Роторно–пульсационные аппараты, их характеристика, параметры и применение

• Введение
• 1. Характеристика роторно-пульсационных аппаратов (РПА)
• 2. Технологические параметры РПА
• 2.1 Диаметр аппарата
• 2.2 Тепловой параметр (количество теплоты необходимое для нагрева продукта)
• 2.3 Производительность аппарата
• 3. Конструктивные параметры
• 3.1 Зависимости к определению параметров корпуса емкости
• 3.2 Толщина цилиндрической обечайки корпуса емкости
• 3.3 Толщина стенки рубашки аппарата
• 3.4 Параметры цилиндрической теплообменной рубашки
• 3.5 Мешалка
• 3.6 Опоры аппарата
• 4. Ремонт и монтаж установки
• 5. Применение РПА в фармацевтической промышленности
• 5.1 Экстрагирование с помощью РПА
• 5.2 Диспергирование с помощью РПА
• 6. Изготовление линимента бальзамического по Вишневскому с использованием РПА
• Список литературы

Интенсификация химико-технологических процессов (ХТП) является одной из важных задач науки и техники. Основой увеличения производительности оборудования и снижения энергозатрат на проведение ХТП может служить создание и внедрение эффективных технологических аппаратов с малой удельной энергоемкостью и материалоемкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые вещества. Подобные разработки базируются на принципиально новых инженерных решениях, теоретических и экспериментальных исследованиях физико-химических процессов в обрабатываемых средах при интенсивных импульсных воздействиях.

Научной базой для разработки аппаратов с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества должна стать новая методология, учитывающая взаимное влияние энергетических полей, физико-химических эффектов, трансформацию и инверсию видов энергетического воздействия. Учитывая многогранность этих задач, актуальным является анализ комбинаций воздействий и их влияния на интенсивность ХТП. Проблемой, сдерживающей разработку аппаратов для интенсификации ХТП и методов их расчета, является недостаточность систематизации и комплексности в подходе к интенсификации химико-технологических процессов при импульсных энергетических воздействиях, в исследовании комплекса физических, физико-химических и химических явлений, возникающих в обрабатываемых веществах.

Анализ физико-химических эффектов, возникающих при акустическом, механическом, электрическом, магнитном, тепловом, радиационном и химическом воздействиях на вещества показал, что эти воздействия вызывают изменение агрегатного состояния (полное или частичное), изменение физико-химических свойств сплошной фазы, дробление или коагуляцию дисперсных частиц, гомогенизацию среды. Правильно выбранное и управляемое воздействие способствует интенсификации ХТП.

Анализ физических воздействий и физико-химических эффектов, возникающих в результате этих воздействий, позволил выявить общие закономерности их проявления. Приведены описания принципа действия и конструкций машин и аппаратов с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества.

Увеличение скорости технологического процесса и производительности технологического оборудования, снижение его энергоемкости и материалоемкости, улучшение качества продукта — это основные цели, которые ставят перед собой проектировщики и конструкторы при разработке новых или модернизации известных конструкций машин и аппаратов. Для достижения этих целей разрабатывается и изготавливается новое высокоэффективное оборудование, применяются различные физико-химические эффекты и явления на основе научно-технического прогресса и новых технологических подходов в производстве различных продуктов.

Одними из наиболее эффективных способов и методов при решении подобных задач являются импульсные энергетические воздействия на обрабатываемые вещества. Технологическое оборудование, использующее эти эффекты, активно применяется в различных отраслях промышленности, особенно в химической и смежных с ней технологиях.

Под интенсификацией производственных (технологических) процессов в широком смысле понимают получение прямого или косвенного экономического эффекта за счет увеличения производительности, КПД, уменьшения энергоемкости и материалоемкости оборудования, длительности лимитирующих стадий, повышения качества продукта, эргономических и социальных показателей. Все перечисленные параметры являются технико-экономическими и социальными характеристиками (целевыми функциями) интенсификации. При интенсификации ХТП предпринимают целенаправленное изменение какой-либо группы факторов, которые оказывают влияние на целевые функции. Все эти технико-экономические показатели во многом взаимосвязаны друг с другом. Так уменьшение длительности лимитирующих стадий технологического процесса обычно приводит к увеличению производительности, уменьшению энергоемкости и материалоемкости, способствует росту КПД.

