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本文為了深入分析研究西林瓶在熱風(fēng)循環(huán)式隧道滅菌烘箱中的受熱情況，利用 CFD 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)不同風(fēng)溫及風(fēng)速、不同西林瓶規(guī)格情況下的西林瓶溫升曲線進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以期得到合理的熱風(fēng)風(fēng)溫、風(fēng)速以及針對(duì)不同西林瓶規(guī)格的溫升控制策略，為隧道滅菌烘箱關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)及工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒意義。

 

近幾年，制藥行業(yè)的藥品安全問(wèn)題越來(lái)越被社會(huì)所關(guān)注，其中，藥瓶的滅菌效果直接關(guān)系到藥品使用者的生命及財(cái)產(chǎn)安全，因此藥瓶滅菌過(guò)程的嚴(yán)格控制顯得尤其重要。干熱滅菌法通過(guò)在干燥的空氣中將需要滅菌的物質(zhì)高溫加熱殺死細(xì)菌以達(dá)到滅菌的效果，是目前制藥產(chǎn)業(yè)中藥瓶除熱原的重要方法，而熱風(fēng)循環(huán)式隧道滅菌烘箱由于具有滅菌質(zhì)量和效率高、符合 GMP 要求的特點(diǎn)，被廣泛作為西林瓶、安瓿瓶的主要滅菌設(shè)備[1]。

 

西林瓶的溫升曲線直接影響到熱風(fēng)循環(huán)所應(yīng)用的風(fēng)溫、風(fēng)速以及網(wǎng)帶運(yùn)行的速度，是設(shè)計(jì)隧道滅菌烘箱時(shí)必須要考慮的關(guān)鍵參數(shù)[2]。目前，國(guó)內(nèi)制藥裝備企業(yè)針對(duì)隧道滅菌烘箱關(guān)鍵參數(shù)的確定主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)，這必然會(huì)導(dǎo)致控制精度不夠高，以及預(yù)留量太大，造成效率降低、能源浪費(fèi)等問(wèn)題。

 

1、模型描述

 

1.1三維模型

 

工業(yè)上常用的隧道滅菌烘箱內(nèi)部為層流風(fēng)，并采用三段式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：預(yù)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(guò)程主要在這個(gè)階段進(jìn)行，經(jīng)過(guò)預(yù)熱的西林瓶，由網(wǎng)帶傳輸至這一區(qū)域，潔凈風(fēng)在循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)加熱管加熱至 300℃～ 350℃，然后再經(jīng)過(guò)耐高溫高效過(guò)濾器過(guò)濾后對(duì)西林瓶進(jìn)行熱交換以達(dá)到滅菌和去熱原的目的[3]。本文以加熱段腔室結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)×寬×高：994 mm×598 mm×252 mm）的烘箱為分析對(duì)象，對(duì) 10 ml 西林瓶進(jìn)行分析，如圖 1 所示。

 

圖1 10ml西林瓶三維模型

 

1.2數(shù)學(xué)模型

 

（1）質(zhì)量守恒方程

 

依據(jù)牛頓的質(zhì)量守恒定律，針對(duì)封閉的系統(tǒng)，單位時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)的總凈流出質(zhì)量與從外界流入系統(tǒng)的質(zhì)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(gè)方向上的分量，m/s ；t 為時(shí)間，s。

 

（2）動(dòng)量守恒方程

 

整個(gè)分析模型作為一個(gè)微元體，遵從動(dòng)量守恒定律，微元體中流體的動(dòng)量隨時(shí)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(gè)坐標(biāo)軸方向上的動(dòng)量守恒表達(dá)式為：

 

其中，ρ 為密度，kg/m3；t 為時(shí)間，s ；是速度矢量，mv/s ；p 是流體微元體上的壓力，N ；μ 是動(dòng)力黏度，N · s/m2 ；Su 是源項(xiàng)；i 為 x，y，z。

 

（3）能量守恒方程

 

依據(jù)流體力學(xué)理論，一個(gè)微元體中能量的增長(zhǎng)率與進(jìn)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(dá)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(dǎo)熱系數(shù)，W/m2 · K；ST 為流體的內(nèi)熱源以及流體粘性作用下機(jī)械能轉(zhuǎn)換為的熱能的總和。

