технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
. (Количество оборотов барабана фильтра 1 ? = T n об/мин. (9.46) 9.3.3. Центрифугирование. Общие сведения. Основные положения Центрифугированием называют разделение жидких неоднородных систем в поле центробежных сил на фракции. Процессы центрифугирования проводятся в машинах, называемых центрифугами В фармацевтическом производстве применяются центрифуги разнообразных конструкций и различного технологического назначения. Центрифуга представляет собой в простейшем виде вертикальный цилиндрический барабан – ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. В отстойных центрифугах со сплошными стенками осуществляют разделение эмульсий и суспензий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. В фильтрующих центрифугах с перфорированными стенками процесс разделения суспензий производится по принципу фильтрования, причем вместо разности давлений используется действие центробежной силы. В отстойных центрифугах разделяемые суспензия или эмульсия отбрасываются центробежной силой к стенкам ротора, причем жидкая или твердая фаза с большей плотностью располагаются ближе к стенкам ротора, а другая фаза с меньшей плотностью ближе к его оси осадок (или фаза с большей плотностью) образует слой у стенки ротора, а фугат переливается через верхний край ротора. В фильтрующей центрифуге разделяемая суспензия также отбрасывается к стенкам ротора и фазы разделяются при этом жидкая фаза проходит сквозь фильтровальную перегородку в кожухи отводится из него, а твердая – в виде осадка задерживается на внутренней стороне этой перегородки, а затем выгружается из ротора. Таким образом, общие закономерности центрифугирования имеют сходство с закономерностями отстаивания и фильтрования. Однако указанные процессы в центрифугах сложнее, так как к остальным факторам добавляется действие центробежной силы, достигающей значительной величины 1 9 Установлены основные закономерности, характеризующие процессы центробежного отстаивания и центробежного фильтрования, позволяющие наметить оптимальные условия работы центрифуг. Характеристика вращения Важнейшей технологической характеристикой роторов центрифуг является скорость их вращения. При этом различают окружную и угловую скорости. Окружная скорость характеризует скорость движения какой- либо точки, расположенной на данной окружности, а не всего вращающегося тела. Окружную скорость равномерно вращающейся точки определяют по уравнению 60 2 Dn Rn w ? = ? = мс, (где w – окружная скорость вращениям с – радиус вращения точки, м – число оборотов в минуту – диаметр окружности вращения точки, м. Угловая скорость вращения вычисляется отношением центрального угла поворота равномерно вращающегося тела ко времени, в период которого был совершен поворот где ? – угловая скорость вращения ротора, с – центральный угол поворота вращающегося тела – время поворота, с. Отсюда угловая скорость, при которой угол поворота всех точек одинаков, характеризует вращающееся тело в целом. Центральный угол поворота обозначают в радианах. Радиан центральный угол окружности, длина дуги которого равна радиусу. Если длина окружности l = 2 ?R, то она содержит 28 , 6 2 2 ? ? = ? R R рад. Угловую скорость определяют по формуле 60 2 n n ? = ? = ? , (где n – число оборотов тела в минуту. Окружная скорость вращения связана с угловой скоростью равенством. (Особенности центробежного поля Центробежное поле, как и любое силовое поле, имеет определенную направленность силовых линий и перпендикулярных к ним эквипотенциальных поверхностей (последние характеризуются одинаковым потенциалом в любой их точке 1 9 Силовые линии центробежного поля в сечении (рис. имеют радиальное направление и расположены по нормалям к эквипотенциальным поверхностям, имеющим форму концентрических цилиндров. В поле тяжести силовые линии параллельны (строго говоря, силовые линии в поле тяжести направлены по радиусу к центру Земли, но непараллельность их настолько незначительна, что в практике ею пренебрегают). при любом значении скорости вращения никогда не может иметь цилиндрическую форму, а лишь приближается к ней. Величина центробежной силы Для тела с массой m, равномерно вращающегося вокруг осина расстоянии R, центробежная сила может быть рассчитана с учетом равенства (9.49) по формуле 2 ? = R m R mw C Н, (где С – центробежная сила, Н – масса тела, кг – окружная скорость, мс – радиус вращениям угловая скорость, с –1 Подставив значения g G m = где G – вес тела, Н – ускорение силы тяжести, мс, получим gR Gw C 2 = Н. (Таким образом, указанное направление силовых линий и эквипотенциальных поверхностей поля центробежных сил определяют разницу между центробежными силовыми полями и гравитационным полем. Поэтому если рассматривать форму