МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра фармацевтической химии и фармацевтической технологии РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: «Тепловы процессы. Выпаривание. Сушка» Выполнила: студентка 5 курса 507 группы фармацевтического факультета ВО Наталич Наталия Евгеньевна Воронеж 2020 Введение На современном рассматривать этапе без фармацевтическую учета явлений промышленность тепло- и нельзя массопереноса. Рассмотрение вопросов теплофизики, тепло- и массопереноса в их тесной связи с технологией является основным звеном, определяющим все дальнейшие стороны процессов Вопросы интенсификации в подвода иоптимизации фармацевтической и отвода тепла в ряде технологических промышленности. производств играют исключительную роль. Так, с помощью подвода или отвода тепла происходит управление процессами разделения гомогенных систем (выпаривание, перегонка, ректификация и др.). Для тепловых процессов на производствах характерен широкий диапазон температур и количества передаваемоготепла, что требует применения различных способов передачи тепла и материалов, наилучшим образом обеспечивающих этот процесс. Целью данной работы является рассмотрение особенностей процессов теплообмена в фармацевтической технологии. Задачами работы является: 1. рассмотрение основных понятий и определений тепловых процессов, изучение 2. механизмов изучение передачи основ тепла; теплопередачи; 3. анализсовременных теплоносителей в фармацевтической технологии; 4. рассмотрение теплообменных аппаратов, их классификации 5. изучение процессов теплообмена . Тепловые процессы Тепловые процессы – это процессы, сопровождающиеся передачей тепла от одного вещества к другому. Скорость тепловых процессов опеределяется скоростью подвода или отвода тепла. Перенос теплоты между телами с различной температурой, называют теплообменом. Аппараты, в которых протекают тепловые процессы, называют теплообменными. Вещества или среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание жидкостей) и др. Горячими теплоносителями могут быть вода, водяной пар, горячие газы и т. п. В качестве охлаждающих средств чаще всего используют воду и рассолы. Тепловые процессы протекают при различных температурах, однако тепло может передаваться самостоятельно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Разность температур между телами, являющаяся движущей силой процесса теплопередачи называется температурным напором. Правильное и экономичное протекание технологического процесса может требовать подвода теплоты выделяющегося тепла. (ее затраты) или, наоборот, отведения Количество передаваемого тепла зависит от размера теплопередающей поверхности и может распространяться различными способами: Теплопроводность Теплопроводность – перенос теплоты в результате движения молекул, атомов, свободных электронов и др. При этом тепловая энергия передается от одной частицы к другой при их колебательном движении без перемещения друг относительно друга. Кинетика теплообмена, происходящего в результате теплопроводности, описывается уравнением Фурье: Кинетика теплообмена, происходящего теплопроводности, описывается уравнением Фурье: Q t1 t 2 в результате F , где λ – коэффициент теплопроводности, Дж/м · с · С; t1 – температура поверхности нагревающейся стенки,С; t2 – температура поверхности стенки, отдающей тепло,С; δ – толщина стенки, м; F – площадь поперечного сечения тела в направлении, перпендикулярном направлению теплового потока, м2; τ – время, с. Из уравнения следует, что количество тепла, переданное теплопроводностью, прямо пропорционально разности температур по обе стороны стенки, площади сечения, времени и обратно пропорционально толщине стенки Q (t1 t2 )F Коэффициент теплопроводности означает количество тепла в джоулях, проходящее через стенку толщиной 1 м в течение 1 с при разности температур в 1 С и площади поверхности 1 м2. Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала (среды) и от температуры. С повышением температуры теплопроводность большинства металлов и газов возрастает, жидкостей – уменьшается. Числовые значения коэффициентов теплопроводности приводятся в специальных таблица. Конвекция При конвективном теплообмене носителем энергии является движущаяся среда (теплоноситель). Различают принудительную конвекцию, обусловленную действием внешней силы (например, создаваемой насосом, вентилятором), и естественную, движущей силой которой является разница плотностей теплоносителя, обусловленная изменением температуры в объеме среды. Конвективный теплообмен заключается в теплоотдаче, т. е. в переносе теплоты из объема подвижной среды к граничащей с ней стенке (или в противоположном направлении) или к другой, не смешивающейся подвижной среде. Кинетика конвективного теплообмена