Оптимизация кристаллизатора scaleup
Понимание влияние перемешивания на кристаллизации динамики и определить оптимальные условия для scaleup.
Кристаллизации становится все более популярной в качестве единицы работы в химической промышленности благодаря своей способности очищать при производстве твердых с требуемыми физическими свойствами. Повышение требований к более высокой чистоты продукта и последовательность поставили новые требования к этому процессу, особенно в фармацевтической промышленности, которая в настоящее время сталкивается с производства более сложных молекул, а также ужесточение спецификаций для существующих и новых лекарственных препаратов. Такие вопросы, как производство одного энантиомера или конкретных полиморфный стали еще более важными. И необходимо, чтобы сократить время от создания лекарств на рынке введение является неотъемлемой озабоченность. Кроме того, более 90% товара, штраф и специальных химических веществ и фармацевтических препаратов, изготовленных сегодня производится и продается в твердом виде. Большинство из них являются первые оптимизированы на скамейке масштабах или в опытно-промышленной установки. Инженер должен тогда сделать продукт с аналогичными свойствами, что и масштаб увеличивается - задача, которая глубоко повлияла путем смешивания ..
В этой статье мы исследуем, как смешение влияние параметров процесса кристаллизации и рекомендовать пути, чтобы повысить вероятность успешного scaleup. Концепций зарождения и роста, типы смешивания, рассматривается проект, агитатор параметров и критериев scaleup будут представлены. Кроме того, компьютерное моделирование для жидкость-твердое тело системы будет показано.
Механика кристаллизации
Есть два важных шагов для образования частиц при кристаллизации: зарождение и рост кристаллов. В совокупности эти процессы регулируют распределения кристаллов по размерам (КУР), определяя количество и размер кристаллов в настоящее кристаллизатора в конце операции. Смешивание может иметь огромное влияние на свойства продукта, в том числе КУР, чистоты, морфологии и полиморфные формы (т.е. там, где различные механизмы решетчатой упаковки одного и того же вещества видов внутри кристалла может добиться химические и физические характеристики продукта). В свою очередь, эти параметры влияют на выбор глубокой переработки, например, центрифугированием / фильтрации, сушки, фрезерования, обработки твердых веществ и средств предотвращения слеживания продукта. Цифры 1 и 2 демонстрируют значительные изменения в Комиссии по устойчивому развитию и морфологии антибиотик, который кристаллизуется в различных условиях волнения. Рисунок 1 показывает кристаллов с весьма желательно, кубической формы, которые были изготовлены с высоким содержанием твердой содержанием шлама и высокой входной мощности с мешалкой.
Рисунок 2 показывает, иглы с высоким соотношением сторон (например, частицы длины к ширине), которые были сделаны с низким содержанием твердых шлама и низкой мощностью от агитатора. Для этого продукта, пропорции больше 5 считается высоким ..
Пересыщения определяется как превышение растворенного вещества в маточном растворе со ссылкой на кривой растворимости. В идеальном мире, scaleup приведет к идентичных уровней пересыщения во всех регионах эквивалентной лаборатории, экспериментальные и части сооружений, такие, что КУР и кристальной чистоты оптимизированы. Иными словами, движущей силой кристаллизации будут такими же, на всех уровнях, с хорошим массопереноса из объема решение растущей поверхности кристалла. Кроме того, раствор концентрации и перемешивания раз будет то же самое, связаться раз между кристаллами и пересыщенного спиртными напитками были бы равны, поперечных сил, сообщаемая агитатора раствора будет равна, чисел Рейнольдса (N ^ ^ к югу Re) и Фруда (N ^ ^ к югу Пт) жидкости были бы одинаковы, и частота контактов и энергии между кристаллами, а также между агитатором и кристаллов, будет то же самое. Однако эти цели зачастую противоречивы, что делает почти невозможным для достижения той же степени пересыщения или повторить параметров смешивания на scaleup, даже геометрического подобия.
Зарождение является формирование нового кристалла первичных или вторичных механизмов. Первичное зарождение, который часто встречается в осадках с высоким уровнем пересыщения, является формирование ядер в кристалле свободные решения. Этот процесс происходит, когда вещества кластеров видов вместе и принимает упорядоченного расположения в кристаллическом состоянии. Как твердых построить в электрофильтр, источником новых ядер, часто сочетание первичного зародышеобразования в точке питания и вторичного зародышеобразования в объеме сосуда. Радиус ядра должен быть достаточно большим, чтобы преодолеть барьер свободной энергии активации, так что рост может произойти. Меньшие кластеров будет распустить. Как правило, большие пересыщения движущая сила, необходимых для начала зарождения, а во многих случаях приводит к образованию большого числа ядер. Точный механизм, по которым эти кластеры форма не полностью известны. Осадки, как правило, осуществляется из-химической реакции, высаливания или рН перестройки. Первичное зарождение вместе с вторичных эффектов, таких как агломерация, поломки и созревания, как правило, диктует основные механизмы Комиссии по устойчивому развитию и морфологии для осадков (1, 2) ..
