Измельчение. Просеивание. Смешивание

Содержание

Введение……………………………………………….………………….3

Глава 1 Измельчение. Теории измельчения……………………………4

            1.1   Понятие об измельчении……………………………………4

            1.2   Теории измельчения твердых материалов………………..5

                   1.2.1 Поверхностная теория П. Реттингера…………………5

                   1.2.2 Объемная теория В. Л. Кирпичева……………………6

                   1.2.3 Обобщенная теория П. А. Ребиндера…………………8

            1.3 Машины и аппараты, используемые для измельчения материалов………………………………………………………………………9

Глава 2 Просеивание и  смешивание измельченных твердых тел……19

             2.1 Просеивание…………………………………………………19

             2.2 Смешивание измельченных и просеянных материалов……………………………………………………………………..22

Заключение………………………………………………………………26

Список литературы………………………………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Развитие фармацевтической промышленности, усложнение процессов  производства лекарственных препаратов, требует больших затрат энергии  и времени, что может быть оптимизировано путем автоматизации различных стадий технологического производства.

Интенсивность многих технологических  процессов зависит от величины поверхности  обрабатываемых твердых материалов; при этом увеличение их поверхности  путем уменьшения размеров кусков повышает скорость процесса, а также увеличивает  выход и повышает качество конечного  продукта.

Процесс измельчения широко применяется  в фармацевтическом производстве, особенно в фитохимических цехах и при производстве порошков, а так же таблеток. Измельчение представляет собой процесс механического деления твердых тел на части. В результате измельчения увеличивается поверхность обрабатываемых  материалов, что позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие, выделение биологически активных веществ из измельченного материала, улучшить прессуемость и сыпучесть материала.

Стадии просеивания и  смешивания имеют так же важное значение в процессе фармацевтического производства, так как улучшает качество готового продукта. За счет просеивания получают частицы одного размера, очистить от крупных частиц не измельченного вещества, механических загрязнений. Смешивание влияет на точность дозирования и распределение действующих веществ в порошках, таблетках и т.д.

 

 

 

 

 

 

Глава  1 Измельчение. Теории измельчения

1.1Понятие об  измельчении

Измельчение – процесс  разделения твердого тела на части  путем приложения внешних сил, превосходящих  силы молекулярного сцепления частиц тела. В результате измельчения увеличивается поверхность обрабатываемых  материалов, что позволяет значительно ускорить растворение, химическое взаимодействие, выделение биологически активных веществ из измельченного материала, улучшить прессуемость и сыпучесть материала.

Переработка материалов в  измельченном виде позволяет значительно  ускорить экстрагирование и тепловую обработку материалов, провести указанные  процессы с незначительными потерями действующих веществ и меньшим  расходом тепла [1]. Так же улучшает прессуемость и сыпучесть порошков подвергаемых прессованию.

Применение твердых материалов, раздробленных на мелкие куски (путем  дробления) или измельченных в порошок (путем размола), позволяет значительно  ускорить растворение, обжиг, химическое взаимодействие, т.е. различные процессы, протекающие тем быстрее, чем  больше поверхность участвующего в  них твердого вещества.

Измельчение производят (Рисунок  1) путем раздавливания (1), удара (II), истирания (III) и раскалывания (IV).

 

Рисунок 1 - Способы измельчения материалов.

В большинстве случаев  происходит комбинированное воздействие  измельчающих усилий, например раздавливания  с истиранием, удар с раздавливанием и истиранием; иногда к главным  усилиям присоединяются побочные-изгибающие и разрывающие.

Способ измельчения выбирают с учетом физических свойств измельчаемого  материала, в первую очередь его твердости и характера излома.

Для материалов, отличающихся большой твердостью, более эффективными являются удар и раздавливание, для  материалов вязких предпочтительнее истирание, для хрупких - раскалывание.

1.2 Теории измельчения  твердых материалов

Существует несколько теорий измельчения: поверхностная, объемная и обобщенная.

1.2.1 Поверхностная  теория П. Реттингера

Поверхностная теория измельчения разработана немецким профессором                      П. Реттингером в 1867 г.  Согласно ней, работа, необходимая для измельчения тела, прямо пропорциональна вновь образовавшейся при измельчении поверхности, т.е.

