WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«48577ЭЗ Маковская Юлия Владимировна Моделирование процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое и прогнозирование качества покрытий ...»

СГ

Н а правах рукописи

48577ЭЗ

Маковская Юлия Владимировна

Моделирование процесса инкапсуляции

в псевдоожиженном слое и

прогнозирование качества покрытий

05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

2 С 0г;т 2011

Москва-2011

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете

имени Д.И. Менделеева

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Меньшутина Наталья Васильевна доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты:

заведующий кафедрой «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов», Московский государственный университет инженерной экологии, Тимонин Александр Семенович кандидат технических наук, преподаватель, Негосударственное образовательное учреждение Учебный центр «Сетевая Академия»

Гузев Олег Юрьевич Московский государственный университет

Ведущая организация:

тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова (г. Москва)

Защита состоится «17» ноября 2011 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 при РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц-зале .

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева .

Автореферат диссертации разослан « октября 2011 г .

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.03 (Женса А.В.)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А|сгуальность работы. В настоящее время в химической и других отраслях промышленности огромное внимание уделяется модернизации производства, совершенствованию технологий, возможности быстрой и эффективной переориентации на новую продукцию .

В этом свете большой перспективностью обладают универсальные способы модификации свойств продуктов. Одним из таких способов является заключение целевого материала в функциональную оболочку. Технология инкапсуляции путем нанесения на исходное вещество функционального покрытия, свойства которого определяют задачи дальнейшего использования

–  –  –

Рис. 2. Явления, протекающие на микроуровне, и математическое моделирование с учетом их влияния на качество продукта в третьей главе представлен проведенный комплекс экспериментальных и аналитических исследований процесса инкапсуляции частиц-плацебо из микрокристаллической целлюлозы с использованием методов многофакторного планирования, в котором варьировались расход и температура псевдоожижающего воздуха, концентрация и расход полимерного раствора, размер инкапсулируемых частиц и полимерное покрытие .

Была проведена серия предварительных исследований по установлению коридора допустимых значений параметров проведения процесса инкапсуляции .

В установленных диапазонах проведено 55 экспериментов по инкапсуляции в два полимерных покрытия на основе сополимеров метакриловой кислоты Kollicoat МАЕ ЮОР (BASF®) и Acryl-EZE (Colorcon®). Для унификации исследований по инкапсуляции частиц в покрытия различного состава и обобщения результатов в единую систему были разработаны общие методики проведения экспериментальных и аналитических исследований .





Экспериментальные исследования проводились в аппарате псевдоожиженного слоя Huettlin Mycrolab (рис. 3) .

Панель управления Блок сетчатых фильтров

–  –  –

Рис. 3. Лабораторная установка Httlin Mycrolab, OYSTAR GmbH Псевдоожиженный слой в аппарате создается за счет нагнетания воздуха в нижнюю часть рабочей камеры через газораспределительную решетку. В ходе процесса в слой частиц подается полимерный раствор, который диспергируется при помощи пневматической форсунки, установленной в центре газораспределительной решетки. Процесс периодический, после нанесения требуемого количества раствора прекращается подача воздуха, и полученный инкапсулированный продукт выгружается для исследований. Процесс формирования покрытия на частицах при инкапсуляции представлен на рис. 4 .

Диспергирование Столкновение капель Пленкообразование Готовое покрытие С частицами

–  –  –

Рис. 5. Внешний вид частиц с покрытием и фотография поверхности При помощи методов статистики было минимизировано количество проводимых экспериментов и найдены оптимальные условия проведения процесса инкапсуляции в использованные полимерные составы .

На основании результатов регрессионного и факторного анализов определены ключевые параметры проведения инкапсуляции (температура ожижающего воздуха, расход и концентрация диспергируемого полимерного раствора), оказывающие наибольшее влияние на качество продукта и эффективность процесса, и ключевые показатели качества продукта (доля агломератов, оценка качества поверхности, сыпучесть продукта), которые были включены в нейросетевую модель в качестве входов и выходов соответственно .

В четвертой главе представлено комплексное математическое описание гетерогенного трехфазного (твердое, жидкость, газ) процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое, объединяющее математические подходы на основе уравнений массо- и теплообмена при инкапсуляции и искусственной нейронной сети для прогнозирования качества покрытия. Разработанный комплексный подход заключается в учете различных аспектов протекания процесса инкапсуляции несколькими математическими инструментами и интеграции их в единую систему, позволяющую рассчитывать количественные характеристики процесса и качество получаемого продукта .

