Разделение твердых и жидких тел

В процессе приготовления извлечений, растворов, сиропов и других препаратов приходится иметь дело со смесями, состоящими из жидкости и твердого тела. Это твердое тело по своим свойствам носит самый разнообразный характер. Так, оно может быть взвешено в виде мель­чайших частиц, может представлять собой осадок из частиц крупно­зернистого строения, объемистый осадок слизистого характера и т. д. В этих смесях может быть различным количественное отношение между жидкостью и твердым телом. Если твердая фаза количественно преоб­ладает над жидкой, они отделяются друг от друга при помощи прессо­вания. В тех же случаях, когда имеют дело с жидкими неоднородными системами, в которых твердое тело является взвешенной фазой (грубые и тонкие суспензии), применяются методы разделения, основанные на принципе отстаивания, фильтрации или центрифугирования.

Прессование

Прессование как метод отделения жидкости от твердого тела приме­няется в тех случаях, когда твердая фаза не только количественно пре­валирует над жидкой, но и прочно удерживает ее. Это имеет место при производстве извлечения, когда после сливания вытяжки в раститель­ной массе остается еще много экстрагента и его приходится удалять, применяя усилие в виде давления на растительную массу. Для этой цели используются прессы, которые могут быть винтовыми и гидравли­ческими.

Винтовые прессы

Дифференциальный винтовой пресс (рис. 43) приводится в движение вручную, но давление в нем может быть развито до 100 ат. Достигается это тем, что прессу придают специальное дифференциальное устройство (головка) /. При повороте неравноплечного рычага 2 в одну сторону (вокруг точки опоры 3) клинья 4 упираются в отверстия нижележащего диска 5, в результате чего винт пресса несколько опускается вниз. Об­ратное движение рычага будет холостым, поскольку клинья поднимают­ся и выходят из отверстий нижнего диска. При новом движении рыча­га клинья опять падают в отверстия нижнего диска и винт пресса делает очередной поворот. При последующих движениях рычага винт будет опускаться все ниже, развивая сильное давление на растительную массу при затрате значительно меньших усилий, чем на обычном вин­товом прессе. Для подъема винта необходимо переставить клинья так, чтобы их углы были направлены в противоположную сторону.

Гидравлические прессы

Для более высоких давлений, выражающихся в сотнях атмосфер, применяются гидравлические прессы. Схема устройства такого пресса приведена на рис. 44. В цилиндре пресса 9 находится поршень (плун­жер) 10, несущий на верхнем своем конце опорную плиту 12, на кото-

rf=h

Puc. 44. Гидравлический пресс. Объяснение в тек­сте.

 

Рис. 43. Дифференциальный пресс. Объяснение в тексте.

 

рую помещается отжимаемый материал. При прессовании плунжер с плитой поднимают настолько, чтобы материал оказался прижатым к неподвижному упору 15 с траверзой 14. Корпус пресса 16 и траверза соединены при помощи колонн 13. От цилиндра пресса отходит гидрав­лическая труба 8, соединяющая его с цилиндром насоса. От цилиндра пресса идет еще одна спусковая труба // к баку 1, в котором нахо­дится жидкость для пресса. Насос состоит из цилиндра 5, плунжера 4 и рукоятки 6. При лоднятии рукоятки и вместе с ней плунжера в ци­линдре насоса создается разреженное пространство. Жидкость, нахо­дящаяся в баке / и во всасывающей трубе 2, под давлением атмосфер­ного воздуха поднимает всасывающий клапан 3 и заполняет цилиндр насоса. При опускании рукоятки под давлением жидкости клапан 3 са­дится на место, но одновременно поднимается нагнетательный клапан 7. При этом жидкость из цилиндра поршня переходит в цилиндр пресса, поднимая на некоторую высоту плунжер 10. Работая рукояткой 6, в ци­линдр пресса можно накачать такое количество жидкости, что плунжер с материалом на плите поднимается до упора и начинается прессование. Прессуемый материал 18 помещают в перфорированный цилиндр 19, а последний — на поднос 20 со сливным желобом 21. По окончании прессования открывают запорный вентиль 17 и спускают жидкость в бак /. При этом плунжер пресса вследствие своей массы опускается вниз. Гидравлические прессы снабжены предохранительными клапана­ми, а для наблюдения за давлением на них установлены манометры {22). На манометрах имеется красная черта, показывающая максималь­ное давление, которое разрешается держать в цилиндре пресса.

Для выигрыша в силе плунжер насоса делают значительно меньшего диаметра, чем плунжер пресса. Так как пространства в цилиндрах прес-

са и насоса во время движения плунжера насоса вниз сообщаются меж­ду собой, то, согласно закону Паскаля (а гидравлический пресс явля­ется одним из практических приложений этого закона), давление в них одинаковое. Поэтому силы, действующие на плунжер пресса (Р в кг) и плунжер насоса (р в кг), прямо пропорциональны площади их сечения (S, s) или квадратам их диаметра (D, d в м).

отсюда:

Следовательно, выигрыш в силе равен отношению квадратов диамет­ров плунжера пресса и плунжера насоса. Если плунжер насоса при­водится в движение вручную, то для большего выигрыша в силе при­меняется рычаг. В этом случае выигрыш в силе пропорционален еще отношению плеч рычага:

D4,

dH

Р = Р

где L — длина большего плеча в м; / — длина меньшего плеча в м.

Поскольку потери на трении в гидравлических прессах составляют 10 — 15% от совершаемой работы, то фактическое нажимное усилие со­ставляет:

D²L р ₌ (0,85-0,9) Р^з/—•

Из этого уравнения можно также определить величину силы Р, необходимую для достижения заданного давления Р на прессуемое сырье.

В больших гидравлических прессах поршень приводится в действие электродвигателем. В качестве жидкостей для заполнения пресса при­меняют воду или минеральные масла. Для того чтобы металлические части пресса не ржавели, воду разбавляют эмульсией, приготовленной из минерального масла и зеленого мыла.

Отжимаемое растительное сырье представляет собой массу, пронизан­ную мелкими воздушными прослойками и капиллярами, по которым при прессовании вытекает удержанный сырьем экстрагент. Зависимость между отдельными факторами, влияющими на скорость вытекания экстрагента при прессовании, определяется уравнением Пуазейля:

v ^пгЧ'

^V ~ 8r\l '

где V — скорость вытекания сока в м³/с; р — давление в Н/м²; г — средний радиус капилляров в сырье в м; / — средняя длина капилляров в м; т] — абсолютная вязкость жидкости в Н/(с-м²).

Из уравнения следует, что скорость выделения отжимаемой жидко­сти пропорциональна давлению. Однако чрезмерно резкое повышение давления приводит к сжатию («запрессованию») сырья и уменьшению просветов капилляров и ходов, по которым вытекает экстрагент, вслед­ствие чего скорость отжатия жидкости уменьшается. Поэтому давление (на любом прессе) необходимо повышать медленно, по мере вытекания жидкости. Легко регулировать давление на гидравлических прессах, имеющих манометры. Неправильный режим прессования приводит так­же к быстрому износу и разрыву салфеток, в связи с чем отжимаемая жидкость получается мутной. Поскольку скорость выделения отжимае­мой жидкости обратно пропорциональна длине капилляров, т. е. длине

пути, то загрузочную корзину (цилиндр) не следует делать слишком высокой. Также нужно учитывать, что с уменьшением вязкости жидко­сти увеличивается скорость ее выделения.

