Разработка интенсивного и взрывобезопасного процесса сушки лекарственных препаратов

Основными направлениями экономического и социального развития России предусматривается увеличить производство лекарственных препаратов, не снижая при этом их качества. Выполнение этой задачи связано с необходимостью использования новых технологий и материалов, оснащения производств системами электроники, автоматики, электромеханики.

Увеличение производства порошковых лекарственных препаратов, представляющих на ряду с пластмассами, синтетическими смолами, минеральными удобрениями повышенную пожарои взрывоопасность на стадии производства, сопровождается ростом числа пожаров и взрывов, человеческих жертв и материального ущерба [1−9].

Сушка является конечной стадией производства большинства готовых продуктов, а часто и полупродуктов в том случае, когда их необходимо накапливать или передавать на следующую стадию обработки в сухом виде, предпочтительнее пневмотранспортом.

В современной технологии химико-фармацевтической промышленности (ХФП) сушка и пневмотранспорт являются одной из важнейших операций, определяющих не только качественные показатели готовой продукции в целом, но и экономические показатели производства.

Из всех процессов связанных с переработкой дисперсных материалов, наиболее опасными в отношении загорания и взрывов пылевоздушных смесей являются процессы сушки и пневмотранспортирования [10−13]. Большая вероятность аварийных ситуаций при ведении этих процессов обусловлена тем, что они протекают в области концентрационных пределов воспламенения. Кроме того, перерабатываемые материалы, как правило, обладают высокими диэлектрическими свойствами, что обуславливает их способность к образованию и накоплению зарядов, возникновению разрядов статического электричества, являющихся одним из распространенных, как и тепловых, источником зажигания горючих пылевоздушных смесей [10, 13−23]. Все это выдвигает особые требования, как к сушильному оборудованию, так и к технологическому регламенту ведения процесса сушки.

В процессе эксплуатации ряда сушильных установок в полостях аппаратов образуются взрывоопасные концентрации парои пылевоздушных смесей, с одновременным накоплением зарядов статического электричества. Эти факторы явились причиной того, что наметившиеся тенденции к интенсификации теплои массообменных процессов в промышленности в результате использования высокоактивных режимов и аппаратов в настоящее время несколько снизилась. На ряде промышленных предприятий участились случаи взрывов, загорания сушильных установок и вспомогательного оборудования. Нередко вопросы проектирования, строительства и эксплуатации нового сушильного оборудования решаются в отрыве от задачи обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического процесса.

Применение интенсивных процессов сушки, с выполнением различных мероприятий по взрывобезопасности, подразумевает наличие всегда достаточно высокой вероятности воспламенения пылевой взвеси, т. е. при разработке этих процессов, наибольшую важность для изучения представляет процесс распространения пламени.

Актуальность темы

Целый ряд продуктов, поступающих на сушку, являются взрывоопасными в состоянии аэрозоля, кроме того, нередко содержат органические растворители, все это предъявляет особые требования пожаровзрывобезопасности к сушильному оборудованию, ограничивая применение интенсивных процессов сушки.

В связи с этим в основу разработки мероприятий, направленных на интенсификацию и безопасность процесса сушки лекарственных препаратов, 6 положен новый способ высушивания — аэрофонтанная сушилка с пневмотранспортом сухого продукта на последующую стадию производства.

О важности решения этих вопросов свидетельствуют федеральная программа по развитию фармацевтической промышленности и лекарственного обеспечения Российской Федерации (1994;1996 гг.), постановление Правительства Российской Федерации № 1122 от 20.11.94 г. «О мерах по увеличению производства лекарственных средств и современной медицинской техники на 1995;1997 гг.» и Федеральная целевая научно-техническая программа «Развитие медицинской промышленности на 1998;2000 гг. и на период до 2005 г.» в свете которых выполнена работа.

