其新 工艺的报道电越来越多。 1 1 超临界流体微粒化技术 制备超细粒子的传统方法有喷雾干煤、冷冻真空干燥、超细粉碎、研磨等， 但这些方法存在一定的问题，如得到的产品溶剂残留高、粒度分柏宽生产成本 高、生产刚间长等。超临界流体微粒化技术可以很好的解决这些问题，利用超临 界流体的高压缩性，通过调节压力、温度即可将粒径尺寸控制在定范围内，满 足不同方面的需求j 。另外，超犒界流体与有机溶剂、固态产品分离容易，洁净 且环保。因此，虽然超临界流体微粒化技术离工业化过程还有。段距离，但已成 为今后发展的趋势。二氧化碳i 临界温度压力低( 3 11 ，7 38 b a r ) 、无毒、小易 燃烧、且价廉，成为目前使用最为广泛的超临界流体。 根据超临界流体和溶剂的作用，可将超临界流体微粒化技术分为六大类：超 临界溶液快速膨胀法、超临界抗溶剂过程、气体饱和溶液法、膨胀液体有机溶剂 降压法、超临界流体干燥法和超临界流体反应法。 1 1 1 超临界溶液快速膨胀 超临界溶液快速膨胀( r a p i de x p a n s i o no f s u p e r c r i t i c a ls o l u t i o n ，r e s s ) 过 程利用了超盼1 界流体溶解能力随 1 i 力变化的敏感性。首先存给定温度压力下将溶 质完全溶r 超临界流体中，然后通过喷嘴喷币低三或常胍。降臣导致膨胀，超临 界流体的密度和溶解能力总剧降l 毛，形成高度过饱 i i 溶液，溶质l j 超临界流体分 离，牛成超绷粒一，。山 此过捌在瞬问完成，| la t l 成怯速率极人，j 侈成的粒。f 、r 离，i 成超细粒予，山f ：此过, pj 1 4 t ! l 瞬1 1 f i j 前：成，吲此成核速；举饭火，形成的粒子1 r 第一幸义献综述 第一章文献综述 超临界流体( s u p e r c r i t i c a lf l u i d ，s c f ) 是指温度压力都处于临界点以上的流体， 它具有与液体相近的密度，粘度却与气体接近，而自扩散系数比液体高得多。在 l 晒界点附近，超临界流体的压缩性也很大，温度或压力的稍微变化就会引起密度 显著变化，导致流体对溶质的溶解能力发生明显改变。 鉴于上述特性，科研工作者开发出了众多实用技术，超临界流体微粒化技术 是近2 0 年发展起来的具有广阔应用前景的超细粒子制备方法。与传统方法相比， 超临界流体微粒化技术结晶生氏时间短、粒子尺寸小，粒径分布均匀，具有明显 的优势。目前，对该技术的研究已经取得了一些很有实用价值的成果，关于其新 工艺的报道也越来越多。 1 1 超临界流体微粒化技术 制备超细粒子的传统方法有喷雾干燥、冷冻真空干燥、超细粉碎、研磨等， 但这些方法存在一定的问题，如得到的产品溶剂残留高、粒度分布宽、生产成本 高、生产时间长等。超临界流体微粒化技术可以很好的解决这些问题，利用超临 界流体的高压缩性，通过调节压力、温度即可将粒径尺寸控制在一定范围内，满 足不同方面的需求【1 1 。另外，超临界流体与有机溶剂、固态产品分离容易，洁净 且环保。因此，虽然超临界流体微粒化技术离工业化过程还有一段距离，但已成 为今后发展的趋势。二氧化碳临界温度压力低( 3 1 1 ，7 3 8 b a r ) 、无毒、不易 燃烧、且价廉，成为目前使用最为广泛的超临界流体。 根据超临界流体和溶剂的作用，可将超临界流体微粒化技术分为六大类：超 临界溶液快速膨胀法、超临界抗溶剂过程、气体饱和溶液法、膨胀液体有机溶剂 降压法、超i 临界流体干燥法和超临界流体反应法。 1 1 1 超临界溶液快速膨胀 超l 【备界溶液快速i i i i ( r a p i de x p a n s i o no fs u p e r c r i t i c a ls o l u t i o n ，r e s s ) 过 程利用了超 界流体溶解能力随f i i 力变化的敏感性。