НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

ГРАБОВА ТЕТЯНА ЛЕОНІДІВНА

УДК 532.695; 538.953

ДИСПЕРГУВАННЯ ГЕТЕРОГЕННИХ СИСТЕМ

У РОТОРНО-ПУЛЬСАЦІЙНОМУ АПАРАТІ ДИСКОВО-ЦИЛІНДРІЧНОГО ТИПУ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук,

Басок Борис Іванович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Василенко Сергій Михайлович,

Національний університет харчових

технологій МОН України,

завідувач кафедрою теплотехніки.

кандидат технічних наук,

Давиденко Борис Вікторович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”,

теплоенергетичний факультет, м. Київ.

Захист відбудеться 19 червня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної
теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 11 травня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.І. Чайка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До апаратів, які реалізують метод спрямованого дискретного енергетичного впливу на ряд технологічних процесів (подрібнення, диспергування, емульгування, гомогенізації, перемішування й ін.) відносять роторно-пульсаційні апарати (РПА), робота яких базується на реалізації комплексу фізичних проявів принципу дискретно-імпульсного введення енергії (ДІВЕ) та її трансформації в рідких гетерогенних середовищах. Застосування принципу ДІВЕ можливо шляхом реалізації комплексу ефектів: локального спаду або підвищення тиску, адіабатичного скипання, гідравлічного удару, ударної хвилі, реалізації зсувних напруг, ефектів турбулентності, ефектів вихрових утворень та кавітації. РПА зарекомендували себе як ефективні пристрої для інтенсифікації гідромеханічних та тепломасообмінних процесів у різних галузях промисловості, а саме у паливно-енергетичній, хімічній, фармацевтичній, харчовій та інших.

Слід зауважити, що в зв`язку зі складністю та різноманітністю ефектів впливу на середовище, що обробляється в РПА, актуальними є проблеми: всебічного дослідження явищ диспергування гетерогенних середовищ та їх впливу на інтенсивність гідромеханічних та тепломасообмінних процесів, зокрема, експериментальні дослідження процесів подрібнення багатокомпонентних дисперсних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є результатом досліджень, проведених відповідно до тематик науково-дослідних робіт: “Вивчення теплофізичних і гідродинамічних основ дискретно-імпульсного введення енергії з метою створення нанотехнологічних процесів” (номер держреєстрації 0102U002197), “Дослідити тепломасообмінні процеси, створити технологію та технічний проект лінії виробництва біопалива” (№0103U003089), “Розробити прискорену теплотехнологію та устаткування для виробництва окулентів у фармацевтичній промисловості” (№0199U002452), “Дослідження процесів введення енергії в системі “тверде тіло-рідина” з оптимізацією тепломасообмінного устаткування” (№0199U002452), “Дослідження диспергування пастоподібних матеріалів у роторно-пульсаційних апаратах” (№ 0101U002812).

Мета дослідження. Метою роботи є проведення комплексних досліджень гідродинамічних і теплових ефектів, а також процесів диспергування при обробці рідинних середовищ у роторно-пульсаційних апаратах дисково-циліндричного типу й розробці на цій основі ефективних ресурсозберігаючих технологій та устаткування для диспергування суспензійно-емульсійних в`язких термолабільних середовищ, у тому числі реологічно складних наноструктурованих систем.

Відповідно до поставленої мети досліджень сформульовані й вирішені наступні основні завдання:

- теоретично досліджено динаміку потоку однокомпонентної в`язкої рідини при її обробці в РПА дисково-циліндричного типу в тривимірній постановці завдання з урахуванням турбулентного режиму течії в апараті;

- на підставі отриманих гідродинамічних і теплових збурень параметрів потоку провести узагальнення механізмів подрібнення дисперсних включень у рідині при обробці в РПА і провести оцінку їх впливу на кінцевий розмір дисперсних включень. Провести порівняльний аналіз із експериментальними даними;

- створити експериментальний стенд, дослідити теплові ефекти й кінетику процесів диспергування суспензійно-емульсійних систем у РПА дисково-циліндричного типу;

- вивчити вплив гідродинамічної обробки в РПА на теплофізичні, структурно-механічні й сорбційно-текстурні властивості наноструктурованих систем;

- вивчити можливість використання РПА різного конструктивного виконання для одержання тонкодисперсних термолабільних систем;

- оцінити енергетичну та економічну ефективність від впровадження технології й устаткування для одержання суспензійно-емульсійних лікарських препаратів.

Об'єкт дослідження – роторно-пульсаційний апарат дисково-циліндричного типу.

Предмет дослідження – гідродинаміка, теплові ефекти, процеси диспергування.

Модельні середовища – гетерогенні системи з дисперсною фазою (анестезин, кислота борна, кислота саліцилова, метилурацил, окис цинку, сірка, стрептоцид, фурацилін, дьоготь березовий, гідрогель метилкремниєвої кислоти) і дисперсійним середовищем (вазелін медичний, вода, гліцерин, масло вазелінове, поліетиленгліколь-400, риб'ячий жир).

