Моделирование изогидрической кристаллизации медицинского витамина B1 из водно-этанольных растворов в кристаллизаторе непрерывного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Цатуров, Виталий Аркадьевич

• Цатуров, Виталий Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цатуров, Виталий Аркадьевич

Список условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.;.Д

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Основные положения теории кристаллизации.

1.2 Математическое описание формирования гранулометрического состава кристаллизуемого продукта.

1.3 Математическое моделирование непрерывного процесса кристаллизации из растворов в кристаллизаторах полного смешения и вытеснения.

1.4 Оптимизация кристаллизационных установок непрерывного действия.

1.5 Выводы по литературному обзору и постановка задач исследований.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО

ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ РАСТВОРОВ.

2.1 Декомпозиционный подход к моделированию.

2.2 Математическая модель прямоточного кристаллизатора на базе скорости изменения концентрации пересыщенного раствора.

2.3 Математическая модель непрерывной кристаллизации из растворов на базе скоростей образования и роста кристаллов.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКОГО ВИТАМИНА Вх ИЗ ВОДНО-ЭТАНОЛЬНЫХ РАСТВОРОВ И УНИФИКАЦИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СКОРОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА КРИСТАЛЛОВ ФОЛЬМЕРА-ФРЕНКЕЛЯ

3.1 Физико-химические свойства системы "медицинский витамин В\-Н20-С2Н5ОН.>.1,

3.2 Экспериментальная установка для исследования кинетики кристаллизации системы "медицинский витамин В\-Н10-СгНъ0И''.

3.3 Методики проведения эксперимента и обработки опытных данных при исследовании кинетики кристаллизации системы "медицинский витамин В\-НгО-СгН&Н".

3.4 Унифицированная классическая математическая модель скоростей образования и роста кристаллов Фольмера-Френкеля.

3.5 Методы корректировки параметров унифицированной классической математической модели скоростей образования и роста кристаллов Фольмера-Френкеля.

3.6 Явный вид унифицированной классической математической модели скоростей образования и роста кристаллов Фольмера-Френкеля для системы "медицинский витамин Вх-Н^О-СгЩОНГ1.

3.7 Проверка адекватности унифицированной классической математической модели скоростей образования и роста кристаллов Фольмера-Френкеля.

Глава 4. ОПТИМИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКОГО ВИТАМИНА Вх.

4.1 Стратегия оптимизации.^.

4.2 Проверка адекватности математической модели непрерывной кристаллизации из растворов на базе скоростей образования и роста кристаллов в пилотной установке.

4.3 Оптимизация непрерывного процесса кристаллизации медицинского витамина В\ в прямоточном, многоступенчатом кристаллизаторе "смешение-вытеснение" на базе разработанной методики инженерного расчета.

4.4 Устойчивость непрерывной кристаллизации.

4.5 Предлагаемая схема кристаллизационной установки непрерывного действия для получения медицинского витамина В\.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование изогидрической кристаллизации медицинского витамина B1 из водно-этанольных растворов в кристаллизаторе непрерывного действия»

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 устойчиво функционирующих кристаллизаторов интенсивного действия для получения кристаллического продукта с заданными показателями продолжает оставаться актуальной.

В полной мере это относится к процессу кристаллизации МТБ, потребности в котором для нужд клинической практики, витаминизации продуктов питания общего пользования и животноводства значительно превышают существующие мощности, а его качество с повышением требований к кристаллическим продуктам 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 (КС) /1, 2/.

В настоящей работе на примере изогидрической кристаллизации МТБ из водного раствора методом высаживания этиловым спиртом нами рассматривается технологическая схема устойчиво функционирующего 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). Выбор АПС и АПВ для проведения процесса кристаллизации МТБ обусловлен их простотой, достаточной надежностью при эксплуатации, малой тоннажностью производства и широкой распространенностью данного типа аппаратуры на предприятиях отрасли /3/. Эта схема, по нашему мнению, не только позволит обеспечить осуществление непрерывного процесса и повысить выход, но и на базе его основных кинетических функционалов ср (скорости образования а и роста /? кристаллов), а а также частных (валовая скорость фазообразования ар ; показатели

Л <2 однородности а/Д дисперсности fi/а, чистоты a/ofi и свойств /?/«/? кристаллов; кластер- и мезофаза - границы спонтанной кристаллизации КС по ее переохлаждению ЛТ\ и АТ2) получить целевой кристаллический продукт необходимого качества и гранулометрического состава.

