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

 

  f_ЗМ– коэффициент, учитывающий потери мощности при наличии змеевика в  аппарате (принимается в пределах 2.0-3.0);

Если нет змеевика, то f_ЗМ=1

f_Г– коэффициент, учитывающий наличие в аппарате гильзы для термометра (принимается в пределах 1.1 – 1.15);

η – общий КПД привода (принимается в пределах 0,85-0,90);

Масса смеси m, кг, для однократной максимальной загрузки аппарата:

,           (3.5.3)

m_k – масса исходных компонентов (при t → ∞, m_k → 0)

где m_м – масса продукта, кг, определяется по формуле

        ,            (3.5.4)

где ρ_м – плотность продукта, кг/м³;

V_м – объем продукта, м³;

     Плотность среды ρ, кг/м³, в которой происходит перемешивание компонентов:

        ,                (3.5.5)

где С – содержание сухих веществ согласно рецептуре, %:

,     (3.5.6)

где m_c – масса смеси, кг, определим по формуле

,     (3.5.7)

где V_м – объем родукта, м³ ,

   ρ – плотность родукта, кг/м³,

Динамическую вязкость среды, состоящей  из каких-либо добавок и воды, определяют в зависимости от объемного содержания добавок  К.

Если К > 0,1, то

,                                              (3.5.8)

где К - объемное содержание добавок в жидкости. Определяется соотношением объема воды (растворителя) V_м (м³) и объема компонентов V_к (м³)

,     (3.5.9)

  μ_м – динамическая вязкость, Па•с,

N_P – расчетная мощность, потребляемая мешалкой в установившемся режиме, кВт; определяется по критерию мощности:

,                                         (3.5.10)

где K_N- критерий мощности (критерий Эйлера). Определяется по графику в зависимости от числа Рейнольдса.

Число Рейнольдса Re вычисляется по формуле:

,                                      (3.5.11)

где μ – коэффициент динамической вязкости среды, Па·с.

ρ_с – плотность перемешиваемого продукта, кг/м³;

n – частота вращения вала мешалки, об/с;

d_M – наружный диаметр мешалки, м;

Для привода мешалки по числу оборотов и мощности часто используют мотор-редуктор марки 2МПО2М-10ВК-45,5-0,75/4АМХ71В4УЗ мощностью N = 0,75 кВт  и с n = 31,5 об/мин.

   Расчет рабочего органа мешалки на прочность производится следующим образом: определяют силу Р, Н, сопротивления среды действующую на отдельный элемент лопасти мешалки по формуле:

  ,                                            (3.5.12)

где r₀ – расстояние от оси вращения до точки приложения силы Р к концу лопасти, м; r₀= d_M/2;

   z – число лопастей на валу;

   М_КР - крутящий момент на валу мешалки, Н·м, определяемый по формуле:

,

 

 

 

Диаметр вала мешалки d, м,:

  ,                                        (3.5.13)

где - допускаемое напряжение материала на кручение, Па.

Как правило, диаметр валов, полученный из расчета на прочность, бывает невелик. Его искусственно увеличивают и уравнивают с диаметром полого вала электродвигателя.

Изгибающий момент М_изг, Н·м, в наиболее опасном сечении у основания лопасти:

  ,                                            (3.5.14)

где r_в – радиус вала мешалки, м.

Необходимый момент сопротивления  W, м³, определяется по формуле

,                                        (3.5.15)

Толщина лопасти δ, м,:

  ,                                             (3.5.16)

 где b- ширина лопасти, м.

3.6 Опоры аппарата

Емкость устанавливается на раму при помощи опор-лап (рис. 3.6).

 

Рис. 3.6.  Схема опоры-лапы аппарата.