首先在给定温度压力下将溶 质完全溶j 1 超j | f f i 界流体中，然后通过喷嘴喷下低压或常爪。降j l 导致蟛胀，超临 界流体的密度和溶解能力急剧降低，形成高度过饱和溶液，溶质j 超临界流体分 离，乍成超钳l 口一九i j ：此过程铂_ 瞬问完成，洲此成恢速率檄人，彤成的粒子、r 第一章文献综述 均粒径小且均匀。 r e s s 过程要求需要微粒化的物质在超临界流体中有较大的溶解度，但人多 数有机物，如药物为极性化合物，难溶于超i 临界c 0 2 ，这就排除了选择c 0 2 作为 超临界流体的可能。有鉴于此，研究人员对r e s s 进行改进，通过在萃取釜中添 加共溶剂柬提高溶质在超临界流体中的溶解度【2 j 。实验中要严格控制沉淀釜内的 压力和温度，以保证溶质析出，且共溶剂能全部被c o ：带走。在沉淀釜的后面 增加一个分离釜，对c o ：和共溶剂进行分离回收。 1 1 2 超临界抗溶剂过程 对于不溶于超临界流体的物质进行微粒化时，可选择一种能与超临界流体互 溶的溶剂溶解该物质，当该溶液与超i 隘界流体充分接触时，超临界流体迅速扩散 到溶液中，溶液体积膨胀，密度下降、溶解能力f 降，溶液形成高度的过饱状态， 成核析出溶质微粒。这就是超临界抗溶剂( s u p e r c r i t i c a la n t i s o l v e n t ，s a s ) 过程。 s a s 制备超细微粒有着特殊的优势，通过选择合适的超l 临界流体、溶剂和操 作条件，溶液可以在极短的时间内达到极高的过饱和度，这有助于制备出粒径均 一的微粒。同时，还可以通过调节超临界流体与溶液的混合速率，来控制溶质的 析出速率，从而控制析出微粒的大小与形态。利用s a s 过程制得的超细粒子的 平均粒径可达亚微米级吼 1 1 3 气体饱和溶液法 有些物质比较难溶于超临界c 0 2 中，但超临界c o ：可以溶于其中。在气体 饱和溶液法( p a r t i c l e sg e n e r a t i o nf i o mg a ss a t u r a t e ds o l u t i o n s ，p g s s ) 中，被微粒 化的物质首先在一定温度下熔融，然后通入超临界c o z ，c o z 溶于其中形成气体 饱和熔融液，同时使该物质的熔点和粘度降低。达到平衡后，饱和溶液通过喷嘴 快速喷入造粒室，溶液过冷低于该物质的熔点，导致超细粒子析出【4 l 。目前，该 方法已经成功的应用于聚合物及药物微粒的制备i ”。 1 1 4 膨胀液体有机溶剂降压法 在膨胀液体有机溶剂降压法( d e p r e s s u r i z a t i o no fa ne x p a n d e dl i q u i do r g a n i c s o l u t i o n ，d e l o s ) 中l ，超i 商界流体充当溶剂。首先将待微粒化的物质溶j 二f 机溶液一h 然后在高觚卜j l q 有机溶液中眺入适量超临界流体使其膨胀，超临界流 体、有机溶剂和溶质形成均州。最后将混合物通过i 喷嘴快速降压，急速冷却， 析出超舅l 粒f ，存过滤筛i ：与有机溶液分离。神：超l 艋界流作加入的过种巾要严格 第一章文献综述 控制其加入量，以保证超临界流体加入后既能使有机溶液充分膨胀又不能使溶质 析出来。 1 1 5 超临界流体干燥法 s i e v e r s 等哆】j 冬溶液与c 0 2 在体积很小( 0 1 “1 ) 的三通道内短时间接触，然 后通过喷嘴喷至常压，发生雾化。雾化后的小液滴与温度在2 5 7 5 的惰性气 体接触干燥，得到固体微粒。该方法所用溶剂可以是水、乙醇及乙醇一水的混合 溶液，c 0 2 的加入的主要目的是提高溶液的雾化程度。与传统方法相比，c a n b d 法干燥速度快，温度低，是制备医药气雾剂很有前景的工艺过程1 9 , 1 0 1 。 