Химия и химические технологии / 4. Химико-фармацевтическое производство

Ружинська Л. І., Кузьменко К. В.

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Способи дослідження процесів теплопередачі

при перемішуванні

Перемішування широко використовується у фармацевтичній та біотехнологічній промисловостях на різних стадіях технологічного процесу. Перемішування здійснюється здебільшого в апаратах з механічними перемішуючими пристроями різних конструкцій. Енергія, необхідна для перемішування передається від двигуна, розміщеного зовні апарата, на вал мішалки. Герметичність апарата забезпечується ущільненням валу мішалки.

При виготовленні більшості лікарських засобів необхідно зберегти стерильні умови в апаратах. Для апаратів з механічними перемішуючими пристроями забезпечення стерильності вимагає використання ущільнюючих пристроїв складної конструкції. На сучасних підприємствах галузі останнім часом все ширше застосовують перемішуючі пристрої, в яких передача руху до мішалки здійснюється безконтактно, що забезпечує високий рівень стерильності та зменшення втрат енергії в ущільненнях валу мішалки. До числа таких перемішуючих пристроїв відносяться мішалки з магнітним приводом.

Процеси теплообміну при перемішуванні з використанням традиційних перемішуючих пристроїв в літературі описані достатньо повно. В той же час, нажаль, практично відсутні відомості щодо протікання процесів теплопередачі в апаратах при перемішуванні мішалками з магнітним приводом [1]. Поширеність саме таких перемішуючих пристроїв на сучасних підприємствах, обумовлює необхідність проведення досліджень теплообміну при перемішуванні в апаратах з мішалками з магнітним приводом.

Для вимірювання коефіцієнтів тепловіддачі використовуються різні методи, які можна розділити на дві великі групи:

1) методи вимірювання при сталому процесі;

2) методи вимірювання при неусталеному процесі.

Більш зручні вимірювання при сталому процесі, так як в цьому випадку температура в окремих точках постійна під час вимірювання, внаслідок чого досягається велика точність відліків.

Усталений процес можна підтримувати різними способами.

1. Здійснювати одночасно нагрівання і охолодження рідини в апараті з мішалкою. З цією метою спільно використовуються, наприклад, обігріваюча рубашка і охолоджуючий змійовик [2], або два змійовика – нагріваючий і охолоджуючий [3], або сорочка, розділена на гріючі та охолоджуючі секції [4].

2. Вести нагрівання або охолодження перемішуваної в апараті рідини з безперервною примусовою її течією через апарат [2, 4].

В обох випадках кількість тепла Q, переданого в апараті з мішалкою, розраховується за балансним рівнянням:

, (1)

де – масова витрата рідини через нагріваючий (охолоджуючий) змійовик або безпосередньо через апарат з мішалкою; с – середня питома теплоємність цієї рідини;, , – кінцева і початкова температури рідини, що протікає через апарат або через змійовик.

Коефіцієнт тепловіддачі можна обчислити за рівнянням:

. (2)

Рівняння (2) придатне в тому випадку, якщо температура стінки вимірюється безпосередньо. Однак точно виміряти температуру важко. У таких випадках коефіцієнт тепловіддачі для перемішуємої рідини розраховується за коефіцієнтом теплопередачі згідно залежності:

, (3)

де – коефіцієнт теплопередачі; – тепловий опір стінки нагріваючого

(охолоджуючого) елемента і забруднень на цій стінці; – коефіцієнт тепловіддачі для нагріваючого (охолоджуючого) елемента.

Коефіцієнт теплопередачі можна визначити за формулою

, (4)

де – середня температура нагріваючого (охолоджуючого) елемента;
F – середня поверхня теплопередачі.

Більш точний спосіб розрахунку теплообмінної поверхні необхідний лише для товстостінних апаратів [4]. У разі нагрівання вмісту апарату з мішалкою паровою рубашкою, що знаходиться на циліндричній частині, за допомогою водяної пари, яка конденсується, можна користуватися залежністю:

, (5)

де С – стала для даної температури конденсації; – висота парової рубашки; – різниця температур між гріючою парою і стінкою апарату з мішалкою.

Величину С можна виключити, якщо відомо кількість переданого тепла. При цьому використовується залежність:

. (6)

Підставивши вираз (6) в рівняння (5), отримаємо:

. (7)

При неусталеному процесі проводиться періодичне нагрівання (або охолодження) рідини в апараті з мішалкою і вимірюється зміна температури цієї рідини під час перемішування.

У випадку, коли неможливо виміряти температуру стінки нагріваючого (охолоджуючого) елемента, коефіцієнт теплопередачі розраховується на основі диференціального рівняння теплового балансу.

Для проміжку часу і випадку нагрівання дійсні рівняння теплопередачі

(8)

і балансне рівняння:

, (9)

де G – маса рідини в апараті з мішалкою; с – питома теплоємність цієї рідини; dt – приріст температури рідини в апараті з мішалкою за час .

В рівнянні (9) опущено кількість тепла, необхідного для підвищення температури металевих частин апарату з мішалкою.

З рівнянь (8) і (9) маємо:

. (10)

Припустивши, що коефіцієнт теплопередачі змінюється під час вимірювань незначно, тобто , і, крім того, , після інтегрування рівняння (1.12) отримуємо залежність:

, (11)

де , – початкова і кінцева температури рідини в апараті з мішалкою.

Якщо, крім того, прийняти, що температура нагріваючого елемента під час вимірювань постійна, то

.

