технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
??????? a h k m p r n ????????? ??? ??????????? 1,1 0,6 0,3 – – – – ???????????? ? ????????? ??? ??????????? 0,93 0,6 – 1,5 – – – ???????????? ? ????????????? 0 0 – – 1,7 0,3 0,4 ????????? ? ????????????? 0 0 – 1,5 – 0,3 При шероховатых стенках аппарата и наличии в нем змеевика и других устройств расход энергии увеличивается. Вследствие этого значение N умножают на ниже представленные поправочные коэффициенты ш = ч – для очень шероховатых стенок сосуда зм = 1,2 – при наличии трубили змеевика г = 1,1 – при наличии гильзы для термометра. Электродвигатель для привода мешалки подбирают по величине мощности навалу мешалки, равной полезной мощности, которая сообщается жидкости, деленной на КПД передачи. При этом следует иметь ввиду возможность кратковременного увеличения крутящего момента навалу двигателя в момент пуска. Пусковая мощность обычно превышает рабочую не более чем в раза и потребляется в течение очень непродолжительного времени, п о этому для мешалок рекомендуется устанавливать электродвигатели с фазовыми кольцами. Ориентировочные значения коэффициентов запаса мощности ? могут быть приняты последующим данным, ??? ? ???? 1 ч ч ч ч ч 1,1 10.2.3. Выбор числа оборотов мешалки Скорость вращения мешалки выбирают с учетом назначения процесса, типа и конструкции перемешивающего устройства. Приготовление суспензий. Равномерное распределение частиц твердой фазы в жидкости достигается при таком числе оборотов 2 3 мешалки n о, при котором осевая составляющая скорости потока жидкости становится равной или несколько больше скорости осаждения частиц w о. В этом случае восходящий поток жидкости поддерживает твердые частицы во взвешенном состоянии, препятствуя их осаждению. Число оборотов может быть определено по уравнению k d D d d C d n ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = µ ? ? ? = 5 , 0 ? 1 2 o ? Ar Re , (где ??? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ??? ? ? = c 2 0 3 ? Ar gd – критерий Архимеда – разность плотностей фаз; ? с – плотность сплошной фазы – кинематическая вязкость сплошной фазы ч – диаметр частицы – отношение диаметра сосуда к диаметру мешалки. Значения коэффициента Си показателя степени k, зависящие от типа мешалки, приведены ниже ??????? D/d ? 1 k ????????? ????????? ч 4,7 ч 6,6 ч 14,8 Уравнение (10.17) применимо при следующих значениях переменных м = 5•10 ч 5 ; Ar = 2,4•10 ч 11 ; d ч =2,33•10 –4 ч1,2•10 –2 Э мул ь г и ров ан и ежи д костей. При эмульгировании взаимнонерастворимых жидкостей число оборотов мешалки n о рекомендуется определять из уравнения d D C d n ? ? ? ? ? ? ??? ? ??? ? ? = µ ? ? ? = 185 , 0 ? ? 315 , 0 2 2 o ? We Re Ar Re , (где We м = n 2 d 3 • ?/? – (модифицированный критерий We M (Вебера, представляющий собой критерий Вебера w 2 We . (10.20) We представляет собой отношение сил инерции к силам межфазного натяжения, в котором l = d и вместо линейной скорости w подставлена величина nd, пропорциональная окружной скорости мешалки ? – межфазное натяжение. Коэффициент Си показатель степени l в зависимости от типа мешалки имеют следующие значения 2 4 0 ??? ??????? D/d ? 2 l ????????? ????????? ч 2,3 ч 2,95 ч 1,47 Уравнение (10.18) применимо при следующих значениях переменных м = 5•10 ч 5 ; Ar = 8,9•10 ч 10 ; Re мм ч Гомогенизация жидкостей. Число оборотов мешалки n о в случае перемешивания в однофазной системе с целью снижения температурных и концентрационных градиентов может быть определено из зависимости о = С = const, (где n о – число оборотов – время перемешивания (время достижения заданной степени однородности перемешиваемой жидкости или время гомогенизации). Значения С для различных перемешивающих устройств указаны ниже ??????? D/d ? ? ????????? ????????? ???? 3 46 4 81,5 ????????? ????????? ???? 3 56 4 99,5 ???????? 2 20,5 1,5 20,7 ????????? 3 96,5 ???????????? ? ?????????? 3 66,2 4 118 ???????????? 3 96,5 4 170 ??????? 1,15 Все вышеприведенные зависимости для расчета мощности, затрачиваемой на перемешивание, и выбора числа оборотов мешалки относятся к перемешиванию ньютоновских жидкостей. Для неньютоновских жидкостей, отличающихся большим разнообразием свойств, получены лишь отдельные расчетные уравнения для определения мощности, потребляемой турбинными и якорными мешалками при перемешивании псевдопластичных жидкостей [4]. 