Сушка твердых веществ

Твердые лекарственные вещества бывают так же чувствительны к высокой температуре, как и жидкие. Например, лекарственное расти­тельное сырье может лишиться части своих действующих веществ. При неправильной сушке органов животных могут инактивироваться содер­жащиеся в них гормоны и ферменты. Изменения возможны и при сушке химико-фармацевтических препаратов в случае подготовки их к табле-тированию (потеря кристаллизационной воды, спекание, расплавление). Таким образом, температура и скорость сушки являются существенны­ми факторами, влияющими на доброкачественность высушиваемых ве­ществ. Высушивание твердых веществ производится как в контактных, так и в воздушных сушилках.

Теоретические основы сушки

Процесс сушки твердых лекарственных веществ в значительной сте­пени зависит от характера связи удаляемой влаги с материалом.

ФОРМЫ И ВИДЫ ВЛАГИ. При классификации форм и видов связи влаги с материалом исходят из физической природы связи, определяю­щей ее качественные признаки, и из энергии связи, отражающей коли­чественные признаки. Под энергией связи понимается энергия, кото­рую надо затратить в условиях постоянства температуры и влагосодер-жания для отрыва от материала 1 моля воды. Под влагосодержа-нием материала понимается его влажность на абсолютно сухое веще­ство. Влагосодержание имеет размерность: кг влаги/кг материала. Для свободной воды энергия связи равна нулю.

Различают следующие формы и виды связи влаги с материалом: 1) химическую связь, которая характеризуется гидратной или кристал­лизационной; эта влага в процессе сушки обычно не удаляется; 2) фи­зико-химическую связь, которая характерна для всех видо$ внутрикле­точной влаги: а) адсорбциоино-связаяной; б) осмотичеокй'-удержанной (влага набухания); в) структурной влаги; 3) физикоЛ^еханическую связь, которая охватывает влагу макрокапилляров (г>> 10~⁵ см) и вла­гу микрокапилляров (г<10~⁵ см).

Основанием для деления капилляров на макро- и микрокапилляры является соизмеримость длины свободного пробега молекулы пара с радиусом капилляра.

Энергия физико-механической связи равна нулю (это свободная вла­га^, химическая форма отличается резким увеличением энергии связи.

Независимо от характера связи влагу, прочно связанную с материа­лом, называют гигроскопической. Эта влага не может быть пол­ностью удалена из материала путем сушки. Влага, удаляемая из ма­териала в условиях тепловой сушки, называется свободной. Путем значительного увеличения температуры воздуха и снижения его относи­тельной влажности можно удалить еще некоторую часть гигроскопиче­ской влаги. Эту часть влаги, которую еще можно удалить сушкой, на­зывают связанной влагой.

При сушке твердых веществ обычно удаляют капиллярную и внутриклеточную влагу. Под капиллярной понимается влага, ко­торая наполняет многочисленные макро- и микрокапилляры, пронизы­вающие массу суховоздушного растительного сырья или твердых тел зернистого строения. С внутриклеточной влагой приходится иметь дело при сушке эндокринного сырья и свежесобранных лекарственных расте­ний.

МЕХАНИЗМ СУШКИ. Механизм сушки капилляропористых тел оп­ределяется закономерностями массопереноса внутри тел и на границе

8—163

ИЗ

раздела между твердой и газообразной фазами. Механизм внутреннего массопереноса определяется формой связи влаги с материалом: струк­турой капилляропористого тела и режимом сушки.

Внутри капилляропористых тел в ходе их сушки могут наблюдаться следующие виды переноса влаги: 1) диффузия жидкости; 2) диффузия пара; 3) молекулярный и конвективный перенос жидкости и пара; 4) проталкивание жидкости благодаря расширению защемленного воз­духа при повышении температуры; 5) эффузия (молекулярное течение) пара в микрокапиллярах (г<10~⁵ см). Под эффузией понимается на­правленное, а не хаотическое (как при диффузии) движение молекул пара, причем ее особенность—■ перенос веществ от менее нагретых мест микрокапилляров к более нагретым. Эффузия возникает именно в мик­рокапиллярах, т. е. когда длина свободного пробега молекул пара со­измерима с радиусом капилляров; 6) тепловое скольжение пара в макрокапиллярах (г>10~⁵ см), возникающее при наличии перепада температуры по длине стенок капилляра и состоящее в том, что у по­верхности стенок капилляра влажный воздух движется не против по­тока тепла, а по оси капилляра — в направлении потока тепла.

