连续式粉体灭菌干燥装备的结构设计及性能分析

陈远华王琪屈创

（1. 江苏神农灭菌设备股份有限公司，江苏张家港 215600；2. 江苏科技大学，江苏镇江 212003）

连续式粉体灭菌干燥装备的结构设计及性能分析

陈远华1王琪2屈创2

（1. 江苏神农灭菌设备股份有限公司，江苏张家港 215600；2. 江苏科技大学，江苏镇江 212003）

传统的灭菌干燥器是箱柜式的间歇式操作灭菌设备，经常会引起含糖量高的粉粒状物料的黏连、灭菌后产品颜色变深，不易控制的问题。我们经过多年的研制设计了一种动态连续式灭菌干燥设备，提出了一种动态连续式灭菌方法，能使物料进行连续的灭菌、干燥和冷却。针对回转筒体的进料端和出料端，设计了热动态密封组件；对灭菌回转筒体进行模态分析，计算其前6阶模态的固有频率及振型，得出系统不会发生共振。所设计动态连续式灭菌干燥设备，它在功能上突破“药物粉粒静态、蒸汽动态”的传统方法，能有效防止粉、粒状物料结块，灭菌后产品颜色稳定，高效节能，实现了粉粒状物料灭菌干燥的自动化操作。

粉粒动态连续式；过热蒸汽；灭菌干燥；模态分析

针对制药和食品加工行业的粉状、颗粒以及液体等制品的种类不同，涌现了重力灭菌、快速冷却灭菌、水浴式灭菌、脉动真空以及旋转式灭菌等诸多方法[1]。然而，这些灭菌工艺方法大多都是采用箱柜式的间歇式灭菌方法。灭菌过程中，存在某些产品灭菌后颜色变化，特别是对于含糖量高的粉、粒状制品会存在黏连现象；物料转换时，频繁开闭柜门等繁琐操作，造成能源和人力的浪费。

目前，国外已经研制出了一些连续式灭菌设备。西班牙Nadeu公司、荷兰VENTILEX公司等采取在管道空间里注入过热蒸汽，连续喷入粉状制品进行灭菌，其灭菌、节能等效果十分显著，但需要高效耐磨的气、粉分离装置，企业投入大；针对粉状、颗粒制品，法国的ETIA公司研发一种螺旋输送式连续灭菌装置，效率高，但产品结构复杂，价格不菲[2]。国内一些企业开发了隧道微波灭菌干燥机，能实现连续输送，但此方法制品不能实现有效的滚动和翻转，同样，存在灭菌干燥效果不稳定等方面的缺陷。

针对上述问题，江苏神农灭菌设备股份有限公司与江苏科技大学经过联合开发，专门设计了一种用于能对粉末、粒状制品进行连续输送灭菌、干燥和冷却的动态连续式灭菌干燥设备，该设备广泛适用于制药、食品、农业、化工等行业对中药药粉、西药药粉、香料、谷物、鱼粉、健康食品、茶叶、生物农药等粉状和粒状耐热物品的灭菌作用[4]。它在功能上突破“药物粉粒静态、蒸汽动态”的传统方法，能有效防止含糖量高的粉、粒状制品的粘连，高效节能，大大提高制品灭菌的自动化程度。灭菌干燥效果显示可达到霉菌、杂菌＜10 cfu/g，含水量≤5 %，连续灭菌，连续出粉，出料速率15 kg/min。

1 动态连续式灭菌干燥设备的工作流程

动态连续式灭菌干燥设备的工作流程为：纯化水生成的蒸汽经管道通入过热蒸汽发生器中，过热蒸汽发生器生成具有一定温度和压力的过热蒸汽，筒体旋转并进行预热，当筒体达到设定的预热温度时，过热蒸汽经过热蒸汽管道通入灭菌筒体内，同时，打开旋转阀，物料被真空上料装置输送至灭菌筒体中，对物料进行预热、灭菌和干燥，并间歇式排气。灭菌后的物料被输送至冷却筒体内，在冷却水管上均匀分布的小孔将冷却水喷在冷却筒外壁上，对冷却筒体内的物料进行冷却，灭菌干燥设备工作流程如图1所示。控制部分采用计算机、PLC、触摸屏、监控仪等组成，实时进行数据记录，打印和传输监控。整个过程连续进、出料，能达到高效节能的目的。

