Материал: Material_dlya_samostoyatelnogo_izuchenia_Teplovye_protsessy

Нагревание горячей водой

Горячая вода по сравнению с насыщенным водяным паром имеет ряд недостатков: коэффициенты теплоотдачи от горячей воды ниже коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что понижает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование.

Горячую воду получают в водогрейных котлах или в бойлерах (паровой водонагреватель). Применяются бойлеры для нагревания до температур не более 100 °С. Если необходимо осуществить нагревание выше 100 °С, то используют воду, находящуюся под избыточным давлением. Для нагрева водой используют циркуляционные системы обогрева.

Охлаждение. Конденсация

В фармацевтическом производстве очень часто воз­никает необходимость в охлаждении паров, жидкос­тей, газов. Для охлаждения до обыкновенных температур в качестве охлаждающих агентов используют воздух и воду, а для достижения низких температур - холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиак), сжиженные газы (СО₂, этан и др.) или холодильные рассолы.

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.

Требуемая степень охлаждения зависит от начальной температуры теплоносителя (воды). Речная, озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру 4-25°С, артезианская вода - 8-15°С, оборотная вода - приблизительно 30 °С (летом).

Температура воды использованной, т.е. выходящей из теплообменных аппаратов, не должна превышать 40-50 °С в зависимости от состава воды во избежание выделения растворенных в ней солей и образования инкрустаций, загрязняющих теплообменное оборудование и снижающих эффективность процесса теплообмена.

Низкотемпературные агенты (фреон-12, фреон-22, азот, углекислота и др.) используются для создания температур ниже 5-20 °С, не достижимых при охлаждении водой.

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.

По принципу охлаждения конденсаторы делятся на конденсаторы смешения и поверхностные.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, представляющий ценность, может быть использован в дальнейшем технологическом процессе. Следует отметить, что поверхностные конденсаторы более металлоемки в сравнении с конденсаторами смешения.

По­верхностные конденсаторы 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).

Поверхностные конденсаторы менее экономичны, так как они создают добавочное термическое сопротивление, что вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов могут быть использованы теплообменники различных типов.

В конденсаторах смешения пар непосредственно контактирует с охлаждаемой водой и конденсат смешивается с последней. Конденсацию в указанных аппаратах обычно осуществляют тогда, когда пары не представляют ценности.

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 рисю 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).

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.).

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.

Вакуум-выпарные установки

(ПРОСТОЕ (ОДНОКРАТНОЕ) ВАКУУМНОЕ УПАРИВАНИЕ)

Выпарные установки отличаются конструкцией ва­куум-выпарных аппаратов (шаровые, трубчатые) и типами конденсаторов (смешения, поверхностные). Типовая вакуум-выпарная установка периодического действия представлена на рис. Установка состоит из шарового вакуум-выпарного аппарата (1) с паро­вой рубашкой. Выпариваемый раствор воспринимает тепло греющего пара, кипит, вторичный пар и инерт­ные 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. 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 (3). 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 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).

ТРУБЧАТЫЕ ВАКУУМ-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-вы­парные аппараты могут быть с 1)естественной или 2)принудительной циркуля­цией раствора, а также 3)пленочные.

В фармацевтическом производстве находит при­менение вакуум-выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой и естественной циркуляцией раствора при выпарива­нии. В нижней части аппарата размеще­на греющая камера, пред­ставленная 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 паро-жидкостной эмульсии больше плотности эмульсии в кипятильных трубках, вследствие чего в аппарате происходит упорядоченное движение кипящей жидкости (в циркуляционной трубе — сверху вниз, в узких труб­ках— 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 по­падает в конденсатор. Упаренный раствор сливается в сборник через штуцер (6).

Широко используется выпарной аппарат с выносным вертикальным кипятильником, в которых удается осуществлять более интенсивную естественную цир­куляцию выпариваемого раствора, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой.

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 увеличе­нию 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. 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 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 со­бираются 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.