Проявление перечисленных видов переноса влаги в процессе сушки зависит от режима процесса и свойств высушиваемого материала.

На границе раздела фаз и вблизи от поверхности твердого тела в мягких условиях сушки (^<100°С) механизм массопереноса остается в основном молекулярным. По мере удаления от поверхности тела возра­стает доля конвективного переноса массы, и в центре потока этот ме­ханизм становится преобладающим.

КИНЕТИКА СУШКИ. Процесс сушки, как и массообменные процес­сы, выражается уравнением массопередачи, объединяющим молекуляр­ную и конвективную диффузии:

где W — количество испарившейся влаги; К — коэффициент массопере­дачи; F — поверхность раздела фаз; Р_м— давление паров влаги у по­верхности материала; Р_п— парциальное давление паров в воздухе.

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров влаги у поверхности материала Р_м и парциального давления па­ров в воздухе Р_п, т. е. Р_м—Рп. Чем больше эта разница, тем интенсив­нее идет процесс испарения влаги. При Р_м—Р_п=0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой. Этому состоя­нию соответствует устойчивая влажность материала, называемая рав­новесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается.

Скорость сушки U определяется количеством влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени:

W

U = "pjr кг/м³с.

Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внешняя диффузия). Вместо испарившейся влаги под действием капиллярных сил к поверхности устремляется влага из внутренних сло­ев материала (внутренняя диффузия). Вначале испаряющаяся с поверхности влага легко восполняется притоком ее изнутри. В этот период высушиваемое вещество покрыто влажной пленкой и процесс поверхностного испарения можно сравнить с испарением без кипения со свободного зеркала жидкости.

По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет по­степенно освобождаться от жидкой пленки, обнажаясь при этом. В данный период с поверхности будет испаряться лишь та влага, ко-

Рис. 64. Диаграмма процесса сушки. Объ­яснение в тексте.

	Я		С'
			\
			\
			\
			\
ост.			\
	/VI
	ву\

Абсолютная влажность

торая силами внутренней диффузии доставляется из глубинных слоев по капиллярам. По мере продолжающегося испарения влага все с боль­шим трудом поступает к поверхности. В это время на скорость диффу­зии, что равнозначно скорости сушки, начинают оказывать влияние при­родные свойства материала и его способность задерживать влагу. В дальнейшем начинает прогреваться верхний слой высушиваемого ма­териала. Вследствие этого часть влаги испаряется уже в капиллярах, не успев достигнуть поверхности. В этот момент свойство материала задерживать влагу проявляется особенно сильно. Продолжающееся па­дение скорости сушки продолжается до стадии равновесного содержа­ния влаги в материале.

Процесс сушки может быть изображен в виде кривой, нанесенной на диаграмму с координатами: скорость сушки — влагосодержание (рис. 64). Из диаграммы видно, что кривая сушки имеет несколько от­резков. Отрезок СД соответствует периоду прогрева материала, являет­ся кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева до­стигает максимальной величины. Отрезок СА представляет собой пря­мую линию, параллельную оси абсцисс, которая соответствует перио­ду постоянной скорости сушки (период внешней диффузии). В этот начальный период сушки внутренняя диффузия настолько ин­тенсивна, что обеспечивает поступление к поверхности более чем доста­точного количества влаги. Поэтому при неизменном состоянии окру­жающего воздуха и постоянной температуре сушки количество паров, удаляемых с постоянной поверхности испарения, в этом случае будет одним и тем же. Точка А — начальная точка периода падающей скорости сушки, иначе говоря, критическая точка процесса суш­ки. В этот период скорость сушки полностью зависит от скорости диф­фузии влаги изнутр~и> Вначале скорость внутренней диффузии падает более или менее равномерно, поэтому и скорость сушки в данный от­резок времени снижается равномерно (равномерно падающая скорость сушки). Поэтому кривая отрезка АВ вначале имеет вид прямой линии и только потом переходит в кривую, характеризующую неравномерно падающую скорость сушки, которая, как отмечалось выше, соответствует процессу углубления поверхности испарения, когда влага начинает испаряться уже в капиллярах.

