ANSYS 部落格
June 13, 2023
使用 Ansys Rocky 模擬攪拌過濾乾燥機的乾燥動態過程
活性藥物成分 (API) 的下游處理涉及結晶、過濾、乾燥和研磨單元作業。乾燥是最耗電的單元作業之一，通常是整體 API 製造週期中的速率限制步驟。將壓力，溫度和混合等操作條件最佳化，是避免 API 在烘乾過程中劣化的關鍵。
攪拌過濾乾燥機 (AFD) 能夠在單台設備中進行過濾和乾燥兩種單元操作，藉此降低產品處理和操作員接觸的情況，因此廣泛使用。為了深入了解乾燥過程，以便最終將這個程序最佳化，我們研究了實驗室規模平底攪拌過濾乾燥機中的葉輪速度和兩種葉輪類型對溶劑乾燥行為所產生的影響。
乾燥所需的熱能來自於夾套容器壁和葉輪。在乾燥階段對濕潤固體物進行攪拌，以達成均勻熱傳遞，並避免顆粒床出現熱點。未最佳化的攪拌過濾乾燥機設計會導致聚積和/或磨損，可能會對乾燥階段結束時的顆粒尺寸分佈 (PSD) 產生不利影響。
在 Ansys Rocky 中模擬攪拌過濾乾燥機操作
使用 ANSYS Rocky 評估幾何形狀和操作條件 (如角速度、葉輪形狀和葉輪位置) 對攪拌過濾乾燥機內三種不同規模的溶劑乾燥行為所造成的影響。根據科學文獻中的研究，選擇了 4 mm 的恆定顆粒尺寸。在本部落格中，我們分享了研究結果，其中說明不同葉輪速度、葉輪幾何形狀和位置對乾燥時間的影響，並比較標準傾斜葉片渦輪機 (PBT) 與 S 形葉輪所產生的結果。您可以下載其他詳細資訊和規模化研究的概要。
在過濾之後，進入乾燥過程之前，顆粒狀物料呈現濕潤固體物。濕潤固體物會模擬成使用液體橋模型的球形顆粒材料，這是一種純粹的離散元素分析法 (DEM)，用於表示粒子之間的液體膜。透過這種方法，可以計算出粒子之間由於液體膜而產生的黏著力和黏性交互作用，而不需要進行計算流體力學 (CFD) 的耦合。
一開始，每個粒子的液體質量比率約為 18%。這代表一種非常濕的顆粒狀介質，可模擬乾燥過程初始階段的濕潤固體物。
根據乾燥曲線將設備操作條件與設計最佳化
使用 Rocky 中的液體熱通量乾燥求解器模組來模擬液體乾燥，讓使用者可以模擬液體薄膜因潛熱而蒸發的狀況。圖 1 顯示不同攪拌速度下的液體乾燥曲線以及 60 秒後顆粒在中心平面上的快照，其中顆粒的顏色會根據液體質量進行著色。
圖 1：a) 不同攪拌速度下的乾燥曲線；b) 模擬時間為 1 分鐘時，根據液體質量著色的顆粒。
圖 2 顯示葉輪類型對乾燥曲線的影響。在本案例中比較具有兩片葉片的 S 形葉輪與 PBT 葉輪。此模擬顯示 S 形葉輪的整體乾燥時間更快。
圖 2：a) 乾燥曲線比較；b) 模擬時間為 1 分鐘時，PBT 與 S 形葉輪之間根據液體質量著色的顆粒。
圖 3 顯示不同葉輪位置的乾燥曲線，以及可以對幾何配置進行的微調，以達到最佳乾燥時間。
圖 3：a) 乾燥曲線比較；b) 模擬時間為 1 分鐘時，S 形葉輪出現在兩種不同位置的狀況下，根據液體質量著色的顆粒。
這類最佳化研究可透過高精度 DEM 模擬輕鬆執行，提供寶貴的見解，以改善 API 製造週期中最緩慢、最耗電的步驟。儘管本研究已考慮使用放大顆粒來重現過濾乾燥機的操作，但 Rocky 仍能有效執行高效能多圖形處理器 (GPU) 處理，讓您快速模擬球面或複雜的非球面顆粒與大型粒子數量案例。這讓 Rocky 成為實用且功能強大的工具，能夠設計過濾乾燥機和許多其他用於製藥、食品和其他製程工業應用的設備，並將這些設備最佳化。
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