Введение к работе
Актуальность работы. Порошковые материалы занимают определенные сегменты мирового производства и рынка, а в отдельных случаях они формируют целые отрасли. Успехи химического и фармацевтического производства в последние годы часто связывают с уменьшением дисперсности используемых веществ. Перспективы улучшения свойств материалов ожидают при их дальнейшем уменьшении до наноразмерных порошков, что объясняется значительным изменением физических и химических свойств наноразмерного вещества по сравнению с его макросостоянием.
В России разработан инновационный метод получения наночастиц в атмосфере различных газов. Для реализации этой технологии ученые используют процесс испарения твердого материала с последующим интенсивным охлаждением паров получаемого вещества. В результате воздействия низкой температуры наблюдается процесс десублимации желаемых частиц, и можно получить ультрадисперсный материал, размеры частиц которого составляют от 10 до 500 нм.
Одними из самых эффективныхпри получении порошковых материалов являются объемные десублиматоры, разработанные кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Ивановского государственного химико-технологического университета, в которых кристаллизация вещества происходит в потоке холодного инертного газа-носителя. Преимущество данного метода проявляется в том, что возможно получение тонкодисперсных частиц без чрезмерного расхода энергии. Появилась возможность получать смеси сверхтонких продуктов с большой эффективностью смешения, что является немало важным в фармацевтическом и химическом производстве. Однако десублиматоры данного типа до сих пор не получили широкого распространения в промышленности, что обусловлено отсутствием методов расчета, хороших конструктивных разработок и недостаточной изученностью процессов в подобном оборудовании. Поэтому актуальной задачей является управление процессом получения порошковых материалов и их смесей с заданной дисперсностью и разработка методов расчета аппаратов данного типа.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологии получения тонкодисперсных порошков (на уровне наноразмеров) и их смесей заданной дисперсности, а также разработка методики расчета гранулометрического состава продукта, получаемого десублимацией вещества из парогазовой смеси в потоке холодного инертного газа-носителя в аппарате объемного типа. Для достижения заданной цели решались следующие задачи:
разработка методик экспериментального исследования объемной десублимации и экспериментальное исследование процессов зародышеобразования и роста частиц в условиях гетерогенной десублимации пара для получения как наноразмерных продуктов, так и их смесей в лабораторных условиях.
разработка адекватной математической модели процесса получения тонкодисперсных продуктов и их смесей десублимацией и выполнение численного эксперимента;
разработка алгоритмов и программ для решения уравнений математической модели;
разработка методики расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: экспериментальные исследования в лабораторных условиях; математическое моделирование с использованием численных методов и их реализации в виде программ на ЭВМ.
Достоверность результатов обусловлена:
- согласованностью результатов с известными теориями образования и роста кристаллов, материалами из области получения порошковых продуктов объемной десублимацией, и экспериментальными данными, полученными, непосредственно, при изучении процесса зародышеобразования в условиях гетерогенной десублимации пара;
- адекватностью модели получения тонкодисперсных продуктов десублимацией в потоке холодного газа-носителя; Научная новизна работы:
Предложена математическая модель процесса получения тонкодисперсных монопродуктов десублимацией в потоке холодного газа носителя и их смесей при параллельной десублимации веществ.
Экспериментально определены константы изменения свободной энергии зародышеобразования при переходе от гомогенной к гетерогенной кристаллизации пара фталевого ангидрида, бензойной кислоты и нафталина.
Практическая значимость работы:
Предложены конструктивные решения по совершенствованию оборудования для получения смесей тонкодисперсных материалов методом десублимации, защищенные Патентом РФ на изобретение.
Разработана методика расчета гранулометрического состава продукта, получаемого объемной десублимацией в потоке холодного газа-носителя.
Разработанные расчетно-теоретические методы и численные алгоритмы реализованы в виде прикладной программы и могут быть использованы при исследовании процесса десублимации твердых веществ в потоке холодного газа-носителя, конструировании и оптимизации десублимационных устройств широкого класса и назначения.
Основные положения, выносимые на защиту.
Закономерности массо- и теплопереноса при десублимации веществ из парогазовой смеси в зависимости от гидродинамических и температурных условий проведения процесса.
Методы расчетно-теоретического исследования процесса получения тонкодисперсных материалов и их смесей десублимацией, моделирующие конвективный и диффузионный тепло- массоперенос, а также кинетику гетерогенного зародышеобразования и роста частиц.
Результаты экспериментального исследования кинетики гетерогенного зародышеобразования при десублимации паров бензойной кислоты, фталевого ангидрида и нафталина.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на кафедральных научных семинарах Ивановского государственного химико-технологического университета; на Студенческих научных конференциях «Дни науки» (г. Иваново, 2009, 2011 г.); на Региональных студенческих научных конференциях с международным участием «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (г. Иваново, 2010, 2012 г.); на VI Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании» (г. Иваново, 2010 г.); на Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах - 2011» (г. Воронеж, 2011 г.); на Шестьдесят пятой всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов высших учебных заведений с международным участием (г. Ярославль, 2012 г.); на Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 25» (г. Волгоград, 2012 г.); на VII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Материалы нового поколения» (г. Иваново, 2012 г.); на Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепломассообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2012 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 научная статья в рецензируемом издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ, 1 монография и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 175 страниц,
включая 46 рисунков, 27 таблиц, условные обозначения, 4 приложения и библиографический список из 127 наименований.
