Inženýrství chemicko farmaceutických výrobtresen.vscht.cz/kot/wp-content/uploads/2015/11/... · Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower) rotor má uložený ve válcové skříni

1

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P07 – Interakce partikulárních látek s tekutinou

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob

TekutinyCharakteristika, proudění tekutin, interakce s PL, filtrace

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek

Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu

Kapaliny

rozpouštědla

kapalné API, lékové formy

disperze

Plyny

Vzduchotechnika

Sušení

Fluidní operace

2


Ideální kapalina

Ideální kapalina je nestlačitelná, ale neexistují v ní smyková napětí ani deformace.


Zachování hmoty Rovnice kontinuity

Vteřinový objemový průtok Q kapaliny určitou proudovou trubicí se zachovává.

Je-li u nestlačitelných kapalin v jednom jejím místě průřez S1 a v druhém S2, platí :

S1v1 = Q1 = Q2 = S2v2 U stlačitelných tekutin je konstantní průtok

hmotnostní a platí : S1v11 = S2v22

3


Zachování energieBernoulliho rovnice

Rozměr J.kg-3

u … rychlost proudění

z … výška

P … tlak

konstgzP

u

2

2

1


Reálná kapalina - viskozita

Dynamická viskozita, η [Pa.s]

τ … tečné napětí

platí pro Newtonovskétekutiny

y

u

y

stacionární povrch

pohyblivý

povrch u

τ

tekutina y

u

4


Typy viskozity

(éta) je dynamická viskozita

[] = kg.m-1.s-1 = N.m-2.s = Pa.s

Starší jednotka Poise P=g.cm-1.s-1=0,1 Pa.s

Často se používá viskozita vztažená na hustotu, tzv. kinematická viskozita

= /


Vizkozity tekutin

Látka Viskozita [Pa.s]

Vzduch 2 × 10-5

Zkapalněný N2 2 × 10-4

Voda 9 × 10-4

Olej 8 × 10-2

Glycerin 1 × 100

Masťový základ 2 × 105

5


Nenewtonovské kapaliny

Newtonovská

du/dx

τ

Dilatantní

Binghhamská



Zdánlivá viskozita může záviset také na doběnamáhání. Některé pseudoplastické a plastické systémy mají chování : tixotropní – u nichž

viskozita s časem klesá

6



Zdánlivá viskozita může záviset také na doběnamáhání.

Některé dilatantnísystémy mají chování: reopektické – u nichž

viskozita s časem roste


Proudění viskózní kapaliny

r

Směr pohybu tekutiny

F1 F2

Ft

2rp1 p2

7


Proudění viskózní kapalinyrovnováha sil

Tlakové síly

působí na podstavy

plášť síla způsobená třením okolních vrstev.

Pohybuje-li se válec rovnoměrně, musí být všechny síly na něj působící v rovnováze :

02)( 212

dr

dulrppr

drrl

pdu

2

1


Proudění viskózní kapalinyv kulaté trubce

okrajová podmínka u(R) = 0 :

u stěny trubky je rychlost nulová

)(4

1);( 22 rR

l

pRru

Rr

u(r)

umax)(

4

1 2max R

l

pu

8


Poiseuillův zákon

Laminární tok potrubím

224

1rR

l

pu

2

max4

1R

l

pu

rdrrRl

prdruudAQ

RR

A

0

22

0

24

12

4

8R

l

pQ

Hagen-Poiseuillova rovnice


Režim toku

Laminární

Turbulentní

9


Hranice režimů proudění

Reynoldsovo kritérium

relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti

Re < 2300 … laminární proudění

Re > 10 000 … turbulentní proudění

uLuLRe


Teorie podobnosti

Pro turbulentní systémy je řešení Navier Stokesovy rovnice obtížné

Nutné experimentální studium systému

Možný přenos poznatků mezi podobnými systémy

Podobné systémy – stejné hodnoty kritérií podobnosti

10


Kritéria podobnosti

Strouhalovo kritérium

t, u, L … charakteristický čas, rychlost, velikost

Reynoldsovo kritérium

relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti

L

tuSt

uLuLRe


Kritéria podobnosti

Eulerovo kritérium

relace mezi tlakovou a setrvačnou silou

Froudovo kritérium

relace mezi gravitačními a setrvačnými silami

2u

pEu

2u

gLFr

11


Disipace energie při proudění kapalin

Bernoulliho rovnice

u … rychlost proudění

z … výška

P … tlak

Edis … měrná dissipovaná energie

f … frikční faktor

disBB

střBAA

střA EgzP

ugzP

u

2

,

2

,2

1

2

1

2

2u

d

lfEdis


Moodyho diagram

12


Doprava kapalin - čerpadla

Hydrostatická (positive displacement)

