Вопросы и ответы фармтехнология. Непрерывный и периодический технологический процесс
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
принцип работы смесительных и поверхностных теплообменников. Принцип работы поплавкового конденсатоотводчика. 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. 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.Трубчатые теплообменники. Кожухотрубный теплообменник 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 (б) противотоком, проходит внутрь трубок (2), нагревается и выходит через патрубок (7). Теплообменник «труба в трубе» 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 кленами (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. Змеевиковый погружной теплообменник имеет вид цилиндрического сосуда (1), в который погружена трубка (2), изогнутая в виде змеевика. Один из теплоносителей направляется по змеевику (соковыи 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. 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. Воздух движется с наружной стороны пучка ребристых труб (1), закрепленных в коробках (2). Горячий теплоноситель (пар, горячая вода) пропускается по трубам. Все аппараты, работающие с помощью насыщенного водяного пара, снабжаются специальными парозапорнымн 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 запорною элемента: поплавковые, термостатические,термодинамические. Открытие или закрытие клапана в них зависит от перепада давления между входом в конденсатоотводчик и камерон давления. Поплавковый конденсатоотводчик 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 но трубке вокруг стержня (6) в выходной канал(7). Облегченный стакан всплывает и стержень (4)вновь закрывает выход из горшка до нового накоплении воды в поплавке. 93. Определение процесса охлаждения и конденсации. Конструктивные особенности и принцип работы конденсатора смешения. Охлаждение-это процесс понижения температуры объекта. Конденсация -переход вещества в жидкое или твердое состояние из газообразного.Конденсация паров различных веществ путем отвода от них тепла проводится в аппаратах,называемых конденсаторами,в которых пар охлаждается холодным теплоносителем и переводится в жидкое состояние. Различают 2 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. Конденсация смешением осуществляется в конденсаторах смешения путем введения холодной воды в струю движущегося пара. В прямоточных конденсаторах вода и пар движутся в одном напрвлении, 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). 94. Процесс выпаривания, его виды. Принцип работы вакуум-выпарных установок с поверхностным конденсатором и конденсатором смешения. 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 зависимости от свойств выпариваемых жидкости 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.). С целью сохранения действующих веществ выпаривание с кипением жидкости осуществляют в установках, в которых образующийся вторичный пар над жидкостью постоянно 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. Аппараты: Типовая вакуум-выпарная установка периодического действия представлена на рис. 5.1. Установка состоит из шарового вакуум-выпарного аппарата (1) с паровой рубашкой. Выпариваемый раствор воспринимает тепло греющего пара, кипит, вторичный пар и инерт- ные газы (обычно воздух) освобождаются от брызг жидкости в верхней части аппарата отбойниками и по хоботу поступают в поверхностный противоточный конденсатор (2) (трубчатый или змеевиковый). Вторичный пар (ценный экстрагент, например этанол) конденсируется и охлаждается, а неконденсирующиеся газы отсасываются насосом (5). Конденсат собирается в сборник (3), обычно их два для периодической разгрузки. Между сборниками и вакуумным насосом устанавливается ресивер (4) — промежуточная емкость для предохранения вакуумного насоса от попадания в него жидкости из сборника, а также для смягчения толчков и изменения вакуума при каждом ходе поршня насоса. В шаровых вакуум-выпарных аппаратах свободная циркуляция упариваемой жидкости небольшая, возможен перегрев. Аппараты громоздки и малопроизводительны. Установки для выпаривания водных вытяжек обычно имеют конденсаторы смешения (прямоточные и противоточные) и поэтому не нуждаются в сборнике конденсата. На рис. 5.2 приведена схема установки с противоточным конденсатором смешения. Из аппарата (1) вторичный пар по трубопроводу поступает в нижнюю, часть конденсатора (2). Сверху в конденсатор вводится холодная вода, которая падает вниз струями, перемешивается с паром и конденсирует его. К верхней части конденсатора присоединяют воздушный насос (2) . Смесь охлаждающей воды и конденсата удаляют снизу при помощи водяного насоса (4). Отвод воды и конденсата часто производят при помощи барометрической трубы. Вакуум-выпарная установка с прямоточным конденсатором смешения (рис. 5.3) состоит из вакуум-аппарата (1), соединенного с конденсатором смешения (2). Пары и охлаждающая вода вводятся прямотоком в верхнюю часть конденсатора. Воздух из воды и другие газы вместе с конденсатом и водой отсасываются мокровоздушным насосом (3). 