Методи дослідження – методи фізичного моделювання гідродинаміки й теплообміну в рідких середовищах, у тому числі з їх реалізацією за допомогою сучасних комп'ютерних пакетів; експериментальні методи з використанням вимірювальних засобів і статистичної обробки даних; методи оптичної, електронно-скануючої та електронно-просвітчастої мікроскопії, адсорбційні методи, методи ротаційної віскозиметрії.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше застосована модель турбулентного режиму руху середовища в тривимірній постановці завдання для розрахунку динаміки рідини в РПА. Проведені розрахунки дозволили встановити повну гідродинамічну картину руху рідини й на підставі отриманих гідродинамічних і теплофізичних збурень параметрів потоку провести узагальнення можливих механізмів диспергування гетерогенних систем та оцінку їх впливу на кінцевий розмір дисперсних включень, що в свою чергу дозволило визначити найбільш ефективні зони з точки зору процесів диспергування.

2. Проведено обробку в РПА реологічно складних синтезованих наноструктурованих систем. Визначені теплофізичні характеристики кремнійорганічних дисперсних систем, вивчені структурно-механічні й сорбційно-текстурні властивості таких систем, вплив гідродинамічної обробки в РПА й різних режимних параметрів (співвідношення компонентів системи, час обробки, температурні параметри, вологість) на властивості таких систем. Отримано новий пастоподібний кремнійорганічний сорбент з розвиненою міжфазною поверхнею та високими сорбційними властивостями. Встановлено суттєве зменшення коефіцієнту теплопровідності зневоднених кремнійорганічних систем, який нижче ніж у повітря.

3. Експериментально досліджені кінетика процесу диспергування та характер зміни температурних параметрів процесу в РПА для широкої гами суспензійних систем. Визначено режимні параметри процесу диспергування і їх оптимальні значення, а також конструктивне виконання РПА, що забезпечує ефективний процес диспергування багатокомпонентних гетерогенних систем.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в тому, що:

- видані рекомендації для застосування конкретних типів апаратів для обробки широкої гами суспензійно-емульсійних систем;

- досліджені теплофізичні, структурно-механічні й сорбційно-текстурні властивості нового наноструктурованого пористого продукту - кремнійорганічного сорбенту;

- розроблені технологічні схеми й створено устаткування для одержання м'яких лікарських форм і кремнійорганічних пастоподібних сорбентів.

Впровадження результатів на 12 підприємствах фармацевтичної й харчової промисловості України та за кордоном, що підтверджує його відповідність потребам і платоспроможному попиту сучасного ринку.

Особистий внесок здобувача в опублікованих разом зі співавторами наукових працях складається в постановці завдання; визначенні вихідних даних і граничних умов; створенні експериментального стенда для дослідження процесів диспергування твердих включень у рідкому середовищі; розробці експериментальних методик досліджень і статистичної обробки отриманих результатів; вивченні структурно-механічних, теплофізичних і структурно-текстурних властивостей пористих наноструктурованих систем, узагальненні даних і видачі рекомендацій, участі у впровадженні й патентуванні розробок; підготовці й опублікуванні результатів досліджень.

Достовірність результатів забезпечується коректністю, повнотою й адекватністю фізичних допущень у постановці завдань, застосуванням сучасних комп'ютерних пакетів (STAR-CD), застосуванням сучасних засобів вимірювального комплексу, а також методів статистичної обробки експериментальних даних і підтверджується задовільним збігом при зіставленні розрахунків з отриманими власними експериментальними даними.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на міжнародних конференціях: “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2003 р., 2004 р., 2005 р.), IV конференція користувачів програмного забезпечення СА-FEM (м. Москва, 2004 р.), на науково-практичній конференції молодих вчених “Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергозбереження” (м. Київ, 2004 р.), на наукових семінарах ІТТФ НАН України.

Публікації. Зміст дисертаційної роботи відображено в 12 наукових працях: у тому числі в 6 статтях у спеціалізованих журналах, 5 тезах у працях міжнародних конференцій, в 2 деклараційних патентах.

Структура роботи. Робота складається із введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Зміст роботи викладений на 192 сторінках, включаючи 11 сторінок додатків, містить 74 рисунки і 27 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено зв`язок роботи з науковими програмами, темами, планами, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено наукову новизну та практичну цінність одержаних в роботі результатів, вказано особистий внесок здобувача, приведено відомості У першому розділі виконано аналітичний огляд літературних джерел щодо методів, способів та механізмів подрібнення дисперсних систем на рідинній основі. Наведено технології та апарати для здійснення процесів диспергування та гомогенізації різних гетерогенних середовищ, їх класифікацію та принцип дії. Виявлено, що для здійснення та інтенсифікації ряду фізико-хімічних процесів в гетерогенних середовищах суттєві переваги мають апарати роторно-пульсаційного типу. Ефективність роботи апаратів базується на комплексній дії на оброблюване середовище: гідромеханічних, гідродинамічних, гідроакустичних та теплових факторів. Розглянуто основні робочі елементи і теплофізичні процеси методу ДІВЕ, що реалізуються в РПА.

Аналіз науково-технічної інформації показує, що до теперішнього часу досить повно вивчені гідравлічні закономірності роботи РПА, досліджені кінематичні й динамічні характеристики циліндричних апаратів, проведено широкий обсяг робіт з дослідження процесів диспергування систем з легкодеформуємою дисперсною фазою, малов'язких середовищ і частково високов'язких, у тому числі й біологічних систем. Однак виявлено, що обмежена кількість робіт присвячена дослідженню процесів диспергування систем “тверде тіло-рідина” при обробці в РПА багатокомпонентних гетерогенних середовищ складної фізико-хімічної природи, в тому числі структурованих дисперсних систем.