жидкости, вращающейся в роторе, то ее уровни должны располагаться по эквипотенциальным поверхностям. Наличие гравитационного поля обуславливает параболическую форму свободной поверхности вращающейся жидкости, которая Рис. 9.20. Сечение центробежного силового поля 1 9 Для расчетов на практике пользуются более простым выражением центробежной силы. Подставив взамен w его значение 2 Rn w ? = м/с, получим 2 60 2 ? ? ? ? ? ? ? = Rn gR G C , а после упрощения 2 GRn C = . (Центробежная сила прямо пропорциональна массе загрузки, радиусу вращения, квадрату числа оборотов и не зависит от высоты ротора. Следовательно, увеличение центробежной силы происходит, скорее, вследствие повышения числа оборотов ротора, чем за счет увеличения его радиуса. Величина центробежной силы практически ограничивается прочностью ротора и его динамической устойчивостью. Поэтому центрифуги, развивающие высокую центробежную силу, изготавливают с малым диаметром ротора. Время центрифугирования примерно пропорционально центробежной силе. На практике быстроходные центрифуги, т.е. суперцентрифуги, применяют для центрифугирования высоковязких суспензий с частицами малого диаметра. Фактор разделения Основной характеристикой центрифуг является величина центробежного ускорения, развиваемого указанными машинами. Отношение ускорения в поле центробежных сил к ускорению силы тяжести g называется фактором разделения центрифуг. Выражая w через угловую скорость (уравнение (9.49)), находим величину фактора разделения 10 111 00111 0 2 2 5 2 2 Rn Rn Rn , g R ? r = ? = = ? = ? , (где Ф – фактор разделения – угловая скорость ротора – внутренний радиус роторам ускорение силы тяжести, мс – число оборотов ротора в минуту. Центрифуги с высоким значением фактора разделения используют для обработки труднофугующихся суспензий. Произведение фактора разделения Ф отстойной центрифуги на поверхность F осаждения в роторе, обозначаемое ?, называется индексом производительности центрифуги м 1 9 Индекс производительности ? представляет собой поверхность осаждения отстойника, в котором для данной суспензии достигается та же производительность, что ив рассматриваемой центрифуге. Величина ? отражает влияние всех конструктивных факторов, определяющих способность отстойных центрифуг к разделению суспензий или эмульсий. Устройство центрифуг Классификация центрифуг Условно промышленные центрифуги классифицируются следующим образом По величине фактора разделения Ф промышленные центрифуги делятся на центрифуги нормальные, у которых Ф r < 3500, и сверхцентрифуги (скоростные, у которых Ф > Нормальные центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. Сверхцентрифуги являются аппаратами отстойного типа и подразделяются на трубчатые сверхцентрифуги, используемые для разделения тонкодисперсных суспензий, и жидкостные сепараторы, служащие для разделения эмульсий. В химико- фармацевтическом производстве используются в основном нормальные центрифуги с фактором разделения от 600 дои трубчатые сверхцентрифуги. — По технологическому назначению центрифуги бывают фильтрующие и осадительные (отстойные По режиму работы различают центрифуги непрерывного и периодического действий. В центрифугах периодического действия рабочий процесс – загрузка, разделение материала, промывка осадка и его выгрузка – производится раздельно, в определенной технологической последовательности и периодически. В центрифугах непрерывного действия рабочий процесс осуществляется одновременно и непрерывно. Центрифуги непрерывного действия позволяют осуществлять комплексную механизацию и автоматизацию технологического процесса По способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги с ручной, гравитационной, шнековой, ножевой, пульсирующей и инерционной выгрузками. — По расположению оси вращения центрифуги бывают вертикальные, горизонтальные и наклонные. Фильтрующие центрифуги Известны фильтрующие центрифуги двух типов – периодического и непрерывного действий. Схема фильтрующей центрифуги периодического действия с ручной выгрузкой представлена на рис. 9.21. Внутри кожуха размещен перфорированный барабан (ротор) 1, внутренняя поверхность которого выложена фильтрующей тканью 3. 