přeměna práce na tlak v prvku čerpadla

pístová, lamelová, zubová, membránová, aj.

hlavní nevýhodou je pulsace

Hydrodynamická

přeměna práce na kinetickou energii, poté na tlak

axiální, radiální (odstředivá)

hlavní nevýhodou je kavitace


Pístová čerpadla

13


Zubová čerpadla

Čerpání zvláštních tekutin

viskózní

abrazivní

s pevnými částicemi


Membránová čerpadla

Membrána ovládána

pístem

stlačeným plynem

Mechanismus čerpadla oddělen od čerpané tekutiny

Odolnost vůči zvláštním médiům

14


Šneková a peristaltická čerpadla


Hydrodynamická čerpadla

Odstředivé Axiální

15


Funkce odstředivého čerpadla


Doprava plynů

Přetlaková

ventilátory (fans)

dmychadla (blowers)

kompresory (compressors)

Podtlaková

vývěvy (vacuum pump)

16


Ventilátory

Charakteristika

doprava většího množství plynů při malém přetlaku (0,1 - 0,11 MPa)

radiální (paprskový) ventilátor

dopravovaný plyn se sacím hrdlem přivádí na střed oběžného kola se zahnutými lopatkami. Odstředivou silou je vytlačován do spirální skříně a výtlačného hrdla, odkud vychází ven.


Ventilátory

axiální (osový) ventilátor

oběžné kolo má tvar několikakřídlové vrtule.Jeho rotací se vzduch pohybuje rovnoběžně s osou (používají se k odvětrávání místností)

17


Dmychadla

Charakteristika

doprava plynů za středního tlaku (0,11 - 0,3 MPa).

Rootsovo dmychadlo (Roots blower)

podobné zubovému čerpadlu - ve skříni dmychadla se proti sobě otáčejí 2 rotory, které jsou neustále ve vzájemném dotyku a současně přiléhají k vnitřním stěnám skříně a rozdělují jí na 2 komory. Plyn se nasává do 1 komory mezi rotor a skříň a ve 2. komoře se vytlačuje.


Dmychadla

Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower)

rotor má uložený ve válcové skříni s drážkami pro výsuvné lamely (destičky). Lamely mají mírný sklon, při otáčení rotoru jsou odstředivou silou přitlačovány k vnitřní straně válcové skříně a tím vytvářejí komůrky, jejich objem se směrem od sacího hrdla k výtlačnému snižuje a tím dochází ke stlačování plynu.

18


Kompresory

Charakteristika

stroje k dopravě a stlačování plynů, které vyvíjejí tlak 0,3 - 100 MPa.

Při stlačování dochází ke zvyšování teploty a proto se musí chladit

Pístové kompresory

stlačují plyn vratným pohybem pístu ve válci.

mohou být dvou- a vícestupňové - stlačený plyn z předcházejícího stupně vstupuje vždy do dalšího válce o menším objemu.


Kompresory

Rotační lopatkové turbokompresory

stlačují plyn pomocí rotujících oběžných lopatek.

radiální - mají stejný princip i konstrukci jako turbodmychadla, liší se vyšším počtem stupňů a vyšším tlakem a zmenšuje šířka a průměr oběžných kol.

axiální - Základ kompresoru je rotor s lopatkami, které vhánějí plyn přiváděný sacím hrdlem do neustále se zmenšujícího objemu, čímž se plyn stlačuje a vychází výtlačným hrdlem.

19


Kompresory

Šroubový kompresor

plyn se přivádí mezi 2 šrouby, které do sebe zapadají. Každý má jiný počet závitů i otáček. Šrouby přiváděný plyn stlačují a vedou do výtlačného hrdla.


