Температурный режим процессов экстрагирования в системе твердое-жидкое с применением электрического разряда

Выделение энергии в канале электрического разряда в его завершающей стадии приводит к скачкообразному росту температуры, развитию кавитации, образованию и пульсации парогазовой полости, и, как следствие, формированию ударной волны [Юткин Л., Семкин Б.В.]. При этом рост температуры канала разряда однозначно связан с формой импульса напряжения, инициирующего пробой, и временем выделения энергии непосредственно в канале разряда. Кроме того, на характер и параметры гидродинамических процессов влияют еще и объемно-масштабные характеристики разрядной камеры.

Поэтому из литературных источников трудно отобрать достоверные данные о температуре канала разряда в жидкости, которая приводится, как правило, для конкретных условий. В работе [Семкин Б.В.] авторы, исходя из термодинамических соображений, приходят к выводу, что температура при мощных разрядах в воде может достигать в канале разряда нескольких десятков тысяч градусов.

Известно [Муравьев И.А.], что качество лекарственного препарата зависит от способа его приготовления. Можно применять вполне доброкачественное сырье и, тем не менее, получить недоброкачественный лекарственный препарат. Например, можно взять растительное сырье с нормальной биологической активностью, но, нарушив температурный режим в процессе приготовления из него экстракта, получить препарат с пониженной или утраченной биологической активностью. Поэтому температурным режимам при производстве лекарственных продуктов, препаратов и готовых лекарственных форм уделяется повышенное внимание. При этом основным техническим документом является разработанный и утвержденный промышленный регламент производства того или иного лекарственного препарата. Поскольку температура является одним из важных факторов, влияющих на процесс протекания экстракции и может существенно изменить как характер извлечения лекарственных препаратов из растительного сырья, так и их сохранность в нативном виде, повлиять на степень эрозии электродных систем, то, нами, с целью прогнозирования возможных последствий, при экстрагировании сырья с применением электрического разряда осуществлена оценка электронной температуры в канале разряда в воде спектральными методами. Этот вопрос заслуживает отдельного рассмотрения в связи с его важностью для оптимизации экстракционных технологических процессов.

Строго говоря, плазма искрового разряда представляет систему, в которой может отсутствовать тепловое равновесие между основными ее компонентами. Частицы, входящие в состав плазмы, могут не иметь максвелловского распределения по скоростям, особенно, при импульсных процессах малой длительности. Тем не менее, хаотическое движение электронов или ионов в плазме можно условно охарактеризовать определенной температурой, под которой следует понимать величину, пропорциональную средней энергии соответствующих частиц (электронная температура, ионная температура).

Исследования по оценке температуры плазмы канала разряда в воде провели с [Шубин Б.Г.] использованием генератора импульсных напряжений (ГИН) с разрядной емкостью С=0,125мкФ. ГИН разряжали через промежуток в воде (острие-плоскость) длиной 1-2 мм. Длительность импульса до 4 мкс, напряжение в импульсе 25 кВ.

Излучение искры проходило через кварцевые окошки в ванне и фокусировалось линзами на щель спектрографа ИСП (рис. 1). Спектрограммы однократных разрядов фотографировались на пластинках для эмиссионного спектрального анализа тип "СП-2", чувствительностью 16 ед. ГОСТ. Спектр искры в воде сплошной. Такой характер спектра, как и при сильноточных разрядах в газах, можно объяснить как результат электронного тормозного и рекомбинационного излучений [Браун С.]. Интенсивность такого излучения определяется выражением:

где I - интенсивность тормозного излучения; A - постоянный коэффициент; h_e - концентрация электронов в плазме; электронная температура; - частота излучения; l - длина канала разряда.

Сравнивая интенсивности излучения I₁ и I₂ для частот ₁ и ₂, оценивали температуру T_e.

Поскольку фотопластинки СП-2 имеют примерно равномерную спектральную чувствительность в области 3800 - 4400 А^о [Синсиметрический справочник], то в этой области измеряли распределение энергии излучения в относительных единицах по длинам волн.

Рис. 1. схема экспериментальной установки.

