一種直錐形雙螺旋中藥提取罐的優化設計

趙艷艷，李浩

（商洛學院生物醫藥與食品工程學院，陜西商洛726000）

一種直錐形雙螺旋中藥提取罐的優化設計

趙艷艷，李浩

（商洛學院生物醫藥與食品工程學院，陜西商洛726000）

設計優化了一種直錐形雙螺旋中藥提取罐，在傳統直錐型提取罐內增設雙螺旋攪拌槳，攪拌槳類似于鉆頭形，圍繞提取罐筒身轉動的同時能夠自轉，有效實現罐內動態提取，改善了傳統提取罐排渣難，提取效率不高等問題。采用優化后的提取罐提取山茱萸環烯醚萜總苷，較大的提高了提取率，取得了良好的社會效益、經濟效益。

直錐型；雙螺旋攪拌槳；環烯醚萜總苷

中藥是中國的傳統藥物，傳統意義上的中藥提取技術主要采用瓦罐煎煮[1]。現代研究將傳統中藥優勢特色與現代科學技術相結合，開發出了一系列中藥提取罐，以滿足不斷發展的社會需求。目前提取罐存在的主要問題在于容積較小、轉臂式結構不大、排渣過濾面積小或者沒有有效的過濾裝置，容易堵塞；操作不靈活，不能實現自動化生產等問題[2-3]。要改變傳統提取罐的現狀，需要提高整個生產過程的質量控制，將傳統生產工藝與現代設備完美結合。傳統中藥生產常采用提取、濃縮工藝，這部分設備向來是中藥生產企業控制的關鍵[4-5]。為了解決上述問題，本設計優化了一種直錐形雙螺旋中藥提取罐，在傳統直錐型提取罐內增設雙螺旋攪拌槳，攪拌槳類似于鉆頭形，圍繞提取罐筒身轉動的同時能夠自轉，有效實現提取罐內部的動態提取，以解決傳統提取罐的缺陷，實現中藥提取過程的全自動控制。

1 提取罐總體結構設計

本設計在直錐型提取罐上加設DSH型雙螺旋錐形混合攪拌槳，攪拌槳設有兩只非對稱螺旋槳，其自轉達可使得物料向上運動，轉臂緩慢公轉運動，從而使物料不同程度進入螺柱，物料全圓周方位不斷更新擴散[6]。兩股物料在提升過程中向中心凹穴匯合，形成了向下的物料流，起到對流循環的三重混合效果。提取罐設計了梅花狀“錯位閥”，能夠與長螺旋底部緊密貼合，以有效減少混合死角。

1.1 基本設計參數

設計壓力內筒：0.05 MPa，夾套：0.35 MPa；

最高工作壓力內筒：＜0.05 MPa，夾套：0.3 MPa；

設計溫度內筒：100℃，夾套：145℃；

容積內筒：5 m3。

1.2 筒體設計

本提取罐由投料口、罐體、出渣門等組成。考慮到罐內要加設雙螺旋攪拌槳，所以封頭部分設計為圓弧形。根據工藝操作的要求，罐體上設置輔助裝置（如清洗、循環、出渣門啟閉緊鎖等裝置）和工藝接管等附件，如圖1。

圖1 筒體簡易結構圖

筒體初步設計高h=2.6 m，內徑d=1.4 m,排渣門直徑x=0.8 m，下錐體高H=1 m；

圓筒體積V1=π×0.72×2.6=4.01 m3；

下錐體體積V2=π×1×(0.42+0.7×0.4+0.72)/3=0.97 m3；

封頭位置主要是控制元件，故不計算在內容積范圍之內。

筒體總體積V=V1+V2=5.00 m3；

筒體的容量約為5 m3，符合約5 t中藥材提取的容量要求。

筒體選擇B型4號支架，支座本體允許載荷量為60 KN，適用容器直徑1000～2000 mm，高度250 mm。支座和容器殼體的焊接采用雙面連續填角焊進行焊接，焊縫腰高均等于0.7倍的較薄板厚度，且不小于4 mm。焊后焊縫金屬表面不得有裂紋，夾渣，焊瘤，燒穿等缺陷，焊接區不應有飛濺物。墊板應與容器壁貼合，局部最大間隙應不超過1 mm。支座螺栓孔的加工極限偏差與其它部分的制造公差按IT16與IT14。支座所有的焊件周邊粗糙度為Ra50 mm。支座組焊完畢后，各部件應平整，不得翹曲。

