תפקיד הידרודינמיקה בשליטה קריסטליזציה בטנקים נטושים

Crystallization הוא ניתוח אבן הפינה בתעשיות החל תרופות וכימיקלים דקים לעיבוד מזון וחומרים מיוחדים.היכולת לייצר גבישים עם התפלגות בגודל צר, מורפולוגיה מבוקרת, וצורה פולימורפית עקבית משפיעה ישירות על עיבוד הזרם - סינון, כביסה, ייבוש - וביצועים הסופיים של מוצר. in עורר טנקים, שבו רוב המכריע של גבישים תעשייתיים מבוצע, הסביבה הידרודינמית, ולכן, מחזורית, הוא תהליך של גירוי יעיל, אך יעיל, אך לא יציב, הוא שיפור, הוא שיפור יעיל.

למרות חשיבותו, התגבשות בטנקים עוררות קשה מאוד לשלוט. שינויים קטנים בתערובת אינטנסיביות, גיאומטריה של רבי-מכר או תצורת טנקים יכולים לגרום לשינויים דרמטיים בגודל גבישי, צורה וטוהר.רגישות זו נובעת מההפיכה האינטימית בין תנועה נוזלית וכוח הנהיגה הכימי - יזום שדה זרימה קובע כיצד מגיבים, כיצד חום מועבר, וכיצד גבישים מושעה ומעבדים ממעבדים ממעבדים בין המהנדסים להחלמה, לבין תהליך הידרודינמיקה, לבין האינטראקציה בין האקטיבית, לבין האקטיבית, לבין האקטיביסטית, לבין האקטיבית, לבין האינטראקציה בין האקטיביסטית, לבין האקטיבית, לבין האקטיבית, לבין האקטיבית, לבין האינטראקציה.

הבנת הידרודינמיקה בטנקים

הידרודינמיקה במיכל מעורר כוללת את התנועה הנוזלית המלאה: זרימת הדם, הזעזוע, הרהר, ומהירות מקומית ⁇ s.משטר זרימה - laminar, מעבר, או זעזוע - מוכתב על ידי מספר המפגע ריינולדס (Re = ⁇ ND2 / מיקרו, שבו N הוא מהירות מאולתר, D הוא קוטר, ⁇ הוא שליטה, מטבוליזם, מול μs הוא חומרים מטבוליים שונים של תהליכים קריסטלציה.

שלושה תבניות זרימה ראשוניות נוצרות בהתאם לסוג בלתי-מוכר והמיקום: זרימה צירית, זרימה קורנלית, וזרימת שיזוף (גזר) זרימה. Axial זרימה מפלט, כגון טורבינות להב ו הידרופובליס, נוזל ישיר למטה או למעלה לאורך ציר הטנק, יצירת מפלט חזק מעל למחזור רדינל.

Baffles הם הכרחיים להמיר תנועה טנגנטינטלית לתוך מרכיבים אקסקליים ורדיוניים, שיפור יעילות ערבוב ומניעת היווצרות של תצורה עמוקה מערבה. תצורה סטנדרטית להשתמש ארבע baffles באותה המידה בחלל, עם רוחב של בערך אחד-עשר עד אחד-על אחד-המגבת של הטנק.נוכחות של baffles גם משפיעה על צריכת חשמל, כפיה על ידי מספר = P / N3, אשר משתנה עם זרם עם זרם עם זרם.

מעבר לתיאורים הקלאסיים הללו, דינמיקת נוזל חישובית מודרנית (CFD) חשפה שדות זרימה עשירים, מרחביים heterogeneous זרימה heterogeneous.אזורים של עשב גבוה קיימים ליד קצה המפלט, בעוד אזורי quiescent עשויים להיווצר פינות או ליד פני השטח הנוזל.