r e v e r c h o n 等l 在s i e v e r s 等人的基础上进行了改进，提出了超临界帮助雾 化法( s u p e r c r i t i c a la s s i s t e da t o m i z a t i o n ，s a a ) 。s a a 过程一个突出的特点就 是在喷嘴前增加了一个恒温饱和器，为两个流体提供了大的接触面积和充分的停 留时间，使超临界c o z 溶解在有机溶液或水溶液中，形成均一相。然后通过喷 嘴喷入到热氮气中( 氮气有助于溶剂的挥发) ，c o ：从最初生成的液滴内部释放 出来，促进了液滴的分裂，发生液滴的二次生成。他们利用该法已经成功的制备 出药物、催化剂和超导体的亚微米级微粒“。 1 1 6 超临界流体反应法 1 1 6 1 超临界水反应法 金属盐在超临界水中进行水热合成反应，可以结晶出超细金属氧化物微粒： m ( n 0 3 ) + x h 2 0 = m ( o m ) ，+ x h n o ， m ( 0 h ) ，= 彻以+ 毒日， 在超临界水中，金属盐的水解速度非常快，生成的金属氢氧化物的溶解度又 比较低，因此可在极短的时间内达到很高的过饱和度，成核速率很快，从而获得 粒径很小的微粒。由于超临界水的平衡及传递特性对温度压力的变化很敏感，因 此可通过调节系统压力和温度来控制反应速率，进而控制粒子的成核速率和生长 速率。迄今，此法已能将a l 、f e 、m n 、n i 、t i 、z r 、c o 、c c 、r h 希l p t 等的硝酸 盐、氯化物和硫酸盐成功的转化为相应的金属氧化物微粒，粒径在几个n m 到l # m 问不等1 1 3 ，1 4 ”i 。 l1 6 2 压缩抗溶剂沉淀光聚合反应法 聚合物般难溶于超临界c o ：，剀此常采用s a s ) ) 法制箭聚合物微粒。由于 超晒界c 0 2 是种有效的埔蛔剂，j l 有聚合物昆示h ；允分的结晶度或者s a s 的操 4 第一章文献综述 作温度低于聚合物的玻 离转化温度( t 。) 时爿能得到离散的微粒。因此对于b 较低的聚合物很难用s a s 方法制备。有鉴于此o w e n s 等人就提出了压缩抗溶剂 沉淀聚合反应法( c o m p r e s s e da n f i s o l v e n tp r e c i p i t a t i o na n dp h o t o p o l y r n e r i z a t i o n ， c a p p ) | l 。该过程的示意图如图1 1 所示。 在c a p p 过程中，多功能的活性单体和引发剂溶解在稀释剂中，然后喷入超 临界c o ：中，光聚合反应发生得到交叉的聚合物微粒。该过程不仅保留了其它超 临界微粒化过程的优势，还具有有机溶剂使用量少、选择面宽等优点。初始操作 条件( 光强度、引发剂类型、引发剂浓度) 和单体的选择( 官能团的类型及浓度) 是控制粒子尺寸和形态的重要因素。 1 一二氧化碳罐，2 除氧器，3 - 二氧化碳泵，4 一反应室，5 溶剂引发剂 6 紫外光发射器，7 石英玻璃，8 一过滤板 图1 - 1c a p p 过程示意图 f i g1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec a p pp r o c e s s 1 1 7 超临界流体技术制备微粒的选择 虽然超临界流体微粒化技术的分类比较多，但常用的方法主要有以下四个过 程：r e s s 、s a s 、p g s s 和d e l o s 。根据对以上四个过程的描述可以看出，每 个过稃对待微粒化物质、超临界流体、溶剂两两之问的溶解性能有不同的要求。 因此，对不同的物质，戍根据其自身的性质而选择不同的超临界流体微粒化方法 和溶剂，具体选择标准如图1 2 所示。 