В настоящее время одним из перспективных методов интенсификации химико-технологических процессов и повышения эффективности технологического оборудования (ТО) признаются методы, основанные на импульсных энергетических воздействиях с применением различных физико-химических эффектов, использующих внутренние и внешние источники энергии.

роторный пульсационный аппарат фармацевтический

1. Характеристика роторно-пульсационных аппаратов (РПА)

В последнее время появилось много зарубежных и отечественных конструкций РПА различных типов — погружного, встроенного и проходного (проточного) типов.

РПА погружного типа обычно выполняются в виде мешалок, помещаемых в емкость с обрабатываемой средой. Для повышения эффективности перемешивания погружных РПА иногда устанавливают дополнительно к имеющимся мешалкам других типов (например, якорный).

Погружные РПА серийно выпускаются отечественной промышленностью под названием гидродинамических аппаратов роторного типа, а также рядом зарубежных фирм. Несмотря на конструктивную простоту погружных РПА, они не обеспечивают достаточно однородной обработки всей массы продукта.

Наибольшее распространение получили РПА проточного типа, рабочие органы которых смонтированы в небольшом корпусе, имеющем патрубки для входа и выхода обрабатываемой среды. При этом в большинстве конструкций обрабатываемая среда поступает по осевому патрубку во внутреннюю зону устройства и движется в нем от центра к периферии. Известны конструкции РПА, в которых обрабатываемая среда движется в обратном направлении, перемещаясь от периферии к центру. При таком движении степень турбулизации потока возрастает, одновременно с этим повышаются гидравлическое сопротивление аппарата, затраты электроэнергии и разогрев обрабатываемой среды. Отдельные модификации РПА могут иметь рабочие камеры с различным направлением движения потока.

РПА различных типов могут быть выполнены с вертикальным или горизонтальным приводным валом. Вертикальный вал имеет большинство погружных РПА, а также некоторые проточные РПА. Большинство проточных РПА выполняются с горизонтальным валом.

По количеству рабочих камер РПА могут быть однокамерными и многокамерными. Однокамерные аппараты имеют два диска с концентрическими рядами зубьев или цилиндрами с прорезями. Один или оба диска вращаются. В многокамерных аппаратах имеется более двух дисков с зубьями или перфорированными цилиндрами, в результате чего образуется две или более зоны активной обработки среды.

Кроме основных рабочих органов (цилиндров с прорезями, дисков), РПА могут иметь дополнительные рабочие органы, предназначенные для повышения эффективности их работы. Часто в качестве дополнительных элементов используют лопасти-ножи, устанавливаемые на роторе, статоре или корпусе. Лопасти на роторе позволяют значительно улучшить напорно-расходные характеристики РПА, повысить эффективность обработки потока во внутренней зоне и создать дополнительные ступени обработки. Повышение эффективности РПА может быть достигнуто за счет установки в рабочем пространстве дополнительных рабочих органов, не связанных жестко с основными органами. В этом случае используют диспергирующие и другие дополнительные тела, обеспечивающие повышение эффективности диспергирования и степени турбулизации потока. Наличие инертных тел — шаров, бисера, колец и др., приводит к дополнительной интенсификации проводимых процессов измельчения.

Роторно-пульсационный аппарат (РПА) (рис. 1.1) сочетает в себе принципы работы диспергатора, гомогенизатора и центробежного насоса. Путем пульсационных, ударных и других гидродинамических воздействий происходящих в РПА, изменяются физико-механические свойства производимых продуктов, снижается энергопотребление за счет интенсификации технологических процессов.

Роторно-пульсационные аппараты могут поставляться в виде автономных роторно-пульсационных установок. Роторно-пульсационные установки предназначены для тонкого измельчения, многократного перемешивания многокомпонентных (жидких и сухих) сред с целью получения высокодиспергированных эмульсий и суспензий, мазей, линиментов, а так же для интенсификации процессов экстрагирования.

Рис. 1.1 Роторно-пульсационный аппарат (внешний вид).