, Дж     (1)

где - площадь вновь образованной поверхности.

Положим, что измельчению  подвергаются куски кубической формы  с длиной ребра D, до кубиков с длиной ребра d (рис. 2).

Рисунок 2 – Приращение новых  поверхностей

Число полученных частиц составит:

.

Приращение удельной площади  поверхности при этом составит:

                             , м²              (2)

Если образование единицы  площади новой поверхности затрачивается  работа А_уд, то полная работа, затраченная на процесс измельчения составит

                               , Дж                                      (3)

Принимая, что  = const и λ = const, то полная работа

                                               ,Дж                                     (4)

где - коэффициент пропорциональности (определяется опытным путем).

Поверхностная теория измельчения  с достаточной степенью достоверности  применима для оценки тонкого  измельчения (d ≤ 0,4…0,6 мм) когда получается продукт с высокоразвитой удельной площадью поверхности [2].

1.2.2 Объемная теория  В. Л. Кирпичева

Объемная  теория измельчения разработана русским ученым                 В.Л. Кирпичевым (1874 г.), а позднее уточнена немецким профессором             Ф. Киком (1885 г.). Согласной ней, работа A_v, затраченная на измельчение, прямо пропорциональна объему V или массе деформируемой части тела

                                                 ,Дж                                (5)

где - величина деформации тела, м;

        Р – сила деформации, Н.

При скорости удара υ_уд = 0 величина деформации можно представить формулой закона Гука

                                                   ,м                                      (6)

Где F – площадь поперечного сечения деформируемого тела, м²;

Е – модуль упругости (модуль юнга), Н/м² (Па).

Тогда при интегрировании уравнение (5) запишется как

                                                                                                            (7)

Принимая, что деформируемый  объем тела имеет форму куба со стороной D выражение (7) можно записать как

                                                                                                           (8)

Сравнение выражений (4) и (8) показывает, что они различаются  коэффициентами пропорциональности и  в законе Реттингера D², а в законе Кирпичева – Кика – D³ [2].

Сторонники обеих теорий более полувека вели дискуссию между  собой, пытаясь доказать преимущество одной из них, но сделать это никому не удалось, так как и первая, и вторая страдают односторонностью и не учитывают влияние конкретных условий процесса измельчения на его энергоемкость (дисперсность материала, конструкцию и режимы работы измельчителей и т.д.).

Из сравнения изложенных выше законов следует, что закон  поверхностей П. Риттингера учитывает только затраты энергии, потребной для образования новых поверхностей, а закон объемов В. Л. Кирпичева, наоборот, принимает во внимание затраты энергии на деформацию тела и исключает расход энергии на образование новых поверхностей. Отсюда следует, что при дроблении, когда величина вновь образуемых поверхностей относительно невелика, наиболее приемлем закон объемов. При помоле материалов, когда интенсивно обнажаются новые поверхности, более приемлем закон поверхностей.

При объемном измельчении  приложенные силы перпендикулярны  к поверхности измельчаемого  тела, при этом оно испытывает деформации сжатия, растяжения, изгиба, кручения и  др. Измельчение — сложный процесс, протекающий через ряд последовательных стадий. Под влиянием приложенной  силы тело подвергается упругой деформации, которая (при достижении предела  упругости) переходит в пластическую. Когда превзойден предел прочности тела, напряжение в материале превышает внутренние силы сцепления частиц, наступает стадия его разрушения.

При поверхностном дроблении  в основном используется деформация сдвига. В этом случае на тело действуют  две силы: одна перпендикулярно, другая — параллельно его поверхности, при этом разрушение проходит через  те же стадии, что и при объемном измельчении. В стадии разрушения с  поверхности тела срываются тонкие пластинки и измельченный продукт имеет вид мелкого порошка.

1.2.3 Обобщенная  теория П. А. Ребиндера

Обобщенная теория измельчения создана советским академиков                 П.А. Ребиндером в 1928 г., она учитывает положения объемной и поверхностной теорий.