第一章文献综述 物 临 形 物质 s a sd e l o s 是否溶于 界流体 图1 - 2 超临界流体技术制备微粒的选择示意图 f i g1 - 2g u i d e l i n eo f s e l e c t i o no f s u p e r c r i t i c a lp a r t i c l ef o r m a t i o nt e c l m i q u e 1 2s a s 的发展 超临界抗溶剂方法的实旌有多种不同的过程安排和装置：气体抗溶剂过程 ( g a sa n t i s o l v e n t ， g a s ) 、抗溶剂压缩沉淀法( p r e c i p i t a t i o nb yac o m p r e s s e d a n t i s o l v e n t ，p c a ) 、气溶胶溶剂萃取体系( a e r o s o ls o l v e n te x t r a c t i o ns y s t e m ， a s e s ) 、超临界流体提高溶液分散法( s o l u t i o ne n h a n c e dd i s p e r s i o nb y s u p e r c r i t i c a lf l u i d s ，s e d s ) 和强化传质超i 每界抗溶剂过程( s a s e m ) 。本文采用 s a s 来描述这个过程，因为这个缩写说明了抗溶剂的主要特征：超临界条件【l ”。 1 2 1g a s 过程 g a s 过程是最先提出的s a s 过程，它是问歇操作，首先在造粒室里加入一 定量的液体溶液，然后通入超临界流体至最终预期压力。在造粒室内，超临界流 体迅速扩散到溶液内，使之膨胀，溶剂溶解能力下降，导致溶液达到过饱和状态， 溶质析出。沉淀过程结束后，要继续通入超临界流体进行清洗，以带走残余的溶 剂，否则溶解在抗溶剂中的溶剂可能在减压过程中析m ，重新溶解析出的溶质。 超临界流体可以从沉淀器的顶部或底部加入，其加入速率足控制粒了尺、j 和形态 的主要因素”8 i 。 1 2 2p c a 和a s e s 过程 随着研究工作的不断深入，出现了连续过程。首先将超临界流体经高压泵山 顶部打入造粒室，温度压力达到预定条件后，再通过高压泵将溶液经喷嘴雾化成 细小液滴，连续的喷入到造粒室中并与超临界流体发生快速的传质过程，溶剂发 生膨胀，溶液过饱和沉析出细小均匀的微粒，这一过程称为p c a 或a s e s 。在 此过程中，操作压力、温度、两股物流的流量及其比率是影响沉淀过程的重要因 素。在沉淀过程的最后阶段，用纯净的超临界流体进行清洗是必要的，以避免减 压过程中冷凝出液体，改变粒子的特性。 1 2 3s e d s 过程 连续操作中的关键是液体溶液喷射装置的设计。b r a d f o r d 大学的研究人员设 计了同轴双通道喷嘴，提出了s e d s 过程【1 ”。在该过程中，超临界流体和溶液分 别通过喷嘴的两个通道同时进入到造粒室内，超临界抗溶剂高的线速度提供动 能，使喷出的溶液分裂成非常细小的液滴，同时超临界流体的湍流也加速了二者 的混合，导致溶液过饱和从而沉析出更细小的粒子。 该研究小组在制备乳糖微粒的过程中发现，糖在有机溶剂中溶解度低，但易 溶于水，而水与二氧化碳是不互溶的。为此，他们又设计了同轴三通道喷嘴，如 图l 一3 所示。溶剂a 、超临界抗溶剂b 、与a 、b 均互溶的溶剂c 分别通过喷嘴 的三个通道同时喷入造粒室。当三种流体离开喷嘴时，a 与c 相互扩散，发生 液一液萃取过程，并由于形成氢键或相类似的相互作用而结合在一起，超临界流 体b 则与结合在一起的两种溶剂相互接触混合并对其进行萃取，致使溶液饱和 而析出溶质微粒。 a b c 剀1 3 同轴三通道喷嘴 f i g1 3t h r e ec o a x i a ln p a s s a g en o z z l e 第节文献综述 1 2 4s a s e m 过程 s a s e m 过程是超临界流体微粒化技术的个重要改进。