Будь кристаллизации системы непрерывного или периодического и является ли она работает испарения, непрямого охлаждения или анти-растворителя Кроме того, основным источником ядер кристаллизации, как правило, средних (например, в результате зарождения кристаллов из существующих). Среднее зарождения требует наличия "родительской" кристаллов, которые участвуют в инициации дальнейшей зарождения трех механизмов: поломки, истощение из-за столкновений, а удаление полуупорядоченных поверхностного слоя жидкости через сдвига и столкновений. Это происходит на поверхности кристаллов и обусловлено кристалла к кристалле (CC), кристалл до крыльчатки (CI), или кристалла к стене (CW) контакта. Величина вторичного зародышеобразования в значительной степени влияет на уровень пересыщения в кристаллизатор. В отличие от макросов убыли / поломки, кристаллы не разбиваются на более мелкие куски. Оба роста и зарождения конкурировать за новые вещества, как это происходит из раствора.
Скорость роста кристаллов, G, будет либо распространение или поверхностные реакции контролируется. Диффузионно-контролируемого роста (диффузионного роста) следует, что скорость роста увеличивается степени смешения (или навозной жижи скорости) возрастает, вплоть до момента, когда поверхностная реакция, или включение вещества в решетку, становится определяющим фактором. Это показано на рисунке 3. Тем не менее, желание увеличить темпы роста и увеличить размер распространение через более агитации могут быть сведены на нет ростом зародышей.
Типы перемешивания
Независимо от размера, каждая из кристаллизатора требует правильного подбора смешивания характеристики, картины течения, циркуляция раз, формы емкости, а количество и тип экранов. Выбор надлежащего крыльчатки, указав правильный D / T соотношение (где D является диаметр мешалки и Т танк диаметре) и размещение крыльчатки в идеальной позиции в кристаллизатор также крайне важны для оптимального перемешивания. В таблице 1 приведены важнейшие процессы, весы для смешивания и перемешивания для каждого из трех типов смешения, которые возникают в процессе кристаллизации, а именно mesomixing, macromixing и micromixing. Типичные значения приведены для следующих параметров: "процесс" описывает явления, которое вызывает смешивания; "шкала" измерения, необходимые для перемешивания типа описывается, и "время" является характерное время перемешивания происходит.
Mesomixing относится к турбулентной дисперсии входящих свежий шлейф сырья путем смешивания его с объемной жидкости. Так как это имеет место в реагента или анти-растворителя (например, растворителя, который имеет намного более растворимости вещества и, добавив его в канал, в котором растворенное вещество растворяется в другом растворителе, кристаллизации и выпадения осадков произойдет) питаются точки она может иметь большое влияние на быстрых химических реакций и атмосферных осадков. Корма ввода кристаллизатора размывается из канала плюма и масштаб канала сводится к тому, крупных вихрей. Неправильно предназначен корма (например, неправильный тип сопла, размер и расположение) может привести к переменной и местном уровнях высокого пересыщения приносит большие ставки зарождения и малых КУР.
Macromixing ссылается на общую производительность системы во время смешивания полный бак или крупномасштабного перемешивания и включает в себя объем жидкости движения и смешивания. С точки зрения общего уровня циркуляции раствора, время пребывания распределения (RTD; функции, что меры, вероятность того, что элемент жидкости будет оставить судно после некоторого времени пребывания) и степени твердых подвеска, это зависит от типа мешалки , скорость судна агитатора и геометрии. Например, идеальное судно плагин поток не имеет распространения в резиденции с момента жидкости в виде плагина без backmixing. Тем не менее, RTD идеальной постоянно смешения является затухающей экспоненты со временем широкое распространение возможных времен пребывания внутри сосуда для жидкости элементов. Жидкости элемент теоретического объема, за которым следует с момента его вступления судна.
Macromixing уменьшает местные различия в температуре, концентрации, пересыщения и взвешенных твердых веществ-плотности. Для данной конструкции мешалки и сосудов геометрии, общей мощностью от агитатора разделить на общий объем шлама, или средней мощности в единице объема, (P / V) ^ ^ к югу ср, является ключевым показателем степени macromixing , так как она показывает относительную Расходы, приведенные и смешивания эффективности работы судов. Для турбулентного потока, macromixing увеличивает время с Т и убывает с (P / V) ^ ^ к югу ср.
