pharmjournalРазработка и регистрация лекарственных средствDrug development & registration2305-20662658-5049LLC «CPHA»10.33380/2305-2066-2025-14-3-2019pharmjournal-2127Research ArticleФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯPHARMACEUTICAL TECHNOLOGYЭкспериментальное и CFD-исследование новой конструкции прямоточного циклонаExperimental and CFD study of a new design of a direct-flow cyclonehttps://orcid.org/0000-0001-8077-2462ФлисюкЕ. В.FlisyukE. V.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Prof. Popova str., Saint-Petersburg, 197022

elena.flisyuk@pharminnotech.comhttps://orcid.org/0009-0008-0215-7059ТопталовВ. С.ToptalovV. S.

190013, г. Санкт-Петербург, проспект Московский, д. 24–26/49, литера А

24–26/49A, prospect Moskovsky, Saint-Petersburg, 190013

https://orcid.org/0000-0003-0527-8725ФлисюкО. М.FlisyukO. M.

190013, г. Санкт-Петербург, проспект Московский, д. 24–26/49, литера А

24–26/49A, prospect Moskovsky, Saint-Petersburg, 190013

https://orcid.org/0000-0002-7180-0270ЛихачевИ. Г.LikhachevI. G.

190013, г. Санкт-Петербург, проспект Московский, д. 24–26/49, литера А

24–26/49A, prospect Moskovsky, Saint-Petersburg, 190013

https://orcid.org/0000-0001-9292-4240КоцурЮ. М.KotsurYu. M.

197022, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14, литера А

14A, Prof. Popova str., Saint-Petersburg, 197022

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО СПХФУ Минздрава России)РоссияSaint-Petersburg State Chemical and Pharmaceutical UniversityRussian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» [Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), СПбГТИ(ТУ)]РоссияSaint Petersburg State Institute of Technology (Technical University)Russian Federation2025020920251439297Copyright © Флисюк Е.В., Топталов В.С., Флисюк О.М., Лихачев И.Г., Коцур Ю.М., 20252025Флисюк Е.В., Топталов В.С., Флисюк О.М., Лихачев И.Г., Коцур Ю.М.Flisyuk E.V., Toptalov V.S., Flisyuk O.M., Likhachev I.G., Kotsur Y.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pharmjournal.ru/jour/article/view/2127Введение

Введение. Очистка газовых потоков является важной задачей многих отраслей промышленности в области инженерной защиты окружающей среды. При осуществления подобных мероприятий зачастую применяются циклоны – аппараты для очистки газовых потоков от мелкодисперсных частиц. В фармацевтической промышленности для решения таких задач требуется применение компактных высокоэффективных аппаратов, для разработки и исследования которых в последнее время все чаще применяются методы CFD-моделирования. В работе приводится сравнение результатов CFD-моделирования процесса очистки газа в прямоточном циклоне новой конструкции и эффективности улавливания в этом аппарате, полученной в результате экспериментальных исследований.

Цель

Цель. Сравнение результатов численного моделирования процесса очистки газа в двух конфигурациях прямоточного циклона новой конструкции с результатами эксперимента.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для численного CFD-моделирования процесса разделения в исследуемом аппарате использовался программный комплекс FlowVision. Движение дискретной фазы – частиц – описывалось с помощью Lagrangian particle model. Для распределения частиц по размерам использовалось распределение Розина – Раммлера с минимальным диаметром 15 мкм, медианным 40 мкм и максимальным 120 мкм. Эксперименты проводились на экспериментальной установке, основной частью которой являлись прямоточный циклон, центробежный вентилятор и шнековый дозатор. В качестве модельного материала использовался тальк марки ТРПН, дисперсное распределение частиц которого было определено методом лазерной дифракции на анализаторе частиц SALD-2300 (Shimadzu, Япония).

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. CFD-модель аппарата позволила определить поле скоростей газа, траектории потока и эффективность улавливания частиц в исследуемых конфигурациях прямоточного циклона. На основании информации о поле скорости газа и траекторий потока сделаны выводы о наиболее эффективных конструкторских решениях. Сравнение результатов численного моделирования и результатов эксперимента показало хорошую сходимость.

Заключение

Заключение. Разработанная конструкция прямоточного циклона показала хорошую эффективность улавливания мелкодисперсных частиц. Численное CFD-моделирование позволило определить конструктивные особенности, негативно влияющие на эффективность, и оптимизировать конструкцию аппарата. Хорошая сходимость результатов модели и эксперимента подтверждает возможность использования CFD-программ для точного моделирования технологических процессов и определения их параметров.  

Introduction

Introduction. Purification of gas streams plays an important role in many industries in the field of environmental engineering. When implementing such measures, cyclones are often used – devices for cleaning gas streams from fine particles. In the pharmaceutical industry solving such problems requires the use of compact, highly efficient devices, for the development and study of which CFD-modelling methods have recently been increasingly used. The paper presents a comparison of the results of CFD-modelling of the gas purification process in a direct-flow cyclone of a new design and the capture efficiency in this apparatus obtained as a result of experimental studies.

Aim

Aim. Comparison of the results of numerical modelling of the gas purification process in two configurations of a direct-flow cyclone of a new design with the experimental results.

Materials and methods

Materials and methods. The FlowVision software package was used for numerical CFD-modelling of the separation process in the studied device. The motion of the discrete phase – particles – was described using the Lagrangian particle model. Rosin-Rummler distribution with a minimum diameter of 15 microns, a median of 40 microns, and a maximum of 120 microns was used to distribute the particles by size. The experiments were carried out on an experimental setup, the main part of which was a direct-flow cyclone, a centrifugal fan and a screw doser. Technical talc was used as a model material, the dispersed particle distribution of which was determined by laser diffraction on a SALD-2300 particle analyzer (Shimadzu, Japan).

