Выбор в процессе производства частиц по размерам анализаторов
В-процесс анализа частиц имеет ключевое значение для оптимизации процессов и частиц улучшить качество продукции и производительность.
Международная организация по (ISO стандартизации в, Женева, Швейцария, <a target="_blank" href="http://www.iso.ch" <rel="nofollow"> www.iso.ch />) определяет частиц размер, объем сферической эквивалентный диаметр (СЕПГ). Иными словами, размер частиц определяется как диаметр мнимой сфере, имеет тот же объем, как реальные и зачастую не имеют сферическую - частиц на самом деле измеряется. Тем не менее, с точки зрения в процессе производства частиц характеристики, размер частиц в одиночку не может раскрыть достаточно информации о процессе, чтобы для оптимизации процесса или отслеживания критических параметров продукта. Чтобы выбрать правильный инструмент для мониторинга технологических процессов, необходимо определить задачи, которые происходят. Нужно определить, что атрибут системы частиц влияет на процесс или продукт параметра озабоченность. После того как размер области, которая имеет наибольшее воздействие на эти параметры определены, можно отслеживать в процессе производства, открывая области в режиме реального времени контролировать процесс и оптимизация ..
Основы частиц науки
В качестве первого шага при анализе системы частиц, собрать как можно больше информации о возможных ключевых параметров процесса затрагивающие системы, в том числе рабочих температур, давлений, Расходы, приведенные в трубах, условий перемешивания и т.д. С помощью этой информации, пытаются определить вопрос. Есть частиц процесс страдает от проблемы фильтрации или проблема скорость реакции? Или это качество конечной продукции или эффективности процесса не на должном уровне?
В дополнение к единичной операции в вопросе определения того, какие единицы вверх операций воздействия системы частиц. Например, как частицы, перемещаемых между единицами оборудования, является естественной убыли или агрегации, происходящие из-за различий в температуре или расход? Далее, определить, как системы частиц влияние технологических параметров (например, скорость фильтрации, скорость реакции и подвижности частиц) или параметр продукта, вызывающих озабоченность (например, стабильность и прочность частиц). Какой аспект системы частиц имеет ключевое значение для контроля за проблемы или оптимизации решения? И это хорошо или крупных частиц, которые стимулируют процесс проблема?
Фильтрации, например, во многом зависит от формы частиц, твердых погрузки и относительное количество изобразительного материала грубого материала (1). Фильтрация будет продиктовано сжимаемости торт и выбор фильтрующего оборудования (например, фильтр под давлением или центрифуги).
Если фильтрация проблема твердых загрузкой вопроса, этот процесс будет производство такого же размера материала во время каждой партии, но твердых нагрузка не изменится, в результате фильтрации в той или иной раз. В этом случае, измерения концентрации твердых веществ может быть достаточно. Но что, если концентрация твердых тел относительно постоянной от партии к партии и размер материальных изменений? На самом деле, это, как большинство задач фильтрации происходит. В общем, долго фильтрации раз и непоследовательным фильтрации ставки в значительной степени обусловлены количество мелких частиц по отношению к числу крупных частиц. Таким образом, с фильтрацией точки зрения, крайне важно, чтобы ручка от количества мелких частиц.
Чтобы расшифровать то, что регион системы частиц оказывает влияние на процесс, рассмотрим простой пример из двух сферических частиц размером 10 [му] м и 100 [му] M. Средний размер такой системы 2-частиц зависит от типа устройства, использовавшегося для определения размеров частиц. Когда количество частиц используется в качестве основы для измерения, средний размер 55 [му] M. На основе объема, средний размер частиц на самом деле 99,9 [му] M. Это потому, что при измерении размеров частиц в единицах объема, результаты доминируют крупные частицы.
Хотя вполне возможно, в теории, перейти от объема основе ряда распределения на базе, это трудно, если не невозможным, чтобы делать это эффективно на практике, в качестве инструментов для измерения на основе объема предложения немного чувствительность к мелких частиц, в результате чего в бедной оценки количества и объема штрафов. Стоит также отметить, что большинство коммерчески доступных размеров методы (например, просеивание или лазерные) представить данные о том основе.