Аналіз проблематики показує, що теплофізичне моделювання гідродинаміки потоку й теплових ефектів проводилось лише в наближенні плоскої геометрії (в одно- і двовимірній постановці задачі) у відокремлених областях циліндричних РПА.

Другий розділ присвячено тривимірному теплофізичному моделюванню динаміки потоку в'язкої рідини в РПА змішаного (дисково-циліндричного) типу і на основі отриманих розрахунків збурень параметрів потоку проведено аналіз ймовірних механізмів подрібнення та оцінка їх впливу на кінцевий розмір дисперсних включень.

Геометрична модель представляє внутрішній простір РПА, через який протікає модельне середовище. Робочі органи апарату складаються з дискового та циліндричного вузлів. Дисковий вузол містить перфоровані диски статора і ротора, циліндричний вузол – послідовно розташовані внутрішній статор, ротор та зовнішній статор, які мають щілинні прорізи.

Теплофізична модель динаміки потоку в'язкої нестисливої рідини в РПА із врахуванням ефектів турбулентності описувалась системою диференціальних рівнянь, які записані у тензорній формі:–

рівняння нерозривності , (1)–

рівняння кількості руху (2)

де – тензор в'язких напружень; – тензор швидкості деформації;

та рівняння стандартної двопараметричної k- – моделі турбулентності:–

турбулентної кінетичної енергії , (3)–

швидкості дисипації турбулентної енергії . (4)

Для аналізу повної картини швидкоплинних процесів, які характерні для РПА, використовувалось комп'ютерне моделювання на основі CFD-технології за допомогою програмного комплексу STAR-CD. Геометрично апарат виконано таким чином, що при повороті ротора на 30о канали статора та ротора повністю збігаються. Тривалість цього періоду складає 1,6710-3с. Тому доцільно розв'язувати задачу для періодичного об'єму РПА, який обмежено сегментом 30о (рис. 1). Для чисельного рішення системи диференціальних рівнянь використовується метод кінцевих об'ємів. Розглянуто нестаціонарний режим течії в'язкої (=1610-6 м2/с) нестисливої (=900 кг/м3) модельної рідини.

Рис. 1. Область рішення задачі з сіткою контрольних об'ємів. Позначення: 1 – область дискового вузла, що обертається; 2 – область циліндричного вузла, що обертається.

Розглянуто просторову структуру потоку у відокремленому вузлі РПА (вхідна ділянка з прямокутним уступом та дисковий вузол). Особливості течії рідини в апараті здебільш визначаються закономірностями зміни розмірів та форми робочого об'єму, що можливо побачити на прикладі зміни масової витрати Q() та площі прохідного перерізу дискового вузла S() при обертанні ротора (рис. 2). При повороті ротора на 30о відбувається 4 пульсації функції S() в діапазоні значень 5010-6...95010-6 м2, але слід зазначити, що кожній пульсації відповідають різні конфігурації дискового вузла (поз. а-л, рис. 2). Функція Q() має більш згладжений характер, що пояснюється релаксаційними властивостями рідини, ніж фукція S() і по формі повторює її.

Просторова структура потоку в період максимально повного перекриття каналів статора та ротора дискового вузла (рис. 3) показує, що на вхідній ділянці утворюється тороїдальний вихор, який притискає головний транзитний потік до стінки. У момент повного суміщення каналів дискового вузла =0о (t=0 с) максимальна швидкість обертання вихору складає 2 м/с і відцентрове прискорення мікровихорів – 25g. По мірі суміщення каналів швидкість вихору і потоку на вхідній ділянці значно падає. З максимальною швидкістю 8-9 м/с потік поступає в канали центральних рядів статора дискового вузла.

В міждисковому зазорі створюється нерівномірне поле швидкостей, причому максимальне значення 12 м/с досягається на периферії зазору. В роторі розвивається максимальна швидкість в каналах периферійних рядів. В процесі перекриття каналів відбувається значне гальмування потоку, про що свідчать від'ємні значення прискорення. Так у каналах статора у часовому інтервалі 0…10-4 с значення прискорення досягають -5,310-4...-6,8103 м/с2 і завдяки силам інерції мас, які гальмуються, генеруються потужні імпульси тиску (2,5103...3,5105 Па/с). У міждисковому зазорі максимальне значення прискорення досягається у пристінному шарі ротора в периферійній області (1,2 м/с2) та максимальний від'ємний імпульс тиску (-5,5103 Па/с) – у центральній його частині.

Рис. 2. Залежність зміни від кута повороту (часу обертання t) ротора дискового вузла: 1 – площі прохідного перерізу; 2 – масової витрати. Позначення: а-л – характерні положення відносно взаємного перекриття каналів статора та ротора.

Нерівномірне поле тиску (1,49 105...2,33105 Па) на вхідній ділянці при =0о по мірі перекриття каналів вирівнюється і досягає 1,96105...2,07105 Па. Значення тиску в каналах статора дорівнює тиску в передкамері. У момент повного перекриття каналів (=3о30') розвивається нерівномірне поле тиску (-0,45105...0,96105 Па) в міждисковому зазорі. В деяких зонах каналів ротора та міждискового зазору спостерігаються області пониженого від'ємного тиску, який створює напруги на розрив, що розтягують рідину і є передумовою виникнення ефектів кавітації.

Розрахунок полів швидкості дисипації енергії показує, що у передкамері та у каналах статора вона незначна. У міждисковому зазорі значення швидкості дисипації досягають 1,2...8,3105 м2/с3, а в каналах ротора – 0,01...0,6105 м2/с3.