Ребиндер исходил из справедливого заключения, что большая часть энергии измельчения расходуется бесполезно – на нагрев материала и образование микротрещин в продукте, которые при снятии нагрузки «смыкаются» и целостность частиц восстанавливается за счет сил молекулярного сцепления [2].

Аналитическое выражение  теории Ребиндера записывается в виде

                                         , Дж                               (9)

где А – работа, необходимая на измельчение;

      А_v – работа деформации в объеме куска;

      А_s – работа, затраченная на образование новых поверхностей;

      K – коэффициент пропорциональности;

      ΔV – деформированная часть объема куска;

       α – коэффициент пропорциональности, учитывающий энергию поверхностного натяжения твердого тела;

     ΔS – приращение площади поверхности материала [2].

Уравнение (9) дает лишь качественное описание процесса измельчения и  не позволяет выполнить количественные расчеты в силу того, что значения всех величин, входящих в него, не поддаются  численному выражению. Однако качественное описание тоже достаточно ценно и позволяет сделать правильные заключения. Уравнения является  по сути законом сохранения энергии, согласно которому процесс дробления характеризуется переходом одного вида энергии твердого тела в другой. До разрушения тело обладает потенциальной энергией, т. е. находится под действием внешних сил в состоянии упругой деформации. В результате разрушения потенциальная энергия переходит в кинетическую, причем энергия деформации превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду [2].

1.3 Машины и аппараты, используемые для измельчения материалов

Все измельчители применительно к условиям фармацевтического производства можно разделить на:

1. машины для предварительного измельчения;

2. машины для окончательного измельчения.

В новейших отечественных  руководствах измельчители предпочитают классифицировать по способам измельчения. В этом случае все измельчители, применяемые в фармацевтическом производстве, можно условно разделить на следующие группы:

1. изрезывающего и распиливающего действий (траворезки-соломорезки, корнерезки, машины с дисковыми пилами);
2. раскалывающего и разламывающего действий (щековые дробилки);
3. раздавливающего действия (гладковалковые дробилки – вальцовые мельницы, валковые дробилки с нарезной рифленой поверхностью);
4. истирающе – раздавливающего действия (дисковые мельницы –дезинтегратор);
5. ударного действия (дисмембраторы, струйные мельницы);
6. ударно–истирающего действия (шаровые мельницы, вибромельницы);
7. коллоидные измельчители (струйные, вибрационные) [1].

Траво- и корнерезки - машины изрезывающего типа действия. В зависимости от строения ножей различают траворезки дисковые и барабанные (Рисунок 3). В дисковых траворезках ножи имеют изогнутое лезвие и насажены на спицы рабочего колеса (Рисунок 3,а), в барабанных ножи помешаются на боковой поверхности барабана, вращающегося вокруг своей оси  (Рисунок 3,6).

Для измельчения плотных  частей растений (корни, корневища, коры) применяются корнерезки (Рисунок 4). Отличительной их особенностью является наличие гильотинных ножей (изрезывающее действие). Растительное сырье подается с помощью транспортера (2), представляющего собой брезентовую ленту или металлическую сетку, натянутую на два валика, из которых один совершает вращательное движение, обеспечивающее перемещение ленты. Транспортер помещается в глубоком лотке (1) для создания направления движения материала. Прессующие и направляющие валики с рифленой поверхностью (3), которых бывает две или три пары, вращающиеся навстречу друг другу, создают компактный слой материала и продвигают его на определенную длину. Электродвигатель (на рис. не указан) приводит во вращение маховик (5) кривошипного вала (4). Кривошипом приводится в движение гильотинный нож (6), совершающий возвратно-поступательное движение; растительное сырье подается между нижним неподвижным (7) и верхним (6) падающим ножом, разрезается на куски определенной регулируемой величины [3].

 

Рисунок 3 – Траво- и корнерезки.

