технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
4 3 Сравним уравнения (18.26) и (18.27). Тогда можно записать, (где ? M – количество вещества, растворяющегося в единицу времени; F ср – средняя во времени поверхность растворения. Из уравнения (18.28) следует, что D . (Согласно опытным данным толщина пограничного слоя может быть принята как ? ? D 1/3 . Тогда из уравнения (следует, что коэффициент массоотдачи ? при растворении твердых частиц пропорционален D 2/3 . С учетом последней получена обобщенная эмпирическая зависимость, позволяющая получить уравнение для расчета ?: Re r P 8 0 u N 3 ? = ? , , (где D / d ? ? = ? u N ; D ? ? = ?r P ; ? ? = / Re Здесь d – диаметр твердой частицы ? – кинематическая вязкость жидкости, обтекающей частицу w – скорость обтекания. Из уравнений (18.28) и (18.29) видно, что коэффициент массоотдачи ? обратно пропорционален толщине диффузионного пограничного слоя, которая, в свою очередь, зависит от гидродинамической обстановки вблизи растворяющихся твердых частиц. Чем быстрее движение жидкости относительно твердой частицы, тем тоньше диффузионный пограничный слой и тем больше коэффициент массоотдачи. Поэтому перемешивание жидкости, позволяющее уменьшить величину и равномерно распределить твердые частицы в жидкости, дает возможность существенно ускорить растворение. Процессы растворения и выщелачивания ускоряются с повышением температуры, так как при этом возрастает величина С нас и при прочих равных условиях увеличивается движущая сила. С повышением температуры возрастает значение коэффициента диффузии D вследствие увеличения вязкости, что также способствует повышению скорости процесса. Измельчение твердого материала приводит к увеличению поверхности соприкосновения фаз и позволяет сократить путь вещества, диффундирующего из глубины пор к поверхности твердого материала. Однако практически степень измельчения ограничивают из-за того, что ее увеличение сопровождается возрастанием расхода энергии на измельчение и является целесообразным лишь до определенного предела. Степень измельчения лимитируется также необходимостью проведения фильтрования после выщелачивания. Слишком тонкое измельчение лекарственного растительного сырья приводит к получению некачественных, трудно фильтруемых вытяжек, обогащенных нежелательными сопутствующими 4 3 веществами вследствие вскрытия клеток тканей. Поэтому каждый вид растительного сырья (листья, корни, кора, стебли, цветки) измельчать целесообразно до определенного оптимального размера. В отличие от простого растворения в процессе выщелачивания доступная для взаимодействия с жидкостью поверхность извлекаемого компонента перемещается вглубь пор твердого материала. Это приводит к значительному падению скорости выщелачивания, когда скорость процесса начинает лимитироваться скоростью внутренней диффузии из глубины куска (частички, зерна) твердого материала к его поверхности. В соответствии со схемой (рис. 18.23) скорость выщелачивания меньше скорости растворения и определяется по уравнению (сравним с уравнением (поверхности соприкосновения фаз к уменьшению пути растворяемого вещества при его внутренней диффузии, является более эффективным фактором ускорения процессов выщелачивания. Способы растворения и выщелачивания Основными способами растворения и выщелачивания, применяемыми в химико-фармацевтической технологии, являются следующие процессы 1) замкнутый периодический 2) прямоточный и противоточный; 3) в неподвижном слое (фильтрационно- проточный или перколяционный). Замкнутый периодический процесс растворения и выщелачивания Такой процесс проводится в аппарате с механическим (рис) или пневматическим перемешиванием dM ? + ? ? = ? , (где h – глубина выщелоченного материала. Сравнивая уравнения (18.27) и, можно отметить, что различные факторы, указанные выше, не в равной степени влияют на скорость простого растворения и выщелачивания. Так, перемешивание не может оказать существенного влияния на скорость внутренней диффузии при выщелачивании и поэтому оказывает меньшее влияние, чем в процессе простого растворения. Вместе стем измельчение твердого материала, приводящее наряду с увеличением Рис. 18.23. К определению скорости выщелачивания 4 3 каскад последовательно соединенных аппаратов с мешалками, через которые пульпа движется самотеком (рис. Рис. 18.25. Схема непрерывного процесса выщелачивания в каскаде аппаратов с