Очень важно знать принцип измерения инструмента - объем или количество - в целях оценки статистики она предоставляет. В следующем примере показано, как необходимо (или неправильного) выбор статистика может помочь или размытие обнаружения изменений в типичных частиц-процессы: двадцать семь 100 - [м] му частиц (предположим, эти частицы сферы) находятся в реактор / трубопровода. Одна из этих частиц распадается, образуя 1000 частиц размером 10 [му] M. Существует никаких изменений в массы частиц, но и значительное увеличение числа частиц, увеличивает площадь поверхности этой системы частиц на 37%. Если эти частицы входят в реакцию, в которой площадь поверхности твердых дисков скорость реакции, этот разрыв событие может оказать существенное влияние на общую кинетику реакции. Кроме того, увеличение числа штрафов кардинально повлиять на скорость фильтрации.
С другой стороны, основанные на объеме среднего размера частиц изменилась чуть более чем на 3%. Это происходит потому, основанные на объеме означает нечувствительность к изменениям в число штрафов. Это не подходящий способ, позволяющий отслеживать изменения в распределении штрафов, когда грубый материал имеется.
Изменения в распределении штрафы значительной мере влияют на поверхности. По этой причине реакции, в которых размер частиц (и площади поверхности) диска скорость реакции, или процессов, в которых твердые вещества подвергаются фильтрации шаг, будет остро зависит от изменения количества мелких частиц. Дело в том, чтобы использовать ряд основе статистики для отслеживания изменений на стороне штрафы распределения.
Количество частиц в отдельных регионах размер является еще одним важным понятием в количественной оценке систем частиц. Способность считать частицы и классифицировать их по размеру является существенным преимуществом. Рассмотрим пример, когда хороший материал (с распределения по размерам примерно 10 [му] м) добавляется к грубой материала (распределение по размерам примерно 200 [му] м). Кол-дистрибутив на основе показано на рисунке 1 обеспечивает истинную картину того, что происходит в этой частицы системы - количество мелких частиц увеличивается, но количество крупных частиц остается неизменной. Однако, если эти данные нормированы и все частицы кол информация была удалена, похоже, что количество крупных материала уменьшается, а сумма штрафов возросла (рис. 1b). Это чисто функция нормализации, но без номера данными, можно было бы легко сделать неверный вывод.
Частицеподобные калибровки инструментов
Сегодня существует обширная база коммерчески доступных размеров оборудования. Возможно, самый распространенный и простой из этих инструментов представляют собой решето. С появлением компьютеров и постоянное повышение электроника, ряд лабораторных методов калибровки пришли на первый план. Сегодня, 2 самых популярных автономных частиц размеров методы лазерной дифракции и electrosensing зоны методологии.
лазерные инструменты, предназначенные для автономного измерения размеров частиц твердых веществ и жидкостей приостановлено в другой фазе (например, твердых частиц, взвешенных в жидкости, жидкости приостановлена в другой жидкости или твердых частиц взвешенных в воздухе). Эти инструменты использовать рассеяния света явления, в сочетании с математическими алгоритмами для вычисления на основе объема распределения частиц по размерам. Размеры частиц, независимо от их формы, как правило, сообщили, как на основе объема распределения сферических частиц. Это распределение сообщили имеет дифракционную картину аналогично измеряется образца и колеблется от 0,05 [му] м до 2000 [му] M.
Дифракция влечет за собой изменение направления световых волн, как они проходят вокруг препятствий, в этом случае частицы в их пути. Углов, при которых частицы дифракция света, связанных с их размерами. Например, если частицы имеют сферическую форму, крупные частицы рассеивают свет на узкие углы, и малые частицы рассеивают свет в широком углов.