Рисунок 4 – Корнерезка с  гильотинными ножами

 

Щековые дробилки - машины раскалывающего и разламывающего типа действия. Принцип работы щековой дробилки (Рисунок 5) основан на сжатии рабочими поверхностями (щеками) материала, что приводит к возникновению больших напряжений сжатия и сдвига, разрушающих материал. Одна из щек дробилки делается неподвижной. Вторая щека крепится на шатуне, обеспечивающем перемещение верхнего края щеки так, что щека совершает качающееся движение. Вал шатуна приводится во вращение через клиноременную передачу от двигателя (электрический, дизельный). Нижний край подвижной щеки имеет возможность регулировки положения в горизонтальном направлении (механический привод или гидравлический привод), которое влияет на ширину минимальной щели, определяющую максимальную крупность материала на выходе из дробилки. Щеки образуют клинообразную форму камеры дробления, в которой материал под действием силы тяжести и после разрушения продвигается от верхней части, в которую загружаются крупные куски, до выходной (разгрузочной) щели. Боковые стенки в процессе дробления не участвуют. Сейчас применяют щековые дробилки простого и сложного качения щеки. В последних дробилках достигается более высокая степень нагрузки на материал (большие напряжения сдвига) [4].

 

Рисунок 5 – устройство щековой дробилки

Валковая дробилка – машина раздавливающего типа действия. Валковая дробилка (Рисунок 6) состоит из двух параллельных цилиндрических валков, которые, вращаясь навстречу друг другу, измельчают материал главным образом путем раздавливания. Валки размещены на подшипниках в корпусе, причем валок (1) вращается в неподвижно установленных, а валок (2) — в скользящих пошинниках, которые удерживаются в заданном положенин (в зависимости от требуемой ширины зазора) с помощью пружины (3). При попадании в дробилку куска материала чрезмерной твердости пружины ее сжимаются, подвижный валок отходит от неподвижного, и кусок выпадает из дробилки, при этом устраняется возможность ее поломки [3].

Рисунок 6 – Устройство валковой дробилки

Дисковые мельницы работают по истирающе-раздавливающему принципу. Дезинтегратор  (Рисунок 7) как пример дисковой мельницы, но особенности конструкции оказывают не только истирающе раздавливающее действие, но и ударный. Конструктивно его рабочие части состоят из двух входящих друг в друга, вращающихся со скоростью до 1200 об/мин в противоположном направлении дисков (1) и (2) с пальцами (9). Каждый диск (ротор) закреплен на отдельных валах (3) и (7), которые приводятся во вращение от индивидуальных электродвигателей через шкивы (4) и (6). Материал подается в машину сбоку через воронку (8) вдоль оси дисков, отбрасывается к периферии, подхватывается пальцами и, подвергаясь многочисленным ударам, измельчается и удаляется через разгрузочную воронку (5)  в нижней части корпуса [3].

Рисунок 7 –  Устройство дезинтегратор

Устройства ударного действия – дисмембратор. Рабочими частями дисмембратора (Рисунок 8) являются диски: вращающийся — со скоростью до 3000 об/мин (1) и неподвижный (3). Роль последнего выполняет внутренняя стенка корпуса. На внутренней поверхности дисков укреплены по концентрическим окружностям пальцы. При этом диски поставлены один против другого так, что пальцы  (2)  вращающегося диска входят в свободное пространство между пальцами (4) неподвижного диска. Число пальцев в концентрических окружностях увеличивается по направлению от центра к периферии. Материал, подлежащий измельчению, через загрузочный бункер (5) поступает в центр дисмембратора, в зону между вращающимися и неподвижными пальцами, где и происходит его измельчение. Под действием центробежной силы частицы перемещаются от центра к периферии рабочего органа дисмембратора, многократно ударяются о пальцы, поверхность дисков, испытывают взаимные удары и разрушаются. Измельченные частицы отбрасываются в улитку (6), откуда, ударяясь о корпус дисмембратора (7) и вращающийся диск, падают вниз и выводятся из машины. Для предотвращения попадания в зоны измельчения механических предметов исходное сырье проходит предварительно через магнитный сепаратор (8), который устанавливается в нижней части бункера [3].

Рисунок 8 – Устройство дисмембратора

Устройства ударно-истирающего  действия – шаровые мельницы.