Конец сушки (равновесное влагосодержание) на кривой обозначен точкой В. Необходимо указать, что вначале к поверхности испарения подводится капиллярная влага как вполне свободная. Что касается внутриклеточной влаги, то она приходит в движение только после пол­ного или частичного испарения капиллярной влаги. Стенки клеток про­ницаемы для воды и водяного пара.

Продолжительность процесса сушки, а следовательно, и производи­тельность ее зависят от скорости сушки. Скорость сушки является рав­нодействующей многих факторов. Главными из них являются: 1) при­родные особенности высушиваемого вещества — его структура, характер

8* 115

связи с водой, химический состав и т. д.; 2) общая поверхность высу­шиваемого материала, зависящая от размера кусков, толщины слоя. Чем больше поверхность высушиваемого материала, тем быстрее про­текает сушка; 3) количество влаги, подлежащее удалению; 4) влаж­ность и температура воздуха. Чем выше температура воздуха и ниже его относительная влажность, тем быстрее протекает сушка; 5) скорость движения теплоносителя. Чем с большей скоростью проходит теплый воздух в сушилках, тем интенсивнее теплообмен между ним и высуши­ваемым веществом; 6) интенсивность перемешивания высушиваемого материала. Чем лучше перемешивается материал, тем больше активная поверхность испарения и тем быстрее, следовательно, протекает сушка.

Теплоноситель — нагретый воздух — представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Принося с собой тепло, воздух отдает его влажному веществу. Одновременно в воздух переходят пары влаги, вы­делившиеся из высушиваемого вещества. Однако способность воздуха насыщаться водяным паром не беспредельна, а ограничена вполне оп­ределенными величинами при данной температуре и данном давлении. За пределами насыщения пары выпадают из воздуха в виде тумана, что влечет за собой увлажнение вещества.

Способность воздуха выполнить задачи сушки определяется следую­щими параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влаго-содержанием и теплосодержанием влажного воздуха.

Абсолютной (или объемной) влажностью воздуха называет­ся масса в килограммах водяных паров, содержащихся в 1 м³ влажно­го воздуха.

Относительной влажностью воздуха называется отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м³ воздуха при тех же температурах и давлении. Относительная влажность характеризует степень насшдения воздуха влагой.

Благо содержанием воздуха (х) называется количество во­дяного пара в килограммах, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Величина х характеризует относительный весовой состав влажного воздуха.

Теплосодержание влажного воздуха (/) представляет собой сумму теплосодержания сухого воздуха и водяного пара, находя­щегося в нем.

Приняв обозначения: у_п — относительная плотность водяного пара, на­ходящегося во влажном ненасыщенном воздухе, в кг/м²; у_и — относи­тельная плотность водяного пара при полном насыщении воздуха в кг/м³; Р_п — парциальное давление водяного пара при фактическом со­держании во влажном воздухе в Н/м²; Р_н — парциальное давление во­дяного пара при полном насыщении влажного воздуха в Н/м²; G_n — масса водяного пара во влажном воздухе; G_CB — масса сухого воздуха в том же объеме; М_п и М_с — величины молекулярных масс водяного пара и сухого воздуха; Р — полное давление влажного воздуха в Н/м², мож-нл составить следующие уравнения.

1. Для относительной влажности воздуха:

т. е. относительная влажность определяется как отношение плотностей или, поскольку плотность пара пропорциональна его парциальному дав­лению в смеси, как отношение парциального давления паров воды, на­ходящихся в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при дан­ной температуре. 2. Для влагосодержания воздуха:

С М

Из формулы относительной влажности следует:

Подставляя значение Р_п и величины молекулярных масс, получим следующую зависимость влагосодержания воздуха от его относитель­ной влажности:

х= 0,622 р__ р , кг водяного пара/кг сухого воздуха,

где 0,622 представляет собой частное от деления 29,27 (газовая посто­янная сухого воздуха) на 47,06 (газовая постоянная водяного пара). 3. Для теплосодержания влажного воздуха:

/= 1000/ + 1970/х + 2493- 10³х, Дж/кг сухого воздуха,

где t —температура влажного воздуха в °С; х — влагосодержание в кг влаги/кг сухого воздуха; 1000 — теплоемкость сухого воздуха; 1970 — теплоемкость водяного пара; 2493-10³—-скрытая теплота парообразо­вания при 0°С. Если за единицу количества тепла принята 1 ккал, эта формула примет вид:

/= 0,24/ + 0,46/* + 595* ккал/кг сухого воздуха.