1.3 雙螺旋攪拌槳設計

雙螺旋攪拌槳的設計見圖2。

圖2 雙螺旋攪拌槳簡

在圖2中，Si為螺旋臂螺旋內半徑，20 mm；hi-螺旋臂高度，3500 mm；H-螺旋臂支架直徑，1500 mm；Di-螺旋轉臂直徑，1000 mm；α-封頭錐殼半頂角（°）。

Δ-α≤60°的錐殼大端與圓筒連接處需要加強的指數值，當Δ≥α時，連接處無需加強。此處結構封頭為平式結構，故Δ和α為0。旋轉臂在工作過程中產生的內壓為：

式中Pc-攪拌槳軸所能承受的臨界壓力(N)；E-攪拌漿軸材料的彈性模量（MPa）；J-攪拌漿軸橫截面的極限轉動慣量（m4）。

同樣直徑所受拉攪拌軸能承受的安全拉力用(2)式計算：

式中，P-攪拌槳軸所能承受的安全拉力（N）；（P）—攪拌槳軸許用拉應力（MPa）。

由于對實心圓軸J=Si4/64，代入（1）式得：

以35號碳素結構鋼攪拌軸為例，其100℃的彈性模量E=190×103MPa,而100℃時35號鋼的許用應力P≈160 MPa。將以上數據帶入（3）式，得到：

得Pc＜P，該設計在合理范圍之內。

提取罐的機械強度是選材的重要依據，設計選材主要考慮強度極限和屈服極限[7]。提取設備材料除保證機械強度、剛度要求外，還考慮設備防漏、防爆、耐腐蝕等要求。本設計提取罐與物料接觸部位均采用奧氏體不銹鋼，其主加元素為Cr（WCr=17%～19%）和Ni（WNi=8%～11%）。為了避免晶界區貧Cr而遭受電化學腐蝕添加Ti，使得晶界上優先形成TiC，防止晶間腐蝕；罐體上所有密封件均采用耐熱、無毒材料；外購配套設備的材料與整體設計要求一致，受壓零部件材料符合國家標準GB150（鋼制壓力容器）中有關規定[8]。

1.4 控制系統設計

中藥材投入提取罐時采用液位控制法控制溶劑加入量，且加入溶劑量為藥材的5～l0倍。采用動態提取法進行提取，罐內藥液的溫度恒定、壓力為常壓[9]。提取主要溶劑為水和醇，不同提取溶劑采用不同的控制方法。當提取溶劑為水時，在提取過程中放空閥始終處于開啟狀態，保持罐壓為常壓，一旦發生意外（如排氣通道堵塞）設備做報警處理。提取溶劑為醇時，放空閥處于關閉狀態。本設計的中藥提取罐，在固定的設備和管線條件下,采用靈活的自控方式實現不同提取模式的全過程自動控制，以保證既可“水提”亦可“醇提”；既可“單罐提取”亦可“多罐提取”；既可“循環提取”亦可“非循環提取”。提取罐的加料補料、恒溫升溫、提取出料直到提取結束時或者再次提取的全過程，都可自動完成。提取部分的自動控制回路主要包括提取罐溫度控制、加液控制、出料自動控制、溫度自動檢測及儲液罐的液位自動檢測。

2 裝置性能實驗

通過工藝預研和企業調研，采用優化后的中藥提取罐提取山茱萸環烯醚萜類化合物，進行小試研究，驗證設備性能[10]。實驗所用山茱萸采自陜西省商洛市丹鳳縣，先將干燥的山茱萸藥材凈制，除去果梗等其它雜質，再用粉碎機粉碎，過三號篩，備用。稱取粉碎過篩后的山茱萸，以甲醇為提取溶劑，料液比分別為1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，提取溫度為70℃，提取時間為120 min。提取結束后，濃縮提取液，浸膏加水溶解，過濾得山茱萸環烯醚萜總苷提取液。同時，采用未經優化的提取罐，采用相同工藝對山茱萸環烯醚萜總苷進行提取，并對提取率進行比較，比較結果如圖3。

