、本课程的性质任务和内容 《中药制药工程原理与设备》是中药制药专业学生必修的专业基础课。其主要任务是矸 究中药生产中的单元操作的基本原理、典型设备结枃、选型及其工艺尺寸计算。培养学生运 用基础理论分析和解决有关单元操作中各种工程实际问题的能力。 本书主要讨论以下内容: (1)动量传递过程是研究流体力学为基础的基本规律如流体输送、沉降、过滤、离心分 离、搅拌等 (2)热量传递过程是研究热量传递的基本规律为基础及其单元操作,如加热、冷却、蒸 发等。 3)质量传递过程是研究物质通过相界面的迁移过程的基本规律,如蒸馏、干燥、固液 提取等。 4)机械过程是研究以机械力学为主要理论基础的过程,如粉碎、筛分、混合、固体输 送、成型等 此外,本书还介绍了工艺设计部分。 教学目的 通过本课程的学习,可培养学生掌握中药典型设备的基本原理、类型、结构、选型及其计 算等有关知识能运用于选型开发、设计和操作。 (1)选型熟悉中药制药设备的基本知识,加强理论与实践联系。根据各单元操作在 技术和经济上的特点,进行分析、评价选择优惠的操作条件或经济而适用的单元设备,以满 足中药制药工艺的要求。 (2)开发开发就是将实验室的试验结果推广应用于实际生产过程中。放大就是将小 型或中型试验扩大为工厂规模生产。过程的开发或放大是评价科研成果的重要标志。通过 学习本课程,有助于指导学生进行科研和实验优化工作探索最隹流程和设备,确定最佳的操 作条件,使科研取得更佳的成果。 (3)设计根据已规定设备应具有的性能,对过程或设备进行计算和设计,选取合适的 型式,确定其主要尺寸,或在缺乏数据的情况下进行实验,为设计提供必要的数据。 (4)操作熟悉操作原理,寻找适宜的操作条件,探索强化过程及节能措施。 三、几个基本概念 在分析单元操作中,经常用到物料衡算、热量衡算、过程平衡与速率和经济核算等几个 基本概念它贯串于本课程的始终,在这里仅作简单介绍。 1,物料衝算 根据质量守恒定律,在某一设备输入物料质量减去从设备输出物料质量,等于累积在设 备里的物料质量,即: ∑G入-∑G出=日 (0-1) 式中G入一输入物料质量的总和 ∑出—输出物料质量的总和
G-累积物料质量。 式(0-1)是物料衠箅的通式,它适用于任何指定的空间范围,并适用于过程所涉反的全 部物料、当没有化学变化时,混合物的任一组分都符合于这个通式有化学变化时,其中各 元素仍然符合于这个通式。 对于连续操作的过程,若各物理量不随时间改变,即处于稳定操作状态时,过程中不应 有物料的累积,即G=0,式(-1)可简化为; ∑G入=∑日出 用物料衡算式可先定出衡算范围,规定一个基准。间歇过程以一次(一批)操作为基准, 对于连续过程,则以单位时间为基准。 2.热量衡算 热量衡算是能量衡算的一种形式,热量衡算的理论基础是能量守恒定律。根据此定律 可以引出热量衡算表达式,即 ∑Q入一∑ (0-2) 式中∑Qx——输入系统的热量y ∑Q出——输出系统的热量 Q—系统向环境散失的热量,或称热损失。 式(0-2)中输入系统的热量应包括外界加入热量、反应物带入热量、放热反应所放出热 量;输出系统的热最应包括反应产物带走的热量、吸热反应吸收热量热损失等。 热量衡算的步骤与物料衡算基本相同。 3.过程平衡与迷率 (1)过程平衡表明过程进行的方向和能够达到的极限。例如连通器中的液面最终是 处于同一水平面,换热的极限是换热终了时冷热液体温度相同。因此,利用平衡条件,可以 找出当时条件下物料或能量利用的极限,为确定工艺方案提供依据。还可以用实际操作条 件结果与平衡数据的比较作为衡量过程的效率,从而找出改进实际操作的方法。 (2)过程速率即过程进行的快慢。过程速率决定设备的生产能力。显然,过程速率 越高,单位设备体积的生产能力越大。过程速率可以用如下的基本关系表达,即; 过程速率=过程推动力 过程推动力是指过程在某瞬间距平衡的差额,它可以是压力差、温度差或浓度差。增大 过程的推动力或减小过程的阻力均可提高过程速率。当过程推动力一定时,要提高过程速 率,应考虑降低过程阻力来实现,其措施不应降低物料和能量利用率,或引起副反应或副作 用发生,也不宜增加过多的设备。 4.经济核算 在设计具有一定生产能力的设备时,根据设备型式、材料不同,可提出若干个设计方案 对同一设备选用操作参数不同,直接影响到设备费和操作费。因此,要用经济核算确定最 经济的设计方案。 四、单位制与单位换算 1,单位劊