Настоящая 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.

Объект исследования: непрерывный процесс кристаллизации МТБ из водно-этанольных растворов в прямоточном, многоступенчатом кристаллизаторе "смешение-вытеснение".

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/dr, а также скоростей образования а и роста /? кристаллов; экспериментальное исследование кинетики процесса кристаллизации системы "МТБ-//20-С2Я50#"; расчет положения и величины экстремума основных и частных кинетических функционалов (р 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/dx 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 а, 1 роста Р кристаллов и изменения концентрации пересыщенного раствора dC/dr от технологических параметров процесса кристаллизации для системы ' 'МТБ -Н2 О- С2Н5 О IT'. Осуществлена унификация классической математической модели скоростей образования а 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 (р).

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/dx 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 -Н2 О- С2Н5 ОН' и унифицированную классическую математическую модель скоростей образования а 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.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Цатуров, Виталий Аркадьевич

выводы.

1. Разработаны математическая модель прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора "смешение-вытеснение" непрерывного действия на основе скорости изменения концентрации пересыщенного раствора dC/dz 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. Выполнено экспериментальное исследование кинетики процесса кристаллизации системы "МТБ-Н20-С2Н50Н". Получены кинетические уравнения для скоростей образования а, роста /? кристаллов и изменения концентрации пересыщенного раствора dC/dz. Унифицирована классическая математическая модель скоростей образования а и роста /? кристаллов Фольмера-Френкеля и установлен ее явный вид для исследуемой системы.

3. Создана методика инженерного расчета прямоточного, многоступенчатого кристаллизатора "смешение-вытеснение" непрерывного действия. Обоснованы основные этапы расчета: а) определение оптимального количества ступеней кристаллизатора на базе КЭК, отражающего максимальную движущую силу процесса — переохлаждение кристаллизационной системы; б) расчет структуры ступени кристаллизатора, объемов аппаратов и времени пребывания раствора в них на основе скорости изменения концентрации пересыщенного раствора dC/dz; в) расчет гранулометрических характеристик получаемого продукта на базе скоростей образования а и роста кристаллов;

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

5. Результаты оптимизации непрерывной кристаллизации МТБ в устойчиво функционирующем прямоточном, многоступенчатом кристаллизаторе "смешение-вытеснение" показали приоритетность ведения процесса по маршруту с подогревом кристаллизационной системы между его ступенями.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цатуров, Виталий Аркадьевич, 2010 год

1. Гельперин, Н.И. Основы техники фракционной кристаллизации. / Н.И. Гельперин, Г.А. Носов. М.: Химия, 1986. - 304 с.

2. Федосов, С.В. Управление процессом периодической изогидрической кристаллизации веществ из растворов / С.В. Федосов и др. // Изв. ВУЗов, "Химия и хим. технология".- 2003.- Т. 46.- № 4.- С. 36-39.

3. Шнайдман, JI.O. Производство витаминов. / JI.O. Шнайдман. М.: Пищевая промышленность, 1973. - 438 с.

4. Кузнецов, В.Д. Кристаллы и кристаллизация. / В.Д. Кузнецов. -М.:Химия, 1954.-411 с.

5. Маллин, Дж. Кристаллизация. Пер. с англ. / Дж. Маллин. М.: Металлургия, 1965. - 342 с.

6. Xu Hongbin. Отделение хромата калия посредством высаливающей кристаллизации / Xu Hongbin, Zhang Yi, You Haixia // J. Chem. Ind. and Eng. 2007. - T. 58. № 4. - C. 930-937.

7. Naffakh, M. Isothermal crystallization kinetics of isotactic polypropylene with inorganic fullerene-like WS2 nanoparticles / M. Naffakh et al. // Thermochim. acta. 2008. - V. 472, № 1-2. - P. 11-16.

