zachování hmoty - vscht.cztresen.vscht.cz/kot/wp-content/uploads/2015/11/... · lamelové...
TRANSCRIPT
-
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Ideální kapalina
Ideální kapalina je nestlačitelná, ale neexistují v ní smyková napětí ani deformace.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Zachování energieBernoulliho rovnice
Rozměr J.kg-3
u … rychlost proudění
z … výška
P … tlak
konstgzP
u
2
2
1
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
-
2
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
= /
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Nenewtonovské kapaliny
Newtonovská
du/dx
τ
Dilatantní
Binghhamská
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Nenewtonovské kapaliny
Zdánlivá viskozita může záviset také na doběnamáhání. Některé pseudoplastické a plastické systémy mají chování : tixotropní – u nichž
viskozita s časem klesá
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Nenewtonovské kapaliny
Zdánlivá viskozita může záviset také na doběnamáhání.
Některé dilatantnísystémy mají chování: reopektické – u nichž
viskozita s časem roste
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Proudění viskózní kapaliny
r
Směr pohybu tekutiny
F1 F2
Ft
2rp1 p2
-
3
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Režim toku
Laminární
Turbulentní
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Hranice režimů proudění
Reynoldsovo kritérium
relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti
Re < 2300 … laminární proudění
Re > 10 000 … turbulentní proudění
uLuLRe
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
-
4
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Kritéria podobnosti
Strouhalovo kritérium
t, u, L … charakteristický čas, rychlost, velikost
Reynoldsovo kritérium
relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti
L
tuSt
uLuLRe
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Kritéria podobnosti
Eulerovo kritérium
relace mezi tlakovou a setrvačnou silou
Froudovo kritérium
relace mezi gravitačními a setrvačnými silami
2u
pEu
2u
gLFr
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Moodyho diagram
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Pístová čerpadla
-
5
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Zubová čerpadla
Čerpání zvláštních tekutin
viskózní
abrazivní
s pevnými částicemi
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Membránová čerpadla
Membrána ovládána
pístem
stlačeným plynem
Mechanismus čerpadla oddělen od čerpané tekutiny
Odolnost vůči zvláštním médiům
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Šneková a peristaltická čerpadla
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Hydrodynamická čerpadla
Odstředivé Axiální
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Funkce odstředivého čerpadla
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Doprava plynů
Přetlaková
ventilátory (fans)
dmychadla (blowers)
kompresory (compressors)
Podtlaková
vývěvy (vacuum pump)
-
6
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Ventilátory
axiální (osový) ventilátor
oběžné kolo má tvar několikakřídlové vrtule.Jeho rotací se vzduch pohybuje rovnoběžně s osou (používají se k odvětrávání místností)
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
-
7
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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.
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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).
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Charakteristika čerpadla
Q, m3.s-1
Hc
hydrodynamické
čerpadlo
hydrostatické
čerpadlo
-
8
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Proudění v porézních médiích
Porézní média
porézní pevné látky
membrány
lože sypkých hmot
Důležité pro popis
filtračních procesů
fluidačních procesů
operací s disperzemi
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
-
9
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Princip filtrace
Dělení pevných částic od tekutiny na porézní filtrační přepážce
Filtrát
Suspenze, Aerosol
Filtrační koláč
Filtrační přepážka
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Povrchová vs. hloubková filtrace
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Povrchová (koláčová) filtrace
Filtrační koláč může suplovat funkci filtrační přepážky
-
10
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Filtrační přepážky
Vrstvy zrnitých materiálů
Vrstvy vláknitých materiálů
Papírové materiály
Porézní kompaktní materiály
Tkaniny
Perforované desky, síta
Makroporézní membrány
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Kritéria vhodnosti filtrů
Rychlost filtrace
Účinnost filtrace
Chemická stabilita filtru
Afinita k filtrované tekutině
Adsorpce složek filtrovaného média na filtru
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Filtrační nuče
Jednoduché tlakové nebo vakuové filtry
např. pro separaci krystalů z matečného louhu
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Svíčkové filtry
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Listové filtry
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Kalolis
-
11
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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)
-
12
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Zařazení sterilní filtrace
Sterilní filtr je náchylný k zanesení velkým počtem částice
Filtrace se provádí ve stupních
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
Sterilní skladování kapalin
Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob P01 – Úvod, charakteristika partikulárních látek
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