При тепловых процессах осуществляется передача тепла от одного вещества к другому. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение (сушка, выпаривание). Тепло может передаваться самостоятельно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Горячими теплоносителями могут быть горячая вода, водяной пар, горячие газы и т.п. В качестве охлаждающих средств чаще всего используют воду и рассолы.
Нагревание широко применяется для ускорение многих массообменных процессов (растворение, сушка, выпаривание). Используют различные источники тепла: дымовые (топочные) газы, электрический ток, горячую воду, водяной пар, минеральные масла и другие источники.
Самым распространенным в фармацевтическом производстве является нагревание с помощью водяного пара. Достоинства этого метода: равномерность обогрева, высокий коэффициент теплопередачи, большое количество тепла, которое выделяется при конденсации водяного пара.
Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром насыщенный пар (имеет температуру, равную температуре парообразования при данном давлении) вводится в обогреваемую жидкость по трубе с мелкими отверстиями. Расход «острого» пара при периодическом нагревании определяется из уравнения:
gct1 +Ді = gct2 +Дcв t2 +Qn · τ
gc (t2 – t1) +Qnτ
Д= ——————
τ - cв t2
g – количество нагреваемой жидкости, кг;
Д – расход греющего пара, кг;
с – теплоемкость нагреваемой жидкости, кДж/ кг ·ºC;
c – теплоемкость конденсата, кДж/ кг·ºC;
i - энтальпия (теплосодержание) греющего пара, кДж/ кг;
t1, t2 – t – температура до и после нагревания, ºC;
Qn – потери тепла в окружающую среду, кДж/с;
τ – продолжительность нагрева, с.
Нагревание «глухим» паром. Более экономичен, т.к. идет возвращение конденсата. Нагрев жидкости осуществляется через разделяющую стенку в аппаратах с рубашками, змеевиками. Греющий пар конденсируется и выводится в виде конденсата. Расход «глухого» пара при нагревании жидкости непрерывно, определяется из уравнения теплового баланса:
Охлаждение жидкостей и газов. Для охлаждения используют воду и воздух. Воздух – для естественного и искусственного охлаждения (с помощью вентилятора). Чаще для охлаждения используется вода, её достоинства: доступность, высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи. Для охлаждения до температуру ниже 5 – 10ºC используются рассолы (жидкость, содержащая соль).
Конденсация паров. Называется процесс перевода пара в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара. Аппараты для этой цели называются конденсаторы. Конденсация применяется главным образом с целью ускорения процесса выпаривания, а также для улавливания ценных растворителей и экстрагентов. Охлаждение пара производится двояко: 1) непосредственно смешением паров с холодной водой и 2) через стенку теплообменника (I - конденсаторы смешения, II – поверхностные конденсаторы). В зависимости от направления движения воды и пара конденсаторы смешивания и поверхностные конденсаторы могут быть прямоточными и противоточными.
Выпаривание. Широко применяется в фармацевтическом производстве при получении жидких и густых экстрактов и является промежуточной операцией при производстве сухих экстрактов. Наиболее простым способом является выпаривание в выпарной чаше (для удаления небольшого количества воды при производстве сиропов).
В фармацевтическом производстве обычно приходится иметь дело с растворами, содержащие термолабильные вещества (алкалоиды, гликозиды, витамины, гормоны) для которых даже температура кипения воды при атмосферном давлении является слишком высокой. Для этих веществ ведут выпаривание при разрежении, что приводит к понижению температуры кипения. С целью сохранения действующих веществ, извлекаемых из растительного сырья, выпаривание осуществляют при температуре 45ºC, что соответствует 90% вакуума. На разложение веществ влияет не только температура. Не меньшее значение имеет время выпаривания. Сокращение времени нагревания достигается применением вакуум – выпарных установок (ВВУ) большей мощности. Таким образом, существует 2 фактора в борьбе за сохранность качеств показателей изготовляемого продукта: снижение температуры выпаривания и повышение мощности ВВУ.
Однократное выпаривание – выпариваемый раствор кипит за счет нагрева «глухим» паром, а вторичный пар освобождается от брызг и поступает в конденсатор. Конденсат из выпарного аппарата и конденсат из конденсатора собираются в отдельные сборники.
Многократное выпаривание – вторичный пар, образованный в 1-м выпарном аппарате, поступает в качестве греющего пара во 2-й выпарной аппарат, а образованные в нем пары могут быть использованы для обогрева 3-го выпарного аппарата и т.д.
Давление от корпуса к корпусу уменьшается так, чтобы температура кипения раствора в каждом корпусе была ниже температура насыщения пара, обогревающего этот корпус. Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направлять на обогрев следующего корпуса, а частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание или для других целей, не связанных с выпариванием.
Отводимый на сторону вторичный пар называется экстра-паром. При этом возрастание расхода греющего пара при отборе экстра-пара меньше, чем количество отбираемого экстра-пара.
Применение многокорпусных ВВУ дает значительную экономию пара. Экономия пара достигается за счет увеличения поверхности теплообмена.
Практические данные по расходу греющего пара на 1кг выпариваемой воды (кг):
I к ВВУ - 1,1
II к ВВУ - 0,57
III к ВВУ - 0,4
IV к ВВУ - 0,3
V к ВВУ - 0,27
На практике наиболее распространенны ВВУ с 2-4 корпусами. Установки с числом корпусов более 5 встречаются редко.
