Охлаждение. Конденсация

В фармацевтическом производстве очень часто воз­никает необходимость в охлаждении паров, жидкос­тей, газов. Для охлаждения до обыкновенных температур в качестве охлаждающих агентов используют воздух и воду, а для достижения низких температур - холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиак), сжиженные газы (СО₂, этан и др.) или холодильные рассолы.

Воздух применяется для естественного и искусст­венного охлаждения, последнее — с помощью вентиля­тора. При естественном охлаждении потери тепла про­исходят через стенку аппарата в окружающую среду. В зависимости от климатических условий и времени года возможно охлаждение теплоносителя воздухом до температуры 20—25 °С.

Вода — наиболее распространенный охлаждаю­щий агент. Ее достоинства: доступность, высокая теп­лоемкость, большой коэффициент теплоотдачи. Дости­гаемая степень охлаждения зависит от начальной температуры воды, которая обычно составляет 8—12°С. Низкотемпературные агенты (смесь льда с различными солями, холодильные рассолы) используют для охлаж­дения до температуры ниже 5—10°С, обычно не полу­чаемой при применении воды.

Требуемая степень охлаждения зависит от начальной температуры теплоносителя (воды). Речная, озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру 4-25°С, артезианская вода - 8-15°С, оборотная вода - приблизительно 30 °С (летом).

Температура воды использованной, т.е. выходящей из теплообменных аппаратов, не должна превышать 40-50 °С в зависимости от состава воды во избежание выделения растворенных в ней солей и образования инкрустаций, загрязняющих теплообменное оборудование и снижающих эффективность процесса теплообмена.

Низкотемпературные агенты (фреон-12, фреон-22, азот, углекислота и др.) используются для создания температур ниже 5-20 °С, не достижимых при охлаждении водой.

Конденсация (сжижение) паров различных веществ путем отвода от них тепла проводится в аппаратах, называемых конденсаторами, в которых пар охлаж­дается холодным теплоносителем и переводится в жид­кое состояние. Конденсация применяется с целью ус­корения процесса выпаривания растворов, а также для улавливания ценных экстрагентов и растворите­лей.

По принципу охлаждения конденсаторы делятся на конденсаторы смешения и поверхностные.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, представляющий ценность, может быть использован в дальнейшем технологическом процессе. Следует отметить, что поверхностные конденсаторы более металлоемки в сравнении с конденсаторами смешения.

По­верхностные конденсаторы в конструктив­ном отношении ничем не отличаются от трубчатых или змеевиковых теплообменников. Они служат для улавливания паров ценного экстрагента или раство­рителя, в них всегда используют принцип противотока. Вначале пар конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования. В пе­риод конденсации темпе­ратура пара неизменна, равна точке кипения, при которой он входит в кон­денсатор. После того как весь пар перейдет в кон­денсат, он охлаждается до заданной температуры. Вследствие конденсации пара в межтрубном прост­ранстве конденсатора соз­дается значительное раз­режение (вакуум).

Поверхностные конденсаторы менее экономичны, так как они создают добавочное термическое сопротивление, что вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов могут быть использованы теплообменники различных типов.

В конденсаторах смешения пар непосредственно контактирует с охлаждаемой водой и конденсат смешивается с последней. Конденсацию в указанных аппаратах обычно осуществляют тогда, когда пары не представляют ценности.

Конденсация смешени­ем осуществляется в конденсаторах смешения пу­тем введения холодной воды в струю движущего­ся пара. В прямоточных конденсаторах вода и пар движутся в одном напрвлении, в противоточных — навстречу друг другу. Эффективность работы конден­саторов смешения находится в прямой зависимости от поверхности соприкосновения теплоносителей, поэтому холодную воду разбрызгивают при помощи различных устройств. Наибольшая поверхность контакта пара и воды достигается пропусканием воды через ситчатые тарелки, трубы с отверстиями и переливом струй воды через края каскадно расположенных перфорированных полок, тарелок. Конденсаторы смешения используют при упаривании водных вытяжек. На рисю изобра­жен прямоточный конденсатор смешения. Соковый пар вводится в верхнюю часть конденсатора через штуцер (1), охлаждающая вода через штуцер (2). Вода пере­текает с полки на полку в виде тонких струй через отверстия и борта. Нагретая вода вместе с конденса­том и воздухом удаляется мокровоздушным насосом через патрубок (3).

Выпаривание

Выпаривание относится к числу распространенных технологических процессов в фармацевтическом про­изводстве для сгущения водных и спиртовых вытяжек при получении густых и сухих экстрактов, индивидуальных и суммарных экстракционных препаратов из растительного, животного и микробиологического сырья.

При выпаривании происходит уменьшение коли­чества жидкого летучего растворителя и повышение концентрации твердых нелетучих веществ. В большин­стве случаев этот процесс проводят при интенсивном подводе тепла, чтобы обеспечить кипение жидкости и быстрое образование паров летучего растворителя. Пар, образующийся над кипящей жидкостью, назы­вается вторичным (вода, этанол и др.).

В зависимости от свойств выпариваемых жидкос­тей (мало концентрированные подвижные или вязкие, наличие термолабильных биологически активных ве­ществ и пр.) и от параметров греющего пара выпари­вание осуществляют при нормальном давлении или. под вакуумом в рабочей камере аппарата.

Выпаривание растворов при атмосферном давлении в открытых выпарных чашах применяется редко, так как удаляющийся вторичный пар загрязняет произ­водственное помещение, а концентрируемый водный раствор в силу высокой температуры кипения и про­должительности процесса подвергается риску перегре­ва, и потери термолабильных действующих веществ (витамины, алкалоиды, гликозиды и др.).

С целью сохранения действующих веществ вы­паривание с кипением жидкости осуществляют в ус­тановках, в которых образующийся вторичный пар над жидкостью постоянно удаляется из рабочей части аппарата (кипятильника), что создает разрежение (вакуум) и низкую температуру кипения (40—55°С).

Проведение процесса выпаривания под вакуумом имеет существенные преимущества: снижается темпе­ратура кипения раствора, улавливается ценный вто­ричный пар, для нагрева выпарного аппарата можно использовать пар низкого давления. Вследствие пони­жения точки кипения жидкости увеличивается сред­няя разность температур между греющим паром и обогреваемой жидкостью, что ведет к уменьшению необ­ходимых размеров выпарного аппарата.