На характер зміни гідродинамічних параметрів певним чином впливає змі на прохідного перерізу як дискового так і циліндричного вузлів. Так функція масової витрати Q()(поз. 3, рис. 4) має нерегулярний характер, це пояснюється тим, що амплітуда та частота пульсацій

Рис. 3. Структура потоку рідини у відокремленому вузлі у моменти: а, б – повного суміщення каналів (поз. л, рис. 2); в, г – практично повного перекриття (поз. г, рис. 2). Розподіл векторів швидкості (а, в) та полів тиску (б, г).

функцій S() (поз. 1-2, рис. 4) для дискового та циліндричного вузлів не збігаються (частота пульсацій для циліндричного вузла у 1,5 рази більше ніж для дискового, амплітуда – практично у 3 рази).

Динаміка потоку в каналах дискового вузла (рис. 5) для різних кутів (моментів часу) повороту ротора показує, що в момент повного перекриття каналів ротора і статора, в останньому на вихідній ділянці виникає несиметричний профіль швидкості. По мірі суміщення каналів профіль вирівнюється і швидкість зростає у 2 рази. В каналі ротора головний транзитний потік з максимальною швидкістю 8,5 м/с притуляється до стінки каналу, що набігає, а у протилежної стінки утворюються зворотні потоки, що призводить до вихроутворення.

Рис. 4. Залежність зміни від кута повороту (часу обертання t) роторів: 1 – площі прохідного перерізу дискового вузла; 2 – циліндричного вузла; 3 – масової витрати, 4 – тиску по середині товщини міждискового зазору; 5 – тиску в зазорі між циліндрами ротора і зовнішнього статора.

Найбільша швидкість (10-17 м/с) розвивається на вхідній ділянці каналу ротора. Максимальний тиск генерується в каналі статора в момент повного перекриття каналів і по мірі суміщення каналів прагне до значення тиску в каналі ротора.

У циліндричному вузлі (рис. 6) в прилеглих зонах каналів ротора і статорів розвивається максимальна швидкість (до 8 м/с), яка має М-подібний профіль.

За рахунок обертового руху ротора та періодичного перекриття каналів утворюються вихори, які займають практично весь перетин каналів. В момент повного перекриття каналів найбільший тиск генерується в каналі внутрішнього статора (1,44105...1,47105 Па) і по мірі суміщення швидко знижується до 1,0105 Па в каналі внутрішнього статора і практично в усьому каналі ротора.

Рис. 6. Поля і напрям векторів швидкостей (ліворуч) та тиску (праворуч) у поперечному перетині каналів циліндричного вузла для різних моментів взаємного перекриття каналів статорів і ротора.

Процеси диспергування, головним чином, визначаються тими гідродинамічними та тепловими збуреннями параметрів потоку рідини, які реалізуються в РПА. Виходячи з аналізу літературних даних та на підставі отриманих результатів розрахунку параметрів потоку проведено аналіз можливих механізмів диспергування і їх вплив на кінцевий розмір дисперсних включень:

– нестійкість Кельвіна-Гельмгольца , , (5-6)

– нестійкість Релея-Тейлора , (7)

акустичні ефекти , (8)

подрібнення дисперсних включень

у турбулентному потоці рідини , (9)

подрібнення поруч стінок в області

в`язкого підшару , (10)–

зсувний механізм . (11)

Таблиця 1

Формула оцінки механізму подрібнення | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) | (10) | (11)

Параметр, що збурює потік | CuC,

м/с | CPC,

105 Па | CaC,

103 м/с2 | b,

103 м/с2 | ,

105 м2/с3 | u0,

м/с | ц,

102 Па

Максимальне значення параметру | 0,6…16 | 0,03…42…57 | 0,3…8 | 1,28 | 0,21 | 0,8…57

?min, мкм | 1…135 | 1…133 | 3 | 300…21031738 | 6…8028…633

Розглянута двофазна гетерогенна система з поверхневим натягом =20мН/м і дисперсними включеннями сферичної форми з густиною ф=1200 кг/м3. Результати оцінкових розрахунків кінцевих розмірів дисперсних включень (табл. 1) для розглянутої системи проведено для характерних зон апарату у різні моменти часу при різних механізмах подрібнення. З розглянутих причин подрібнення домінуючими є збурення, що приводять дисперсну систему до нестійкості Кельвина-Гельмгольца (5, 6) і Релея-Тейлора (7). Такі механізми подрібнення забезпечують кінцевий розмір часток на мікронному рівні, а в момент перекриття каналів статора і ротора дискового вузла досягається і субмікронний рівень подрібнення. Включення дисперсної фази, які потрапляють в пристінну область внутрішньої поверхні РПА, у межах в'язкого підшару подрібнюються до мікронного рівня (9). Інтенсивність впливу гідродинамічних збурень, що виникають за рахунок акустичних ефектів (8), дозволяють одержувати більш грубодисперсні системи. При зсувному механізмі подрібнення (11) найбільш ефективними є області міждискового і міжциліндричних зазорів, де кінцевий розмір дисперсних включень досягає 40...60 мкм у момент повного перекриття каналів і щілин (прорізів) статорно-роторних просторів.

