Kromatográfia CFD modell | CPC

Kromatográfiás Készülék Fejlesztése CFD szimulációval

„… Mivel nem tudtunk Önökkel érdemben telefonon értekezni, szeretnék kérni mobil elérhetőségeket”. Így kezdődött 2013. decemberében a munkakapcsolatunk egy kromatográfiás készülékeket fejlesztő és gyártó dinamikus és innovatív magyar vállalkozással. Az általunk kifejlesztett kromatográfia CFD modell tette lehetővé, hogy a hagyományoktól elszakadva egy jelentősen hatékonyabb CPC cella alakot találjunk.

Biztosan többször leírtam már, de ha az ember olyan szerencsés, hogy áramlástani szimulációval foglalkozhat hivatásaként, mindig tanulhat valami újat. Hengerfej öntvények dermedés utáni hűtése, húú de érdekes! Üvegolvasztó kádkemence falazat kopási struktúrájának szimulációja, ez igen! Kromatográfiás készülékben kétfázisú áramlás modellezése és új cella geometria kialakítása! Ez mekkora királyság! Pedig soha nem láttam ilyen gépet korábban és csak sejtettem a feladat nagyságrendjét, mielőtt a fiatal fejlesztési igazgatóval találkoztam volna.

A kromatográfia CFD modell eléggé bonyolult

*Hagyományos CPC gép ellipszis alakú cellái*

De Lorántfy László úr előrelátó módon a megbeszélésünkre hozott egy acél tárcsát, tele a tárcsa lapján körben precíz módon kimunkált résekkel.

Elsőre az autóiparon nevelkedett gépészmérnök leginkább egy hűtőfuratokkal ellátott féktárcsához hasonlítaná, de itt a technológia számára fontos kimunkálások nem kör, hanem ellipszis alakúak (mint jobbra a képen) vagy éppen a sarkaiban lekerekített téglalapok.

A kör alakú furatok a gépben lévő tárcsák egymáshoz rögzítéséhez szükségesek.

A Centirfugal Partition Chromatography (CPC) vajon mi

Bevezetésem a kromatográfiába egy cappuccino mellett történt. A kromatográfia azon ágának, amivel most mi foglalkozunk (Centrifugal Partition Chromatography, röviden CPC) célja a folyadékokban oldott állapotban lévő anyagok kivonása, tisztított formában történő előállítása. Ebben az eljárásban a már tiszta anyagokat frakcióknak nevezik.

Az eljárásban szükség van két, egymásban nem oldódó folyadékra (fázisra), amelyek közül az egyikben oldott állapotban vannak a tisztított formában kinyerendő vegyi anyagaink. Hívjuk ezt mozgó fázisnak. A másik fázisunk neve legyen álló fázis. A fázisok nevei beszédesek, ugyanis az álló fázissal először feltöltik a hagyományos esetben az 1. ábrán látható ellipszis cellákat tartalmazó CPC gépet. Az álló fázissal feltöltött cellákat a tárcsa tengelye körül megforgatják és a feltöltött, forgó rendszeren elkezdik átpréselni a mozgó fázist.

Az álló és mozgó fázis nem szeretik egymást, nem oldódnak egymásban, az egyik általában hirdofil, a másik hidrofób és a sűrűségük is különböző. A mozgó fázis, többek között a cellák kialakítása és a forgásból adódó centrifugális erő miatt – optimális esetben – apró cseppekre bomlik, és a cellákban ezek a cseppek érintkeznek az álló fázissal.

A mozgó fázisban oldott anyagok, molekulák jellemző tulajdonsága az álló fázisban történő oldhatóságuk. Az álló fázis egyfajta szűrőként működik és az oldhatóságuk szerint lassítja le a rendszeren átnyomott kiszűrendő molekulákat. Ha egy molekula jól oldódik az álló fázisban, akkor annak a molekulának tovább tart áthaladni a cellákból összefűzött rendszeren, mint egy olyan molekulának, amely rosszul oldódik az álló fázisban, de jól oldódik a mozgóban. Az álló fázisban legrosszabbul oldódó molekula ér a cellarendszer végére a leghamarabb, míg az álló fázisban legjobban oldódó a legkésőbb.

CFD szimuláció szempontjából felderítetlen terület

A cellarendszerből kilépő mozgó fázis oldott anyag tartalmát detektálják és azt figyelik, melyik molekula mikor kezd megjelenni és mikor kezd kifogyni. Eszerint csoportosítják külön a mozgó fázisban oldott molekulákat egészen addig, amíg a leglassabban haladó molekula is ki nem ér a cellák végén.