Micromixing или турбулентного перемешивания на молекулярном уровне происходит локально в небольшом объеме этого процесса. Для химических реакций или зарождения кристаллов провести в ходе micromixing, материалы должны соприкасаться друг с другом, в результате молекулярной диффузии на микронных масштабах. Она включает вязкой, конвективные деформации жидкости элементов в вихрей, а затем молекулярной диффузии. Эта диффузия происходит истончение слоев жидкости в энергорассеивающую вихрей, которые предусматривают интенсивное удлинение на жидкость элементов. Другими словами, элементы объемы жидкости, которые уменьшаются в размерах в течение micromixing процесса. Диссипации энергии приводит к уменьшению объема обособленной регионах и накладывает удлинения / растяжения по этим районам. В конце концов, конвекции ламинарного и молекулярной диффузии на microlength расстояния в смесителе приводит к концентрации выравнивания. Выравнивание концентрации на микроуровне в данном месте, а не по всему диаметру танка ..
Micromixing может иметь значительное влияние на выпадение осадков в результате быстрых химических реакций или анти-растворителя Кроме того, так как она может диктовать уровень пересыщения, влияя на зарождение и рост частиц. Местных P / V, или скорость диссипации энергии, повлияет на масштабы micromixing, так как это напрямую связано с масштабами длины и времени, необходимого для micromixing.
В различных регионах в промышленных масштабах кристаллизатор, местных PIV может отличаться более чем на два порядка. P / V составляет около 70 (P / V) ^ к югу ср ^ в смеситель крыльчатки (где шлама высоких скоростей), 3,5 (P / V) ^ ^ ср югу в потоке разряда и 20 (P / V) ^ к югу ср ^ в общем региона рабочего колеса, но только в 0,2 (P / V) ^ ^ ср югу на поверхности жидкости, перегородок и углов. В результате этого 100-кратную разницу, относительная важность micromixing и скорость реакции на выпадение осадков может сильно варьироваться в пределах судна. Стоит также отметить, что кинетические выражения, которые соотносятся с вторичного зародышеобразования (P / V) ^ ^ к югу ср не признают изменения ставок местных диссипации энергии. Среднее зарождения, скорее всего, сильно различаются с позицией в любом стандартном судна. Таким образом, небольшие изменения в геометрии судна может изменить распределение локальной диссипации энергии, что привело к значительным изменениям в общей средней нуклеации. Инженер должен принять эти изменения во внимание при определении корма месте расположения точки, конструкции судна и тип агитатора.
Проектные требования
Чтобы свести к минимуму чрезмерного зарождения, поддержки экономического роста и сокращения инкрустации, важно, что площадь кристалла будут доступны в местах, где создается пересыщение. К таким помещениям относятся кипящей поверхности теплообмена поверхности для косвенного охлаждения и питательной точки места для анти-растворителя, реагента и рН перестройки химических веществ. Для подавления первичной нуклеации, суспензия Расходы, приведенные во охлаждения поверхности должны быть достаточно высокими для того, чтобы процесс жидкости температура не падает резко. Так, например, жидкости перепад температуры в типичном блок принудительной циркуляции будет 1-5 [степени] F с лог-средняя разность температур не более 5-10 [градусов F] через кулер. В некоторых системах с малым метастабильных зон потребует еще меньше перепады температуры (1-3 [степени] F). Метастабильных зоны определяется как максимально допустимая температура ниже кривой растворимости, которые приведут к пересыщения уровне, что поддерживает рост в отсутствие первичной нуклеации. Большие перепады температуры, превышающей шлама метастабильных зоны может привести к pluggage на теплообменных поверхностей и значительно уменьшить onstream времени.
Расходы, приведенные шлама должна быть не менее 7 м / с при передаче трубопровода препятствовать урегулированию. Ключевым является то, что кристаллы могут участвовать в развитии, это может быть помощь, оставаясь в рамках метастабильных зоны при кристаллизации. По этим причинам крайне важно иметь высокую загрузку твердого тела (желательно 25-30% или более твердых тел) на варочной поверхности, на поверхности охлаждения и в непосредственной близости от корма-того места в действие осадков (при быстрой химической реакции .
Кристаллы должны быть со дна кристаллизатора, с тем чтобы они могли участвовать в росте. Для опытной и промышленной установки, будут какие-то изменения концентрации твердых частиц в осевом и вертикальном направлении. Изокинетические этого должны быть использованы в целях уменьшения сегрегации в этой точке. Изокинетические условия достигаются тогда, когда направление потока в сливной трубе то же, что и поток приближается разряда плоскости. Кроме того, скорость в сливной трубе должен превышать скорость приближающегося навозной жижи. Когда проект трубка устанавливается в кристаллизатор, скорость потока через линию продуктов превышает скорость в кристаллизатор примерно в пять раз.
