Разделение неоднородных систем.

Неоднородные системы – классификация, основные характеристики.

- система, состоящая по меньшей мере из двух фаз: внутренней, или дисперсной фазы, и внешней фазы, или дисперсионной среды, окружающей частицы внутренней дисперсионной фазы.

Классификация:

- жидкие неоднородные системы

- газовые неоднородные системы

Характеристики:

Системы характеризуются концентрацией внутренней фазы и размерами ее частиц. В большинстве случаев размеры частиц дисперсной фазы неодинаковы, поэтому ее характеризуют фракционным или дисперсным составом, т.е. процентным содержанием частиц различного размера.

Классификация, принципы выбора и оценка эффективности методов разделения.

Методы разделения:

- прессование;

- отстаивание;

- фильтрование;

- центрифугирование.

Выбор метода разделения зависит от размеров взвешенных частиц, разности плотностей дисперсной и сплошной фаз, а также от вязкости сплошной фазы.

Прессование применяется в тех случаях, когда твердая фаза не только превалирует над жидкой, но и прочно удерживает её. Пример – после сливания вытяжки в растительной массе остается еще много экстрагента и его приходится удалять, применяя усилие в виде давления на растительную массу.

Фильтрование – за счет действия пористых перегородок (фильтров), пропускающих жидкость и задерживающих твердые частицы. В фармацевтическом производстве в качестве фильтровальных материалов используются фильтровальная бумага, вата, ткани (марля, фланель, сукно, специальная фильтровальная ткань – бельтинг), стеклянные и керамические пористые плитки, густые металлические сетки.

Осаждение и отстаивание. Определение. Стадии процесса. Факторы, влияющие на скорость отстаивания. Устройство отстойников периодического и непрерывного действия.

Осаждение - процесс разделения жидких или газообразных неоднородных систем путем выделения из них твердых или жидких взвешенных частиц под действием силы тяжести, сил инерции или электростатических сил.

Отстаивание-процесс осаждения, происходящий под действием силы тяжести.

Отстойники непрерывного действия – суспензия непрерывно подается сверху, сгущенный осадок (СВ = 35-55%) оседает на днище и выводится через нижний штуцер. Осветленная жидкость выводится из центральной части отстойника.

Производительность отстойника: V = F·Ws, м³/с.

F – площадь отстойника, м²;

Ws – скорость отстоя, м/с.

Устройство отстойников периодического действия - представляют собой низкие бассейны без устройств для перемешивании.

Разделение под действием сил разности давления. Фильтрование. Определение. Виды осадков (сжимаемые и несжимаемые). Теория фильтрования: удельное сопротивление осадка, удельная производительность фильтра. Скорость фильтрования и факторы на нее влияющие.

Фильтрование-процесс разделения суспензии при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы.

Фильтрование – за счет действия пористых перегородок (фильтров), пропускающих жидкость и задерживающих твердые частицы. В фармацевтическом производстве в качестве фильтровальных материалов используются фильтровальная бумага, вата, ткани (марля, фланель, сукно, специальная фильтровальная ткань – бельтинг), стеклянные и керамические пористые плитки, густые металлические сетки.

Виды фильтрования:

- фильтрование с образованием слоя осадка на фильтровальной поверхности

- сгущение

- осветление

Виды осадков:

- сжимаемые (размер пор которых уменьшается с повышением давления);

- несжимаемые (размер пор и форма частиц не меняется с изменением давления).

Теория фильтрования.

Фильтрование протекает в ламинарной области. Зависимые величины: скорость фильтрации, давление, вязкость жидкости, общее гидравлическое сопротивление.

В процессе фильтрования разность давлений и гидравлическое сопротивление слоя осадка в течение времени изменяются.

Скорость фильтрации зависит от структуры и величины слоя осадка, характера фильтрующей перегородки, вязкости фильтруемой жидкости и разности давления по обе стороны перегородки.

Способы фильтрования. Классификация фильтровальной аппаратуры по режиму работы и величине рабочего давления. Назначение и принцип работы нутч-фильтров, фильтрпрессов, друк-фильтров. Ультрафильтрование и обратный осмос.

Фильтры, работающие под давлением

периодического действия непрерывного действия

фильтр – прессы друк – фильтры барабанные фильтры дисковые фильтры

мешочные фильтры

патронные фильтры

Принцип работы. После заполнения фильтра суспензией и включения разряжения фильтрат проходит через перегородку, а осадок задерживается на ней.

Фильтр-пресс работает следующим образом. Вода под давлением 8-10 атм.

