CC BY
15
УДК 53.01,53.08,538.9
Т. Т. Мустаев, Л. О. Плигускин, И. В. Кузнецова,
И. И. Гильмутдинов, И. М. Гильмутдинов, А. Н. Сабирзянов
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ БЫСТРОГО РАСШИРЕНИЯ
СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ФЛЮИДНОГО РАСТВОРА ИЗ МИКРОННЫХ СОПЛОВЫХ КАНАЛОВ
НА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ И РОСТ ЧАСТИЦ
Ключевые слова: свободная струя, температура, сверхкритический флюид.
Для экспериментального измерения температурного профиля потока после выхода из соплового устройства расширения используется анализ тепловизором потока с низким коэффициентом теплопроводности и гидродинамического сопротивления. Проведена серия экспериментов исследования температурного поля в свободной струе.
Keywords: free jet, temperature, supercritical fluid.
For the experimental measurements of the temperature field of the flow after the expansion is used the thermal imager with a low coefficient of thermal conductivity and hydrodynamic resistance. A series of experiments were conducted to explore the temperature field in a free jet.
Введение
Традиционные методы диспергирования, такие как механическое воздействие, сушка распылением и выпаривание растворителя, не всегда пригодны при получении очень мелких и свободных от примесей частиц. Метод быстрого расширения сверхкритических растворов (ЯБ88) является наиболее простым в аппаратном оформлении из сверхкритических методов. Важным плюсом для промышленного использования данного метода является возможность управления процессом диспергирования путем изменения основных параметров температуры и давления в сверхкритической ячейке, а также конфигурации и размеров устройства расширения, позволяет направленно получать частицы с заданным размером частиц.
Процесс «КБ88» перспективен в области производства новых материалов и особенно важен там, где существующая технология не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Действительно, пудра, вырабатываемая в этом процессе, имеет намного более однородный гранулометрический состав, к которому предъявляют высокие требования особенно в фармацевтике, нежели та, что произведена механическим дроблением. В отличие от перечисленных методов метод «КБ88» позволяет перерабатывать высоколабильные материалы. В продукте, получаемом в «КБ88» процессе, полностью исключается содержание остаточного растворителя, что исключает необходимость дополнительных энергозатрат на его выпаривание. Важным достоинством этого процесса является и то, что он может быть реализован из раствора, содержащего два или более растворенных компонентов.
В промышленно развитых странах по этой технологии перерабатывают смеси, содержащие полиолефины, полистиролы, полиамиды, силиконовые полимеры, полиэфиры, полиакрилаты, поли-цианоакрилаты, полиметакрилаты, полицианоме-такрилаты, поликарбонаты, полидиены, виниловые полимеры, полиуретаны, полисульфоны, полиаминокислоты и другие. Метод позволяет при формиро-
вании смеси использовать и необязательные ингредиенты: стабилизаторы, красители, пламягасители, антиоксиданты, а также антистатические, антимикробные и поперечносшивающие агенты. Их содержание обычно составляет от 0,01 % до 2,0 % весовых. Компанией THAR (США), PHASEX (США), bpd (Великобритания) разработаны высокоэффективные технологии формирования частиц вещества. Так же в США и в некоторых странах Западной Ев-ропы(Германия, Франция) метод RESS применяется для получения нестабильных лекарственных препаратов. Так же исследован процесс RESS, где эта технология используется для покраски поверхностей (например, в автопромышленности)/
Экспериментальная часть
В процессе RESS (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].
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 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.
13 3 12 5 7 10 2 8 9 11
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
В процессе RESS в области свободной струи происходит три важных процесса 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].
Для того чтобы определить распределение температуры в струе диоксида углерода при расширении был применен способ термической визуализации. Измерения проводились в нагретой струе чистого диоксида углерода без добавления полимера. Для экспериментов был использован тепловизор инфракрасный Fluke Ti-25 (свидетельство о поверке № 207/13-2561). Непосредственно под соплом вертикально была установлена пластиковая пластина толщиной 15мм. Сверхкритический диоксид углерода, расширяясь в атмосферу через сопло, попадает на металлическую пластинку, у которой, в свою очередь, изменяется температурное поле. Это изменение отмечается с помощью тепловизора .
На рис.2 показано тепловое изображение, полученное с помощью тепловизора.
Нижний предел измерений тепловизора 243 К, в центре свободной струи температура ниже указанного предела. Для исследования температурного поля в центре струи расширяющегося потока углекислого газа использовалась хромель-копелевая термопара. Изменяя место положения термопары, измеряем температуру в любой исследуемой точки расширяющегося потока. Рамка с термопарой устанавливается по центру сопла и далее измерение температуры потока происходит с помощью прибо-
ра ТРМ 200. После чего рамка пошагово перемещается и процесс повторяется.
IR004566.IS2
Рис. 2 - Тепловое изображение, полученное с помощью тепловизора Fluke Ti-25
При использовании термопар, было подтверждено, что температура в центре сопла составляла 213 К.
Результаты
Параметры проведения процесса с использованием второго метода термической визуализации представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Условия проведения процесса RESS
Тем-ра
уст- Дав-
Тем-ра ройст- ле-
№ насытите- ва рас-шире- ние в сис- L/D мкм
ля, К ния К теме, МПа
1. 10
2. 15
3. 323 343 20 2000/150
4. 25
5. 30
6. 35
7. 313
8. 323 2000/150
9. 323 333 25
10. 343
11. 353
Данные полученные с помощью тепловизора в серии экспериментов №1-11 при параметрах процесса^ =10-35 МПа, ^=323 К, ^=343 К; P =25 МПа, ^^=323, ^=313-353 К, позволили получить профили температур вдоль оси x. На рис 3 представлены зависимость изменения температуры по направлению движения потока при изменении давления эксперимента. На рис 4 представлены зависимости изменения температуры по направлению движения потока вдоль осевой линии при различных температурах соплового устройства расширения.
Рис. 3 - Зависимость изменения температуры свободной струи вдоль осевой линии при изменении давления процесса
290
280
270
260
250
240
т,к
-* T
jay ■iv XT
J*AX* X ШШЖ+ XI
0 200 400 600 800
=313 к
=323 К
=333 К
=343 К
=353 К
x/D
Рис. 4 - Зависимость изменения температуры свободной струи вдоль оси расширения при изменении температуры устройства расширения
Из полученных результатов можно сделать вывод, что в процессе ИБ88 температура свободной струи С02 после выхода из соплового устройства вдоль оси расширения всегда охлаждается ниже -300С. Учитывая высокую скорость потока (порядка 300 м/с) диоксид углерода переходит в твердую фазу, а растворенные в нем субстанции «замерзают» вмести с ним, что приводит к образованию области торможения роста частиц (число Кнудсена стремиться к нулю). Дальнейшее расширение потока сопровождается со смешением с фоновым газом, который имеет комнатную температуру. Это приводит к росту температуры потока, вследствие чего
диоксид углерода переходит в газовую фазу и рост частиц восстанавливается. Что и было продемонстрировано в нашей работе [1] (рис. 5).
ибупрофен
Расстояние от канала, мм
Рис. 5 - Зависимость расстояния от канала на средний размер частиц [1]
Поток диоксида углерода после области торможения роста частиц уже имеет более низкую скорость и низкую плотность. Поэтому именно в этой области начинает переобладать коагуляционный рост частиц над гомогенным зародышеобразовани-ем и конденсацией.
При переходе из жидкого состояния в газообразное потребляется много тепла, температурный профиль будет давать информацию о том, где этот переход происходит. Такая информация представляет интерес, так как это может свидетельствовать о пути процесса на фазовой диаграмме и, возможно, ответит на вопрос, как возникают капли жидкого С02 в устройстве расширения.
Благодарность Работа выполнена в рамках Соглашения №14-08-31319\14 от 14.02.2014 с федеральным государственным бюджетным учреждением «Российский фонд фундаментальны исследований»
Литература
1. Кузнецова И.В. Гидродинамика и зародышеобразова-ние в канале и свободной струе в процессе быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А.Мухамадеев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета, №1, 111-118 (2012)
2. Кузнецова И.В. Диспергирование ибупрофена методом быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, Р.Р. Илалов, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета, №3, 38-43,(2011).
а 0
© Т. Т. Мустаев - студ. гр. 2211-81 КНИТУ, [email protected]; Л. О. Плигускин - студ. гр. 2211-81 КНИТУ; И. В. Кузнецова - к.т.н. доц. каф. ТОТ КНИТУ, [email protected]; И. И. Гильмутдинов - к.т.н. ассистент той же кафедры, [email protected]; И. М. Гильмутдинов - к.т.н. доцент той же кафедры, [email protected]; А. Н. Сабирзянов -проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, [email protected].
© T. T. Mustaev - student gr. 2211-81 KNRTU, [email protected]; L. O. Pliguskin - student gr. 2211-81 KNRTU; 1 V. Kuznetsova - Ph.D. assistant of professor KNRTU, [email protected]; I. I. Gilmutdinov - Ph.D. assistant KNRTU, [email protected]; I. M Gilmutdinov - Ph.D., assistant of professor, lead engineer TSVRP KNRTU, [email protected]; A. N. Sabirzyanov - Prof. of the Department of Thermal Engineering theoretical foundations KNRTU, [email protected].