סוגי מחסנים וחתימות ה- Hydrodynamic שלהם

כל גיאומטריה של רבי-מקלע יוצרת פרופיל הידרודינמיקה ייחודי המשפיע על התגבשות באופן שונה:

• טורבינות:0 Rushton: FLT:1 וזרימה גבוהה וקרינה אינטנסיבית בשימוש לעתים קרובות עבור פיזור גזי-שקד, אך יכול לגרום לפירוק קריסטל מופרז במערכות שבריריות.
• (בלטינית:0) ⁇ -להב (למטה-pumping): 1 מתון Shear עם מחזור אקסקלי חזק.
• (ב) ,0) ,Hydrofoil Impellers (למשל, A310, Maxflo W): FLT:1 Low Shear, יעילות גבוהה של משאבה אידיאלי עבור גבישים רגישים לקשת (למשל, חלבונים, מולקולות אורגניות גדולות) תוך שמירה על תערובת גדולה.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

פרדוקס הידרודינמיקה מפתח המשפיע על Crystallization

תהליך התגבש בטנק מעורר תגובה למספר פרמטרים הידרודינמיקה בין-תלויים.הבנת תפקיד כל אחד מאפשר למהנדסים לעצב תנאים תפעוליים המספקים את התכונות הרצויות.

« « « קוצר רוח ומיקרומיקסינג

טוריון משפר את קצב ערבוב, צמצום ⁇ ריכוז ומוביל לעליה אחידה יותר.עם זאת, את ה-Colmogorov microscale - הגודל של האינדיות המטרידות הקטן ביותר - ניתן להשוות את מידות קריסטל.אדיs קטן יותר מאשר גביש יכול להפעיל כוחות על גביית מובילים לחדירה או לפירוק.

עבור גבישי אנטי-סולן או תגובתי, שבו supersaturation נוצר במהירות, איכות מיקרו-מיקסינג היא קריטית.מיקרומיקסינג מסכן יכול לגרום ספייקטים על-טבעיים מקומיים, מה שגורם nucleation ראשוני בלתי מבוקר וחלוקה רחבה בגודל גבישי. מהירות טיפ לא-מנצלרית וקצב של פירוק אנרגיה הם מדדים מרכזיים; מהירויות תעשייתיות טיפוסיות מ 2 עד 8 מ"מ / למערכות רגישות, בעוד שמהירויות גבוהות יותר של מלח יכול לסבול יותר.

Shear Forces and Crystal Morphology

כוחות Shear במיכל מעורר נובעים מ ⁇ מהירות, במיוחד ליד קירות האילר והטנקים.כוחות האלה משפיעים על צמיחה גבישית על ידי השפעה על קינטיקה של אינטגרציה פני השטח.מדת הרהר יכול לשפר את הצמיחה על ידי שיפור העברת המונים של מולקולות solute אל פני השטח.

ב גבישי חלבון, שבו גבישים הם שבריריים, אפילו שר נמוך יכול לגרום שבר או nucleation משני. עבור תרופות בעלות נמוכה, היא לעתים קרובות מתואמים עם שיעורי נינקיה משניים, כמו שברים שבורים גבישים קיימים פועלים כמו גרעינים חדשים.הבנת הקשר בין לחץ הירר להישרדות גבישית חיונית לתכנון תהליכים חזקים.

תבניות זרימה ו Supersaturation Distribution

ההפצה המרחבית של העליות במיכל נקבעת על ידי האינטראקציה של ערבוב, העברת חום ונוטיקה תגובה.בקריסטליזציה קירור, כתמים קרים ליד המעיל הקירור לייצר סופר-על גבוה יותר מקומי, אשר יכול להוביל לדרג או להניקות מועדפת על הקיר.אדיאקטי או טמפרטורה בלתי מבוקרת להחמיר את הנושא הזה.

עבור התגבשות evaporative, ממשק vapor-liquid הוא אזור של supersaturation גבוה. Axial זרימה ממריצים כי נוזל ישיר למעלה יכול לחדש את שכבת פני השטח עם נוזל גדול, צמצום הסיכון של nucleation בלתי מבוקר בחלק העליון באופן דומה, קריסטלציה תגובתית, נקודות להאכיל חייב להיות ממוקם באזורים של זעזוע אינטנסיבי כדי להבטיח פריחה מהירה ו למנוע משיכה מקומית.