подается в уплотнение, шланг изменяет свою форму и между плитами образуется

герметически закрытые камеры. Затем в фильтр-пресс через коллектор под давлением подается суспензия, которая фильтруется через фильтровальную ткань

лежащую на щелевидных ситах камер.

Нутч - фильтры.

Реси-

вер

фильтрат

вакуум - насос

Состоят из толстостенного цилиндрического сосуда из фаянса или керамики, внутренняя часть которого разделена перфорированной перегородкой с укрепленными на ней несколькими слоями фильтровальной бумаги или бельтинга. В верхнюю часть фильтра заливается взвесь, фильтрат собирают на дне нижней части. Вакуум создают под перегородкой за счет вакуумной линии, соединенной через ресивер с вакуум-насосом. Назначение ресивера – сглаживать пульсации насоса и предупреждать переброс в него капельной фазы.

Достоинства: 1) простота и надежность конструкции; 2) возможность тщательной промывки осадков; 3) легкость защиты от коррозии.

Недостатки:1) малая скорость фильтрования, т.к. разность давлений практически не превышает 0,75 ат.; 2) непригодность для разделения суспензий, выделяющих огнеопасные или токсические пары; 3) ручная выгрузка осадка.

Представляет собой цилиндрическую емкость с перфорированной перегородкой в нижней части (с укрепленным на ней фильтровальным материалом), на которую подается взвесь под давлением сверху с помощью сжатого воздуха или газа.

Для подачи жидкости на фильтр используется монтежю. Это вертикальный резервуар из химически стойкого материала, в который заливают раствор самотеком или вакуумом, а затем продавливается сжатым воздухом. Перепады давлений в друк-фильтре выше, чем в нутч – фильтре и составляют от 2 –12 атм.

Рамный фильтр – пресс.

Рамный фильтр – пресс состоит из ряда чередующихся пустотелых чугунных рам и сплошных рифленых плит, между которыми помещены пластины фильтровального материала. Герметизация между ними обеспечивается резиновыми прокладками. Рамы и плиты имеют сквозные отверстия, которые расположены так, что при сборке фильтра они образуют сплошные каналы для подачи раствора на каждую перегородку, слива фильтрата, подачи и отвода промывной жидкости с целью регенерации фильтра. Это достигается удалением осадка потоком промывной жидкости, подаваемым с противоположной стороны фильтровальной перегородки. Рамные фильтры принимаются при фильтровании растворов с небольшим количеством осадка,

таких, как эктракционные препараты и др.

При ультрафильтрации смесь прокачивается вдоль мембран (принцип тангенциального потока).

Смесь проходят высокомолек.

Концентрат Vк Ск

С0 V0

проходят низкомолекул.

Vп Сп

Мембрана работает как самоочищающийся фильтр: что-то проходит, а что-то не проходит – уносится.

При микрофильтрации высокомолекулярные вещества проходят, задерживаются только клетки.

При обратном осмосе проходит только растворитель

Фильтровальные материалы и требования к ним.

Все мембраны условно можно разделить на 3 поколения:

1. мембраны из природных полимеров (ацетат целлюлозы, нитрат целлюлозы).

Недостаток: низкая химическая стойкость (рН =6-8) t ≤ 50ºC, механически непрочны, используются во влажном состоянии, при высыхании теряют свои свойства. Срок службы 3-7 месяцев.

2. Мембраны из синтетических полимеров ( полиамид, полиакрил, фторопласт)

рН = 1…12 (более стойкие), температура до 80, даже 150ºC, механически прочные. Срок службы до 3-х лет. Хранятся в сухом виде.

3. в последнее время за рубежом выпускаются и у нас начинают мембраны из неорганических материалов (керамика, окись циркония, окись алюминия, титана). Отличаются очень высокой химической стойкостью, эксплуатируются при температуре до 200ºC, механически прочные. Используют в сухом виде. Срок службы – не ограничен (сколько служит сама система, приблизительно 20 лет).

С 3-м поколением связывается качественный скачок в мембранной технологии

Тонкие волокна при укладке в аппарат можно наматывать, скручивать – компактные системы.

Капилляры – только вдоль.

Тонкие волокна выдерживают как внутреннее, так и наружное давление до 40 атм (особенно важно для обратного осмоса).

Капилляры – только внутреннее до 3-х атм. При наружном давлении они сплющиваются.

1. Пластинчатые – самая простая конструкция.

Сравнение и выбор фильтровальной аппаратуры и фильтровальных материалов. Продолжительности цикла фильтрования. Схемы фильтровальных установок.