У третьому розділі представлено: експериментальний стенд (рис. 7), визначення похибок вимірювання, данні по теплофізичним властивостям модельних субстанцій, методику проведення досліджень та результати дослідження процесів диспергування та дисипативних теплових ефектів. Як об`єкт дослідження розглянуто ряд експериментальних модифікацій апарату (М1-М4), що диспергує: робочі органи М1 представлені перфорованими дисками (статором і ротором) та циліндричними зі щілинними прорізами 2 статорами і між ними ротором; М2 – перфорованими дисковими статором і ротором, на останньому розміщено крильчатку у вигляді шипів та циліндричними зі щілинними прорізами 2 статорами і між ними ротором; М3 – перфорованими дисковими статором і ротором, на останньому розміщено крильчатку у вигляді шипів та циліндричними з шипами 2 статорами і між ними ротором; М4 –крильчаткою у вигляді 3 ножів та циліндричними зі щілинними прорізами 2 статорами і між ними ротором.

Результати експериментальних досліджень показали, що на процес диспергування твердих субстанцій з міцною кристалічною решіткою істотно впливає ряд факторів, які для експериментальних досліджень були факторами варіювання: розмір, форма та властивості субстанцій дисперсної системи, співвідношення компонентів, температура процесу і початкова температура системи (табл. 2).

Процеси диспергування твердих субстанцій з різними показниками міцності в дисперсійному середовищі, наприклад вазеліні, має особливості для кожної з розглянутих систем.

Так процес диспергування для системи “метилурацил-вазелін” з меншим у 1,6-2,2 рази показниками міцності твердих включень у 7,2 рази проходить інтенсивніше, ніж в системі “саліцилова кислота-вазелін” (рис. 8). Причому дисипативні ефекти в 2 рази більше в останній системі.

Рис. 7. Схема експериментального стенду: 1 – роторно-пульсаційний апарат, 2 – реактор з перемішуючим пристроєм, 3-4 – насоси, 5 – водонагрівач, 6-8 – електродвигуни, 9-14 – запорно-регулююча арматура, 15-16 – датчик наявності теплоносія, 17 – датчик температури, 18-19 –термометри опору, 20-21 – манометри, 22– витратомір, 23,24 – прибор реєструючий, 25,26 – амперметр, 27,28 – вольтметр, 29 – ватметр.

На тривалість процесу диспергування істотно впливає початковий розмір твердих включень, наприклад для систем “саліцилова кислота-вазелін”, у яких середній початковий розмір відрізняється у 1,4 рази для системи з меншими показниками інтенсивність процесу більша у 1,5 рази. Вплив цього фактору на температуру системи неістотний. Крім того ефективність процесу диспергування залежить від співвідношення компонентів системи, наприклад, для системи “саліцилова кислота-вазелін” підвищення концентрації твердої фази у 1,4 рази призводить до зменшення тривалості процесу у 2,8 рази і до збільшення температури системи, що обробляється.

Тривалість процесу диспергування однієї і тієї ж твердої субстанції, наприклад стрептоциду, в різних за фізико-хімічними властивостями несучими середовищами, такими як вазелін і риб`ячий жир, у 3 рази менше в останньому середовищі, однак призводить до значних дисипативних ефектів: температура збільшилась на 30-35 оС в порівнянні з початковою (рис. 9). |

Початковий середній розмір частинок, мкм | Форма частинок | Співвідношення компонентів системи | Модифікація робочих органів РПА | Початкова температура системи, оС | Руйнівне механічне навантаження дисперсних включень, МПа | Збільшення температури системи, оС | Питома тривалість процесу диспергування , хв/кг | Інтенсифікація процесу диспергування за рахунок фактора варіювання, рази

середнє | максима-льне

Початковий середній розмір частинок, мкм | 390“ | голчаста”“ | саліцилова кислота-вазелін” 1:3,5 | М2 | 55 | 2,13 | 3,87 | 4 | 3,1 | 1,5

560 | 55 | 4 | 5

Співвідношення компонентів

системи | 500“ | голчаста”“ | саліцилова кислота-вазелін”1:2,4 | М2 | 55 | 2,13 | 3,87 | 6 | 4,8 | 2,8

1:3,3 | 55 | 4 | 12,4

Модифікація робочих органів РПА | 500“ | голчаста”“ | саліцилова кислота-вазелін” 1:2,5 | М1 | 55 | 2,13 | 3,87 | 10 | 6,4 | 2

М2 | 55 | 4 | 12,4

450 | циліндрична“ | стрептоцид-вазелін” 1:3 | М2 | 48 | 2,7 | 5,32 | 22 | 4,8 | 2,5

М3 | 45 | 7 | 0,8

Руйнівне механічне навантаження на дисперсні включеня, МПа | 410“ | голчаста”“ | саліцилова кислота-вазелін” 1:2 | М2 | 55 | 2,13 | 3,87 | 4 | 12,3 | 7,2“

метилурацил-вазелін” 1:2 | 42 | 0,97 | 2,42 | 2 | 1,7

450“ | голчаста”“ | саліцилова кислота-вазелін” 1:3 | М2 | 55 | 2,13 | 3,87 | 4 | 0,8 | 6

циліндрична“ | стрептоцид-вазелін”

1:3 | 45 | 2,7 | 5,32 | 7 | 4,8

Таблиця 2

Було виявлено, що на процес диспергування аморфних частинок істотно впливає початкова температура системи Тпоч. Наприклад для системи “анестезин-гліцерин” (рис. 10) найбільш ефективно (у 1,3-2 рази) процес відбувається для системи з Тпоч=16 оС. Збільшення Тпоч призводить до уповільнення процесу диспергування та збільшення дисипативних ефектів.

