Диспергування гетерогенних систем у роторно-пульсаційному апараті дисково-циліндрічного типу - Автореферат

До апаратів, які реалізують метод спрямованого дискретного енергетичного впливу на ряд технологічних процесів (подрібнення, диспергування, емульгування, гомогенізації, перемішування й ін.) відносять роторно-пульсаційні апарати (РПА), робота яких базується на реалізації комплексу фізичних проявів принципу дискретно-імпульсного введення енергії (ДІВЕ) та її трансформації в рідких гетерогенних середовищах. Слід зауважити, що в звязку зі складністю та різноманітністю ефектів впливу на середовище, що обробляється в РПА, актуальними є проблеми: всебічного дослідження явищ диспергування гетерогенних середовищ та їх впливу на інтенсивність гідромеханічних та тепломасообмінних процесів, зокрема, експериментальні дослідження процесів подрібнення багатокомпонентних дисперсних систем. Дисертаційна робота є результатом досліджень, проведених відповідно до тематик науково-дослідних робіт: “Вивчення теплофізичних і гідродинамічних основ дискретно-імпульсного введення енергії з метою створення нанотехнологічних процесів” (номер держреєстрації 0102U002197), “Дослідити тепломасообмінні процеси, створити технологію та технічний проект лінії виробництва біопалива” (№0103U003089), “Розробити прискорену теплотехнологію та устаткування для виробництва окулентів у фармацевтичній промисловості” (№0199U002452), “Дослідження процесів введення енергії в системі “тверде тіло-рідина” з оптимізацією тепломасообмінного устаткування” (№0199U002452), “Дослідження диспергування пастоподібних матеріалів у роторно-пульсаційних апаратах” (№ 0101U002812). Відповідно до поставленої мети досліджень сформульовані й вирішені наступні основні завдання: - теоретично досліджено динаміку потоку однокомпонентної вязкої рідини при її обробці в РПА дисково-циліндричного типу в тривимірній постановці завдання з урахуванням турбулентного режиму течії в апараті; на підставі отриманих гідродинамічних і теплових збурень параметрів потоку провести узагальнення механізмів подрібнення дисперсних включень у рідині при обробці в РПА і провести оцінку їх впливу на кінцевий розмір дисперсних включень.Дисковий вузол містить перфоровані диски статора і ротора, циліндричний вузол - послідовно розташовані внутрішній статор, ротор та зовнішній статор, які мають щілинні прорізи. Як обєкт дослідження розглянуто ряд експериментальних модифікацій апарату (М1-М4), що диспергує: робочі органи М1 представлені перфорованими дисками (статором і ротором) та циліндричними зі щілинними прорізами 2 статорами і між ними ротором; М2 - перфорованими дисковими статором і ротором, на останньому розміщено крильчатку у вигляді шипів та циліндричними зі щілинними прорізами 2 статорами і між ними ротором; М3 - перфорованими дисковими статором і ротором, на останньому розміщено крильчатку у вигляді шипів та циліндричними з шипами 2 статорами і між ними ротором; М4-крильчаткою у вигляді 3 ножів та циліндричними зі щілинними прорізами 2 статорами і між ними ротором. Так процес диспергування для системи “метилурацил-вазелін” з меншим у 1,6-2,2 рази показниками міцності твердих включень у 7,2 рази проходить інтенсивніше, ніж в системі “саліцилова кислота-вазелін” (рис. На тривалість процесу диспергування істотно впливає початковий розмір твердих включень, наприклад для систем “саліцилова кислота-вазелін”, у яких середній початковий розмір відрізняється у 1,4 рази для системи з меншими показниками інтенсивність процесу більша у 1,5 рази. Крім того ефективність процесу диспергування залежить від співвідношення компонентів системи, наприклад, для системи “саліцилова кислота-вазелін” підвищення концентрації твердої фази у 1,4 рази призводить до зменшення тривалості процесу у 2,8 рази і до збільшення температури системи, що обробляється.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Проведено тривимірне моделювання динаміки вязкої рідини в РПА дисково-циліндричного типу з урахуванням ефектів турбулентності. Отримано поля тиску, швидкостей руху потоку та дисипації енергії. На основі отриманих даних проведено оцінку прискорення руху та імпульсів тиску. Отримано залежності масової витрати від кута (моментів часу) повороту роторів для окремого дискового вузла та апарату в цілому та проаналізовано вплив зміни розмірів та форми робочого обєму на характер змін масових витрат. Отримані залежності зміни тиску від кута (моментів часу) повороту роторів для міждискового та міжциліндричного зазорів апарату.