שילוב אינטנסיביות ותפוצה של גודל הקריסטל

ערבוב אינטנסיביות - לעתים קרובות כפי שצוינו ככוח נפח (P / V) או מהירות טיפ מופרית - יש השפעה ישירה על חלוקת גודל גבישי הסופי. אינטנסיביות ערבוב גבוהה יותר מגבירה את קצב ההנקה והצמיחה, אבל ההשפעה נטו על גודל חלקיקים ממוצע תלויה באיזה תהליך שולט. במערכות רבות, הגדלת ערבוב צמצום ההתפלגות הגודל על ידי קידום קצבה משנית של גבישים קטנים תוך שיפור גם של צמיחה גבוהה יותר, לעומת זאת, לעומת זאת, עלייה של הגמישות גבוהה יותר.

הכלל התעשייתי מבוסס היטב הוא כי עבור מערכת נתונה, קיים אינטנסיביות מערבולת אופטימלית הממקסימה את התשואות של גבישים בטווח בגודל הרצוי.למטה אופטימלי זה, צמיחה מוגבלת על ידי העברת המונים ו supersaturation ⁇ saturation; מעל זה, הפסקה ו ניונקייה מוגזמת של איכות המוצר.

בקרת הידרודינמיקה עבור Crystallization אופטי

עם הבנה ברורה של הגורמים ה הידרודינמיקה במשחק, מהנדסים יכולים ליישם אסטרטגיות בקרה מכוונת.המטרה היא לא רק כדי למקסם, אלא להתאים את שדה זרימת הצרכים הספציפיים של מערכת התגבשות.

מהירות רבי ובחירת גיאומטריה

מהירות האי-מספק היא המשתנה הבקרה הנגיש ביותר.הגדלת מהירות מגבירה את ההפרעות והמחזור, צמצום ⁇ העל-טבעיות ושיפור העברת ההמונים.עם זאת, מהירות גבוהה יותר גם מגבירה את הרדאר, צריכת החשמל, ואת הסיכון להיווצרות מערבה. גישה שיטתית היא לבצע סדרה של ניסויים אצווה במהירויות שונות (או מהירות טיפ) תוך ניטור בגודל חלקיקים ועצבני.

גיאומטריה אי-מוכר צריך לבחור על בסיס המסחר בין Shear לבין משאבה. עבור גבישים שבריריים, הידרופול מופרעים מועדפים; עבור מערכות שבהן הפרידה אינה דאגה (למשל, מלחים לא אורגניים פשוטים), טורבינות Rushton עשוי להיות מקובל.בצורות מרובות-אימפריאל (מסומונים בטנקים גבוהים), הספיגה בין רבי-מקלע ממלא תפקיד קריטי - מוביל יותר מדי לצמצום של חומר-מרוץ-מתאים; הוא נמוך מדי לצמצום של פחמן-אי-הת-מוכרים;

אסטרטגיות Scale-Up

תרגום של התגבשות בקנה מידה מעבדה לטייס או לקנה מידה הייצור הוא אחד ההיבטים המאתגרים ביותר של פיתוח תהליכים. הידרודינמיקה אינה בקנה מידה ליניארי: דמיון גיאומטרי הוא לעתים רחוקות מעשי, ואת ספקטרום האנרגיה הסוער משתנה עם גודל טנק.

• (ב) מהירות טיפ:0) ⁇ 1 שמורה על הרהר, אך מפחית את התערובת של עוצמת המאזניים הגדולות יותר; יכול להוביל לשילוב זמן רב יותר.
• (FLT:0) כוח לכל יחידת נפח (P/Vir): FLT:1 שומר על פיזור סוער קבוע; לעתים קרובות בשימוש עבור תגובות מוגבלות להעברה אך עשוי מעל-שזאר גבישים שבירים.
• (ב) מספר רבי עקיבא: "החלים רק במשטר מלצר; לא מעשי לקריסטלציה סוערת.
• (FLT:0)Constant ערבוב זמן: FLT:1 ניסיונות לשמר הומוגניות אצווה; קשה להשיג בקנה מידה עקב קשקשים לא ליניארית של מחזור הדם.