В основе разработанного математического описания лежат модель тепло- и массообмена в аппарате, учитывающая кинетику сушки на уровне единичной частицы, адгезию капель к поверхности частиц, гидродинамику потоков, и модель на основе искусственной нейронной сети, прогнозирующая влияние параметров проведения процесса на качество покрытия .

Модель, описывающая тепло- и массообмен в процессе инкапсуляции в псевдоожиженном слое, состоит из уравнений изменения влагосодержания для трех взаимодействующих фаз: инкапсулируемых частиц, капель полимерного раствора и воздуха; уравнений, описывающих изменение температуры каждой из трех фаз; уравнения изменения количества полимерного покрытия на частице и уравнения изменения количества капель по высоте слоя.

При разработке модели были сделаны следующие допущения:

• Изменение параметров происходит по высоте слоя и во времени, без учета радиальной составляющей .

• Рабочий объём камеры разделен по высоте на п слоев, каждый из которых характеризуется постоянным объемом и постоянным числом частиц. В каждом слое все фазы идеально перемешаны .

• Поток воздуха перемещается между слоями в режиме идеального вытеснения, порозность слоя по высоте одинакова .

• Частицы монодисперсны, непористые, агломерация отсутствует .

Интенсивность перемешивания частиц между слоями описывается коэффициентом аксиальной дисперсии г, который зависит от скорости движения газовой фазы, а также свойств частиц .

• Инкапсуляция характеризуется малой толщиной пленки, масса частиц меняется незначительно, и этим изменением можно пренебречь .

• Капли, получаемые при помощи пневматической форсунки в данном аппарате, имеют узкое распределение по размеру, что позволяет рассматривать их как монодисперсную фазу. Между каплями отсутствуют соударения и слипание, нет налипания на стенках аппарата. Капли движутся через псевдоожиженный слой сонаправленно с потоком воздуха .

На рис. б представлен характер взаимодействия фаз между собой с учетом принятых допущений, и обозначены основные характеристики состояния фаз, согласно принятой схеме разбиения аппарата на слои .

МЧ|«, ХЧ|41, ТЧ|»1, Л Л ТВ., Мпм осаждение на частицах

–  –  –

где Сраствпра " мзссовый расход раствора, кг/с; - эффективность столкновения капель с частицами, б/р; - число Стокса для капель, б/р; а и Ь - эмпирические коэффициенты, зависящие от режима движения газового потока .

Разработанная математическая модель тепло- и массообмена процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое учитывает явления столкновения капель с частицами, адгезии их к поверхности, испарения влаги с поверхности частиц и капель, процессы массо- и теплообмена между взаимодействующими фазами и позволяет рассчитывать значения параметров протекания процесса (температуру в слое и на выходе, время процесса) и показатели готового продукта (толщину слоя покрытия, потери материала, влагосодержание материала). Однако данная модель не позвсгает предсказать качестю покрьгшя и не учитывает процесс агломерации .

Для прогнозирования качества покрытия в зависимости от параметров проведения процесса использовалась модель на основе искусственной нейронной сети. В качестве входов нейронной сети вводились значения ключевых параметров проведения процесса (температура ожижающего воздуха, расход и вязкость полимерного раствора), и параметры, характеризующие гидродинамический режим в аппарате (размер частиц и расход воздуха). Для расширения возможностей применения нейросетеюй модели часть макроскопических параметров задавалась в виде относительных величин. Расход воздуха был отнесен к массе загрузки исходных частиц, расход полимерного раствора был отнесен к расходу воздуха .

Это позволяет использовать модель для масштабирования процесса .

В качестве выходов нейронной сети использовались ключевые показатели качества продукта (доля агломератов, качество поверхности, оцененное в баллах, сыпучесть продукта). Обучение нейронной сети проводилось на результатах 50 экспериментов. В качестве алгоритма обучения использовался алгоритм обратного распространения ошибки, успешно применяющийся для многослойных перцептронов .