Принцип работы ротора заключается в следующем. Обрабатываемая жидкость подается под давлением или самотеком через входной патрубок 1 (рис. 1.2), в полость 2, проходит через каналы ротора 3, каналы статора 4, рабочую камеру 5 и выходит из аппарата через выходной патрубок 6.

При вращении ротора его каналы периодически совпадают с каналами статора. Выходя из канала статора, жидкость собирается в рабочей камере и продвигается к выходному патрубку. В период времени, когда каналы ротора перекрыты стенкой статора, в полости ротора давление возрастает, а при совмещении канала ротора с каналом статора давление за короткий промежуток времени сбрасывается и в результате этого в канал статора распространяется импульс давления. Скорость жидкости в канале статора является переменной величиной. При распространении в канале статора импульса избыточного давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного («отрицательного») давления, так как совмещение каналов ротора и статора завершилось, и подача жидкости в канал статора происходит только за счет транзитного течения из радиального зазора между ротором и статором. Объем жидкости, вошедший в канал статора, стремится к выходу из канала, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию. Кавитационные пузырьки растут при воздействии импульса пониженного давления и схлопываются или пульсируют при увеличении давления в канале статора. Часть кавитационных пузырьков выносится в рабочую камеру.

В связи с тем, что скорость потока жидкости в канале статора велика и имеет флуктуации, поток является турбулентным. При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникают большие сдвиговые напряжения. Рабочие поверхности ротора и статора воздействуют на жидкую гетерогенную среду за счет механического контакта, создавая высокие срезывающие и сдвиговые усилия.

Рис. 1.2 — Схема пульсационного аппарата роторного типа (диспергатора).

Пульсационные аппараты роторного типа (ПАРТ) (или диспергаторы) различных видов и модификаций нашли применение в гидромеханических и тепломассообменных процессах за счет широкого спектра факторов воздействия:

механическое воздействие на частицы гетерогенной среды, заключающееся в ударных, срезывающих и истирающих нагрузках и контактах с рабочими частями ПАРТ;

гидродинамическое воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности пульсациях давления и скорости потока жидкости;

гидроакустическое воздействие на жидкость осуществляется за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов.

Пульсационные аппараты роторного типа используются для обработки таких систем, как «жидкость — жидкость», «жидкость — твердое тело» и «газ — жидкость». Для каждого конкретного технологического процесса существуют определенные предпочтения в типе конструктивного и технологического оформления ПАРТ.

Общим недостатком ПАРТ является наличие «холостого хода», времени работы, когда каналы статора перекрыты промежутками между каналами ротора.

В этот момент возникают транзитные течения через радиальный зазор между ротором и статором, уменьшающие гидравлическое сопротивление аппарата и, в конечном счете, уменьшающие интенсивность акустических колебаний.

Чтобы избавиться от этого недостатка, в ПАРТ, обеспечивающих самостоятельный напор, предлагается конструкция статора, в котором чередуются глухие и сквозные каналы. Глухие каналы снабжены дополнительными каналами, соединяющими их с патрубками входа среды и расположенными в крышке аппарата. Таким образом, в аппарате имеется основной источник колебаний — прерыватель со сквозными каналами в статоре и дополнительный — с глухими дополнительными каналами.

На рисунке 1.3 изображен ПАРТ, содержащий корпус 1 с патрубком выхода 2, крышку 3 с коаксиально расположенным патрубком входа 4, скрепленную с корпусом 1, статор 5 с глухими каналами 6 в боковой стенке, соединенными дополнительными каналами 7, расположенными в крышке 3, с патрубком входа 4, и сквозными каналами 8, ротор 9 с каналами 10 в боковой стенке, рабочую камеру 11, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5.

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.

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.

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.

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.

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)

Ш — 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 ф — время, ч, необходимое на выполнение всех операций для

смешивания компонентов. Определяется по формуле

(2.3.2)

где ф_заг — время, ч, необходимое на загрузку жидкости и сухих компонентов;

ф_раб — время, ч, работы роторно-пульсационной установки по перемешиванию компонентов;

ф_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 [], МПа:

[] = *, (3.1.1)

* - нормативное допускаемое напряжение при данной температуре (табличная величина)

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

Диаметр D_2, 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

— коэффициент прочности сварного шва, = 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 = 210⁵ 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=0,89 м;

D — внутренний диаметр аппарата, м,

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

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);

з — 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 с_м — плотность продукта, кг/м³;

V_м — объем продукта, м³;

Плотность среды с, 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, м^3,с — плотность родукта, кг/м^3,

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)

м_м — динамическая вязкость, Пас,

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 м — коэффициент динамической вязкости среды, Па· с.