Отстаивание

Отстаивание является простейшим методом отделения жидкости от взвешенных в ней твердых частиц. Заключается оно в том, что смесь жидкости и твердых частиц наливают в высокие сосуды и оставляют в покое. При этом вследствие разности относительной плотности твер­дые частицы- постепенно оседают на дно, а жидкость становится про­зрачной. Процесс этот медленный, но тем не менее его широко приме­няют для осветления вытяжек при производстве настоек и других извлечений.

Оседание взвешенных частиц в жидкой среде подчиняется уравне­нию Стокса:

<Р (Vm —

18л

где К_ш —скорость оседания твердых частиц в м/с; d — диаметр взве­шенных частиц в м; у_т — плотность твердых частиц в кг/м³; у_т — удель­ный вес жидкой среды в кг/м³; g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с, ц — абсолютная вязкость жидкой среды в Н/(с-м).

Приведенное уравнение позволяет судить о влиянии лишь основных физических параметров на скорость осаждения. Оно не учитывает влия­ния коагуляции, флоккуляции, поверхностных явлений, а также влия­ния изменения концентрации твердой фазы в процессе ее осаждения, стенок отстойника и других факторов. К тому же применимость закона Стокса ограничена нижним пределом размера частиц, когда их дис­персность достигает коллоидных частиц, подверженных броуновскому движению. Верхний предел применимости этого закона зависит как от размеров и плотности частиц, так и от физических свойств среды, в которой они осаждаются. Размеры взвешенных твердых частичек неодинаковы. Поэтому, как следует из уравнения, в первую очередь оседают более крупные частицы, а затем более мелкие. В связи с ука­занным процесс разделения фаз сильно удлиняется.

Сроки отстаивания можно сократить, если укрупнить размер частиц, что в ряде случаев вполне удается. Отстаивание проводят в соответствии с требованиями ГФХ при температуры не выше 8°С, которая способ­ствует лучшему выделению примесей (т. е. ухудшает их растворимость) и препятствует активному развитию микрофлоры в водных жидкостях. Скорость оседания частиц зависит также от того пути, который они должны пройти, т. е. от высоты сосуда, где проводится отстаивание.

Сосуды, в которых проводится отстаивание, называются отстойника­ми, или седиментаторами. Это металлические (большей частью из алю­миния) цилиндрической формы сосуды разной емкости с одним краном, расположенным на некоторой высоте от днища, или с несколькими кра­нами, находящимися на разных уровнях отстойника. В отстойниках первого типа осветленная вытяжка или раствор сливается после полного завершения процесса отстаивания с помощью крана или сифона. От­стойники второго типа дают возможность декантировать жидкость ча­стями по мере ее осветления. При стекании слоев жидкости, лежащих близко к осадку, возможно некоторое взмучивание. По этой причине полное разделение фаз невозможно. Потери жидкости тем меньше, чем уже поперечник отстойника.

Фильтрование

Метод разделения твердой и жидкой фаз путем фильтрования основан на действии пористых перегородок, пропускающих жидкость и задержи­вающих твердые частицы. Фильтрующая перегородка выбирается в зависимости от величины твердых частиц и свойств пропускаемой жид­кости, которая не должна разрушать применяемые для фильтрования материалы. В фармацевтическом производстве в качестве фильтрующих материалов используются фильтровальная бумага, вата, ткани (марля, фланель, бязь, сукно, специальная фильтровальная ткань — бельтинг), асбест, стеклянные и керамические пористые плитки, густые металличе­ские сетки.

Мерой, задерживающей способности фильтра, является степень освет­ления жидкости. Часто первые порции фильтрата получаются мутными и только через некоторое время он становится прозрачным. Это зависит от того, что фильтрующая перегородка вначале пропускает некоторое количество частиц, диаметр которых меньше диаметра пор фильтра. По мере фильтрования поры начинают забиваться частичками, на фильт­рующей поверхности образуется слой вещества, который уплотняет фильтр, уменьшая первоначальный размер пор. В конечном счете созда­ется новый фильтрующий слой, лежащий на фильтрующем материале, как на опоре. Считают, что фильтрующая способность в этом случае больше зависит от характера образовавшегося осадка, чем от лежащего под ним фильтрующего материала.

Пористая перегородка представляет для фильтрующей жидкости не­которое сопротивление, увеличивающееся по мере нарастания и уплот­нения осадка. Для преодоления этого сопротивления требуется опреде­ленное усилие, достигаемое созданием разности давления до и после фильтрующей перегородки. Разность давления является движущей си­лой фильтрации, заставляющей жидкость проходить через поры осадка.

Если допустить, что движение жидкости в порах фильтрата является ламинарным и что жидкость проходит через большое число круглых капилляров одинакового сечения и длины, то зависимость между от-" дельными факторами, влияющими на процесс фильтрования, может быть выражена уравнением Пуазейля:

Fznr*Px ^Q

где Q — объем вытекающей жидкости в м³; F — поверхность фильтра в м²; z — число капилляров на 1 м²; г — средний радиус капилляров в м; Р — разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки в Н/м²; х —время фильтрования в с; ц — абсолютная вязкость фильтрата в Н/(с-м²); / — средняя длина капилляров в м.

Из уравнения Пуазейля легко вывести скорость фильтрования. Зна­менатель правой части уравнения выражает сопротивление, оказывае­мое фильтром прохождению жидкости, которое является суммой сопро­тивления осадка и фильтрующего материала. Обычно сопротивление последнего невелико по сравнению с сопротивлением осадка и им мож­но пренебречь. Таким образом, скорость фильтрования (количество фильтрата на единицу площади в секунду) прямо пропорциональна разности давления и обратно пропорциональна сопротивлению осадка.

Практически необходимая разность давлений достигается: 1) увели­чением столба фильтруемой жидкости; 2) добавочным внешним усилием в виде повышенного давления со стороны подачи фильтруемой жидко­сти; 3) созданием разрежения со стороны фильтра, обращенной к фильтрату.

Рис. 45. Нутч-фильтр. Объяснение в тек­сте.

Фильтры, работающие за счет гидростатического давления столба фильтруемой жидкости

К фильтрам, работающим за счет столба фильтруемой жидко­сти, относятся фильтры-мешки и отстойники. Последние имеют решетчатое ложное дно, на которое кладут фильтрующую ткань. Про­фильтрованная жидкость выводится из нижней части отстойника через придонный штуцер.