Анализ предсказательной способности 14 нейронных сетей различной структуры проводился путем сравнения результатов тестовых экспериментальных исследований с предсказанными значениями. Была определена структура нейронной сети, наиболее точно прогнозирующей качество продукта в процессе инкапсуляции в псевдоожиженном слое, - это сеть с двумя скрытыми нейронными слоями, четыре нейрона в первом слое, три во втором, и

–  –  –

Рис. 9. Структура программного комплекса для математического описания процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое В первом блоке программного комплекса задаются конфигурация аппарата и значения параметров проведения процесса, устанавливаются начальные и граничные условия. Для заданных условий в расчетном блоке при помощи нейросетевой модели происходит прогнозирование качества получаемого продукта. Если качество покрытия не удовлетворяет каким-либо критериям, существует возможность коррекции входных данных для поиска оптимальных параметров процесса. При удовлетворительном качестве покрытия производится расчет по математической модели тепло- и массообмена для трех взаимодействующих фаз (воздух, частицы, капли), решается система дифференциальных уравнений (1 - 8). Расчет параметров процесса проводится в двух циклах. Условием выхода из внешнего цикла является достижение параметра, который задаёт пользователь (конечная толщина полимерной плёнки или время процесса). Во втором цикле, вложенном в первый, ведётся расчет параметров процесса по высоте рабочего объёма камеры аппарата .

Разработанный программный комплекс на основе математического описания процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое позволяет рассчитать распределение влагосодержания и температуры для каждой фазы по высоте аппарата и во времени процесса, динамику роста толщины покрытия .

На рис. 10 представлены результаты расчета, полученные при помощи программного комплекса, отражающие динамику изменения температур для трех взаимодействующих фаз при различной температуре входящего воздуха и скорости подачи полимерного раствора (расход воздуха 20 м^час, концентрация раствора 20 % масс., диаметр частиц 1000 мкм) .

–  –  –

Рис. 10. Динамика изменения температур для каждой фазы (1 - воздух, 2 - частицы, 3 - капли) и изменение температуры капель по высоте и во времени На рис. 11 представлены графики роста толщины покрытия на инкапсулируемых частицах при различных условиях проведения процесса, а также приведены спрогнозированные характеристики качества продукта .

Увеличение скорости подачи полимерного раствора снижает продолжительность процесса при условии достижения заданной толщины покрытия, но может приводить к увеличению доли агломератов и ухудшению качества поверхности. Производительность можно повысить увеличением концентрации (вязкости) раствора при снижении скорости его подачи, при этом доля агломератов снижается до 1.1%. Однако повышение вязкости раствора может привести к увеличению потерь по наносимому полимеру и неудовлетворительному качеству поверхности .

Анализ условий проведения процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое с целью сокращения времени нанесения покрытия позволил для данного аппарата найти условия проведения процесса (20 %, 40°С, 1.5 мл/мин, 40 м^час) .

при которых за 1.3 часа может быть получен продукт высокого качества. На рис. 12 представлены фотографии частиц, полученных при данных условиях, отражающие высокое качество продукта и равномерное однородное покрытие .

— Твх = 45 С; ш(р-ра) г I м л / м и н — Вязкость раствора 26 м П а ' |

–  –  –

общим методикам с использованием методов планирования многофакторного эксперимента, включающий 55 экспериментов по инкапсуляции и исследования полученного продукта, в том числе определение насыпной плотности, остаточного влагосодержания, сыпучести, исследование гранулометрического состава, оценку качества поверхности частиц и определение эффективности процесса по наносимому полимерному составу .

3. Проведены факторный и регрессионный анализы результатов экспериментальных и анапшических исследований и определены ключевые параметры проведения процесса, оказывающие наибольщее влияние на качество продукта .

4. Разработан комплексный подход к математическому описанию процесса инкапсуляции, основанный на объединении и интеграции в единую систему модели массо- и теплообмена для расчета количественных параметров проведения процесса и нейросетевой модели для прогнозирования качественных характеристик продукта .

5. Разработана математическая модель массо- и теплообмена в ходе процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое с учетом гидродинамики, адгезии капель к поверхности частиц и кинетики сушки полимерного раствора .

6. Разработана математическая модель на основе искусственной нейронной сети для прогнозирования качества покрытия, получаемого при инкапсуляции в псевдоожиженном слое .

7. Создан программный комплекс, основанный на разработанном математическом описании процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое, для расчета параметров проведения процесса и прогнозирования качества покрытия, визуализации и обработки полученных результатов .

8. При помощи программного комплекса проведены расчеты параметров процесса инкапсуляции в псевдоожиженном слое и прогнозирование качества покрытия, подтверждена адекватность математических моделей, лежащих в основе комплекса, и возможность применения программного комплекса для проектных задач, сопровождения научных исследований, масштабирования технологии инкапсуляции в псевдоожиженном слое .

