連續(xù)式粉體滅菌干燥裝備的結(jié)構(gòu)設計及性能分析

陳遠華王琪屈創(chuàng)

（1. 江蘇神農(nóng)滅菌設備股份有限公司，江蘇張家港 215600；2. 江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

連續(xù)式粉體滅菌干燥裝備的結(jié)構(gòu)設計及性能分析

陳遠華1王琪2屈創(chuàng)2

（1. 江蘇神農(nóng)滅菌設備股份有限公司，江蘇張家港 215600；2. 江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

傳統(tǒng)的滅菌干燥器是箱柜式的間歇式操作滅菌設備，經(jīng)常會引起含糖量高的粉粒狀物料的黏連、滅菌后產(chǎn)品顏色變深，不易控制的問題。我們經(jīng)過多年的研制設計了一種動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備，提出了一種動態(tài)連續(xù)式滅菌方法，能使物料進行連續(xù)的滅菌、干燥和冷卻。針對回轉(zhuǎn)筒體的進料端和出料端，設計了熱動態(tài)密封組件；對滅菌回轉(zhuǎn)筒體進行模態(tài)分析，計算其前6階模態(tài)的固有頻率及振型，得出系統(tǒng)不會發(fā)生共振。所設計動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備，它在功能上突破“藥物粉粒靜態(tài)、蒸汽動態(tài)”的傳統(tǒng)方法，能有效防止粉、粒狀物料結(jié)塊，滅菌后產(chǎn)品顏色穩(wěn)定，高效節(jié)能，實現(xiàn)了粉粒狀物料滅菌干燥的自動化操作。

粉粒動態(tài)連續(xù)式；過熱蒸汽；滅菌干燥；模態(tài)分析

針對制藥和食品加工行業(yè)的粉狀、顆粒以及液體等制品的種類不同，涌現(xiàn)了重力滅菌、快速冷卻滅菌、水浴式滅菌、脈動真空以及旋轉(zhuǎn)式滅菌等諸多方法[1]。然而，這些滅菌工藝方法大多都是采用箱柜式的間歇式滅菌方法。滅菌過程中，存在某些產(chǎn)品滅菌后顏色變化，特別是對于含糖量高的粉、粒狀制品會存在黏連現(xiàn)象；物料轉(zhuǎn)換時，頻繁開閉柜門等繁瑣操作，造成能源和人力的浪費。

目前，國外已經(jīng)研制出了一些連續(xù)式滅菌設備。西班牙Nadeu公司、荷蘭VENTILEX公司等采取在管道空間里注入過熱蒸汽，連續(xù)噴入粉狀制品進行滅菌，其滅菌、節(jié)能等效果十分顯著，但需要高效耐磨的氣、粉分離裝置，企業(yè)投入大；針對粉狀、顆粒制品，法國的ETIA公司研發(fā)一種螺旋輸送式連續(xù)滅菌裝置，效率高，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，價格不菲[2]。國內(nèi)一些企業(yè)開發(fā)了隧道微波滅菌干燥機，能實現(xiàn)連續(xù)輸送，但此方法制品不能實現(xiàn)有效的滾動和翻轉(zhuǎn)，同樣，存在滅菌干燥效果不穩(wěn)定等方面的缺陷。

針對上述問題，江蘇神農(nóng)滅菌設備股份有限公司與江蘇科技大學經(jīng)過聯(lián)合開發(fā)，專門設計了一種用于能對粉末、粒狀制品進行連續(xù)輸送滅菌、干燥和冷卻的動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備，該設備廣泛適用于制藥、食品、農(nóng)業(yè)、化工等行業(yè)對中藥藥粉、西藥藥粉、香料、谷物、魚粉、健康食品、茶葉、生物農(nóng)藥等粉狀和粒狀耐熱物品的滅菌作用[4]。它在功能上突破“藥物粉粒靜態(tài)、蒸汽動態(tài)”的傳統(tǒng)方法，能有效防止含糖量高的粉、粒狀制品的粘連，高效節(jié)能，大大提高制品滅菌的自動化程度。滅菌干燥效果顯示可達到霉菌、雜菌＜10 cfu/g，含水量≤5 %，連續(xù)滅菌，連續(xù)出粉，出料速率15 kg/min。