Получение продукта однородного гранулометрического состава после однократного измельчения обеспечивает вертикальная шаровая мельница (Рисунок 9). Она представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд (1) с рубашкой (2) для водяного охлаждения или нагрева. В цилиндре размещен ротор, состоящий из вала (3) с насаженными на него дисками (4). Цилиндр заполнен шариками (5) диаметром 0,8—2 мм из базальта или кварцевого стекла. Измельчаемый продукт с помощью насоса (6) подается через нижнее отверстие в цилиндре. При вращении ротора твердые частицы материала измельчаются в результате трения о мелющие тела и друг о друга. Готовый продукт выходит через патрубок (7) в верхней части цилиндра. Небольшие размеры мелющих тел и их большое количество обусловливают высокую эффективность измельчения, степень которого зависит от времени пребывания продукта в мельнице и регулируется изменением скорости подачи материала в цилиндр [4].

Рисунок 9 – Устройство шаровой  мельницы

 

Коллоидное измельчение  осуществляется с помощью струйных и вибрационных мельниц.

Вибрационные  мельницы (Рисунок 10). Цилиндрический корпус мельницы (1) примерно на 80% объема заполнен мелющими телами — шарами, иногда стержнями (2). Внутри корпуса установлен вибратор (4). Это вал с дебалансом или эксцентриковый механизм, который при работе мельницы совершает 1500— 3000 колебаний в минуту при амплитуде 2—4 мм. При этом мелющие тела и измельчаемый материал приводятся в интенсивное движение. Частицы материала, вибрируя во взвешенном слое, измельчаются под действием частых соударений с мелющими телами и истираются. Для предотвращения вибрации пола корпус мельницы установлен на пружинах  (3) [3].

Мельницы могут измельчать как сухие, так и влажные продукты. В вибрационных мельницах весьма быстро достигается высокая дисперсность и большая   однородность   размеров   частиц   измельчаемого продукта. Недостатком их является низкая производительность, быстрый износ мелющих тел.

Рисунок 10 – Устройство вибрационной мельницы

 

Струйные мельницы. Измельчение материала происходит в струе энергоносителя (воздух, инертный газ, перегретый пар), подаваемого в мельницу со скоростью, достигающей нескольких сотен метров в секунду.

В струйной мельнице с плоской помольной камерой (Рисунок 11) энергоноситель из распределительного коллектора (2), через сопла (3) отдельными струями поступает в помольно-разделительную камеру. Оси сопел расположены под некоторым углом относительно соответствующих радиусов камеры, вследствие чего струи газа внутри камеры пересекаются. Материал на измельчение подается инжектором (струйный компрессор) через штуцер (1), увлекается струями газа, получает ускорение и измельчается под действием многократных соударений и частично истиранием частиц в точках пересечения струй. Так как струи энергоносителя входят в зону измельчения под некоторым углом, вся масса пылегазовой смеси приобретает вращательное движение в направлении струй. В результате такого движения частицы оказываются в поле центробежных сил и разделяются на фракции. При этом более крупные сосредоточиваются в периферийной части зоны измельчения, а мелкие оттесняются к центру. Измельчившись до определенных размеров (1—6 мкм), частицы вместе с нисходящим газовым потоком, непрерывно вращаясь, вытекают из зоны измельчения в корпус циклона-осадителя (4), осаждаются на его внутренней поверхности и удаляются в приемник (5). Наиболее мелкие частицы, содержание которых 5—10 % увлекаются восходящим потоком отработанного воздуха, уносятся через штуцер (6) и улавливаются в дополнительных циклонах или матерчатых фильтрах [3].

Рисунок 11 – Устройство струйной мельницы

Метод измельчения материалов в струйных мельницах имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими, так как позволяет сочетать измельчение и классификацию с сушкой, смешиванием и другими технологическими процессами. К достоинствам метода относится: возможность получения продукта .с очень высокой степенью измельчения; при измельчении элементы мельницы практически не изнашиваются   (отсутствуют   вращающиеся   детали   и   мелющие тела) и, следовательно, не вносят примеси в готовый продукт; материал в процессе измельчения не изменяет своей начальной температуры, что позволяет перерабатывать термолабильные вещества. Недостатком струйных мельниц является большой расход энергоносителя и, следовательно, высокая энергоемкость процессов, необходимость равномерной подачи материала и поддерживания постоянного аэродинамического режима работы  [3].

