Общие понятия о машинах и аппаратах

Промышленное производство препаратов характеризуется использованием машин и аппаратов, предназначенных для осуществления различных процессов.

Машины

Машина - это устройство, выполняющее механическое движение с целью преобразования энергии или материалов. В машине сочетаются три основных узла: двигатель, передаточный и исполнительный механизмы. Последние часто объединяются в одно целое, составляя рабочую машину (станок).

Двигатель - это устройство, обеспечивающее движение всех других механизмов машины. Иногда один и тот же двигатель обслуживает группу рабочих машин. Наиболее часто в качестве двигателя используются электромоторы трехфазного тока.

Исполнительный, или рабочий, механизм является основой рабочей машины. Он служит для непосредственного воздействия на предмет труда и производит в нем необходимые изменения, являющиеся целью обработки.

Передаточный механизм - это связующее звено между двигателем и исполнительным механизмом, которое осуществляет свою функцию путем передачи, регулирования, преобразования и распределения первоначального вращательного движения, создаваемого двигателем, и приведения этого движения в работу в соответствии с задачами исполнительного механизма. Передаточные механизмы различных машин имеют между собой много общего и являются сочетанием различных элементарных узлов, позволяющих изменять скорость движения, его направление или преобразовывать одну форму механического движения в другую.

 

Рис. 3.1. Зубчатая передача.

Рис. 3.2. Шестереночная передача.

 

Для приема и передачи вращательного движения с вала двигателя на вал рабочей машины служат шкивы и приводные ремни, образующие тягу или привод, а также зубчатые, червячные и другие передачи. Шкив - это колесо с гладкой поверхностью обода, надетое на главный вал машины и прочно с ним скрепленное. Шкивы двигателя и рабочей машины соединяются друг с другом с помощью ремня. Шкив двигателя, начинающий движение, называется ведущим, шкив рабочей машины, воспринимающий движение,- ведомым. Для сохранения одинаковой скорости вращения ведущего и ведомого валов используют шкивы равных диаметров. При наличии шкивов с разными диаметрами скорость движения изменяется обратно пропорционально их диаметру.

 

Рис. 3.3. Коническая передача.

Рис. 3.4. Червячная передача.

 

Зубчатая передана представляет собой пару цилиндрических зубчатых колес или шестеренок, с помощью которых осуществляется передача вращательного движения с одного вала на другой и изменяется его направление (рис. 3.1). При использовании шестереночной передачи, состоящей из 3 шестеренок, направление движения можно сохранить (рис. 3.2).

Для передачи вращательного движения ведущего вала на вал, расположенный перпендикулярно или под углом к нему, применяют коническую передачу (рис. 3.3). Для передачи вращения между перекрещивающимися валами применяют червячную передачу. В этом случае на ведущем валу монтируется червяк, а на ведомом - червячное колесо. Угол между осями червяка и червячного колеса обычно равен 90° (рис. 3.4).

К передаточным механизмам, преобразующим, вращательное движение тела в возвратно-поступательное, относятся шатунно-рычажные механизмы: шатунно-кривошипный, эксцентриковый, кулачковый.

Шатунно-кривошипный механизм (рис. 3.5) имеет поступательную пару (1), представляющую собой сочетание направляющего тела и ползуна призматической формы (2), кривошип (3), муфта которого соединяется с шарниром ползуна (4), и шатун - прямолинейный рычаг (5). При вращении ведущего вала кривошип (цилиндрическое тело, расположенное на торце шкива) описывает окружность вокруг его оси, а вслед за ним ползун совершает возвратно-поступательное движение. Амплитуда его равна диаметру окружности, которую описывает ось кривошипа.

Рис. 3.5. Шатунно-кривошипный механизм. Объяснение в тексте.

Рис. 3.6. Эксцентриковый механизм. Объяснение в тексте.

Эксцентриковый механизм (рис. 3.6) представляет собой эксцентрик (1), соединенный с помощью эксцентрической тяги (2) с шарниром ползуна. Эксцентрик - круглый диск, насаженный на вал неподвижно и эксцентрично, т. е. центр диска не совпадает с центром оси вала. Вращаясь вместе с валом, эксцентрик описывает окружность вокруг его оси. Радиус этой окружности (расстояние от оси вращения вала до геометрического центра эксцентрика) называется эксцентриситетом. При вращении эксцентрика ползун (3) совершает возвратно-поступательное движение, амплитуда которого равна удвоенному эксцентриситету эксцентрика.