Вакуум-фильтры

Нутч-фильтры представляют собой керамические, металлические или пластмассовые толстостенные цилиндры (рис. 45), разделенные дырчатой перегородкой 5 на две части: верхняя половина (/) наполня­ется фильтруемой жидкостью, в нижней (2) скапливается фильтрат. Для создания необходимого разрежения в приемнике имеется патру-- бок 3 для присоединения к вакуум-линии. Внизу приемника находится кран 4, через который выводят фильтрат. Фильтрующим материалом в нутч-фильтрах обычно служит ткань, укладываемая на дырчатую пе­регородку во влажном состоянии. Нутч-фильтры удобны в тех случаях, когда необходимо получить осадки, свободные от примесей, так как они могут быть очень легко отмыты. Жидкости со слизистыми осадками через нутч-фильтры проходят очень плохо. Также не следует фильтро­вать эфирные и спиртовые извлечения и растворы, поскольку эфир и спирт при большом разрежении быстро испаряются и пары их будут от­сасываться насосом и выбрасываться в воздух.

Фильтры, работающие под давлением

Друк-фильтры (рис. 46) представляют собой нутчи, верхняя по­ловина которых закрыта, в связи с чем в ней можно создать давление, необходимое для ускорения фильтрации. Нижняя часть друк-фильтра негерметична. Нужное давление создается при помощи сжатого воз­духа. Друк-фильтры можно применять в тех случаях, когда оперируют со спиртовыми, эфирными и другими органическими растворителями, имеющими низкую температуру кипения. Через друк-фильтр можно фильтровать вязкие жидкости.

Фильтр-прессы — аппараты с большой фильтрующей поверх­ностью, обладающие вследствие этого высокой производительностью. Фильтр-прессы дают возможность получать не только хорошо освет­ленную жидкость, но и промытые осадки. Фильтр-прессы состоят из ряда попеременно чередующихся пустотелых чугунных рам и сплошных с обеих сторон рифленых плит с желобами (рис. 47). Размер рам

 

J ^d E—II "—	т.......

Рис. 46. Друк-фильтр.

/ — патрубок для подачи сжатого воздуха; 2 — патрубок для выпуска фильтрата: 3 — лаз; 4 —патрубок для подачи жидкости; 5 — филь­трующая перегородка.

Рис. 47. Рама (вверху) и плита (внизу) фильтр-пресса.

/ — приливы; 2 —отверстия канала; 3 —проход в полость рамы; 4 — сливная труба из полостей грубы.

и плит от 800X800 до 1000ХЮ00 мм. Рамы и плиты снабжены сбоку ручками, опираясь на которые они висят на двух направляющих стерж­нях станины. Рамы и плиты плотно придвигаются друг к другу и по­следнюю плиту, так называемую подвижную головку фильтр-пресса, с силой прижимают упорным винтом с_ маховичком и рычагами. Фильтр-прессы новейших конструкций оборудованы гидравлическим за­жимом. Плиты перед зажатием покрывают с обеих сторон салфетками из фильтрующей ткани (бельтинг). Таким образом внутри рамы полу­чается полость, отгороженная от желобоватых плит салфетками. Пли­та же образует как бы дно, разделяющее две соседние плоскости.

В стенках плит и рам имеются сквозные отверстия; при сборе рам и плит в одну систему из этих отверстий образуются сплошные каналы. Каждый канал имеет свое назначение. По одному из каналов (нижне­му) в фильтр-пресс поступает фильтруемая жидкость.. Этот канал че­рез щели сообщается с полостями рам. Следовательно, фильтруемая жидкость попадает в рамную полость и благодаря тому, что она пода­ется под давлением, фильтруется через зажатые салфетки. Осадок оста­ется в рамной полости, а фильтрат поступает в просвет между салфет­ками и плитой. Здесь он по желобам стекает вниз и через трубку с краном попадает в общий приемный желоб. Осадок постепенно запол­няет все рамы, уплотняется и начинает создавать все более возрастаю­щее сопротивление проходу жидкости. Наконец, насос, подающий жид­кость в фильтр-пресс, перестает преодолевать сопротивление осадка и из крана прекращается истечение фильтра; краны выключаются пооче­редно. Когда фильтрование закончено и требуется промывка осадка, скопившегося в рамной полости, в другой канал (верхний) впускают про­мывную жидкость. Этот канал сообщается с просветами между сал-

феткой и плитой через щели, имеющиеся в плитах (через одну). По­скольку и промывная жидкость подается под давлением, она проходит через салфетку в рамную полость, промывает осадок и стекает по же­лобам противоположной плиты, откуда через кран выводится в прием­ный желоб.

При промывке краны открыты через один. В случае необходимости перед выгрузкой осадка в фильтр-пресс создается сжатый воздух для выдавливания жидкости, оставшейся в каналах фильтра, в капиллярах осадка.

Имеются фильтр-прессы, в которых всего один общий канал, исполь­зуемый вначале для подачи фильтруемой жидкости, а затем для выпу­ска промывной жидкости. Иначе говоря, промывка производится по ходу движения фильтруемой жидкости. Бывают фильтр-прессы, в которых оба канала (фильтруемой жидкости и для промывки) проходят через верхние стенки рам и плит.

Рамы и плиты в соответствии с химическими свойствами фильтруемой жидкости делают чугунными, стальными или деревянными. Число рам подбирают, исходя из заданной производительности и количества осад­ка, в пределах от 10 до 60 шт. Фильтрование производится под значи­тельным давлением, иногда до 12 ат. Фильтруемая жидкость и вода для промывки подаются от насоса в штуцер на неподвижной головке фильтр-пресса, откуда попадают дальше в канал.

Центрифугирование

Центрифугирование по существу представляет собой процесс отстаи­вания или фильтрования в поле центробежных сил. Развиваемые при центрифугировании центробежные силы оказывают на разделяемую си­стему гораздо большее воздействие, чем силы тяжести и давления. По­этому центрифугирование является гораздо более эффективным про­цессом.

Величину центробежной силы С, действующую на вращающееся тело с массой М, можно определить следующим образом:

Gv*

где v — окружная скорость вращения в м/с; G — масса вращающегося тела в кг; г — радиус вращения в м; g — ускорение силы тяжести (9,81 м/с²). Подставив в это выражение значение окружной скорости

2пгп

' ~ 60 ■

где п — число оборотов в минуту, получим другое выражение центро­бежной силы:

G I 2пгп

С =-

gr \60)~ g-900 или, заменив па d (диаметр) и сократив л² и g\

С =

-1800

1800 •

Таким образом, центробежная сила прямо пропорциональна как диа­метру, так и числу оборотов барабана, но ее увеличение легче достига­ется повышением числа оборотов (в квадрате), чем увеличением диамет­ра барабана. Число оборотов центрифуги имеет огромное значение. При

малой скорости будет недостаточна центробежная сила и центрифуга не выполнит своего назначения. При слишком большой скорости вра­щения стенки барабана могут не выдержать разрывающих усилий и произойдет авария. При эксплуатации центрифуг нужно иметь в виду, что в начальной стадии, когда барабан развивает вращение, осадок не­равномерно распределяется по поверхности барабана. В результате ба­рабан начинает «бить», что крайне вредно отражается на прочности станины. Для смягчения толчков и ударов центрифугам придаются ре­зиновые амортизаторы. По этим же соображениям на центрифугах уста­навливают тормоз, позволяющий после выключения электромотора плавно и сравнительно быстро остановить барабан. Также важно, что­бы при изготовлении центрифуги барабан был тщательно сбалансирован (центр тяжести барабана и вала должен совпадать с осью вращения). В работе центрифуги различают: 1) период пуска и разгона до полно­го числа оборотов; 2) период вращения с постоянной скоростью; 3) пе­риод выключения электромотора, замедления и остановки центрифуги. Пусковой период для двигателя представляет наибольшую трудность, поскольку ему приходится преодолевать инерцию барабана, инерцию находящейся в нем жидкости и трение барабана о воздух. В связи с этим мощность центрифуги всегда рассчитывают на пусковой пеоиод. Рабочая мощность обычно в 2—3 раза меньше пусковой.