1 9 Каждый барабан имеет щелевидные сита и кольцевые борта, которые служат для передвижения осадка по фильтрующей поверхности барабана. Барабаны 1 и 3 жестко связаны с полым валом 4, вращающимся вместе сними, а барабан 2 и диск 5 соединены с поршнем Рис. 9.21. Фильтрующая центрифуга с ручной выгрузкой – барабан 2 – кожух – фильтрующая ткань Суспензия загружается в барабан сверху, после чего он приводится во вращательное движение Фильтрат за счет центробежной силы проникает через фильтр в кожух, откуда самотеком через сливной патрубок направляется в приемник. После завершения фильтрования осадок из барабана выгружается вручную. Выгрузка осадка с минимальной затратой физического труда достигается в саморазгру- жающихся центрифугах (рис. 9.22). Осадок удаляют из них под действием сил тяжести (гравитационная выгрузка. Нижняя часть барабана 2 имеет коническую форму с углом наклона, превышающим угол естественного откоса осадка. Приостановке барабана осадок сползает сего стенок и удаляется из центрифуги. Исходная суспензия загружается на распределительный диск 3 при вращении барабана с пониженной скоростью. Запорный конус 4 предотвращает попадание суспензии в выгрузочный люк 6. В период разгрузки конус поднимается. Непрерывно действующая многоступенчатая фильтрующая центрифуга с пульсирующей выгрузкой осадка приведена на рис. 9.23. Вращающийся ротор этой центрифуги состоит из трех фильтрующих барабанов 1, 2, 3 со ступенчатым расположением. Рис. 9.22. Саморазгружающаяся центрифуга – кожух 2 – барабан – распределительный диск – запорный конус 5 – патрубок отвода фугата; 6 – выгрузочное отверстие 1 9 расположение фильтрующих поверхностей позволяет, например, непрерывно проводить фильтрацию на первой ступени, промывку осадка – на второй и просушку осадка – на третьей ступени. Ввиду того что ротор состоит из нескольких ступеней, осадок интенсивно перемещается, разрыхляется и фильтрующая способность улучшается. Удельный расход энергии для работы многоступенчатых центрифуг значительно меньше, чем для обычных центрифуг. Отстойное центрифугирование Разделение фаз в отстойных центрифугах осуществляется без применения фильтрующих материалов. В р а щ а я с ь вместе с диском 5 и барабаном поршень совершает возв- ратно-поступательное движение в результате давления масла, подаваемого насосом попеременно в правую и левую полости цилиндра 7, делая 12 ч16 пульсаций в минуту. Суспензия непрерывно подается в центрифугу по трубе 8 и центробежной силой отбрасывается на поверхность фильтрации барабана 1. За счет пульсации поршня 6, диска 5 и барабана 2 осадок перемещается вдоль ступенчатой поверхности исходит с последнего барабана. Подобное Рис. 9.23. Схема пульсирующей центрифуги, 2 и 3 – фильтрующие поверхности барабанов 4 – полый вал 5 – диск – поршень 7 – цилиндр – труба для подачи суспензии В отстойную центрифугу (рис) суспензия загружается на полном ходу разделение осуществляется при движении жидкости вверх параллельно глухим стенкам барабана до образования осадка определенной толщины. По окончании центрифугирования выключают электродвигатель, тормозом останавливают центрифугу и выгружают осадок вручную. Суперцентрифуги (сверхцентри- фуги. Среди них различают жидкостные сепараторы и трубчатые сверх- центрифуги. Пример жидкостных Рис. 9.24. Отстойная центрифуга – барабан (корзина 2 – кожух – вал 4 – шкив 5 – станина – подпятник 1 9 сепараторов — молочные сепараторы. Трубчатые сверхцентрифуги нашли широкое применение для осветления тонкодисперсных суспензий 8 7 10 4 5 6 9 1 2 9.3.3.4. Расчет центрифуг Производительность центрифуги зависит от рабочей емкости барабана и длительности цикла. Рассмотрим это на конкретном примере. На рис. 9.25 представлена схема устройства трубчатой сверхцентрифуги. В кожухе 1 расположен ротор 2 с глухими стенками, внутри которого имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отставанию жидкости от стенок ротора при его вращении. Верхняя часть ротора жестко соединена с коническим шпинделем 4, который подвешен на опоре 5 и приводится в движение при помощи шкива 6. В нижней части ротора расположен эластичный направляющий подпятник 7, через который проходит труба 8 для подачи суспензии. При движении суспензии в роторе вверх на стенках его оседают твердые частицы, причем осветленная жидкость отводится через отверстия 9 в трубу 10. По истечении определенного времени сверх- центрифугу останавливают и удаляют осадок, накопившийся в роторе. Рис. 9.25. Схема устройства трубчатой сверхцентрифуги: 1 – кожух 2 – ротор – радиальные лопасти – шпиндель 5 – опора – шкив 7 – подпятник – труба для подачи суспензии – отверстия 10 – труба для отвода осветленной жидкости Пример 9.3. Определить производительность саморазгружающейся центрифуги (рис. предназначенной для обработки утфеля первой кристаллизации и имеющей следующие размеры, дм: наружный диаметр слоя утфеля D = внутренний диаметр слоя утфеля D 1 = 8,90, толщина слоя утфеля В = 1,51, высота цилиндрической части барабана Н = 5,20, высота конической части барабана Н 1 = 3,80, расстояние между верхним бортом и цилиндрической частью барабана h = Решение. Рабочий объем барабана 14 , 3 4 , 10 2 51 , 1 8 , 3 51 , 1 2 , 5 2 35 , 0 51 , 1 2 2 = ? ? ? ? ? ? ? ? + ? + ? = = ? ? ? ? ? ? ? + + = D B H HB Bh V где D cp = 10,4 – средний диаметр слоя утфеля, дм. При