95. Типы вакуум-выпарных аппаратов шаровые, трубчатые, роторно- пленочные. Конструктивные особенности и принцип работы шаровых, трубчатых, роторно-пленочных аппаратов, их достоинства и недостатки. Побочные явления при выпаривании и способы их устранения. .Трубчатые выпарные аппараты Отличаются большим конструктивным разнообразием, но преимущественное распространение имеют аппараты, греющая камера или кипятильник которых сделаны в виде трубчатого теплообменника. В этих аппаратах выпариваемая жидкость находится с одной стороны стенок труб, а теплоноситель (водяной пар) — с другой. Образующаяся при выпаривании жидкостей парожидкостная эмульсия разделяется при непрерывном выводе вторичного пара из аппарата. Отделение капельножидкой фазы от пара осуществляется в паровом пространстве (сепараторе). Трубчатые вакуум-вы- парные аппараты могут быть с естественной или принудительной циркуляцией раствора, а также пленочные. В фармацевтическом производстве находит применение вакуум- выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой и естественной циркуляцией раствора при выпаривании (рис. 5.4). В нижней части аппарата размещена греющая камера, пред- ставленная вертикальными кипятильными трубками (2) с диаметром 50—75 мм. В центре камеры расположена циркуляционная труба (3) большого диаметра (500 мм). Греющий пар поступает в пространство между трубками и нагревает упариваемую жидкость, находящуюся внутри них, которая подается по штуцеру (4). В результате кипения жидкости в кипятильных трубках образуется парожидкостная эмульсия, плотность которой меньше плотности нагреваемой жидкости. В циркуляционной трубе тоже проходит выпаривание жидкости, но плотность парожидкостной эмульсии больше плотности эмульсии в кипятильных трубках, вследствие чего в аппарате происходит упорядоченное движение кипящей жидкости (в циркуляционной трубе — сверху вниз, в узких трубк а х — снизу вверх), т. е. естественная циркуляция. Отделение капель жидкости от вторичного пара происходит в сепараторе (1) при движении его через систему отбойников (5), вторичный пар при этом по- падает в конденсатор. Упаренный раствор сливается в сборник через штуцер (6). Широко используется выпарной аппарат с вынос ным вертикальным кипятильником, в которых удается осуществлять более интенсивную естественную циркуляцию выпариваемого раствора, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой (рис. 5.5). Выпаривание жидкости происходит в кожухотрубчатом теплообменнике (1), представляющем собой пучок тонких труб длиной до 7 м. Образующаяся в них парожидкостная эмульсия выбрасывается в сепаратор (2), вторичный пар отделяется от капель жидкости и поступает в конденсатор, а жидкость возвращается по циркуляционной трубе (3) в кипятильник. Аппараты с выносным кипятильником отличаются высокой производительностью, удобны в эксплуатации и ремонте. Значительно интенсифицировать процесс выпаривания удается в вакуум-выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией упариваемой жидкости, которую подают циркуляционным насосом. Из кипятильных труб упариваемый раствор выбрасывается в сепаратор, отделяет часть вторичного пара, а частично упаренный раствор возвращается по циркуляционной трубе во всасывающую линию циркуляционного насоса и смешивается с новой порцией жидкости для упаривания. Скорость прохождения жидкости в трубах равна 1,5—3,5 м/с, что способствует увеличе- нию коэффициента теплоотдачи в 3—4 раза по сравнению с естественной циркуляцией, однако аппараты более сложны в обслуживании. Перспективными выпарными аппаратами для концентрирования термолабильных растворов являются пленочные. Пленочный выпарной аппарат с естественной циркуляцией выпариваемой жидкости отличается более высокими значениями коэффициентов теплоотдачи (рис. 5.6). Греющая камера аппарата состоит из пучка длинных (6—9 м) и тонких кипятильных труб (1), обогреваемых снаружи паром. Выпариваемая жидкость подается в трубки снизу через штуцер (5) и заполняет их на 1 / 5 длины. При кипении выпариваемой жидкости все сечение трубки заполняется паром, который движется снизу вверх с большой скоростью. Жидкость у стенки трубки находится в виде тонкой пленки, которая увлекается паром и растягивается вверх. Выпаривание происходит в пленке при однократном прохождении упариваемого раствора по 66 кипятильным трубкам. Смесь вторичного пара и капель сгущенного раствора попадает в сепаратор (2) с отбойниками в виде спиралевидных