В отличие от дифракции, electrosensing зоны метод обеспечивает ряд основе распределения. В документе, частиц, взвешенных в слабый электролит и обращается через небольшое отверстие. Ширина дверного проема размером частиц в образце в вопрос, но может колебаться от 0,4 [му] м до 1200 [му] M. Текущий потоков между двумя электродами, расположенными по обе стороны от этого отверстия, создавая то, что называют "electrosensing зоны". Как частицы проходят через это отверстие взимается, их присутствие создает ток, пропорционально их размерам. Таким образом, electrosensing зоны техники насчитывает каждой частицы.
Популярность этих приборов для лабораторного анализа проб противостоит их менее важную роль в системах, где частицы знаний скорости частицы или системы динамика лучшего. Многие попытки использовать автономный инструмент для характеристики высокой концентрации, динамичные системы частиц, которые происходят в отрасли. Тем не менее, в автономном режиме инструментов можно делать только так.
Часто бывает трудно, а иногда и опасные, чтобы взять образец с повышенным содержанием твердой концентрации процесса (либо лаборатории или производства шкале). Главной задачей является ли этот раствор Выборка является репрезентативной процесса в целом. Там было несколько исследований, подчеркивающих влияние отбора на надежность частиц по размерам измерения (2). Частицы могут меняться после того как они были взяты из этого процесса, но прежде, чем они являются на самом деле измеряется в автономном режиме.
Например, изменения температуры или давления может изменить систему частиц, что влияет как частицы взаимодействуют между собой; мелких частиц может распустить или агрегата. Характерным примером такой ситуации является процесс кристаллизации где после принятия образца, изменение температуры приводит к дополнительному росту кристалла. Кроме того, большинство методов автономной калибровки требуют низких концентраций твердых веществ (как правило, менее 2% мас., В зависимости от размера и формы частиц), которые часто требуют, чтобы образец разбавляют. Разведение может снова изменить частиц образца, что делает его не-представитель того, что происходит в этом процессе. Иногда образцы фильтруют и сушат, с тем чтобы подготовить их для измерения. В результате бедные изображения того, что в действительности произошло в повышенной концентрации условий производственного процесса.
Значение формы частиц
Другой характерной которые должны быть приняты во внимание при термин "размер частиц" используется это формы частиц. Как показано на рис.2-2D, частицы часто существуют в процессе производства, как неправильной формы образований. Но как частицы, которые не влияют на сферической результаты измерений?
Рассмотрим простой сито. Рассев будет размер частиц на основании его вторым по величине размерности (2). Envision 100 - [му] м-диам. сферы против 100 - [му] м-диа. х 400 - [] му м цилиндра. Хотя стержень имеет большую массу, они будут падать и через те же отверстие сита. Сито данных будет неправильно, если один не отвечает за форму. Этот пример может быть распространен на большинство размеров техники.
Большинство калибровки инструментов, в том числе Колтер борьбе использоваться во время electrosensing, доклад СЕПГ. Однако, независимо от формы исследуемого материала, большинство документов предположить, что измеряемый сигнал поступает из сферических частиц, а в свою очередь, получить СЭД на основе этого предположения. Сферической предположение хорошо работает, если частицы имеют сферическую форму, но чем дальше форма удаляется от сферы, тем хуже это предположение становится и дальнейшего сообщили диаметром от истинного SED (рис. 3).
В самом деле, алгоритмы, дифракции лазерного и electrosensing зоны методы не учитывают формы частиц. В недавней публикации от производителя инструмента лазерной дифракции подчеркивает ограниченность этих документов, когда не сферических частиц измеряется (3). Называются случаи, в которых дифракции лазерного и electrosensing зоны методы и не сообщают истинное СЭД для частиц, начиная от камня формы частиц игольчатых частиц.
На данный момент Есть не удался факторов коррекции коммерческого программного обеспечения (за исключением некоторых анализа изображений упаковок), на которые приходится несферической формы. Большинство, как правило отслеживать рост или сокращение формы частиц, но не в абсолютном смысле.
Пригодности СЭД должна оцениваться с учетом этой чувствительности, чтобы формы. Кроме того, для несферических частиц, даже если правда СЭД можно судить, это приносит мало пользы - это сфера не будет представлять площадь поверхности несферических частиц, и он не будет иметь тот же поток или пилотажных характеристик неофициального сферической частицы.
