Энергия в производственных процессах. Тепловые процессы в фармацевтическом производстве. Механизмы переноса теплоты: теплопроводность, конвекция, лучеиспускание. Совместная теплопередача.

Для каждого производственного процесса помимо затрат труда, исходных материалов, аппаратов и машин, при помощи которых осуществляются процессы, необходима энергия для обработки материалов. Чаще всего используется электрическая и тепловая энергия. Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода и отвода тепла (нагревание, охлаждение, выпаривание), называются тепловыми процессами.

Теплопередача или теплообмен.Это процесс распространения тепла от одного объекта к другому. Тепло может передаваться от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Теплообмен может протекать между телами самопроизвольно или с затратой механической работы. Тепло передается без затрат работы извне только от тел с высшей температурой. Среди тепловых процессов основное место занимает процесс передачи тепла от его источников к обрабатываемому материалу. Такими источниками являются раскаленные или горячие твердые тела, жидкости или газы.Переход тепла может распространяться разными путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Теплопроводность - вид теплообмена, который происходит между частицами тела, находящимися в соприкосновении и заключается втом, что тепловая энергия распространяется внутри тела от одной частицы к другой, соседней, находящейся поблизости, вследствие их колебательного движения. Зависит от агрегатного состояния тела, и в твердых телах является обычно основным видом распространения тепла. Конвекция - перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкостей. Различают вынужденную и свободную конвекции. В 1 случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например насосом, вентилятором и т.д., во 2 – разностью плотностей между холодным и нагретым участками среды. Излучение (лучеиспускание) – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Излучение свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля по шкале Кельвина.

Тело способное полностью поглощать тепловые лучи и максимально их излучать, называется абсолютно черным. Тело, не обладающее поглощающей способностью и отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым. В природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно белых тел. На практике перечисленные виды теплообмена редко наблюдаются реально, в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются совместно. Такой процесс называется сложным теплообменом (совместная теплопередача). Во всех случаях общее количество тепла, передаваемое ч/з обогреваемую поверхность аппарата, определяется:

где Q - тепловой поток, Вт; К - общий коэффициент теплопередачи, Вт/м2град; F - поверхность теплопередачи м2; , - средняя разность температур между греющим и холодным теплоносителем. Общий коэффициент теплопередачи является результатом совместной теплопередачи, в которую одновременно может входить два или три вида теплопередачи.

Нагреваниеявляется одним из наиболее распространенных процессов фармацевтической технологии ЛС. Нагревание необходимо для ускорения химических реакций, а также для выпаривания, сушки, перегонки и других процессов. В галеновом производстве пользуются различными видами нагревания. Наиболее часто применяются дымовые газы,водяной пар, электрический ток. Наиболее простым устройством для использования теплосодержания дымовых газов является нагрев на "голом огне". В крупном он не применяется, так как имеет ряд недостатков: - Нагрев на "голом огне" трудно поддается регулировке. -Он может повлечь нежелательное повышение температуры и термическое разложение (пригорание, воспламенение). - Пламя печей может быть источником пожаров и взрывов. - При помощи электрического тока можно достичь весьма высоких температур нагрева, до 3200°С. -Электрические нагревательные устройства работают при более высоком КПД, чем устройства для нагрева другими теплоносителями. При электронагреве рабочее место в производственном помещении не загрязняется. Методы электронагрева: 1. При помощи сопротивления проводников из специальных материалов. 2. При помощи сопротивления нагреваемой жидкости, которая находится между двумя электродами электрической цепи. 3. При помощи индукционного тока. 4. Диэлектрическое нагревание (высокочастотное). Однако нагревание электрическим током недостаточно распространено вследствие сравнительно высокой стоимости и дефицитности электроэнергии, а также сложности аппаратуры.

7. Теплоносители. Водяной пар как основной теплоноситель. Влажный, сухой, насыщенный и перегретый пар. Теплосодержание водяного пара.

В фармацевтической технологии прямые источники тепла (дымовые или топочные газы, электрический ток) применяются редко. В качестве теплоносителем применяются водяной пар, горячая вода, минеральные масла. Основным теплоносителем является водяной пар. Он вырабатывается в паровых котлах. Как теплоноситель пар имеет следующие достоинства: · доступный теплоноситель; · безопасен в пожарном отношении; · нетоксичен; · обладает высоким коэффициентом теплоотдачи (1 кг пара выделяет 540 ккал тепла); · возможность регулирования температуры; · пар легко транспортируется по паропроводам за счет собственного давления; · обеспечивает равномерность нагрева.

Насыщенный пар - это пар, имеющий максимальные плотность и упругость при определенных давлении и температуре, при которых в паровом пространстве находится максимально возможное количество молекул. Насыщенный водяной пар может быть влажным и сухим. Влажным насыщенным паром называется пар, образовавшийся при незаконченном парообразовании и состоящий из смеси пара с капельками воды (tвлажного насыщенного пара равна tкипящей воды). Сухим насыщенным паром называется пар, образовавшийся при законченном парообразовании (его t также равнаt кипящей воды). При нагревании «острым» паром его вводят в обогреваемый объект по трубе или барботеру (труба с многочисленными отверстиями). При этом пар отдаёт свое тепло и конденсируется. При использовании «острого» пара кроме нагревания происходит и перемешивание жидкости. Нагревание «острым» паром применяется в тех случаях, когда разбавление жидкости водой не имеет существенного значения. При нагревании «глухим» паром обогреваемый объект не соприкасается с паром, тепло передается ч/з стенку теплообменника. Теплосодержание водяного пара – это кол-во тепла, которое получает вода при нагревании до кипения.

Где Q – количество тепловой энергии, которое содержит вода при нагревании от 00 до 1000 С, кДж/кг или ккал/кг; с – теплоемкость воды, - 4,1868 кДж/кг*град или 1 ккал/кг*град; (t100 – t0) – разность температур.

Вода - как теплоноситель используется реже пара, так как имеет ряд недостатков: · коэффициент теплоотдачи горячей воды ниже, чем у пара ≈ в 500 раз · температуру воды регулировать трудно · для транспортировки воды необходим расход энергии. Горячую воду получают в водогрейных котлах или в бойлерах (паровой водонагреватель). Применяются бойлеры для нагревания до температур не более 100 ̊С. Минеральные масла как теплоносители позволяют проводить нагрев до 250 - 300° С. Это наиболее дешевые теплоносители. Недостаток: низкий коэффициент теплоотдачи, подверженность термическому разложению и окислению. Расход пара при нагревании. Направление движения теплоносителей (прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток) и его влияние на интенсивность теплообмена.