с_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 д, 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,

_с — плотность среды в аппарате,

— 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)

[_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);

К_{1 -} коэффициент, определяемый в зависимости от значений ₁ и ₂;

₁ — коэффициент, представляющий отношение местных мембранных напряжений к местным напряжениям изгиба. Для опорных лап без подкладного листа принимают ;

₂ — 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

505 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 [у_см] - допускаемое напряжение смятия, Н/мм², (Для Ст3 [у_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, мм^2,

При выполнении условия трубы обеспечивают запас прочности.

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

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.

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.

Рис. 5.11. Принцип работы установки с несколькими РПА.

5.2 Диспергирование с помощью РПА

В технологии суспензий, эмульсий и мазей применяются РПА с рифлеными поверхностями рабочих частей с различного рода зазорами между ними. Чем меньше зазор между вращающимися и неподвижными цилиндрами, тем выше степень дисперсности. Наиболее приемлем для получения мелко измельченных дисперсий радиальный зазор в 0,15 — 0,3 мм.

Значительно повышается эффективность диспергирования в РПА с увеличением концентрации суспензии, так как измельчение происходит не только за счет РПА, но и путем интенсивного механического трения частиц дисперсной фазы друг с другом. Полученная концентрированная суспензия смешивается затем с остальной частью дисперсионной среды до получения требуемого готового продукта.

С помощью РПА можно совмещать операции диспергирования порошкообразных веществ и эмульгирования смесей. Таким образом, использование РПА обеспечивает получение многофазных гетерогенных систем — эмульсионно-суспензионных смесей, таких как линимент стрептоцида, синтомицина и т. д.

При приготовлении мазей из серы, цинка оксида и других аморфных веществ с использованием РПА, стадии предварительного измельчения компонентов можно опустить, что дает значительный экономический эффект.

6. Изготовление линимента бальзамического по Вишневскому с использованием РПА

Состав линимента:

Дегтя березового — 3,0

Ксероформа — 3,0

Аэросила — 5,0

Касторовое масло — 89,0

Аппаратура: РПА с внешней циркуляцией в замкнутом цикле (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Устройство РПА с внешней циркуляцией в замкнутом цикле.

1 — мазевой котел; 2 — паровая рубашка; 3 — двигатель; 4 — РПА.

Описание технологического процесса:

Для изготовления 100 кг линимента в мазевой котел (1) загружают:

Дегтя березового — 3,0 кг

Ксероформа — 3,0 кг

Аэросила — 5,0 кг

Касторовое масло — 89,0 кг

Пускают в ход мешалку (на рисунке не указана) и oдновременно подают в паровую рубашку (2) горячую воду. Как только температура смеси в котле станет равна 38 — 42 °C, включают РПА. Смесь, через входной патрубок, попадает в активную зону аппарата. Пройдя через активную зону смесь, выбрасывается, через выводной патрубок, и возвращается в котел через штуцер в крышке. Цикл повторяется еще несколько раз. Перемешивание в РПА осуществляется в течение 10 минут. Перед разгрузкой проводят отбор пробы. Если качество продукта неудовлетворительное, то перемешивание проводят еще 3 — 5 минут.

Описание продукта: масса от светло-желтого до бурого цвета с характерным запахом.

Фасовка и упаковка: готовый линимент расфасовывают в широкогорлые флаконы оранжевого стекла доверху.

Хранение: хранят в сухом, прохладном, защищенном от света месте.

