авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Моделирование изогидрической кристаллизации медицинского витамина b1 из водно-этанольных растворов в кристаллизаторе непрерывного действия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЦАТУРОВ Виталий Аркадьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗОГИДРИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКОГО ВИТАМИНА B1 ИЗ ВОДНО-ЭТАНОЛЬНЫХ РАСТВОРОВ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.17.08.- Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2010

Работа выполнена в ГОУВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре “Процессы и аппараты химической технологии”.

Научный - кандидат технических наук, доцент

руководитель: Сливченко Евгений Сергеевич

Официальные - член-корреспондент РААСН,

оппоненты: доктор технических наук,

профессор Федосов Сергей Викторович

- доктор технических наук, профессор

Носов Геннадий Алексеевич

Ведущая - федеральное государственное унитарное

организация: предприятие “ИРЕА”, г. Москва

Защита состоится «26» апреля 2010 г. в 10 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « » марта 2010 г.

Ученый секретарь Зуева Г.А.

совета Д 212.063.05

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Несмотря на достигнутые успехи в изучении процессов массовой кристаллизации из растворов и использование системных методов их исследования с применением средств вычислительной техники, задача проектирования и расчета высокоэффективных кристаллизаторов интенсивного действия для получения кристаллического продукта с заданными показателями продолжает оставаться актуальной.

В полной мере это относится к процессу кристаллизации медицинского тиаминбромида (МТБ) - витамина B1, потребности в котором значительно превышают существующие мощности, а его качество не всегда соответствует фармакопее, что вызывает необходимость проведения многократной перекристаллизации, отрицательно сказывающейся на экономических показателях производства.

Для решения существующих проблем необходим переход от периодического к непрерывному процессу, на который держит курс химико-фармацевтическая промышленность. Данный переход требует разработки устойчиво функционирующих, многоступенчатых схем кристаллизатора с учетом специфики фазового перехода и кристаллизационной системы.

В диссертационной работе на примере изогидрической кристаллизации МТБ из водного раствора методом высаживания этиловым спиртом нами рассматривается технологическая схема прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора непрерывного действия, каждая ступень которого в свою очередь состоит из каскада последовательно включенных аппаратов полного смешения (АПС) и аппарата полного вытеснения (АПВ). Эта схема, по нашему мнению, не только позволит обеспечить осуществление непрерывного процесса и повысить выход, но и на базе его основных кинетических функционалов (скорости образования и роста кристаллов), а также частных (валовая скорость фазообразования 3; показатели однородности /, дисперсности /, чистоты /3 и свойств /3 кристаллов; кластер- и мезофаза - границы спонтанной кристаллизации системы по ее переохлаждению Т1 и Т2) получить целевой кристаллический продукт необходимого качества и гранулометрического состава.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с одним из научных направлений кафедры ПАХТ “Разработка новых высокоинтенсивных гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление” в рамках тематического плана НИР Ивановского государственного химико-технологического университета на 2006-2010 г.

Цель работы - разработка методики инженерного расчета устойчиво функционирующего прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора “смешение-вытеснение” непрерывного действия, обеспечивающего заданный выход МТБ, требуемого гранулометрического состава, при минимальном времени снятия пересыщения раствора.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка математического описания непрерывного процесса кристаллизации из растворов в прямоточном, многоступенчатом кристаллизаторе “смешение-вытеснение” на основе скорости изменения концентрации пересыщенного раствора dC/d, а также скоростей образования и роста кристаллов;

- экспериментальное исследование кинетики процесса кристаллизации системы “МТБ-H2O-C2H5OH ”;

- расчет положения и величины экстремума основных и частных кинетических функционалов процесса;

- разработка методики построения границ устойчивости процесса кристаллизации в АПС, работающего в стационарном режиме;

- обоснование основных этапов методики инженерного расчета прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора “смешение-вытеснение” непрерывного действия.

Научная новизна:

1. Разработаны математическая модель прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора “смешение-вытеснение” непрерывного действия на основе скорости изменения концентрации пересыщенного раствора dC/d при изогидрической кристаллизации МТБ из водного раствора методом высаживания этиловым спиртом, а также математическая модель непрерывной кристаллизации из растворов на базе баланса масс и числа кристаллов, моментов функции их распределения по размерам, соответствующей виду Розина-Раммлера.

2. Экспериментально установлены зависимости скоростей образования , роста кристаллов и изменения концентрации пересыщенного раствора dC/d от технологических параметров процесса кристаллизации для системы “МТБ-H2O-C2H5OH”. Осуществлена унификация классической математической модели скоростей образования и роста кристаллов Фольмера-Френкеля и получен ее явный вид для исследуемой системы.

3. Разработана универсальная методика построения границ устойчивости процесса кристаллизации в АПС, работающего в стационарном режиме.

4. Разработан метод оптимизации непрерывного процесса кристаллизации на основе кинетико-экономического критерия (КЭК) (положение и величина экстремума кинетического функционала ).