שום קריטריון יחיד אינו פועל באופן אוניברסלי.הגישה המומלצת משלבת סימולציות CFD עם אימות ניסיוני בקנה מידה מרובים כדי לזהות את המנגנון השולט (למשל, גירוד משני לעומת צמיחה). כלים מודרניים של תהליך אנליטי (PAT) מאפשרים את ההיקף הזה על ידי מתן נתונים בזמן אמת על ספירת גביש, גודל, צורה בקנה מידה.

מודל CFD ב Crystallization

דינמיקת נוזל Computational הפכה כלי חיוני להבנה וקידוד הידרודינמיקה בטנקים מעוררים.על ידי פתרון משוואות Nvier-Stokes עם מודלים טורחות מתאימים (למשל, k- k- ⁇ SST, או ⁇ עבור דיוק יותר), מהנדסים יכולים לחזות שדות מהירות, שערי Shear, ed Dissipation, ו ערבוב ללא צורך נרחבים עבור פשטות פיזית.

עבור התגבשות, CFD הוא לעתים קרובות יחד עם מודלים של איזון האוכלוסייה (PBM) כדי לדמות כיצד גודל הקריסטל מתפתח בתגובה לשדה זרימה. מסגרות CFD-PBM יכול לחזות את ההשפעה של מהירות רבי-מאט, להאכיל מיקום, קירור שיעור, ואת הגאומטריה על איכות המוצר הסופי. לדוגמה, מחקר CFD עשוי לחשוף את האזור מתחת לחוויות המוכר התחתון, מעדיף צמיחה משנית או מרתיעה זו באמצעות אימפולסיביים רבים.

מעבר לזרימה פנימית, CFD יכול לדמות את ההשפעה של הפרעות חיצוניות כגון רטטים, החלפת חום רעוע, או תוספת מזון לא אחידה. בעוד סימולציות CFD-PBM בקנה מידה מלא אינטנסיביים חישוביים, חברות תרופות רבות משתמשות בהם באופן שגרתי במהלך פיתוח תהליך כדי להפחית את מספר ריצות הניסוי. Open-source פלטפורמות כמו OpenFOAM וחבילות מסחריות כמו ANSYSent Fluent הן נפוצות.

בקרה מתקדמת: Polymorph and Seeding

הידרודינמיקה משפיעה גם על פולימורפיזם, היכולת של תרכובת לאמץ מבנים גבישיים מרובים.פולימורפים שונים לעתים קרובות יש סף השקה מושרה זרימה מובהקת.לדוגמה, הצורה metastable עשויה לנקז בקלות רבה יותר מתחת לרעש גבוה, בעוד הצורה היציבה דורשת שמנת יתר נמוכה יותר.מהנדסי תהליך יכול לנצל זאת על ידי הפעלת צעד זרע בשפל כדי להגדיל את הפולימורפ הרצוי, ואז להגדיל את הסיכון לזרז ללא צמיחה לא רצויה.

אסטרטגיות קידוד קשורות באופן אינטימי הידרודינמיקה. Seeds חייב להיות מבוזר באופן אחיד בכל הטנק מיד לאחר תוספת כדי למנוע supersaturation מקומי ו ניונקיה לא יציב.זה דורש זמן קצר יחסית לקצב פירוק הזרע. בפועל, הזרעים לעתים קרובות להוסיף במהלך תקופה של זעזוע גבוה כדי להבטיח פיזור מהיר, ואחריו ירידה במהירות כדי לשפר את הצמיחה על פני קצב פירוק הזרעים.

יישומים תעשייתיים ומחקרי מקרים

העקרונות המתוארים לעיל מוחלים מדי יום בייצור של תרופות ביניים, agrochemicals, וכימיקלים מיוחדים.דוגמה אחת המתועדת כוללת את התגבשות הקירור של מרכיב תרופות פעיל (API) במיכל של 1,000 L מבולגות L. אצווה ראשונית המיוצר בגודל גבישי לא עקבי ושבריר גבוהה של קנסות, המוביל להאט את הסינון ואת שיעורי פירוק המשתנים.