 

Предварительно определяется вес G_общ , МН, аппарата по формуле:

,      (3.6.1)

где G₁ – вес корпуса аппарата, МН, определяемый по формуле:

,     (3.6.2)

где m_к – масса корпуса аппарата, г, рассчитываемая по формуле:

,   (3.6.3)

где S₁ и S2 – толщина стенки цилиндрического и конического днища аппарата соответственно;

     m_жк – масса жидкости в корпусе аппарата, кг, рассчитываемая по формуле

        ,             (3.6.4)

где V – объем аппарата,

r_с – плотность среды в аппарате,

y - коэффициент заполнения аппарата жидкостью,

С учетом веса аппарата принимаем число опор.

Gобщ/n - усилие, действующее на одну опорную лапу.

n – число опорных лап

Тип опоры 1: Q = 10 кН. Опоры установлены на корпус аппарата без подкладного листа (S_н = 0).

Усилие, действующее на одну опорную лапу F₁, МН,:

,   (3.6.5)

где М – момент, действующий  на одну опору,

е – расстояние между точкой приложения усилия и обечайкой, м,:

,      (3.6.6)

где b – длина опорной лапы,

 S₀ – толщина стенки аппарата в конце срока службы, м, определяемая по формуле:

,     (3.6.7)

 S_н – толщина подкладного листа.

Несущую способность обечайки в  месте приварки опорной лапы без  подпорного листа следует проверять по формуле:

      (3.6.8)

где [F₁] – допускаемое усилие на опорный элемент в условиях эксплуатации, МН, определяемое по формуле:

,     (3.6.9)

где К₇ – коэффициент, определяемый по специальной таблице,

h – высота опоры, (так же определяется по таблице)

[s_i] – предельное напряжение изгиба, МПа, определяемое по формуле:

,    (3.6.10)

где n_Т – запас прочности в пределах текучести;

К₂ – коэффициент, принимаемый равным 1,2 (для рабочих условий);

К₁ - коэффициент, определяемый в зависимости от значений n₁ и n₂;

n₁ – коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба. Для опорных лап без подкладного листа принимают ;

n₂ – коэффициент, учитывающий степень нагрузки общими мембранными напряжениями. Определяется по формуле:

,      (3.6.11)

где - общие мембранные напряжения, МПа. Определяются по формуле:

,      (3.6.12)

Условие должно выполняться.

Для изготовления рамы используют трубы стальные квадратные              

50 5 ГОСТ 8639-82 Ст3.

Поскольку трубы расположены вертикально и на них действует вес оборудования, проводится проверка труб на смятие по условию:

,                                         (3.6.13)

где [σ_см] – допускаемое напряжение смятия, Н/мм², (Для Ст3 [σ_см]=110 Н/мм² )

P – общий вес установки, Н, учитывая вес емкости и продукта, двигателя, мотор-редуктора, а так же ориентировочно вес ротора и самой рамы.

F – площадь поперечного сечения трубы, мм²,

При выполнении условия трубы обеспечивают запас прочности.

        Вышеперечисленные параметры используются в инженерных расчетах для совершенствования старых и создания новых конструкций РПА (ПАРТ) [15].

                             4. Ремонт и монтаж установки

    Сборка установки производится на заводе-изготовителе или в отдельном цехе. Сборка осуществляется по чертежам общего вида, сборочным чертежам и другим техническим документам. Начинать сборку следует с изготовления емкости, сваркой листового материала. Сварка емкости проводится ручной либо автоматической дуговой сваркой. Крышка приваривается на шарниры после помещения в емкость мешалки и сборки подшипникового узла. После присоединения крышки привариваются штуцера и опоры-лапы. По сборочному чертежу изготавливается ротор-статор, валы крышка, отбойный диск и другие детали. Производится балансировка ротора, подгоночные операции ротора и других деталей друг к другу. Изготавливается рама. Далее устанавливаются и крепятся все узлы, детали, двигатель на раму и мотор-редуктор на емкость. Подключаются приборы автоматики, питание, подводятся трубопроводы. Производятся испытания, в ходе которых выявляются неполадки, неточности изготовления, что впоследствии устраняется. Оформляется соответствующая документация.