Практическая ценность:

1. Разработана методика инженерного расчета прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора “смешение-вытеснение” непрерывного действия.

2. Выявлены рациональные маршрутные и структурно-режимные параметры непрерывного процесса кристаллизации МТБ и области устойчивой работы кристаллизатора.

Автор защищает:

1. Математическую модель прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора “смешение-вытеснение” непрерывного действия на основе скорости изменения концентрации пересыщенного раствора dC/d при изогидрической кристаллизации МТБ из водного раствора методом высаживания этиловым спиртом, а также математическую модель непрерывной кристаллизации из растворов на базе баланса масс и числа кристаллов, моментов функции их распределения по размерам, соответствующей виду Розина-Раммлера.

2. Результаты физического эксперимента по исследованию кинетики процесса кристаллизации системы “МТБ-H2O-C2H5OH” и унифицированную классическую математическую модель скоростей образования и роста кристаллов Фольмера-Френкеля.

3. Методику инженерного расчета прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора “смешение-вытеснение” непрерывного действия.

4. Результаты численного эксперимента по оптимизации процесса кристаллизации МТБ в прямоточном, многоступенчатом кристаллизаторе “смешение-вытеснение” непрерывного действия.

5. Универсальную методику построения границ устойчивости процесса кристаллизации в АПС, работающего в стационарном режиме.

6. Результаты численного эксперимента по оценке устойчивости режимов работы кристаллизатора непрерывного действия.

7. Предлагаемую аппаратурно-технологическую схему кристаллизационной установки для непрерывной кристаллизации из растворов методом высаживания

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XX Международная научная конференция “Математические методы в технике и технологии ММТТ - 20” (Ярославль, 2007); XXI Международная научная конференция “Математические методы в технике и технологии ММТТ - 21” (Саратов, 2008); V Международная научная конференция “Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины” (Иваново, 2008); XXII Международная научная конференция “Математические методы в технике и технологии ММТТ - 22” (Псков, 2009).

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 10 опубликованных печатных работах, 2 статьи в журнале из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан краткий обзор литературы, посвященный основным положениям теории кристаллизации, проблемам математического описания гранулометрического состава кристаллизуемого продукта, математического моделирования непрерывной кристаллизации из растворов в кристаллизаторах полного смешения (вытеснения), оптимизации кристаллизационных установок непрерывного действия.

Анализ существующих теорий образования и роста кристаллов показал, что наиболее перспективной для достоверного описания процесса кристаллизации, по нашему мнению, на сегодняшний день является классическая термодинамическая молекулярно-кинетическая теория образования новой фазы Фольмера-Френкеля, отражающая противоборство конкурирующих термодинамической движущей силы и вязкости кристаллизационной системы ( и в координатах “()- переохлаждение T” проходят через максимум (рис. 1)).

Самый распространенный в настоящее время подход к построению моделей для описания функции распределения частиц по размерам f(x) основывается на уравнениях баланса числа частиц. Полученный таким образом вид зависимости f(x), соответствующий модели Розина-Раммлера, наиболее адекватно характеризует гранулометрический состав при узком распределении кристаллов по размерам в промышленных и лабораторных кристаллизаторах.

Рассмотрение вопроса математического моделирования непрерывного процесса кристаллизации из растворов в кристаллизаторах полного смешения (вытеснения) выявило, что существующие стохастические и феноменологические математические модели обладают целым рядом недостатков, что зачастую делает их несостоятельными с точки зрения решения инженерных задач.

В следующем разделе первой главы освещаются проблемы оптимизации кристаллизационных установок непрерывного действия. Общепринятые критерии оптимальности не принимают во внимание такой фактор как область максимальных значений и (рис.1), учет которой позволит существенно влиять на экономику и качество получаемого кристаллического продукта. Это требует, по нашему мнению, применения более прогрессивного метода оптимизации на основе КЭК, который отражает T, соответствующее области максимальных значений и .

В выводах по первой главе сформулированы основные задачи и направления исследований диссертационной работы.

Вторая глава посвящена математическому моделированию непрерывного процесса кристаллизации из растворов в прямоточном, многоступенчатом кристаллизаторе “смешение-вытеснение”.

В первом разделе второй главы представлена математическая модель прямоточного кристаллизатора на базе dC/d (при изогидрической кристаллизации из растворов с применением высаживающего агента), выражение для которой можно представить в следующем общем виде:

. (1)

Тогда выражения для объемов кристаллизаторов полного смешения и вытеснения запишутся следующим образом:

, (2) . (3)

Далее рассматривается вариант комбинированного кристаллизатора, в котором АПВ используется для увеличения выхода и размера продукта. Суммарный приведенный с учетом разной удельной стоимости АПС и АПВ объем кристаллизатора по схеме, представленной на рис. 2, будет иметь следующий вид:

. (4)

Функция (4) имеет экстремум (минимум) при некоторых значениях Ci, где i=1,2,3…k. Значения Ci, соответствующие экстремуму функции (4), находятся в результате последовательного дифференцирования уравнения (4) по Ci при условии .