圖3 不同料液比對環烯醚萜總苷提取率的影響

優選料液比為1∶15，提取溫度為70℃，提取溶劑為甲醇，提取時間分別為60、80、100、120 min，分別采用普通提取罐和優化后的提取罐提取山茱萸中環烯醚萜總苷，對提取結果進行比較，比較結果如圖4。

圖4 不同提取時間對環烯醚萜總苷提取率的影響

由圖4可見，相同的料液比、提取時間和提取溫度下，優化后的提取罐提取率明顯高于普通提取罐，且當料液比為1∶15，提取時間為120 min時，無論普通提取罐還是優化后的提取罐，山茱萸環烯醚萜總苷的提取率均為最高，且優化后的提取罐明顯提高了山茱萸環烯醚萜總苷提取率。優化后的提取罐增加了DSH型雙螺旋錐形混合機攪拌槳和自動控制系統，有效實現提取罐內部的動態提取，增加了溶劑和物料的接觸面積和濃度差，提高了中藥有效成分的提取率。

3 結論

本設計優化了一種新型直錐形雙螺旋中藥提取罐，改善了傳統提取罐排渣難、提取效率不高等問題，在傳統直錐型提取罐內增設雙螺旋攪拌槳，攪拌槳類似于鉆頭形，圍繞提取罐筒身轉動的同時能夠自轉，有效實現提取罐內部的動態提取，從而達到提取設備優化。通過提取山茱萸環烯醚萜總苷驗證裝置性能，結果表明優化后的提取罐極大提高了中藥有效成分的提取率。通過優化設計，提取罐的設備性能更加符合行業發展需要，對提高我國制藥機械設備的科技含量，推動中藥產業的現代化發展，實現人力、物力的節約，具有重大的價值。

[1]王旺平.多功能智能浸提罐設計[J].食品與機械,2006,22(3)：113-114.

[2]熊超.多功能提取罐優化改進設計[J].化學工程與裝備,2011,10(1)：90-91.

[3]何曉東,張志東.蔡海燕,等.全自動錐形動態中藥提取設備的設計[J].包裝與食品機械,2010,12(3)：14-17.

[4]李攀.中藥提取智能生產線研究[D].武漢：武漢工程大學,2011：27-28.

[5]熊超.多功能提取罐優化改進設計[J].化學工程與裝備,2011(1)：90-91.

[6]吳婷,賈偉,張春暉,等.一種骨抽提復合攪拌熱壓裝置的研制與應用[J].食品與機械,2016,32(8)：79-82.

[7]沈善明.連續逆流提取罐[J].醫藥工程設計,2010,31(2)：1-3.

[8]徐祚平,張高峰.淺談中藥提取除渣系統的設計[J].醫藥工程設計,2012,33(6)：35.

[9]湯繼亮,及元喬,賀勇,等.天然藥物中試生產過程計算機控制系統的設計[J].中國醫藥工業雜志,2002,33(10)：508-513.

[10]趙艷艷,王晨霏,滕洋.山茱萸環烯醚萜總苷提取工藝[J].商洛學院學報,2016,30(4)：40-43.

（責任編輯：李堆淑）

Optimal Design of a New-type Straight Conical Double Helix for Extraction of Chinese Medicine

ZHAO Yan-yan,LI Hao
(College of Biopharmaceutical and Food Engineering,s Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi)

A novel type of straight conical double helix extraction tank wes designed.Compared with the traditional extraction pot,the bit-like double helix stirring paddle was added to achieve both rotations around the barrel and autorotation.This novel extraction tank not only realizes dynamic extraction effectively,but also improves the problem of slag and low extraction efficiency.The use of the optimized extractor to extract dogwood total iridoid glycosides can greatly improve the extraction yield.Thus,the designed straight conical double helix extraction tank will achieve good social and economic benefits.

straight cone type；double helix propeller；iridoid glycoside

TQ461

：A

：1674-0033（2017）04-0059-03

10.13440/j.slxy.1674-0033.2017.04.013

2017-03-21

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK1242)

趙艷艷，女，陜西洛南人，碩士，講師