Растворение как диффузионно-кинетический процесс. Интенсификация процесса растворения. Температурный и гидродинамический режим при производстве медицинских растворов.

⇐ ПредыдущаяСтр 87 из 162Следующая ⇒

Растворение – спонтанный, самопроизвольный диффузионно-кинетический процесс, протекающий при соприкосновении растворяемого вещества с растворителем.

В фармацевтической практике растворы получают из твердых, порошкообразных, жидких и газообразных веществ. Как правило, получение растворов из жидких веществ, взаимно растворимых друг в друге или смешивающихся между собой, протекает без особых трудностей как простое смешение двух жидкостей.

Растворение твердых веществ, особенно медленно и трудно растворимых, является сложным и трудоемким процессом. При растворении можно выделить условно следующие стадии:

1) Поверхность твердого вещества контактирует с растворителем, контакт сопровождается смачиванием и адсорбцией растворителя, проникновением в макропоры частиц твердого вещества.

2) Молекулы растворителя взаимодействуют со слоями твердого вещества на поверхности раздела фаз.

3) Сольватированные молекулы или ионы переходят в жидкую фазу

4) Выравнивание концентраций вещества во всех слоях растворителя.

Длительность 1 и 4 фаз зависит от скорости диффузионного процесса, 2 и 3 фазы протекают мгновенно и достаточно быстро и носят кинетический характер. Из этого следует, что в основном скорость растворения зависит от диффузионных процессов.

Для увеличения скорости растворения можно:

изменять температурный режим;

· увеличивать разность концентраций;

· уменьшать толщину и вязкость пограничного диффузного слоя путем изменения гидродинамических условий;

· измельчать исходное вещество, увеличивая поверхность контакта с растворителями.

Для реализации – процесс ведут в реакторах с паровыми рубашками, либо используют охлаждение рассолом, оснащают реактор перемешивающими устройствами.

Общая характеристика гидродинамических процессов. Основы гидравлики. Понятие о реальных и идеальных жидкостях. Гидростатика и гидродинамика жидкостей.

Гидромеханика изучает процессы равновесия и движения в жидкостях или газах, а так же процессы образования и разделения неоднородных смесей.

Жидкость или газ - это такие физические состояния веществ, которые характеризуются свойством текучести при приложении к жидкости или газу небольших усилий.

В фармацевтической технологии к жидкостям и газам относят собственно жидкости и газы, а так же гомогенные и гетерогенные системы, в которых жидкости или газы являются дисперсионными средами (растворители, растворы, эмульсии, суспензии, комбинированные системы, газы и газовые смеси, ингаляции, аэрозоли и т.п.).

Законы равновесия жидкостей и газов изучает гидростатика, а законы их движения - гидродинамика. При этом используется понятие идеальной и реальной жидкости.

Идеальная жидкость не сжимается, не обладает вязкостью и не меняет плотности при изменении температуры.

Реальная жидкость так же практически не сжимается, однако обладает определенной вязкостью и плотностью, изменяющиеся при колебаниях температуры.

Газы относят к упругим жидкостям, объем которых зависит от температуры и давления, и определяется уравнением газового состояния.

Под равновесием жидкостей в гидростатике понимают идеальные жидкости в состоянии абсолютного покоя или относительного покоя, (движущиеся в пространстве), в которых отсутствует перемещение ее частиц относительно друг друга.

На жидкость в состоянии покоя действуют сила тяжести и давление. Удельная потенциальная энергия во всех точках покоящейся системы есть величина постоянная.

Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, а так же на поверхность тела, погруженного в нее.

Давление в любой точке неподвижной жидкости равно сумме внешнего давления и столба жидкости над этой точкой.

Давление на дно сосуда находят по уравнению Паскаля:

P = P0+pgH

где Р0 - внешнее давление над жидкостью, р - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести, Н - высота столба жидкости, м.

Давление на стенки сосуда зависит от высоты столба жидкости Н. Давление, создаваемое внешними силами, в любой точке несжимаемой жидкости передается жидкостью одинаково во всех направлениях.