Знаючи значення коефіцієнта , по залежності (3) можна розрахувати коефіцієнт тепловіддачі для рідини, що перемішується в апараті з мішалкою, якщо відомі інші опори теплопередачі.

У разі безпосереднього вимірювання температури поверхні нагрівання стінки апарату з мішалкою рівняння (8) приймає вигляд

, (13)

що в поєднанні із залежністю (9) і після інтегрування за умови дає залежність:

. (14)

Перемішування призводить до пониження температурного і концентраційного градієнтів в оброблюваній системі; тому воно чинить сприятливий вплив на хід усіх операцій, пов’язаних з передачею тепла або маси. До цих процесів відносяться, зокрема, такі широко поширені операції, як: власне нагрівання або охолодження, розчинення, кристалізація, екстракція, абсорбція, електроліз і гетерогенні хімічні реакції, які в більшості випадків протікають в рідкому середовищі.

За результатами проаналізованих досліджень теплопередачі можна зробити деякі узагальнення.

Істотний вплив на значення показників степені і коефіцієнта рівняння різні для різних випадків перемішування здійснює, з одного боку, конструктивна форма мішалки і, з іншою, спосіб підведення тепла. У посудинах з перемішуючими пристроями підведення тепла іноді здійснюється за допомогою електрообігріву, але переважно здійснюється за допомогою внутрішніх змійовиків, сорочок або вертикальних трубчастих перегородок [1].

При визначенні коефіцієнта тепловіддачі дуже важливий ретельний вимір температури. При визначенні місцевих коефіцієнтів тепловіддачі необхідно вимірювати температуру стінки декількома термометрами, які розміщують в безпосередній близькості до поверхні теплообміну, а також температуру кожного теплоносія – теж декількома термометрами.

Порівняння тепловіддачі через змійовик і рубашку показує, що при однакових поверхнях рубашки і змійовика [1] можна зіставити відповідні коефіцієнти тепловіддачі. Для гідродинамічно подібних систем отримаємо:

.

Таким чином, економічно більш вигідна тепловіддача через рубашку.

Також на процеси тепловіддачі здійснює вплив місце розташування мішалки. У розглянутих роботах [1] розташування мішалки над дном посудини змінювалося приблизно в межах . Розміщення мішалки поблизу дна сприятливе при використанні мішалок, що створюють переважно аксіальний потік (пропелерні мішалки). В цьому випадку потік рідини, що викликається мішалкою, омиває усю поверхню теплообміну у вертикальному напрямі. При використанні мішалок, створюючих переважно тангенціальний або радіальний потік, доцільніше поміщати мішалку на висоті приблизно . Потік, що створюється мішалкою, після удару об стінку розділятиметься рівномірно на дві частини і омиватиме поверхню теплообміну також у вертикальному напрямі.

Вплив числа оборотів [4]. Більшість відомих рівняння справедливі в умовах вимушеної конвекції при розвинутому турбулентному режимі течії. Отже, потрібно вибирати таке число оборотів, що забезпечує турбулентний рух рідини. Для перехідної області рівняння справедливі тільки в обмеженому діапазоні; при ламінарній течії потоку застосовуються рівняння для вільної конвекції. Зважаючи на складність оцінки режиму руху потоку біля перегородок, вчені Данлоп і Раштон вивели залежність, яка визначає мінімальне число оборотів, необхідне для отримання турбулентності:

.

Рівняння для розрахунку коефіцієнту тепловіддачі відносяться тільки до перемішування без утворення воронки. Якщо при числі оборотів, необхідному для отримання турбулентності, на поверхні рідини, що перемішується, утворюється воронка, треба встановлювати відповідну кількість перегородок, навіть якщо використовується посудина із змійовиком.

Вплив вмісту зважених речовин. Експериментально встановлено, що наявність зважених часток зменшує значення коефіцієнта тепловіддачі приблизно пропорційно концентрації суспензії [4]. Наприклад, 20% зважених часток зменшують коефіцієнт тепловіддачі на 20%.

Вплив поверхневого натягу на коефіцієнт тепловіддачі необхідно враховувати, наприклад, при перемішуванні двох взаємно-нерозчинних рідин. Коефіцієнт тепловіддачі визначають тоді для рідини, що краще змочує метал, з якого зроблена теплообмінна поверхня.

Таким чином, аналіз відомих методів визначення коефіцієнтів тепловіддачі надають можливість розробити експериментальну установку та методику дослідження, які дозволять найбільш точно визначити коефіцієнти тепловіддачі та теплопередачі при перемішуванні рідини в апаратах з мішалками з магнітним приводом.

Література:

1. Штербачек З. Перемешивание в химической промышленности [Текст] / З. Штербачек, П. Тауск: Л., Ленинградское отделение Госхимиздата. 1963 г. – 416 с.

2. Брагинский Л. Н. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета [Текст] / Л. Н. Брагинский, В. И. Бегачев, В. М. Барабаш: Л.: Химия, 1984. – 336 с., ил.

3. Seungjoo Haam. Local heat transfer in a mixing vessel using heat flux sensors [Thesis]: master of science dissertation / Seungjoo Haam. – The Ohio State University., 1990. – 151 p.

4. B. A. Shannak, R. A. Damseh and A. Azzi. Experimental and theoretical investigation on the discharge characteristic of stratified two-phase flow [Thesis] / Heat and Mass Transfer. Volume 47, Number 3, March, 2011. – 269-275 р.

5. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками [Текст] / Ф. Стренк: Польша, 1971. Пер. с польск. Под ред. Щупляка И. А. – Л.: «Химия», 1975. – 384 с.