离散单元法 | 利用Ansys Rocky研究搅拌式过滤干燥机的干燥动力学

本文原刊登于Ansys Blog：《Drying Dynamics of an Agitated Filter Dryer Using Ansys Rocky》

https://www.ansys.com/zh-cn/blog/agitated-filter-dryer-using-ansys-rocky

作者：Guilherme Turezo | Ansys Rocky专家

Sravan Kumar Nallamothu | Ansys Rocky专家

编辑整理：宋述军 | Ansys技术经理

活性药物成分（API）的下游工艺包括结晶、过滤、干燥和研磨单元操作。干燥不仅是最耗能的单元操作之一，而且通常是整个API制造周期中限制速度的一步，在干燥过程中，优化压力、温度和混合等工作条件对于避免API性能劣化至关重要。

搅拌式过滤干燥机（Agitated Filter Dryer，简称AFD）因其能够在同一台设备中，同时进行过滤和干燥单元操作而得到广泛应用，从而最大限度地减少产品搬运和操作员接触。为了深入了解并最终改进干燥过程，我们针对实验室规模的平底搅拌式过滤干燥机，研究了叶轮速度和两种叶轮类型对溶剂干燥行为的影响。

为了实现干燥，热量由夹套容器壁和叶轮提供。在干燥阶段对湿滤饼进行搅拌，以实现均匀的传热并避免颗粒床出现热点。未经过优化的AFD设计将导致结块和/或磨损，这会对干燥阶段结束时获得的粒度分布（PSD）产生不利影响。

在Ansys Rocky中对搅拌式过滤干燥机运行进行建模

Ansys Rocky可用于评估角速度、叶轮形状与叶轮位置等几何结构和工作条件，对三种不同规模的搅拌式过滤干燥机中的溶剂干燥行为的影响。基于科学文献中的研究，我们选择了4mm固定大小的颗粒。在本篇博客中，我们分享了相关结果，其中显示了不同叶轮速度和叶轮几何结构及位置的干燥时间结果，并将标准斜叶涡轮（PBT）与S形叶轮的结果进行了比较。您可以下载更多细节和规模化研究的概述：https://www.sciencedirect.com

在过滤之后和干燥过程之前，颗粒材料类似于湿滤饼型材料。湿滤饼可通过使用液桥模型的球形颗粒材料进行建模，这是一种表示颗粒间液膜的纯离散单元法（DEM）。通过这种方法，无需进行流体动力学（CFD）耦合，即可计算出颗粒间由液膜引起的粘合和粘性相互作用。

最初，每个颗粒的液体质量率约为18%。这表示非常湿的颗粒介质，可用于仿真干燥过程初始阶段的湿滤饼。

基于干燥曲线优化设备的工作条件和设计

利用Rocky中的Liquid Drying by Heat Flux求解器模块仿真液体干燥，这使用户能够对潜热引起的液膜蒸发进行建模。图1显示了不同搅拌速度下的液体干燥曲线，以及60秒后根据液体质量着色的中心平面内的颗粒快照。

图1：a）不同搅拌速度下的干燥曲线；b）在1分钟的仿真时间内，根据液体质量着色的颗粒

图2显示了叶轮类型对干燥曲线的影响。在这种情况下，将双叶片S形叶轮与PBT叶轮进行比较。仿真表明，S形叶轮可缩短整体干燥时间。

图2：a）干燥曲线比较；b）在1分钟的仿真时间内，在PBT和S形叶轮之间根据液体质量着色的颗粒比较

图3显示了不同叶轮位置的干燥曲线，以及为优化干燥时间而对几何结构配置进行的微调。

图3：a）干燥曲线比较；b）在1分钟的仿真时间内，在S形叶轮的两个不同位置之间根据液体质量着色的颗粒比较

此类优化研究可通过高保真度DEM仿真轻松实现，从而为改进API制造周期中最耗时、最耗能的步骤提供宝贵洞察。尽管这项研究中已经考虑了利用大颗粒来演示过滤干燥机的操作，‌但Rocky仍然可以高效地运行高性能的多图形处理单元（GPU），从而支持快速仿真球形或复杂的非球形颗粒以及大颗粒计数情况。这使得Rocky成为一款实用而强大的工具，有助于设计和优化过滤干燥机，以及在制药、食品和其它加工工业应用中使用的众多其它设备。