лопаток (3). Под действием центробежной силы капельки упаренной жидкости отделяются от вторичного пара и со- бираются в нижней части сепарационной камеры (4). Аппарат целесообразно использовать для упаривания пенящихся вытяжек, богатых сапонинами, и вытяжек, содержащих термолабильные вещества. Однако регулировка процесса выпаривания в пленочных аппаратах затруднительна, зависит от колебаний давления греющего пара и начальной концентрации выпариваемого раствора. Рис. 5.6. Устройство пленочного выпарного аппарата. Объяснение в тексте. Роторно-пленочные выпарные аппараты. В настоящее время все более широко применяются пленочные центробежные (роторные) вакуум-выпар- ные аппараты непрерывного действия, характеризующиеся высокой интенсивностью теплообмена и быст- рым концентрированием упариваемых растворов вплоть до образования сухих продуктов. Центробежный роторно-пленочный аппарат «Цент- ритерм» фирмы «Альфа Лаваль» (Швеция) применяется для быстрого, непрерывного и низкотемпературного концентрирования жидкостей, содержащих термолабильные компоненты, при глубоком разрежении. Принцип действия основан на закономерностях косвенного теплового обмена с тонким слоем текущей жидкости и центробежной сепарации. Основной частью аппарата «Центритерм» (рис. 5.7) является теплообменник (1), представляющий собой блок ко- нических полых тарелок (2), вращающихся на общем пустотелом валу (6). Частота вращения ротора 500— 600 об/мин. Выпариваемый раствор по распределительной трубе (4) через сопла подается на внутреннюю поверхность вращающихся тарелок, образуя под действием центробежной силы тонкие слои жидкости не более 0,1 мм. Греющий пар по валу (6) поступает в паровую рубашку, окружающую блок конических тарелок, оттуда — на наружную поверхность тарелок, отдавая тепло кипящему раствору, находящемуся внутри их. Образующийся в результате теплообмена конденсат отбрасывается под действием центробежной силы на периферию тарелок и удаляется через систему каналов из аппарата по трубе (7). Упаренный раствор собирается у большого основания конических тарелок и выводится через верх аппарата по напорной трубе (3). Вторичный пар по патрубку (5) отводится в конденсатор. Производительность установки от 800 до 2500 кг/ч выпаренной воды при температуре 35—50 °С. Центробежный роторно-пленочный вакуум-выпар- ной аппарат с гофрированным ротором.В вертикальном цилиндрическом корпусе (1), разделенном по высоте на ряд секций, с паровыми рубашками установлен вал (3) с полыми барабанами (4). Поверхность барабанов гофрированная. На выступах гофр спиралеобразно расположены от- верстия для выброса упариваемой жидкости на поверхность нагрева, а на впадинах гофр — отверстия для прохода вторичного пара. Между барабанами имеется кольцевой сборник (5) с желобами. Упариваемая жидкость поступает по патрубку (8) в полость распределительного кольца (6), откуда под действием центробежной силы отбрасывается на внутреннюю поверхность гофр барабана и распределяется в виде струй (потоков). Дойдя до отверстий в гофрах, выбрасывается через них на поверхность нагрева (2) и образует нисходящую пленку, непрерывно турбули- зируемую струями жидкости. Благодаря винтообразному распределению отверстий на гофрах, происходит равномерное орошение поверхности корпуса по высоте, соответствующей высоте барабана. Часть жидкости испаряется на поверхности нагрева первой секции, а неиспарившаяся часть со стенок корпуса попадает в кольцевой сборник, откуда по желобам поступает на распределительное кольцо (6а) нижележащей секции, где процесс повторяется. Упаренная жидкость (оптимальная степень концентрирования 5:1) удаляется из аппарата через штуцер (7). Вторичный пар поднима- ется вверх между корпусом и барабанами, а также через отверстия в барабанах и после прохождения сепаратора в сепарационной камере (9) отводится в конденсатор. Время контакта выпариваемой жидкости с поверхностью нагрева (она может быть от 0,8 до 40 м 2 ) составляет несколько секунд, при этом поверхность непрерывно очищается струей жидкости, выбрасываемой из ротора. Непосредственный контакт элементов ротора с поверхностью нагрева отсутствует (зазор между ними сравнительно большой), в результате чего исключается загрязнение упаренного продукта механическими частицами. Для упаривания вязких и пастообразных масс широко используют прямоточные роторные аппараты, на валу которых шарнирно закреплены скребки, очищающие тонкий слой высохшего порошка или пасты с постепенным охлаждением продукта. Побочные явления при выпаривании. Процесс выпаривания сопровождается повышением концентрации растворов иногда до состояния пересыщения и выпадения кристаллов, повышением точки кипения раствора в связи с его концентрированием, пенообразованием и брызгоуносом. |