В сообщающихся сосудах, находящихся под одинаковым внешним давлением, независимо от формы и поперечного сечения сосудов уровень высоты одинаков, а у разнородных, не смешивающихся жидкостей обратно пропорционален плотностям этих жидкостей.

Жидкости характеризуются такими показателями как вязкость, плотность, удельный объем, поверхностное натяжение и др.

Вязкость - это внутреннее трение между слоями жидкости при их перемещении с различными скоростями. Вязкость находят по уравнению

Ньютона:

Уравнению (2.8) подчиняются низкомолекулярные жидкости с относительно не высокой вязкостью (ньютоновские жидкости). К ним относятся вода, растительные масла, минеральные масла, спирты, жидкие полиэтиленоксиды, кремнийорганические жидкости (эсилон-4, эсилон-5, и др. Зависимость между напряжением сдвига (т) и градиентом скорости( )у ньютоновских жидкостейвыражается прямойлинией, тангенс угла наклона которой является динамической вязкостью (ц ).

Растворы ВМС, мази и другие жидкости, у которых вязкость зависит не только от параметров состояния, но и величины напряжения сдвига (т), не подчиняются уравнению 2.8 (неньютоновские жидкости).

Кривые течения различных типов неньютоновских жидкостей представлены на рис. 2.25.

К псевдопластическим жидкостям (кривая 2) относятся растворы ВМС, которые начинают течь при самых малых значениях т. Кривая (2) описывается уравнением (2.10), где ц_к называется коэффициентом кажущейся вязкости. У псевдопластических жидкостей коэффициент кажущейся вязкости ц_к уменьшается с увеличением градиента скорости .

К бенгамовским жидкостям (1) относятся высоковязкие гетерогенные системы, такие как суспензии, эмульсии, мази, пасты.

Кривая (1) описывается уравнением (2.11), указывающим на то,

что бингамовские жидкости текут как ньютоновские при т>т0. При т>то они не текут и только деформируются.

Рис. 2.25 Кривые течения неньютоновских жидкостей.

1 - бингамовские пластичные жидкости, 2 - псевдопластичные жидкости,

3 - дилатантные жидкости.

Кривая (3) характерна для дилатантных жидкостей (высококонцентрированных суспензий), у которых кажущаяся вязкость ц_к возрастает с увеличением градиента скорости . Кривая (3) также описывается уравнением (2.10).

Среди неньютоиовских жидкостей есть такие, у которых кажущаяся вязкость ц_к зависит не только от напряжения сдвига, но и его продолжительности. По времени (длительности) действия напряжения сдвига (т) на структуру жидкости они подразделяются на тиксотропные и реопентантные.

Тиксотропные жидкости в состоянии покоя не обладают текучестью. Однако при продолжительном воздействии достаточного напряжения сдвига (т.) тиксотропные жидкости приобретают хорошую текучесть вследствие разрушения внутренней структуры. После снятия напряжения структура восстанавливается и тиксотропные жидкости перестают течь.

Реопектантные жидкости отличаются тем, что их текучесть с увеличением продолжительности воздействия напряжения т - снижается.

К тиксотропным системам относятся многие мази. Они способны разжижаться при достаточно интенсивных механических воздействиях (перемешивании, встряхивании) и отвердевать (терять текучесть) при пребывании в покое.

Такие мази являются структурированными дисперсиями, состоящими из двух фаз (твердой и жидкой).

Твердые частицы образуют пространственный структурный каркас. Например, частицы твердых парафинов, вазелина, твердых фракций жиров, восков, твердых мыл, эмульгатора Т 2, других ПАВ, лекарственных веществ.

Эти частицы соприкасаются лишь в отдельных точках через тончайшие прослойки жидкой среды, образуя межмолекулярные связи. При механических воздействиях межмолекулярные связи разрушаются, а в состоянии покоя вновь восстанавливаются. Это может происходить многократно, например в системах крахмал-вода или глина-вода.

Реологические свойства мазей как тиксотропных систем изучают с помощью вискозиметоров (РВ-8, реотест-2) и пластомеров (К-2). В основе расчетов лежит закон Ньютона (уравнение 2.8).

