http://www.chemistrymag.org/cji/2007/095023pc.htm |
May 14,
2007 Vol.9 No.5 P.23 Copyright |
(University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051; #No.703 Graduate School of China ShipbuildingIndustry Corporation, Haerbin 150036 )
Abstract As a starting point to improve
the structure of preparative chromatography column , the CFD software CFX was used to
simulate the flow field in the chromatography column which is based on the principle of
computation fluid dynamics in this paper and the chromatographic band broadening could be
seen directly in the simulation. Firstly, the model of the fluid in the column was made by
using the 3D graphics software Pro/e; then meshed by the meshing software ICEM and imposed
initial and boundary conditions in the CFX software, so the fluid flow profile could be
seen by solving; at last, a preparative chromatography column structure with more
effective separation was developed through the rule of the band broadening change. So, a
reliable basis was provided to the structure optimum design of the column wall structure
（辽宁科技大学，辽宁鞍山 114051；#中船重工集团第七零三研究所，黑龙江哈尔滨 150036）
2007年1月19日收稿；鞍山市科技局资助项目
摘要
本文以改进制备色谱柱结构为出发点，利用基于计算流体力学（CFD）理论的CFD商用软件CFX模拟色谱柱内流场，能够直观地观测色谱柱内的谱带流型．首先绘制色谱柱内流体模型；然后用网格划分软件ICEM CFD划分网格，导入CFX软件后施加边界和初始条件，求解得到流体流型；最后通过分析各种流体模型下的流体流型变化规律，找出一种分离效率更高的制备色谱柱结构，从而为色谱柱的结构优化设计提供了可靠的依据
关键词 计算流体力学；CFX软件；色谱谱带；流型；结构优化
随着科学技术的进步和经济的发展，制备色谱分析变得越来越重要，色谱柱作为色谱仪的核心更是担当着举足轻重的角色。
考察色谱柱柱效高低和填充状态的最直接方法是观察样品在色谱柱内的谱带流型和运动状态。目前的流型研究方法有切柱法、核磁共振法、柱上局部检测法和可视化柱上检测法。但这些方法存在着床层破坏、仪器价格昂贵、所用溶液有毒和试验材料易破碎等缺点[1,2,3,4,5]。随着信息技术的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics CFD）也得到了更广泛的实际应用，一大批CFD商用软件也开始出现。本文采用CFD软件CFX对色谱柱内的流体进行数值模拟，不仅克服了上述缺点而且可以直观地观测流体的谱带流型和运动状态,从而可以考察色谱柱效的高低。同时对多个色谱柱整体系统结构进行仿真，然后通过分析，比较，可以得到最优化的色谱柱整体结构，这就为结构优化设计提供了可靠的依据。 2.仿真软件CFX介绍
CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关现象的系统所做的分析。理论力学对几何形状任意，边界条件复杂的问题给不出解析解，而CFD可以很容易的给出数值解并且能很好地满足工程需要。CFD可利用计算机进行各种数值实验，不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的数据，能模拟高温、有毒、易燃等真实条件和实验室中只能接近而无法达到的理想条件[6]。
近年来，作为研究流体流动的新方法，CFD在化工领域得到了很广泛地应用，包括流化床、搅拌、转盘萃取塔（RDC）、精馏填料塔、燃料喷嘴、化学反应工程、干燥等许多方面[7]。本文采用CFX软件应用在色谱柱内流体的流动方面，尚属首次。
CFX软件是由AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而推出的。2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真软件ANSYS的大家庭中。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。
CFX能用高速数值积分算法求解复杂边界条件的偏微分方程所组成的流体力学模型，得到随时间和二维、三维空间变化的数据场，并可以对这些数据场进行可视化处理，在计算机屏幕上用箭头、流线、流面、迹线和云图等方式显示，结合不同的颜色来显示流场中流体速度、浓度、温度或压力的分布规律，动态地表示流场中各物理量的变化过程，揭示流场变化规律[8]。
ICEM CFD是CFX的前处理器，它优质的网格技术进一步确保CFX的模拟结果精确而可靠，所提供的网格生成工具包括表面网格、六面体网格、四面体网格、棱柱体网格（边界层网格）等等。在生成网格时，可实现边界层网格自动加密、流场变化剧烈区域网格局部加密、分离模拟等。