8. Хамский, E.B. Кристаллизация из растворов. / E.B. Хамский. JI.: Наука, 1967. - 150 с.

9. Гапон, Е.Н. Кинетика выделения солей из пересыщенных растворов. / Е.Н. Гапон // Журн. русского физико-химического общества. 1929. - Т. 61. № 10.-С. 2319.

10. Хлопин, В.Г. Распределение электролита между твердой кристаллической и жидкой фазами. / В.Г. Хлопин // Труды государственного радиевого института. 1938. - Т. 4. - С. 34-36.

11. Хлопин В.Г. Избранные труды. Т. 1. / В.Г. Хлопин. М.: Изд. АН СССР, 1957.-370 с.

12. Веригин, А.Н. Кристаллизация в дисперсных системах. / А.Н. Веригин, И.А. Щупляк, М.Ф. Михалев. Д.: Химия, 1986. - 248 с.

13. Purves, W.T. Contact nucleation of Potassium Nitrate / W.T. Purves, M.A. Larson // Inst. Chem. Eng. Symp. Ser. 1980. - № 59. - P. 7/5/1-7/5/1.

14. Jancic, S.J. Industrial crystallization. / S.J. Jancic, P.A. Grootscholten. Delft. Univ. Press: D. Reidel Publ. Co, 1984. - 304 p.

15. Межидов, B.X. Определение параметров зародышеобразования сульфата кальция в условиях трения / В.Х. Межидов, Р.Н. Ибрагимов, А.Н. Ибрагимов // Журн. прикл. химии. 1986. - Т. 59. № 5. - С. 965-969.

16. Wang Lian. Nucleation mechanism of PEO block in double-crystalline poly(ethylene-co-butene)-b-poly(ethylene oxide) block copolymers / Wang Lian et al. // Chin. J. Polym. Sci. 2006. - V. 24, № 5. - P. 473-482.

17. Zheng Lianqing. Homogeneous nucleation and growth of melt in copper / Zheng Lianqing et al. // J. Chem. Phys. 2007. - V. 127, № 16. - P. 164503/1164503/10.

18. Jensen, L. Propane hydrate nucleation: Experimental investigation and correlation / L. Jensen, K. Thomsen, N. von Solms // Chem. Eng. Sci. 2008. -V. 63, № 12.-P. 3069-3080.

19. Хамский, E.B. Кристаллизация в химической промышленности. / Е.В. Хамский. М.: Химия, 1979. - 344 с.

20. Хворова, JI.C. Влияние примесей на кинетику кристаллизации глюкозы / JI.C. Хворова // Хранение и перераб. сельхозсырья.- 2008. № 9.- С. 30-32.

21. Клочин, А. А. Метод экспериментального определения скорости зарождения кристаллов в растворе / А.А. Клочин, В.П. Павлов, С.И. Горелик // Процессы и аппараты элементоорганических производств. -1982. С. 80-88.

22. Kalikmanov, V. I. Crossover model for the work of critical cluster formation in nucleation theory / V. I. Kalikmanov // J. Chem. Phys. 2004. - V. 121, №18.-C. 8916-8923.

23. Raghavalu, Т. Nucleation thermodynamical studies on nonlinear optical L-alanine single crystals / T. Raghavalu et al. // J. Cryst. Growth. 2007. - V. 307, № l.-P. 112-115.

24. Zhou Wen-jing. Кинетика неизотермической кристаллизации DNTF, TNT и эвтектической системы DNTF-TNT в RDX / Zhou Wen-jing, Zhang Gao, Liu Zi-ru // Chin J. Energ. Mater. 2008. - T. 16. № 3. - C. 267-271.

25. Хамский, E.B. Кристаллизация и физико-химические свойства кристаллических веществ. / Е.В. Хамский, Е.А. Подозерская, Б.М. Фрейдин. JL: Наука, 1969. - 135 с.

26. Стриклэнд-Констэбл, Р.Ф. Кинетика и механизм кристаллизации. Пер. с англ. / Р.Ф. Стриклэнд-Констэбл. JL: Недра, 1971. - 299 с.