 

Рис. 3.7. Сложный эксцентриковый механизм. Объяснение в тексте.

 

С целью возможного изменения эксцентриситета (а следовательно, и давления прессования) в таблеточных машинах ударного типа устанавливают сложный эксцентриковый механизм. Он состоит из основного эксцентрика (1), рабочего вала машины (2), на который насажен дополнительный эксцентрик (3).

Последний дает возможность изменять глубину опускания верхнего пуансона (рис. 3.7).

Кулачковые механизмы характеризуются наличием кулака (толкающего тела), который совершает вращательное движение и своей поверхностью толкает другое тело, скользящее по его поверхности. Примером может служить пазовый кулачковый механизм, обеспечивающий возвратно-поступательное движение нижнего пуансона в эксцентриковой таблеточной машине (рис. 3.8).

Пазовый кулачковый механизм представляет собой плоское колесо, расположенное на торцовой части вала. На поверхности колеса вырезан паз, очерчивающий поверхность кулака. В паз помещается каток, связанный посредством рычага с тягой нижнего пуансона.

 

Рис. 3.8. Пазовый кулачковый механизм.

 

Аппараты

Аппарат - механическое устройство, предназначенное для проведения различных технологических процессов. В отличие от машины аппарат не имеет двигателя и передаточных механизмов. Примерами аппаратов являются фильтры, экстракторы, отстойники и т. п.

 

Контрольные вопросы

1. Какие условия необходимы для осуществления производства лекарственных средств на укрупненных фармацевтических предприятиях?

2. Как организовать производство лекарственных препаратов на укрупненных фармацевтических предприятиях?

3. Что представляет собой технологический процесс? Какова его структура и виды?

4. Что является критерием правильности организации технологического процесса?

5. Какова цель составления материального баланса?

6. Что представляет собой машина, аппарат?

7. Каковы основные направления фармацевтического производства?

Глава 4 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

При тепловых процессах осуществляется передача тепла от одного вещества к другому. Вещества или среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми, а аппараты, в которых они протекают, теплообменными. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание жидкостей) и др. Тепловые процессы протекают при различных температурах, однако тепло может передаваться самостоятельно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Горячими теплоносителями могут быть вода, водяной пар, горячие газы и т. п. В качестве охлаждающих средств чаще всего используют воду и рассолы.

Правильное и экономичное протекание технологического процесса требует подвода теплоты (ее затраты) или, наоборот, необходимо отводить выделяющееся тепло. Количество передаваемого тепла зависит от размера теплопередающей поверхности и может распространяться различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением (лучеиспусканием).

 4.1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводностью называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении. При этом тепловая энергия передается.от одной частицы к другой вследствие их колебательного движения, без перемещения друг относительно друга.

Если тепло переносится путем теплопроводности через стенку, например, металлическую, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла Q прямо пропорционально площади поверхности F, разности температур по обе стороны стенки t₁ – t₂ времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

 

Q =	λ · F · (t1 – t2) · τ
	δ

 

где Q - количество передаваемого тепла, Дж; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности теплового потока, м²; τ - время теплопередачи, с; λ – Дж / (m · c · ºC); λ - коэффициент теплопроводности; t₁ - температура поверхности нагревающейся стенки,°С; t₂ - температура поверхности стенки, отдающей тепло,°С.

 

λ =	Qδ
	(t1 – t2) · F · τ

 

Коэффициент теплопроводности (или просто теплопроводность) представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур 1°С на единицу толщины стенки. Коэффициент теплопроводности зависит от свойств материала стенки н ее температуры. С повышением температуры теплопроводность большинства металлов и газов возрастает.

Числовые значения коэффициентов теплопроводности приводятся в специальных таблицах. Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов, используемых в теплообменных аппаратах: сталь нержавеющая- 17, алюминий - 200, медь - 350, серебро - 420.

 4.2. КОНВЕКЦИЯ

Процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости называется конвекцией. Конвективный теплообмен происходит одновременно с теплопроводностью.

