Теоретические основы сушки

Процессы нагревания – охлаждения

Теплопередача или теплообмен

Это процесс распространения тепла от одного объекта к другому. Тепло может передаваться от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором.

Переход тепла может распространяться разными путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность– вид теплообмена, который происходит между частицами тела, находящимися в соприкосновении.

Конвекция– перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкостей. Конвекция имеет место, например, при передаче тепла от стенки трубы жидкости, протекающей внутри неё.

Излучение(лучеиспускание) свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля по шкале Кельвина. Способность тел поглощать и испускать тепловые лучи разная. Тело способное полностью поглощать тепловые лучи и максимально их излучать, называется абсолютно черным. Тело, не обладающее поглощающей способностью и отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым. В природе нет ни абсолютно чёрных, ни абсолютно белых тел.

На практике перечисленные виды теплообмена редко наблюдаются реально: в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются совместно. Такой процесс называется сложным теплообменом.

Теплоносители

В фармацевтической технологии прямые источники тепла (дымовые или топочные газы, электрический ток) применяются редко. Как правило, используются теплоносители – промежуточные источники тепла.

В качестве теплоносителей применяются водяной пар, горячая вода, минеральные масла. Основным теплоносителем является водяной пар. Он вырабатывается в паровых котлах. Пар как теплоноситель может быть охарактеризован такими параметрами: температура, давление, энтальпия.

Как теплоноситель пар имеет следующие достоинства:

- доступный теплоноситель;

- безопасен в пожарном отношении;

- нетоксичен;

- обладает высоким коэффициентом теплоотдачи (1 кг пара при конденсации выделяет 540 ккал тепла);

- возможность регулирования температуры;

- пар легко транспортируется по паропроводам за счет собственного давления;

- обеспечивает равномерность нагрева.

Нагревание водяным паром может осуществляться двумя способами: «острым» пароми«глухим» паром.

При нагревании «острым» паром его вводят в обогреваемый объект по трубе или барбатеру (труба с многочисленными отверстиями). При этом пар отдаёт свое тепло и конденсируется. Образующийся конденсат смешивается с обогреваемым объектом (жидкость, отработанное сырье). При использовании «острого» пара кроме нагревания происходит и перемешивание жидкости.

При нагревании «глухим» паром обогреваемый объект не соприкасается с паром, тепло передается через стенку теплообменника.

Вода – как теплоноситель используется реже пара, так как в отличие от пара имеет ряд недостатков:

- коэффициент теплоотдачи горячей воды ниже, чем у пара » в 500 раз

- температуру воды регулировать трудно

- для транспортировки воды необходим расход энергии.

Обогрев водой возможен в интервалах от 60⁰ до 370⁰ С. Воду с температурой выше 100⁰ С получают в специальных нагревательных колбах-бойлерах.

Минеральные масла как теплоносители позволяют проводить нагрев до 250 – 300⁰ С.

Теплообменные аппараты

К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых теплоноситель отдает тепло обогреваемому объекту – жидкости, газу, твердому веществу и т.д.

Теплообменными аппаратами являются различные подогреватели, выпарительные аппараты, конденсаторы. Для обогрева используются теплообменники различных конструкций. Типы теплообменников (уч. Муравьева т.1, с.104, рис 56):

а – кожухотрубный (рис.1а);

б – двухтрубный «труба в трубе»(рис 1б);

в – змеевиковый (рис. 1в);

г – аппарат с рубашкой (рис. 1г);

д – калорифер(рис.1д).

Охлаждение. Конденсация

В фармацевтической технологии нередко возникает необходимость в охлаждении паров, жидкостей, газов. С этой целью используют теплоносители – воду, воздух, растворы солей (рассолы).

Среди процессов охлаждения наиболее распространенным является конденсация. Конденсацией называется процесс перевода пара в жидкое состояние путем его охлаждения.

Аппараты, в которых происходит конденсация, называются конденсаторами.

Конденсатор представляет собой теплообменник, в котором пар охлаждается холодным теплоносителем. Конденсация применяется с целью ускорения процесса выпаривания, а также для улавливания ценных растворителей и экстрагентов. Охлаждение пара может производиться двояко: 1) непосредственным смешением паров с холодной водой; 2) через стенку теплообменника. Конденсаторы, работающие по первому принципу, называются конденсаторами смешения, по – второму поверхностными.В последних конденсирующийся пар и охлаждающая его вода разделены металлической стенкой.

Выпаривание

Процесс выпаривания заключается в удалении части растворителя или экстрагента в виде пара при помощи нагревания. Этот процесс широко применяется при получении экстрактов. При выпаривании превращение жидкости в пар происходит при температуре ее кипения, которая находится в прямой зависимости от давления. Выпаривание может быть проведено при атмосферном и пониженном давлении.