описывается законом Ньютона: Q = α · (tж- tст) ·F·τ, где Q – количество тепла, переданное от теплообменной поверхности к жидкости (газу) или от жидкости (газа) к теплообменной поверхности, Дж ; α – коэффициент теплоотдачи, Дж/м2 · с · tж – температура жидкости, С; С; tст – температура поверхности стенки, С; F – площадь теплообменной поверхности, м2; τ – время, с. Из уравнения следует, что количество тепла, переданного конвекцией, пропорционально разности температур между теплообменной поверхностью и жидкостью, площади поверхности и времени. Коэффициент теплоотдачи α показывает количества тепла, Дж, переданное от теплообменной поверхности с площадью 1 м2 в течение 1 с при разности температур между поверхностью и жидкостью в 1 С. Коэффициент теплоотдачи α зависит от теплофизических свойств среды и условий ее движения. Лучеиспускание (излучение). Теплообмен излучением происходит в результате переноса энергии в форме электромагнитных колебаний. Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше 0 К. В результате теплообмена тела с меньшей температурой приобретают дополнительное тепло за счет энергии тел с большей температурой, т.е. лучистая энергия переходит в тепловую. Разные тела обладают различной способностью поглощать лучи и излучать их. Тело, способное поглощать полностью тепловые лучи и обладающее максимальной способностью к излучению, называется абсолютно черным. Тело, совершенно не обладающее поглощающей способностью и отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым. Тело, пропускающее всю падающую на него энергию, называют абсолютно прозрачным. Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела определяется по закону Стефана-Больцмана: Q = С · F (Т/100)4, где Q - лучеиспускательная способность абсолютно черного тела; С – коэффициент излучения , для абсолютно черного тела он равен 5,68 Дж/м2(с ·К4) F – поверхность излучающего тела; Т – абсолютная температура излучающего тела, К. Закон Стефана-Больцмана применим и к реальным (серым) телам. Отношение коэффициента излучения серого тела к коэффициенту излучения абсолютно черного тела при той же температуре называется относительной излучательной способностью или степенью черноты тела и выражается величиной ε. Лучеиспускательная способность тела зависит от свойств тела и от его температуры. Сложный теплообмен На практике перечисленные виды теплообмена редко наблюдаются раздельно; в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются совместно, такой процесс называют сложным теплообменом. Например, сложный теплообмен наблюдается при передаче тепла от горящего топлива к поверхности нагрева посредством излучения и конвекции. Через металлические стенки котла тепло передается теплопроводностью, а от внутренних поверхностей котла – воде путем конвекции. В тепловых процессах распространение тепла в большинстве случаев осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением или хотя бы двумя из них. Такой процесс называют сложным теплообменом. Если температура теплоотдающей стенки tст и температура тепловоспринимающей жидкости и ее пограничного слоя у стенки tж, то общее количество тепла Q , отдаваемое стенкой в единицу времени, за счет конвективного обмена и теплоотдачи за счет теплового излучения можно рассчитать как сумму Q конв. + Q изл. Подставив соответствующие обозначения из формул, приведенных ранее, получим, что общее количество тепла, отданное стенкой в еди¬ницу времени, составит Q = α общ. • (tст — tж [) F, . где α общ. — коэффициент теплоотдачи, учитывающий распространение тепла конвективным теплообменом и тепловым излучением. Нагревание водяным паром Процесс нагревания широко применяется при производстве лекарственных препаратов. Прямыми источниками тепла служат дымовые (топочные) газы и электрический ток. С помощью этих источников получают непосредственные теплоносители: горячую воду, водяной пар, минеральные масла и др. Дымовыми газами обогреваются паровые котлы, являющиеся источниками получения водяного пара и горячей воды. Основным теплоносителем в фармацевтическом производстве является водяной пар. Водяной пар как теплоноситель. Водяной пар является наиболее широко используемым горячим теплоносителем при нагревании до температуры 150÷170 °С. Для промышленных целей водяной пар получают в паровых котлах, где происходит нагрев и испарение воды под давлением. При подведении к воде тепла температура ее возрастает до температуры кипения. Температура кипения зависит от давления, при котором идет подогрев. При дальнейшем подводе тепла происходит испарение кипящей воды. Во все время парообразования температура воды и образующегося пара постоянна и равна температуре кипения. В результате процесса получается насыщенный водяной пар, который может быть влажным и сухим. На