Отстойное центрифугирование

Подобно отстаиванию, разделение фаз производится здесь без филь­трующих материалов. Благодаря большой центробежной силе твердые частицы отбрасываются к стенке, а жидкость ближе к центру становит­ся прозрачной и выводится из барабана (рис. 48). Центрифугу останав­ливают тогда, когда слой осадка станет таким толстым, что додает до сифона и жидкость начнет вытекать мутной.

Сирии

ipy/fo

 

 

Рис. 48. Отстойная центрифуга.

Рис. 49. Фильтрующая центрифуга.

/ — крышка; 2 — перфорированный барабан; 3- кожух; 4 — вал; 5 — шкив; в — подпятник; 7 -станина; 8 — желоб.

Возможна и другая конструкция отстойной центрифуги, в которой осветленная жидкость переливается через верх барабана в пространст­во между кожухом и барабаном и выводится затем через патрубок. Жидкость, подлежащая центрифугированию, поступает через трубу. После накопления осадка на внутренних стенках барабана его останав­ливают и осадок спускают в трубу, подняв для этого запорный конус. Отстойные центрифуги применяют в тех случаях, когда взвешенные ча­стицы плохо фильтруются или же настолько малы, что не удерживаются фильтрующей тканью. Скорость вращения небольших центрифуг 1000—1200 об/мин.

К отстойным относятся также суперцентрифуги, вращающиеся со скоростью свыше 5000 об/мин. Среди них различают жидкостные се­параторы с барабанами небольшой высоты, работающие при числе обо­ротов до 10 000 в минуту, и трубчатые суперцентрифуги с трубчатым барабаном, работающим при 15 000—25 000 об/мин. Примером жидкост­ных сепараторов могут служить молочные сепараторы. Трубчатые супер-центрифуги нашли широкое применение для разделения (разрушения) эмульсий, а также для осветления тонких суспензий.

Центробежная фильтрация

В отличие от фильтрации, когда каждая частица жидкости движется под давлением смежной частицы, при центробежной фильтрации дви­жение каждой частицы независимо и находится под влиянием центро­бежной силы.

Центробежная фильтрация проводится в фильтрующих центрифугах (рис. 49), которые состоят из вращающихся на вертикальном валу дыр­чатых цилиндрических барабанов, внутренняя поверхность которых по­крыта тканью. Барабан снаружи окружен прочным кожухом. Фильтрат, прошедший из барабана в кожух, по желобу выводится наружу. Внеш­ним признаком окончания процесса служит исчезновение струйки жид­кости из желоба. Для максимального обезвоживания осадка центрифу­гу вращают еще некоторое время на полном числе оборотов, а затем останавливают. После этого барабан очищают от осадка, фильтрующую ткань промывают и цикл повторяют. В фармацевтическом производстве удобны небольшие центрифуги, например с D: #=400:260 мм и 1200 об/мин. Число оборотов барабана центрифуг уменьшают с увели­чением диаметра барабана.

Осветление вытяжек. Адсорбенты

Во всех случаях, когда взвесь по своему характеру приближается к коллоидной мути, необходимо принять меры для укрупнения частиц. Чаще всего устойчивые мути в вытяжках разрушаются при помощи ад­сорбентов, на поверхности частиц которых происходит скопление кол­лоидно-взвешенных частиц.

В качестве адсорбентов в фармацевтической практике находят приме­нение активированный уголь, глинистые минеры, тальк, фильтроваль­ная бумага и др.

В ряде случаев осветление вытяжки может быть достигнуто кипяче­нием ее в течение некоторого времени. При этом происходит свертыва­ние белковых и слизистых веществ, хлопья которых к тому же обладают и адсорбционной способностью. Кипячение как осветляющий способ ши­роко применяется, например, при очистке вытяжек солодкового корня. В тех же случаях, когда вытяжки богаты белковыми, слизистыми и пек­тиновыми веществами, осветление можно провести путем добавления 96% спирта.

Эффективным оказалось осветление с помощью ультразвука, впер­вые примененное в области виноделия.

ГЛАВА 7

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Тепловыми называются технологические процессы, протекающие при условии подвода или отвода тепла. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и др. Частным случа­ем испарения является процесс выпаривания. В тепловых про­цессах участвует не менее двух сред, имеющих разные температу­ры. При этом тепло может передаваться самостоятельно только в слу­чае перепада температур, т. е. от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Среды с более высокой температурой называ­ются горячими теплоносителями, а среды с более низкой температу­рой — холодными теплоносителями.

Теплопередача

Теплопередача или теплообмен — процесс распространения тепла из одной части пространства в другую. Переход тепла из одной части про­странства в другую может осуществляться разными путями: теплопро­водностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность

Теплопроводность — вид теплообмена, который происходит между ча­стицами тела, находящимися в соприкосновении. Частицы более нагре­той части тела, сталкиваясь при колебательном движении с соседними частицами, передают им часть своей кинетической энергии, и таким об­разом тепловая энергия распространяется по всему телу.

Примером теплообмена теплопроводностью может служить передача тепла через металлическую стенку. При этом, если в случае передачи тепла через стенку температура в каждой ее точке с течением времени не меняется, такой тепловой поток называется установившимся. Если же температура в каждой точке стенки с течением времени изменяется, такой тепловой поток является неустановившимся. На практике неуста­новившийся тепловой поток обычно предшествует установившемуся, на­пример пока стенка нагревается и тем­пература ее все время повышается. Но как только нагревание стенки прекра­тится, неустановившийся тепловой по­ток переходит в установившийся.

Рассмотрим случай передачи тепла через плоскую однослойную стенку при установившемся тепловом потоке (рис. 50). Количество тепла, переходя­щее через такую стенку, подчиняется закону Фурье — основному закону теп-

Рис. 50. Передача тепла теплопроводностью через плоскую стенку. Объяснение в тексте.

лопроводности, который выражается уравнением:

Q=X ^Г*² Fx Дж,

где "к — коэффициент теплопроводности; t\ — температура поверхности стенки, воспринимающей тепло в °С; t₂ — температура поверхности стенки, отдающей тепло в °С; б — толщина стенки в м; / — поверхность, перпендикулярная направлению теплового потока (то же, что площадь сечения потока тепла) в м²; т — время в с.