Проект трубы установки, в котором вертикальный цилиндр установлен в центре кристаллизатор, часто используются, чтобы уменьшить P / V, необходимых для обращения как и подвеска кристаллов. Агитатор может быть размещен внутри трубки или под трубу, и, в зависимости от материала и конфигурации судно, суспензия потока может быть вверх или вниз в кольцевом пространстве.
Диаметр трубки проекта равна 0.7T (рис. 4) часто используется при перекачивании вылетели в трубу, потому что в этом диаметр Расходы, приведенные в кольцевом пространстве и трубы равны, падение в 2-3 м / с диапазона. номера равных потока содействия твердых подвеска, поможет устранить твердые setttling обеспечить более равномерное solilds загрузки всей судна. Для периодического действия при изменении уровня операционной труба может быть прорези для поддержания потока шлама на всех уровнях. Если твердые трубки работает, обращения будут потеряны после того, упадет ниже верхней части проекта трубки. Щелевой трубки проект только уменьшить осевые на 2-3%, если ссылки на твердой трубки. Примерно одна треть этой области должна быть устранены в шахматном слотов. Проект трубки не должны ограничивать поток в верхней или нижней, так как это может привести к чрезмерному спроса на электроэнергию. Зазор между агитатором и трубки не должны быть слишком мал (2-6 дюйма предпочтительный размер) или это приведет к чрезмерной поломки и зарождения.
Агитатор параметры
Агитатор, является ключевым компонентом кристаллизатора дизайн и должны быть способны:
* По поддержанию кристаллы со дна кристаллизатора для поддержания роста кристаллов
* Поддержания надлежащего перемешивания для предотвращения чрезмерного местного уровней пересыщения на корма пунктов, охлаждения и испарением поверхности, с тем чтобы избежать первичного зарождения и инкрустации
* Обеспечение адекватной передачи тепла для охлаждения или обогрева поэтому устройство может работать в пределах зоны метастабильного
* Средство для выведения пятен с помощью изокинетического разряда
* Создания приемлемых уровней вторичного зародышеобразования, что приведет в производстве желаемых КУР.
В таблице 2 представлены турбулентного потока параметры пять типов агитаторов. Соотношения потоков, (Q / P) ^ R ^ к югу является количество потока, порожденной агитатор по отношению к станом турбинных лопаток (PBT), при вступлении в тот же диаметр рабочего колеса и мощности. Обратите внимание, что N ^ ^ Q к югу, число агитатора потока, изменяется менее среди смеситель типа, чем количество агитатора власти, N ^ P ^ к югу. Эти значения для турбулентного потока и конкретными геометрической конфигурации. Они не зависят от масштаба, предполагая содержание геометрического подобия. Для данного мощность, СПК производит 51% больше, чем поток PBT, в то время как радиальные Раштон турбина производит только 18% от осевого течения, генерируемого стандартных PBT.
Как следствие, за тот же поток, на подводных крыльях требует около 34% меньше энергии, чем PBT, в то время как радиальные, сильного сдвига 90 градусов с шагом Раштон турбины потребуется около 450% больше энергии, чем PBT. Повышенной мощности и сдвига может иметь негативное влияние на зарождение среднего и кристально поломки, каждая из которых будет увеличиваться с более высокими значениями входного сигнала и сдвига. Значения также представлены для типичных стеклянная облицовка (GL) агитаторов. Использование агитатора параметров из таблицы 2, можно вычислить основные мощность насоса в л / мин и мощность в л.с.:
где N является скорость вращения в об / мин и D является рабочее колесо диаметром в фут, а также:
где D является рабочее колесо диаметром в дюймах и парогенераторов является удельный вес
Q является объемного расхода в непосредственной близости от лезвия. Для PBT и гидродинамических конфигураций, Q является объемного расхода движущейся перпендикулярно через скользящем кругу непосредственно под нижней кромкой лопасти. Раштон турбины, с его высокой N югу ^ P ^, требует сравнительно низкую скорость и высокий крутящий момент для данной мощности и размеров. Низкий N ^ P ^ югу агитаторов, такие, как на подводных крыльях, когда работающие на той же мощности и диаметра, Раштон, работать на более высоких скоростях, требуют меньше крутящего момента и дешевле установить, поскольку они требуют меньшего диаметра вала, уплотнения и коробки передач. Судно на подводных крыльях колес часто используются из-за их способности достичь хорошей подвески тел.