Results and discussion

Results and discussion. The CFD-model of the device allowed us to determine the gas velocity field, flow trajectories and particle capture efficiency in the studied configurations of a direct-flow cyclone. Based on the information about the gas velocity field and flow trajectories, conclusions were made about the most effective 4 design solutions. Comparison of the numerical simulation results and the experimental results showed good convergence.

Conclusion

Conclusion. The developed design of the direct-flow cyclone showed good efficiency of fine particle capture. Numerical CFD-modelling allowed us to determine design features that negatively affect the efficiency and to optimize the design of the device. Good convergence of the model and experimental results confirms the possibility of using CFD-programmes for accurate modelling of technological processes and determining their parameters.

прямоточный циклонпылеулавливаниеCFDFlowVisionзакрученный потокчисленное моделированиеdirect-flow cyclonedust collectionCFDFlowVisionswirling flownumerical modelingИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 21-79-30029).The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation (project 21-79-30029).ReferencesYu G., Dong S., Yang L., Yan D., Dong K., Wei Y., Wang B. Experimental and numerical studies on a new double-stage tandem nesting cyclone. Chemical Engineering Science. 2021;236:116537. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116537.Yu G., Dong S., Yang L., Yan D., Dong K., Wei Y., Wang B. Experimental and numerical studies on a new double-stage tandem nesting cyclone. Chemical Engineering Science. 2021;236:116537. DOI: 10.1016/j.ces.2021.116537.Safikhani H., Akhavan-Behabadi M. A., Shams M., Rahimyan M. H. Numerical simulation of flow field in three types of standard cyclone separator. Advanced Powder Technology. 2010;21(4):435–442. DOI: 10.1016/j.apt.2010.01.002.Safikhani H., Akhavan-Behabadi M. A., Shams M., Rahimyan M. H. Numerical simulation of flow field in three types of standard cyclone separator. Advanced Powder Technology. 2010;21(4):435–442. DOI: 10.1016/j.apt.2010.01.002.Gimbun J., Chuah T. G., Choong T. S. Y., Fakhru’l-Razi A. A CFD study on the prediction of cyclone collection efficiency. International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. 2005;6(3):161–168. DOI: 10.1080/15502280590923649.Gimbun J., Chuah T. G., Choong T. S. Y., Fakhru’l-Razi A. A CFD study on the prediction of cyclone collection efficiency. International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. 2005;6(3):161–168. DOI: 10.1080/15502280590923649.You Y., Seibold F., Wang S., Weigand B., Gross U. URANS of turbulent flow and heat transfer in divergent swirl tubes using the k-ω SST turbulence model with curvature correction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;159:120088. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120088.You Y., Seibold F., Wang S., Weigand B., Gross U. URANS of turbulent flow and heat transfer in divergent swirl tubes using the k-ω SST turbulence model with curvature correction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;159:120088. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120088.Song J., Wei Y., Sun G., Chen J. Experimental and CFD study of particle deposition on the outer surface of vortex finder of a cyclone separator. Chemical Engineering Journal. 2017;309:249–262. DOI: 10.1016/j.cej.2016.10.019.Song J., Wei Y., Sun G., Chen J. Experimental and CFD study of particle deposition on the outer surface of vortex finder of a cyclone separator. Chemical Engineering Journal. 2017;309:249–262. DOI: 10.1016/j.cej.2016.10.019.Wang L., Liu B., Feng J., Peng X. Experimental study on the separation performance of a novel oil–gas cyclone separator. Powder Technology. 2023;415:118124. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.118124.Wang L., Liu B., Feng J., Peng X. Experimental study on the separation performance of a novel oil–gas cyclone separator. Powder Technology. 2023;415:118124. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.118124.An I.-H., Lee C.-H., Lim J.-H., Lee H.-Y., Yook S.-J. Development of a miniature cyclone separator operating at low Reynolds numbers as a pre-separator for portable black carbon monitors. Advanced Powder Technology. 2021;32(12):4779–4787. DOI: 10.1016/j.apt.2021.10.027.An I.-H., Lee C.-H., Lim J.-H., Lee H.-Y., Yook S.-J. Development of a miniature cyclone separator operating at low Reynolds numbers as a pre-separator for portable black carbon monitors. Advanced Powder Technology. 2021;32(12):4779–4787. DOI: 10.1016/j.apt.2021.10.027.Narasimha M., Brennan M. S., Holtham P. N., Napier-Munn T. J. A comprehensive CFD model of dense medium cyclone performance. Minerals Engineering. 2007;20(4):414–426. DOI: 10.1016/j.mineng.2006.10.004.Narasimha M., Brennan M. S., Holtham P. N., Napier-Munn T. J. A comprehensive CFD model of dense medium cyclone performance. Minerals Engineering. 2007;20(4):414–426. DOI: 10.1016/j.mineng.2006.10.004.Mousavi S. M., Ghadimi B., Kowsary F. Numerical study on the effects of multiple inlet slot configurations on swirl cooling of a gas turbine blade leading edge. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2018;90:34–43. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2017.10.012.Mousavi S. M., Ghadimi B., Kowsary F. Numerical study on the effects of multiple inlet slot configurations on swirl cooling of a gas turbine blade leading edge. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2018;90:34–43. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2017.10.012.Flisyuk О. М., Toptalov V. S., Martsulevich N. А., Muratov О. V. Direct-flow cyclone. Patent RUS 195672U1 RU 2020.Flisyuk О. М., Toptalov V. S., Martsulevich N. А., Muratov О. V. Direct-flow cyclone. Patent RUS 195672U1 RU 2020.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.