CC BY
37
Инженерно-технические науки Engineering-technical sciences
УДК 66.01
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ОБОЛОЧЕК ИЗ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТАРЕЛЬЧАТОМ ГРАНУЛЯТОРЕ
А.С. Кувшинова, А.Г. Липин Ивановский государственный химико-технологический университет
Представлены результаты исследования процессов, протекающих при образовании капсул из водорастворимых полимеров на поверхности дисперсных материалов. Рассматривается математическая модель процесса капсулирования дисперсного материала на тарели гранулятора с применением инфракрасного нагрева.
Ключевые слова: капсулирование, математическое моделирование, тарельчатый гранулятор.
Существует ряд возможных методов процесса капсулирования, например, поликонденсация и полимеризация, отверждение расплавов в жидких средах, распылительная сушка, капсулирование с помощью заряженных пленок, напыление, напрессо-вание, экструзия, и т.д. В производствах используется комбинирование различных методов, которое определяется качеством оболочек, вводимыми капсулянтами и другими параметрами [1,2].
Для осуществления процесса капсулирования достаточно часто приметают выпускаемые промышленностью тарельчатые грануляторы, имеющие большие возможности управления и контроля кап-сулообразования, обладающие компактностью, экономичностью и требующие невысоких капитальных вложений.
Одним из наиболее часто отмечаемых недостатков является сложность организации процессов тепло-массообмена в тарельчатом грануляторе, поэтому предлагается использовать инфракрасный нагрев, который исключает потери теплоты и унос материала с отработанным теплоносителем, что имеет место при конвек-
тивном теплоподводе газообразным теплоносителем.
Различные виды высокомолекулярных соединений находят широкое применение во многих отраслях промышленности, в том числе и водорастворимые полимеры такие как: эфиры целлюлозы, полиакриламид и его сополимеры, поливиниловые спирты и другие. Получение из водорастворимых полимеров жестких и эластичных, лишенных запаха и не проницаемых для большинства газов пленок, обладающих определенной механической прочностью дает возможность приметать данные высокомолекулярные соединения как капсулирующие агенты.
Непременным условием равномерности покрытия гранул оболочкой является одинаковое время обработки материала. В данном случае рассматривается математическое описание процесса капсулирования дисперсных материалов в тарельчатом грануляторе, осуществляемого в периодическом режиме при использовании в качестве плёнкообразующего вещества водного раствора полимера. Отверждение жидкостной плёнки на гранулах происходит за счёт испарения растворите-
ля под действием инфракрасного излучения. При этом поверхность испарения, равная поверхности гранул, закрытой плёнкой, изменяется во времени. Таким образом, процессы тепло-массообмена оказываются зависимыми от процесса распределения плёнкообразующего вещества по поверхности обрабатываемых частиц.
Математическое описание включает уравнения массоотдачи, материального, теплового балансов в дифференциальной форме, уравнения, характеризующие изменение средней степени покрытия частиц во времени и дополняющие соотношения.
Уравнение материального баланса по влаге запишется:
—=Ор Св-^сп, (1)
СІТ
где шв - масса влаги, содержащейся в плёнке; Ор - массовый расход раствора плёнкообразующего вещества; Св - массовая доля воды в растворе; ]исп - массовый поток испаряющейся влаги; т - время.
Массу влаги в плёнке выразим через массу сухого вещества и влагосодержание:
тв — тс.пл ’ и, (2)
где и - абсолютная влажность плёнки.
Начальное влагосодержание определяется из выражения:
и0=с;/(1-с;), (3)
где С® - исходная массовая доля воды в растворе полимера.
Подставим выражение (2) в левую часть уравнения (1):
Ш
<1тв _ у с1тС Пд
"*"тс.пл' , (4)
ат
СІТ СІТ
Масса плёнкообразующего вещества на гранулах изменяется во времени:
тс.пл=Ор-(і-С=)-т. (5)
Таким образом, изменение массы влаги в пленке во времени определится:
^ = иСр(і-С“)+Ср(і-С“)т— • (6) сІт р у в/ р у в/ ат
Формулу (6) подставим в уравнение (1):
сР (1-с“) т ^=ср св-]исп-и ср-и-
т > о. (7)
Отметим, что уравнение (7) справедливо для т > 0, так как при т = 0 плёнки ещё не существует.
Количество влаги, испаряющейся за единицу времени, находим по уравнению массоотдачи:
Ьсп = Рр • рм • хп • (РП - РС ) > (8) где |3р — коэффициент массоотдачи; Рм -поверхность материала; хп - средняя степень покрытия частиц; Р с, Р п - парциальные давления водяных паров в воздухе и над поверхностью раствора полимера.
Под степенью покрытия понимают долю поверхности частиц, закрытую плёнкообразующим веществом. Изменение средней степени покрытия хп частиц во времени характеризуется уравнением
^ = А,(хп,т), (9)
ск
где А,(хп,т)- скорость роста степени покрытия.
Допустим, что скорость роста степени покрытия пропорциональна числу капель пк производимых форсункой в единицу времени, доле поверхности гранул свободной от покрытия (1 — хп) и обратно пропорциональна числу обрабатываемых частиц ]ЧГч:
~Г“'Лхп • (1-хп), (10)
А-(хп,т):
где Дхп - доля поверхности частицы, закрываемой при попадании на неё одной капли жидкой фазы.
Принимая допущение о монодисперсности капель покрывающего вещества и, вводя понятие коэффициента растекания Кр, равного отношению поверхности участка закрываемой одной каплей к её миде-леву сечению до растекания, формулу (10) можно записать в виде:
„ Га \2
N.