Выпаривание растворов при атмосферном давлении в открытых выпарных чашах применяется редко, так как удаляющийся вторичный пар загрязняет производственное помещение, а высокая температура процесса и длительность могут привести к потере термолабильных действующих веществ (витамины, гликозиды, алкалоиды и т.д.)

Проведение выпаривания под вакуумом имеет существенные преимущества: снижается температура кипения сгущаемой жидкости, улавливается ценный вторичный пар в виде конденсата.

Аппараты для выпаривания

Для выпаривания применяются аппараты трех типов: шаровые, трубчатые, роторные.

Шаровые вакуум – аппараты (уч. Муравьева т.1, с.108, рис. 58).

Трубчатые вакуум – аппараты отличаются большим конструктивным разнообразием. В трубчатых аппаратах выпаривание происходит в кипятильных трубках, которые обогреваются снаружи греющим паром.

В фармацевтическом производстве находят применение аппарат с центральной циркуляционной трубой и пленочный аппарат.

Вакуум – выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой. (уч. Ивановой т.2, с.65, рис. 5.4).

Пленочный выпарной аппарат(уч. Ивановой т.2, с.67, рис.5.6).

В настоящее время все более широко применяются пленочные центробежные (роторные) вакуум – выпарные аппараты непрерывного действия. Они характеризуются высокой интенсивностью выпаривания растворов вплоть до образования сухих продуктов. Выпариваемая жидкость в зоне нагрева находится кратковременно – в течение нескольких секунд. Для распределения упариваемой жидкости по обогреваемой поверхности используют роторы с жестко насаженными лопастями или скребками (уч Ивановой т.2, с.70, рис.5.8).

Все вакуум – аппараты используются в вакуум – выпарных установках двух типов: 1) с поверхностным конденсатороми 2) с конденсатором смещения, которые представлены на рисунках.Схема вакуум – выпарительной установки с поверхностным конденсатором (уч. Муравьевой т.1, с.110, рис. 61).

Установки первого типа используются в тех случаях, когда вторичный пар содержит пары ценного экстрагента. Конденсируясь в поверхностном конденсаторе, ценный эктрагент собирается в сборниках. Вакуум в установке создается вакуум – насосом. Между ним и сборниками устанавливается ресивер – дополнительный сборник, который предохраняет насос от попадания конденсата. Кроме того ресивер играет роль буфера, создающего плавность при работе всей установки.

Выпарительные установки с конденсатором смешенияиспользуют для сгущения водных жидкостей, при выпаривании которых образуется водяной пар, конденсирующийся в конденсаторе смешения. Схема вакуум – выпарной установки с конденсатором смешения (уч. Муравьевой т.1, с.110, рис. 62).

Процесс сушки

Сушка представляет собой процесс удаления влаги путем ее испарения из твердых, пастообразных материалов, а так же из суспензий и растворов.

На эффективность сушки влияют разные факторы: свойство материала, количество влаги, формы связи ее с материалом, свойством теплоносителя, процессы влагопереноса в материале.

Значение этих факторов рассматривает теория сушки.

Формы связи влаги с материалом существенно влияют на выбор способа и режима сушки. Научно-обоснованная классификация форм связи влаги с материалом выдвинута академиком. П.А. Ребиндером, согласно, которой выделяют:

- химическую связь (ионную, молекулярную);

- физико-химическая связь (адсорбционную и осмотическую);

- физико-механическую связь (структурную, смачивание, капиллярную).

Процесс удаления влаги из материала (сушка) сопровождается нарушением связи ее с материалом, на что затрачивается определенная энергия.

Прочность разных форм связи влаги с материалом различна. Наименее прочно связана с материалом влага смачивания, влага, заполняющая крупные капилляры. Более прочно с материалом связана адсорбционная влага, структурная, осмотическая (внутриклеточная) влага в мелких капиллярах. Наиболее прочно связана с материалом химически связанная влага, которая удаляется при разрушении химической структуры вещества.

Теоретические основы сушки

Статика сушкирассматривает свойства объектов, участвующих в процессе, - высушиваемого материала и теплоносителя (воздуха). Для проведения сушки давление паров влаги у поверхности материала (Рм) должно быть больше парциального давления водяного пара в воздухе (Рп).

Р_М>Р_П

Величина Р_М зависит от влажности материала и формы связи влаги с ним. При сушке влажность материала уменьшается до определенного предела, соответствующему равенству Рм=Рп

Этому состоянию соответствует равновесная влажность, при которой процесс сушки прекращается.

Теплоносителем в процессе сушки является воздух. Воздух, как сушильный агент, характеризуется температурой, влажностью, влаго- и теплосодержанием.

Кинетика сушки рассматривает процесс сушки как массообменныйпроцесс перехода влаги из материала в окружающую среду и выражается уравнением массообмена.

W=KF(P_М­P_П), где

W - количество испарившейся влаги, кг;

K - коэффициент массопередачи;

Рм – парциальное давление водяного пара у поверхности материала;

Рп – парциальное давление пара в окружающем воздухе;

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: