Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Efekty mieszania w wybranych zagadnieniach procesów inżynierii produktu

Makowski Ł.

Prace Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

|

2013

|

Vol. 36, z. 1

3--166

PL

Praca prezentuje możliwości kontrolowania końcowych cech produktu chemicznego poprzez dobór warunków prowadzenia procesu, a w szczególności warunków mieszania reagentów. Przedstawiono sposoby i wyniki modelowania połączone z doświadczalną weryfikacją wpływu mieszania na przebieg złożonych procesów chemicznych na przykładzie charakterystycznych procesów: realizacji równoległych i procesu precypitacji. W ostatnich latach do modelowania procesów chemicznych wykorzystuje się obliczeniową mechanikę płynów, obserwowany zaś współcześnie wzrost wydajności komputerów pozwolił na zastosowanie zaawansowanych modeli, takich jak modele wielkowirowe. W pierwszej części pracy przedstawiono możliwości modelowania przepływu burzliwego, wykazując ograniczenia modelowania bezpośredniego i pokazując, te modele wielkowirowe są rozsądną alternatywą pomiędzy jakością uzyskiwanych wyników a wymogami co do niezbędnej mocy obliczeniowej. Określono również warunki koniecz.ne do spełnienia dotyczące rozdzielczości przestrzennej i czasowej oraz opisano kryteria zbieżności obliczeń numerycznych. W dalszej części pracy skupiono się na przedstawieniu wybranych modeli podsiatkowych dla przepływu i mieszania pasywnego chemicznie trasera. Modelowanie mieszania burzliwego z jednoczesną reakcją chemiczną oparto na metodzie zamknięcia wykorzystującej funkcję gotowości prawdopodobieństwa aproksymowaną przez funkcję beta. Jako reakcje testowe wybrano układ równoległych reakcji chemicznych zobojętniania zasady sodowej kwasem solnym i zasadową hydrolizę chlorooctanu etylu oraz proces precypitacji siarczanu baru następujący po zmieszaniu wodnych roztworów siarczanu sodu i chlorku baru. Przebieg wybranych procesów w pierwszej kolejności rozważano w reaktorach zbiornikowych z mieszadłem turbinowo-tarczowym o działaniu ciągłym i półokresowym. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem modeli opartych na uśrednieniu Reynoldsa połączonych z modelem mieszalnika burzliwego i hipotezą zamykającą. Wyniki modelowe porównano z danymi doświadczalnymi, uzyskanymi zarówno z nieinwazyjnych pomiarów laserowych, takich jak anemometria laserowa, anemometria obrazowa, laserowo indukowana fluorescencja, jak i wartościami określającymi własności końcowe produktów, takimi jak końcowa selektywność reakcji i średni rozmiar cząstek. Następnie przedstawiono zastosowanie modeli wielkowirowych do symulacji przebiegu wyżej wymienionych procesów w dwóch typach reaktorów przepływowych: reaktorze kanałowym z dozowaniem poprzecznym oraz reaktorze rurowym wyposażonym w głowicę zderzeniową typu T-mieszalnik. W pracy zaproponowano nową procedurę modelowania mieszania z reakcją chemiczną z użyciem modeli wielkowirowych. Dobra zgodność wyników teoretycznych i doświadczalnych potwierdziła jej poprawność. Wynikiem niniejszej pracy jest opracowanie metod opisu matematycznego wpływu mieszania na przebieg złożonych procesów w reaktorach chemicznych, co daje możliwość przewidywania własności końcowych produktów, takich jak selektywność reakcji, morfologia i rozmiar cząstek. Wykazano również praktyczne możliwości stosowania modeli wielkowirowych w procesach inżynierii chemicznej i procesowej.