במקרה אחר, גבישי טנק מתמשך עבור חומר כימי טוב ערך גדול תוכנן מחדש באמצעות שינויים בצורת CFD מונחה baffle. הוספת baffle helical בתוך הטיוטה שיפור התנהגות דמוית תקע, צמצום חלוקת זמן המגורים וצמצום חלוקת הגודל.התוצאה הייתה עלייה של 15% בתשואות וחיסול של מוצר מטופח.

דוגמאות אלה מדגישות שאפילו שיפורים צנועים בהבנה הידרודינמית יכולים לתרגם להטבות תפעוליות וכלכליות משמעותיות.כפי שדרישות רגולטוריות להדק עקביות של מוצרים - במיוחד בגנרליות שבהן ביוקוויוולנטיות תלויה בגודל חלקיקים - התפקיד של הידרודינמיקה רק יגדל.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

במבט קדימה, השילוב של למידת מכונה עם CFD והנתונים הניסוייים מבטיח להאיץ אופטימיזציה של גבישי טנק מעוררים. תאומים דיגיטליים המשלבים נתונים בזמן אמת PAT עם מודל CFD-PBM יכול לחזות את ההשפעה של שינוי הפרמטרים תהליך על תכונות גבישיות וממליץ על התאמות.זה סוגר את הלולאה מ מדידה כדי לשלוט, העברת גבישים ממתכונים להתאמה עצמית, לתהליכים גמישים.

עיצובים רבי-תכליתיים חדשים, כגון אלה המשתמשים בתנועה או מולטי-שלב עם מגרש משתנה, נחקרים להציע דרגות נוספות של חופש בעיצוב שדה זרימה.בנוסף, עלייה של ייצור רציף בתעשיית התרופות (למשל, דחיסה ישירה רציפה) מציבה פרמיה על התגבש חזק, הידרודינמי שיכול לספק חומר עקבי ללא וריאציות אצולה.

לבסוף, טכניקות מדידה לא פולשניות - כמו קול דופלר velocimetry ו- Planar לייזר הנגרמת על ידי לייזר פלואורescence - הופכות להיות נגישות יותר עבור אימות מודלים CFD במעבדה וסולם הטייס. כלים אלה מאפשרים לחוקרים לדמיין דפוסי זרימה שדות העל באופן ישיר, מתן תובנה עמוקה יותר מאשר אי פעם.

מסקנה

הידרודינמיקה אינה שיקול משני בלחסטליזציה מעוררת-טנק – זהו המנגנון הפיזי העיקרי הקובע אם התהליך יפיק מוצר אחיד, באיכות גבוהה או מוצר לא עקבי, מאתגר-ליד-על-ידי-יד. מן הבחירה של אי-המכר והבפטפטפטים ועד לקריטריון הגדל והצורה שבה הזרעים מוצגים, כל החלטות הנדסיות משנות את השדה, וכתוצאה מכך, את התהליכים הסטליזציה והשרירים האפשריים, על ידי , על ידי פתורים של הכלים המשתנים, על ידי , על ידי ויזואליים, על ידי ויזואליים האפשריים, ואימוץ, על ידי תהליכים חישוביים, על ידי , על ידי , על ידי ⁇ , על ידי תהליכים חישוביים, על ידי ויזואליים, על ידי ויזואליים, על ידי ויזואליים, על ידי ויזואליים, על ידי שיטות חישוביים, על ידי התעמלות, על ידי שיטות חישוביים, על ידי .

(ב) לקריאה נוספת על עיצוב בלתי-מייצר ושילוב עקרונות, מתייחס למדריך להנדסה הנדסת מכונות (Chemical Engineering’s Guide to Impeller SelectionFLT:1 for a Authoritative review of CFD in Crystallization, the FLT:2Direct Science page on Crystalization FLT 3 מספק בסיס מוצק של ניהול בקנה מידה בינוני של FLT:4 American פרמצבליזציה:2Directation Industry to open-Fancy: 5.