1 動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備的工作流程

動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備的工作流程為：純化水生成的蒸汽經(jīng)管道通入過熱蒸汽發(fā)生器中，過熱蒸汽發(fā)生器生成具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽，筒體旋轉(zhuǎn)并進行預熱，當筒體達到設定的預熱溫度時，過熱蒸汽經(jīng)過熱蒸汽管道通入滅菌筒體內(nèi)，同時，打開旋轉(zhuǎn)閥，物料被真空上料裝置輸送至滅菌筒體中，對物料進行預熱、滅菌和干燥，并間歇式排氣。滅菌后的物料被輸送至冷卻筒體內(nèi)，在冷卻水管上均勻分布的小孔將冷卻水噴在冷卻筒外壁上，對冷卻筒體內(nèi)的物料進行冷卻，滅菌干燥設備工作流程如圖1所示?？刂撇糠植捎糜嬎銠C、PLC、觸摸屏、監(jiān)控儀等組成，實時進行數(shù)據(jù)記錄，打印和傳輸監(jiān)控。整個過程連續(xù)進、出料，能達到高效節(jié)能的目的。

圖1 滅菌干燥設備工作流程Fig. 1 Sterilization and drying production line working fl ow chart

2 動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備結(jié)構(gòu)設計

該動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備主要由滅菌段和冷卻段兩大部分組成，而且這兩段呈現(xiàn)“正交式”的上下布局。滅菌段的進料端由支架支撐，滅菌段的出料端支撐在冷卻段的進料端上。滅菌段的出料端與冷卻段的進料端間連接有下料管，用于將滅菌后的物料通入下面冷卻段的冷卻筒體內(nèi)，進而對滅菌后的物料冷卻。該動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滅菌干燥設備結(jié)構(gòu)Fig. 2 Sterilization and drying production line

2.1 滅菌段結(jié)構(gòu)設計

滅菌段主要由進料系統(tǒng)、過熱蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、滅菌系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及外殼組成。進料系統(tǒng)是由真空吸料裝置（圖中未畫出）將物料輸送至滅菌段頂部的物料桶，物料桶再經(jīng)下料管將物料輸送到筒體內(nèi)的螺旋導料槽內(nèi)。過熱蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)主要由過熱蒸汽發(fā)生器、過熱蒸汽管等組成，用于將由鍋爐提供的蒸汽變成過熱蒸汽。滅菌系統(tǒng)主要由滅菌筒體和過熱蒸汽噴管組成，筒體內(nèi)有螺旋導料槽，便于物料連續(xù)輸送滅菌和有效翻滾，防止物料結(jié)塊，筒體的下部有六個支撐滾輪；過熱蒸汽管上均勻分布有若干小孔，用于向滅菌筒體內(nèi)連續(xù)輸送的物料上噴入過熱蒸汽。傳動系統(tǒng)主要由減速電機、大齒輪、小齒輪組成，減速電機帶動一對嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動滅菌筒體轉(zhuǎn)動，便于將筒體內(nèi)螺旋形導料槽上的物料連續(xù)輸送滅菌，從而實現(xiàn)“藥物粉粒及蒸汽都動態(tài)”的連續(xù)滅菌方法，且整個滅菌段都具有干燥作用。

2.2 冷卻段結(jié)構(gòu)設計

冷卻段主要由進料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及外殼組成。進料系統(tǒng)通過冷卻段進料管與上部滅菌段的出料端連接，用于將滅菌后的物料輸送至冷卻筒體內(nèi)。冷卻系統(tǒng)主要由冷卻筒體、冷卻水管及水槽組成，冷卻筒體內(nèi)有內(nèi)螺旋導料槽；冷卻水管上均勻分布有若干小孔，用于向冷卻筒體外壁噴冷卻水，進而對滅菌后的物料進行冷卻。傳動系統(tǒng)主要由減速電機、大齒輪、小齒輪組成，減速電機安裝在冷卻筒體上部的支架上，它帶動小齒輪，小齒輪帶動安裝在冷卻筒外壁上的大齒輪轉(zhuǎn)動，冷卻筒最后隨大齒輪轉(zhuǎn)動，冷卻筒的下部采用了六個支撐滾輪。

2.3 筒體進出料端動態(tài)密封組件設計

為了有效避免進料端處的細菌和傳動機構(gòu)處揮發(fā)的油污分子對出料端處已完成滅菌的物料造成二次污染，由于筒體是轉(zhuǎn)動工作，因此，在筒體進、出料端設計動態(tài)密封組件，使得進料端、出料端以及傳動機構(gòu)段之間相互隔斷開來，同時又不影響筒體的正常轉(zhuǎn)動。進出料端的密封隔斷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 進出料端的密封隔斷裝置的結(jié)構(gòu)示意Fig. 3 The structure of the sealing and closing device of the inlet and outlet ends

