Wurster流化床包衣过程气固两相流态形成及转化机理

Wurster type fluidized bed is one of the most widely applied apparatus for particle coating in the pharmaceutical industry. A number of experiments have revealed that the flow regimes in different regions of the fluidized bed are different, and the quality of coating layer, as well as the fault in production, were closely related to gas-solid flow regimes of the coating process. Hence it is very important to investigate the property of flow regimes. The objective of this project is to conduct numerical simulation research on the basis of the phenomenon that already revealed by prior experiments. First of all, a CFD-DEM model that takes into consideration of particle adhesion, liquid injection and evaporation during the coating process is established to simulate the gas-solids flow in a Wurster fluidized bed. Secondly, the characteristics of gas-solids flow regimes will be investigated by coupling the numerical and experimental data and comparing the external input variables, internal state variable and flow regimes during the coating process. Finally, several strategies of process optimization aiming to maintain a minimal fluidization regime in annulus zone of fluidized bed will be addressed, and the strategies will also be verified by experiments with electrical capacitance tomography (ECT) measurements.

Wurster流化床具有特殊的颗粒内循环流动结构，是目前制药行业中最常用于颗粒包衣的生产装备之一。已有实验研究表明，Wurster流化床内不同区域气固两相流态呈现多样性分布，且包衣过程流态与终态产品质量、过程故障直接相关，故深入研究过程流态机理具有重要现实意义。本项目在实验发现颗粒包衣过程流态特征新问题的基础上，进一步针对该过程开展数值仿真研究。首先，提出一种包括颗粒粘结、包衣液注入及蒸发等过程的CFD-DEM模型并对流化床内复杂多相流动进行数值仿真；其次，基于仿真结果并结合实验数据，通过研究外部输入参数、流化床内部状态变量以及过程流态之间的相互作用揭示流化床内流态形成和转化机理；最后，提出可使环形区域内气固两相流接近最小流化状态的调控方案，并基于电容层析成像（ECT）技术对调控方案进行实验验证。本项目可为Wurster流化床包衣过程的流态维持与调控、故障预示、结构优化提供理论支持。

Wurster流化床是目前制药行业中最常用于颗粒包衣的生产装备之一，其内部置有导流管，存在特殊的颗粒内循环的流动结构。气固两相流态是决定终态产品质量的因素，也是进行过程故障检测的重要依据。本项目旨在借助流体力学-离散元（CFD-DEM）仿真和电容层析成像（ECT）测量，深入研究Wurster流化床内气-固两相流态的形成、演化机理，为制药过程优化提供理论支撑。在实验研究方面，对制药流化床实验台进行了升级，采用了并行数字式ECT系统，实现了导流管内外多区域内颗粒流动的高速测量。在数值仿真研究方面，提出了面向颗粒包衣过程完备的，包含传热、传质、液桥力模型的CFD-DEM粗粒化仿真方法，其创新之处在于同时考虑了微观与宏观两个尺度下气-固两相动量、能量和质量的守恒。通过对比不同粗粒化程度下的数值仿真结果发现，粗粒化程度比较高（计算颗粒数量较少）的工况下偏差比较大，随着粗粒化程度的增加，计算结果逐渐趋向于收敛的状态。进一步对比实验和数值仿真数据发现，两者从定性上（气-固两相流态）是相符的，但是从定量上（颗粒浓度值）看，两者偏差较大，尤其是流化风速度较小的工况。此外，CFD-DEM仿真也说明了对流态形成起主要作用的因素就是颗粒间的粘结力，即随着粘结力的逐渐增加，泡状流、间歇流和平推流会依次转化。通过对考虑传热传质的CFD-DEM粗粒化数值仿真结果的研究，发现了流化床包衣过程的三种不同的颗粒干燥状态，即完全干燥、半干燥和未干燥。其中，未干燥的状态属于制药过程的故障，极易造成大量的颗粒粘结。传热、传质模型的可靠性也利用对应实验工况下流化床入口/出口处的流化风温湿度值进行了验证。总之，本项目结合数值仿真和实验测量完备地揭示了Wurster制药流化床流态形成与转化机理，所提出的微观与宏观两尺度CFD-DEM粗粒化新理论可以推广应用到包含传热、传质以及化学反应的含颗粒多相流的仿真中。