2. На основі отриманих розрахункових параметрів збурень потоку проведено аналіз механізмів здрібнення. За оцінками впливу цих механізмів на кінцевий розмір дисперсних включень домінуючими механізмами є нестійкість Кельвіна-Гельмгольца та Релея-Тейлора, зсувні механізми та ефекти подрібнення у турбулентному потоці рідини, які забезпечують мікронний рівень кінцевого розміру дисперсних включень.

3. Проведено експериментальні дослідження процесів диспергування твердих та рідких включень з різними фізико-хімічними властивостями у вязких рідких середовищах на ряді модифікацій експериментальних РПА дисково-циліндричного типу. Виявлено вплив на кінетику процесу диспергування та дисипативні ефекти ряду факторів: - підвищення концентрації дисперсних включень з міцною кристалічною решіткою дозволяє інтенсифікувати процес у 2-3 рази та призводить до зростання тем ператури у 1,5-2 рази. Визначено оптимальні співвідношення компонентів оброблених систем, наприклад для системи „тверда субстанція-вазелін” - 1:3...3,5;

- чим більше міцність твердих субстанцій, тим ефективніше подрібнення відбувається на першому етапі процесу, що призводить до значних дисипативних ефектів (температура зростає на 4-20 ОС на 1 кг системи, що обробляється);

- на процес диспергування аморфних твердих субстанцій істотно впливає початкова температура системи: чим нижча початкова температура, тим більше інтенсивність процесу і повільніше зростання температури системи в процесі обробки;

- визначено граничні температури оброблюваних в РПА систем, що дозволяють проводити процес диспергування в системі „тверде тіло-рідина” без зміни фізико-хімічних властивостей - 65-75 ОС;

- найбільш ефективними для здійснення процесу диспергування твердих субстанцій „голчастої” та циліндричної форми є модифікація апарату М3, а для обробки адгезійних та високовязких систем - М1.

4. Проведено експериментальні дослідження процесів гідродинамічної обробки та встановлено її вплив на структурно-механічні, теплофізичні, сорбційно-структурні властивості наноструктурованих систем на основі гідрогелю метилкремнієвої кислоти. Виявлено, що дослідні системи відносяться до складних пластичних систем та на їх реологічні властивості має вплив передісторія навантаження. Підвищення концентрації ГГМКК у воді до 7:3 дозволяє скоротити тривалість процесу обробки (до 0,2 хв/кг) і отримати мономезопорувату структуру (ефективний радіус пор - 4,6 нм) з розвиненою питомою поверхнею (210 м2/г) та високими сорбційними властивостями (максимальний сорбційний обєм пор - 1,62 см3/г та адсорбційна активність по контрастній речовині конго-червоному - 2,6-3,2 мг/г). Зневоднені дослідні системи (ксерогелі) мають властивості теплоізолятора (коефіцієнт теплопровідності при Т=30 ОС - 0,024 Вт/(м? ОС)).

5. Розглянуто результати використання дисково-циліндричного РПА в теплотехнологічних процесах гомогенізації та диспергування мяких лікарських форм та ряду харчових продуктів. Дисперсійний аналіз отриманих на РПА багатокомпонентних гетерогенних лікарських систем показує, що досягнений розмір дисперсних включень (до 65-90 мкм) та їх однорідність відповідає вимогам фармацевтичних регламентів. Діапазон значень оцінних розрахункових розмірів включень узгоджується з експериментальними даними.

6. Розрахунок економічного ефекту від впровадження установки для продукування МЛФ за рахунок енергозбереження та заощадження сировини та матеріалів складає 166,1 тис. грн. в рік, а економія умовного палива - 77,1 тон.

ВИСНОВКИ

1. Запропонованая тривимірна модель течії у дисково-циліндричному РПА дає можливість оцінити повну гідродинамічну картину, що в свою чергу дозволяє прогнозувати дисперсність оброблюваних систем. Моделювання дозволило оцінити ефективні зони РПА с точки зору процесу диспергування.