Значения N югу ^ P ^ и N ^ ^ Q югу агитаторов GL измеряются в различных конфигурациях, чем те, занятых на металл агитаторов. Эти агитаторы иметь как различия между ними и различия с любой металлической мешалкой в стандартном бак металла в отношении непонятно и D / T. Например, непонятно и D / T соотношения различны для агитатора GL по сравнению с любой металлической мешалки устанавливается в стандартный бак металла. Таким образом, прямое сравнение между выступлениями этих агитаторов не будет абсолютно точным. Для металлических агитаторов, N ^ P ^ к югу и к югу N ^ Q ^ основаны на стандартной конфигурации недоумение, вертикальный цилиндрический резервуар, в котором диаметр агитаторов составляет одну треть диаметра бака. Агитатор находится на некотором расстоянии от дна бака, что составляет одну треть диаметра бака. С. стандартной жидкости и вязкость, [му], считаются 1,0 и 1,0 сП соответственно. Эти конфигурации не видел в GL суда и не являются основанием для определения N ^ ^ Q к югу и к югу N ^ P ^ ..
Scaleup критериев
Строгие геометрические scaleup смесителей носит ограничительный характер из-за противоречивых сходство целей. Например, N ^ ^ к югу Re варьируется в зависимости от НД ^ SUP 2 ^ N ^ ^ к югу отец зависит от N ^ SUP 2 ^ D, а число Вебера, N ^ W ^ к югу, варьируется в зависимости от N ^ ^ SUP 2 D ^ подпункт 3 ^. Если один из них служит для scaleup, другие два не будет масштабироваться пропорционально. Лучше разработать систему с более степенями свободы. При приеме на работу определенного вида агитатор на небольшом масштабе, scaleup при постоянном P / V вводит в заблуждение, поскольку это может игнорировать возможность использования других видов агитаторов, такие как высокая эффективность, низкий крутящий момент и низкое энергопотребление суда на подводных крыльях, в полномасштабной единиц.
Лабораторные и пилотные подразделения короткий жидкости-пути в обоих осевых и радиальных направлениях, чем полномасштабная единиц, что привело к более коротким временем оборота (например, с 1-3 против 20-60 с и более, для общего торгового оборудования ). Оборот время определяется как активный объем шлама, деленная на осевой расход (V / Q), порожденную крыльчатки. Эффективный способ обойти эту сложность заключается в использовании различных геометрий. После лабораторных или опытных объекты настолько "хорошо смешанных", можно было бы рассмотреть возможность использования узким лезвием и меньше D / T в небольшом оборудования. Эта стратегия ограничивает увеличение сдвига скорости изменения, что происходит, если D / T является постоянным в течение scaleup. Сокращение D / T для опытно-промышленной установки увеличивается распространение скоростях сдвига в том, что судно, а также приносит распределение ближе к единице продукции.
Когда смеситель масштабируется при постоянном P / V, основанной на геометрического подобия, максимальная скорость сдвига на лезвие увеличивается пропорционально D ^ SUP 1 / 3 ^, а средняя скорость сдвига уменьшается пропорционально D ^ SUP -2 / 3 ^. Это максимальная скорость сдвига может стать проблемой для некоторых кристаллизации. Для данного кристаллизатора, использование большего диаметра колеса с более низкой скоростью могут быть использованы, поскольку они производят большой поток с пониженным глобального сдвига во судна. Снижение в среднем сдвига может объяснить, почему один часто достигает высшего КУР на scaleup.
В таблице 3 представлены последствия различных агитатора масштабов стратегий для геометрически подобных судов. Первый столбец содержит ряд важных параметров волнения. Второй столбец нормализует их путем присвоения значения 1,0 представлять масштабы, что будут найдены для каждого в обычном 50-гал кристаллизатора опытной. Каждый из остальных четырех колонн показывает последствия одной конкретной стратегии для геометрических scaleup в 6250-гал судна. В ходе осуществления данной стратегии, один из параметров является постоянным (например, P / V в случае, изображенном на колонка 3). Другие номера в колонке показано влияние, что стратегия по другим параметрам. Например, столбец 3 показывает (среди прочего), что если P / V состоится постоянной в течение геометрических масштабов, агитатор должен упасть скорость и агитатор-порожденных скорость оборота шлама (Q / V) в рамках судно падать. Этот критерий дает тот же локальной диссипации энергии и, следовательно, конкретный вклад власти micromixing, где micromixing время связано с Колмогорова (также пишется Колмогорова) масштаб перемешивания.