Для системи з меншою Тпоч зростання температури відбу-вається плавно на протязі всього процесу диспергування, а при підвищені Тпоч стрімке зростання відбувається на початковому етапі процесу обробки.

Розглянуті модельні системи є термолабільними, що обумов-лює чітке дотримання допустимих температур. Для модельних систем, що обробляються у РПА, було встановлено температурні діапазони, де нижня межа обумовлена достатньо високими температурами плавлення дисперсійного середовища (наприклад, для вазеліну це – 40-45 оС), а перевищення верхньої межі – призводить до деструкції та зміни властивостей субстанції. Так для обробки системи “стрептоцид-вазелін” допустимий діапазон складає 45-70 оС, для системи “саліцилова кислота-вазелін” – 50-75 оС, а для системи – “анестезин-гліцерин” – 16-65 оС.

Рис. 9. Кінетика процесу диспергування систем: „стрептоцид-риб'ячий жир” (1,2) та „стрептоцид-вазелін” (3,4). 1,3 – зміна середнього розміру дисперсних включень; 2,4 – температури.

Рис. 8. Кінетика процесу диспергування систем: „саліцилова кислота-вазелін” (1,2) та „метилурацил-вазелін” (3,4). 1,3 – зміна середнього розміру дисперсних включень; 2,4 – температури.

Рис. 10. Кінетика процесу диспергування системи „анестезин-гліцерин” Залежність від питомого часу обробки: 1,Т1 – середього розміру частинок і температури системи при Т1поч=16 оС; 2, Т2 – при Т2поч=20 оС; 3, Т3 – при Т3поч=30 оС.

Процеси диспергування системи зі складною внутрішньою структурою має ряд особливостей. В якості таких дисперсних систем у роботі розглянуто процес обробки гідрогелю метилкремнієвої кислоті (ГГМКК), які представляють желеподібні частинки розміром до 20 мм. Кожна частинка в свою чергу є наноструктурованою дисперсною системою, глобули якої з’єднуються між собою у жорсткий каркас і утворюють пори, які заповнені іммобілізованою водою. Проведено серію експериментів, де фактором варіювання було співвідношення компонентів оброблюваної в РПА системи “ГГМКК-вода”: 2:3, 1:1, 3:2, 7:3. Структурно-текстурні показники (питома поверхня Sпит, розміри пор rеф і величина сорбційного простору Vs) визначалися методом Брунауера-Еммета-Тейлера по ізотермах сорбції-десорбції парів н-гексану на ксерогелях, одержаних шляхом зневоднювання досліджуваних систем.

Тривалість процесу обробки регламентується досягненням розмірів частинок ГГМКК, які не перевищують 200 мкм. Час обробки системи зі співвідношенням 1:1 перевищує в 6-10 разів час обробки системи зі співвідношенням 7:3. При цьому питома поверхня Sпит для першої системи становить 58 м2/г, а для 2-ї – 210 м2/г. Такі результати показують, що гідродинамічна обробка в РПА впливає не тільки на розмір часток дисперсної фази, але й на її внутрішню структуру.

Рис. 11. Криві розподілу сорбційного об'єму пор (Vs) за значенням радіусів (rеф) для систем з різним співвідношенням компонентів “ГГМКК - вода” (а): 1 – вихідна система; 2 – 7:3; 3 – 3:2; 4 – 1:1 (2-4 – системи після гідродинамічної обробки у РПА) та для систем з співвідношенням 7:3, що пройшли обробку (б): 1 – вихідна система; 2 – 1 цикл; 3 – 10 циклів.

Вплив факторів варіювання (співвідношення компонентів і кількість циклів обробки) на структурно-текстурні й сорбційні властивості досліджуваних систем можна проаналізувати за диференціальними кривими розподілу сорбційного об'єму пор Vs по радіусах пор rеф. Як видно на рис. 11 досліджувані системи ставляться до мезопоруватих (1-100 нм) структур. Однак, чим менше концентрація ГГМКК у системі, тим більше порушена монопористість структури (поз. 3-4, рис. 11 а) і зменшується значення Vs. Дослідження впливу кількості циклів гідродинамічної обробки на структурно-сорбційні властивості системи (рис. 11 б) показує, що система, яка пройшла 1 цикл (поз. 2) має яскраво виражені максимуми в області rеф=4,6 нм, а при 10 циклах (поз. 3) відбувається зсув максимуму у бік збільшення, збільшує діапазон розмірів пор rеф і система має нижче значення об'єму сорбційного простору.

Вивчення реологічних властивостей досліджуваних систем проводилися на ротаційному віскозиметрі “Rheotest” у режимі як збільшення швидкості зсуву (7…1073 с-1), так і наступного східчастого зниження. Отримано реологічні криві

й для вихідної системи та системи, що пройшла гідродинаміч ну обробку в РПА. Як видно із залежностей (рис. 12 а) у режимі навантаження в діапазоні 7-200 с-1 відбувається зменшення ефективної в'язкості на 24 Пас для вихідної системи (поз. 1) і на 27 Пас для обробленої системи. Подальше збільшення призводить до менш відчутних змін (на 0,8 Пас). Такий характер реологічної поведінки структурованих дисперсних систем пояснюються тим, що спочатку відбувається руйнування слабких просторових структур і макрочастинок, далі відбувається руйнування більше дрібних структурних елементів. У діапазоні високих частки системи орієнтуються в напрямку течії й стають більше обтічними. Крім того, зі збільшенням вологість W досліджуваних систем необхідно прикладати меншу

Рис. 12. Зміна ефективної в'язкості системи “ГГМКК-вода” від швидкості зсуву залежно від обробки (а): 1 – початкова система; 2 – після обробки у РПА та від вологості системи (б): 1 – W= 94 %; 2 – W= 90 %. , , – навантаження, , , – зняття навантаження.