мешалкой При работе по такой прямоточной схеме движущая сила процесса постепенно снижается от ступени к ступени, ноне в такой степени, как водном аппарате с мешалкой, где со свежим растворителем смешивается конечный концентрированный раствор. При числе ступеней, обычно не превышающих ч, в таких установках достигается достаточно высокая степень извлечения. Более эффективно проведение непрерывных процессов выщелачивания по принципу противотока. В данном случае Рис. 18.24. Схема процесса экстракции (мешалка- экстрактор) Твердое тело и жидкий растворитель находятся некоторое время в сосуде, в котором обеспечивается их тесный контакт за счет перемешивания. В этом случае концентрация экстрагируемого вещества в твердом теле непрерывно уменьшается, а в растворителе она увеличивается и приближается к состоянию равновесия. Замкнутые нестационарные процессы, проводимые при перемешивании, малоэффективны вследствие присущих им недостатков, общих для всех периодических процессов. Прямоточный и противоточный процессы растворения и выщелачивания Такие процессы проводятся в аппаратах непрерывного действия и имеют широкое распространение. Для этого используют 4 3 твердые частицы движутся навстречу потоку жидкости в батарее аппаратов. На конце установки, куда подается свежий растворитель, последний взаимодействует с выщелоченным в значительной степени материалом, а на другом ее конце исходный твердый материал обрабатывается концентрированным раствором. При этом на конце установки, соответствующем вводу растворителя, удается повысить степень извлечения из глубины пор твердого материала, а на противоположном конце – эффективно использовать концентрированный раствор для экстрагирования свежего твердого материала. В результате повышается концентрация экстракта, уменьшается расход растворителя и увеличивается производительность аппаратуры. Конечный раствор после выщелачивания отделяют от твердого нерастворимого осадка (шрота), который промывают. Промывку проводят на фильтрах, центрифугах и отстойниках. Обычно принимают противоточные схемы промывки. Процесс в неподвижном слое Суть процесса состоит в фильтровании растворителя сквозь слой пористого кускового материала. Растворение обычно проводится периодически приуменьшении во времени высоты слоя, в отличие от выщелачивания, при котором высота слоя постоянна. В промышленности выщелачивание (экстрагирование) в неподвижном слое часто проводят полунепрерывным процессом в батарее последовательно соединенных (походу раствора) аппаратов, в каждом из которых через определенные промежутки времени производится выгрузка отработанного и загрузка свежего твердого материала. Выщелачивание фильтрационно-проточным способом проходит медленнее, чем при перемешивании. Однако он проще в аппаратурном оформлении. В фильтрационно-проточном способе одновременно протекают процессы выщелачивания и фильтрования. Получаемые при этом экстракты представляют собой чистые жидкости. Существенный недостаток указанного способа выщелачивания высокое гидравлическое сопротивление слоя. Выщелачивание в неподвижном слое требует однородного по размерами грубоизмельченного твердого материала. Выбор способа выщелачивания проводится на основании технико-экономического расчета. Устройство экстракционных аппаратов Аппараты для растворения и выщелачивания подразделяют на периодически и непрерывно действующие. В зависимости от взаимного направления движения фаз различают аппараты прямоточные и противоточные, а также аппараты, работающие по принципу смешанного тока 4 4 По способу создания режима обтекания твердых частиц жидкостью различают аппараты) с неподвижным слоем твердого материала) с механическим перемешиванием) со взвешенным или кипящим слоем. Аппараты периодического действия вследствие низкой производительности применяются в основном в малотоннажных производствах и представляют собой аппараты без перемешивающих устройств или аппараты с мешалкой, снабженные обогревом. В промышленной практике с большими объемами производства больше распространены непрерывнодействующие аппараты. Аппараты с неподвижным слоем твердого материала Для экстрагирования применяют экстракторы (перколяторы, диффузоры). Наиболее совершенная конструкция такого перколятора приведена на рис. 18.26. Экстрактор (рис. 18.26, а) состоит из цилиндрического корпуса 1, снабженного паровой рубашкой 2, предназначенной для подогрева