Цель работы заключалась в разработке высокоэффективного и безопасного процесса сушки лекарственных препаратов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать метод интенсификации процесса сушки взрывоопасных продуктов в условиях снижающих пожаровзрывоопасность;

• разработать технологический регламент ведения процесса сушки левомицетина в аэрофонтанном режиме с пневмотранспортом сухого продукта;

• разработать установку и методику экспериментального определения предельных условий распространения пламени в аэровзвеси с учетом температуры инициирующего источника зажигания, позволяющие определять его критическую температуру, а также позволяющую проводить исследования при пониженных давлениях атмосферы;

• определить необходимые пожаровзрывоопасные характеристики левомицетина и других лекарственных веществ;

• проверить в производственных условиях рекомендации по высокопроизводительному и безопасному процессу сушки левомицетина.

• разработать модель распределения частиц в объеме камеры, моделирующей производственные условия в сушильном оборудовании 7 при сушке в активных гидродинамических режимах, при различном давлении в реакционной камере- • проверить модель на экспериментальной установке по исследованию гидродинамики потока.

Научная новизна. Разработан метод интенсификации процесса сушки взрывоопасных продуктов в условиях снижающих пожаровзрывоопасность. Предложен новый способ сушки левомицетина: замена полочной сушилки на аэрофонтанную, данная сушилка, по своим характеристикам, хорошо подходит к действующей схеме производства, сократив время сушки 70 кг левомицетина с 10 часов до 1 часа. Разработана установка и методика экспериментального определения предельных условий распространения пламени в аэровзвеси с учетом температуры инициирующего источника зажигания, позволяющая определять его критическую температуру, а также позволяющая проводить исследования при пониженных давлениях атмосферы.

Структура и содержание работы. В I главе рассмотрено состояние вопроса в области взрывобезопасной сушки, рассмотрены основные направления развития сушильной техники в химико-фармацевтической промышленности, представлен обзор методов сушки и используемого технологического оборудования, рассмотрена методология безопасного ведения процесса сушки.

Во П главе рассматривается математическая модель, описывающая внешние габариты струи и облака с равномерно распределенными частицами при различном давлении в реакционном сосуде и различной величине распыляющего импульса. Это позволяет моделировать гидродинамические процессы, протекающие в сушильных установках, пневмотранспорте и рукавном фильтре при нормальном и пониженном атмосферном давлении. Приведены результаты, рассчитанные по данной математической модели.

В III главе приведены методики, которые использовались для определения различных характеристик исследуемого вещества. Также 8 изложена разработанная нами методика и установка для определения критических условий распространения пламени по пылевым взвесям, как при нормальных условиях, так и при пониженных давлениях. Представлена методика экспериментального определения области горения пылевой взвеси при изменении температуры инициирующего источника зажигания, что позволяет применить результаты к конкретному производству. Приведена пилотная установка для исследования безопасных режимов сушки и методика для исследования равномерности распределения частиц в воздушном потоке.

В IV главе определены структурно-механические и теплофизические характеристики исследуемого вещества, изучена кинетика процесса сушки левомицетина, произведен выбор оптимального типа сушильного аппарата. Проверена равномерность распределение пылевой взвеси по сечению потока. Приводятся результаты исследований критических условий распространения пламени в аэровзвесях по вновь разработанной методике. Также приводятся результаты определения температуры воспламенения пылевой взвеси.

В V главе дан метод интенсификации процесса сушки взрывоопасных пылеобразующих материалов, приводятся разработанные рекомендации по пожаровзрывобезопасности процесса сушки левомицетина, определена вероятность взрыва технологического оборудования при организации процесса сушки этого продукта, определены условия конструктивного соответствия требованиям электростатической искробезопасности процесса сушки.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на:

1. Третьем сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике «ИНПРИМ-98» /г. Новосибирск, Институт математики СО РАН, 22−27 июня 1998 г.

2. Второй Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоение недр"/г. Томск, 6−11 апреля 1998 г.

3. Четвертой областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» /г. Томск, 23−28 марта 1998 г.

4. Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы безопасности в природных и технических системах» «БЕЗОПАСНОСТЬ-98» /г. Иркутск, 21−24 апреля 1998 г.

5. Четвертом всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: надежность, безопасность, экология» / г. Томск, 10−12 декабря 1998 г.