Еще одной группой неньютоновских жидкостей являются вязкоупругие или максвелловские жидкости (смолы, тестообразные массы), которые текут под воздействием напряжения т, но после снятия напряжения частично восстанавливают свою форму.

Плотность жидкости - это масса единицы объема вещества.

Движение реальной жидкости может быть ламинарным и турбулентным. При ламинарном движении (лат. lamina - полоска) жидкости, газа в общем потоке все частицы движутся параллельно и прямолинейно. При турбулентном движении (лат. turbulentus - вихревой) в общем потоке отдельные частицы движутся криволинейно, с завихрением, что приводит к перемешиванию жидкости при ее движению по трубопроводу. Переход от ламинарного движения к турбулентному характеризуется критерием Рейнольдса

где W - скорость потока жидкости, м/с; d - диаметр трубопровода, р - плотность жидкости кг/м3; ц. - динамический коэффициент вязкости, Па*с.

При Re < 2300 - поток движется ламинарно; при Re = 2300-10000 - переходная область, при Re > 10000 поток жидкости движется турбулентно.

При установившемся движении сплошного потока жидкости (нет пустот) и герметичности трубопровода (нет утечки) через поперечное сечение в любом месте трубы в единицу времени протекает один и тот же объем жидкости. При изменении поперечного сечения трубопровода скорость движения жидкости обратно пропорциональна площади сечения. Пленочное течение жидкостей. Многие массообменные процессы (абсорбция, выпаривание, ректификация) ускоряются при движении жидкостей в аппаратах в виде тонких пленок. В этом случае многократно увеличивается поверхность жидкости и, следовательно, площадь соприкосновения с другими жидкими или газообразными фазами массообменного процесса. Вследствие этого скорость диффузионных процессов резко возрастает.

При величине критерия Рейнольдса Re=20-120 наблюдается ламинарное течение пленки с гладкой поверхностью. При увеличении Re до 1600-2000 сохраняется ламинарное течение пленки, однако поверхность пленки становится волнообразной. При Re >2000 происходит турбулентное течение пленки.

Движение пленки под действием силы тяжести и потока газа (15-30 м/с) сверху вниз приводит к взаимодействию фаз, увеличивает скорость движения пленки и уменьшает ее толщину. При изменении направления движения потока газа на вертикальное (5-10 м/с), пленка сначала останавливается, а затем при скорости потока газа 10-15 м/с начинает двигаться вверх вместе с газом. При дальнейшем возрастании скорости газового потока (15-40 м/с) начинается брызгоунос с поверхности пленки.

В отдельных процессах фармацевтической технологии жидкость движется вертикально вниз через неподвижные зернистые слои осадков, намывных слоев, адсорбентов, насадочных тел или через пористые перегородки.

Зернистый слой характеризуется размером частиц, удельной поверхностью и порозностью.

Удельная поверхность (а, м2/м3)- это отношение суммарной площади (поверхности) зерен к единице его объема.

Порозность (е, м3/м3)- это объем свободного пространства между частицами в единице объема зернистого слоя. В среднем порозность составляет 0,3-0,45 всего объема зернистого материала.

Суммарное поперечное сечение каналов в зернистом материале называется эквивалентным диаметром (d3). Его находят делением ¼ части свободного объема слоя (порозности) на величину удельной поверхности зернистого материала.

Скорость движения жидкости в каналах слоя определить трудно. Поэтому вместо истинной скорости пользуются так называемой фиктивной скоростью течения жидкости.

Фиктивная скорость (W o )равна отношению объема вытекающей жидкости ко всей площади поперечного сечения зернистого слоя.

Гидравлическое сопротивление зернистого слоя δр при ламинарном движении жидкости находят по уравнению:

При движении жидкости через слой зернистого материала турбулентность развивается раньше, чем по трубам, при Re>50.

С увеличением скорости жидкости турбулентность и гидравлическое сопротивление возрастают.

Величина порозности е возрастает при уменьшении поперечного сечения аппаратов с зернистым слоем за счет пристеночного эффекта.

