Modelado y simulación del proceso de secado por atomización

COTABARREN, IVANA; BERTIN, DIEGO; PIÑA, JULIANA

San Rafael

Congreso; Congreso Latinoamericano de Ingeniería y Ciencias Aplicadas; 2018

El secado por atomización es ampliamente utilizado en la industria para producir polvos secos. Este proceso es complejo y altamente no lineal debido a la combinación del transporte de gotas dentro de la cámara de secado y la eliminación de humedad. El control de estos fenómenos simultáneos es clave para garantizar el funcionamiento confiable de un secadero por atomización, requiriéndose una correcta sintonización de numerosas variables de proceso y de formulación para conseguir las características deseadas. En este trabajo, se desarrolla un modelo matemático de estado estacionario de un secadero B-290 BÜCHI para simular el secado de una solución acuosa de ciprofloxacina (CIP) y predecir las propiedades finales del producto particulado (distribución de tamaño, densidad y humedad). La CIP es un antibiótico utilizado en el tratamiento de numerosas infecciones, incluyendo infecciones respiratorias como fibrosis quística, ántrax y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). El tamaño de partícula que demanda esta formulación se encuentra en el límite inferior de la capacidad de producción de la tecnología de secado por atomización, lo que dificulta la operación del equipo para producir este medicamento y motiva la realización de este trabajo. El modelado del proceso se desarrolló en dos etapas. En la primera de ellas, se utilizó fluidodinámica computacional (CFD) para identificar un modelo de flujo apropiado para el aire y las gotas atomizadas. Para ello, mediante el software ANSYS-Fluent, se simuló el movimiento del aire de secado y del líquido y aire de atomización a través del secadero considerando la geometría del equipo. Los resultados sugieren que el secadero puede representarse por un modelo de dos zonas: una central en la que el aire y las gotas se mueven en flujo pistón, y otra externa que puede asumirse como perfectamente mezclada. Se encuentra que la zona interna posee una forma cónica, cuyo radio aumenta con la coordenada axial con un factor de 0.088. La velocidad del aire en la zona interna disminuye exponencialmente a medida que avanza en la coordenada axial. Con respecto a la zona externa, la velocidad del aire es del orden de 1 m/s. Para ambas zonas, los resultados indican que las gotas se mueven con velocidades similares a las del aire, lo cual es consistente con número de Stokes pequeños.En una segunda etapa de modelado, se formularon balances de masa, energía y cantidad de movimiento para las fases líquida y gaseosa en cada una de las dos zonas identificadas, y se incorporaron al balance de población para describir el secado de las gotas y la consecuente formación de partículas. Los balances se implementaron en el entorno de modelado de gPROMS (PSE).El modelo se validó comparando distribución de tamaño, densidad y humedad del producto particulado con resultados experimentales. La densidad de las partículas es altamente dependiente de la humedad crítica (i.e., humedad a partir de la cual se forma una corteza sobre la superficie de las gotas, convirtiéndolas en partículas húmedas). El modelo desarrollado es capaz de optimizar atributos claves del polvo para la administración pulmonar del medicamento.