напругу для деформації структури. Характер реологічних кривих для систем з вологістю W=94% (поз. 1, рис. 12 б) і W = 90% (поз. 2, рис. 12 б) ідентичний. Однак поступове збільшення й наступне її зниження істотно позначається на системі з меншим значенням вологості, у якій відбуваються значні текстурні перебудови.

Залежності мають незамкнені гістерезисні петлі, причому для вихідної системи явища гістерезису пов'язані із запізнюванням процесу відновлення в режимі зняття навантаження, а обробленої системи продовжує зменшуватися, що говорить про те, що відбувається необоротне руйнування структури. Гістерезисні ефекти при течії структурованих систем виникають у результаті того, що розміри агрегатів при збільшенні вище, а при зменшенні нижче рівноважного. На рис. 13 наведено криві в'язкості від часу деформації при 1073 с-1. Для вихідної системи (поз 1) спостерігаються більш значні “стрибки” в'язкості, ніж для системи, що пройшла гідродинамічну обробку (поз. 2). Це свідчить про те, що остання має характер течії, близький до рівноважного.

Найбільш наближено до експериментальних реологічних кривих дослідних

систем модель Кессона: відносна похибка апроксімації складає 2-8%.

Для вивчення теплопровідності пастоподібних і порошкоподібних форм досліджуваних структурованих систем реалізований метод виміру в стаціонарному режимі. У якості пастоподібних зразків розглянуті системи на основі ГГМКК і Сu-ГГМКК (ГГМКК, модифікований іонами міді) з вологістю W=95-96%. Розмір дисперсних частинок у досліджуваних зразках досягає 40-240 мкм. Густина пастоподібних систем становить 999-1002

Рис. 13. Зміна ефективної в'язкості системи “ГГМКК-вода” від часу навантаження при швидкості зсуву g = 1073 c-1: 1 – рівноважна крива для вихідної системи; 2 – для системи після обробки в РПА. , – експериментальні дані

кг/м3. За результати досліджень коефіцієнт теплопровідності для пастоподібних матеріалів (рис. 14 а) має нелінійну залежність від температури. У досліджуваному діапазоні температур для пасти ГГМКК =0,58...0,64 Вт/(м·оС), а для мідьутримуючої (1,8% від загальної маси ГГМКК) пасти Сu-ГГМКК – на 0,05...0,06 Вт/(м·оС) вище. Нелінійний характер для пастоподібних наноструктурованих ма-теріалів зумовлений складними ефектами термовологопровідності, під дією яких волога переміщається по напрямку теплового потоку при підвищенні температури.

Отримано температурні залежності коефіцієнта теплопровідності для порошкоподібних КГММК (ксерогелю ме тилкремнієвої кислоти – збезводнений ГГМКК) і Сu-КГМКК

Рис. 14. Температурні криві коефіцієнта теплопровідності для пастоподібних систем (а): 1 – ГГМКК; 2 – води (для порівняння); 3 – Сu-ГГМКК та порошкоподібних систем (б): 1 – КГМКК; 2 – повітря (для порівняння); 3 – Сu-КГМКК.

з W = 0,5%, насипна щільність – 200…350 кг/м3 і розмір частинок – 20…120 мкм (рис. 14 б). Коефіцієнт теплопровідності Сu-КГМКК змінюється в діапазоні 0,034…0,037 Вт/(м·оС), а КГМКК – 0,023…0,028 Вт/(м·оС) і нижче теплопровідності повітря (поз. 2, рис. 14 б). Аналіз результатів показує, що на теплопровідність таких порошкоподібних матеріалів значно впливає їх внутрішня

Тип

обладнання | Продуктивність, кг/годину | Потужні-сть, кВт | Кількість РПА | Загальний об`єм реакторів | Системи, що продукуються

всієї установки | РПА

Установка для МЛФ „Борщагівка”,

„Фармак” | до 150 | 27,3 | 3 | 1 | 320 | суспензійно-емульсійні МЛФ (м`які лікарські форми): гелі, мазі, пасти, лініменти, супозиторії

Установка для окулентів „Мікротрон” | до 10 | 7,3 | 1,5 | 2 | 24 | очні краплі, гелі та мазі; інші МЛФ

Установка для концентратів та паст „КМП2” | до 100 | 10 | 4 | 1 | 50 | концентрати для суспензійно-емульсійних лікарських препаратів

Мобільний насосно-дисперсійний агрегат „Фарматрон” | до 100 | 4,75 | 4 | 1– | суспензійно-емульсійні рідини для аерозольних препаратів, МЛФ, соки з м`якоттю

Установка для отримання паст „Креома-Фарма” | до 100 | 5,3 | 4 | 1 | 100 | Ентеросорбційні кремнієорганічні пасти

гомогенізатор-диспергатор типу АР-3000 | до 100 | 4 | 1– | багатокомпонентні суспензійно-емульсійні препарати, емульгувальні пасти, соки з м`якоттю

пориста структура й високі значення дисперсності, що у свою чергу впливає пористість шару частинок. КГМКК має низькі значення коефіцієнта теплопровідності. Це пояснюється тим, що

структура КГМКК має пори 4-10 нм, розміри яких набагато менше, ніж довжина вільного пробігу молекул повітря, що при нормальному барометричному тиску й Т=15 оС становить 64 нм, а молекули водяної пари – 42 нм. Таким чином, гідрофобний КГМКК проявляє властивості ідеального теплоізолятора.