Однако, как Oldshue (3) указывает на то, с более крупными судами, максимальная скорость сдвига в зоне рабочего колеса увеличивается, в то время как средний показатель снижается. Максимальная скорость сдвига возрастает в ответ на отзыв скорость, S ^ ^ к югу т, а средняя скорость сдвига уменьшается в ответ на скорости. Сдвига скорости изменения распределения с scaleup при найме этому критерию. Эксперименты показали, что масштабирование на основе постоянной PIV обычно приводят к снижению средней нуклеации.
Колонка 4 таблицы 3 проводит активную текучесть кадров объема (Q / V) постоянной, что делает P / V пропорциональна SUP D ^ 2 ^, а понести никаких изменений в скорости. В этом случае, RTD является постоянным, что приводит к очень большим ростом требуемой мощности накачки. Кроме того, N ^ 1 к югу = N ^ 2 ^ к югу, уступая аналогичным macromixing, постоянная времени обращения и постоянная скорость откачки в единице объема (или Q / V). Тем не менее, с использованием постоянных Q / V, как основу для дизайна scaleup, как правило, нецелесообразно, которая предполагает, что пилот завода привлекательным низким сочетание времени и оборотных время реально не может быть сохранен в геометрической scaleup. Тяжелый лом и вторичного зародышеобразования может быть результатом этого выбора.
При определении постоянной S ^ югу T ^ (и, следовательно, постоянный крутящий момент на единицу объема в условиях турбулентного потока с ньютоновской жидкости), как указано в колонке 5, максимальное рабочее колесо сдвига зоны скорость остается постоянной, но Q / V, значительно уменьшится, а также PIV. Scaleup основанный на постоянном S ^ T ^ югу результаты в равной объемной жидкости скоростей. Это можно рассматривать соответствующие scaleup с постоянными mesomixing, как смешивание входящего реагента с объемными или второй реагент тесно связана с сдвига в зоне смешения. Некоторые экспериментальные данные показывают, что scaleup на основании подпункта S ^ г ^ приведет к снижению средней скорости нуклеации. Колонка 6 показывает, что нецелесообразно или невозможно сохранить рабочее колесо числа Рейнольдса постоянной, так как P / V стоимость и оборота станет нереально низкой.
В целом, таблица 3 показывает, что при сколько-нибудь реальную scaleup, полномасштабное судно будет иметь гораздо большее распространение и смесь раза больше, чем экспериментального судна. Агитатор, вероятно, эквивалентную или выше окружная скорость с более высокой максимальной скорости сдвига крыльчатки зоны, при работе с более низкой скоростью вращения и низкой средней сдвига крыльчатки зоны rate.Throughout остальные судна, то как правило, будет ниже средняя скорость сдвига в объеме раствора. Это одна из причин, почему больше кристаллизатора будет часто дают более крупные кристаллы. Таблица 3 также прогнозирует, что среднее зарождения будет уменьшено, если scaleup основывается на постоянном P / V или постоянного S ^ ^ т к югу. Сокращение будет больше, последний критерий. Тем не менее, обороты и смешивания, относятся к дальнейшему сокращению при найме постоянных S ^ T ^ югу критериям. Если постоянная S ^ T ^ югу выбран, инженер должен убедиться, что скорости, смешивание и micromixing являются достаточными для поддержания твердых подвески. Для осадков, инженер должен обеспечить, чтобы micromixing адекватно уменьшить неоднородность, что приводит к высокому уровню пересыщения.
Если нет, то первичной нуклеации становится более вероятным. Различные последствия показали в таблице 3 демонстрируют трудности в расширении кристаллизации системы. Можно хотите изменить геометрию а также использовать как меньше, D / T отношение или узкой ширины лезвие, чтобы экспериментальный завод ближе к полномасштабной установки ..
Сведение к минимуму нуклеации
Если первичной нуклеации допустит, КУР, как правило, совсем маленький, часто в субмикронных до 50 [му] м диапазоне. К счастью, большинство ядер в промышленных кристаллизатора имеют вторичное происхождение. Чрезмерное дает зарождения слишком большого числа мелких кристаллов и неприемлемым КУР. Существует слишком много конкурирующих площадь для роста. Источники зарождения и предложил методы уменьшения нежелательных начального и среднего образования зародышей приведены в таблице 4. Можно часто растут большие КУР за счет увеличения процентов твердых над навозной жижи естественно сделать, чтобы поставить Площадь "губки", тем самым снижая пересыщения. "Природных сделать" это процент твердых веществ, которые будут построены без преднамеренного утилизации твердых веществ или преднамеренного удаления маточного раствора, без твердых настоящего, из кристаллизатора. Тем не менее, состояние обычно достигается которой распределение по размерам в конечном счете, уменьшается за счет сокращения численности персонала и средней нуклеации. Например, низкий естественный сделать 2-5% твердых веществ, часто бывает желательно, чтобы намеренно увеличить процентов твердых тел в диапазоне 15-25% ..