Imaging предоставляет возможность количественной формы частиц и построить распределения формы и размера. Многие лаборатории систем на основе изображений доступны, начиная с простого микроскопа автоматизированных систем анализа изображений. Тем не менее, когда речь идет о размере выборки, съемки в невыгодное положение. Значительное число частиц должен быть измерены, чтобы создать солидную выборку, которая может занять много времени. Другие недостатки включают изображения низким уровнем конца разрешение и чувствительность к незначительным изменениям в размерности.
In-процесса для определения свойств частиц
Ограничения использования оффлайновых инструментов для характеристики динамики частиц проложили путь для развития в процессе производства методы характеристики. На протяжении последнего десятилетия, целый ряд технологий, приходили и уходили на этом рынке. Между тем, приложений, разработанных в сухой конце (т. е. частиц, взвешенных в воздухе) и мокрого конца (например, частиц или капель, взвешенных в жидкости) областях. В этой статье будут рассмотрены мокрого характеристик систем. Ультразвук, сосредоточены пучка отражения измерения (FBRM), а также частицы видения и измерения (PVM) являются одними из самых популярных в процессе производства техники. В самом деле, последние исследования, проведенного компанией по исследованию рынка Фрост и Салливан (Сан-Хосе, Калифорния; <a target="_blank" href="http://www.chemicals.frost.com" rel="nofollow"> WWW. chemicals.frost.com </ A>) говорит, что на рынке в процессе производства частиц характеристика доминирует FBRM и ГУМ.
Ультразвук - ультразвуковые методы делятся на два направления: акустические спектроскопии и спектроскопии электроакустических. Акустическая спектроскопия основана на "рассеяния" теории, которая использует основные уравнения сохранения массы, импульса и энергии для описания взаимодействия ультразвуковых волн и взвешенных частиц. Взаимодействия частиц и волн, а также зависит от частоты волны и размера частиц. Таким образом, если основные уравнения и частоты, как известно, размер частиц может быть определена. С другой стороны, электроакустических методов использования электрических импульсов, чтобы стимулировать частиц, которые затем производит звуковые волны, пропорциональные размеру частиц.
Характеризуется широким диапазоном измерения, ультразвуковые методы для измерения субмикронного размера частиц, а в некоторых случаях может быть реализован неинвазивным. Ограничения включают тот факт, что измерения, основанные на объеме, а также частицы предполагается сферической. Кроме того, ультразвуковые методы обычно требуют сложных знаний о физических свойствах среды измеряется, в том числе теплопроводности, тепловой расширение / расширения, теплоемкость, сдвиговые жесткости / модуля (для твердой фазы), вязкость (для жидкой фазы) и внутренние затухания. В динамической системы частиц, то может быть трудно получить такую информацию. Кроме того, информация может меняться с течением времени, что делает акустические методы трудно осуществить.
FBRM - Это помощью зонда измерения инструмент, который установлен в реакторе или трубопровода, устраняя тем самым необходимость для отбора проб или разбавления (4). Он использует сфокусированный пучок лазерного излучения, которая сканирует на круговой путь через частиц или частиц структуры проходя мимо окна зонда. После удара частицы, свет рассеивается во всех направлениях. Рассеянного света обратно в направлении датчика используется для измерения хорды (т.е. расстояние между любыми двумя точками на частицы). Тысячи аккорды измеряются в секунду, обеспечивая надежное измерение, чувствительный к изменению числа, размеров и формы частиц проводится расследование. Это, в-процессе калибровки технология используется для разнообразных блок операций, начиная от целлюлозно-бумажной обработки (5), биологические приложения (6), флокуляции (7), нефти и водных дисперсий (8), и кристаллизации / осадков (9-13). Преимущества этого метода относятся простота в использовании и очень мало обслуживания или калибровки требованиям.