10.2.4. Моделирование процесса перемешивания В соответствии с положениями теории подобия (гл. 6, разд.6.9) основой для гидродинамического моделирования процессов 2 4 перемешивания являются критериальные уравнения (10.7) и (полученные путем подобного преобразования дифференциальных уравнений Навье–Стокса. При этом в связи со сложностью явления возможно получение различных соотношений между величинами, определяющими протекание процесса в натуре и модели, в зависимости оттого, по какому из параметров процесса происходит моделирование. Наиболее подробно изучено моделирование по величине потребляемой мощности. В этом случаев качестве основного параметра, по которому моделируется процесс перемешивания, выбирают критерий мощности Если перемешивание применяется для интенсификации тепловых и диффузионных процессов, то переход от модельных к промышленным аппаратам следует проводить исходя из равенства коэффициентов тепло- или массоотдачи, равенства количества тепла или массы, передаваемой в единице объема аппарата, и т.д. с учетом соответствующего увеличения потребляемой мощности. Для этого необходимо знание обобщенных зависимостей по тепло- и массообмену, которые приводятся в гл. 11, уравнение (11.32) ив гл. 15, уравнение (15.16) соответственно. Пример 10.1. Рассчитать мощность электродвигателя для двухлопастной мешалки, установленной в сироповарочном котле для перемешивания массы. Диаметр лопатки d =700 мм, ширина b = 90 мм и число оборотов n = 120 об/мин. Перемешиваемая жидкость имеет плотность ? = 1100 кг/м 3 и вязкость µ = 0,0238 Н•с/м 2 (0,00243 кгс•с/м 2 ). Аппарат с шероховатыми стенками имеет диаметр D = 1200 мм и оборудован змеевиком и гильзой для термометра. Высота столба жидкости в аппарате Н = 1000 мм. Решение. Для определения значения N рассчитаем критерий Рейнольдса для мешалки по формуле (10.2): 45300 0238 , 0 60 1100 7 , 0 120 Re 2 По рис. 10.14 для двухлопастной мешалки с характеристикой 2 = d D и b (см. табл. 10.1) со змеевиком и гильзой для термометра по графику (рис) для кривой 4 находим K N = Для мешалки, работающей в заданных условиях 700 1200 = = d D и 129 , 0 700 90 = = d поэтому к величине K N введем поправочные коэффициенты, учитывающие различие между модельной и заданной мешалками 2 71 , 1 1 , 1 = ? ? ? ? ? ? = D f ; 54 , 0 885 , 0 129 , 0 3 , 0 = ? ? ? ? ? ? = b Учтем следующие поправки на шероховатость стенок f ш = 1,15; на наличие в аппарате змеевика f зм = 1,2 и гильзы термометра f г = 1,1. 2 4 Тогда критерий мощности с учетом реальных условий: K N ф = K N f d f b f ш f зм г = 1,7•0,85•0,54•1,15•1,2•1,1 = Рабочая мощность, потребляемая мешалкой (см. формулу (10.6)): 1760 1100 60 120 7 0 19 1 3 5 3 5 ? = ? ? ? ? ? ? ? = ? = , , n d K N N p Вт. С учетом коэффициента запаса мощности ? = 1,3 и КПД передачи = 0,8 необходимая мощность электродвигателя 2 8 0 1000 1760 3 1 ? 1000 ? ? ?? , , , N N = ? ? = = кВт. Циркуляционное перемешивание Циркуляционное перемешивание осуществляется многократным перекачиванием жидкости через систему аппарат – центробежный Рис. 10.16. Схема циркуляционного перемешивания – аппарат 2 – центробежный насос, 3 – насадки насос – аппарат (рис. Поданным АИ. Иванова, быстрое перемешивание во всем объеме получается распылением нагнетаемой жидкости через соответствующие насадки, расположенные танген- циально к стенкам аппарата и под некоторым углом к горизонтали. Самым простым приемом циркуляционного перемешивания является циркуляция в сосуде при простом перекачивании насосом (рис. Применение циркуляционного перемешивания в производстве экстракционных препаратов из лекарственного растительного сырья (по схеме рис. позволяет сократить время экстрагирования в несколько раз (по сравнению с настаиванием) при сохранении качества конечных извлечений. Циркуляционное перемешивание может осуществляться и с помощью сопла (рис. 10.18), которым снабжают выходное отверстие напорной трубы. При использовании погруженного сопла струя вытекающей из него жидкости примет форму