在传统s a s 法的 基础上，在喷嘴出口处增加了个超声振动器，利用超声波将溶液雾化成更小的 液滴，增强了超l 临界相内的湍动和混合程度，进而提高了溶液与抗溶剂间的传质 速度，避免粒子间的团聚。液滴尺寸的减小和传质的增强使得用该法获得的粒子 尺寸比传统的方法小1 0 倍【2 0 l 。 1 3s a s 的理论研究 s a s 过程利用超临界流体的特性脱溶析出溶液中的溶质，使之形成微粒。过 程机理非常复杂，涉及热力学、流体力学、质量传递和成核动力学四个方面的内 容，目前还没有形成系统的理论。本文将从上述四个方面进行简单的概括。 1 3 1 热力学 热力学是s a s 过程最基本的理论依据，它包括c 0 2 + 溶剂的二元相平衡体 系以及c 0 2 + 溶剂+ 溶质的三元相平衡体系。研究人员已经对二元和三元相平衡 进行了大量的测定【2 1 , 2 2 , 2 3 】，但是高压下的实验工作难度大，花费高。因此，急需 要开发相应的热力学模型来扩充和补充实验所得数据，以便获得更全面、更系统 的相平衡数据。 立方型状态方程形式简单，选用缛当的混合规则便可推广用于混合物体系， 是目前最常用的状态方程。k o r d i k o w s k i 掣2 4 嘬先采用p e n g r o b i n s o n 状态方程 来模拟c 0 2 + 极性溶剂的二元相平衡。b a d i l l a 等1 2 5 】利用p r 状态方程描述二元和 三元系统的流体相，也取得了较好的结果。但由于p r 方程固有的近似性和某些 经验性的东西，在临界区附近，计算准确度不高。k i k i c 等【2 6 1 采用微扰硬球链 ( p e r t u r b e dh a r d s p h e r ec h a i n ，p h s c ) 状态方程来描述s a s 过程的相行为，发 现当物质的临界性质不明确时，p h s c 状态方程比p r 状态方程有明显的优势。 l _ 3 2 流体力学 s a s 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。流 体力学在s a s 过程q t 的蕈要地似使之成为近几年人们研究的主要对象。 s a s 喷射装置的作用就是产牛进入超临界连续枯f 的小液滴，增大接触由f 积以 提高传质速牵。溶液通过喷嘴形成射流( 卣件i 喷嘴直径相“1 ) ，射流脱离喷嘴 笫帝义献综述 后受到表面张力、摩擦力、湍动力兆吲作用。表面张力是内聚力，使液滴聚集， 减小单位体积的表面积；射流与超临界相的摩擦力是破芥力，它的大小与n x , t 速 率有关；射流本身的湍动力是第二种破碎力。射流在喷嘴内处于湍流状态，径向 的速率分向量各异，一旦脱离喷嘴，很快超过表面张力的内聚作用，引起射流破 碎刚。 大部分研究者把s a s 过程看作是液体喷射进入气体，并在这个假设的基础上 运用传统的射流破碎理论，关联雷诺数和韦伯数对射流的破碎长度( 从喷嘴出口 到液滴形成的长度) 进行研究2 8 1 。c a r r e t i e r 等研究了容器几何结构、流体注入 设备、流体流量对s a s 过程流体力学的影响。他们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。 1 3 3 质量传递 目前对s a s 传质方面的研究很多，当雾化的液滴与抗溶剂c 0 2 接触后，发 生双向传质：一方面，溶剂向c o z 相扩散；另一方面，c 0 2 向液滴内部扩散。快 速的传质形成均一的高过饱和度，生成超细粒子。c o ：的扩散和溶剂的挥发引起 液滴的溶胀和收缩，这决定了生成颗粒的大小和形态。 