EN

The paper focuses on the methods of testing the influence of mixing on product qualities like selectivity, particle size distribution and morphology of the solid product. The practical aspects of these effects arc related to the fact that many chemical reactions leading to desirable intermediate and end-products are accompanied by side reactions producing undesired by-products. To predict, control and optimize mixing effects on chemical reactions, one needs to apply so-called micromixing models and closure methods, usually in combination with CFD. In recent years, large eddy simulation (LES) has become a very attractive method for simulations of reactive flow for a wide range of Reynolds number. It is an intermediate technique between direct numerical simulation (ONS) of turbulent flow and the solution of Reynolds-averaged equations. To evaluate predictions of models describing reactive mixing, one can employ specially designed mixing sensitive test reactions. In this paper, two characteristic processes were considered: a parallel reaction system that includes competitive neutralization of hydrochloric acid and alkaline hydrolysis of the ethyl chloro-acetate and precipitation of barium sulphate from aqueous solutions of barium chloride and sodium sulphate. Consideration of the effects of turbulent mixing on the course of the complex processes starts from modelling of stirred tank reactor of continuous and semibatch mode. In this case the non-equilibrium multiple-time-scale mixing model combined with a standard k-ɛ model and conditional moment closure were included. The obtained predictions were compared with experimental data, fluid velocity was measured using Laser Doppler Anemometry (LOA) and the Particle Image Velocity (PIV) technique, whilst the passive tracer concentration was measured using the Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) technique; also the final product quality was measured: the final selectivity or mean particle diameter. Next, the large eddy simulation method was applied to model the course of complex processes in two reactors: the square channel reactor with the cross dosing section and a tubular reactor with a T-shaped mixing head. The new procedures of subgrid modelling of the course of chemical reactions and precipitation were presented. The simulation results are compared with PIV and PLIF experimental data and With results obtained using the multiple time-scale mixing model combined with the k-ɛ model. All comparisons show a very good performance of the model based on LES. Practical applications of the presented models to predict the course of chemical reactions in different reactor types were presented.

2

Charakterystyka struktur wirowych generowanych przez mieszadło samozasysające

Kurasiński T., Kuncewicz C.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2009

|

Nr 1

108-109

PL

Na podstawie pomiarów wykonanych przy użyciu anemometru laserowego w mieszalniku z samozasysającym mieszadłem tarczowym wykonano obliczenia wielkości skal długości, czasu i prędkości dla wirów z zakresu Kolmogurtncu, Taylora i Brodkcy'a.

EN

Based on measurements carried out using a laser anemometer in an agitator with a self-aspirating impeller the calculations of'length. time and velocity scales for eddies in the Kolmtigorov, Taylor and Brodkey range were made.

3

Modelowanie procesów wytwarzania proszków przy użyciu płynów w stanie nadkrytycznym

Henczka M.

Prace Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

|

2008

|

Vol. 32, z. 3

3-202

PL

Przedmiotem pracy są metody opisu matematycznego przebiegu procesu wytwarzania proszków do zastosowań medycznych przy użyciu płynów w stanie nadkrytycznym. Charakterystyczną cechą rozważanej grupy technologii jest silna zależność własności otrzymywanych cząstek stałych od warunków oraz sposobu prowadzenia procesu precypitacji. Pozwala to na sterowanie przebiegiem produkcji proszków w celu otrzymania produktu o wymaganych własnościach poprzez odpowiedni dobór parametrów procesowych. W pierwszej części pracy przedstawiono krótki przegląd i ocenę technologii płynów w stanie nadkrytycznym w kontekście ich użyteczności do bezpiecznego i kontrolowanego przetwarzania farmaceutyków. W przeglądzie tym przedyskutowano zalety, niedoskonałości i ograniczenia zastosowań poszczególnych metod. Następnie omówiono własności fizykochemiczne płynów w stanie nadkrytycznym i mieszanin z ich udziałem oraz usystematyzowano zależności użyteczne do modelowania tych własności. Przedstawiono także metody opisu równowag fazowych w układach dwu- i trójskładnikowych, w których prowadzi się procesy wytwarzania proszków. W dalszej części pracy rozważono szczegółowo dwie technologie wytwarzania proszków w przemyśle farmaceutycznym. Pierwsza z nich polega na wykorzystaniu zjawiska obniżania rozpuszczalności związków chemicznych w rozpuszczalnikach organicznych przez dodatek płynu w stanie nadkrytycznym. Opis procesu wymaga wykorzystania metod modelowania przebiegu procesów precypitacji z roztworów wodnych w połączeniu zarówno z opisem złożonych zależności termodynamicznych charakteryzujących płyny ściśliwe, jak i ze specyficznym opisem przepływu i mieszania burzliwego. Kluczowym elementem tej części pracy jest metoda zamknięcia równań bilansowych opisujących przebieg procesu precypitacji przy użyciu płynów w stanie nadkrytycznym. Do modelowania własności produkowanych proszków zastosowano procedurę rekonstrukcji rozkładu rozmiaru cząstek. Druga rozważana metoda stanowi połączenie procesu zamrażania rozpyłowego z suszeniem próżniowym i jest stosowana do bezpiecznej produkcji sproszkowanych substancji bioaktywnych. Polega ona na jednoczesnej atomizacji i zamrażaniu wodnego roztworu wytrącanej substancji w wyniku szybkiego rozprężenia silnie sprężonej mieszaniny dwufazowej zawierającej dwutlenek węgla w stanie ciekłym lub nadkrytycznym. W tej części pracy opracowano metodę opisu wpływu burzliwości przepływu i rozprężania mieszaniny na przebieg procesów dyspersji oraz zamarzania kropel roztworu wodnego. Zaproponowana metoda modelowania przebiegu procesu nie wymaga stosowania stałych dopasowujących wyniki obliczeń do danych doświadczalnych, co świadczy o jej uniwersalnym charakterze. Wynikiem niniejszej pracy jest opracowanie metod opisu matematycznego przebiegu procesów wytwarzania proszków dla dwóch technologii przemysłu farmaceutycznego. Zaproponowane modele matematyczne rozważanych procesów zostały zweryfikowane poprzez zastosowanie ich do interpretacji i przewidywania wyników badań doświadczalnych. Wykazano, że zastosowanie przedstawionych metod modelowania pozwala na przewidywanie wpływu warunków prowadzenia procesów precypitacji na własności wytwarzanych proszków. W aspekcie praktycznym wyniki niniejszej pracy mogą zostać wykorzystane jako narzędzia użyteczne do projektowania i optymalizacji technologii wytwarzania farmaceutyków w formie proszków.

