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Consultar: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

Título [PT]: Estudo do escoamento turbulento de fluido supercrítico em tubo capilar aplicado à produção de nanopartículas
Título [EN]: Study of turbulent flow in capillary supercritical fluid applied to the production of nanoparticles
Autor(es): Regiani Aparecida de Almeida
Palavras-chave [PT]:

Fluido supercrítico. Supersaturação.Modelagem matemática. Fluidodinâmica computacional. Brasil.

Supercritical Fluid. Supersaturation. Mathematical Modeling. Computational Fluid Dynamics. Brazil.

Vladimir Ferreira Cabral [Orientador] - UEM

Resumo: Processos que empregam fluido em estado supercrítico como a técnica SAS ou Supercritical Antissolvent que utilizam CO2 como antissolvente para a precipitação de partículas em escala micro e nanométrica permitem o processamento de uma grande variedade de produtos de alta qualidade da indústria farmacêutica e de alimentos. Apresentam vantagens em relação a outras técnicas de recristalização como: a precipitação de compostos termo sensíveis, a obtenção de partículas de pequenos tamanhos com formato esférico, desejável em muitas aplicações, e a facilidade na separação do solvente orgânico. Porém, a garantia da obtenção de partículas com forma e características biofísicas desejáveis está relacionada com uma combinação de parâmetros de operação do processo que sejam adequados a cada sistema solvente orgânico-soluto considerado. Tal combinação de parâmetros constitui um grande desafio no controle do processo. É conhecido que com a variação de parâmetros como: vazão do antissolvente e da solução, pressão e temperatura de operação, geometria da câmara de precipitação e de capilares de injeção, é possível variar propriedades como a densidade e a solubilidade de uma mistura em condições supercríticas, facilitando o controle sobre o tamanho e a forma das partículas precipitadas. Visto que os mecanismos de precipitação utilizando fluidos supercriticos ainda não foram sistematicamente estudados e pouco ainda se conhece à respeito do comportamento fluidodinâmico da mistura supercrítica e seus efeitos sobre o tamanho e a forma das partículas cristalizadas, o presente trabalho tem por objetivo a proposição de um estudo da dinâmica do escoamento em condições supercríticas numa câmara SAS de precipitação de partículas, tal estudo é realizado a partir da solução de um modelo matemático proposto envolvendo as variáveis que descrevem o escoamento em tais condições. A solução do sistema de equações diferenciais parciais que modelam o processo é obtida numericamente empregando o simulador comercial ANSYS FLUENT. Quatro casos de câmaras com dimensões e sistemas de injeção distintos foram escolhidos na literatura, sendo dois casos bidimensionais e dois tridimensionais. Foi analisado como as variações das condições de operação (geometria da câmara, pressão e vazões de antissolvente) relacionam-se às tendências experimentais de tamanhos e qualidade de partículas relatadas na literatura. A comparação entre os resultados bi e tridimensionais indicam que a aproximação 2D possibilita responder questões sobre a influência de parâmetros do processo na qualidade das partículas de forma computacionalmente rápida, entretanto, a abordagem 3D revela que os padrões são mais complexos, a influência dos parâmetros é mais bem detalhada neste caso e esta abordagem deve ser preferida quando possível. Observou-se que para câmaras de menor comprimento o escoamento junto à parede inferior é mais rápido e com maiores gradientes de velocidade, o que pode explicar a formação de maiores agloremados de partículas observados experimentalmente. A identificação da fronteira do jato permitiu localizar as possíveis regiões de nucleação de partículas, o que é corroborado pelos perfis de supersatutração. Estes perfis indicaram regiões de nucleação bastante distintas ao se variar a vazão de solução na câmara de precipitação. Abstract: Processes that employ Supercritical fluid as the SAS technique or Supercritical Antisolvent using Supercritical CO2 as Antisolvent to the precipitation of particles, in micro and nanoscales, allow to process a wide variety of high quality products from the pharmaceutical and food industry. They have advantages over other recrystallization techniques to produce particles of small size with spherical shapes as precipitation heat sensitive compounds, which are desirable in many applications and easy to separate of the organic solvent. However, the guarantee of obtaining particles with beneficial biophysical characteristics and shapes is related to a combination of operating process parameters of each solute-organic solvent system under consideration. This combination of parameters is a great defiance in the process control. It is known that by varying the antisolvent and solution flow rates, operating pressure and temperature, the chamber geometry and capillary injection tube is possible to vary properties such as density and solubility in supercritical conditions of the mixture. Thus, it is feasible to enhance the control over the precipitated particles, size and shape. Indeed, the mechanisms of precipitation using supercritical fluids have not been systematically studied and a little is known about the fluid dynamic behavior of supercritical mixture and its effects on the particles, size and shape. This work proposes a study about flow dynamics in supercritical conditions, in a SAS - precipitation chamber. The research is based on the solution of a mathematical model involving the variables that describe the flow in such conditions. The system of partial and differential equations that model the process is numerically solved by employing the ANSYS FLUENT commercial code. Four cases of chambers with dimensions and different injection systems were chosen from the literature: two two-dimensional and two three-dimensional cases. It was analyzed how the variations, in the operating conditions (geometry of the chamber, pressure and flow rates of antisolvent), correlate to the trends of experimental particle size and morphology as reported in the literature. A comparison among the results has pointed out that two and three dimensional approaches allow the 2D to answer questions about the influence of the process parameters on the quality of shaped particles, with few computational efforts. However, the 3D approach has shown more complex patterns, the influence of the parameters is better detailed in this case, and this method should be selected when possible. It was observed that the fluid flows faster along the bottom wall with a greater velocity of gradients, in the shorter chambers length, and this may explain the formation of larger particles clusters experimentally observed. The tracking of the jet boundary allowed locating the possible regions of particle nucleation. This was corroborated by the supersaturation profiles that revealed very distinct nucleation regions in the precipitation chamber.

Idioma: Português Data de Publicação: 2013 Local de Publicação: Maringá, PR Orientador: Prof. Dr. Vladimir Ferreira Cabral Co-Orientador: Prof. Dr. Henry França Meier, Prof. Dr. Reginaldo Guirardello Instituição: Universidade Estadual de Maringá. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química Nível: Tese (doutorado em Engenharia Química) UEM: Departamento de Engenharia Química

Responsavel: elaine
Categoria: Aplicação
Formato: Documento PDF
Arquivo: Tese_DOUTORADO_Regiani_A_Almeida_PEQ_UEM_2013 (1).pdf
Tamanho: 10806 Kb (11065610 bytes)
Criado: 12-08-2016 09:10
Atualizado: 12-08-2016 09:22
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