Заключение

Пульсационные аппараты роторного типа известны в технике и технологии уже более сорока лет. Наибольшее применение эти аппараты нашли в химической и смежных с ней технологиях. Конструктивная схема пульсационных аппаратов роторного типа чрезвычайно проста и представляет собой симбиоз гидродинамической сирены и дезинтегратора. Казалось бы, за такой большой срок и в силу простоты конструкции эти аппараты должны быть хорошо исследованы, закономерности их работы изучены и формализованы в математическом виде. Но кажущаяся простота принципа работы пульсационных аппаратов роторного типа несет в себе простоту в механическом смысле и сложность в гидродинамическом и акустическом описании. Вероятнее всего в силу многообразия и сложности физических и химических процессов, протекающих в жидкой среде при обработке в пульсационном аппарате роторного типа, тормозится их широкое внедрение в промышленность.

1. Новиков В. С. Импульсные процессы переноса в гетерогенных системах: Обзор // Пром. теплотехника. 2000. Т.12. № 2. С. 23 — 39.

2. Коновалов В. Я, Гатапова Я. Я., Туголуков Е. Я. О возможностях использования циклических тепловых и взаимосвязанных теплодиффузионных процессов в химических и других производствах // Вестник ТГТУ. 2002. Т.1. № 3 — 4. С. 273 — 288.

3. Кардашев Г. А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия, 1999.208 с.

Федоткин И.М., Жарик Б. Я, Погоржельский Б. Я. Интенсификация технологических процессов химических производств. К.: Техника, 1998.176с.

5. Долинский А. А. Использование принципа дискретно-импульсного ввода энергии для создания эффективных энергосберегающих технологий // Инженерно-физический журнал. 1999. Т.69. № 6. С. 855 — 896.

6. Долинский А. А., Накорчевский А. И. Принципы оптимизации массообменных технологий на основе метода дискретно-импульсного ввода энергии // Пром. теплотехника. 1997.Т. 19. № 6. С. 5 — 9.

7. Задорский В. М. Интенсификация химико-технологических процессов на основе системного подхода. К.: Техника, 1999.208 с.

8. Дискретно-импульсный ввод энергии в химической технологии / А. А. Долинский, Б. И. Басок, С. И. Гулый и др. К.: ИТТФ НАНУ, 2002.206 с.

9. Муравьев А. Я. Интенсификация и повышение интенсивности химико-технологических процессов. Л.: Химия, 1998.206 с.

10. Коновалов В. Я. Базовые кинетические характеристики массообменных процессов. М.: Химия, 2001.302 с.

11. Гленсдорф Я, Пригожий И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации. М.: Мир, 1997.230 с.

12. Вейник А. В. Термодинамика реальных процессов. Минск.: Наука и техника, 2001.576 с.

13. Смирнов Н. Н. Интенсификация некаталических процессов в системе жидкость — жидкость // Химическая промышленность 2001. № 8. С.8−12.

14. Вибрационные массообменные аппараты / И. Я. Городецкий, А. А. Васин, В. М. Олевский, П. А. Лупанов // Под ред.В. М. Олевского. М.: Химия, 1997.192 с.

15. Карпачева С. М., Рябчиков Б Е. Пульсационная аппаратура в химической технологии. М.: Химия, 2003.224 с.

16. Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия, 2003.192 с.

17. Галицейский Б. М., Рыжов Ю. А., Якуш Е. А. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. М.: Машиностроение, 2005.256 с.

18. Использование волновых эффектов для интенсификации химических и фазовых превращений в многофазных системах / С. А. Любартович, О. Б. Третьяков, Р. Ф. Ганиев и др. // Теоретические основы химической технологии. 1998. Т.22. № 4. С. 560 — 564.

19. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в химико — фармацевтической технологии / Р. Ф. Ганиев, Н. И. Кобаско, В. В. Кулин и др. К.: Техника, 2000.220 с.

20. Новиков В. С. Гомогенизация и диспергирование в современной технологии: Обзор // Промышленная теплотехника. 2000. Т.12. № 5. С. 40 — 59.

21. Промышленная технология лекарств: Учебник. В 2 — х т. Том 2/В.И. Чуешов, М. Ю. Чернов, Л. М. Хохлова и др. Под ред. проф.В. И. Чуешова. — Х.: МТК — Книга; Изд — во НФАУ, 2002. — 716 c.

22. Эмульсионные лекарственные формы заводского производства: Уч. пособие / Г. Т. Сиренко, С. Т. Шебанова. Х.: МТК — Книга; Изд — во НФАУ, 2005. — 294 с.