EN

The work is focused on the methods of modellling in the influence of turbulence on the course of particle formation processes with the use of supercritical fluids (SCF). Application of supercritical fluid technologies enables production of ultrafine (micro- or nanosized) powders of high purity and narrow particle size distribution. Moreover, supercritical fluids are easily separated form crystalline products providing clean and recycable technologies. This causes that particle formation is presently considered one of the major developments of supercritical fluids technologies, mainly in the pharmaceutical, nutraceutical and cosmetic industries. In particular, the pharmaceutical industry aims at producing ultrafine particles to use as powderized drugs administered by various routes including inhalation and oral modes. As the first process, supercritical antisolvent precipitation is considered. The principle of this method relies in sharp decrease of the power of the liquid solvent by addition of a supercritical fluid in which the solute is insoluble. Particle size distribution of the solid product can be controlled by adjusting the rate of mixing of fluids, as well as the rate of addition of the antisolvent. Depending on the process conditions, the resulting mixture forms homo- of heterogeneous systems. The general model of antisolvent precipitation in turbulent field for homogeneous systems is presented. The method combines the non-equilibrium model for scalar dissipation with the conditional moment closure based on probability density function Beta (the Beta PDF). The main idea of the model is based on expressing the local concentration of the precipitated substance as a function of dimensionless concentration of the solvent interpreted as a passive scalar and application of the single precipitation progress variable. The presented PDF method has been verified experimentally. The results of numerical simulations have been compared with experimental data for precipitation of paracetamol from the ethanol solution with the use of carbon dioxide as an antisolvent. The second method considered in this work is spray-freezing with compressed carbon dioxide. The process is suitable for processing proteins, antibodies, vaccines, dry powder aerosols and nanoparticles. During the process, liquid droplets of the solution are first dispersed within supercritical CO2 and then frozen in Joule-Thomson's expansion cooling. The most important stage of the process directly determining the final particle size and structure atomization of the aqueous solution of the precipitated substance. The work is particulary focused on modelling the influence of turbulence on the course of aqueous droplet dispersion and solidification process. Two mechanisms of droplet breakup are taken into account, namely Rayleigh-Taylor instablities and activity of turbulent stresses. The proposed procedure enables indentification of the flow field of the mixture, the distribution of temperature of the dispersed phase and the position in the system where the droplet starts to freeze. Finally, the method enables to predict the average size of frozen droplets, which is comparable with the size of produced solid particles. In modelling complex processes of particle formation using supercritical fluids, the different aspects, such as thermodynamics, fluid dynamics and precipitation kinetics, are complementary and provide a comprehensive process description only when cosidered together. The mathematical models presented in this work after implementation into the commercial CFD software constitute complete numerical procedures useful for prediction of the course of particle formation processes. In practical applications, these methods can be applied in optimization and scaling-up of industrial supercritical fluid technologies.