27. Volmer, М. Образование зародышей из пересыщенных систем. / М. Volmer, A. Weber IIЪ. phys. Chem. 1926. - Bd. 119. - S. 277-288.

28. Volmer, V. Kinetik der Phasenbildung. / V. Volmer. Dresden u. Leipzig: Steinkopff, 1939. - 220 s.

29. Гиббс, Д. В. Термодинамические работы. / Д. В. Гиббс. М.: Гостехтеоретиздат, 1950. - 461 с.

30. Данилов, В.И. Строение и кристаллизация жидкости. / В.И. Данилов. К.: Изд. АН. УССР, 1956. - 361 с.

31. Матусевич, JI.H. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. / JI.H. Матусевич. М.: Химия, 1968. - 304 с.

32. Гельперин, Н.И. Основы техники кристаллизации расплавов. / Н.И. Гельперин, Г.А. Носов. М.: Химия, 1975. - 352 с.

33. Горелик, А.Г. Десублимация в химической промышленности. / А.Г. Горелик, А.В. Амитин. М.: Химия, 1986. - 272 с.

34. Странский, И.Н. К теории роста кристаллов и образования кристаллических зародышей. / И.Н. Странский, Р. Каишев // Усп. физ. наук. 1939. - Т. 21. № 4. - С. 408.

35. Denk, E.G. Fundamental studies in secondary nucleation from solution. / E.G. Denk, G.D. Botsaris // J. Cryst. Growth. 1972. - V. 13/14. - P. 493-499.

36. Garabedian, H. Collision breeding of crystal nuclei sodium chlorate. / H. Garabedian, R.F. Strickland-Constable // J. Cryst. Growth. 1972. - V. 13/14. P. 506-509.

37. Wu Yusheng. Влияние добавок на агломерацию и вторичную нуклеацию в осаждении с затравкой в растворе алюмината натрия / Wu Yusheng et al.// J. Chem. Ind. and Eng. 2005. - V. 56, № 12. - P. 2434-2439.

38. Kim Eung-Ho. Hydroxyapatite crystallization from a highly concentrated phosphate solution using powdered converter slag as a seed material / Kim Eung-Ho et al. // J. Hazardous Mater. 2006. - v. 136, № 3. p. 690-697.

39. Du Ning. Tailor of ZnO morphology by heterogeneous nucleation in the aqueous solution / Du Ning et al. // Mater. Res. Bull. 2007. - V. 42, № 7. -P. 1316-1322.

40. Miyazaki, H. KDP-ADP crystal growth by the solution-dropping method / H. Miyazaki et al. // J. Amer. Ceram. Soc. 2007. - V. 90, № 12. - P. 4023-4025.

41. Randolph, A.D. Nucleation kinetics of the potassium sulfate-water system. / A.D. Randolph, M.D. Cise // AIChE J. Symp. Ser. 1972. - V. 18, № 4. - P. 798-807.

42. Vyazovkin, S. Effect of physical aging on nucleation of amorphous indomethacin / S. Vyazovkin, I. Dranca // J. Phys. Chem. B. 2007. - V. Ill, № 25. - P. 7283-7287.

43. Ottens, E.R. A model for secondary nucleation in a stirred vessel cooling crystallizer. / E.R. Ottens, E.Y. De Jong // 4th Congress. CHJSA. 1972.

44. Volmer, M. /М. Volmer, J. Esterman//Z. phys. Chem. 1921. - Bd. 7. - S. 1.

45. Келебеев, A.C. Начальные стадии осаждения сульфата бария из сильнопересыщенных растворов. / А.С. Келебеев, И.В. Мелихов // Межвузовский сборник научных трудов. Процессы в дисперсных средах. Иваново. 1986. - С. 77-87.

46. Yamashita, М. Isotactic poly(butane-l) trigonal crystal growth in the melt. / M. Yamashita, A. Hoshino, M. Kato // J. Polym. Sci. B. 2007. - V. 45, № 6. - P. 684-697.47