содержимого. В нижней части аппарата устанавливают решетку 3, которая крепится между фланцами нижнего откидного днища 4, снабженного противовесом. На ложное дно (решетку) загружают материал, подлежащий экстрагированию. Свежий экстрагент поступает через штуцера готовый экстракт удаляется через штуцера б Рис. 18.26. Схема выщелачивания (экстрагирования) в батарее экстракторов-диффузоров: а – экстрактор-диффузор; б – батарея экстракторов 1 – корпус 2 – паровая рубашка 3 – ложное дно (решетка 4 – откидное днище 5 – противовес – штуцер подачи экстрагента 7 – штуцер слива готового экстракта – насос 9 – болты 10 – краны Диффузоры соединяются последовательно в батарею. При этом растворитель прокачивается одним насосом 8 снизу вверх последовательно через все аппараты батареи, в которых в данный момент происходит выщелачивание. Общее число диффузоров в батарее зависит от скорости процесса (она определяется свойствами 4 4 экстрагируемого материала) и может достигать ч и более. Диффузор, в котором уже достигнута заданная степень извлечения, отключается на разгрузку выщелоченного материала и загрузку свежим материалом. В это время в остальных аппаратах (исключая один из аппаратов, находящийся в резерве) осуществляется выщелачивание. Периодическая разгрузка выщелоченного материала производится через нижнюю часть цилиндрического корпуса. Для этого освобождают болты поворачивают откидное днище 4 с решеткой 3 и отработанное сырье под действием собственного веса высыпается в приемную тару или направляется в транспортер для дальнейшего удаления. Батарея диффузоров работает по принципу противотока, т.е. свежий экстрагент взаимодействует с уже в значительной степени выщелоченным материалом, а наиболее концентрированный раствор – со свежим твердым материалом. При движении экстрагента сквозь слой материала удается получить раствор высокой концентрации. Для ускорения процесса настаивания целесообразно использовать циркуляцию экстрагента в каждом аппарате с помощью насосав течение определенного времени. Существенным недостатком аппаратов с неподвижным слоем является неравномерность обтекания твердых частиц жидкостью и образование застойных зон вблизи точек соприкосновения частиц. Несмотря на отмеченные недостатки, в условиях малотоннажного фармацевтического производства такие батареи экстракторов широко используются. Непрерывно действующие аппараты с механическим перемешиванием Одним из распространенных аппаратов этой группы является шнековый растворитель (рис. 18.27). Он представляет собой горизонтальное корыто (желоб) 1, в котором вращается горизонтальный вал 2 с укрепленными на нем спиральными лопастями 3 и крестовинами 4. Подлежащий выщелачиванию материал непрерывно поступает через штуцера растворитель через штуцер 6 и движутся прямотоком друг к другу, причем твердый материал перемещается вдоль корыта с помощью спиральных лопастей. На лопастях укреплены дополнительные лопасти-скребки 7, которые приподнимают и сбрасывают твердые частицы, осуществляя перемешивание материала на различных участках корыта в вертикальной плоскости. Для ускорения процесса жидкость в корыте может нагреваться острым паром, поступающим через сопло 8, или глухим паром – через рубашку. При движении вдоль аппарата раствор многократно направляется книзу посредством козырьков 9, это улучшает контакт между жидкой и твердой фазами. Концентрированный раствор удаляется с противоположного конца аппарата через 4 4 сливной штуцер в верхней части корыта (на рисунке не показана отработанный остаток твердого материала отводится с помощью наклонного элеватора 10. Ковши 11 элеватора имеют ситчатые стенки для отделения жидкости, сливающейся через штуцер фазу) аппарате фазы движутся прямотоком, а во втором – противотоком. Аппараты такого типа надежны в работе и обеспечивают высокие производительности. Вместе стем они металлоемки, гр ом о з д кии требуют сравнительно больших расходов электроэнергии. Удельная производительность шнековых аппаратов (на единицу объема или массы аппарата) невелика. Контакт между фазами ухудшается вследствие «проскока» некоторой части жидкости, обусловленного заметным разделением фаз, так как значительная часть твердого материала перемещается в виде плотного слоя вдоль нижней части корыта. Несколько эффективнее барабанный растворитель (рис. который представляет собой горизонтальный цилиндрический барабан 1, закрытый