Роторно-пульсационные аппараты, их схемы и применение в фармацевтической технологии

 

Рис. 1.3 - Схема пульсационного аппарата роторного типа с дополнительными каналами.

Обрабатываемая среда  поступает через патрубок 4 самотеком в полость ротора 9. Затем возможны два пути следования обрабатываемой среды. В первом случае, когда каналы ротора 10 совпадают со сквозными каналами статора 8, среда проходит через каналы 10 и 8 в рабочую камеру 11 и выводится из аппарата через патрубок 2.

 Во втором случае, когда каналы ротора 10 совпадают с глухими каналами статора 6, среда через каналы 10, 6, 7, поступает в патрубок входа 4. Глухие каналы 6 расположены равномерно между сквозными каналами 8, поэтому при вращении ротора 9 происходит поочередная реализация двух случаев движения обрабатываемой среды [8].

С целью интенсификации процессов  эмульгирования была разработана конструкция роторного аппарата, в которой в качестве дополнительного источника колебаний использовали пластину, обтекаемую потоком обрабатываемой среды. Наиболее рациональным, если говорить об уменьшении потерь акустической энергии и увеличении интенсивности обработки, местом расположения пластины является канал статора. В канале статора обрабатываемая среда имеет высокую скорость течения, и поток среды сформирован. Настройку пластинчатого излучателя в канале статора можно осуществить подбором геометрических и физических параметров пластины и перемещением пластины вдоль радиальной оси канала статора. Схема такой конструкции ПАРТ показана на рисунке 1.4.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4 – Схема пульсационного аппарат роторного типа

                        с упругими пластинами.

             Преимущества расположения пластины в канале статора следующие: канал статора является наиболее близкой к прерывателю, а поэтому и более активной частью аппарата; вся обрабатываемая среда проходит через каналы статора и подвергается воздействию колебаний, генерируемых, упругой пластиной, в небольшом объеме, ограниченном стенками канала статора, что приводит к увеличению плотности акустической энергии. Таким образом, среда в рассматриваемой конструкции аппарата обрабатывается: в малом объеме канала статора, что приводит к увеличению плотности акустической энергии, и двумя источниками акустических колебаний: прерывателем аппарата и упругой пластиной, обтекаемой потоком [13].

Увеличение турбулизации обрабатываемой жидкости за счет выполнения каналов статора в виде последовательных сужений и расширений. Такая форма каналов статора обеспечивает изменение скорости жидкости: в сужении она больше, а в расширении - меньше. При этом возникают турбулентные пульсации с произвольно направленными векторами скоростей. Это вызывает увеличение относительной скорой и обтекания частиц гетерогенной среды. Увеличение относительной скорости обтекания уменьшает диффузионный слой и увеличивает касательные напряжения на частице, что приводит к интенсификации процессов эмульгирования, диспергирования и массообмена. Кроме того, при срыве потока при резком расширении канала развивается гидродинамическая кавитация, интенсифицирующая гидромеханические и массообменные процессы [10].

Форма расширения канала статора в виде кольцевой проточки и смещение сужений относительно друг друга (рис. 1.5) обеспечивают резкое изменение направления потока среды, исключают образование застойных зон и способствуют интенсивному смешению потоков в каналах статора.

 

 

 

Рис. 1.5 – Схема пульсационного аппарат роторного типа

                          с сужениями и расширениями.

Логическим развитием повышения  эффективности работы ПАРТ за счет использования дополнительных акустических излучателей является конструкция канала статора в виде сопла с цилиндрическими резонаторами.

 

Рис. 1.6 – Схема пульсационного аппарата роторного типа с вихревыми каналами статора в виде сопла и резонаторами.