При передаче тепла конвекцией у поверхности стенки, вдоль которой движется теплоноситель и через которую проходит тепло, образуется пограничный ламинарный слой. Теплопроводность жидкостей и газов невелика, поэтому переход тепла через пограничную пленку затруднен. Чтобы ускорить теплопередачу, стремятся уменьшать толщину пленки, т. е. применяют движущиеся теплоносители. Повышение турбулентности потока теплоносителя приводит к уменьшению толщины ламинарного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона. Количество тепла Q, переданное от тепло-обменной поверхности к окружающей среде (жидкость, газ) или от окружающей среды к теплообменной поверхности, прямо пропорционально поверхности теплообмена F, разности температур поверхности и окружающей среды (θ_част. = t_ж - t_ст) и времени τ, в течение которого осуществляется теплообмен:

 

Q = α · F · θ_част · τ

 

где F - площадь поверхности теплообмена, м²; θ_част - разность температур между основной массой теплоносителя и поверхностью стенки,°С; τ - время, с; α - коэффициент теплоотдачи, Дж / (m² · c ·°С).

 

α =	Q
	F · θчаст · τ

 

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от теплообменной поверхности с площадью 1 м² в окружающую среду или, наоборот, от окружающей среды к теплообменной поверхности с площадью 1 м² в единицу времени при разности их температур в 1 град.

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от характера движения теплоносителя (ламинарный, турбулентный), его скорости, физических свойств (вязкость, плотность, теплопроводность), размера и формы поверхности теплообмена.

ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ

Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля (по шкале Кельвина). В результате обмена тела с меньшей температурой приобретают дополнительное тепло за счет энергии тел с большей температурой, т. е. лучистая энергия переходит в тепловую. Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн (тепловому излучению соответствуют длины волн от 0,4 до 40 мкм). Тела, поглощающие всю падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно черными, полностью отражающие - абсолютно белыми, пропускающие всю падающую на них энергию - абсолютно прозрачными. Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в значительной мере зависит от состояния их поверхности. Шероховатые поверхности обладают высокой поглощательной, гладкие - отражательной способностью. Большинство газов (паров) обладают значительной способностью испускать и поглощать лучистую энергию не поверхностным слоем, а объемом, поэтому излучение их зависит от толщины газового слоя.

Согласно закону Стефана-Больцмана, количество тепла Q абсолютно черного тела, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности излучающего тела F и четвертой степени его абсолютной температуры Т:

Q = C · F · (	T	)4
	100

 

где С - коэффициент лучеиспускания, для абсолютно черного тела он равен 5,68 Дж/м² (с · К⁴).

 

 

Для других тел коэффициент лучеиспускания находят через коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела (C_s):

 C = ε · C_s

 

где величина ε, называемая степенью черноты тела, представляет собой отношение коэффициента лучеиспускания данного тела к коэффициенту абсолютно черного.

Лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощающая способность. Этим объясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, а для абсолютно белого и абсолютно прозрачного тел лучеиспускательная способность равна нулю.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

В тепловых процессах распространение тепла в большинстве случаев осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением или хотя бы двумя из них. Такой процесс называют сложным теплообменом.

 Если температура теплоотдающей стенки t_w и температура тепловоспринимающей жидкости и ее пограничного слоя у стенки t_f, то количество тепла, отдаваемое стенкой в единицу времени, за счет конвективного обмена составит

 

Q_k = α · (t_w – t_i) · F

 

а за счет теплового излучения

 

Q_u = C_1-2 [(T_w /100)⁴ – (T_s / 100)⁴] · F

 

Введя обозначение коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием α_u :

 

αu =	C1-2 [(Tw /100)4 – (Ts / 100)4]
	tw – ti

 

выразим Q_u равенством:

Q_u = α · (t_w – t_f) · F

 

Общее количество тепла, отданное стенкой в единицу времени, составит

 

Q = Q_k + Q_u = (α + α_u) · (t_w – t_f) · F

или

 Q = α · (t_w – t_f) · F

 

где α - коэффициент теплоотдачи, учитывающий распространение тепла конвективным теплообменом и тепловым излучением.

 4.5. НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ

Нагревание широко применяется для ускорения многих массообменных процессов (растворение, сушка, выпаривание). В зависимости от температурных условий проведения процесса и экономических соображений используют различные источники тепла: дымовые (топочные) газы, электрический ток (прямые источники тепла), горячую воду, водяной пар, минеральные масла и другие промежуточные источники тепла.

Водяной пар как теплоноситель. Для промышленных целей водяной пар получают в паровых котлах, где происходит нагрев и испарение воды под давлением.

При подведении к воде тепла температура ее возрастает до температуры кипения, зависящей от давления, при котором идет подогрев. Если обозначить через t₀ начальную температуру воды, t - температуру кипения при данном давлении, то теплосодержание воды i (ккал[1] /кг) составит:

 

i = c · (t – t₀)

 

При t₀ = 0° получим теплосодержание (ккал/кг)

 

i = ct.