с торцов передней крышкой 2 и задней крышкой 3. Через штуцер 4 (в передней крышке) поступает измельченный твердый материал, который транспортируется движущейся в том же направлении жидкостью (экстрагентом). Барабан 1 установлен на бандажах 5, опирающихся на ролики он приводится во вращение через зубчатую передачу 7 и червячный Рис. 18.27. Шнековый растворитель – горизонтальное корыто (желоб 2 – вал – спиральные лопасти 4 – крестовина – штуцер для ввода твердого материала – штуцер для ввода свежего растворителя – лопасти-скребки; 8 – сопло 9 – козырьки – элеватор 11 – ковши 12 – штуцер для слива жидкости Шнековые аппараты могут работать как по принципу прямотока, таки противотока фаз. При этом чем интенсивнее перемешивание фаз в поперечном сечении аппарата, тем полнее могут быть использованы преимущества проти- вотока. Иногда шнековые аппараты работают комбинированным способом. Процесс проводится в двух последовательно соединенных аппаратах, из которых в один поступает исходный твердый материала в другой свежий растворитель. При этом впер- вом (походу твердой 4 4 редуктор 8 электродвигателем 9. Твердые частицы движутся при вращении барабана вместе с потоком жидкости в осевом направлении, а относительно потока – в поперечных сечениях барабана. Для лучшего перемешивания фаз в вертикальной плоскости служат лопасти 10, укрепленные на внутренней стенке барабана. Концентрированный раствори твердый остаток удаляют через штуцер 11 в задней крышке аппарата. Для уменьшения потерь тепла барабан снаружи покрывают твердой изоляцией Рис. 18.28. Барабанный растворитель – горизонтальный цилиндрический барабан 2 – передняя крышка – задняя крышка 4 – штуцер для ввода твердого материала 5 – бандаж – опорный ролик 7 – зубчатая передача 8 – червячный редуктор – электродвигатель 10 – лопасти 11 – штуцер для отвода концентрированного раствора и твердого остатка 12 – тепловая изоляция Такие аппараты могут работать и по принципу противотока. Тогда перемещение твердого материала осуществляют с помощью лопаток, установленных внутри горизонтального барабана под небольшим углом к образующей в направлении движения материала. В барабанных растворителях достигаются большие удельные производительности и более высокие коэффициенты массоотдачи, чем в шнековых аппаратах. Улучшение массоотдачи связано с систематическим обновлением поверхности контакта фаз при пересыпании твердых частиц внутри барабана. Устройство аппаратов указанного типа, но других конструкций приведено в т. 2 настоящего учебника. Аппараты со взвешенным или кипящим слоем В аппаратах этого типа практически вся поверхность твердых частиц в течение всего процесса активно взаимодействует с 4 4 4 турбулентно движущимся потоком жидкости, что способствует интенсификации процесса экстрагирования (выщелачивания). Трубчатый растворитель (рис. 18.29) состоит из ряда последовательно соединенных труб 1, через которые с помощью насоса 2 прокачивается жидкость (растворитель) со взвешенными в ней мелкими твердыми частицам ??????? ???????? 4 5 3 2 1 Рис. 18.29. Трубчатый растворитель – труба 2 – насос 3 – паровая рубашка 4 – штуцер для ввода промывной воды 5 – вход пара 6 – выход конденсата Для проведения процесса при повышенной температуре трубы снабжаются паровыми рубашками 3. При внезапной остановке насоса через штуцер 4 подается промывная вода для того, чтобы удалить твердый материал из системы и предотвратить его осаждение в трубах. Ускорение процесса растворения (выщелачивания) достигается вследствие того, что твердые частицы взаимодействуют с растворителем, находясь во взвешенном состоянии, и аппарат работает в условиях, приближающихся к режиму идеального вытеснения. Применению противотока в трубчатых растворителях препятствует значительный унос мелких твердых частиц жидкостью. Можно эффективно использовать работу аппаратов по схеме ступенчатого противотока несколько аппаратов, работающих при прямоточном движении фаз, объединяют в секции, соединение которых между собой осуществляется по принципу противотока. Колонный аппарат с псевдоожиженным (кипящим) слоем приведен на рис. 18.30. В цилиндрический корпус 1 аппарата через штуцер 2 непрерывно поступает экстрагент (растворитель), который, проходя с необходимой скоростью сквозь отверстия распределительной решетки 3, приводит слой мелкораздробленных частиц в псевдоожиженное состояние 4 4 5 1 4 3 2 6 7 При