Narrow crystal size distribution and high crystal production rate is the final goal for many industrial applications such as pharmaceutical and agro-chemical industries. Operating conditions in a plug flow crystallizer can affect crystal size distribution and crystal production rate. The effect of operating conditions of inlet velocity and wall temperature on the crystal size distribution (CSD) and crystallization rate of potassium chloride in cooling crystallization was studied by numerical simulation using the commercial CFD software ANSYS Fluent 18.
Inlet velocity determined the shape of crystal size distribution and the presence of hot zones close to the center of crystallizer at which crystallization cannot happen. Lower velocity gave increased residence time, which resulted in more number of crystals and a broader CSD. With lower inlet velocity, increased residence time gave longer cooling time and smaller hot zones. With low wall temperature, total number of particles increased but still 32% of the reactor was a hot zone. To quantify the fraction of hot zones, the aspect ratio of crystallizer was modified. The aspect ratio with a fraction of 4% of hot zone in the crystallizer was $10^{-3}$ or 1mm radius for the 1m length of reactor used in this study. To validate the results obtained by simulation, the results of acetyl salicylic acid cooling crystallization in ethanol obtained by Eder et al.[1] were replicated using numerical simulation.
결정의 좁은 크기 분포와 생산성 향상은 제약, 화학 분야 등 결정을 다양한 산업에 적용하기 위한 최종 목표이다. 플러그 흐름 결정기에서 운전 조건은 결정의 크기 분포와 결정 생산 속도에 영향을 미친다. 운전 조건의 영향을 보기 위하여 냉각 결정화 공정에서 염화칼륨의 결정 크기 분포와 결정 생산 속도에 미치는 입구 속도와 벽 온도 등 운전 조건들의 영향을 수치해석적으로 검토하였다. 수치해석 시뮬레이션은 CFD 소프트웨어 ANSYS Fluent 18을 사용하였다.
입구 속도는 결정 크기 분포의 형태와 결정기 중심의 부근에서 결정화가 일어나지 않는 영역인 핱 존의 크기를 결정하였다. 입구 속도가 느릴수록 체류 시간이 길어져, 결정 수가 증가하였고 결정 크기 분포가 넓어졌다. 입구 속도가 낮을 때 증가한 체류 시간은 냉각 시간을 늘려 핱 존을 작게 만든다. 벽 온도가 낮은 경우에는 생성된 총 결정 수는 증가하였지만 여전히 반응기의 32%는 핱 존이었다. 반응기 대비 핱 존의 비율을 정량화 하기 위해, 결정기의 종횡비를 조절하였다. 반응기 내 4%의 최소 핱 존을 갖는 종횡비는 $10^{-3}$ 로, 본 연구에서 사용한 1m 길이의 반응기에 대하여는 1mm의 반지름에 해당하였다. 실제 실험값과 시뮬레이션 결과의 검증을 위해 Eder 등의 아세틸 살리실산 냉각결정화 실험값이 시뮬레이션을 통하여 재현되었다.