где t — температура влажного воздуха в ^СС; 0,24 ккал/кг °С — теплоем­кость сухого воздуха; 0,46 ккал/кг °С — теплоемкость водяного пара; х — влагосодержание в кг влаги/кг сухого воздуха; 595 ккал/кг — скры­тая теплота парообразования при °С.

Параметр ф характеризует способность воздуха поглощать воду, испа­ряемую из влажного вещества, т. е способность воздуха уносить пары из сушилки. Совершенно очевидно, что нужно стремиться к тому, чтобы значение ф было наименьшим при входе воздуха в сушилку и наиболь­шим при выходе из нее. Однако значение ф не следует особенно близко подводить к единице во избежание опасности конденсации паров и, следовательно, отсыревания уже сухого веществу. Температуру, при ко­торой воздух данного состояния, охлаждаясь при постоянном влагосо-держании, становится полностью насыщенным, называют точкой росы. При температуре точки росы дальнейшее охлаждение влажного воздуха ведет к выпадению из него влаги, что практически и наблю­дается в виде росы, выпадающей на холодных предметах. Парамет­ром / характеризуется количество тепла, доставляемое воздухом, кото­рое расходуется на нагревание вещества и испарение содержащейся в нем влаги. Параметр х является основным при расчете сушилок.

ВОЗДУШНЫЕ СУШИЛКИ. Шкафные сушилки. Простейшей воздуш­ной сушилкой является сушильный шкаф. Сушка в таких шкафах про­ходит неравномерно. В то время, когда на нижней полке материал уже высох, на верхней он еще влажный. Досушивая материал на верхней полке, мы тем самым будем перегревать его на нижней. В связи с этим решетки с материалом приходится время от времени менять местами.

Значительно более рациональными являются сушилки с принудитель­ной циркуляцией воздуха-теплоносителя, например многокамерный су­шильный шкаф (рис. 65). Внутри шкафа имеются две стойки 1 с набо­ром выдвижных решеток 2. Калориферы 3 и 5 установлены вертикально по боковым стенкам внутри шкафа. Воздух в сушилку нагнетается вен­тилятором 4. Проходя через калорифер 3, он идет вдоль ряда верхних полок, отгороженных от нижележащих перегородкой 6. Дойдя до про­тивоположной стенки, воздух подогревается калорифером 5 и возвра­щается назад к калориферу 3 по нижележащей камере, отгороженной перегородкой 6. После подогрева ток воздуха направляется к калорифе­ру 5 вдоль следующей камеры и т. д., пока не дойдет до нижней камеры.

w		к f \		© I
/		A \
у		\ \ \		\	-..
\ \	\
\
\		\
I	\
	.-
	A
		-

^Рмс. 65. Схема многоярусной ленточной сушилки.

. 65. Многокамерный сушильный шкаф. Объяснение о тексте.

Отсюда воздух, насыщенный водяными парами, выводится наружу че­рез шахту в правой части шкафа. С помощью заслонки 7 часть влаж­ного, но теплого воздуха можно примешивать к свежему воздуху.

Ленточные сушилки. Представляют собой бесконечную ленту из ме­таллической сетки, движущуюся внутри камеры. Эти сушилки могут быть прямоточные-ji с противотоком. В сушилках с прямым потоком высушивание происходит на первых участках ленты. Далее почти высу­шенный материал приходит в соприкосновение только с охлажденным и влажным воздухом, что исключает перегрев материала. В сушилках с противотоком свежий воздух встречается с уже подсушенным мате­риалом, а затем движется к влажному материалу и в охлажденном и влажном состоянии застает совсем сырой материал. Этим достигается лучшее насыщение воздуха и максимальное использование его теплоты. Высушенный материал имеет меньшую влажность, чем при прямом по­токе. Недостаток — возможность перегрева.