По уравнению следует, что количество тепла, переданного теплопро­водностью, пропорционально коэффициенту теплопроводности, разности температур воспринимающих тепло стенок, площади сечения, времени и обратно пропорционально толщине стенки.

Из приведенного уравнения легко определяется размерность:

Q8

Дж м/(с-град)

А =

Дж/м м*/(с-град)

Если предположить, что 6=1 м, t\ —/2=1°С, F=\ м² и т=1 с, то

Х = (2;Дж/м (с град),

т. е. коэффициент теплопроводности означает количество тепла в джоу­лях, проходящее через стенку толщиной 1 м в течение 1 с при разности температур в 1 °С и поверхности в 1 м².

Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала (сре­ды). Коэффициенты теплопроводности находятся в следующих преде-

лах:

газов.........................

жидкости.... твердых тел:

металлов

теплоизоляционных

материалов

0,005—0,17 Дж/м^ 0,08—0,7

2—420 0,01—0,1

• град)

Металлы по величине коэффициента теплопроводности располагаются в следующем порядке: серебро — 420, медь — 370, алюминий — 200, чу­гун— 62, никель — 58, углеродистая сталь — 45, свинец — 35, нержа­веющая сталь— 12—23 Дж/м (с-град). Их теплопроводность возраста­ет с увеличением температуры. У жидкостей этот коэффициент с повы­шением температуры уменьшается (кроме воды и глицерина), у га­зов — возрастает с повышением температуры.

Конвекция

Под конвективным теплообменом понимается передача тепла сопри­косновением от стенки к жидкости (или газу) и дальнейшее распростра­нение тепла в жидкости (или газе) путем переноса более нагретой, при­стенной части жидкости. Конвекция имеет место, например, при переда­че тепла от стенки трубы жидкости, протекающей внутри нее.

Количество тепла, переданного конвекцией от жидкости (или газа) омываемой стенке или обратно, определяется законом Ньютона:

Q = а (<_ж - /_ст) Ft Дж

где а — коэффициент теплоотдачи; t_m — температура жидкости в °С; ^ст — температура поверхности стенки в °С; F — величина омываемой поверхности в м²; т — время в с.

Из уравнения следует, что количество тепла, переданного конвекцией, пропорционально коэффициенту теплоотдачи, разности температур между поверхностью и жидкостью, поверхности и времени.

Из приведенного уравнения легко выводится размерность:

а =

Q Дж

м²/(с-град)

Если в этой формуле (/_ж— t_CT) = 1 °С, F=\ м², т=1 с, то а = фДж/м² (с-град), т. е. коэффициент теплоотдачи соответствует количеству теп­ла в джоулях, передаваемого через 1 м² омываемой площади в течение 1 с при разности температур между поверхностью и жидкостью в 1 ^СС.

Излучение '

Разные тела обладают различной способностью поглощать лучи и излучать их. Тело, способное поглощать полностью тепловые лучи и об­ладающее максимальной способностью к излучению, называется абсо­лютно черным. Тело, совершенно не обладающее поглощающей спо­собностью и отражающее все падающие на него лучи, называется аб­солютно белым. В природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно белых тел.

Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела определя­ется по закону Стефана — Больцмана, согласно которому:

где Со — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,68 Дж/м² (с-°К⁴); Т —абсолютная температура излучающего тела в°К.

Таким образом, лучеиспускательная возможность абсолютно черного тела пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры.

Закон Стефана — Больцмана применим и к реальным (серым) телам. В этом случае он записывается в следующем виде:

юо

где С — коэффициент излучения серого тела в Дж/м² (с-°К⁴).

Очевидно, что величина С всегда меньше величины С_о. Отношение ко­эффициента излучения серого тела к коэффициенту излучения абсолют­но черного тела при той же температуре называется относительной из-лучательной способностью, или степенью черноты тела:

С -р— = е.

Величина е является важным параметром любого серого тела; зная ее, можно определить энергию излучения Е. Числовое значение е уве­личивается по мере повышения температуры тела, излучающего лучи. Для красного кирпича при 20 °С е равно 0,93, для листовой стали при 940—1100 °С — 0,55—0,61, для полированного алюминия при 225— 575 °С — 0,039—0,057 и т. д.

Сложный теплообмен

На практике перечисленные виды теплообмена редко наблюдаются раздельно; в большинстве случаев они связаны между собой и проявля­ются совместно. В качестве примера сложного теплообмена можно при­вести передачу тепла от горящего топлива к поверхности нагрева по­средством излучения и конвекции. Через металлические стенки котла тепло передается теплопроводностью, а от внутренних поверхностей

Рис. 51. Теплопередача между газом и жидкостью через плоскую стенку. Объ­яснение в тексте.

котла —• воде путем конвекции. Представим этот случай в виде рис. 51 (упростив его плоской од-нослоойной стенкой). Тепловой поток на своем пути встречает три термических сопротивления; 1) при передаче тепла стенке (сопротивления ламинарного по­граничного слоя газов); 2) сопро­тивление стенки; 3) сопротивле­ние ламинарного пограничного слоя жидкости.

Тепло, передаваемое от газов наружной плоскости стенки, определя­ется по формуле для конвективного обмена:

— obj ^*i *сТ]/ * ¹ МЖ,

где с» — коэффициент теплоотдачи от газов к наружной стенке в Дж/м² (с град); t\ — температура газов в °С; /_Ст_х—-температура на­ружной поверхности стенки в °С.

Тепло, передаваемое через стенку, определяется по формуле для теп­лопроводности:

Q = А *т> Ft Дж,

где t_Cr_z — температура внутренней стенки в °С.

Тепло, передаваемое от внутренней стенки воде, также определяется по формуле конвективного теплообмена:

где «г — коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к воде в Дж/м² (с град); t₂ — температура нагреваемой воды в °С. Все указанные уравнения можно написать иначе:

Q__J__

'СТ[

__

а,т

Складывая эти уравнения почленно, получим:

Q / 1 S 1

откуда

Q Ft

7-163

а обозначив

 

получим основное уравнение теплопередачи: Q = /((f₁— t2)-Fx Дж где К — общий коэффициент теплопередачи, численно равный количест­ву тепла, передаваемому от одного теплоносителя (газа, жидкости) дру­гому теплоносителю через стенку в 1 м² при разности температур между теплоносителями в 1 °С в течение 1 с.

Нагревание

Нагревание является повседневным процессом в технологии лекарств и галеновых препаратов. Прямыми источниками тепла служат дымовые газы и электрический ток. С помощью этих источников получаются не­посредственные теплоносители: горячая вода, водяной пар, минераль­ные масла и некоторые специальные теплоносители.

Дымовыми газами обогреваются паровые котлы, являющиеся источ­никами получения водяного пада и горячей воды. В ряде случаев для этой цели удобен электрический ток. Основным теплоносителем в фар­мацевтическом производстве является водяной пар.

Водяной пар

Водяной пар вырабатывается в паровых котлах, которые устанавли­ваются в специальном помещении — котельной. Выработанный пар из котельной по паропроводам передается в цехи предприятия.

