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

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

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 (, , 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)