высоте кипящего слоя, равной нескольким метрам, удается получить на выходе из него раствор достаточно высокой концентрации, который поступает в верхнюю расширенную часть колонны, переливается в кольцевой желоб и удаляется через штуцер 5. Твердый остаток непрерывно отводится через штуцер 6, расположенный несколько выше решетки 3. Исходный твердый материал подается непосредственно в кипящий слой сверху через загрузочную трубу Аппараты такого типа отличаются простотой устройства и небольшой массой. В них достигаются значительная скорость процесса и высокая степень извлечения целевых компонентов из исходного твердого материала. В центробежном растворителе с псевдоожиженным слоем, приведенном на рис. 18.31, имеется вращающийся на полых цапфах 4 и 5 барабан 1 с коническими торцевыми стенками 2. Рабочая поверхность барабана внутри неподвижного кожуха герметично соединена с цапфами барабана при помощи сальников. Измельченный твердый материал поступает через полую цапфу внутрь барабана, а жидкость нагнетается через штуцер 6 и сквозь отверстия цилиндрической решетки барабана поступает внутрь последнего. При вращении барабана внутри него создается кипящий слой твердых частиц, в котором интенсивно протекает процесс растворения. Концентрированный раствор непрерывно удаляется из аппарата через цапфу 5. 18.3.6. Расчет экстракционных аппаратов На сегодняшний день нет достаточных экспериментальных данных, позволяющих проводить расчеты экстракторов для системы твердое тело Рис. 18.30. Колонный растворитель с псевдоожиженным (кипящим) слоем – колонна 2 – штуцер для ввода свежего растворителя – распределительная решетка 4 – кольцевой желоб 5 – штуцер для отвода концентрированного раствора 6 – штуцер для отвода твердого остатка – загрузочная труба для твердого материала Рис. 18.31. Центробежный растворитель с псевдоожиженным (кипящим) слоем – барабан 2 – торцевая стенка 3 – сальник, 5 – полые цапфы 6 штуцер для ввода жидкости (свежего растворителя 4 4 жидкость на основании обобщенных зависимостей по кинетике процесса. Аналитический метод расчета [1] процесса весьма трудоемкий. Графоаналитический метод интервального расчета требует наличия расчетных номограмм для вполне определенной формы частиц твердого материала (цилиндр, шар, что не всегда отвечает реальным условиям проведения процесса. Ниже приведен графический способ определения числа теоретических ступеней экстрагирования с использованием диаграммы прямоугольного треугольника (рис. Точки на каждой из сторон диаграммы выражают составы двухкомпонентных смесей компонентов Аи В (на абсциссе, Аи (на ординате, Вина гипотенузе треугольника. Точки, лежащие внутри треугольника, выражают составы трехкомпонентных смесей. Предположим, что предельное количество твердого компонента В , растворяющегося приданной температуре в заданном количестве экстрагента, те. насыщенный раствор В в S, выражается точкой Сна гипотенузе треугольника. Тогда прямая АС представляет собой геометрическое место точек, выражающих составы насыщенных растворов В в S, смешанных с нерастворимым твердым компонентом А. Рабочей областью диаграммы будет ее часть, расположенная выше линии АС, соответствующая ненасыщенным растворам В в. Для таких растворов возможен переход компонента Виз твердой фазы в жидкую. Обычно при экстрагировании из твердых материалов получаемые экстракты не доводят до насыщения. Составы и количества образующихся смесей, а также соотношения между количествами и составами получаемых экстрактов и рафинатов находят по рассмотренному ранее правилу рычага. Противоточное многоступенчатое экстрагирование. Определим число теоретических ступеней в установившемся процессе (с n -Расчет с помощью равностороннего треугольника приведен в учебном пособии по курсу Теоретические основы фармацевтической технологии в разделе Теория равновесия в системе твердое тело – жидкость На рис. 18.32 изображен прямоугольный треугольник, точка А которого соответствует нерастворимого компонента рафината, точка S – экстрагента, точка В – экстрагируемого компонента. Рис. 18.32. Треугольная диаграмма (системы твердое тело – жидкость 4 4 ступенями) противоточного экстрагирования при помощи треугольной диаграммы. Схема этого процесса приведена на рис. 18.33: S n S y E E = G x F F S y G x S y S m y m G x G x y S n n y S m G m x G x m y S G = G x R R n , 1 2 ??????? (?????? ?????) ???????? (??????? ?????) |