Измельчение является важной стадией технологического процесса в фармацевтическом производстве, так  как от степени измельчения будет  зависеть качество получения продукта.

 

Глава 2 Просеивание  и смешивание измельченных твердых тел

2.1 Просеивание

Если порошки содержат частицы разного размера, то являются полидисперсными, если частицы имеют  одинаковый размер — монодисперсными. Монодисперсных порошков практически  не существует, имеются лишь некоторые  препараты, по составу приближающиеся к таковым (например, ликоподий (споры плауна)).

Основной задачей просеивания  является получение продукта с как  можно более сходным размером частиц. В аптечной практике эта  технологическая стадия используется крайне редко. В большинстве случаев  просеивают лишь измельченное лекарственное  растительное сырье. Для этих целей  чаще всего используют сита № 61 (0,1 мм) и № 38 (0,16 мм). Первое применяют в  основном при просеивании материала  для глазных порошков, присыпок и  порошков для вдуваний, второе —  для большинства остальных порошков. До 0,16 мм (сито № 38) измельчают вещества, для которых не указана степень  дисперсности. Для просеивания используют стандартные наборы сит с ободками диаметром 150—200 мм. Сита могут закрываються крышками, что особенно важно при работе с ядовитыми и легкораспыляющимися веществами. Крышку рекомендуется открывать не сразу после просеивания, а спустя 20—30 с, так как за это время пыль внутри сита успевает осесть [3].

Разделение измельченного  материала на фракции осуществляется по размеру частиц. Существует несколько способов разделения: механическое — на ситах; гидравлическое — в зависимости от скорости осаждения частиц в воде; воздушное (сепарация) — по величине скорости их осаждения в воздухе.

Самым распространенным методом  просеивания является механическое просеивание, которое осуществляется путем использования сит с различным диаметром пор. По форме сетки выделяют следующие типы сит:

• плетеные;
• штампованные;
• и колосниковые [4].

Плетеные сита. Их получают переплетением тонких нитей или проволок. Используют натуральный шелк, капрон, специальные сорта нержавеющей стали, латунь, фосфористую бронзу. Плетеные сита малопрочны. Их сетки легко вытягиваются, нити сдвигаются, в результате чего нарушается первоначальная правильность размеров отверстий. Для повышения прочности проволочные сетки подвергают прессованию   под   большим   давлением,   благодаря   чему   в местах перекрещивания проволока сминается и закрепляется. В некоторых случаях, тонкую проволоку и шелковые нити подкрепляют более прочной, с более крупными отверстиями металлической сеткой.

Штампованные  сита. Это сита, которые представляют собой металлические листы толщиной 2—12 мм, с проштампованными (пробивными) отверстиями круглой, овальной или квадратной, формы. Они отличаются прочностью и широко применяются в промышленности, однако имеют довольно крупные отверстия — не менее 0,3 мм [3].

Колосниковые  сита. Применяются редко, в основном устанавливаются в мельницах, работающих по принципу удара. Они представляют собой сочетание металлических (чугунных, стальных) пластин. Отличаются высокой прочностью.

В фармацевтической промышленности используют механизированные сита. Выделяют качающиеся и вибрационные сита [1].

Качающиеся сита (трясунки). Устройство совершает принудительное качание сита, которое обеспечивается жесткой связью коленчатого вала, шатунно-кривошипного или эксцентрикового механизмов с корпусом сита. Сито устанавливается в горизонтальном или наклонном положении  (7—14°). Число качаний в минуту составляет от 50 до 400, а амплитуда колебаний от 5 до 200 мм [3].

Рисунок 12 - Устройство качающихся сит

Устройство качающегося  сита представлено на Рисунке 12. Материал, подлежащий просеиванию, насыпается на рабочую поверхность (3) через воронку (1). Просеянный порошок ссыпается в воронку (7), а оттуда в тару (8). Во избежание распыления материала во время работы тара устанавливается в специальный кожух, прикрепленный к корпусу (2) и закрываемый дверцами (9). Короб сита установлен на четырех роликах (5), двигающихся по направляющим (4). Сито приводится в движение электродвигателем (10) посредством шкива  (11) и коленчатого вала  (6) [3].