 

При дальнейшем подводе тепла происходит испарение кипящей воды, во все время парообразования температура воды и получающегося пара равна температуре кипения. В результате процесса получается насыщенный водяной пар, который может быть влажным и сухим. Известно, что на испарение 1 кг уже закипевшей воды расходуется определенное количество тепла, называемого скрытой теплотой испарения или теплотой парообразования - r (ккал/кг).

Полное теплосодержание 1 кг сухого насыщенного водяного пара определяется i = i + r или i = ct + r, которое при с = 1 кДж/кг ·°С приводится к виду i = 606,5 + 0,305 · t ккал/кг.

Таким образом, теплосодержание или энтальпия пара определяется количеством тепла в джоулях, которое содержится в 1 кг пара (Дж/кг) и зависит от давления, возрастая с его увеличением.

В процессе парообразования в котле пар увлекает с собой некоторое количество капельно-жидкой фазы. Кроме того, сухой насыщенный пар увлажняется за счет частичной конденсации вследствие отдачи тепла стенкам трубопровода. Влажный насыщенный пар обладает меньшим теплосодержанием. Если в 1 кг влажного пара - х кг сухого (х < 1), то (1 - х) кг - количество влаги (степень влажности пара).

На парообразование надо затратить: для получения х кг сухого пара из 1 кг воды х · i = x · (i + r) ккал; для нагрева (1 - х) кг воды от 0° до / t°С (1 - х) · i ккал. Полное теплосодержание влажного пара равно:

 

i_вл = x · i + (1 - x) · i = i + r · х

 

Если сухой насыщенный пар подвергается дальнейшему нагреванию без изменения давления, то он становится перегретым (температура выше точки кипения, соответствующей давлению пара). Во время подогрева давление пара остается постоянным, температура и его объем возрастают.

Если обозначить температуру перегретого пара через t_п, то разность между ней и температурой насыщенного пара t при соответствующем давлении t_п - t называется температурой перегрева. Теплосодержание перегретого пара (i_пep) будет определяться теплосодержанием сухого насыщенного пара и добавочным количеством тепла, пошедшим на перегрев:

i_пep = 606,5 + 0,305 · t + 0,48 (t_п - t),

 

где 0,48 кДж/кг ·°С - теплоемкость пара при средних величинах давления.

Перегретый пар, имея температуру выше температуры парообразования, при охлаждении конденсируется после того, как будет израсходован перегрев. Поэтому он легко транспортируется по паропроводу, понижая только свою температуру. Насыщенный водяной пар, соприкасаясь со стенкой трубопровода, немедленно конденсируется, отдавая скрытую теплоту.

Нагревание с помощью водяного пара является самым распространенным в фармацевтическом производстве. Достоинства этого метода: равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; высокий коэффициент теплопередачи от конденсирующего пара; большое количество тепла, выделяющегося при конденсации единицы массы водяного пара и др.

Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром насыщенный пар вводится в обогреваемую жидкость по трубе или трубкам с мелкими отверстиями. Вначале поступающий греющий пар отдает нагреваемой жидкости всю теплоту и полностью конденсируется, затем обогреваемая жидкость закипает. Дальнейшее поступление насыщенного водяного пара бесполезно, так как каждый его килограмм, конденсируясь, испаряет 1 кг воды, т. е. в конечном результате общее количество жидкости не уменьшается. Поэтому острый насыщенный пар применяется не для испарения, а для обогрева воды или водных растворов и в случаях, когда разбавление жидкостей водой не имеет существенного значения.

Для нагревания и одновременного перемешивания жидкости пар вводят через барботер - трубу с отверстиями, расположенную на дне резервуара в виде спирали или кольца. С целью испарения острый пар применяют для жидкостей со сравнительно малой скрытой теплотой испарения (например, этанол). В этом случае теплота конденсации 1 кг пара испаряет несколько килограммов жидкости. Острым паром отгоняют высококипящие жидкости, не смешивающиеся с водой, что понижает температуру перегонки (ароматные воды). Расход острого пара при периодическом нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:

gct₁ + Di = dct₂ + Dc_Bt₂ + Q_п τ;

 

D =	gc(t2 – t1) + Qп · τ
	i- cBt2

 

где g - количество нагреваемой жидкости, кг; D - расход греющего пара, кг; с - теплоемкость нагреваемой жидкости, кДж/(кг·°С); с_B - теплоемкость конденсата, кДж/ (кг·°С); t - энтальпия греющего пара, кДж/кг; t₁, t₂- температура жидкости соответственно до и после нагревания,°С; Q_п - потери тепла аппаратом в окружающую среду, кДж/с; τ - продолжительность нагрева, с.