Vývěvy

Charakteristika

zařízení, která vysávají plyn z uzavřeného prostoru, kde má vzniknout podtlak a nasátý plyn stlačují na tlak atmosférický

Pístové

připomínají pístové kompresory

Rotační

založeny na rotaci excentricky umístěného válce s lopatkami nebo výsuvnými lamelami.

20


Vývěvy

Olejová rotační vývěva

rotační vývěva s vnitřní olejovou lázní

lepší těsnost

chlazení těla vývěvy olejem

Vodokružná vývěva

mezi excentrickým rotorem a vodním prstencem vytvářejí lopatky komůrky, které se od sacího otvoru nejdříve zvětšují (tím se plyn nasává), směrem k výtlačnému otvoru se zmenšují (plyn je vytlačován).


Vývěvy

Proudová vývěva

proud tlakové vody nebo páry se přivádí do trysky, kde zúžením průřezu prudce stoupne rychlost a tím poklesne tlak

vzniklým podtlakem se nasává dopravovaný plyn ze sací komory

směs nosného média a nasátého plynu přichází do difuzoru, kde se průtokový průřez zvolna rozšiřuje, tím se proud zpomaluje a jeho tlak vzrůstá

21


Doprava kapalin čerpadlem

Bernoulliho rovnice

HC … charakteristika potrubí Potřebná pracovní výška čerpadla

disBB

střBAA

střAA EgzP

ugzP

uW

2

,

2

,2

1

2

1

g

Ezz

g

PP

g

uu

g

WH disAB

ABABAC

2

22


Charakteristika čerpadla

Q, m3.s-1

Hc

hydrodynamické

čerpadlo

hydrostatické

čerpadlo

22


Proudění v porézních médiích

Porézní média

porézní pevné látky

membrány

lože sypkých hmot

Důležité pro popis

filtračních procesů

fluidačních procesů

operací s disperzemi


Proudění nekruhovým průřezem

Ekvivalentní hydraulický průměr

S … plošný průřez otvoru, potrubí

O … smočený vnitřní obvod průřezu

Využití

nekruhová potrubí

proudění porézními médii

O

Sdekv

4

23


Veličiny pro popis proudění ve vrstvě

Rychlost proudění

mimovrstvová, u [m.s-1]

střední v mezerách, uf [m.s-1]

Hustota povrchu a

h [m]

S [m2]

ε

Q [m3.s-1]

S

Qu

u

S

Qu f

d [m]

dpApψ

V

Aa


Hustota povrchu

Lože kulovitých částic

Lože obecných částic

pp

p

s dnV

nA

V

A

V

Aa

1611

ekvkekvk

ekvk

p

p

dV

A

V

Aa

,,

, 1611

24


Model toku v porézním médiu

Aproximace média paralelními kanálky se

stejnou mezerovitostí

stejnou hustotou povrchu

Disipovaná energie a Reekvk

k

k dhnS

hnO

V

A

V

Aa

4

242

22

ff

ekv

dis

ualf

u

d

lfE

a

udu fekvf

4Re


Výpočet součinitele tření

Ergunova rovnice, empirické koeficienty

Laminární oblast, kulové částice

východisko pro popis filtrace

BK

f Re

75,1Re

133f

Re

Kf

u

d

hKu

d

hKE

pp

dis 3

2

2

2

3

1

8

91

Re4

3

1508

9

K

25


Aplikace toku porézním médiem

Tok vrstvou kuliček + Ergunova rovnice

Bernouliho rovnice

Δh ~ 0; Δu ~ 0

Výsledek: Blake-Koženého rovnice

u

d

hE

p

dis 3

2

2

1150

pEdis

u

d

hp

p

3

2

2

1150


Aplikace toku porézním médiem

Průtok porézní vrstvou

ovlivňuje

tlak

viskozita

plocha filtru

tloušťka filtru

koeficient permeability … K

K

h

pAd

h

pAuAQ

p

2

32

1150

26


Princip filtrace

Dělení pevných částic od tekutiny na porézní filtrační přepážce

Filtrát

Suspenze, Aerosol

Filtrační koláč

Filtrační přepážka


Povrchová vs. hloubková filtrace

27


Typy filtrů

Absolutní

tenká filtrační přepážka s velikostí pórů menší než jsou zachytávané částice

probíhá koláčová filtrace

Relativní (hloubkové)

zachytávají se částice podstatně menší než je rozměr pórů

účinnost zachycení závisí na tloušťce filtrační vrstvy

zachycení probíhá za působení povrchových nerovností, povrchových sil, elektrostatických sil