Современные паровые котлы различаются: а) по конструкции — кот­лы газотрубные и водотрубные; б) по расположению поверхности нагре­ва в пространстве — котлы горизонтальные и вертикальные; в) по цир­куляции воды в котле — котлы с естественной и принудительной цирку­ляцией; г) по давлению пара: котлы низкого давления — до 14,7 ■ 10⁴—15.7-10⁴ Н/м² (15—16 атм)¹, среднего давления —до 29,4-Ю⁴— 34,3 • 10⁴ Н/м² (30—35 атм) и высокого давления —до 765,2 ■ 10⁴ Н/м² (180 атм) и выше; д) по производительности — котлы большой и малой производительности.

Под паропроизводительностью понимается общее количество пара в тоннах, вырабатываемое котлом в 1 ч.

Паровые котлы вырабатывают насыщенный п а р, т. е. пар, имею­щий максимальную плотность и упругость при определенном давлении и температуре. Состояние насыщенного пара соответствует такому процес­су парообразования, при котором в паровом пространстве находится максимально возможное количество молекул. Насыщенный пар может быть влажным и сухим.

Влажным насыщением называется пар, получающийся при не­законченном парообразовании и состоящий из смеси пара с капелька­ми воды: температура влажного насыщенного пара равна температуре кипящей воды.

Сухим насыщенным называют пар, который получается при за­конченном парообразовании. Его температура также равна температуре кипящей воды. Сухой пар характеризуется неустойчивостью состоя­ния— он переходит либо в состояние влажного насыщенного пара (при охлаждении) либо при подводе тепла — в состояние перегретого пара. Давление перегретого пара не изменяется независимо от степени пере-

¹ 1 атм равна 98066,5 Н/м². 98

грева. Таким образом, перегретым называется пар, который имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар того же давления. Перегре­тый пар, двигаясь по паропроводу, не конденсируется; понижается только его температура.

Превращение воды в пар при температуре ее кипения связано с рас­ходованием определенного количества тепла, не улавливаемого термо­метром. Тепло, которое расходуется на превращение воды в пар, назы­вается скрытой теплотой испарения. Полная теплота парообразования складывается из количества тепла, расходуемого для подогрева воды до кипения (энтальпия воды) и из скрытой теплоты испарения. Общее ко­личество тепла, расходуемого на парообразование, соответствует тепло­содержанию пара. Таким образом, теплосодержание, или эн­тальпия, пара — количество тепла в килокалориях или джоулях¹, ко­торое содержится в 1 кг пара (ккал/кг или Дж/кг). Энтальпия пара находится в зависимости от давления, повышаясь с увеличением его. Скрытая теплота испарения при этом несколько уменьшается (табл.2). При конденсации в случае использования пара выделяется тепло в ко­личестве, равном скрытой теплоте испарения.

Таблица 2

Некоторые параметры насыщенного пара

 

 

 

		Энтальпия	Скрытая теп-	Энтальпия
Давление	Температура	воды	лота испаре-	пара
пара,	пара,		ния
КГ/сМ2	°С
			ккал/кг
1,0	99,09	99,12	539,4	638,5
2,0	119,62	119,87	525,9	645,8
3,0	132,88	133,4	516,9	650,3
4,0	142,92	143,6	509,8	653,4
5,0	151,11	152,1	503,7	655,8
6,0	158,08	159,3	498,5	657,8
7,0	164,17	165,6	493,8	659,4

При передаче пара к местам потребления по паропроводам, состав­ленным из металлических труб, из-за потери тепла насыщенный пар конденсируется, а у перегретого пара понижается температура. Потерю тепла значительно уменьшают путем изоляции труб, применяя для этой цели асбест, обрезки пробки, шерстяные и шелковые очесы, инфузорную землю и другие материалы. Тем не менее даже в хорошо изолирован­ных паропроводах может наблюдаться конденсация пара. Поэтому в ме­стах возможного скопления конденсата устанавливаются водоотделите­ли, соединенные с конденсационным горшком для автоматического уда­ления конденсата. Устройство конденсационного горшка, работающего на принципе поплавка, имеющего форму стакана, показано на рис. 52. Поступающая в горшок горячая вода заполняет кольцевое пространство под поплавком и поднимает его кверху. В результате прикреплённый" к поплавку стержень'с" клапаном перекрывает отверстие в крышке горш­ка. Затем вода достигает краев поплавка и переливается внутрь. Далее наступает такой момент, когда поплавок под тяжестью набравшейся в него воды опускается, открывая тем самым отверстие вверху. Этого достаточно, чтобы вода под давлением пара была вытеснена наружу че­рез трубку вокруг стержня в выходной канал. После этого всплывает поплавок и клапан закрывает отверстие до нового накопления воды в поплавке. Существуют и другие конструкции конденсационных горшков. Если пар в паровых котлах имеет давление, близкое к необходимому

¹ 1 ккал = 4186,8 Дж.

нь/е горшки

Рис. 52. Конденсационный горшок с откры­тым поплавком прерывного действия.

/ — штуцер для впуска конденсата; 2 — корпус горшка; 3 — поплавок; 4 — клапан; 5 — штуцер для выпуска конденсата.

Рис. 53. Схема обратной линии.

На мойну

/7ерегреть/й пар

для производственных нужд фармацевтического предприятия 3,92 Ю⁴—4,90-10⁴ Н/м², то в этом случае пар непосредственно подается к аппаратам. Но чаще давление вырабатываемого пара значительно боль­ше необходимого. В этом случае его направляют в пароколлектор (па­рораспределитель), представляющий собой металлический цилиндр со стенками необходимой прочности, хорошо изолированный. От коллекто­ра отходят паропроводы, снабженные специальными клапанами, назы­ваемыми редукционными вентилями. Назначение их — не только впуск и прекращение подачи пара из коллектора в трубы, но и редуцирование, т. е. превращение пара высокого давления в пар более низкого давле­ния. Это имеет место в тех случаях, когда паропровод питает аппарат или систему аппаратов, не требующих того полного давления, под ко­торым находится пар в коллекторе.

Редукционные клапаны работают на принципе выпуска пара через узкие отверстия с дальнейшим резким его расширением. При этом снижается давление пара, а следовательно, и его температура. Совер­шив работу и отдав часть своего тепла, пар не выводится в атмосферу, а поступает в так называемую обратную линию (рис. 53). При этом от­работанный, «мятый» пар попадает в конденсационные горшки, имею­щиеся при каждом аппарате или группе аппаратов. Образовавшийся конденсат собирается в один общий трубопровод, по которому самоте­ком стекает в конденсационный бак, находящийся в котельной ниже

уровня пола, откуда при помощи инжектора после специальной очистки подается в паровой котел. В тех случаях, когда для питания котла кон­денсата слишком много, он используется для мытья посуды, душевых и других целей.