6. Третьем Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоение недр» в рамках Российской научно-социальной программы для молодежи и школьников «Шаг в будущее», посвященного 100-летию со дня рождения академика К.И. Сатпаева/г. Томск, 13−16 апреля 1999 г.

7. Пятой областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии"/ г. Томск, 26−30 апреля 1999 г.

8. The Third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, KORUS'99/ Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University, 22−25 June 1999.

9. Пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» / г. Томск, 22−24 декабря 1999 г.

10.Четвертом Международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоение недр» в рамках российской научно-социальной программы для молодежи и школьников «Шаг в будущее», посвященного 100-летию со дня открытия Томского политехнического университета и 300-летию горно-геологической службы России/ г. Томск, 3−7 апреля 2000 г.

11.Шестой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» / г. Томск, 6−8 декабря 2000 г.

12. Седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии"/ г. Томск, 26 февраля — 2 марта 2001 г.

13. Седьмой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» / г. Томск, 5−7 декабря 2001 г.

Публикации. По результатам выполненной работы имеется 21 публикации, в том числе получены одно авторское свидетельство и одно положительное решение.

Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текстасостоит из введения, пяти глав и выводов, включая 2 таблицы и 31 иллюстрацию, списка литературы из 93 источников отечественных и зарубежных авторов.

Основные результаты выполненной работы:

1. Разработан интенсивный и взрывобезопасный процесс сушки лекарственных препаратов. На пилотной установке получены регламентные условия ведения процесса сушки левомицетина: скорость теплоносителя 24 м/стемпература сушки составляет 70 °C, что позволило заменить полочную сушилку на аэрофонтанную. Выбранная сушилка, по своим характеристикам, хорошо подходит к действующей схеме производства, сократив время сушки 70 кг левомицетина с 10 часов до 1 часа.

2. Анализ современного состояния теории и практики процесса сушки взрывоопасных дисперсных материалов в химико-фармацевтической промышленности позволил выявить основные причины загорания и взрывов пылевоздушных смесей и установить, что наиболее важным фактором при этом является вероятность процесса распространения пламени.

3. Разработан метод интенсификации процесса сушки лекарственных препаратов, заключающийся в учете пожаровзрывоопасных характеристик высушиваемого продукта и удаляемой влаги, а также требований пожарной безопасности при проектировании сушильных устройств, в производствах дисперсных материалов.

4. Разработана модель равномерного распределения частиц в объеме реакционной камеры, которая позволяет воспроизводить производственные условия в сушильном оборудовании при сушке в активных гидродинамических режимах, при различном атмосферном давлении в технологическом аппарате. Проведена проверка математической модели на экспериментальной установке, показана равномерность распределения частиц по объему реакционной камеры.

5. Разработана установка и методика экспериментального определения предельных условий распространения пламени в аэровзвесях при давлениях 0,1−101 кПа в реакционной камере, с учетом температуры инициирующего источника зажигания. Разработана методика по определению температуры воспламенения аэровзвеси. На основе полученного результата сформулированы условия пожаровзрывобезопасности при использовании пылеобразующих веществ и материалов: при расчетах сушильного устройства и режима сушки взрывоопасных продуктов необходимо руководствоваться: линейным характеристическим размером 1к — концентрацией высушиваемого продукта равной отношением массы транспортируемого материала к массе транспортирующего потока Q ц = —, при обязательном выполнении условия ц < НКПР. L.

6. Проведены исследования пожаровзрывоопасных характеристик лекарственного препарата левомицетин: Твоспл=600°С и др. Определена экспериментальная зависимость критических условий распространения пламени по аэровзвеси, при варьировании температуры источника зажигания и в условиях изменения давления в реакционном объеме.

7. В результате проведенных исследований произведен выбор типа сушильного аппарата для сушки левомицетина. Технологическое оборудование, предназначенное для организации процесса сушки левомицетина, должно иметь линейные размеры с учетом 1к равным 0,22 м и режим концентрации горючего и окислителя на безопасном уровне, что составляет 40 г/м. Результаты работы внедрены в технологическом регламенте производства левомицетина на Новокузнецком ОАО «Органика».