超临界抗溶剂（SAS）过程流体力学特性研究

摘要

流体的流体力学状况是影响超临界抗溶剂过程(SupercriticalAntisolvent，SAS)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SAS过程得到粒子的尺寸和形态。本文利用计算流体力学软件FLUENT对SAS过程流体力学特性进行了研究。 SAS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(PrecIPItationbyaCompressedAntisolvent，PCA)和超临界流体提高溶液分散过程(SolutionEnhancedDispersionbySupercriticalFluids，SEDS)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SAS过程流体力学特性的影响。 研究表明，对所研究的四个SAS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PCA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SEDS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SEDS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PCA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GAMBIT和FLUENT模拟SAS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。

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前言

第一章文献综述

1.1超临界流体微粒化技术

1.1.1超临界溶液快速膨胀

1.1.2超临界抗溶剂过程

1.1.3气体饱和溶液法

1.1.4膨胀液体有机溶剂降压法

1.1.5超临界流体干燥法

1.1.6超临界流体反应法

1.1.7超临界流体技术制备微粒的选择

1.2 SAS的发展

1.2.1 GAS 过程

1.2.2 PCA和ASES过程

1.2.3 SEDS 过程

1.2.4 SAS-EM 过程

1.3 SAS的理论研究

1.3.1热力学

1.3.2流体力学

1.3.3质量传递

1.3.4晶体成核动力学

1.4研究SAS过程的新方法—计算流体力学

1.5本论文的研究内容

第二章计算流体力学方法及软件介绍

2.1基本方程

2.1.1连续性方程

2.1.2动量方程

2.1.3能量方程

2.2湍流封闭模型

2.2.1湍流模型概论

2.2.2标准k-∈双方程湍流模型

2.2.3RNG(重整化群)k-∈湍流模型

2.2.4 Realized k-∈湍流模型

2.3多相流模型

2.3.1 VOF(Volume ofFluid)模型

2.3.2 Mixture模型

2.3.3 Eulerian模型

2.4计算流体力学计算方法

2.5计算流体力学软件介绍

2.5.1前处理软件

2.5.2数值计算软件

2.5.3后处理软件

第三章SAS过程的模型建立与计算机模拟

3.1计算模型的确定

3.1.1物理模型的建立

3.1.2数学模型的确定

3.1.3边界条件的选择

3.2流体力学对SAS过程影响的表征指标

3.2.1湍流强度对SAS过程的影响

3.2.2溶剂摩尔分率对SAS过程的影响

3.2.3溶剂分布对SAS过程的影响

3.3计算模型的建立

3.3.1 PCA 过程

3.3.2溶液与二氧化碳平行进入系统的SEDS过程

3.3.3溶液从内通道进入系统的SEDS过程

3.3.4溶液从外通道进入系统的SEDS过程

3.4结果讨论

3.4.1丙酮流量影响

3.4.2二氧化碳密度影响

3.4.3喷嘴内径尺寸影响

3.4.4微粒化设备长径比的影响

3.5小结

第四章PCA实验测定与数值模拟

4.1实验部分

4.1.1实验原料

4.1.2实验装置

4.1.3粒子的形成

4.1.4实验方案的确定

4.1.5实验结果表征与讨论

4.2 PCA过程的数值模拟

4.2.1模型的建立与求解

4.2.2模拟结果与分析

4.3模拟结果与实验结果对比

第五章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