Введение к работе
Актуальность работы. Сублимационная сушка, широко применяемая в химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, не имеет альтернативы по качеству высушиваемых продуктов. Благодаря тому, что процесс проводится при отрицательных температурах, удается максимально сохранить все полезные и ценные компоненты, первоначальную форму и размер, структуру высушиваемых продуктов. Данный способ применяется для сушки термочувствительных, легкоокисляющихся, нестабильных в жидком состоянии фармацевтических препаратов и биопродуктов Наряду с неоспоримыми преимуществами сублимационного обезвоживания существуют и некоторые недостатки, среди которых необходимо отметить высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с обеспечением вакуума, энергоемкость процесса, его продолжительность и не всегда удовлетворительное качество сухого продукта (образование «пирога», необходимость в дополнительном измельчении и так далее).
Поэтому предлагаемый в работе способ атмосферной сублимационной сушки в активном гидродинамическом режиме выступает в качестве альтернативы классическому сублимационному обезвоживанию в вакууме, обеспечивая интенсивный тепло- и массоперенос, снижение продолжительности процесса, получение качественно новых наноструктурированных дисперсных продуктов с заданными структурой и свойствами.
Несмотря на огромный экспериментальный и теоретический опыт, накопленный в России и за рубежом, до сих пор нет единого мнения о механизме тепло- массопереноса сублимационной сушки при атмосферном давлении, что затрудняет разработку аналитических методов исследования и объясняет применение эмпирических моделей для конкретных задач. Однако в связи с тем, что процесс относится к энергоемким и требует больших эксплуатационных затрат, а высушиваемые продукты имеют высокую стоимость, не всегда возможно проведение экспериментальных исследований. Помимо этого для предлагаемого процесса тгеат месхо-Д-должна быть решена
проблема устойчивости.
Решение приведенных проблем невозможно без детального понимания гидродинамической обстановки в аппарате и тепло- и массообмена процесса. С учетом вышеперечисленного, задача математического моделирования атмосферной сублимационной сушки в активном гидродинамическом режиме более чем актуальна.
В соответствии с заданием Министерства образования и науки РФ в рамках Российско-Польского проекта ПС № 41.700.12.0075. а также в рамках Российско-Швейцарского проекта SCOPES № 7IP 62613.
Цель работы заключается в разработке технологии сублимационной с\ шки в активном гидродинамическом режиме для получения фармацевтических порошков с заданными свойствами.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи'
исследование кинетики, гидродинамики процесса атмосферной сублимационной сушки в аппаратах фонтанирующего слоя, аналитические исследования свойств высушиваемых продуктов;
разработка математической модели для описания атмосферной сублимационной сушки в аппарате фонтанирующего слоя;
разработка программного обеспечения для расчета изменения параметров газовой и дисперсной фаз по высоте аппарага с течением времени;
выявление условий устойчивой работы атмосферных сублимационных установок с активной гидродинамикой
Научная новизна. Показана и теоретически обоснована возможность получения качественно новых фармацевтических продуктов способом атмосферной сублимационной сушки в активном гидродинамическом режиме
Разработана математическая модель атмосферной сублимационной сушки в аппарате фонтанирующего слоя на основе положений механики гетерогенных сред и неравновесной термодинамики. Математическая модель позволяет исследовать гидродинамический и температурный режимы и рассчитать параметры газовой и дисперсной фаз по высоте аппарата, определить движущую силу атмосферного сублимационного обезвоживания в первом периоде С) шки.
Сделаны рекомендации по созданию энерго- и ресурсосберегающей технологии получения фармацевтических порошков, усовершенствованию конструкции атмосферных сублимационных установок.
Практическая ценность. Проведены исследования кинетики и гидродинамики процесса сублимационной сушки в аппаратах двух типоразмеров, выявлены закономерности влияния параметров процесса на продолжительность сушки и качество получаемых продуктов.
Проведены аналитические исследования свойств высушиваемых материалов.
На основе математического описания атмосферной сублимационной сушки в активном гидродинамическом режиме разработано программное обеспечение, которое позволяет рассчитать процесс сушки при варьируемых параметрах сушильного агента для различных конструкций аппаратов, а также подобрать режимы устойчивой работы аппаратов.
Представлен анализ энергетической эффективности процесса с применением динамических критериев эффективности. Проведено сравнение энергетической эффективности процесса атмосферной сублимационной сушки относительно вакуумной сублимационной сушки в полочных сушилках.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были доложены на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2002»», Тамбов, 2002 г.; «Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-2002», Москва, 2002 г.; 27ой Международной выставке-конгрессе по химической технологии, защите окружающей среды и биотехнологии «АСНЕМА-2003», Франкфурт-на-Майне, 2003 г.; 16ом Международном конгрессе по химической технологии, Прага, 2004 г.; 2ой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)», Москва, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения,
4 глав, заключения, списка использованной литературы из наименований.
Общий объем работы составляет страниц печатного текста.