испарение 1 кг уже закипевшей воды расходуется определенное количество тепла, называемого скрытой теплотой испарения или теплотой парообразования — r (ккал/кг) Теплосодержание или энтальпия пара определяется количеством тепла в джоулях, которое содержится в 1 кг пара (Дж/кг). Теплосодержание пара зависит от давления, возрастая с его увеличением. Водяной пар вырабатывают в паровых котлах, в которых происходит нагрев и испарение воды под давлением. Паровые котлы вырабатывают насыщенный пар, т. е. пар, имеющий максимальную плотность и упругость при определенном давлении и температуре. Насыщенный пар может быть влажным и сухим. Влажным насыщенным паром называется пар, получающийся при незаконченном парообразовании и состоящий из смеси пара с капельками воды; температура влажного насыщенного пара равна температуре кипящей воды. Сухим насыщенным паром называют пар, который получается при законченном парообразовании. Его температура также равна температуре кипящей воды. Сухой пар характеризуется неустойчивостью состояния – он переходит либо в состояние влажного насыщенного пара (при охлаждении) либо при подводе тепла – в состояние перегретого пара. Перегретым паром называется пар, который имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар при том же давлении. При движении перегретого пара по паропроводу снижается его температура, но в отличие от сухого пара, он не конденсируется. Превращение воды в пар при температуре ее кипения связано с расходом определенного количества тепла, не улавливаемого термометром. Тепло, которое расходуется на превращение воды в пар, называется скрытой теплотой испарения. Полная теплота парообразования складывается из количества тепла, расходуемого для подогрева воды до кипения (энтальпия воды) и из скрытой теплоты испарения. Общее количество тепла, расходуемого на парообразование, соответствует теплосодержанию пара. Таким образом, теплосодержание или энтальпия пара определяется количеством тепла в джоулях, которое содержится в 1 кг пара, зависит от давления и возрастает с увеличением давления. Способы нагревания водяным паром Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром насыщенный пар вводят непосредственно в обогреваемую жидкость по трубе или трубкам с мелкими отверстиями. Греющий пар конденсируется и отдает тепло нагреваемой жидкости, а образующийся конденсат смешивается с жидкостью. Нагревание «острым» паром применяют в тех случаях, когда разбавление жидкости водой не имеет существенного значения. Расход «острого» пара при нагревании жидкости водой рассчитывают по уравнению теплового баланса. gct1 + Di = gct2 + Dcвt2 + Qnτ, где g – количество нагреваемой жидкости, кг; с – теплоемкость нагреваемой жидкости, кДж/(кг · С); св – теплоемкость конденсата, кДж/(кг · С); t1 – температура жидкости до нагревания, С; t2 – температура жидкости после нагревания, С; D – расход греющего пара, кг; Qn – потери тепла аппаратом в окружающую среду, кДж/с τ – продолжительность нагрева, с. Исходя из данного уравнения, можно найти расход греющего пара D. Нагревание «глухим» паром. Нагревание «глухим» паром применяют в тех случаях, когда жидкость нельзя разбавлять или между жидкостью и паром недопустим контакт. Жидкость нагревают паром через разделяющую их стенку в аппаратах с «рубашками», змеевиками и т. д. Расход «глухого» пара рассчитывают также по уравнению теплового баланса: gct1 + Di = gct2 + Dcвtв + Qnτ, где D – расход греющего пара, кг; g – поток нагреваемой жидкости, кг/с; cвtв – теплосодержание конденсата, имеющего температуру tв и отводимого из парового пространства нагревателя. Нагревание топочными газами Нагревание топочными газами относится к наиболее давно применяемым способам нагрева. В химико-фармацевтическом производстве в последнее время применяется редко из-за существенных недостатков этих газов: неравномерности нагрева, трудности регулирования температуры обогрева, низких коэффициентов теплоотдачи от газа к стенке, возможности загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива. Этот способ применяют для получения пара в паросиловых цехах (котельных), которые есть почти на всех фармацевтических предприятиях. Топочные газы, получаемые при сжигании топлива, используют для нагревания до высоких температур (от 700 до 1000 °С). Нагревание минеральными маслами используют масла, имеющие высокую температуру вспышки - до 310 °С (цилиндровое, компрессорное, цилиндровое тяжелое). Масла считаются наиболее дешевым органическим теплоносителем, однако им присущи определенные недостатки: низкий коэффициент теплоотдачи, подверженность термическому разложению и окислению. Для получения необходимых тепловых нагрузок разность температур между теплоносителем и нагреваемым материалом должна быть не ниже 15÷20 °С. Нагревание электрическим током Подразделяют на нагревание: электрической дугой, сопротивлением, индукционным током, диэлектрическое. Нагревание электрической дугой применяется в дуговых печах и позволяет получать высокие температуры (1500÷2000 °С и более). Нагревание электрическим сопротивлением - наиболее часто используемый способ нагрева, который осуществляется в электрических печах, при пропускании тока через термоэлектронагреватели (ТЭНы), выполненные в виде закрытых или открытых проволочных спиралей. Нагрев ТЭНами позволяет достигать температур в пределах до 1100 ° С. Нагревание индукционными токами основано на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко. Диэлектрическое нагревание или высокочастотное нагревание основано на том, что при воздействии на диэлектрик (непроводник электрического тока) переменного электрического поля определенная часть энергии расходуется на преодоление трения между молекулами диэлектрика и преобразуется в тепло. В результате диэлектрик нагревается. Процессы охлаждения 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 используется при естественном и искусственном охлаждении (с помощью вентилятора). Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом, она обладает высокой теплоемкостью, большим коэффициентом теплоотдачи и доступностью. Охлаждение паров проводят в конденсаторах. Объем получаемого конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого он получился. В конденсаторе создается понижение атмосферного давления, разряжение увеличивается с понижением температуры конденсации. По принципу охлаждения конденсаторы делятся на конденсаторы смешения и поверхностные. 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. 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. Теплообменные аппараты В химико-фармацевтическом производстве тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей, газов, конденсация паров осуществляются в теплообменных аппаратах. Аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим, называются теплообменниками. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Среды с более высокой температурой называются горячими теплоносителями, а среды с более низкой температурой - холодными. Классификация теплообменников По способу передачи тепла: 1) поверхностные, или рекуперативные, в которых теплообменивающие среды разделены теплопроводящей стенкой; 2) смесительные, в которых теплообмен осуществляется при непосредственном контакте смешивающих сред. В зависимости от конструкции поверхностные теплообменники подразделяются на: трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой и теплообменники с ребристой поверхностью (калорифер). Трубчатые теплообменники делятся на: кожухотрубные, «труба в трубе», оросительные, змеевиковые (погружные). Теплообменные аппараты, их классификация и область применения. К теплообменным аппаратам относятся устройства, в которых один теплоноситель отдает свое тепло другому при непосредственном соприкосновении (смесительные) или через поверхность разделяющей их стенки(поверхностные). В зависимости от назначения теплообменные аппараты бывают подогревателями или холодильниками. Аппараты, предназначенные: для передачи тепла от одних веществ к другим, называются теплообменниками. В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы), паром и газом (паровые подогреватели для воздуха), жидкостями (жидкостные холодильники) и др. По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменников: 1) поверхностные, или рекуперативные, в которых теплообменивающие среды разделены теплопроводящей стенкой; 2) смесительные (контактные), в которых теплообмен осуществляется при непосредственном В контакте химико-фармацевтическом поверхностные В и зависимости от смешивающих производстве широко смесительные конструкции поверхностные сред. применяются теплообменники. теплообменники подразделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой и теплообменники с оребренной поверхностью (рис. 4). Трубчатые теплообменники делятся на следующие типы:кожухотрубные, «труба Рис. в трубе», 4. Типы оросительные, змеевиковые поверхностных (погружные). теплообменников Поверхностные теплообменники, их устройство, принцип работы, использование Кожухотрубные в фармацевтическом теплообменники получили производстве широкое применение в промышленности ввиду их компактности, простоты в изготовлении, надежности в работе . Рис.5. Кожухотрубный одноходовой (а) и многоходовой (б) теплообменники: 1 - корпус; 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве. Кожухотрубные теплообменники бывают одноходовыми и многоходовыми. Одноходовой теплообменник представлен на рис. 5, а. Он состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубчатых решеток 2. В трубных решетках