如圖3所示，筒體兩端的外壁分別通過一組動態(tài)密封組件與機殼相互密封接觸；動態(tài)密封組件將進料端和出料端相互密封隔斷開，設計的動態(tài)密封組件包括固定安裝在筒體外壁上的圓環(huán)形密封塊和固定安裝在機殼內(nèi)壁上的圓環(huán)形密封膠條，密封塊中間設有向內(nèi)凹陷的密封凹槽，密封膠條的下端插入密封塊上的密封凹槽中，密封膠條與密封塊能相互轉(zhuǎn)動又能相互密封。其中，密封塊與筒體之間的具體連接結(jié)構(gòu)為：在筒體外壁上安裝有固定座，固定座頂部設置有一對能相向夾持密封塊的角鋼，角鋼將密封塊夾持固定在固定座上，密封塊與筒體的這種連接結(jié)構(gòu)使得密封塊被牢牢固定鎖止在筒體外壁上，避免密封塊在與密封膠條發(fā)生相互轉(zhuǎn)動的過程中發(fā)生滑移、錯位，增強了密封性，確保進料口與出料口之間相互密封隔斷。密封膠條與機殼之間的具體連接結(jié)構(gòu)為：機殼內(nèi)壁上安裝有內(nèi)圈圓形外圈矩形的密封板，內(nèi)圈圓形外圈矩形的密封板的里端通過連接件將兩片對半結(jié)構(gòu)的密封膠條固定在一起而形成完整的圓環(huán)形密封膠條，密封膠條采用對半結(jié)構(gòu)拼接固定的形式，使密封組件的組裝、拆卸過程十分方便，便于維修和保養(yǎng)。最后，密封塊和密封膠條采用硅膠材料制作，由于硅膠具有優(yōu)異的密封性能和抗拉力性能，不僅能有效阻隔進料口處的細菌和傳動機構(gòu)段中揮發(fā)產(chǎn)生的油污分子，而且在筒體的旋轉(zhuǎn)過程中，密封膠條和密封塊不易變形，使用壽命長。

3 滅菌回轉(zhuǎn)筒體的模態(tài)分析

振動現(xiàn)象是機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常遇到的問題之一。大部分結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都不希望有振動現(xiàn)象發(fā)生，振動會造成結(jié)構(gòu)疲勞而破壞。然而結(jié)構(gòu)本身具有某種程度的剛性，故其固有振動頻率及模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)設計必須了解的特性之一。滅菌回轉(zhuǎn)筒體作為動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備的關鍵部件，在滅菌過程中旋轉(zhuǎn)連續(xù)輸送滅菌物料，其動態(tài)特性對滅菌筒體的工作狀態(tài)有重要影響，所以有必要對其進行模態(tài)分析，研究其動態(tài)特性。

3.1 模態(tài)分析的設計公式

模態(tài)分析就是將一個多自由度振動系統(tǒng)的固有特性，用一系列模態(tài)參量形成的系統(tǒng)傳遞函數(shù)來表達。可根據(jù)傳遞函數(shù)，對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行分析、預測和優(yōu)化[5]。固有頻率與振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設計中的重要參數(shù)。如果要對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)疊加響應分析和瞬態(tài)動力學分析，固有頻率和振型也是必要的[6]。該滅菌回轉(zhuǎn)筒體的結(jié)構(gòu)振動微分方程見式（1）。

式中 [ M ]——質(zhì)量矩陣；

[ K ]——剛度矩陣；

{ X' }——速度向量；

[ C ]——阻尼矩陣；

{ X" }——加速度向量；

{ X }——位移向量。

模態(tài)分析是分析系統(tǒng)的自振特性，與外界荷載無關。忽略掉較小的阻尼影響，得到簡化的振動微分方程見式（2）。

3.2 模態(tài)分析過程及結(jié)果分析

滅菌回轉(zhuǎn)筒體材料為不銹鋼，彈性模量 1.95×105MPa，泊松比 μ為0.247，密 度為7 930 kg/m3。網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將影響到計算結(jié)果和分析的準確性。對于脫粒滾筒裝配體，進行網(wǎng)格劃分之前采用 From new part 操作來形成多體部件體，這樣零件連接處的單元共享節(jié)點可使節(jié)點間的傳力更加精確[7]。由于筒體結(jié)構(gòu)復雜，故對模型進行自由網(wǎng)格劃分，整個滾筒體模型共生成443 202個節(jié)點， 劃分為229 884個單元。