Способы нагревания водяным паром

Нагревание «острым» паром. Под этим способом понимаются нагре­вание паром, вводимым непосредственно в нагреваемую жидкость. Греющий пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а образующийся конденсат смешивается с жидкостью. Нагревание «острым» паром очень часто сочетается с перемешиванием жидкости. В этом случае пар подводится через барботеры. Нагревание «острым» паром применяется в тех случаях, когда разбавление жидкости водой не имеет существенного значения.

Расход «острого» пара при нагревании жидкости рассчитывают по уравнению теплового баланса:

gct_x

= gd₂ + Dt₂ + Q_nx,

где g — количество нагреваемой жидкости в кг; с — теплоемкость на­греваемой жидкости в Дж/(кгград); t\ — температура жидкости до нагревания в °С; t₂ — температура жидкости после нагревания в °С; D — расход греющего пара в кг; X — теплосодержание греющего пара в Дж/кг; Q_n — потери тепла аппаратом в окружающую среду в Дж/с; т —время нагревания в с. Отсюда:

£> =

X~t₂

Нагревание «глухим» паром. Жидкость нагревают паром через разде­ляющую их стенку в аппаратах с «рубашками», змеевиками и т. д. Греющий пар целиком конденсируется, выводится из аппаратов в виде конденсата с помощью конденсационных горшков. Температура конден­сата почти точно равна температуре насыщенного греющего пара. На­гревание «глухим» паром применяют в тех случаях, когда жидкость нельзя разбавлять или когда между ними недопустим контакт.

Расход «глухого» пара рассчитывают также по уравнению теплового баланса:

я,—е

или

£> =

gc (V-

где 6 — теплосодержание конденсата, отводимого из парового простран­ства нагревателя.

Теплообменные аппараты

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором одно вещество (среда) отдает свое тепло другому веществу (среде). В большинстве случаев оба вещества отделены друг от друга стенкой, называемой поверхностью нагрева, образованной трубами (или плоской стенкой), причем одно вещество движется внутри труб, а другое омы­вает их.

Теплообменными аппаратами являются различные подогреватели, выпарительные аппараты, конденсаторы и другая аппаратура, пред­назначенная для проведения тепловых процессов,

■t;¹

Направление тока жидкостей

По характеру взаимного движения (или газа) различаются тепло-обменные аппараты: а) с параллельным током — прямоток (рис. 54, а); б) с противотоком (рис. 54, б); в) с поперечным или перекрестным то­ком (рис. 54, в); г) со смешанным током (рис. 54, г, д).

Расчет теплообменных аппаратов сводится к определению поверхно­сти нагрева или охлаждения по уравнению:

где Q — количество передаваемого тепла; К — коэффициент теплопере­дачи; Д/_ср — средняя разность температур вдоль омываемой поверх­ности; F — поверхность нагрева в м².

Средняя разность температур определяется по средним арифметиче­ским каждой жидкости:

±±±И

А, '* +

^а'ср — 2

где t\ и h" ■ —соответственно температуры первой жидкости на выходе и на входе, tj и /₂" — то же для второй жидкости.

На рис. 55, а показаны изменения температур в теплообменном ап­парате с прямотоком. На оси абсцисс отложены расстояния, пройден- а

Рис. 54. Схема прямотока, противотока и
г-- » поперечного тока.

// // '•' | а — прямоток; б — противоток; в — перекрестный

ток; г, д — смешанный ток

Рис. 55. Температурные кривые для пря­мотока а и противотока б. Объяснение в

тексте.

Греющая среда

а

Нагреваемая среда

Нагребаемая, среда

J02

ные средами вдоль поверхности теплообмена (труба), а по оси орди­нат— значения температур указанных сред. Из графика видно, что температура греющей среды падает по кривой W — V, в то время как температура нагреваемой среды при этом повышается (кривая h' — ti"). Нижняя кривая никогда не сольется с верхней, т. е. темпера­тура выходящей нагреваемой среды (t₂") всегда ниже температуры выходящей греющей среды (t\). Изменение температур в теплообмен­нике с противотоком показано на рис. 55, б. Верхняя кривая показыва­ет падение температуры нагреваемой среды, нижняя — повышение тем­пературы греющей среды. При противотоке конечная температура ii нагреваемой среды может быть выше конечной температуры t\" грею­щей среды, чего нельзя получить в аппарате с прямотоком.

Расчет процессов теплопередачи при перекрестном токе жидкостей затруднен из-за сложности аналитического определения средней раз­ности температуры. Расчет процесса теплопередачи при смешанном токе жидкостей сочетает расчеты при прямотоке и противотоке. При любом варианте смешанного тока средняя разность температур меньше, чем при противотоке, но больше, чем при прямотоке.

Типы теплообменников

Кожухотрубные теплообменники. Один из простейших теплообмен­ников этого типа показан на рис. 56, а. Он состоит из цилиндрического кожуха 1, двух трубных решеток 2 и закрепленного в них пучка труб 3. К кожуху при помощи фланцев болтами 9 присоединены днища 4. Уп­лотнение достигается прокладкой 10. Поток греющей жидкости / вво­дится через нижний патрубок 5 и выводится через верхний патрубок 6. Поток нагреваемой жидкости // вводится в верхний боковой патру­бок 7 в межтрубное пространство, омывает снаружи трубы и выводится через нижний боковой патрубок 8. Теплообменник установлен на опо­рах 11. Указанного вида теплообменники наиболее распространены; они допускают создание больших поверхностей теплообмена, просты в из­готовлении и надежны в эксплуатации. Теплообменники могут быть прямо- и противоточными.

Теплообменники типа «труба в трубе». Представляют собой батарею из двух и более теплообменных элементов, расположенных один под другим (рис. 56, б). Каждый элемент состоит из внутренней тру­бы / и охватывающей ее наружной трубы 2. Внутренние трубы отдель­ных элементов соединены друг с другом коленами 3, а наружные тру­бы— патрубками 4. Греющая жидкость 1 движется по наружным тру­бам, а нагреваемая 2 — по внутренним трубам прямо- или противо-точно. Очень важным фактором, определяющим работу трубчатых теплообменников, является скорость движения теплоносителей. При увеличении скорости, естественно, возрастает интенсивность теплооб­мена, но увеличивается гидравлическое сопротивление. Оптимальная скорость для жидкостей лежит в пределах 0,1—2 м/с.

Теплообменники со змеевиками. Греющая среда (жидкость, пар) по­дается в согнутый из трубы змеевик, приваренный снаружи к корпусу аппарата или залитый в стенках аппарата. В практике фармацевтиче­ских заводов применяются теплообменники с погруженными змеевика­ми (рис. 56, в), в которых движутся пары жидкости, охлаждаемые омывающей змеевик холодной водой. Змеевики имеют большое гидрав­лическое сопротивление, поэтому скорости теплоносителей в них мень­ше, чем в теплообменниках с прямыми трубами и не превышают обычно 1 см/с. К недостаткам нужно отнести и трудность очистки змеевиков.

Паровые рубашки. Двойные стенки, или рубашки, широко исполь­зуются для обогрева многих аппаратов (выпарные, реакционные). Схе-

Рис. 56. Типы теплообменников.