плотности утфеля ? = 1,45 кг/дм 3 единовременная загрузка центрифуги G=V ? = 360•1,45 = 520 кг. Рис. 9.26. К расчету производительности саморазгружающейся центрифуги 1 9 При длительности рабочего цикла ? = 3,8 мин часовая производительность центрифуги 8 , 3 60 520 = ? = G т/ч. При содержании кристаллического осадка в утфеле в количестве получим 8,25•0,55 = 4,5 т/ч. 9.3.4. Мембранное разделение Процесс разделения смесей посредством полупроницаемых мембран называют мембранными процессами или процессами мембранного разделения смесей. Мембранные процессы широко применяются в химико- фармацевтическом производстве для очистки и концентрирования растворов разделения близкокипящих компонентов, азеотропных и нетермостойких смесей отделения высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных растворителей глубокой очистки сточных вод, получения высокоочищенной воды и т.п. При проведении мембранного разделения получают два раствора один (ретант, или концентрат) – обогащен растворенными веществами, другой (пермеат, или фильтрат) – обеднен ими. Разделение проходит при температуре окружающей среды без фазовых превращений, поэтому затраты энергии значительно меньше, чем при других методах разделения (ректификация, кристаллизация, выпаривание и др. Малая энергоемкость и сравнительная простота аппаратурного оформления обеспечивают высокую экономическую эффективность. Сущность процесса мембранного разделения смесей Сущность процесса мембранного разделения заключается в том (рис. 9.27), что разделяемая в аппарате 1 смесь соприкасается с полупроницаемой мембраной 2 с одной стороны, и благодаря Процессы мембранного разделения характеризуются двумя основными параметрами проницаемостью и селективностью. особым свойствам мембраны прошедший через нее фильтрат обогащается одним из компонентов смеси. Процесс разделения может происходить настолько полно, что в фильтрате практически не содержатся примеси тех компонентов смеси, которые задерживаются мембраной. Не прошедшая через мембрану смесь компонентов в виде концентрата удаляется из аппарата. Схема процесса разделения смеси на полупроницаемой мембране – аппарат 2 – мембрана 1 9 Проницаемость, или удельная производительность, равная расходу фильтрата W кг/ч через единицу поверхности мембраны м, определяет скорость процесса мембранного разделения в кг/(м 2 •ч): G = W/F. (Селективность процесса мембранного разделения может быть охарактеризована с помощью фактора разделения x y y = ? , (где х А , х В – мольные концентрации компонентов Аи В в исходной смеси у А , у В – мольные концентрации компонентов Аи В в фильтрате. Селективность может быть также выражена коэффициентом = (х А – у А )/х А = 1 – у А /х А . (Для разбавленных растворов, когда х В ? 1 и у В ? 1, значения ? АВ и ? связаны соотношением = 1 – ? АВ . (Селективность характеризует эффективность процесса мембранного разделения. К основным мембранным методам разделения относятся обратный осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов Обратный осмос. Метод обратного осмоса состоит в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью (или частично) задерживающие молекулы (или ионы) растворенных веществ. Следует прежде всего уяснить разницу между мембранным процессом и процессом фильтрации. Входе фильтрации твердая фаза концентрируется у поверхности фильтра, уменьшая вследствие гидравлического сопротивления скорость процесса. В отличие от фильтра мембрана разделяет поток на два потока, один из которых проходит сквозь нее, а второй – вдоль поверхности мембраны, поступая наследующую ступень разделения (рис. Это создает условия для непрерывной работы мембранной установки. Движущей силой процесса могут быть градиенты давления, химического потенциала (концентрации, градиенты температур (термодиффузия), градиенты электрического потенциала. В Рис. 9.28. Сравнение мембранного разделения и фильтрации: а – процесс фильтрации; б – мембранный процесса б 1 9 энергетическом аспекте мембранная технология значительно эффективнее дистилляции, абсорбции, глубокого охлаждения с последующей ректификацией. Этот принцип нашел широкое применение в решении многих народнохозяйственных задач. В основе метода обратного осмоса лежит явление осмоса самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (риса а б в Рис. 9.29. К понятию обратный осмоса – осмос (Р < ? 1 ); б – равновесие (Р = ? 1 ); в – обратный осмос (Р Давление ? 1 , при котором наступает равновесие, называют осмотическим рис, б. Если со стороны раствора приложить давление Р, превышающее осмотическое ? 1 , то можно наблюдать перенос растворителя через мембрану в обратном направлении (рис. 9.29, в, те. обратный осмос. Движущая сила процесса обратного осмоса для идеально полупроницаемой мембраны составляет: |