закреплен1 пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4. В кожухотрубном теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред (I) движется внутри труб, а другая (II) - в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу: нагреваемую среду - снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Многоходовой теплообменник (б) имеет корпус 1, трубные решетки 2, укрепленные в них трубы 3 и крышки 4. С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, по которым последовательно движется жидкость, проходящая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы осуществляют таким образом, чтобы во всех секциях находилось одинаковое количество труб. Ввиду меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, расположенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника увеличивается (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Следовательно, в четырехходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условияхв 4 раза больше, чем в одноходовом. Для повышения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве (рис. 5, б) применяют сегментные перегородки 6. В горизонтальных теплообменниках указанные перегородки служат одновременно промежуточными опорами для пучка труб. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих В в вышеприведенных теплообмене теплообменниках с закрепленными сред. трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха не исключены деформации труб в местах их закрепления. Поэтому такие теплообменники целесообразно применять при небольшой (до 50С ) разности температур труб и Компенсация кожуха. неодинакового удлинения труб и кожуха достигается установкой линзового компенсатора в теплообменниках применением так называемой плавающей головки и U-образных труб Наличие одной трубной решетки в двух последних конструкциях обеспечивает возможность удаления пучка труб из кожуха для осмотра и очистки межтрубного пространства. Для кожухотрубных теплообменников чаще всего применяют медные и латунные трубы диаметром 26-90 мм и стальные бесшовные трубы диаметром 25-27 мм. Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из нескольких элементов, расположенных один над другим. Рис. 7. Теплообменник типа «труба в трубе»: внешняя труба; 2 - внутренняя труба; 3 - калач; 4- соединительный патрубок. Каждый элемент состоит из наружной трубы 1 и концентрически расположенной в ней трубы 2. Внутренняя и наружная трубы соединены при помощи сальникового уплотнения или сварки. Внутренние трубы элементов соединены последовательнопереходными коленами (калачами) 3. Наружные трубы также соединены последовательно патрубками 4. Среда I движется по внутренним трубам, а среда II - по кольцевым каналам между трубами 1 и 2. Эти теплообменники позволяют осуществить высокую интенсивность теплообмена вследствие большой скорости перемещения сред, однако они громоздки и расходуется много металла для их создания. Межтрубное пространство очищается химическим способом. Оросительные теплообменники в основном применяются для охлаждения жидкостей или конденсации паров и газов. Охлаждаемая жидкость подается в трубы и прокачивается снизу вверх. Если охлаждается пар или газ, то их подают сверху. Устройство указанных теплообменников несложное, но оно громоздко и имеет малый коэффициент теплопередачи. Теплообменник со змеевиком представлен на рис. 9. В цилиндрической емкости 1 размещен змеевик 2, согнутый по винтовой спирали. Витки змеевика крепятся на стойках 3 хомутами 4. Одна из сред протекает по змеевику, другая - через емкость 1. При высоких тепловых нагрузках змеевик размещают в несколько рядов. Змеевиковые теплообменники просты по устройству и доступны для осмотра и ремонта, но имеют невысокий коэффициент поверхности теплоотдачи ввиду свободной конвекции у наружной труб. Внутреннюю полость труб змеевика очищают химическим способом [9]. Рис. 9. Змеевиковый теплообменник: 1 - сосуд; 2 - змеевик; 3 - стойка; 4 хомут Пластинчатый теплообменник состоит из группы штампованных теплообменных пластин 1, подвешенных на горизонтальных штангах 2, концы которых закреплены в стойках 3 и 4. При помощи нажимной плиты 5 и винта 6пластины в собранном виде плотно прижимаются одна к другой через резиновые прокладки 7, приклеенные по периферии пластин и вокруг отверстий для прохода сред. Таким образом, после сборки и сжатия пластин в теплообменнике образуется две системы каналов: одна - нечетная для среды I, а другая - четная для среды II. Обе системы каналов соединены со своими патрубками для входа и выхода потоков. Рабочие поверхности пластин имеют множество выступов различной формы, обеспечивающих турбулизацию проходящих сред. Спиральный теплообменник имеет поверхность теплообмена, образованную двумя металлическими листами 1 и 