2. Показано, що комплекс теплофізичних та гідродинамічних явищ, що відбуваються у запропонованих РПА, дозволяє реалізувати механізми подрібнення дисперсних включень та інтенсифікувати ряд тепломасообмінних процесів. Комплексні технологічні дослідження підтвердили високі фізико-хімічні показники та параметри дисперсності, які відповідають вимогам фармацевтичної та харчової промисловості.

3. Запропоноване тепломасообмінне обладнання та ряд ДІВЕ-технологій, в основі яких лежить процес диспергування, впроваджено та експлуатується на 12 підприємствах фармацевтичної промисловості, на якому продукується більш ніж 50 найменувань суспензійно-емульсійних лікарських препаратів та інших продуктів.

Позначення: а, b, g - прискорення; k -турбулентна кінетична енергія, коефіцієнт; Р - тиск; Q - масова витрата; r - радіус пори; s - швидкість деформації; S - площа; Т - температура; u - швидкість; V - обєм простору пори; W - вологість; x, y, z - поточні координати; - швидкість зсуву; d - розмір частинки; D - приріст, ціна поділу; e - швидкість дисипації енергії; l - коефіцієнт теплопровідності; m, n - динамічний та кінематичний коефіцієнт вязкості; r - густина; s - міжфазний натяг; t - час, напруження зсуву; j - кут повороту.

Числа подібності: Bo - число Бонда; We - число Вебера.

Індекси: верхні: * - питоме значення; ?? - середнє за період значення; нижні: еф - ефективне значення; с - індекси, що відповідають дисперсійному середовищу; пит - питоме значення; поч - початкове значення; ф - індекси, що відповідають дисперсній фазі; ц - відцентровий параметр; max - максимальне значення; min - мінімальне значення; s- сорбційний параметр; t - параметр турбулентності.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Посунько Д.В., Грабова Т.Л. Проблема трансформации энергии в системе “твердое тело - жидкость” при тонком и супертонком диспергировании // Промышленная теплотехника. - 2001. - 23. - №4-5. - С. 74-79. (проведення експерименту, визначення ступеню дисперсності, вимірювання та обробка даних).

2. Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Грабова Т.Л. Инновационные технологии и тепломассообменное оборудование для фармацевтических производств // Промышленная теплотехника. - 2003. - 25. - приложение к №4. - С. 113-115. (проведення технологічних випробувань, участь в розробці технологічних схем).

3. Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Посунько Д.В., Грабова Т.Л. Исследование процесса диспергирования системы “твердое тело-жидкость” // Промышленная теплотехника. - 2003. - 23. - № 4. - С.74-79. (участь в проведенні досліджень, обробка експериментальних даних).

4. Круковский П.Г., Грабов Л.Н., Юрченко Д.Д., Грабова Т.Л. CFD-анализ гидродинамических процессов в роторно-пульсационном аппарате // IV Конференция пользователей программного обеспечения CAD-FEM Москва, 21-22.2004 г. - С. 272-278. (участь у розробці геометричної моделі, аналіз розрахункових даних).

5. Круковский П.Г., Грабов Л.Н., Юрченко Д.Д., Грабова Т.Л. Трехмерная CFD-модель гидродинамических процессов в реактронном аппарате // Промышленная теплотехника. - 2004. - 26. - № 4. - С. 5-12. (участь у розробці геометричної та математичної моделі, постановка початкових умов, аналіз розрахункових даних).

6. Грабова Т.Л. Воздействие ДИВЭ на свойства кремнийорганических сорбентов // Промышленная теплотехника. - 2004. - 26. - № 6, - С. 9-15.

7. Грабова Т.Л., Мурованная Л.С. Исследование теплопроводности новых кремнийорганических сорбентов // IV Межд. Конференция Пром. теплотехника, Киев, 2005, С.321-322. (обґрунтування та обробка даних).

8. Басок Б.И., Грабова Т.Л. Оценка эффектов диспергирования включений в РПА дисково-цилиндрического типа // Промышленная теплотехника. - 2006. - 28. - № 6. - С. 37-43. (проведено аналіз механізмів диспергування та оціночний розрахунок дисперсності).

Окремі аспекти дисертаційної роботи викладено в 6 тезах і 2 патентах.