Ленточные сушилки могут быть одноярусные и многоярусные. В одно­ярусной сушилке материал лежит, не перемешиваясь, что ухудшает сушку. В многоярусных сушилках (рис. 66) материал пересыпается с ленты на ленту и хорошо перемешивается. Длина такой сушилки зна­чительно меньше.

В фармацевтическом производстве для сушки свежего растительного сырья нашли широкое применение отечественные пятиленточные сушил­ки СПК-30 и СПК-45 (сушилки паровые калориферные). Они состоят из 5 сетчатых ленточных транспортеров, натянутых на барабаны. Меж­ду ветвями каждого транспортера расположены батареи калориферов. Ширина ленты у СПК-30 1,25 м, длина около 5 м, общая рабочая пло­щадь сети 30 м² (у СПК-45 она составляет 45 м²). Сырье с подающего транспортера поступает на верхний транспортер; движется оно со ско­ростью 0,2 м/мин; с одной ленты на другую пересыпается с помощью специальных направляющих козырьков; для перемешивания сырья устанавливаются ворошители. Воздух проходит снизу вверх последова­тельно все зоны, нагреваясь 5 раз в калориферах. Пар давлением 3— 5 ат поступает параллельно в первый и второй калориферы; из второго он последовательно проходит через третий, четвертый и пятый калори-

,118

феры. Конденсат отводится от первого (на первой ленте было наиболее влажное сырье и, следовательно, больший расход тепла) и пятого ка­лориферов. Воздух отсасывается из сушилки осевым вентилятором.

Аэрофонтанные сушилки

Аэрофонтанной называют сушку твердых веществ в кипящем (псевдо-сжиженном) слое. При этом способе сушки происходит быстрое вырав­нивание температур твердых частиц и сушильного агента и достигается интенсивный тепло- и массообмен между твердой и газовой фазами, в результате чего сушка заканчивается в течение нескольких минут. При сушке в кипящем слое в качестве сушильных агентов применяют топочные газы и воздух. Принципиальная схема сушки в кипящем слое показана на рис. 67. В камере смещения 2 топочные газы смешиваются с воздухом, нагнетаемым вентилятором 1, и поступают в нижнюю часть сушилки, представляющей собой цилиндрическую или прямоугольную сушильную камеру 3 с газораспределительной решеткой 4. Высушивае­мый материал подается шнеком 5 в верхнюю часть камеры 3 и образует кипящий слой в восходящем токе газа, проходящего сквозь отверстия решетки 4. Высушенный материал пересыпается через порог 6 в сбор­ник 7. Твердые частицы, уносимые потоком сушильного агента, отделя­ются в циклоне 8. Аэрофонтанная сушка непригодна для материалов, трудно поддающихся псевдосжижению и легко истирающихся, так как в этом случае резко увеличивается унос твердых частичек.

Сушка инфракрасными лучами

Инфракрасные лучи-1-невидимые лучи с длиной волны от 0,76 до 400 ммк. Они примыкает к красному участку видимой части спектра и заполняют область между ним и самыми короткими радиоволнами. Инфракрасное теплоизлучение способствует более интенсивному удале­нию влаги и в этом отношении имеет некоторые преимущества перед

Топочные газы

X >

еж

Рис. 67. Сушилка с кипящим (псевдосжиженным) слоем. Объясне­ние <в тексте.

-м-

■м-¹

За

-М-»

36

Рис. 68. Сушилка с силикагельными колонками. Объяснение в тексте.