传质是控制s a s 过程的一个非常重要方面，w e r l i n g 等1 3 0 , 3 1 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c o ：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。m u k h o p a d h y a y 等【3 2 1 则认为在s a s 过程中，c 0 2 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。 1 3 4 晶体成核动力学 过饱和度是发生初级成核的推动力，与化学势有关，定义为【3 3 l ： s ：竺：i n 竺( 1 - 1 ) 七日ry o c o 式中“一化学势； k 。一玻耳兹曼常数： ca c 一溶液的初始浓度和c 0 2 扩散进溶剂f l 溶质的保留浓度； y ，y 。一划应状态。f o , 3 逸度系数。 “1 溶质为 f 挥发性溶质，儿浓度很低( 摩尔分数小f 1 0 。4 ) ，可以忽略浓度 对逸慢n 勺影响，门= i ，队憎e 过饱耵i 度定义j 简化为： 第。带文献综述 s = l n ( c c 。j ( 1 2 ) 由式( 1 2 ) 定义可知，当体系的平衡浓度c 。很小时，c c o 将会变得很大，从 而形成极大的过饱和度。该过饱和度将远远超过体系溶解度的介稳区，根据结晶 理论有助于初级成核过程的发生。 粒子大小和过饱和度的关系是工艺条件优化需要考虑的一个重要的因素。高 度过饱和情况下，成核决定粒子总数和粒子大小。在均相条件下，成核速率，与 过饱和度s 的关系为， l n 二= 一a ，。2 ( 1 - 3 1 。 上式中 。一指前成核常数； 对球形核子， a ：1 6 ：g a = a f _ - 2 2 ( 1 - 4 )= 7 - 3 i ：r 3 上式中口一核子的表面自由能： q 一溶质在晶格中的摩尔体积。 粒子数量浓度n 和粒子平均尺寸d 的关系如下： n ：p ：m c _ ( c - c o )( 1 5 ) p ，m ，d 3 上式中p c ，p ，一溶质和溶剂的密度： m 。，m ，一溶质和溶剂的摩尔质量。 如果成核时间一定，r 正比于n ，于是由以上三式得， i n h = b a s l( 1 - 6 ) 其中，口是与过饱和度无关的常数。 1 4 研究s a s 过程的新方法一计算流体力学 如前所述，s a s 过程作为一种新的微粒化技术，越来越受到人们的关注，有 广阔的发展前景。目前，对s a s 过程的研究主要集中在工艺条件的考察上，理 沦研究比较少。本文利用计算流体力学的方法，从理沦j ：考察s a s 过程中流体 的流动特性，为s a s 过程的发展和改进提供定的理论基础。 汁算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 简1 j 为c f d ，是2 01 ”= 纪6 0 印? 代什随计算科学tol 。程崛起并迅速发展起米的学科。涉，吏训锌机科学、流体 “。、偏微分。为数佰算、数值分i 等，这u e 学科n 勺交疋融舟，i 忆促进和 第一一章义献综述 支持，推动了学科的深入发展【”i 。人们可以通过数值计算的方法来求解描述复杂 流动的方程组，从而使许多领域的进一步理论研究成为可能。 现代流体力学研究方法包括理论分析、数值计算和实验研究三个方面，可针 对不同的问题进行研究，互相补充。理论分析研究能够为数值计算和实验研究提 供有效的指导；实验是认识客观现实流体的有效手段，验证理论分析和数值计算 的j 下确性；计算流体力学通过提供模拟真实流动的手段补充理论及实验的空缺。 更重要的是，计算流体力学提供了方便、优质和经济的流体模拟、设计和优化的 工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困 难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信 息。