Ограничения в том, что никакой формы необходимой информации. Однако, это как атрибут и ограничений, не предполагая, форма имеет важное значение, особенно во время измерения несферических частиц, а при изменении формы и размера происходящие с течением времени ..
В-процесс визуализации частиц имеет явные преимущества, как можно охарактеризовать форму материала, как она существует в процессе. Например, измерение агрегации частиц можно оценить по изображениям. Это может быть не видно из автономной образцов. В-процесс визуализации была также использована для отслеживания формы кристаллов при кристаллизации (14).
ГУМ - Это помощью зонда с высоким разрешением в процессе производства видео-микроскоп, который позволяет получить изображение кристаллов, как они существуют в процессе. Датчик использует 6 независимых источников лазерного освещения фиксированной области в навозной жижи. Свет, рассеянный назад к станции используется в сочетании с зарядовой связью детектора (ПЗС) для получения изображения. Изображение поля зрения 860 х 645 [м] му с разрешением примерно до 3-5 [му] M. Вспомогательное программное обеспечение позволяет хранить до 10 изображений / с Эти образы помочь утверждать формы частиц и указать размер частицы и структура.
Inline против автономном методы
Рисунок 4 показывает FBRM данных, полученных при наблюдении за процессом роста кристаллов, где растут кристаллы размером с течением времени. FBRM отслеживает процесс роста, но измеренные значения размеры меньше, чем наблюдаемые с помощью лазерной дифракции. ГУМ-изображения отражают истинную форму частиц - хорошо сформированной октаэдра. Через анализа изображений РУМ-изображения, СЭД этих частиц построены, показав, что негабаритов лазерные и FBRM undersizes истинного СЕПГ. Тем не менее, для отслеживания динамических процессов, измерение абсолютной размер частиц, как правило, не требуется. Что требуется, это измерение, которое учитывало бы процесс параметром, представляющим интерес, был ли это тонкий или грубый конце распределения.
В непрерывного контроля
Истощение - простой пример FBRM показано в систему частиц проходит истощение (рис. 5). Крупные частицы, перемешивают в течение 10 мин. С течением времени распределение частиц штрафа увеличивается, а количество крупных частиц не меняется драматически. Номер основе средней уменьшается со временем, но на основе объема статистики остается неизменной. В этом случае, используя номер основе среднее или количество частиц на тонкой стороне распределение было бы целесообразно отслеживать данную истощение события.
Флокуляции - Чтобы отслеживать флокуляции в процессе производства, нужно изучить обе стороны распределения. Первоначально, 1 начинается с большого количества мелких частиц, которые в совокупности за счет добавления флокуляции агента (рис. 6а). В результате, количество штрафов уменьшается, а количество грубых частиц растет (рис. 6, b). Отслеживание процесс флокуляции таким образом позволяет оптимизировать количество хлопья добавить, при оценке влияния основных технологических параметров, таких, как агитация, на хлопьевидный частиц.
Непрозрачные решения - Может быть, одна из главных задач характеризации частиц в процессе производства является измерение в сложных условиях процесса - высокая температура или давление, радиоактивность (15) или непрозрачной суспензии. Использование FBRM для характеристики асфальтенов показывает, что нефть для битума отношение существенно влияет на скорость и степень асфальтенов осадков и последующего агрегирования. Изменения температуры, давления и химического состава может вызывать асфальтенов выпадать из сырой нефти. Таким образом, значительные трудности могут возникнуть в ходе производства, транспортировки и переработки нефти. Например, в осадках, а также в нефтяной скважины могут частично или полностью перекрыть водохранилища, таким образом, ущерб водохранилища и сорвать сырой нефти восстановления; правдами и неправдами производственных линий и катализаторов яд НПЗ. Экономических последствий этих проблем, огромны. Тем не менее, некоторые из наиболее фундаментальных свойств и поведения, асфальтенов, остаются нерешенными. В процессе производства характеристика проливает свет на процесс кристаллизации и ее существенной переменных процесса ..