-*кп V *^Ч у
(1-Хп), (П)
где с1кп — средний диаметр капель, с1ч -средний диаметр частиц.
Подразумевается, что коэффициент растекания к р учитывает и явление контактного
переноса при соударении двух частиц.
Выражение (11) можно представить в более компактном виде, вводя эмпирический коэффициент, зависящий от гидродинамического режима работы форсунки и свойств капсулируемого материала
А,(хп,т) = кг(1-хп). (12)
Таким образом, изменение средней степени покрытия хп во времени характеризуется уравнением: с1х,
СІТ
(13)
Давление насыщенных паров растворителя над поверхностью раствора плёнкообразующего вещества будет зависеть от температуры обрабатываемого материала (температуры плёнки и частиц принимаем одинаковыми), которая определяется из уравнения теплового баланса в дифференциальной форме:
(тм • см + тслл • спл + тслш • и • св) • ^
= <2ик-.1исп-г* +а-рм -(^-'О, (14)
где тм - масса слоя обрабатываемого материала, СМ,СПЛ,СВ — теплоёмкости материала, плёнкообразующего вещества и воды; 1 - температура материала; Оик -
поток теплового излучения; г - теплота парообразования; а- коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; 1:с - температура окружающей среды.
Поверхность частиц материала Рм рассчитываем по формуле:
Рм = 6шм /(с1ч Рч) • (15)
Таким образом, система уравнений (7), (8), (13), (14) представляет собой математическое описание процесса формирования защитной оболочки на поверхности дисперсных материалов.
На рис.1, представлены некоторые результаты математического моделирования процесса капсулирования в лабораторном тарельчатом грануляторе. Защитная оболочка формировалась из 5% водного раствора поливинилового спирта на поверхности гранул со средним диаметром 2 мм.
Согласно приведенным зависимостям, с увеличением диаметра капли уменьшается средняя степень покрытия, увеличивается влагосодержание пленки и температура обрабатываемого материала.
Предложенное математическое описание, программно реализованное в пакете МаШСАБ, позволяет прогнозировать изменение температуры, среднего относительного содержания влаги в плёнке и средней степени покрытия частиц во времени процесса.
а)
Хп
х, с
б) I, °С
х, с
Рис.1. Зависимости: а - средней степени покрытия хп и массовой доли воды Св в плёнке, б - температуры материала от времени процесса:
0ИК = 320 Вт; 1 - а™ = 50-10 6 м; 2 - = 100-10 6 м; 3 - акп = 150-10 6 м; Св = И/(1 + И)
Проведенные эксперименты подтвердили правильность прогнозирования режимных параметров, обеспечивающих устойчивое протекание процесса без слипания частиц и формирование полимерной капсулы. Получены образцы капсулиро-ванных материалов с оболочками из полиакриламида, поливинилового спирта, ме-тилоксипропилцеллюлозы.
Разработана методика определения режимно-технологических параметров процесса капсулирования зернистых материалов в полимерные водорастворимые оболочки.
Исходными данными для расчета являются диаметр гранул, массовая доля покрытия, состав (концентрации компонентов) раствора пленкообразующего вещества, теплофизические свойства материала. Также задаются требуемыми величинами влагосодержания пленки иф0гь средней степени покрытия Хплреб, максимально допустимой температурой обработки материала 1прол.
Расчет проводится в следующей последовательности.
1. Задаются значением теплового потока от источника ИК-излучения в интервале <Зик=30(Н400 Вт/м2 (по опытным данным) и решают уравнения математической модели (7), (8), (13), (14) для слоя частиц с целью определения конечных
*
влагосодержания пленки и и средней
*
степени покрытия частиц хп, максимальной температуры материала в процессе обработки 1шах.
Средний диаметр капель, производимых форсункой, определяется по уравнению [3]:
dKn = 585'10^ + 53,4(^^)°’45 . (16)
Wr 'VРж л/Рж-о
2. Проверяем выполнение ограничительных неравенств. Если температура до которой прогревается материал tmax больше предельно допустимой tnpeA, то следует уменьшить мощность источника ИК - излучения.
Если степень покрытия хп не достигла требуемой величины, можно понизить концентрацию раствора пленкообразующего вещества или уменьшить диаметр капель, применив более эффективный распылитель.
Если конечная влажность продукта
*
U выше регламентированной Ц^б, следует увеличить время обработки или мощность ИК-источника, расчет повторить.
Разработанная на базе предложенной математической модели методика расчета позволяет прогнозировать рациональные значения параметров процесса капсулообразования гранул в тарельчатом грануляторе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зайцев А.И., Сидоров В.Н., Бытев Д.О. Оборудование для нанесения оболочек на зернистые материалы. - М., 1997. - 272с.
2. Солодовник В.Д. Микрокапсулирование. - М.: Химия, 1980. -216с.
3. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распиливания жидкостей. - М.: Химия, 1984. - 256с.
Рукопись поступила в редакцию 01.06.2011.
MODELING THE PROCESS OF COVERS FROM WATER-SOLUBLE POLYMERS FORMING ON THE SURFACE OF DISPERSE MATERIALS IN PLATE GRANULATOR
A. Kuvshinova, A. Lipin
The processes progressing by forming the capsules from water-soluble polymers on the surface of disperse materials are investigated, the results are offered. The mathematical model of disperse materials capsulation process on the granulator plate with the use of infrared heating.
Keywords: capsulation, mathematical modeling, plate granulator.