У четвертому розділі розглянуто результати використання гідродинамічного диспергування у РПА дисково-циліндричного типу в теплотехнологіях та проведено розрахунок економічної ефективності від впровадження технологій та обладнання. Запропоновано широкий спектр тепломасообмінного обладнання (табл. 3) та ДІВЕ- технологій, які базуються на процесах диспергування.

Склад препарату | Дисперсний склад готового продукту | Вимоги фармацевтичного регламенту

розмір частинок, мкм | розмір поодиноких частинок, мкм | розмір частинок основної маси, мкм | максимально допустимий розмір частинок

аеросил | 2-20 | 25-35 | до 65 | 10 частинок у 10 полях зору до 100 мкм

ксероформ | 10-20 | 30-45

дьоготь березовий | 10-35 | до 35

олія ріці-нова

Одними з головних вимог до лікарських препаратів – ступінь однорідності та досягнення розміру лікарських частинок, що регламентуються (не більше 65-90 мкм). Запропоноване обладнання дозволяє отримувати багатокомпонентні гетеро генні препарати, які відповідають вимогам фармацевтичних статей, це можливо побачити на прикладі одного з суспензійно-емульсійного препаратів – лініменту бальзамічного за Вишневським (рис. 15), який отримано за технологією гідродинамічної обробки в РПА та за оцінками дисперсійного складу (табл. 4).

Таблиця 4

Рис. 15. Мікрофото готового лініменту бальзамічного за Вишневським.

Основні результати роботи:

1. Проведено тривимірне моделювання динаміки в'язкої рідини в РПА дисково-циліндричного типу з урахуванням ефектів турбулентності. Отримано поля тиску, швидкостей руху потоку та дисипації енергії. На основі отриманих даних проведено оцінку прискорення руху та імпульсів тиску. Отримано залежності масової витрати від кута (моментів часу) повороту роторів для окремого дискового вузла та апарату в цілому та проаналізовано вплив зміни розмірів та форми робочого об'єму на характер змін масових витрат. Отримані залежності зміни тиску від кута (моментів часу) повороту роторів для міждискового та міжциліндричного зазорів апарату.

2. На основі отриманих розрахункових параметрів збурень потоку проведено аналіз механізмів здрібнення. За оцінками впливу цих механізмів на кінцевий розмір дисперсних включень домінуючими механізмами є нестійкість Кельвіна-Гельмгольца та Релея-Тейлора, зсувні механізми та ефекти подрібнення у турбулентному потоці рідини, які забезпечують мікронний рівень кінцевого розміру дисперсних включень.

3. Проведено експериментальні дослідження процесів диспергування твердих та рідких включень з різними фізико-хімічними властивостями у в'язких рідких середовищах на ряді модифікацій експериментальних РПА дисково-циліндричного типу. Виявлено вплив на кінетику процесу диспергування та дисипативні ефекти ряду факторів:–

підвищення концентрації дисперсних включень з міцною кристалічною решіткою дозволяє інтенсифікувати процес у 2-3 рази та призводить до зростання тем ператури у 1,5-2 рази. Визначено оптимальні співвідношення компонентів оброблених систем, наприклад для системи „тверда субстанція-вазелін” – 1:3...3,5;–

чим більше міцність твердих субстанцій, тим ефективніше подрібнення відбувається на першому етапі процесу, що призводить до значних дисипативних ефектів (температура зростає на 4-20 оС на 1 кг системи, що обробляється);–

на процес диспергування аморфних твердих субстанцій істотно впливає початкова температура системи: чим нижча початкова температура, тим більше інтенсивність процесу і повільніше зростання температури системи в процесі обробки;–

визначено граничні температури оброблюваних в РПА систем, що дозволяють проводити процес диспергування в системі „тверде тіло-рідина” без зміни фізико-хімічних властивостей – 65-75 оС;–

найбільш ефективними для здійснення процесу диспергування твердих субстанцій „голчастої” та циліндричної форми є модифікація апарату М3, а для обробки адгезійних та високов'язких систем – М1.

4. Проведено експериментальні дослідження процесів гідродинамічної обробки та встановлено її вплив на структурно-механічні, теплофізичні, сорбційно-структурні властивості наноструктурованих систем на основі гідрогелю метилкремнієвої кислоти. Виявлено, що дослідні системи відносяться до складних пластичних систем та на їх реологічні властивості має вплив передісторія навантаження. Підвищення концентрації ГГМКК у воді до 7:3 дозволяє скоротити тривалість процесу обробки (до 0,2 хв/кг) і отримати мономезопорувату структуру (ефективний радіус пор – 4,6 нм) з розвиненою питомою поверхнею (210 м2/г) та високими сорбційними властивостями (максимальний сорбційний об'єм пор – 1,62 см3/г та адсорбційна активність по контрастній речовині конго-червоному – 2,6-3,2 мг/г). Зневоднені дослідні системи (ксерогелі) мають властивості теплоізолятора (коефіцієнт теплопровідності при Т=30 оС –