研究進行的是模態(tài)分析，模態(tài)分析屬于動態(tài)分析中的固有特性分析，固有特性由固有頻率、振型等一組模態(tài)參數(shù)構(gòu)成，它由結(jié)構(gòu)本身（質(zhì)量與剛度分布）決定，而與外部載荷無關[8]。所以在對滅菌回轉(zhuǎn)筒體進行模態(tài)分析時，只需施加自由度約束即可。滅菌回轉(zhuǎn)筒體可以沿著軸向旋轉(zhuǎn)（繞著軸旋轉(zhuǎn)），定義的約束必須要限制滾筒體其他5個自由度。所以要在四段筒體連接處的外表面設置遠距離約束，約束其他3個方向的平動和2個方向的轉(zhuǎn)動。

對一般的機械結(jié)構(gòu)來說，其振動是各階固有振型的線性組合。其中較低階的振型對機械結(jié)構(gòu)的動力性能影響程度大于高階振型，因此低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性[9-10]。所以，利用 Lanczos 法提取了前6 階的固有頻率和振型，1、2、4、6階振型圖分別如圖4中的（a）、（b）、（c）、（d）所示。

前 6 階振型中，隨著振型階次的增加，滅菌回轉(zhuǎn)筒體的固有頻率逐漸增加。其中，2階和3階、4階和5階固有頻率分別相近，表現(xiàn)的振型也相似，如表 1所示。

圖4 1、2、4、6階振型Fig. 4 1，2，4，6 step mode

表1 前6階固有頻率和振型Tab. 1 The1st to 6th natural frequencies and modes

所設計的滅菌回轉(zhuǎn)筒體，工作時的轉(zhuǎn)速為 16 r/min，由 f = n/60 可以求出滾筒的工作頻率為0.267 Hz，顯然，滅菌回轉(zhuǎn)筒體的各階頻率都遠大于其工作頻率，所以不會發(fā)生共振，不會對物料的動態(tài)輸送產(chǎn)生明顯的影響。

4 結(jié)束語

用三維設計軟件Solidworks設計了一種動態(tài)連續(xù)式滅菌干燥設備，提出了一種動態(tài)連續(xù)式滅菌方法，并介紹其工作流程；在回轉(zhuǎn)筒體的進料端和出料端設計了動態(tài)密封組件；對其關鍵部件滅菌回轉(zhuǎn)筒體進行模態(tài)分析，得到其前6階模態(tài)的固有頻率及振型，確保其不會發(fā)生共振。它在功能上突破“藥物粉粒靜態(tài)、蒸汽動態(tài)”的傳統(tǒng)方法，能有效防止粉、粒狀制品結(jié)塊，高效節(jié)能，大大提高制品滅菌的自動化程度。在樣機上進行了多次滅菌試驗，滅菌效果滿足要求。滅菌干燥效果可達到霉菌、雜菌＜10 cfu/g，含水量≤5 %，連續(xù)滅菌，出料速率15 kg/min。

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Structural Design and Performance Analysis of Dynamic Continuous Sterilization and Drying Equipment

Chen Yuanhua, Wang Qi, Qu Chuang
（1. Jiangsu Shennong Autoclave Inc. Zhangjiagang 215600; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003）

Traditional sterilizing dryer is intermittent cabinet equipment, in which It is easy to cause agglomeration of powder, dark color of products and uncontrolled product quality. After the research for several years a dynamic continuous sterilizing and drying equipment has been developed. One dynamic continuous sterilization method was presented in this article, with which the materials can be continuously sterilized, dried and cooled. With respect to the inlet and outlet ends in rotary cylinder, thermal dynamic sealing component was designed. Based on modal analysis for rotary cylinder and the fi rst six natural frequencies and modal shapes calculated, it was concluded no resonance occurred. By using this designed dynamic continuous sterilizing and drying equipment, agglomeration of powder can be effectively protected, the color of products is stable and energy can be saved. The functions of this equipment is different from that in traditional method that “powder particles motionless and steam motion”, so that the automatic operation of sterilization and drying for powder can be realized.

dynamic continuous operation; super heated steam; sterilization and drying; modal analysis

TQ 051.8+92

：A

：2095-817X（2017）02-0041-005

2017-02-16

國家自然科學基金（11502098），江蘇省產(chǎn)業(yè)前瞻重點研發(fā)專項資金（BE2015196）和張家港市科技支撐項目（ZKG1506）資助。

陳遠華（1969—），男，高級工程師，研究方向為濕熱蒸汽滅菌技術的研發(fā)與制造。