В малых судов около 50-100 гал, большинство средних ядер порожденные кристалла контакт с мешалкой и стен. По мере увеличения размера судна, Есть относительно более ЦК столкновений в связи с уменьшением поверхности на единицу объема. В этом случае, есть относительное увеличение вторичного зародышеобразования в связи с ЦК столкновений.
Суда с высокой плотностью раствора (обычно 25% твердых веществ или более) приводит к зарождению в результате контакта ЦК. Для низких плотностей раствора (обычно 2-5%), CI контакты являются наиболее важным источником ядер. Для обоих этих вторичных источниках зарождения, было установлено, что P / V является чрезвычайно важным и, что правильный выбор агитатора важно.
Первичное зарождение
Скорость обращения должны быть достаточными для осуществления пересыщения, что будет подавлять первичной нуклеации, сохраняя все территории в метастабильных зоны, а также избегать критического предела пересыщения. Первичное зарождение и инкрустации будет результат, если критический предел приближения. Отношения между пересыщения и обращения определяется следующим образом:
где S ^ югу тах пересыщения и Q ^ с ^ к югу является скорость обращения.
Требуется минимальный тираж для мелких кристаллизатора может быть определен путем варьирования скорости перемешивания и наблюдения точки первичной нуклеации. Для геометрически подобных систем:
Эти отношения предполагают качественно равных скоростях на scaleup если небольшой установки находится в критической точки перенасыщения. Такие условия приводят к высокой потребности в энергии, чтобы избежать первичной нуклеации, что отрицательно сказывается вторичного зародышеобразования. Таким образом, инженер придется выбирать между возможностью первичного зарождения и низкими показателями средней зарождения, или высокий уровень средней зарождения и разрушения, минимизируя при первичной нуклеации.
Среднее нуклеации
Crystal-крыльчатки (CI) контактов было показано, что основным механизмом низкой плотности шлама и небольших судов (4,5). В этом случае, качественные модели:
, где B ^ ^ к югу CI является скорость зарождения и M ^ T ^ югу является раствор плотности.
Для данного кристаллизатора, в котором S ^ югу тах проводится постоянная, Q должен быть постоянным. Таким образом, из уравнения. 4, Н. ^ ^ SUP 3 является постоянным, или N [А] D ^ ^ -3 SUP. Таким образом,
Использование больших тихоходных крыльчатки с высокой N югу ^ Q ^ по отношению к N ^ P ^ к югу, как, например экспозиции на подводных крыльях колесо, может значительно снизить среднюю нуклеации.
Следующие качественные отношения предсказал при найме геометрического подобия для scaleup:
Из уравнения. 8, следующие соотношения справедливы для выбранного scaleup стратегии (например, P / V, S ^ югу T ^ N или постоянным):
Используя колеса сделаны из мягкого, эластомерных материалов (6) может уменьшить влияние крыльчатки контактов. Задачей в области использования мягких строительных материалов заключается в сохранении целостности покрытия.
Crystal-кристалле (CC) последствия стали контроля при высокой плотности раствора (7) и больших масштабах (8). Можно качественно отобразить в этом случае, что:
, где B ^ ^ сс к югу является нуклеации в связи с кристально кристалла контактов и D ^ к югу р является размер частиц.
В более широком масштабе, уравнение. 14 не зависит от масштаба. Опять же, это отношение подчеркивает стремление свести к минимуму P / V, и, в частности, N, так как:
Низкий сдвига, эффективная СПК будет оказывать помощь в целях сведения к минимуму желание P / V и Н. Умеренное увеличение N может привести к значительному росту вторичного зародышеобразования. На практике, можно иногда увеличивают размер частиц за счет увеличения плотности раствора выше ее естественного сделать. Это связано с уменьшением пересыщения.
Истощение или поломка
Crystal естественной убыли или поломка происходит без необходимости пересыщения. Две общие механизмы, которые регулируют эти явления являются столкновения вызванного распадом жидкости и механические разрушения из-за турбулентного течения жидкости (9). Два противоположных факторов, которые определяют эффективность процесса разрушения механическая прочность кристаллов и приложенных к нему сил взлома. Наиболее важным напряжения воздействия вызванного стресса (например, CC, CW и CI) и жидкости-индуцированных напряжений (например, напряжение сдвига, перетащите стресс и давление нормальное / стресс). В результате этих явлений, нередко свидетельствует как черепки и осколки в кристаллической суспензии.