A cellákban végbemenő folyamatokat eddig kevesen vizsgálták áramlástani szimulációval, de László adott egy cikket [1], amely erről a témáról szólt. Adelmann és szerzőtársai OpenFOAM-ot felhasználva modelleztek cellán belüli áramlást. A cikk igazi értéke az, hogy a szimulációk eredményeit egy kísérleti berendezésről nagy sebességű kamerával készített felvételekkel hasonlították össze. Ezeket a kísérleteket a továbbiakban PIV rotor kísérleteknek hívom.

Az első szimulációs feladatunk az volt, hogy az Adelmann cikkben lévő geometriát (jobb oldali ábra), fázis anyagtulajdonságokat és térfogatáramokat felhasználva nézzük meg, mit hoz ki eredményként az SC/Tetra.

A cikket tanulmányozva kiderült ugyanis, hogy a szerzők egy meglehetősen sajátságos peremfeltétel megfogalmazást alkalmaztak. Ennek megértéséhez azt kell tudnunk, hogy a CPC gépben lévő cellára három erő hat: a forgásból adódó centrifugális erő, a gravitációs erő, és a Coriolis erő. A cikk mindhárom erővel számolt, de ezeket az erőket, mint a hálót alkotó elemekre ható külső erőt írta elő. Azaz a cella a szimulációban nem végzett forgó mozgást.

Az ilyen formában történő erőmegadásnak számos előnye van a szimulációs eredmények szempontjából, de van egy hátránya is.
Előnyök:

a kívánt áramlási kép minden esetben „kijön”, nincsenek a konvergenciát zavaró, vagy késleltető áramlási viszonyok,
a konvergens megoldás viszonylag hamar, 300 ms szimulációs idő alatt kialakult még nagy fordulatszámok és térfogatáram esetén is.
kevés iteráció szükséges a konvergens megoldás eléréséhez,
kisebb felbontású elemháló is elegendő,

Hátrányok:

a megoldás erőltetett, azaz ez az erőrendszer az áramlási képet egyértelműen meghatározza még azelőtt, hogy a szimulációt elindították volna.

Ettől a hátránytól meg kell szabadulni

Mi ezt a hátrányt kulcsfontosságúnak értékeltük abban az esetben, amikor majd új cella alak fejlesztésébe kezdünk. Így már a validációs vizsgálatokat is valós forgás szimulációjával végeztük és a hálóra csak a gravitációs erőt adtuk meg külső erőként. A másik kettőt a valós forgó mozgás automatikusan generálta.

Fentebb már többször említettem, hogy a rendszerben áramló két fázisnak milyen fontos szerepe van. Így nem is volt kérdés, hogy a szimulációban kétfázisú áramlást vizsgáltunk a VOF (Volume of Fluid) módszer alkalmazásával, időben változó (tranziens) módon. Adelmannék többféle oldószer rendszerrel foglalkoztak. Mi az etil-acetát (álló fázis) és víz (mozgó fázis) kombinációt használtuk, mivel e rendszer viselkedéséről, a fázisok anyagtulajdonságairól minden adat ismert a CPC szakmában.

A validációs projektben több, a cikkben is szereplő mozgó fázis térfogatáram és cella fordulatszám kombinációt modelleztünk. Főként azokat választottuk ki, ahol a szimulációs eredmények mellett a kísérletekről készült fényképek is rendelkezésre álltak.

Nézzük meg először az 5 ml/min mozgó fázis térfogatáram és 1000 1/min fordulatszám eredményeit. A színes ábrák az SC/Tetra szimuláció, a fekete-fehér képek az [1] cikkben szereplő PIV rotor kísérletek eredményei.

5 ml/min, 1000 1/min, 75 ms — *75 ms, 5 ml/min, 1000 1/min*

5 ml/min, 1000 1/min, 125 ms — *125 ms, 5 ml/min, 1000 1/min*

5 ml/min, 1000 1/min, 250 ms — *250 ms, 5 ml/min, 1000 1/min*

5 ml/min, 1000 1/min, 375 ms — *375 ms, 5 ml/min, 1000 1/min*

*PIV rotor kísérletek eredményei 5ml/min és 1000 1/min esetén; Forrás [1]*

Milyen sugár alakot is keresünk?

A CPC szakértők az alapján ítélik meg egy oldószer rendszer és egy cella működési hatékonyságát, hogy a színes képen felülről belépő, piros színnel ábrázolt mozgó fázis milyen alakot vesz fel a cellán történő áthaladás során. Akkor működik jól egy cella, ha a belépő folyadéksugár elég gyorsan kis cseppekre bomlik, minél később, vagy egyáltalán nem térül el és tapad fel a cella falára és minél kevesebb mennyiség gyűlik össze belőle a cella alján.