 

（4）湍流模型

 

根據(jù)烘箱氣流的流動(dòng)情況，選擇標(biāo)準(zhǔn) κ -ε 湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算[4]。模型中，耗散率 ε 的表達(dá)式為：

 

湍動(dòng)粘度 ut 可表示為 k 和 ε 的函數(shù)，即：

 

式中，Cμ 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

 

2、仿真模擬計(jì)算

 

基于有限元前處理軟件分別對(duì)隧道烘箱中的加熱段腔室及西林瓶進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分方式采用多面體網(wǎng)格，并對(duì)西林瓶區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，整個(gè)計(jì)算域被劃分為 891769 個(gè)網(wǎng)格，有4949906 個(gè)節(jié)點(diǎn)，生成的網(wǎng)格模型如圖2所示。將生成好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到 CFD仿真軟件中進(jìn)行計(jì)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(shè)置不同的風(fēng)速大小、風(fēng)的流動(dòng)方向以及溫度情況。腔室下端作為熱風(fēng)出口，并定義為壓力出口邊界條件，設(shè)置為大氣壓。不考慮與兩端腔室的對(duì)流換熱，將兩端傳送帶的進(jìn)出口定義為封閉的壁面，并將腔體壁面視為絕熱層。

 

圖2 網(wǎng)格模型

 

3、結(jié)果分析

 

3.1溫升曲線結(jié)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?jī)?nèi)邊緣（Bottle-point-4）、西林瓶瓶?jī)?nèi)底中心（Bottle-point-5）、西林瓶瓶底中心（Bottle-point-6）六個(gè)測(cè)點(diǎn)跟蹤其溫升曲線，如圖3 所示。

 

圖3 瓶身溫度測(cè)點(diǎn)

 

圖4 所示為熱風(fēng) 320 ℃， 風(fēng)速0.45 m/s，初始環(huán)境溫度 25℃工況下的溫升曲線，圖5 為某一時(shí)刻的溫度分布云圖，由圖4、圖5 可以得出瓶底升溫趨勢(shì)明顯低于瓶口上部、瓶頸部、瓶身中部及瓶?jī)?nèi)邊緣。Bottle-point-6 曲線與Bottle-point-5 曲線幾乎重合，說(shuō)明西林瓶瓶底中心和西林瓶瓶?jī)?nèi)底中心在熱風(fēng)下升溫趨勢(shì)一致，并且升溫最慢，為西林瓶升溫時(shí)的溫度最低點(diǎn)，與實(shí)際生產(chǎn)中溫度表象基本一致，也就是說(shuō)只有保證瓶底的溫度（最冷點(diǎn)）才能確保去熱源的有效性，基于仿真模擬結(jié)果最冷點(diǎn)達(dá)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(jīng)過(guò)西林瓶時(shí)，會(huì)繞過(guò)瓶身，并對(duì)瓶壁進(jìn)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(huán)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(duì)隧道烘箱測(cè)試時(shí)采用熱風(fēng)為 320℃，風(fēng)速 0.45m/s工況時(shí)的實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，以及所獲得的不同測(cè)點(diǎn)的溫度溫升曲線圖，由圖8 可知，烘箱溫度要達(dá)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(shí)簡(jiǎn)化為單個(gè)西林瓶在穩(wěn)定風(fēng)溫風(fēng)速下的受熱情況，沒(méi)有考慮到烘箱的結(jié)構(gòu)、瓶子的排列方式及預(yù)熱段、冷卻段對(duì)加熱段的影響。但是，仿真分析出的西林瓶升溫趨勢(shì)及受熱情況對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有相當(dāng)大的參考價(jià)值，對(duì)風(fēng)溫、風(fēng)速及網(wǎng)帶運(yùn)行速度的合理選擇具有重要的指導(dǎo)作用。

 

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

 

圖8 試驗(yàn)結(jié)果

3.2不同工況下西林瓶溫升分析

 