4

Drop breakage models for liquid-liquid dispersions in turbulent flows - comparison

Podgórska W.

Czasopismo Techniczne. Mechanika

|

2008

|

R. 105, z. 5-M

249-260

EN

In the paper four models of drop breakage in turbulent flow were compared. Breakage models were included to the population balance equation to predict transient drop size distributions. Predicted distributions were compared with experimental data. It was shown that models that take into account the effect of the system scale on breakage (multifractal model and model based on the division of impeller region into isotropic turbulent region and nonisotropic turbulent region) predict drop sizes most properly.

PL

W artykule porównano cztery modele rozpadu kropel w polu burzliwym. Modele rozpadu zostały włączone do równania bilansu populacji w celu przewidywania zmian rozkładów wielkości kropel w czasie. Obliczone rozkłady zostały porównane z rozkładami zmierzonymi. Pokazano, że modele uwzględniające wpływ skali układu na rozpad kropel (model multifraktalny i model oparty na podziale strefy mieszadła na strefy burzliwości izotropowej i nieizotropowej) dają najlepsze rezultaty. Model oparty na podziale stref zawiera jednak aż cztery stałe, które muszą być dobierane dla każdego układu. Stosunkowo dobrze rozmiary kropel mogą być również przewidziane za pomocą modelu Coulaloglou i Tavlaridesa. Model Martineza-Bazan przewiduje krople o rząd wielkości za duże.

5

Metoda identyfikacji reologicznej cieczy

Matras Z.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2007

|

Nr 4-5

83-86

PL

W pracy przedstawiono metodę określania własności reologicz-nych cieczy nienewtonowskich. Wykazano, że stałą konsystencji i wskaźnik płynięcia można z powodzeniem wyznaczyć wykorzystując do tego celu dane doświadczalne uzyskane w zakresie tur-bulentnym. Stwierdzono bardzo dobrą zgodność równań stanowiących merytoryczną podstawę metody z otrzymanymi wynikami badań doświadczalnych.

EN

A new method used for calculation of rheological properties of non-Newtonian liquids is presented. Data obtained for the turbulent pipe flow range can be successfully used in the determination of consistency and non-Newtonian flow index. An excellent agreement between theoretical equations and experimental results was found.

6

Wyznaczanie dyssypacji kinetycznej energii burzliwości cieczy w mieszalniku

Talaga J.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2002

|

Nr 4

134-136

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań dyssypacji kinetycznej energii turbulencji w mieszalniku z mieszadłem turbinowym tarczowym i mieszadłem turbinowym o łopatkach pochylonych. Wyznaczono wartości stałej C w równaniu opisującym dyssypację energii E = C(u'J/L) i porównano z wynikami badań innych autorów. Pomiarów parametrów turbulencji cieczy dokonano za pomocą dwukanałowego anemometru laserowego.

EN

This work is concerned to the measurements of turbulent-flow parameters and determining of turbulence energy dissipation rates in a baffled vessel agitated by a Rushton turbine and by a pitched blade turbine impeller. Three components of mean and fluctuating turbulent velocities were measured using the la-ser-Doppler anemometer. On the basis of experimental results a constant C for equation of energy dissipation e = C(u3 / L) has been determined.

7

Wpływ wielkości cząstek na aglomerację w procesie precypitacji

Bałdyga J., Czarnocki R., Krasiński A.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2001

|

Nr 5

7-8

PL

Przedstawiono i przedyskutowano zależności opisujące częstość kolizji cząstek ciała stałego w przepływie burzliwym. Rozważano cząstki małe (mniejsze od mikroskali Koimogorowa) i duże (większe od mikroskali Koimogorowa). Zaproponowano zależności opisujące efektywność aglomeracji.

EN

Equations describing collision rate of solid particles in turbulent flow are presented and discussed. Collisions of small particles (smaller than the Kolmogorov microscale) and large particles (larger than the Kolmogorov microscale) are considered. New relations describing particle sticking probability are presented as well.