конуса. Поток жидкости, вытекающей из сопла, толкает перед собой жидкость, находящуюся в данный момент перед соплом. На какой-то промежуток времени в пространстве, которое занимала Рис. 10.17. Схема циркуляционного перемешивания насосом – аппарат 2 – насос 2 4 3 10.4. Пневматическое перемешивание Пневматическое перемешивание (барботирование) применяется в тех случаях, когда воздух (или какой-либо другой газ) нужен жидкость, создается разрежение. Снижение давления немедленно вызывает подсасывание окружающей сопло покоящейся жидкости в эту часть пространства. Такая последовательность взаимодействия струи и находящейся в аппарате жидкости происходит непрерывно и многократно, обеспечивая перемешивание содержимого аппа- рата. Рис. 10.18. Циркуляционное перемешивание с помощью сопла – емкость 2 – сопло 3 – патрубок подачи жидкости насосом в сопло Рис. 10.19. Пневматическое перемешивание – бак 2 – барботер Рис.10.20. Барботер для газа (распределительная система – вертикальный воздуховод – горизонтальный воздуховод – воздухораспределительные трубки для интенсификации биологического процесса (например, аэрации при изготовлении пенициллина и других микробиологических препаратов). Этот способ перемешивания используют также в производстве растворов для инъекций, требующих газовой защиты (барботирование в указанном случае производится этим защитным газом). В данном случае перемешивание маловязких жидкостей осуществляется при помощи барботеров (рис, представляющих собой трубу или систему труб (рис, которые помещают у дна аппарата. При циркуляционном перемешивании (эрлифтном) газ подают в циркуляционную трубу (эрлифт) (рис.10.21). Для перемешивания сыпучих тел (зерен) пневматическим способом используется принцип газ остр у й ног она со с а 2 4 расхода газа. Необходимое давление газа для перемешивания определяется по уравнению Бернулли 2 ? ? 1 2 P w g H P + ? + ? + ? = ? Нм, (где Н – высота столба перемешиваемой жидкости, м; ? ж , г – плотности перемешиваемой жидкости и газа, кг/м 3 ; w – скорость движения газа в трубе, мс – сумма коэффициентов трения и местных сопротивлений; Р 0 – давление над жидкостью в аппарате, Н/м 2 Для ориентировочных расчетов потери давления в трубопроводе можно принять равными ? 20 % сопротивления столба жидкости. Тогда уравнение (10.22) имеет вид: Р = 1,2Н ? ж g + Р. (Объемный расход газа V (м 3 /ч) можно определить по эмпирической формуле = k F P м 3 /ч, (где F – поверхность спокойной жидкости в аппарате до перемешивания, м – давление воздуха, Нм – опытный коэффициент, равный ч в зависимости от интенсивности перемешивания (нижний предел – для слабого перемешивания). При расчете барботеров расход воздуха нам свободной поверхности можно принимать равным для слабого перемешивания – 0,4 м 3 /мин, для среднего – 0,8 м 3 /мин, для интенсивности – 1,0 м 3 /мин. 10.5. Перемешивание в трубопроводах Перемешивание в трубопроводах является простейшим способом перемешивания жидкостей (капельных и газообразных), применяемым при транспортировании их по трубопроводам. (эрлифта). Газ под давлением подается в центральную трубу расположенную по центру цилиндрического корпуса 1. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное движение всей смеси. Расчет пневматических перемешивающих систем сводится копре- делению требуемого давления и Рис.10.21. Эрлифт: 1 – корпус 2 – центральная труба 2 4 Перемешивание в трубопроводе происходит под давлением турбулентных пульсаций. Поэтому таким способом перемешивания можно пользоваться при условии, что течение турбулентно, и трубопровод, по которому перекачиваются смешивающиеся жидкости, имеет длину, достаточную для хорошего перемешивания жидкостей. Перемешивание в трубопроводе обычно совмещают с транспортировкой взаимно смешивающихся жидкостей по трубам. Часто для улучшения перемешивания жидкостей в трубопровод помещают специальные вставки, винтовые насадки или инжекторы. Список литературы. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М Химия, 1971. С. 115, 133, 258 – 273. 2. Плановский АН, Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М Госхимиздат, 1962. С. 346 – 362. 3. Стабников В.Н., Попов В.Д., Лысянский В.