Канал статора выполнен в виде сопла  и имеет в ссуженной части  два цилиндрических резонатора, соединенных с ним (рис. 1.6). Работа канала статора в качестве генератора акустических колебаний основана на высокой чувствительности плоских течений к боковому давлению. То есть при небольшом изменении давления у корня струи, поток заметно меняет свое направление. Тангенциально расположенный цилиндрический резонатор с продольной прорезью можно рассматривать как объемный, частота которого зависит от его диаметра [12].

                          2.  Технологические параметры РПА

2.1  Диаметр аппарата

Определение производительности установки по объему емкости, необходимому по технологии.

В зависимости от производимого  продукта загружают различное количество компонентов. Учитывая их массовое содержание и плотность определяют рабочий объем V_р,м³, компонентов по формуле

;      (2.1.1)

где m – масса компонентов;

    Учитывая, что необходим запас объема, вычисляют объем аппарата V, м³ конструктивно. Объем аппарата, тогда равен:

;      (2.1.2)

        Ψ - коэффициент заполнения аппарата (в среднем равен 2Vp)

Учитывая необходимый объем, принимают конструктивно внутренний диаметр аппарата.

 

2.2 Тепловой параметр 

      (количество  теплоты необходимое для нагрева  продукта)

Подача воды в теплообменную  рубашку осуществляется от внутреннего горячего трубопровода с давлением не более 0,3 МПа и температурой 50-80 ⁰С. Количество теплоты Q, кДж, необходимое на нагрев продукта:

,     (2.2.1)

где с – удельная теплоемкость смеси, кДж/(кг*К).

 t₂ – максимальная температура смеси, ⁰С;

 t₁ – минимальная температура смеси, ⁰С;

 

2.3 Производительность  аппарата

 

Максимальную часовую производительность оборудования q_час, м /ч.:

,     (2.3.1)

где τ – время, ч, необходимое  на выполнение всех операций для

смешивания компонентов. Определяется по формуле

,    (2.3.2)

где τ_заг – время, ч, необходимое на загрузку жидкости и сухих компонентов;

  τ_раб – время, ч, работы роторно-пульсационной установки по перемешиванию компонентов;

  τ_выг – время, ч, необходимое на выгрузку смеси;

 

                         3.  Конструктивные параметры

3.1 Зависимости к определению  параметров корпуса емкости

    В связи с тем, что рабочая среда в аппарате химическая, то корпус емкости, а так же все детали, соприкасающиеся с продуктом изготавливаем из легированной стали 08Х18Н10Т.

А так как в качестве теплоносителя  в рубашке используется вода, то материалом для неё,  для конического сопряжения корпуса аппарата и рубашки выбираем Сталь 20. Ёмкость изготавливается с коническим днищем и плоской крышкой (рис. 3.1).

 

 

Рис. 3.1 – Ёмкость аппарата.

Основные технические характеристики емкости РПА (ПАРТ):

• диаметр корпуса;
• объем аппарата;
• давление в корпусе аппарата;
• давление в рубашке аппарата ;
• температура в корпусе аппарата;
• температура в рубашке аппарата;

Допускаемое напряжение [s], МПа:

[s] = h×s*,         (3.1.1)

s*- нормативное допускаемое напражение при данной температуре (табличная величина)

где h - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки. Для листового проката h = 1.

 

Диаметр D₂ , м, рубашки:

D₂ = D + (100¸200).    (3.1.2)

Высота L, м, цилиндрической обечайки:

,    (3.1.3)

где V – объём аппарата,

  D – внутренний диаметр аппарата,

Высота столба жидкости в цилиндрической части аппарата с коническим днищем l_ж, м, определяется по формуле

,    (3.1.4)

Расчетная длина цилиндрической обечайки с коническим днищем l_р, м, определяется: l_p = lж

    3.2 Толщина цилиндрической обечайки  корпуса емкости

 

Рис. 3.2 – Схема корпуса емкости.

Толщина цилиндрической обечайки S_p, м:

а) при действии внутреннего давления.