在科学技术与生产发展的过程中,由于历史的原因形成了不同的单位制,分为两类;绝 对制〔如物理制)单位和重力制(I程制)单位这两类单位制又分为英制与米制单位。 过去常用的几种单位制所用的基本量与基本单位列于表0-1中。 表0-绝对单匀5力单位 质 绝单总制 CGS物理单位制) k 重力单位制(工程单位想 这些单位制行使用,在科学技术领域利国际交往中带来了很大的不便,为改变这种局 面以统计量单位制,在1960年10月第十一届国际计量大会通过了一种新的单位制,称为 国际单位制,其国际符号为S1 S是在MKS制基础上发展起来的,共规定了7个基本单位,除了MKS制中原有 单位(米)时间单位S(秒)和质量单位kg(千克)外,还加上热力学温度单位k(开尔 电流单位A(安增)光强度单位cd(坎德拉)和物质的量单位m(摩尔)。这些单位都有 格的科学定义。倒际单位制有两大优点:一是它的通用性,所有物理量的单位都可由S 7个基本单位导出;二是它的一贯性,任何一个SI导出单位都可上述7个基本单位相乘 或相除而导出。S中每种物理量只有一个单位,如热、功、能三者的单位都采用J(焦耳),转 换时无需换算因数。 目前国际单位制已为世界各国广泛采用。以国际单位制为基础,务院制订了中华人 民共和国法定计量单位现已正式实施,所以本书采用法定计量单位。 2.单位换算 同-物理量若用不同单位度量时,其数值应相应地改变。这种换算称为单位换算。单 位换算时,需要换算因数。各单位的换算因数参见本书附录。现将单位换算举例如下 例-14C时水的密度用物理单位制表示为1,01g/cm3,换成法定计量单位制 解:先到出有关谷量不同单位间的关系 lm=i(Ocm Lkg=l 000g LKs 1000g 1,00g/c In 例(2已知atm=1.0133kg/cm2,试改用园际单位制 解:先列出有关各量不同单位间的关系 Ikgf-=!.BIN 1am=1.013sfc1,0133kgf×9.8N/kgf cm“×1-+m2/cni
例0-3水分自静止的水面蒸发到空气中的速率可用下式描述: Ap 式中“—水面上空气的流速,ft/s; A—在该空气温度下水的饱和蒸气压与空气中水蒸气分压之差,atm G—水分蒸发速率,1b/(ft2h)。 试将上式加以换算S制单位,即G以kg/(m2s),以m/s、4p以Pa表示。 解:本题不是一个一股物理量的单位换算,而是将一个英制单位表示的经验式转换成 以SI单位表示的经验式。其转换规则是将式中每一物理量通过换算因数,将以英制单位表 示的物理量转换为Sl单位。经过换算,公式中系数值将改变。从附录中查出 或 /s=0.3048m/s 令"表示以ft/s,w表示以m/s,则v与"的关系为 0,3048 () 又从附录查出 1am=1.0133×10Pa 令AP表示以atm,Ap表示以Pa,则4p与4p的关系为 1,0133 (b) 再从附录查出 11b=0.4536kg 再算出 l lft 3600s 0.4536 0.304×604g/(m29) 令G表示以1b/(fh)为单位,G表示以kg/(m2s)为单位,则G与G′的关系为 1.356×10 (0) 将(a)、(b)、(c)代入题给的关系式中,得: 1.356=2.4 0,304811,0133×105 略去各物理量上标,并整理得 8,48×10“8
笫…一章流体流动 在生产过程中物料大部分处于气体或液体状态下,这种状态下的物料通称为流体。这 些物料无论在静止或运动时都符合于流体力学的规律。 流体的特性是,流体流动时没有固定的形态,其质点易发生相对运动。这种特性称为流 动性 在生产过程中,有以下几个方面经常应用流体流动的基本原理和流动规律 (1)流体的输送使流体从个设备送到另一个设备,通常设备之间是用管道连接的 在确定管路的直径时,就需要选用合适的流体速度。在输送流体过程中,需要选用输送设 备,以及计算在流体流动过程中应加入外功。这些依据都要应用流体流动规律的数学表达 式来计算。 (2)压力流速和流量测量为了了解和控制生产过程,就必须对压力等一系列参数进 行测定,以便合理选用和安装测量仪表,这些测量仪表的操作原理都是以流体的静止或流 动规律为依据。 (3)为强化设备提供适宜的流动条件在中药生产的传热、传质等过程中,都是在流体 流动的情况下进行的,设备的操作效率与流体流动状况有着密切关系。因此,研究流体流动 对寻找设备强化途径具有现实意义 本章主要介绍有关流体流动过程的一些基本原理及其在管内流动规律,比如流体在重 力和压力作用下的平衡规律,流体流动时能量转换规律和流动阻力,以及如何应用这个原理 去解决实际问题,等等。 第一节流体静力学基本方程式 流体静力学是研究流体在静止状态下所受的各种力之间的关系,这些力的大小是与流 体密度、压力等性质有关。如流体在设备、管道内压力的变化与测量等均以这一规律为依据。 、密度 单位体积的流体所具有质量,称为流体的密度,其表达式为 (1-1) 式中p流体的密度,kg/m3 m——流体的质量,kg V一一流体的体积,m3。 流体的密度一般叮在物理化学手册或有关资料中查得。不同单位制,密度单位和数值 都不同,应掌握密度在不同单位制之间的换算。 不同流体的密度是不相同的,对一定的流体的密度是压力和温度的函数,可用下式