Нагревание «глухим» паром. «Глухой» греющий пар применяют в тех случаях, когда контакт между нагреваемой жидкостью и конденсатом пара недопустим (разбавление, взаимодействие и др.) Нагрев жидкости осуществляют через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, змеевиками и т. п. Греющий пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата с температурой, практически равной температуре насыщенного греющего пара.

Расход «глухого» пара при непрерывном нагревании жидкости определяют из уравнения теплового баланса:

gct + D · i = gct₂ + Dc_Bt_B + Q_П · τ

D =	gc(t2 – t1) + Qп · τ
	I - cBtB

где D - расход греющего пара, кг; g - поток нагреваемой жидкости, кг/с; c_Bt_B - теплосодержание конденсата, имеющего температуру t_B и отводимого из парового пространства нагревателя; остальные обозначения (см. выше).

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых один теплоноситель отдает свое тепло другому при непосредственном соприкосновении (смесительные) или через поверхность разделяющей их стенки (поверхностные). В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы), паром и газом (паровые подогреватели для воздуха), жидкостями (жидкостные холодильники) и др. Коэффициенты теплопередачи в теплообменной аппаратуре зависят от поверхности нагрева (охлаждения) и конструкции теплообменников.

Различают теплообменники с поверхностью, образованной стенками аппарата, т. е. паровые рубашки, трубчатые (кожухотрубные, «труба в трубе», змеевиковые погружные), с ребристой поверхностью теплообмена (калорифер) и др.

Паровые рубашки. Эти теплообменники используют для обогрева котлов, выпарных чаш, реакторов, шаровых вакуум-выпарных аппаратов. Греющий пар поступает в замкнутое пространство, т. е. отделен от обогреваемой жидкости (мазевая основа, сироп, водная вытяжка). Высота паровой рубашки должна быть не меньше высоты уровня обогреваемой жидкости. Теплопередача осуществляется через стенку с небольшой поверхностью.

Рис. 4.1. Открытая чаша с паровой рубашкой.

 

Типовым аппаратом с паровой рубашкой может служить открытая чаша, работающая под атмосферным давлением (рис. 4.1). На паровой рубашке устанавливают манометр и предохранительный клапан. Допустимое избыточное давление не более 5 атмосфер (4,90 · 10⁴ · Н · м²).

 

Рис. 4.2. Кожухотрубный теплообменник. Объяснение в тексте.

 

Трубчатые теплообменники. Кожухотрубный теплообменник является одним из наиболее распространенных (рис. 4.2). Представляет собой цилиндр, т. е. кожух (1), внутри которого расположен пучок труб (2). Концы труб закреплены в трубных решетках (3) путем развальцовки или сварки. Между трубными решетками образуется -камера (межтрубное пространство), в которую поступает греющий пар через штуцер (4) и выходит через штуцер (5). Нагреваемая жидкость поступает через штуцер (6) противотоком, проходит внутрь трубок (2), нагревается и выходит через патрубок (7). Кожухотрубные теплообменники могут быть с неподвижными трубными решетками или с одной подвижной, а также одноходовыми и многоходовыми для повышения скорости движения теплоносителя в межтрубном пространстве и улучшения условий теплопередачи. Недостатком таких теплообменников является трудность очистки межтрубного пространства и малодоступность для осмотра и ремонта.

Рис. 4.3. Теплообменник «труба в трубе».

Объяснение в тексте.

 

Теплообменник «труба в трубе» (рис. 4.3) включает несколько расположенных друг над другом элементов. Каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы (1) большого диаметра (кожух) и концентрически расположенной внутри нее трубы меньшего диаметра (2). Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно съемными коленами (3), наружные - патрубками (4). Холодная вода для нагрева поступает в трубу малого диаметра, греющий пар противотоком в трубу большого диаметра. Теплообменник обладает высоким коэффициентом теплопередачи. Недостаток - громоздкость и трудность очистки.

Секционный теплообменник «труба в трубе» может работать и как холодильник, в качестве хладоагентов используют соленые растворы.