Visimix моделирования и компьютерного моделирования
Visimix (10) программа может быть полезна при анализе параметров смешивания в кристаллизации и осадки судна. Кроме того, программа может быть полезна при исследовании различных сценариев scaleup и изменений в агитатора и судно конфигурации. Автор использовал эту программу для многих систем и в целом показало, что результаты часто соответствует производительности завода кристаллизаторов, которые производят как хорошие, так и плохие результаты. В таблице 5 представлены выход для геометрических scaleup из 50-гал судна 6250-гал судна. Озадаченный судно дугообразным дном с 45-град разбил лезвия турбины. Судно содержит раствор с 15% взвешенных твердых частиц в насыщенном водном маточник. Средний размер частиц 150 [му] м, с максимальным форматом 250 [му] M.
Два дела были проанализированы, первая из которых scaleup при постоянном P / V, а второй scaleup при постоянном S ^ ^ т к югу. Как и ожидалось, параметров турбулентности прогнозировать значительное снижение темпов роста цен диссипации энергии турбулентных скоростей сдвига и увеличение микромасштабной турбулентности при масштабировании вверх со скоростью постоянного отзыв. Турбулентности значения для расширения на постоянной P / V довольно близки друг к другу. Гидродинамических значения показывают, резкие изменения в подпункт N ^ Ке и означает обращение раз. Жидкость-твердое тело смешение характеристик предсказать, приведенные значения для энергии столкновения, частоты столкновений, а характерное время между двумя сильными столкновений при масштабировании вверх на постоянной S югу ^ г ^ основе. См. врезку для определения прогнозируемых параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Genck, WJ, "Забытые грань Кристаллизация в", Chem. Eng., 104 (11), с. 94-100 (октябрь 1997).
2. Genck, WJ ", более высокие темпы роста в пакетном Кристаллизаторы," Хим. Eng., 107 (8), с. 90-95 (август 2000).
3. Oldshue, Джеймс Ю., "Смешивание жидкостей технологии", McGraw-Hill публикации, New York, NY (1983).
4. Клонц, Н. и В. МакКейб, "Контакт Зарождение магния Heptahydrate," Хим. Eng. Prog., Симп. Ser., 67 (110), с. 6-17 (1971).
5. Гарсайд, J. С. Jancic, "Измерение и масштабов среднего Кинетика нуклеации для системы калия Алум-Water", AlChEJ, 25, с. 948-958 (1979).
6. Synoweic, П. и др.., "Кристалл Break-Up в разбавленных бурно Взволнованная суспензий," Хим. Eng. Sci., 48, с. 3,485-3,495 (1993).
7. Nienow, А. и Р. Конти ", трение частиц при высокой концентрации твердых тел в Stirred судов", Chem. Eng. Sci., 33, с. 1,077-1,086 (1978).
8. Plosse, Р. А. Мерсманн, "Новая модель Влияние интенсивности перемешивания на скорость вторичного зародышеобразования," Хим. Eng. Технология., 12, с. 137-146 (1989).
9. Kuboi, N., и др.., "Механические истощение кристаллов в Stirred судов", штат Индиана Cryst., Elsevier, стр. 211-216 (1984).
10. Visimix 2000 Турбулентный руководство пользователя, адрес электронной почты: <a href="mailto:info@visimix.com"> info@visimix.com </>; <A HREF = "http://www.visimix.com" мишень = "_blank" относительной = "NOFOLLOW" <> http://www.visimix.com / A>.
WAYNE J. GENCK,
GENCK МЕЖДУНАРОДНОЙ
WAYNE J. GENCK является президентом Genck International (3677 Сок-Trail, Richton Park, IL 60471, телефон: (708) 748-7200, факс: (708) 748-7208, E-почта: <A HREF = "mailto: genckintl @ aol.com "> <genckintl@aol.com />; сайте: <a target="_blank" href="http://www.genckintl.com" rel="nofollow"> www.genckintl.com < />). За последние 20 лет, он провел консультации более 150 промышленных фирм, занимающихся проектированием, scaleup поиск и устранение неисправностей кристаллизаторы и фильтры. Кроме того, его организация провела большую работу по характеристике частиц, спекание, фильтрации, сушки и полиморфных вопросов. Genck преподает курс промышленного кристаллизации AlChE, является частым автор книг и лектор по вопросам кристаллизации и осадков, и автор главы о кристаллизации для третьего ред. из "Справочника McGraw-Hill разделения методы для инженеров-химиков". Genck получил докторскую степень в области химического машиностроения штата Айова, Univ. Он является членом AlChE, Американского химического общества и входящий в состав комитета Ассоциации кристаллизации технологий ..