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Маковская Ю.К, Ганомидов Е.С, Гордиенко М.Г., Меныиутина H.R Программный комплекс для расчета процесса нанесения покрытия в псевдоожижеином слое // Программные продукгы и системы. 2011. №2. С. 151 -155 .

2. Сввдетаньство о пхударственной регистрации программы для ЭВМ №2011615761 «Программный комплекс для расчета и масипабирования процесса нанесения покрьпия в аппаратах псевдоожиженного слоя «Coating» / Маковская Ю.В., Голомцдов Е.С., Гордиенко М.Г., МеньшушнаКВ. //Заявка№2011613944. Дата регистрации 22.062011 .

3. Makovskaya Y., Gordienko М., Golomidov В., Goncharova-Alves S., Menshutina N. Investigation of Different ^pes of Artiiicial Neural NetwoiicsforModelling of Coating Quality // 5th Nordic Diying Conference: CD-ROM Pnxeedings ofConference, электр. опт. диск. - Helsinki, Finland, 2011.5 p .

4. Маковская Ю.В., Голомцдов E.C., Гордиенко М.Г., Матасов A.R Информационная ингеш1ек1уальная система дня ресурсоэнергосбережения и прогнозирования качества продукта в процессах нанесения покрытия в псевдоожиженном слое // Химическая промышленность сегодня. 2011. №6 /в печати/, 3 с .

5. Гордиенко М.Г., Маковская Ю.В., Касимова А.О., Меньшутина R R Исследование и оптимизация процесса иикапсуладии лекарственного вещества в полимерную оболочку в аппарате псевдоожиженного слоя // Весгник МИТХТ. 2010. Т. 5, №1. С 93 - 97 .

6. Makovskaya Y.V. Menshutina N. V., Gordienko M.G., Didenko A.A. Integrated System Approach To Modeling Of Optimal Quality Of Phannaceutica] Encapsulated Products // 20th European Symposium on Computer Aided Process Engineering: CE^ROM Proceeding? of Symposium, элекф .

опт. диск. 2010. Pp. 1509-1513 .

7. Голомидов E.C., Маковская Ю.В. Информационная система выбора оборудования и технологии сушки // Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Инновационные материалы и технологии в химической и фармацевгаческой отраслях промышленносга»: сборник трудов. -М.: 2010. С. 106-107 .

8. Голомидов Е.С., Маковская Ю.В. Информационный портал по технологии сушки // Успехи вхимииихимическойтехнологии.ТомХХ1У,№1 (106).2010. С. 55 - 58 .

9. Шигорина А.С., Маковская Ю.В., Касимова А.О., Гордиенко М.Г. Исследование и моделирование процесса инкапсуляции меюдом нанесения пленочного покрьпия // XXII Межиународная конференция «Магемашческие методы в технике и технологаях»: сборник трудов конференции. 2009. Т. 9. С. 118 -120 .

10. Menshutina N.V., Gondienko M.G., Makovskaya Y.V., Kasimova AO. Fluid-bed layering and enteric-film coating to produce pellets containing phospholipids nanoparticles // ACHEMA - 29th International ExhibitioivCongress on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology: Proceedings of Congress. - Frankflirt am Main, Gennany, 2009.6 p .

11. MeHbuiyrraia H.R, Гордиенко М.Г, Маковская Ю.Е, Аванесова А.А., Вонновский А.А. Многофункциональное оборудование псевдоожиженного слоя для химико-фармацевтической промышленносга // Химическая промышленность сегодня .

2009.№6.С44-4а

12. Menshutina N.V., Gordieiiko M.G., Makovskaya J.V., Kasinnova AO., Voinovskiy A A System approacli to modeling of plwmaceutical integrated pncrcesses: drying, layering and coating // Computer Aided Chemical Engineering. 2009. Volume 26. Pp. 501 - 505 .

13. Menshutina N.V., Goixlienko M.G., Makovskaya J.V., Kasimova AO. Encapsulation of active

substances for production of dmg solid dosage fomi // 8th World Congress of Chemical Engineering:

CD-ROM Proceeding ofCongress, элекф. опт.даек.- Montreal, Canada, 2009.5 p .

14. Makovskz^ Y., Goidienko M., Goncharova-Alves S., Menshutina N. Statistical Matlieinatical Modelling of Encapsulation of Micellar Fonnulation // 4th Nordic Drying Conference: CD-ROM Pnxeedings ofConference, электр. опт.даек..- Reykjavik, Iceland, 2009.5 p .