а — вертикальный кожухотрубный теплообменник с неподвижными трубными решетками; б — двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»; в — змеевиковый конденсатор; г — аппа­рат с рубашкой; д — ребристая труба: / — греющий агент; 2 — воздух. Объяснение в тексте.

ма устройства таких теплообменных аппаратов приведена на рис. 56, г. Рубашка 2 укреплена (приварена) снаружи корпуса / аппарата. В об­разовавшееся герметически замкнутое пространство через штуцер 3 вводится греющий пар. Через штуцер 4 выводится конденсат. Высота рубашки должна быть не меньше высоты уровня жидкости в аппарате. Обычно рубашки применяются для нагревания паром не более 5 ат. (4,90-10⁴ Н/м²) превышение этого предела приводит к чрезмерному утолщению стенок рубашки и аппарата.

Ребристые теплообменники. Применяются для нагревания воздуха. Ребристые поверхности значительно увеличивают теплоотдачу. Схе­ма ребристого воздухоподогревателя (калорифер) изображена на рис. 56, д. Калориферы обычно соединяются в батареи последовательно, параллельно и комбинированно обоими способами.

Охлаждение и конденсация

Охлаждение жидкостей и газов

Наиболее просто жидкости и газы могут охлаждаться, отдавая тепло через стенки аппаратов или трубопроводов в окружающее пространст­во. Продолжительность такого охлаждения зависит от теплопроводно­сти стенок аппарата и температуры охлаждаемой жидкости.

Естественным будет охлаждение нагретых жидкостей в открытых ап­паратах (например, в выпарительных чашах). В этом случае одновре­менно с отдачей тепла через стенки охлаждение будет происходить и за счет испарения жидкости с поверхности. Количество жидкости, испа­ряющейся в единицу времени, по закону Дальтона определяется из вы­ражения:

где К\ — коэффициент, зависящий от свойств жидкости и скорости дви­жения окружающего воздуха; F — поверхность испарения в м²; Р_ж — упругость паров жидкости при данной температуре в мм рт. ст.; ф — степень насыщения воздуха парами; Р_ж' — упругость паров жидкости при температуре окружающего воздуха в мм рт. ст.

Если принять (для средних условий) температуру окружающего воз­духа равной 20 °С и степень его насыщения влагой <p = 0,7, тогда по таблицам для насыщенного водяного пара Р_ж=17,5 мм рт. ст., а _фР_ш = 0,7 ■ 17,5= 12,3 мм рт. ст.

Однако наиболее часто охлаждение жидкостей проводится в описан­ных выше поверхностных холодильниках, причем в качестве охлаждаю­щих агентов чаще всего используют воду или холодильные рассолы. Применяемые холодильники могут быть с рубашками и змеевиками, а также в виде трубчатых и спиральных теплообменников.

Конденсация паров

Конденсацией называется процесс перевода пара в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара. Аппараты, в которых производит­ся сжижение пара, называются конденсаторами.

Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, в котором пар охлаждается холодным теплоносителем, например холодной водой, и таким образом сжижается. Конденсация применяется главным обра­зом с целью ускорения процесса выпаривания жидкости, а также для улавливания ценных растворителей и экстрагентов. Охлаждение пара может производиться двояко: 1) непосредственным смешением паров с холодной водой и 2) через стенку теплообменника. Конденсаторы, ра­ботающие по первому принципу, называются конденсаторами смеше­ния, по второму — поверхностными конденсаторами. В последних кон­денсирующий пар и охлаждающая его вода разделены металлической стенкой. В зависимости от направления движения воды и пара конден­саторы смешения и поверхностные конденсаторы могут быть прямоточ­ными, когда вода и пар движутся в одном направлении, и противоточ-ными, когда вода и пар движутся навстречу друг другу.

Рис. 57. Прямоточный конденсатор смешения с раздельным выводам конденсата и пара. Объяс­нение в тексте.

КОНДЕНСАТОРЫ СМЕШЕНИЯ. Эти

конденсаторы целесообразно применять для охлаждения водяных паров, обра­зующихся при сгущении водных вытя­жек. Конденсация происходит очень быстро, поскольку пары смешиваются с охлаждающей водой, поверхность кото­рой сильно увеличивают разбрызгивани­ем и превращением в многочисленные струйки. Пригодны оба типа конденсато­ров: как прямоточные, так и противоточ-ные. Одна из конструкций прямоточного конденсатора смешения с раздельным выводом конденсата и воздуха показана на рис. 57. Холодная вода поступает по трубе /, нижний участок которой перфо­рирован. Вторичный (или соковый пар), поступающий по трубе 4, смешивается со струйками воды, брызгающими из от­верстий. Смесь выводится через трубу 2 с помощью водяного насоса, а воздух — через трубу 3 воздушным насосом.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ. Поверхностные конденса­торы, устройство которых принципиально не отличается от трубчатых теплообменников, применяются в тех случаях, когда в составе сокового пара есть пары спирта или другого ценного экстрагента. В этих кон­денсаторах всегда имеется противоток; охлаждающая вода поступает снизу и движется вверх, в то время как соковый пар поступает сверху и в виде конденсата выводится снизу. В конструктивном отношении поверхностные конденсаторы могут быть как змеевиковые, так и труб­чатые.

ГЛАВА 8 ВЫПАРИВАНИЕ

Процесс выпаривания состоит в том, что при помощи нагревания некоторую часть растворителя или экстрагента переводят в парообраз­ное состояние и в виде пара удаляют из жидкой среды. Процесс вы­паривания в фармацевтическом производстве широко применяется при получении жидких и густых экстрактов и является промежуточной опе­рацией при производстве сухих экстрактов. Условия, при которых про­исходит выпаривание на практике, весьма различны. Так, выпаривае­мая жидкость может быть подвижной или настолько вязкой, что едва может двигаться. Она может образовывать твердые отложения на по­верхности нагрева, иметь наклонность к пенообразованию, очень высо­кую температуру кипения и т. д. Это разнообразие условий привело к наличию большого количества типов и конструкций выпарных аппа­ратов. Наиболее простым способом является выпаривание в выпар­ной чаше, в которой выпариваемая жидкость находится под атмо­сферным давлением. Выпарная чаша применяется для удаления из растворов относительно небольшого количества воды, например при производстве сиропов,

В фармацевтическом производстве обычно приходится иметь дело с растворами или извлечениями, содержащими термолабильные веще­ства. К ним относятся, например, алкалоиды, гликозиды, витамины, гормоны, для которых даже температура кипения воды при атмосфер­ном давлении является слишком высокой. Разрушение этих веществ можно предупредить, если выпаривание растворов или извлечений про­изводить при разрежении, что повлечет за собой понижение темпера­туры кипения выпариваемых жидкостей. Образующиеся при выпарива­нии в выпарной чаше пары уносятся в воздух. Если же вместо откры­той взять закрытую чашу, имеющую сферическую крышку, соединить такой герметически закрытый аппарат с конденсатором и с помощью насоса откачивать паровой конденсат и примешанный к нему воздух, можно значительно понизить температуру кипения раствора или вы­тяжки.

С целью сохранения действующих веществ, извлекаемых из