По полученным данным строили зависимость распределения энергии излучения в координатах ln и (рис. 2). По углу наклона этой прямой вычисляли электронную температуру T_e= - ctg. Одновременно с фотометрическими проводили и осциллографические измерения. Световой импульс от монохроматоров УМ-2 воспринимался спектрофотометрическим умножителем ФЭУ-29 и передавался на осциллограф. В момент подачи импульса на вертикально отклоняющие пластины осциллографа, запускался генератор ждущей развертки и генератор меток времени.

Рис. 2. Распределение интенсивности излучения по длинам волн.

По осциллограммам судили о характере изменения во времени интенсивности свечения в определенном интервале длин волн, а также о продолжительности свечения канала разряда. При длительности свечения 3мкc ток в импульсе достигал значения 4кА. Мощность, выделяемая в канале такого разряда, составила: N=1,310⁶ Вт, что по величине соответствует мощности выделяемой в канале при электроразрядном экстракционном процессе. При U=25кВ, l=1мм, C=0,125мкФ величина электронной температуры порядка T_e=2,410³ K.

Экспериментально полученные данные о столь высокой температуре искрового канала в жидкости побудили нас к проведению специальных исследований, направленных на изучение температурных режимов экстракционных процессов.

Измерения температуры проводили хромель-копелевыми термопарами при толщине проволоки 0,1мм. Запись термо-э.д.с. проводили многоточечным потенциометром ЭПР-09 РД. Продолжительность времени, в течение которого измеряли температуру в трех точках экстракционной камеры, составляла 9 с (рис. 3). За это время на электродную систему поступало 45 импульсов с энергией в импульсе 40 Дж. Температуру в каждой точке определяли как среднее 5 измерений. Погрешность измерения не превышала 1⁰С.

Предварительные исследования по экстрагированию выбранных видов растительного сырья электроразрядным способом показали, что наиболее полно извлечение происходит при трехкратной обработке сырья серией импульсов со сменой экстрагента.

При частоте следования импульсов напряжения 5с^-1, время обработки в одной серии, в зависимости от вида растительного сырья, составляет от 8 до 10 минут.

Сравнительные исследования изменений температуры суспензии в экстракционной камере показали, что при экстракции с применением косоугольных импульсов напряжения (КИН) в экстракционной камере, содержащей 500 мл смеси экстрагента с сырьем, имеющей исходную температуру 18⁰С, происходит плавное увеличение температуры смеси. Рост температуры, содержимого камеры, не превышает 25⁰С от исходной и к окончанию первой серии обработки достигает 43⁰С.

Рис. 3. Размещение термодатчиков в камере.

Полученный в этой серии экстракт сливали и камеру заполняли свежей экстрагирующей жидкостью. Многократные опыты показали, что после смешивания, в соотношении 1:5 свежего экстрагента, взятого при температуре 18⁰С с уже однократно обработанным сырьем, температура смеси устанавливается близкой к 22⁰С. Тенденция постепенного увеличения температуры обрабатываемой смеси соблюдается от серии к серии. Так, после вторичной обработки температура смеси 47⁰С, после окончательной 51⁰С.

Таким образом, увеличение температуры в камере с применением косоугольных импульсов напряжения составляет в условиях опыта 33⁰С. При увеличении перерывов между сериями температура смеси к окончанию оптимального времени обработки может быть несколько ниже.

Результаты измерений температуры при воздействии прямоугольных импульсов (ПИН) представлены на рис. 4. Проведенные исследования показали, что в отличие от первого варианта, температура смеси в экстракционной камере изменяется незначительно. Перепад температуры в каждой серии не превышает 5-6 ⁰С от исходной температуры содержимого камеры.

Такое значение температуры при воздействии разряда, инициированного ПИН, можно объяснить следующим. Во-первых - осциллографические исследования показывают, что в этих условиях практически отсутствуют предпробивные токи, в отличие от воздействия косоугольных импульсов, при которых токи утечки достигают 50% от разрядного тока.

Рис. 4. Температурная зависимость содержимого экстракционной камеры от количества разрядов. 1 - I серия; 2 - II серия; 3 - III. На графике за нулевую отметку принята исходная температура 18 ⁰С.