 

 

 

Рис. 4.4. Змеевиковый погружной теплообменник.

Объяснение в тексте.

 

Змеевиковый погружной теплообменник (рис. 4.4) имеет вид цилиндрического сосуда (1), в который погружена трубка (2), изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику (соковый пар), другой омывает его снаружи, входя в случае противотока в нижний штуцер (3) и выходя через верхний (4). Для прямотока должно быть обратное направление одного из теплоносителей. При больших размерах цилиндра (1) теплоноситель, омывающий змеевик, имеет незначительную скорость движения, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи. Змеевиковые теплообменники просты в обслуживании, поэтому имеют большое распространение. Недостатки - громоздкость и трудности внутренней очистки змеевика.

 

Рис. 4.5. Пластинчатый теплообменник (калорифер).

Объяснение в тексте.

 

Теплообменники с ребристыми поверхностями. Их применяют главным образом для теплообмена между газом и жидкостью или паром, а также между двумя газами. Поверхности теплообмена в них сделаны из труб с различными ребрами (поперечными или продольными) для увеличения теплоотдачи. Во всех случаях поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Схема теплообменника с поперечными ребрами (пластинчатый калорифер) для подогрева воздуха приведена на рис. 4.5. Воздух движется с наружной стороны пучка ребристых труб (1), закрепленных в коробках (2). Горячий теплоноситель (пар, горячая вода) пропускается по трубам.

При выборе теплообменных аппаратов следует учитывать, что теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи, высокой температурой и давлением целесообразно пропускать по трубам, чтобы уменьшить потери тепла и давление на корпус аппарата. В холодильниках горячий теплоноситель необходимо пропускать с наружной стороны труб.

ПАРОЗАПОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Все аппараты, работающие с помощью насыщенного водяного пара, снабжаются специальными паро-запорными устройствами, с помощью которых пар не может пройти обогреваемый аппарат без полной конденсации. Для быстрого и автоматического удаления конденсата из парового пространства аппарата и потерь греющего пара применяют конденсатоотводчики (водоотводчики), отличающиеся принципом действия запорного элемента: поплавковые, термостатические, термодинамические. Открытие или закрытие клапана в них зависит от перепада давления между входом в конденсатоотводчик и камерой давления.

 

Рис. 4.6. Поплавковый конденсатоотводчик (конденсационный горшок).

Объяснение в тексте.

 

Схема поплавкового конденсатоотводчика - конденсационного горшка изображена на рис. 4.6. Прибор состоит из чугунного корпуса (1), в который по штуцеру (2) поступает смесь пара и конденсата из обогреваемого аппарата. Внутри горшка находится поплавок (3), который плавает в жидкости и с помощью стержня (4) закрывает своим коническим концом (клапаном) (5) выход в крышке горшка. По мере накопления конденсата в кольцевом пространстве под поплавком, конденсат переливается в стакан, заполняет его, вследствие чего стакан тонет. При опускании стакана конический клапан открывает отверстие в крышке и конденсат под давлением пара вытесняется по трубке вокруг стержня (6) в выходной канал (7). Облегченный стакан всплывает и стержень (4) вновь закрывает выход из горшка до нового накопления воды в поплавке.

 4.8. ОХЛАЖДЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ

В фармацевтическом производстве очень часто возникает необходимость в охлаждении паров, жидкостей, газов. С этой целью используют наиболее распространенные и доступные теплоносители - воду и воздух.

Воздух применяется для естественного и искусственного охлаждения, последнее - с помощью вентилятора. При естественном охлаждении потери тепла происходят через стенку аппарата в окружающую среду. В зависимости от климатических условий и времени года возможно охлаждение теплоносителя воздухом до температуры 20-25°С.

Вода - наиболее распространенный охлаждающий агент. Ее достоинства: доступность, высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи. Достигаемая степень охлаждения зависит от начальной температуры воды, которая обычно составляет 8-12°С. Низкотемпературные агенты (смесь льда с различными солями, холодильные рассолы) используют для охлаждения до температуры ниже 5-10°С, обычно не получаемой при применении воды.

Конденсация (сжижение) паров различных веществ путем отвода от них тепла проводится в аппаратах, называемых конденсаторами, в которых пар охлаждается холодным теплоносителем и переводится в жидкое состояние. Конденсация применяется с целью ускорения процесса выпаривания растворов, а также для улавливания ценных экстрагентов и растворителей.