,    (3.2.1)

где Р_р – расчетное давление, Р_р = 0,1 МПа;

        D – диаметр цилиндрической обечайки, по заданию

j - коэффициент прочности сварного шва, j = 0,95

б) при действии наружного давления

,     (3.2.2)

                где К₂ – коэффициент, определяемый по номограмме с учетом значений коэффициентов К₁ и К₃;

   Р_н.р – расчетное наружное давление,

,     (3.2.3)

где n_y – коэффициент запаса устойчивости, для рабочих условий;

      Е – модуль продольной упругости, для стали 08Х18Н10Т                           (Е = 2×10⁵ МПа).

.     (3.2.4)

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки, м, определяется из условия

S > max(S_p; S_р.н) + С

где С – конструкционная добавка (принимается конструктивно).

Проверка расчетной толщины производится по условию устойчивости:

,     (3.2.5)

Допускаемое внутреннее давление [P], МПа, на обечайку корпуса:

,     (3.2.6)

Условие P < [P] должно выполняться.

 

 

 

 

 

 

 

   3.3 Толщина стенки рубашки аппарата

Толщина стенки рубашки аппарата зависит от объема емкости аппарата и соответственно от внутреннего давления на обечайку рубашки (рис. 3.3).

Рис. 3.3 – Схема стенки рубашки аппарата.

Исполнительная толщина обечайки S_p, м, рубашки определяется по формуле:

,     (3.3.1)

             где D₂ – диаметр рубашки аппарата;

D₁ – диаметр цилиндрической обечайки аппарата,

Исполнительная толщина конической S_p2k, м, обечайки рубашки:

,    (3.3.2)

Допускаемое внутреннее [P]_р.ц, МПа, давление на обечайку рубашки:

,     (3.3.3)

Стандартное значение S₂  = 5 мм.

 

 

 

 

Допускаемое внутреннее давление на коническую обечайку рубашки [P]_р.к, МПа:

 

,     (3.3.4)

 Толщина рубашки обеспечивает запас прочности по давлению.

 

  3.4 Параметры цилиндрической теплообменной рубашки

Внутренний диаметр цилиндрической рубашки:

                                                         (3.4.1)

Толщина стенки теплообменной рубашки:

                                                                          (3.4.2)

где расчетная толщина стенки рубашки, мм:

                                                             (3.4.3)                                                        

где    - коэффициент прочности сварного шва,

         - расчетное давление в рубашке, Р_р.руб = Р_н.р  , стандартное значение 0, 163 МПа.

    - допускаемое напряжение при статических однократных нагрузках, для рабочего состояния:

                               (3.4.4)

где   для листового проката;

       - нормативное допускаемое напряжение.

3.5 Мешалка

    Мешалка представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал. Выбираем якорную мешалку (рис. 3.5), так как якорные мешалки относят к тихоходным, частота их вращения составляет 20-90 мин^-1, окружная скорость на конце лопасти для вязких жидкостей составляет 2-3м/с. Якорные мешалки, наружный контур которых соответствует очертаниям днища и корпуса аппарата,  применяют для перемешивания вязких сред и  в случае подогрева через рубашку, для предотвращения пригорания продукта на стенку сосуда.

 

Рис. 3.5 – Схема мешалки (якорной).

Учитывая большой диаметр емкости  и технологию принимаем число  оборотов вращения мешалки n=30 об/мин.

Установочная мощность электродвигателя N_эл, кВт, для мешалки ориентировочно определяется по формуле

   (3.5.1)

где k – коэффициент запаса мощности на пусковой момент (принимается в пределах 1.1 – 1.3);

f_Н – коэффициент, учитывающий высоту уровня жидкости  аппарате:

          ,     (3.5.2)

где Н – высота слоя, м; Н=l_ж=0,89м;

      D – внутренний диаметр аппарата, м,

f_Ш– коэффициент, учитывающий шероховатость стенок  аппарата (принимается в пределах 1.1 – 1.2);