2, согнутыми в виде спиралей вокруг перегородки 3. По каналам прямоугольного сечения, образованным между листами, движутся среды I и II. С торцов каналы закрыты плоскими крышками 4 и уплотнены прокладками 6. Расстояние между спиралями фиксируется бобышками или дистанционной полосой 7. У наружных концов спиралей и у центра крышки приварены патрубки для ввода и вывода сред. Спиральный теплообменник имеет высокий коэффициент теплопередачи, небольшое гидравлическое сопротивление и отличается большой компактностью. Однако его изготовление сложно и он не пригоден для работы под давлением более 4-5 бар. Теплообменники с оребренной поверхностью применяются в тех случаях, когда условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки различны, например: в трубе происходит конденсация пара с высоким коэффициентом теплоотдачи а, а снаружи трубы омываются нагреваемым воздухом с низким значением а. Чтобы улучшить теплоотдачу от стенки трубы к воздуху, снаружи труб увеличивают поверхность теплообмена, для этого делают оребрение поверхности различной формы. Кожухотрубные теплообменники используются для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром или сжатым газом. Для аналогичных целейприменяются и оросительные теплообменники. Змеевиковые теплообменники часто используются в качестве холодильников для жидкостей, реже - для конденсации сжатых газов. Пластинчатые теплообменники в ряде случаев предпочтительнее аппаратов других типов для теплообмена между жидкостями. Спиральные теплообменники лучше применять для теплообмена между жидкостью и конденсирующимся паром. Теплообменники с оребренной поверхностью, используются главным образом для теплообмена между воздухом и паром или горячей водой. Пластинчатые теплообменники используются для теплообмена между газами при Пластинчатые низком теплообменники фильтр-прессного типа давлении. и спиральные теплообменники при избыточных давлениях до 6- 10 атм в ряде случаев более предпочтительны, чем аппараты других типов при теплообмене между жидкостями, а спиральные теплообменники - при теплообмене между жидкостью и конденсирующимся паром. Контактные теплообменники, использование в их устройство, принцип фармацевтическом работы, производстве В фармацевтическом производстве иногда не требуется получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. В этих случаях используют смесительные теплообменные аппараты или конденсаторы смешения, более простые по устройству и соответственно более дешевые, чем поверхностные теплообменники. Одной из самых распространенных конструкций конденсаторов смешения является сухой полочный барометрический конденсатор работающий при противоточном движении В цилиндрический корпус охлаждающей воды и пара. с сегментными полками снизу через штуцер 3поступает пар. Вода подается через штуцер расположенный навысоте 12-16 м над уровнем земли, и каскадно перетекает по полкам, имеющим невысокие борта. При соприкосновении с водой пар конденсируется. Смесь конденсата и воды сливается самотеком через штуцер 5 в барометрическую трубу 6 высотой примерно 10 м и далее - в барометрический ящик 7. Барометрическая труба и ящик выполняют функции гидравлического затвора, препятствующего проникновению наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется в канализацию через переливной штуцер. Вместе с паром и охлаждающей водой в конденсатор попадает некоторое количество воздуха, кроме того, воздух подсасывается через неплотности фланцевых соединений. Остаточное давление в конденсаторе наиболее часто должно поддерживаться неконденсирующихся газов в пределах может 0,1-4,2 вызвать атм. Присутствие значительное снижение разрежения в конденсаторе. Поэтому неконденсируемые газы отсасывают через штуцер 8 и отделяют от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе ловушке (на рисунке не показана). Отсюда вода также стекает в вертикальную барометрическую трубу и в барометрический ящик. В барометрических конденсаторах иногда вместо сегментных полок применяются полки, представляющие собой чередующиеся круглые диски 9 икольца. Для установок умеренной производительности применяют прямоточные конденсаторы, расположенные на низком уровне. Вследствие этого вода чаще всего засасывается в аппарат под действием имеющегося в нем разрежения и вспрыскивания в корпус через сопло . Пары поступают в конденсатор сверху. Охлаждающая вода и конденсат удаляются центробежным насосом , а воздух отсасывается воздушным насосом . Такие конденсаторы значительно компактнее противоточных барометрических. Однако основной недостаток противоточных аппаратов - большая высота компенсируется меньшим расходом охлаждающей воды и отсасываемого воздуха. Последнееобусловлено более низкой температурой воздуха в этих аппаратах по сравнению с прямоточными конденсаторами. Кроме того, достоинством противоточных барометрических конденсаторов является наиболее простой и дешевый способ отвода удаляемой в канализацию воды. Примером смесительного теплообменника может служить градирня - устройство для охлаждения воды атмосферным воздухом. Градирни применяются главным образом в системах оборотного (циркуляционного) водоснабжения для понижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов, компрессоров и т.