图1 灭菌干燥设备工作流程Fig. 1 Sterilization and drying production line working fl ow chart

2 动态连续式灭菌干燥设备结构设计

该动态连续式灭菌干燥设备主要由灭菌段和冷却段两大部分组成，而且这两段呈现“正交式”的上下布局。灭菌段的进料端由支架支撑，灭菌段的出料端支撑在冷却段的进料端上。灭菌段的出料端与冷却段的进料端间连接有下料管，用于将灭菌后的物料通入下面冷却段的冷却筒体内，进而对灭菌后的物料冷却。该动态连续式灭菌干燥设备结构如图2所示。

图2 灭菌干燥设备结构Fig. 2 Sterilization and drying production line

2.1 灭菌段结构设计

灭菌段主要由进料系统、过热蒸汽产生系统、灭菌系统、传动系统及外壳组成。进料系统是由真空吸料装置（图中未画出）将物料输送至灭菌段顶部的物料桶，物料桶再经下料管将物料输送到筒体内的螺旋导料槽内。过热蒸汽产生系统主要由过热蒸汽发生器、过热蒸汽管等组成，用于将由锅炉提供的蒸汽变成过热蒸汽。灭菌系统主要由灭菌筒体和过热蒸汽喷管组成，筒体内有螺旋导料槽，便于物料连续输送灭菌和有效翻滚，防止物料结块，筒体的下部有六个支撑滚轮；过热蒸汽管上均匀分布有若干小孔，用于向灭菌筒体内连续输送的物料上喷入过热蒸汽。传动系统主要由减速电机、大齿轮、小齿轮组成，减速电机带动一对啮合的齿轮转动，从而带动灭菌筒体转动，便于将筒体内螺旋形导料槽上的物料连续输送灭菌，从而实现“药物粉粒及蒸汽都动态”的连续灭菌方法，且整个灭菌段都具有干燥作用。

2.2 冷却段结构设计

冷却段主要由进料系统、冷却系统、传动系统及外壳组成。进料系统通过冷却段进料管与上部灭菌段的出料端连接，用于将灭菌后的物料输送至冷却筒体内。冷却系统主要由冷却筒体、冷却水管及水槽组成，冷却筒体内有内螺旋导料槽；冷却水管上均匀分布有若干小孔，用于向冷却筒体外壁喷冷却水，进而对灭菌后的物料进行冷却。传动系统主要由减速电机、大齿轮、小齿轮组成，减速电机安装在冷却筒体上部的支架上，它带动小齿轮，小齿轮带动安装在冷却筒外壁上的大齿轮转动，冷却筒最后随大齿轮转动，冷却筒的下部采用了六个支撑滚轮。

2.3 筒体进出料端动态密封组件设计

为了有效避免进料端处的细菌和传动机构处挥发的油污分子对出料端处已完成灭菌的物料造成二次污染，由于筒体是转动工作，因此，在筒体进、出料端设计动态密封组件，使得进料端、出料端以及传动机构段之间相互隔断开来，同时又不影响筒体的正常转动。进出料端的密封隔断装置的结构示意图见图3。

图3 进出料端的密封隔断装置的结构示意Fig. 3 The structure of the sealing and closing device of the inlet and outlet ends

如图3所示，筒体两端的外壁分别通过一组动态密封组件与机壳相互密封接触；动态密封组件将进料端和出料端相互密封隔断开，设计的动态密封组件包括固定安装在筒体外壁上的圆环形密封块和固定安装在机壳内壁上的圆环形密封胶条，密封块中间设有向内凹陷的密封凹槽，密封胶条的下端插入密封块上的密封凹槽中，密封胶条与密封块能相互转动又能相互密封。其中，密封块与筒体之间的具体连接结构为：在筒体外壁上安装有固定座，固定座顶部设置有一对能相向夹持密封块的角钢，角钢将密封块夹持固定在固定座上，密封块与筒体的这种连接结构使得密封块被牢牢固定锁止在筒体外壁上，避免密封块在与密封胶条发生相互转动的过程中发生滑移、错位，增强了密封性，确保进料口与出料口之间相互密封隔断。密封胶条与机壳之间的具体连接结构为：机壳内壁上安装有内圈圆形外圈矩形的密封板，内圈圆形外圈矩形的密封板的里端通过连接件将两片对半结构的密封胶条固定在一起而形成完整的圆环形密封胶条，密封胶条采用对半结构拼接固定的形式，使密封组件的组装、拆卸过程十分方便，便于维修和保养。最后，密封块和密封胶条采用硅胶材料制作，由于硅胶具有优异的密封性能和抗拉力性能，不仅能有效阻隔进料口处的细菌和传动机构段中挥发产生的油污分子，而且在筒体的旋转过程中，密封胶条和密封块不易变形，使用寿命长。