М., Редько Ф.А. Процессы и аппараты пищевых производств. М Пищ. пром-сть, С. 120 – 139. 4. Штербачек З, Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Перс чеш. Л Госхимиздат, 1963. 416 с. Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. М.: Госхимиздат, 1949. 88 с. Романков П.Г., Курочкина МИ. Гидромеханические процессы химической технологии. М Химия, 1974. 288 с. Канторович З.Б. Машины химической промышленности. М.: Машиностроение, 1965. С. 345 – 409. 8. Гончаренко Г.К., Орлова Е.И. Пути интенсификации процесса в периодических условиях Мед. пром-сть СССР. 1966. № 6. С. 43 – 46. 2 4 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ Глава 11. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ. Общие сведения Химико-фармацевтические процессы в большинстве случаев протекают в заданном направлении только при определенных температурах, которые достигаются путем сообщения или отвода тепловой энергии. Перенос теплоты, происходящий между телами с различной температурой, называют теплообменом. Движущей силой этого процесса является разность температур, причем теплота самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене, называют теплоносителями. В непрерывнодействующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени, поэтому процессы теплообмена в таких аппаратах являются установившимися. В аппаратах периодического действия, где температуры меняются во времени, осуществляются неустановившиеся процессы. Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла. Теплопроводность – способ переноса тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц. Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела, а в твердых телах является обычно основным видом распространения тепла. Конвекция – процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают вынужденную и свободную конвекции. В первом случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например насосом, вентилятором и т.д., во втором разностью плотностей между холодными нагретым участками среды. Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. В реальных условиях тепло передается комбинированным способом. Более сложный процесс передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу через разделяющую поверхность называют теплопередачей Расчет тепловых процессов включает) определение теплового потока с составлением и решением тепловых балансов; 2) определение поверхности теплообмена аппарата, которая обеспечит прохождение теплового потока в заданное время 2 4 7 11.2. Тепловые балансы Количество тепла, которое передается от более нагретого теплоносителя Q 1 , затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя Q 2 и на потери тепла аппаратом в окружающую среду пот. Для уменьшения тепловых потерь аппараты покрывают снаружи тепловой изоляцией. В этом случае величина пот не превышает ч % полезно использованного тепла. Тогда Q 1 = Q 2 – пот (или (ч) Q 1 = Q 2 . (Или, пренебрегая тепловыми потерями, получим = Q 2 . (Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена, то величины Q 1 и Q 2 можно определить, как Q 1 = G 1 C 1 (н – кн к, (где G 1 , G 2 – массовые расходы соответственно 1 и 2 теплоносителя, кг/с; t 1н , кн, к – соответственно начальные и конечные температуры теплоносителей, град, C 2 – средние теплоемкости теплоносителей в изменяемом интервале температур, Дж/кг •град. Теплоемкость – это физико-химическое свойство вещества, которое показывает, какое количество тепла необходимо подвести к телу массой в 1 кг, чтобы его нагреть на один градус. Значение теплоемкостей различных веществ приводится в справочной литературе. В тех случаях, когда теплообмен между двумя средами сопровождается фазовым переходом, в уравнении теплового баланса необходимо учитывать теплоту фазового перехода, которая находится из простого соотношения = G•r , (где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; r – удельная теплота фазового перехода, Дж/кг. Удельная теплота фазового перехода является физико- химической константой каждого вещества и показывает, какое количество тепла выделяется (или поглощается, те. необходимо сообщить телу) при переходе 1 кг вещества из одной фазы в другую. |