Povrchová (koláčová) filtrace

Filtrační koláč může suplovat funkci filtrační přepážky

28


Filtrační přepážky

Vrstvy zrnitých materiálů

Vrstvy vláknitých materiálů

Papírové materiály

Porézní kompaktní materiály

Tkaniny

Perforované desky, síta

Makroporézní membrány


Kritéria vhodnosti filtrů

Rychlost filtrace

Účinnost filtrace

Chemická stabilita filtru

Afinita k filtrované tekutině

Adsorpce složek filtrovaného média na filtru

29


Filtrační nuče

Jednoduché tlakové nebo vakuové filtry

např. pro separaci krystalů z matečného louhu


Svíčkové filtry

30


Listové filtry


Kalolis

31


Filtrace ve farmacii

Čiření (čistící filtrace)

požadovaným produktem je filtrát

pevných částic je velmi málo, jsou malé

speciální případ = sterilní filtrace

musí zachytit veškeré mikroorganismy

0,2 – 0,45 μm

Koláčová filtrace

produktem je filtrační koláč

pevných částice je až 20 %

není nutná 100 % účinnost


Faktory ovlivňující rychlost filtrace

Tlak

vyšší tlakový rozdíl (přetlak / vakuum) urychluje filtraci

existuje limit daný pevností filtrační přepážky

Viskozita

vyšší viskozita zpomaluje filtraci

možno ovlivnit teplotou

Plocha filtru

vyšší plocha urychluje filtraci

zpomaluje nárůst filtračního koláče

32


Faktory ovlivňující rychlost filtrace

Tloušťka filtru / koláče

zpomaluje filtraci

Koeficient permeability

funkce velikosti částic (pórů) a porozity

porozita se výrazně snižuje u širokodisperzních hmot

aditiva pro větší porozitu koláče

flokulace


Zadržování částic při hloubkové filtraci

Částice se zadržují na stěnách pórů filtračního média

Kontakt se stěnou zajišťuje

setrvačnost

Brownův pohyb

gravitace

Efektivita roste s

turbulencí

klesajícím průtokem

33


Parametry hloubkového filtru

Tloušťka

c … obsah pevných částic

x … tloušťka filtru

K … koeficient záchytu

Životnost

účinnost filtru během použití klesá, protože se snižuje průřez pórů a tedy zvyšuje rychlost proudění

Kcdx

dc


Sterilní filtrace

1960

za sterilní považováno < 0,45 μm

1967 – 1987

Brevundimonas (Pseudomonas) diminuta

organismus proniká filtry 0,45 μm

1987: FDA standard 0,2 / 0,22 μm

Současnost

0,1 μm – dobrovolné iniciativy předních výrobců

mykoplazmatické organismy(Acholeplasma laidlawii)

34


Validace sterilní filtrace

Sterilní filtr je třeba validovat(nestačí porozita < 0,2 μm)

testovací organismus Brevundimonas diminuta

ověřit průchod 0,4 μm filtrem

zátěž filtru > 107 cfu.cm-2

prokázat sterilní filtrát

nepovinné nadstandardní testy s dalšími organismy


Zařazení sterilní filtrace

Sterilní filtr je náchylný k zanesení velkým počtem částice

Filtrace se provádí ve stupních

35


Sterilní skladování kapalin


HEPA filtry

High Efficiency Particulate Air filter

záchyt prachových částic a mikroorganismů

velmi čisté prostory, fermentory

účinnost:

> 99,97 % částic velikosti 0,3 μm

větší nebo menší částice se zachytávají snáze

účinnost záchytu klesá při smočení filtru (rosný bod)

intenzita difuzního pohybu v kapalinách je mnohem nižší než v plynech

Documents

Inženýrství chemicko farmaceutických výrobtresen.vscht.cz/kot/wp-content/uploads/2015/11/... · Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower) rotor má uložený ve válcové skříni