3 灭菌回转筒体的模态分析

振动现象是机械结构系统常遇到的问题之一。大部分结构系统都不希望有振动现象发生，振动会造成结构疲劳而破坏。然而结构本身具有某种程度的刚性，故其固有振动频率及模态是机械结构设计必须了解的特性之一。灭菌回转筒体作为动态连续式灭菌干燥设备的关键部件，在灭菌过程中旋转连续输送灭菌物料，其动态特性对灭菌筒体的工作状态有重要影响，所以有必要对其进行模态分析，研究其动态特性。

3.1 模态分析的设计公式

模态分析就是将一个多自由度振动系统的固有特性，用一系列模态参量形成的系统传递函数来表达。可根据传递函数，对系统的动态性能进行分析、预测和优化[5]。固有频率与振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。如果要对结构进行模态叠加响应分析和瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的[6]。该灭菌回转筒体的结构振动微分方程见式（1）。

式中 [ M ]——质量矩阵；

[ K ]——刚度矩阵；

{ X' }——速度向量；

[ C ]——阻尼矩阵；

{ X" }——加速度向量；

{ X }——位移向量。

模态分析是分析系统的自振特性，与外界荷载无关。忽略掉较小的阻尼影响，得到简化的振动微分方程见式（2）。

3.2 模态分析过程及结果分析

灭菌回转筒体材料为不锈钢，弹性模量 1.95×105MPa，泊松比 μ为0.247，密 度为7 930 kg/m3。网格划分是建立有限元模型的重要环节，网格质量的好坏将影响到计算结果和分析的准确性。对于脱粒滚筒装配体，进行网格划分之前采用 From new part 操作来形成多体部件体，这样零件连接处的单元共享节点可使节点间的传力更加精确[7]。由于筒体结构复杂，故对模型进行自由网格划分，整个滚筒体模型共生成443 202个节点， 划分为229 884个单元。

研究进行的是模态分析，模态分析属于动态分析中的固有特性分析，固有特性由固有频率、振型等一组模态参数构成，它由结构本身（质量与刚度分布）决定，而与外部载荷无关[8]。所以在对灭菌回转筒体进行模态分析时，只需施加自由度约束即可。灭菌回转筒体可以沿着轴向旋转（绕着轴旋转），定义的约束必须要限制滚筒体其他5个自由度。所以要在四段筒体连接处的外表面设置远距离约束，约束其他3个方向的平动和2个方向的转动。

对一般的机械结构来说，其振动是各阶固有振型的线性组合。其中较低阶的振型对机械结构的动力性能影响程度大于高阶振型，因此低阶振型决定了结构的动态特性[9-10]。所以，利用 Lanczos 法提取了前6 阶的固有频率和振型，1、2、4、6阶振型图分别如图4中的（a）、（b）、（c）、（d）所示。

前 6 阶振型中，随着振型阶次的增加，灭菌回转筒体的固有频率逐渐增加。其中，2阶和3阶、4阶和5阶固有频率分别相近，表现的振型也相似，如表 1所示。

图4 1、2、4、6阶振型Fig. 4 1，2，4，6 step mode

表1 前6阶固有频率和振型Tab. 1 The1st to 6th natural frequencies and modes

所设计的灭菌回转筒体，工作时的转速为 16 r/min，由 f = n/60 可以求出滚筒的工作频率为0.267 Hz，显然，灭菌回转筒体的各阶频率都远大于其工作频率，所以不会发生共振，不会对物料的动态输送产生明显的影响。

4 结束语

用三维设计软件Solidworks设计了一种动态连续式灭菌干燥设备，提出了一种动态连续式灭菌方法，并介绍其工作流程；在回转筒体的进料端和出料端设计了动态密封组件；对其关键部件灭菌回转筒体进行模态分析，得到其前6阶模态的固有频率及振型，确保其不会发生共振。它在功能上突破“药物粉粒静态、蒸汽动态”的传统方法，能有效防止粉、粒状制品结块，高效节能，大大提高制品灭菌的自动化程度。在样机上进行了多次灭菌试验，灭菌效果满足要求。灭菌干燥效果可达到霉菌、杂菌＜10 cfu/g，含水量≤5 %，连续灭菌，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

国家自然科学基金（11502098），江苏省产业前瞻重点研发专项资金（BE2015196）和张家港市科技支撑项目（ZKG1506）资助。

陈远华（1969—），男，高级工程师，研究方向为湿热蒸汽灭菌技术的研发与制造。