与实验研究相比，c f d 具有花费少、速度快、信息完整等优点，因此，c f d 的应用越来越广泛，除了服务于传统的流体力学和流体工程领域外，如航空、航 天、船舶、水利等，在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用【3 ”。 1 5 本论文的研究内容 本文应用计算流体力学的方法，对超临界抗溶剂四个不同的过程进行数值 模拟，并在此基础上提出了适宜的操作模型及相应的工艺条件，为s a s 过程的 设计及操作条件的选择提供了理论支持。为了验证模型和软件的可靠性，本文还 将模拟结果与实验结果进行了比较。研究的主要内容包括： ( 1 ) 溶液流量对s a s 过程流体流动的影响； ( 2 ) 二氧化碳密度对s a s 过程流体流动的影响： ( 3 ) 喷嘴内径尺寸对s a s 过程流体流动的影响； ( 4 ) 微粒化设备长径比对s a s 过程流体流动的影响； ( 5 ) 不同s a s 实施过程对s a s 过程流体流动的影响； ( 6 ) p c a 过程实验的验证。 第一章计算机流体力学方法及软什介纠 2 1 基本方程 第二章计算流体力学方法及软件介绍 流体力学遵循的三个基本规律是：质量守恒、动量守恒和能量守恒。由这三 个基本规律推出的三个方程：连续性方程、动量方程和能量方程，是计算流体力 学的基本方程。 2 1 1 连续性方程 连续性方程是流体力学基本方程之一 用，对可压缩流体和不可压缩流体都适用。 署+ v ( 加) = o 2 1 2 动量方程 是质量守恒定律在流体力学中的应 连续性方程的一般表达式为： ( 2 一1 ) 在惯性参照系下，动量方程的表达式为： 昙( 厕+ v 咖6 0 ) = 一跏+ v 洳d + v 巧7 + 庸+ f ( 2 - 2 ) 式中p 一静压5 庸一质量力； 亏- - # 1 力， 2 1 3 能量方程 能量方程通常的表达式为 昙瓴n e 。) + v k 巩慨e 。+ p j 】= v r 盯v 7 1 o k = lk = 式中 一有效传导率； jj j n 的g - c r n - n 。 方程右边前j i 项分别代表传导引起的能量传递、物质扩散和粘度分散。r 包 括化学反应热和i 它体积热。 蒴：章计算机流体力学方法及软仆介纠 2 2 湍流封闭模型 湍流是自然界普遍存在的一种复杂的流体流动现象。所以，湍流的研究是物 理学乃至科学中当今最重要的问题之一。湍流的复杂性决定了不能获得它的精确 结果，为了求得近似的结果，人们进行了各种假定或处理，将真实的湍流运动， 简化为设计的模型，使得模型与实际的湍流统计平均行为基本一致，构成湍流模 式。良好的湍流模式所表现的数学模型，必须f 确描述湍流中的平均流场和物质 扩散的特征，而且既要有通用性又要计算简便。 2 2 1 湍流模型概论 采用雷诺平均方法处理n a v i e r - s t o k e s 方程即得到雷诺方程，其不动量方程 为： 警+ e 筹一善+ u 器一丢瓦) 江a ， a t i a ) c i融；a x ? 8 x ? a x i 、| “ 与层流n a v i e r - s t o k e s 方程相比，上式中增加了一项由于非线性作用引起的 附加项，通常称为雷诺应力或湍流应力。雷诺应力是未知的，因此雷诺平均方程 不封闭。为封闭雷诺方程，需对雷诺应力进行模式化处理，为此发展了不同层次 的模型。目前工程上应用最广泛的模型为一阶模型中的的k e 双方程模型及其修 正模型。 2 2 2 标准k e 双方程湍流模型 标准k e 双方程湍流模型推导的过程中假定流体是充分湍流的，并且忽略了 分子粘度的影响。湍流粘度“由j o n e s 和l a u n d e r 提出的k e 双方程模型表达式 得到： h ：心：，笙 ( 2 5 ) h2 雎。一 u 一， 式中i ( 一湍动能；