15. Gorelienko M.G., Makovskaya Ju.V., Kasimova A.O., Menshutina N.V. Investigation and optimization of fluid-bed encapsulation // XII Polish Drying Symposiiun: CD-ROM Pnoceedings of Symposiin-n, элекф. огтг. диск. - Lodz, Poland, 2009. Pp. 563-567 .

16. Маковская Ю.В., Гордиенко М.Г. Исследование качества покрытия при инкапсуляции лекарсгеепных веществ в псевдоож-иженном слое методами статостики // Успехи в химии и химической lexHOnomn. 2009. Т. XXIII, №1 (94). С. 39 -44 .

17. Маковская Ю.В., Зеркаев АИ., Гордаеико М.Г., Меньшугаиа Н.В. Разработка апьтернаптиого энергоресурсосберегающего способа пронзюдсгеа гепаюпротгкгорных препратов // 1-ая Международная кон(})еренция РХО им. Д. И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленносп!»: Сб .

тезисов дою1адов.-М.: РХТУ им. Д И.Менделеева, 2009. С.142-143 .

18. Маковская Ю.В., Аванесова А А, Гордаенко М.Г. Исследование и моделирование процесса инкапсуляции//Успехи в химии и химической технологии. 2008. Том XXII. С. 24-29 .

19. Makovskaya Y., Gordienko М., Menshutina N. Investigation and mathematical modelling of micellar preparation encapsulation// XVI Intematfonal Conference on Bioencapsulation: Pi-oa=edings of Conference. - Dublin, Ireland, 2008. - 4 p .

20. N. Menshutina, M. GonJienko, Y. Makovskaya, A. Avanesova, R. Obiyadin Preparation of microspheres containing micellar nanostmctures // Irtemational Drying SymposiiuTi: Proceeding of SyiTiposium - Hyderabad, India, 2008. - 5 p .

21. Меньшутина H.R, Гордиенко М.Г., Аванесова A.A, Маковская Ю.В. Разработка и моделированиетехиологаннепрерывной распылительной сушки пробиоггаков // Вестник МИТХТ. 2008. т. 3, №6. С 45-50.




Похожие работы:

«SAFETY2018, Екатеринбург, 4–5 октября 2018 г.СОВРЕМЕННОЕ МОДУЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО Сауков Д. А., 1Гинзберг Л. А. Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия e-mail: ddmmitry93@mail.ru, laginzb@gmail.com Аннотация. Весь мир, и в частности Россия, уже более века испытывают дефицит ж...»

«Motion Terminal VTEM Описание Приложение Motion №06 Перемещение ECO 2017-12 [8071831] VTEM Перевод оригинального руководства по эксплуатации VTEM-MA06-RU Firefox® является зарегистрированным товарным знак...»

«МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ВИМ ПРИГЛАСИТЕЛЬНЫЙ БИЛЕТ И ПРОГРАММА Международная научно-техническая конференция "ЦИФР...»

«ЗАО "Геософт-ДЕНТ" Название изделия ЭндоСтейшион-Мини Название документа № документа Версия 02 Стр. 1 из 20 Техническое задание ГЕ20R.000.000ТЗ “УТВЕРЖДАЮ” Генеральный директор ЗАО “Геософт-Дент” В....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Инженерная школа Природных ресурсов Отделение Нефтегазового дела Направление 21.03.01 Нефтегазово...»

«Информационные системы и технологии Научно-технический журнал № 6 (110) ноябрь-декабрь 2018 Издается с 2002 года. Выходит 6 раз в год Учредитель – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский...»

«Компания "РТС Автоматика" центр управления технологическими процессами в пищевой промышленности Купажные установки "РУЧЕЙ" тел. +7 (495) 461-18-14 • 789-28-87 • email: info@asupp.ru • info@rtsa.ru www.ruchej.ru • www.rtsa.ru • www.asupp.ru Компания "РТС А...»

«Международный научно-технический журнал ИЮЛЬ 2018 "ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ" ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ УДК 336.71.078.3 ЭФФЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕСТРУКТУРИЗАЦИЕЙ КОММЕРЧЕСКИХ БАНКОВ РОССИИ Шепелев П.Ю., Жарко...»

«Савостьянова Людмила Викторовна ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕМОНТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.