西林瓶溫升會(huì)隨著入口風(fēng)溫、風(fēng)速的不同而有一定的差異。圖9 和圖10為相同風(fēng)溫（300℃），不同風(fēng)速下的溫升曲線，由圖可知，西林瓶在熱風(fēng)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(fèi)至少 12 min的時(shí)間才會(huì)非常靠近 300℃，且隨著風(fēng)速的增大，花費(fèi)時(shí)間會(huì)減少。對(duì)比圖10 和圖11 相同風(fēng)速、不同風(fēng)溫下的溫升曲線，隨著風(fēng)溫的增大，西林瓶最冷點(diǎn)達(dá)到 300℃花費(fèi)的時(shí)間減少明顯，風(fēng)溫為 320℃，風(fēng)速為 0.7 m/s 工況時(shí)的升溫時(shí)間為 320 s 左右。另外，綜合以上模擬結(jié)果可知，隨著溫度升高，風(fēng)速加快，西林瓶的溫升曲線更加陡峭，且溫度增大時(shí)，表現(xiàn)的更加明顯。然而，隨著溫度的升高，實(shí)際的設(shè)備能耗也會(huì)增加，同時(shí)，西林瓶不同位置的升溫差別也會(huì)逐漸加大，從而出現(xiàn)受熱不均勻極易導(dǎo)致破瓶的風(fēng)險(xiǎn)，因此工業(yè)生產(chǎn)需要綜合考慮。

 

圖9 T入口=300℃ V入口=0.45（3）m/s 初始環(huán)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(huán)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(huán)境溫度：25℃溫升曲線

3.3不同規(guī)格西林瓶溫升分析

 

同一款隧道烘箱實(shí)際需滿足多種規(guī)格西林瓶的溫升需求，分別對(duì)2 ml，20 ml，100 ml 三種規(guī)格的西林瓶進(jìn)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(huán)境溫度：25℃，圖12 是三種規(guī)格西林瓶的示意圖。

 

圖12 不同規(guī)格西林瓶示意圖

 

由圖13、圖14 可知，不同規(guī)格的西林瓶均表現(xiàn)出瓶口及瓶身升溫較快，瓶底升溫最慢的趨勢(shì)。但是，隨著西林瓶體積的增大，不同測(cè)點(diǎn)的升溫趨勢(shì)差別較大，且升溫達(dá)到 300℃所花費(fèi)的時(shí)間變長(zhǎng)，其中 100 ml 升溫時(shí)間約為 1271 s，20 ml 升溫時(shí)間約為 435 s，2 ml 升溫時(shí)間約為 316 s。

 

圖13 不同規(guī)格西林瓶溫度分布云圖

 

圖14 不同規(guī)格西林瓶溫升曲線

 

4、結(jié) 論

 

本文基于 CFD 仿真技術(shù)對(duì)隧道滅菌烘箱西林瓶升溫進(jìn)行模擬，依據(jù)分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：

 

（1）CFD 仿真技術(shù)可輔助隧道滅菌烘箱關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并輔助工藝參數(shù)的優(yōu)化選型，為工業(yè)生產(chǎn)提供參考；

 

（2）隨著風(fēng)溫、風(fēng)速的加大，西林瓶升溫時(shí)間縮短，但受熱不均勻的情況加劇，破瓶風(fēng)險(xiǎn)增大，且能耗增加，因此實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選擇合理的風(fēng)溫、風(fēng)速；

 

（3）不同規(guī)格大小的西林瓶，其升溫時(shí)間及趨勢(shì)差異較大，實(shí)際生產(chǎn)中針對(duì)不同瓶型應(yīng)選擇不同的工藝控制參數(shù)。

 

參考文獻(xiàn)

 

[1] 王志奇，鄒玉潔，劉柏希，等 . 熱圖 14 不同規(guī)格西林瓶溫升曲線風(fēng)循環(huán)隧道烘箱的流場(chǎng)模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 . 過(guò)程工程學(xué)報(bào)，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(yī)藥工程，2014，35(3).

[3] 萬(wàn)明偉 . 層流熱風(fēng)滅菌隧道烘箱的設(shè)計(jì)與研究 [D]. 西安 : 陜西科技大學(xué)，2012.

[4] 王福軍 . 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 [M].北京 : 清華大學(xué)出版社，2004: 120-124.

 

本文作者王志剛，東富龍科技集團(tuán)股份有限公司，僅供交流學(xué)習(xí)。