обычной воздушной сушкой. К тому же инфракрасные радиационные
сушилки более компактны. Инфракрасная сушка нашла применение
при сушке гранулята, но, несомненно/область ее применения в будущем
значительно расширится. '

Сушка токами высокой частоты

Сушка токами высокой частоты, или сушка с диэлектрическим нагре­вом, в настоящее время широко используется при сушке различных ди­электриков: пластических масс, смол, древесины и др. Этот метод суш­ки весьма перспективен для фармацевтического производства и приме­няется при сушке гранулята. Принцип диэлектрического нагревания заключается в свойстве молекул диэлектрика поляризоваться под дей­ствием электрического поля. Скорость поляризации молекул зависит от того, как часто электрическое поле меняет свое направление на прямо противоположное. При небольших частотах невелико и число поворотов молекул в единицу времени. С увеличением частоты возрастает и ко­личество поворотов молекул. Повороты молекул, сопровождаемые внут­ренним трением, требуют некоторой затраты энергии электрического поля, которая при этом превращается в тепло. Поэтому с увеличением частоты будет возрастать и количество выделенного тепла.

Применяя диэлектрическое нагревание, влагу удается удалить при сравнительно низкой температуре, причем сушка проходит быстро, од­новременно и равномерно по всей толщине высушиваемого материала. Ценным моментом является также возможность осуществления избира­тельного нагревания отдельных компонентов, входящих в неоднородный материал, что достигается путем подбора частоты колебаний.

0

Сорбционная сушка

Удалять влагу из влажных тел можно и без подвода тепловой энер­гии. В частности, влага может быть удалена путем ее поглощения ад­сорбентами. На рис. 68 представлена схема работы шкафной сушилки с силикагельными адсорбентами. Силикагель — обезвоженный и прока­ленный гель кремниевой кислоты (SiO₂-nH₂O), обладающий высоки­ми адсорбционными свойствами. Воздух, всасываемый в установку с помощью насоса /, последовательно проходит через калорифер 2, где

подогревается, затем через силикагельную колонку За и в совершенно сухом состоянии поступает в камеры сушилки 4. Влажный воздух из су­шилки направляется в силикагельную колонку За, где освобождается от влаги и после подогрева в калорифере 5 возвращается в сушилку. Таким образом создается непрерывная циркуляция сухого нагретого воздуха, обеспечивающего быструю сушку гранулята (в течение 1—2 ч). В сушильной установке обычно бывают две силикагельные колонки, работающие поочередно. Когда колонка За утратит свою адсорбционную способность, в работу включается адсорбер 36, а адсорбер За подверга­ется регенерации, которая проводится путем прокаливания силикагеля при температуре до 300 °С. При этом полностью восстанавливается как его структура, так и адсорбционная способность. Шкафные сушилки с силикагельными колонками в фармацевтическом производстве нашли применение при сушке гранулята. Силикагельные колонки с равным успехом могут быть использованы для сушки веществ, удерживающих ценные экстрагенты (спирт, эфир и др.). В этом случае силикагелем будет адсорбироваться смесь паров воды с экстрагентом. После того как будет полностью использована адсорбционная активность силикаге­ля, через отключенную колонку пропускается пар. Проходя через слой силикагеля, пар десорбирует адсорбтив (например, спирт) и уносит его в конденсатор. Освобожденный от адсорбтива адсорбент регенерируется путем прокаливания.

Ультразвуковая сушка

Наряду с описанными способами в практику фармацевтических про­изводств начинает внедряться сушка в акустическом поле слышимых и ультразвуковых волн. Установлено, что для эффективной сушки с по­мощью ультразвука наиболее подходя­щими частотами являются 6—8 кГц.

Влажный

. U SI U v!/l П 1 воздух

Физическая сущность звуковой суш­ки до сих пор остается неясной, одна­ко имеется ряд рабочих гипотез, обос­новывающих частные случаи.

Загрузив материала

На рис. 69 изображена ультразвуко­
вая сушилка для порошкообразных
материалов. Звук в ней получается с
помощью сирены — газоструйного

свистка. Сухой воздух, постоянно пере­мешивая материал, заставляет его «кипеть», образуя псевдосжиженный слой. Одна сирена расположена сбо­ку, максимально захватывая всю пло­щадь. Когда высушенный материал начнет подниматься вверх, он попадет под действие акустического поля bjo-рой сирены. При этом частицы укруп­няются и попадают в разгрузочный бункер.

Рис. 69. Звукофицировавная сушилка (с «ки-пящим» слоем).

1,1 — сирены; 3 — питатель; 4 — колосниковая решет­ка; 5 — вертикальный цилиндр; 6 — бункер.