Транспортировка осуществляется автотранспортом  в вертикальном положении. Разгрузка и установка на фундамент осуществляется тельфером или другим подходящим грузоподъемным устройством за проушины, раму или опоры-лапы. Регулировка вертикального положения на фундаменте производится опорами-болтами. Далее производится присоединение трубопроводов, подвод электропитания, подключение средств автоматизации к щиту управления, настройка оборудования. Текущий ремонт установки сводится к смене через каждые 4000 часов работы масла в редукторе, смене по необходимости торцевого уплотнения и периодической смазке подшипника вала мешалки. Смена торцевого уплотнения производится после обнаружения течи продукта, либо обнаружении разбрызгивания продукта отбойным диском. Не разрешается оставлять на длительное время заполненную емкость при неработающем роторе-статоре [14].

 

 

   5. Применение РПА в фармацевтической промышленности

5.1. Экстрагирование с помощью РПА

При работе РПА отмечается интенсивное  механическое воздействие на частицы сырья, возникает эффективная турбулизация и пульсация потока. В технологической схеме РПА установлен в циркуляционном контуре, замкнутом на экстрактор с мешалкой (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Устройство установки с РПА.

1 — РПА,   2 — экстрактор,   3 — питатель   шнековый   для   подачи   сырья, 4 — двигатель.

 Экстрактор и трубы циркуляционного  контура могут быть снабжены  паровой рубашкой для нагревания или охлаждения обрабатываемой среды. Сырье загружают на ложное дно экстрактора и заливают экстрагентом. При работе РПА жидкая фаза поступает в него из нижней части экстрактора, а сырье подастся и дозируется шнеком — питателем, установленным на торце над его днищем. Из РПА пульпа поднимается вверх и через штуцер в крышке экстрактора вновь заполняет его. Процесс повторяется до получения концентрированного извлечения.

При использовании РПА происходит совмещение операций экстрагирования  и диспергирования. Это в ряде случаев позволяет исключить предварительное измельчение сырья и значительно сократить материальные потери. РПА дает возможность интенсифицировать процесс экстрагирования сырья. В качестве экстрагентов применяют: дихлорэтан, метилен хлористый, масла растительные и минеральные.

Эффективно использование РПА  в производстве масла облепихи, настоек  календулы, валерианы, танина из листьев скумпии, комплекса каротиноидов из плодов шиповника, оксиметилантрахинонов из коры крушины ломкой и других препаратов. Во всех случаях повышается производительность процесса и увеличивается выход действующих веществ.

Для экстрагирования лекарственного сырья предложена технология, включающая работу нескольких РПА и аппаратов для разделения твердой и жидкой фаз (рис. 5.11). Установка состоит из трех ступеней, каждая из которых представляет собой сочетание трех элементов: экстрактора с мешалкой, РПА и центрифуги. Она может работать периодически и непрерывно. Сырье поступает в РПА (3) из бункера  (1), с помощью шнека  (2), на него подается промежуточный экстракт из  центрифуги   (9). После измельчения в  среде  экстрагента   смесь  передается   в  экстрактор (4)   первой   ступени   установки,   соединенной   с   РПА (5). При непрерывной работе установки одновременно с циркуляцией смеси через РПА  (5)   часть ее поступает  в   центрифугу   (6),   из  которой   получают  готовый продукт.  Шрот и одновременно экстракт из третьей  ступени   установки  и  центрифуги   (12)   направляется в экстрактор (7). После циркуляции через РПА (8) обрабатываемый материал попадает в центрифугу (9), экстракт — в РПА (3), а шрот вместе со свежим экстрагеном — в   экстрактор   (10),   затем   через   РПА (11) в центрифугу (12), а оттуда — в экстрактор (7). Отработанное сырье удаляется из установки. Экстрагирование с помощью РПА сокращает время, затрачиваемое на производство экстракционных препаратов в  1,5—2 раза, повышает качество готового продукта. Получение танина из чернильных орешков по данной   технологии   увеличило   его   выход   и   привело   к значительному экономическому эффекту — 6 000 000 руб. в год.