Различают два вида конденсации: поверхностную, при которой конденсирующие пары и охлаждающий агент разделены стенкой, а конденсация паров происходит на ее внутренней или внешней поверхности, и конденсацию смешением, при которой конденсирующие пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.

Поверхностная конденсация осуществляется в поверхностных конденсаторах, которые в конструктивном отношении ничем не отличаются от трубчатых или змеевиковых теплообменников. Они служат для улавливания паров ценного экстрагента или растворителя, в них всегда используют принцип противотока. Вначале пар конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования. В период конденсации температура пара неизменна, равна точке кипения, при которой он входит в конденсатор. После того как весь пар перейдет в конденсат, он охлаждается до заданной температуры. Вследствие конденсации пара в межтрубном пространстве конденсатора создается значительное разрежение (вакуум).

 

Рис. 4.7. Прямоточный конденсатор смешения.

Объяснение в тексте.

 

Конденсация смешением осуществляется в конденсаторах смешения путем введения холодной воды в струю движущегося пара. В прямоточных конденсаторах вода и пар движутся в одном направлении, в противоточных - навстречу друг другу. Эффективность работы конденсаторов смешения находится в прямой зависимости от поверхности соприкосновения теплоносителей, поэтому холодную воду разбрызгивают при помощи различных устройств. Наибольшая поверхность контакта пара и воды достигается пропусканием воды через ситчатые тарелки, трубы с отверстиями и переливом струй воды через края каскадно расположенных перфорированных полок, тарелок. Конденсаторы смешения используют при упаривании водных вытяжек. На рис. 4,7 изображен прямоточный конденсатор смешения. Соковый пар вводится в верхнюю часть конденсатора через штуцер (1), охлаждающая вода через штуцер (2). Вода перетекает с полки на полку в виде тонких струй через отверстия и борта. Нагретая вода вместе с конденсатом и воздухом удаляется мокровоздушным насосом через патрубок (3).

 

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловой процесс? Какими способами распространяется тепло?

2. Почему в качестве источника тепла широко 'используется водяной пар?

3. В каких случаях используется «глухой» н «острый» пар?

4. Какие типы теплообменников используют для конденсации паров?

5. Какие типы теплообменников используют для нагрева и упаривания жидкостей?

6. Что такое парозапорное устройство и с какой целью его используют?

Глава 5 ВЫПАРИВАНИЕ

Выпаривание относится к числу распространенных технологических процессов в фармацевтическом производстве для сгущения водных и спиртовых вытяжек при получении густых и сухих экстрактов, индивидуальных и суммарных экстракционных препаратов из растительного, животного и микробиологического сырья.

При выпаривании происходит уменьшение количества жидкого летучего растворителя и повышение концентрации твердых нелетучих веществ. В большинстве случаев этот процесс проводят при интенсивном подводе тепла, чтобы обеспечить кипение жидкости и быстрое образование паров летучего растворителя. Пар, образующийся над кипящей жидкостью, называется вторичным (вода, этанол и др.).

В зависимости от свойств выпариваемых жидкостей (мало концентрированные подвижные или вязкие, наличие термолабильных биологически активных веществ и пр.) и от параметров греющего пара выпаривание осуществляют при нормальном давлении или под вакуумом в рабочей камере аппарата.

Выпаривание растворов при атмосферном давлении в открытых выпарных чашах применяется редко, так как удаляющийся вторичный пар загрязняет производственное помещение, а концентрируемый водный раствор в силу высокой температуры кипения и продолжительности процесса подвергается риску перегрева, и потери термолабильных действующих веществ (витамины, алкалоиды, гликозиды и др.).

Рис. 5.1. Вакуум-выпарная установка периодического действия с поверхностным (трубчатым) конденсатором (схема).

Объяснение в тексте.

 

С целью сохранения действующих веществ выпаривание с кипением жидкости осуществляют в установках, в которых образующийся вторичный пар над жидкостью постоянна удаляется из рабочей части аппарата (кипятильника), что создает разрежение (вакуум) и низкую температуру кипения (40-55°С).

Проведение процесса выпаривания под вакуумом имеет существенные преимущества: снижается температура кипения раствора, улавливается ценный вторичный пар, для нагрева выпарного аппарата можно использовать пар низкого давления. Вследствие понижения точки кипения жидкости увеличивается средняя разность температур между греющим паром и обогреваемой жидкостью, что ведет к уменьшению необходимых размеров выпарного аппарата.