CC BY
20
УДК 533.1, 536.75
И. В. Кузнецова, И. И. Гильмутдинов, И. М. Гильмутдинов, А. А. Мухамадиев, А. Н. Сабирзянов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА ЧАСТИЦ В СВОБОДНОЙ СТРУЕ В ПРОЦЕССЕ ИСТЕЧЕНИЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ФЛЮИДНОГО РАСТВОРА ИЗ МИКРОННЫХ СОПЛОВЫХ КАНАЛОВ
Ключевые слова: Зародышеобразование, свободная струя, микронные сопловые каналы, эксперимент, температурное поле в
свободной струе, термическая визуализация.
Исследовался процесс зародышеобразования и роста частиц в свободной струе при истечении сверхкритического флюидного раствора из микронных сопловых каналов. Способом термической визуализации получен температурный профиль потока после выхода из соплового устройства.
Keywords: Nucleation, free jet, micron nozzle channels, experiment, temperature field in a free jet, thermal imaging.
Studied the process of nucleation and growth ofparticles in a free jet at the end of supercritical fluid solution of micron nozzle channels. Obtained by the method of thermal imaging temperature flow profile after exiting the nozzle device.
Одним из методов получения фармацевтических препаратов высокой чистоты является метод быстрого расширения сверхкритических растворов (RESS процесс). В процессе RESS в области свободной струи происходит три важных механизма образования и роста частиц: образование критических ядер, конденсация и коагуляция, на которые влияют такие параметры, как плотность, давление, температура, скорость и явления в процессе истечения: турбулентность, ударные волны, смешение с фоновым газом. Механизмы образования и роста частиц мало изучены вблизи и при переходе через ударные волны, диск Маха в связи со скачкообразным изменением термодинамических параметров и механическим взаимодействием растущих частиц с ударными волнами. Для экспериментального измерения температурного профиля потока после выхода из соплового устройства расширения используется анализ тепловизором потока с низким коэффициентом теплопроводности и гидродинамического сопротивления [1]. Проведена серия экспериментов исследования температурного поля в свободной струе при параметрах процесса: P =10-35 МПа, ^=323 К, Tw=343 К; P =25 МПа, ^=323^=313-353 К.
Для проведения опытов в настоящей работе использована модернизированная установка RESS-100-2 Base (рис. 1) фирмы Thar Technologies Inc. Установка RESS-100-2 Base включает в себя: насос высокого давления, теплообменник охлаждения СО2, электронагреватель, насытитель со смотровым окном и мешалкой, устройство расширения, сборник частиц, систему контроля и защиты. Установка обладает следующими техническими
характеристиками: рабочее давление 6 ч 60 МПа (с мешалкой до 40 МПа); номинальный массовый расход сверхкритического растворителя 8^10-4 кг/с (пиковое значение расхода может достигать 1,6^10-3 кг/с); рабочая температура от комнатной до 393 К.
Чтобы определить распределение температуры в струе диоксида углерода при расширении был применен способ термической визуализации. Измерения проводились в нагретой струе чистого диокси-
да углерода без добавления полимера. Для экспериментов был использован тепловизор инфракрасный FlukeTi-25(свидетельство о поверке № 207/132561). Параметры проведения процесса представлены в табл. 1.
1L ХМ Л Ж Я 2- JL iJL
Рис. 1 - Экспериментальная установка TharRESS-100-2 Base: 1 - насытитель; 2 - мешалка; 3 - термостат; 4,7,8 - вентиль; 5 - расходомер; 6 - насос высокого давления; 9 - устройство расширения; 10 - теплообменник на нагрев (электронагреватель); 11 - камера расширения; 12 - теплообменник - охладитель; 13 - баллон с СО2
Таблица 1 - Условия проведения процесса RESS
№ Тем-ра насыти-теля, К Тем-ра устройства расширени-яК Давление в системе, МПа L/D мкм
1 2 3 4 5
1 10
2 15
3 323 343 20 2000
4 25 150
5 30
6 35
7 313
8 323 2000 150
9 323 333 25
10 343
11 353
В процессе КБ88 (рис. 1) первоначально твердое вещество растворяется в сверхкритическом флюиде, затем расширяется в атмосферные условия через нагреваемое расширительное устройство. В результате больших пресыщений образуется большое количество стабильных зародышей, способных к дальнейшему росту. При сбросе растворитель переходит в газообразное состояние, а вещество осаждается в виде мелкодисперсного аэрозоля на пластину [2]. Непосредственно под соплом вертикально была установлена пластиковая пластина толщиной 15мм. На рис. 2 показано тепловое изображение, полученное с помощью тепловизора в эксперименте №1.
г? 2,1 -60 -50 -10 -30 -20 -10 -0 —10 —го -30,0 •с
IR004566.IS2
Рис. 2 - Тепловое изображение, полученное с помощью тепловизора
движения потока при изменении давления эксперимента. На рис 4 представлены зависимости изменения температуры по направлению движения потока при различных температурах соплового устройства расширения.
Рис. 4 - Зависимость изменения температуры свободной струи при изменении температуры устройства расширения
Нижний предел измерений тепловизора 243 К, в центре свободной струи температура нижу указанного предела. Экспериментальный анализ поля температуры в потоке позволят идентифицировать геометрию боковых ударных волн и диска Маха по скачкообразному изменению температуры, а также будет использованно для математического описания процесса истечения сверхкритического диоксида углерода из каналов микронного размера.
Работа выполнена в рамках Соглашения №14-08-31319\14 от 14.02.2014 с федеральным государственным бюджетным учреждением «Российский фонд фундаментальны исследований».
Литература
1. И.В. Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмут-динов, А.А.Мухамадеев, А.Н. Сабирзянов. Гидродинамика и зародышеобразование в канале и свободной струе в процессе быстрого расширения сверхкритического раствора Вестник Казанского технологического университета (2012) С.111-118. И.В. Кузнецова, Р.Р. Илалов, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов. Диспергирование ибупрофена методом быстрого расширения сверхкритического раствора Вестник Казанского технологического университета (2011), С.38-4
2.
Рис. 3 - Зависимость изменения температуры свободной струи при изменении давлениях процесса
Данные полученные тепловизоров в серии экспериментов №1-11 при параметрах процесса:Р =10-35 МПа, Тнас=323 К, Тур=343 К; Р =25 МПа, Тнас=323Тур=313-353К позволили получить профили температур вдоль оси x. На рис. 3 представлены зависимость изменения температуры по направлению
© И. В. Кузнецова - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, Irina301086@gmail.com; И. М. Гильмутдинов - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ; И. И. Гильмутдинов - канд. техн. наук, асс. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ; А. А. Мухамадиев - канд. техн. наук, доц. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ; А. Н. Сабирзянов - д-р техн. наук., проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ.
© I. V. Kuznetsova - Associate Professor the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", KNRTU; I. M. Gilmutdinov - PhD. the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", KNRTU, gilmutdinov@kstu.ru, I. I. Gilmutdinov - Associate Professor the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", KNRTU; A. A. Muhamadiev - Associate Professor the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", KNRTU; A N. Sabirzyanov - PhD. the Department "Theoretical Foundations of Thermal Engineering", KNRTU.