д. Охлаждение происходит в основном за счет испарения части воды, стекающей по оросителю в виде пленок или капель под действием сил тяжести. Испарение 1 % воды понижает ее температуру примерно на 6°С. По типу орошения градирни подразделяют на пленочные, капельные и брызгальные, по способу подачи воздуха - на вентиляторные, башенные (в последних создается тяга воздуха при помощи высокой вытяжной башни) и открытые (атмосферные), использующие силу ветра и отчасти - естественную конвекцию для потока воздуха через ороситель . Вентиляторные градирни, в свою очередь, делятся на секционные и отдельно стоящие. Вентиляторные градирни обеспечивают более глубокое и устойчивое охлаждение воды и допускают большие удельные тепловые нагрузки, чем башенные и атмосферные, но требуют дополнительного расхода электроэнергии. Производительность градирни характеризуется величиной плотности орошения - удельного расхода охлаждаемой воды, приходящегося на 1 м2 площади орошения. При проектировании тип, размеры и основные элементы градирни определяются технико- экономическими расчетами в зависимости от количества и температуры охлаждающей В воды фармацевтическом и параметров производстве при атмосферного рекуперации воздуха. экстрагента излекарственного растительного сырья методом перегонки с водяным паром используется смесительный теплообменник. В качестве последнего используют перколятор- диффузор, в котором находится отработанное сырье -шрот. Для рекуперации экстрагента в нижний штуцер перколятора подают острый пар, который, проходя через сырье снизу вверх, подогревает его и, обогащаясь парами экстрагента, выходит из верхней части аппарата. Конденсаторы смешения широко применяются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом, в том числе в вакуум-фильтрах, вакуум-сушилках, выпарных аппаратах. Охлаждение В фармацевтическом производстве очень часто возникает необходимость в охлаждении паров, жидкостей, газов. С этой целью используют наиболее распространенные и доступные теплоносители — воду и воздух. Воздух применяется для естественного и искусственного охлаждения (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. Конденсация 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. Различают два вида конденсации: поверхностную, при которой конденсирующиеся пары и охлаждающий агент разделены стенкой, а конденсация паров происходит на ее внутренней или внешней поверхности, и конденсацию смешением, при которой конденсирующиеся пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом. Поверхностная конденсация Осуществляется в поверхностных конденсаторах, которые конструкционно не отличаются от трубчатых или змеевиковых теплообменников. Они служат для улавливания паров ценного экстрагента или растворителя и работают по принципу 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). Конденсация смешением Осуществляется в конденсаторах смешения путем введения холодной воды в струю движущегося пара. В прямоточных конденсаторах вода и пар движутся в одном направлении, 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. 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). Выводы 1. В фармацевтической технологии используются разнообразные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка. 2. Теплопередача или теплообмен — процесс распространения тепла из одной части пространства в другую. Переход тепла из одной части пространства в другую может осуществляться разными путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Теплопроводность - способ переноса тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц. Конвекция процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. 3. В виде прямых источников тепла в химико-фармацевтической технологии используются чаще всего дымовые газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива и энергию электрического тока. Список литературы 1. Комбинированные процессы при сушке растительного сырья/ Н. В. Ружицкая// Технологический аудит и резервы производства- 2012. - №3. - С. 23-24. 2. Муравьев И.А. Технология лекарств. – М.: «Медицина», 1980. Т. 1 – 704с.С.4. 3. Промышленная технология лекарств: [Учебник в 2-х т., том 2/В.И. Чуешов, М.Ю. Чернов, Л.М. Хохлова и др.]; Под ред. профессора В.И. Чуешова. – X: МТУ КНИГА; Издательство НФАУ, 2002.