和大多数CFD软件不同的是，CFX采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。CFX在湍流模型的应用上，也一直是业界领先的。除了常用的湍流模型外，CFX最先使用了大涡模拟（LES）和分离涡模拟（DES）等高级湍流模型。CFX是全球第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，这样它的计算速度和稳定性较传统方法提高了1～2个数量级。CFX拥有包括流体流动等问题的丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质等大批复杂现象的实用模型。此外，CFX为用户提供了从方便易用的表达式语言（CEL）到功能强大的用户子程序的一系列不同层次的用户接口程序，允许用户加入自己的特殊物理模型。 3.仿真分析
人们通常是将色谱柱作为一种分析工具加以研究，很少从机械结构的角度出发对其进行研究。本文就是在观测流体流型的基础上，以结构为出发点，探索一种分离效率更高的制备色谱柱结构。
传统结构设计方法是设计－加工模型－试验－修正设计－再加工的循环过程。这样做会花费比较长的设计周期，浪费人力、物力、财力，并且还不一定能找到好的结构。采用软件CFX对色谱柱内的流体在计算机上进行模拟，能够直观观察到色谱谱带流型和运动状态，色谱柱的柱效高低也可以一目了然。然后可以在计算机上分析和修正模型，找到柱效最高的结构，达到了对色谱柱结构优化的目的。
图1
进样口到分配盘的一种流体模型Fig.1 Fluid model from the head of the column to the distributor
3.1 模型的建立
制备柱的柱径较大，为使样品能够更均匀地分离，常需要在筛板前加上一块分配盘。本论文采用Pro/E绘图软件建立色谱柱内流动流体的三维数学模型，由于边界条件和物理条件不同，分三部分建立模型：上部分为进样出口到分配盘的流体模型（图1）；由于筛板和填料的直径非常小，可能只有几个微米，而且本文只考虑色谱柱内壁结构的影响，所以我们在绘制流体模型时，就把筛板和色谱柱看作是通孔，流过它们的流体模型我们可以看作是实体，如图所示：中间部分是多孔筛板流体模型（图2）；下部分是色谱柱内填料流体模型(图3)。然后在网格划分软件ICEM CFD中进行网格划分，可以在重要的或梯度较大的部分把网格设置的相对密一些，在不重要的地方稀疏一些，这样既可以减少利用计算机的内存又可以节省时间，提高工作效率。最后导入CFX软件中，用该软件特有的方式将三部分联结为统一的整体，即色谱柱内的流体计算模型（图4）。
Fig.2 One of the fluid models through the porous sieve plate
图3 色谱柱内的一种填料流体模型
Fig.3 Fluid model through the packing
图4 色谱柱内的流体计算模型
Fig.4 Fluid calculation in chromatography column
图5 速度分布图（一）
Fig.5 Speed distribution 1
3.2 条件设置
分析中流体作为等温、不可压缩的稳态湍流，选用标准的
湍流模式和壁面函数法来计算流场。入口压力设为100个大气压，出口压力为1个大气压，与壁表面接触的流体边界在x, y, z三个方向的速度都设为零，在填料和筛板处分别设置不同的阻力系数。然后进行迭代计算，所有残差均设为1.0E-4。3.3 结果
由于柱体内壁的结构不同，计算时间和收敛步数也会不同，一般情况下，迭代100次左右就收敛。下面把仿真的结果加以介绍。由于篇幅有限，在这里只举其中的几个例子（色谱柱内径50mm）。图5～图9为不同色谱柱体内壁结构时得到的整体剖面的速度分布图。
理想的谱带就像一个塞子状的液流。但是随着制备色谱柱的总体尺寸加大，这样就难于保证柱体内流体流动均匀。所以说使流动相各种组分在同一横截面上的浓度均匀的结构，即流体能等速同时到达相同横截面的结构就是我们想要的结果。从速度分布图可看出第五种结构是比较理想的结构，即色谱柱内壁是一种双曲线的结构。
图6 速度分布图（二）
Fig.6 Speed distribution 2
图7 速度分布图（三）
Fig.7 Speed distribution 3
图8 速度分布图（四）
Fig.8 Speed distribution 4
图9 速度分布图（五）
Fig.9 Speed distribution 5
4.结论
采用基于CFD理论的软件CFX对色谱柱内流体进行数值模拟仿真，可以直观地观测到流体流型，得到任意结构时的速度分布图，并能观察柱效的高低，操作简便，节省时间，十分可行。计算得到的结果可靠，能够达到对结构优化的目的。综上所述，采用CFD流体软件进行流体流型观测具有很大的优越性，对实际应用研究也极有价值。
REFERENCES
[1]YunT,Guiochon G..J.Chromatogr.A, 1997, 760: 17-24
[2]Tallarek U, Albert K, Bayer E, Guiochon G..AIChE J. , 1996，42: 3041-3054
[3] Farkas T, Chambers J Q, Guiochon G.. J.Chromatogr.A ，1994，679: 231-245
[4] Yun T, Guiochon G..J.Chromatogr.A ，1994，672: 1-10
[5] Scott Broyles B, Andrew Shalliker R, Guiochon G.. J. Chromatogr.A，2000,867: 71-92
[6]Wang fj. Ansys of the computational fluid dynamics—principles and applications of the CFD software(Jisuan
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Ruanjian Yuanli ji Yingyong),1,Beijing: Tsinghua University Press,2004
[7] Yin yd, Wang yd, Fei wy. Petrochemical Technology (Shihua Jishu).2000, 7(3):166－169.
[8]Zhang yl, Cao yy.Computer and Applied Chemistry(Jisuanji yu
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