Мембранные установки

4

1

2

3 гибкий

шланг

Самая простая конструкция – дисковый держатель фильтра диаметром 293 мм.

1 и 2 – входной и выходной диски;

3 – ножка с нейлоновым наконечником

4 – гайка – рукоятка для затяжки вручную.

1. аппараты патронного типа;

2. аппараты трубчатого типа;

3. аппараты рулонного типа;

4. аппараты с плоскими фильтрующими элементами.

Плотность упаковки характеризует компактность установки. Самые компактные – с тонкими полыми волокнами. Плотность упаковки – 40000м²/м³. Используются для обессоливания водоподготовки.

Аппараты с патронными фильтрами. (Гофрированная перегородка и сетка).

Используются для микрофильтрации относительно чистых сред, для водоподготовки, для очистки воздуха.

Изготовитель: НПО «Полимерсинтез» г. Владимир.

Получение неоднородных систем. Перемешивание в жидких средах.

Технические способы получения жидких неоднородных систем. Виды перемешивания. Эффективность и интенсивность перемешивания и методы их оценки. Гидродинамические структуры потоков в аппаратах с перемешиванием.

Жидкая неоднородная система состоит из 2-х фаз: внутренней (дисперсная фаза) и внешняя (дисперсионная среда).

Неоднородные системы получают из веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Перемешивание применяется для равномерного распределения составных компанентов в жидких материалах и, кроме того, для ускорения тепловых, диффузных и биохимических процессов.

Механическое перемешивание. Виды мешалок, их характеристики, выбор и области применения. Режим перемешивания.

Виды мешалок:

- лопастные

- пропеллерные

- турбинные

Характеристики мешалок, области применения.

Наиболее распространенным является перемешивание с помощью мешалок различных конструкций, которые различаются по скорости вращения и по устройству лопастей.

Лопастные мешалки состоят из 2-х или более числа лопастей, расположенных перпендикулярно или наклонно к оси вала, является наиболее старым типом перемешивания устройства, наиболее простым и поэтому широко распространено.

К лопастным относятся якорные, рамные, планетарные мешалки.

Якорные мешалки, имеющие форму, соответствующую внутренней поверхности реактора. Они служат для перемешивания вязких жидкостей. При вращении лопасти постоянно очищаются стенки и дно аппарата. Скорость вращения – 1,3 об/сек.

Рамные мешалки - для вязких жидкостей, состоят из нескольких лопастей, соединенных в виде рамы, обеспечивающие перемешивание жидкостей во всех ее слоях.

Турбинные мешалки бывают открытого и закрытого типа, обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме, скорость 2-30 об/с. Состоят из одного или нескольких центробежных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу и снабженных большим числом лопаток – от 6 до 16.

Пневматическое перемешивание сжатым воздухом, острым паром. Барботеры.

Пневматическое перемешивание (барботирование) применяется в тех случаях, когда воздух (или инертный воздух) нужен для интенсификации химических или биологических процессов.

Этот способ очень эффективный, но применяется в тех случаях, когда не происходит нежелательных явлений (окисление, осмоление, улетучивание ценных веществ).

Представляет собой перфорированную трубку, установленную в горизонтальном положении. Для глубоких сосудов барботер в виде вертикальной трубки с подачей воздуха через отверстия. Воздух (или газ) для барботирования подается под давлением, достаточным для преодоления гидростатического сопротивления столба жидкости (Р  0,2 Мпа).

Циркуляционное перемешивание.

Осуществляется многократным перекачиванием жидкости через систему аппарата -ценробежный насос-аппарат. Применение в производстве экстракционных препаратов из лексырья позволяет сократить время экстагирования в несколько раз при сохранении конечных извлечений.

Специальные методы перемешивания: вибрационные, пульсационные мешалки. Ультразвуковое перемешивание. Теоретические основы и значение ультразвукового диспергирования в фармацевтической промышленности. Разновидности генераторов ультразвука.

Ультразвуковое перемешивание. При воздействии ультразвуковых волн на жидкость возникает явление кавитации, т.е. ультразвуковые волны обладают собственным давлением на жидкость, которое накладывается на постоянное гидравлическое давление. При ультразвуковом перемешивании жидкость перемешивается с большой силой.

Ультразвуковая кавитация достигается с помощью генераторов ультразвука (механические, электромеханические, магнитострикционные излучатели).

Применение перемешивания в фармацевтической технологии.

Перемешивание широко применяется в фармацевтической технологии для равномерного распределения составных компонентов в жидких материалах и для ускорения диффузионных и биохимических процессов.