Arra törekszünk, hogy a mozgó és az álló fázis közötti határfelület maximális legyen. Ennek nem tesz jót, ha a sugár a Coriolis erő hatása miatt túl hamar kitér a cella fala irányába. A jobb oldali ábrán látható eredmény egy, ebben a cellában elég kedvezőnek mondható helyzetet mutat. A sugár nem térül el nagyon hamar és a cella alján sem maradt nagy mennyiségű mozgó fázis, amely kiszorítaná az álló fázist a cellából. A PIV rotor kísérletek eredményeivel összevetve az látszik, hogy a szimulációban a sugár kisebb mértékben térült el a fal irányába, és hogy a cella alján összegyűlt mennyiség megfelel a kísérletek során lefotózott állapottal.

5 ml/min, 1400 1/min, 75 ms — *75 ms, 5 ml/min, 1400 1/min*

5 ml/min, 1400 1/min, 100 ms — *100 ms, 5 ml/min, 1400 1/min*

5 ml/min, 1400 1/min, 150 ms — *150 ms, 5 ml/min, 1400 1/min*

5 ml/min, 1400 1/min, 200 ms — *200 ms, 5 ml/min, 1400 1/min*

*PIV rotor kísérletek eredményei 5ml/min és 1400 1/min esetén; Forrás [1]*

Nézzünk meg egy másik paraméter verziót is

Eddig jók vagyunk, vegyük most elő azt az esetet, amikor a mozgó fázis térfogatáram 20ml/min és a fordulatszám 1000 1/min. Az Adelmann cikkben szerepel egy ábra, ahol 21ml/min térfogatáram és 1000 1/min fordulatszám esetén összehasonlítja az OpenFOAM szimuláció és a PIV rotor kísérlet során a cellában kialakult mozgó fázis képet. Ez látható az alábbi kép bal oldalán. A kép jobb oldalán pedig az SC/Tetrával végzett szimuláció eredményei találhatók 20 ml/min térfogatáramra a mozgó fázis indítása után 150, 350 és 750 ms-mal.

OpenFOAM szimuláció, PIV rotor kísérlet és SC/Tetra szimuláció eredmények összehasonlítása — *OpenFOAM szimuláció, PIV rotor kísérlet 21 ml/min térfogatáram és 20 ml/min térfogatáramú SC/Tetra szimuláció eredmények összehasonlítása*

Az OpenFOAM és a PIV rotor kísérletet összehasonlítva az látszik, hogy a PIV esetén a cella alján összegyűlt mozgó fázis mennyisége jelentősen nagyobb. A mozgó fázis sugár feltapadásának helye viszont nagyon hasonló.

A PIV rotor vizsgálatot és az SC/Tetra szimulációkat összehasonlítva pedig megfigyelhető, hogy a cella alján maradó mozgó fázis mennyisége, elhelyezkedése nagyon hasonló. A sugár feltapadási pontjában azonban van eltérés. Viszont az SC/Tetra szimulációk eredményei jól bemutatják, hogyan változik a mozgó fázis sugár alakja a szimuláció előrehaladtával. A sugár elferdülésének mértéke folyamatosan nő a vizsgált 750ms alatt, miközben a cella alján összegyűlt mozgó fázis mennyisége közel állandó.

Mi következik ebből arra az eljárásra vonatkozóan, amelynek segítségével új, az eddiginél hatékonyabban működő cella alakot akarunk kifejleszteni?

A pontos megoldás sokkal több ideig tart, mint az erőltetett

A valós forgást használó szimuláció esetén sokkal több idő telik el a stacioner állapot megvalósulásáig, mint az erők közvetlen előírásával. Ezért a valós forgást használó szimuláció sokkal több iterációt igényel. De a jó hír az, hogy a cella alján összegyűlő mozgó fázis mennyiségét jobban meg tudja becsülni. A másik jó hír, hogy az SC/Tetra szimulációk a mi céljainkhoz mérve jól teljesítettek a Coriolis erő hatásával, azaz a sugár elferdülésével kapcsolatban. Megmutatták, hogy a mozgó fázis sugár eltérül-e és ha igen, milyen mértékben.

Így az új cella alak fejlesztésénél megéri a valós forgás alkalmazása annak ellenére, hogy egy-egy cella változat kiszámítása jóval tovább tart. Cserébe pontosabb, az egyes cella verziók alakjának egészen kis mértékű változtatását is jól előrejelző eredményeket kapunk. Később bebizonyosodott, hogy az SC/Tetra alkalmazására kialakított szimulációs módszer megfelelő eredményeket állít elő. Pár hónap alatt sikerült egy, a referencia cellánál kétszer hatékonyabb cellát kifejleszteni, legyártani a teszt berendezést, megmérni és szabadalmaztatni.

Dr. Dúl Róbert

[1] S.Adelmann, C. Schweinheer, G. Schembecker: Multiphase flow modeling in centrifugal partition chromatography; Journal of Chormatography A, 1218 (2011) 6092-6101.