Порозность у стенки аппарата всегда больше, чем в центре. Это приводит к изменению скоростей в потоке жидкости. В центре скорость меньше, а у стенок больше, так как там больше доля свободного объема и меньше сопротивление. Пристеночный эффект может привести к неравномерности распределения жидкости при ее пленочном течении.

Ламинарное и турбулентное движение жидкостей. Гидродинамический пограничный слой. Пленочное течение жидкостей. Течение жидкостей через неподвижные зернистые слои и пористые перегородки.

где W - скорость потока жидкости, м/с; d - диаметр трубопровода, р - плотность жидкости кг/м3; р. - динамический коэффициент вязкости, П

При турбулентном движении жидкости в трубе различают две зоны. В центральной зоне или ядре потока происходит собственно турбулентное движение. В периферической зоне, около внутренней стенки трубы, в так называемом гидродинамическом пограничном слое, толщиной в доли мм, происходит ламинарное движение жидкости. У самой стенки трубы скорость движения жидкости равна нулю. Ламинарный слой существенно влияет на процессы тепло и массообмена. Между турбулентным ядром и ламинарным слоем существует переходная зона. Четких границ между зонами не существует. При установившемся движении сплошного потока жидкости (нет пустот) и герметичности трубопровода (нет утечки) через поперечное сечение в любом месте трубы в единицу времени протекает один и тот же объем жидкости. При изменении поперечного сечения трубопровода скорость движения жидкости обратно пропорциональна площади сечения.

Пленочное течение жидкостей.

Многие массообменные процессы (абсорбция, выпаривание, ректификация) ускоряются при движении жидкостей в аппаратах в виде тонких пленок. В этом случае многократно увеличивается поверхность жидкости и, следовательно, площадь со прикосновения с другими жидкими или газообразными фазами массообменного процесса. Вследствие этого скорость диффузионных процессов резко возрастает. При величине критерия Рейнольдса Re=20-120 наблюдается ламинарное течение пленки с гладкой поверхностью. При увеличении Re до 1600-2000 сохраняется ламинарное течение пленки, однако поверхность пленки становится волнообразной. При Re >2000 происходит турбулентное течение пленки. Движение пленки под действием силы тяжести и потока газа (15-30 м/с) сверху вниз приводит к взаимодействию фаз, увеличивает скорость движения пленки и уменьшает ее толщину. При изменении направления движения потока газа на вертикальное (5-10 м/с), пленка сначала останавливается, а затем при скорости потока газа 10-15 м/с начинает двигаться вверх вместе с газом. При дальнейшем возрастании скорости газового потока (15-40 м/с) начинается брызгоунос с поверхности пленки.

Удельная поверхность (а, м2/м3)- это отношение суммарной площади (поверхности) зерен к единице его объема.

Суммарное поперечное сечение каналов в зернистом материале называется эквивалентным диаметром (d3). Его находят делением 1/4 части свободного объема слоя (порозности) на величину удельной поверхности зернистого материала. Скорость движения жидкости в каналах слоя определить трудно. Поэтому вместо истинной скорости пользуются так называемой фиктивной скоростью течения жидкости.

Фиктивная скорость (Wo ) равна отношению объема вытекающей жидкости ко всей площади поперечного сечения зернистого слоя.

Гидравлическое сопротивление зернистого слоя дельта р при ламинарном движении жидкости находят по уравнению:

При движении жидкости через слой зернистого материала турбулентность развивается раньше, чем по трубам, при Re>50. С увеличением скорости жидкости турбулентность и гидравлическое сопротивление возрастают. Величина порозности е возрастает при уменьшении поперечного сечения аппаратов с зернистым слоем за счет пристеночного эффекта. Порозность у стенки аппарата всегда больше, чем в центре. Это приводит к изменению скоростей в потоке жидкости. В центре скорость меньше, а у стенок больше, так как там больше доля свободного объема и меньше сопротивление. Пристеночный эффект может привести к не равномерности распределения жидкости при ее пленочном течении.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 874; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 82 83 84 85 868788 89 90 91 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!