ЛИТЕРАТУРА
1. Мота, М., и др.., "Вмешательство крупные и мелкие частицы различной формы в смешанном пористых слоев и фильтров Торты," Полезные ископаемые инженерия, 16 (2), с. 135-144 (февраль 2003).
2. Аллен, T., "Измерение размеров частиц", 4 ред., Чепмен и Холл, Лондон (1990).
3. Сюй, Р. OAD Гида ", размер частиц и частиц граф Использование рассеяния света, Колтер принципе, и анализ изображений", Всемирный конгресс по технологии 4, Сидней, AU, с. 21-25 (июль 2002).
4. Барретт, П. и Б. Гленнон, "In-линии FBRM Мониторинг размеров частиц в разбавленных суспензий, волнуясь," частиц и частиц системы Характеристика, 16, с. 207-211 (1999).
5. Данхем, AJ и др.. "Действие растворенных и коллоидных веществ на флокуляции механической целлюлозы," Журнал Целлюлозно-бумажная промышленность наук, 26 (3), с. 95-101 (2000).
6. Гленнон, Б. и др.. "В-Line мониторинга биологических систем с помощью FBRM", Lasentec форум пользователя, Чарлстон, штат Северная Каролина (24-27 февраля, 2002).
7. Оуэн, Т. и др.., "Влияние флокулянта полиакриламида Возраст Решение о флокуляции производительности," Международный журнал полезных ископаемых, 67 (1-4). с. 123-144 (ноябрь 2002).
8. Даудинг, PJ, и др.., "Факторы управляющих капель эмульсии и твердых частиц по размерам измерений выполняется с помощью ориентированных Техника отражения луча", коллоидов и поверхностей A.: Физико-химические и технологические аспекты, 192 (1-3), с, 5-13 (ноябрь 2001).
9. Барретт, П. и Б. Гленнон ", характеризующие Метастабильные Ширина зоны и кривой растворимости Использование Lasentec FBRM и PVM," Trans. IChemE, 80 (A), с. 799-805 (октябрь 2002).
10. Руф, А. и др. /., "Моделирование и экспериментальный анализ PSD измерений через FBRM", частиц и характеристик системы частиц, 17, с. 167-179 (2000).
11. Saranteas К. "Micromixing и Mesomixing Воздействие на нуклеации, агломерация и De-агломерации кинетики в Dye осадков", Lasentec форум пользователя, Орландо, Флорида (28 февраля-1 марта 2000).
12. Джонсон, BK, и др.., "Оптимизация фармацевтической Кристаллизация пакетной фильтрации и шкала-Up", Американский институт инженеров-химиков Ежегодное собрание, Лос-Анджелес, CA (16-21 ноября, 1997).
13. Фицсаймонс П., "Использование Lasentec FBRM в нормативно-правовом объемных API производства" Форум Lasentec пользователя, Нью-Йорк, NY (24-26 февраля, 2003).
14. Скотт, DM, и др.. ", Частицы в линии Характеризация частиц", и характеристика системы частиц, 15, с. 47-50 (1998).
15. Daymo, Е. А. и др. /. ", Приемо-сдаточных испытаний Lasentec ориентированных измерения отражения луча (FBRM) Монитор для навозной жижи передачи приложений на Ханфорд и Ок-Ридж," Известия SPIE - Международного общества по оптической технике, 3536, с. 82 - 92 (1999).
PAUL Барретт, LASENTEC, INC КОМПАНИЯ METTLER TOLEDO
PAUL БАРРЕТТ является директором заявок на Lasentec, Inc (15224 Н. Санкт девяносто пятого; Redmond, WA 98052, телефон: (425) 881-7117, факс: (425) 881-8964, E-почта: <A HREF = "mailto: paulb@lasentec.com"> <paulb@lasentec.com />). Он несет ответственность за реализацию в процессе производства технологий в Lasentec для определения свойств частиц в различных участие процессов. Барретт вступил Метлер Тольдо Lasentec в 2000 году как специалист кристаллизации. Он заслужил BE и ученые степени в области химического машиностроения Univ. Колледж в Дублине, Ирландия.