Суммарный приведенный с учетом разной удельной стоимости АПС и АПВ объем комбинированного кристаллизатора напрямую связан с приведенным временем пребывания раствора в нем, по минимальному значению которого определяется оптимальное число АПС в каскаде.

Данная модель решает задачу выбора оптимальной схемы кристаллизатора, игнорируя при этом гранулометрию получаемого продукта. Поэтому математическое моделирование кристаллизатора с учетом распределения кристаллов продукта по размерам является последующей задачей.

Далее представлена математическая модель прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора полного смешения непрерывного действия, которая, предполагая любой вид кинетических зависимостей и , а также представление f(x) уравнением Розина-Раммлера, приемлема для любых типов фазового перехода и систем. Принимая, что кристаллизатор, для которого мы составляем математическую модель, является 1<i<k АПС, а также допуская, что размер “зародышевого” кристалла равен нулю, отсутствуют сопутствующие процессу явления и “закон” Мак-Кейба, на базе материального баланса по раствору и дифференцирования во времени l-го унифицированного момента f(x) Ml при l = 0,1,2,3 ( при l = 0,1,2,3 характеризует число, размер, поверхность и объем твердой фазы) получаем систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику массообмена и ансамбля частиц полидисперсной среды в рассматриваемом кристаллизаторе:

. (5)

Стационарные решения системы (5) связаны с идентификацией f(x) каждой ступени при условии, что левые части уравнений равны нулю. Предполагая, что =0·xb, выражение для f(x) в каждом АПС можно представить спектром распределения (6), каждое из которых характеризуется набором xe:

. (6)

Уравнение (6) является стационарным решением уравнения баланса числа частиц, что позволяет, в конечном итоге, рассчитать остальные неизвестные члены системы (5). Предлагаемая математическая модель определяет основные характеристики процесса кристаллизации: характерный размер и общее число кристаллов, например. Данную модель можно использовать и при проведении дополнительных исследований процесса: с целью изучения устойчивости и стабильности работы кристаллизатора. При этом необходимо иметь информацию о значениях и .

В третьей главе приведено описание экспериментальных исследований кинетики кристаллизации системы “МТБ-H2O-C2H5OH”, предложена унифицированная классическая математическая модель и .

 Для изучения кинетики кристаллизации (,-10

Для изучения кинетики кристаллизации (, , dC/d) использовалась лабораторная установка периодического действия, представленная на рис. 3. Установка состоит из кристаллизационного контура (левая ветвь – АПВ, правая - АПС) и работает следующим образом: в бесконечном трубопроводе (1) при помощи мешалки (2), приводимой в движение электродвигателем (8),  поддерживается циркуляция водно-спиртового раствора МТБ, охлаждаемого теплообменниками (3).

В процессе охлаждения из системы через буфер (4) периодически производился отбор проб раствора для определения его пересыщения, а также анализа гранулометрического состава осадка.

Значения dC/d оценивались по изменению концентрации раствора, – по изменению общего числа частиц, – по изменению размера частиц с течением времени.

Интервалы варьирования параметров , , dC/d: C=0,1-26 масс%, Cт=0-28 масс%, Re=1000-25000, x=2·10-6-250·10-6 м, Ссп=0-99,8 масс%, T=243-343K.

В результате обработки полученных экспериментальных данных по кинетике кристаллизации системы “МТБ-H2O-C2H5OH” были установлены следующие зависимости , , dC/d от варьируемых параметров:

масс% /с (7)

, шт/кг·с (8)

. м/с (9)

Достоверность результатов уравнений (7), (8) и (9) оценивалась по критерию Фишера. Максимальная ошибка расчетных значений по dC/d составила 17%, средняя – 8%; максимальная ошибка расчетных значений по – 23%, средняя – 12%; максимальная ошибка расчетных значений по – 11%, средняя – 5%.

Проверка на адекватность уравнений (7), (8) и (9) в промышленном кристаллизаторе доказала их состоятельность.

Далее, как попытка разработки универсального метода расчета положения и величины максимумов и , который позволит оценивать природный потенциал различных кристаллизационных систем, представлена математическая модель и , основанная на классической термодинамической молекулярно-кинетической теории образования новой фазы Фольмера-Френкеля для гомогенной кристаллизации. Обработка обширного экспериментального материала по кинетике массовой кристаллизации в системе “кристалл - раствор” (в том числе “МТБ-H2O-C2H5OH”) показала преемственность унифицированной нами модели и Фольмера-Френкеля в виде:

, (10)

, (11)

где , , , . (12)

Анализ явного вида уравнений (10) и (11) показал: 1) рост T0 сдвигает положение экстремума в сторону увеличения и повышает его величину, а рост A/D сдвигает положение экстремума в сторону уменьшения; 2) численные значения L(B), Y, Z, K(K) зависят от природы системы; 3) ряд T, при которых принимают экстремальные значения, имеет следующий вид (у безводной соли T1 > Tmax): Тmax > Т/max=Т/min > T/3min > Т2 > Т3max> Тmax=Т/3min > Т1. (13)



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.