一种直锥形双螺旋中药提取罐的优化设计

赵艳艳，李浩

（商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000）

一种直锥形双螺旋中药提取罐的优化设计

赵艳艳，李浩

（商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000）

设计优化了一种直锥形双螺旋中药提取罐，在传统直锥型提取罐内增设双螺旋搅拌桨，搅拌桨类似于钻头形，围绕提取罐筒身转动的同时能够自转，有效实现罐内动态提取，改善了传统提取罐排渣难，提取效率不高等问题。采用优化后的提取罐提取山茱萸环烯醚萜总苷，较大的提高了提取率，取得了良好的社会效益、经济效益。

直锥型；双螺旋搅拌桨；环烯醚萜总苷

中药是中国的传统药物，传统意义上的中药提取技术主要采用瓦罐煎煮[1]。现代研究将传统中药优势特色与现代科学技术相结合，开发出了一系列中药提取罐，以满足不断发展的社会需求。目前提取罐存在的主要问题在于容积较小、转臂式结构不大、排渣过滤面积小或者没有有效的过滤装置，容易堵塞；操作不灵活，不能实现自动化生产等问题[2-3]。要改变传统提取罐的现状，需要提高整个生产过程的质量控制，将传统生产工艺与现代设备完美结合。传统中药生产常采用提取、浓缩工艺，这部分设备向来是中药生产企业控制的关键[4-5]。为了解决上述问题，本设计优化了一种直锥形双螺旋中药提取罐，在传统直锥型提取罐内增设双螺旋搅拌桨，搅拌桨类似于钻头形，围绕提取罐筒身转动的同时能够自转，有效实现提取罐内部的动态提取，以解决传统提取罐的缺陷，实现中药提取过程的全自动控制。

1 提取罐总体结构设计

本设计在直锥型提取罐上加设DSH型双螺旋锥形混合搅拌桨，搅拌桨设有两只非对称螺旋桨，其自转达可使得物料向上运动，转臂缓慢公转运动，从而使物料不同程度进入螺柱，物料全圆周方位不断更新扩散[6]。两股物料在提升过程中向中心凹穴汇合，形成了向下的物料流，起到对流循环的三重混合效果。提取罐设计了梅花状“错位阀”，能够与长螺旋底部紧密贴合，以有效减少混合死角。

1.1 基本设计参数

设计压力内筒：0.05 MPa，夹套：0.35 MPa；

最高工作压力内筒：＜0.05 MPa，夹套：0.3 MPa；

设计温度内筒：100℃，夹套：145℃；

容积内筒：5 m3。

1.2 筒体设计

本提取罐由投料口、罐体、出渣门等组成。考虑到罐内要加设双螺旋搅拌桨，所以封头部分设计为圆弧形。根据工艺操作的要求，罐体上设置辅助装置（如清洗、循环、出渣门启闭紧锁等装置）和工艺接管等附件，如图1。

图1 筒体简易结构图

筒体初步设计高h=2.6 m，内径d=1.4 m,排渣门直径x=0.8 m，下锥体高H=1 m；

圆筒体积V1=π×0.72×2.6=4.01 m3；

下锥体体积V2=π×1×(0.42+0.7×0.4+0.72)/3=0.97 m3；

封头位置主要是控制元件，故不计算在内容积范围之内。

筒体总体积V=V1+V2=5.00 m3；

筒体的容量约为5 m3，符合约5 t中药材提取的容量要求。

筒体选择B型4号支架，支座本体允许载荷量为60 KN，适用容器直径1000～2000 mm，高度250 mm。支座和容器壳体的焊接采用双面连续填角焊进行焊接，焊缝腰高均等于0.7倍的较薄板厚度，且不小于4 mm。焊后焊缝金属表面不得有裂纹，夹渣，焊瘤，烧穿等缺陷，焊接区不应有飞溅物。垫板应与容器壁贴合，局部最大间隙应不超过1 mm。支座螺栓孔的加工极限偏差与其它部分的制造公差按IT16与IT14。支座所有的焊件周边粗糙度为Ra50 mm。支座组焊完毕后，各部件应平整，不得翘曲。

1.3 双螺旋搅拌桨设计

双螺旋搅拌桨的设计见图2。

图2 双螺旋搅拌桨简

在图2中，Si为螺旋臂螺旋内半径，20 mm；hi-螺旋臂高度，3500 mm；H-螺旋臂支架直径，1500 mm；Di-螺旋转臂直径，1000 mm；α-封头锥壳半顶角（°）。

Δ-α≤60°的锥壳大端与圆筒连接处需要加强的指数值，当Δ≥α时，连接处无需加强。此处结构封头为平式结构，故Δ和α为0。旋转臂在工作过程中产生的内压为：

式中Pc-搅拌桨轴所能承受的临界压力(N)；E-搅拌浆轴材料的弹性模量（MPa）；J-搅拌浆轴横截面的极限转动惯量（m4）。

同样直径所受拉搅拌轴能承受的安全拉力用(2)式计算：

式中，P-搅拌桨轴所能承受的安全拉力（N）；（P）—搅拌桨轴许用拉应力（MPa）。

由于对实心圆轴J=Si4/64，代入（1）式得：

以35号碳素结构钢搅拌轴为例，其100℃的弹性模量E=190×103MPa,而100℃时35号钢的许用应力P≈160 MPa。将以上数据带入（3）式，得到：

得Pc＜P，该设计在合理范围之内。

提取罐的机械强度是选材的重要依据，设计选材主要考虑强度极限和屈服极限[7]。提取设备材料除保证机械强度、刚度要求外，还考虑设备防漏、防爆、耐腐蚀等要求。本设计提取罐与物料接触部位均采用奥氏体不锈钢，其主加元素为Cr（WCr=17%～19%）和Ni（WNi=8%～11%）。为了避免晶界区贫Cr而遭受电化学腐蚀添加Ti，使得晶界上优先形成TiC，防止晶间腐蚀；罐体上所有密封件均采用耐热、无毒材料；外购配套设备的材料与整体设计要求一致，受压零部件材料符合国家标准GB150（钢制压力容器）中有关规定[8]。

1.4 控制系统设计

中药材投入提取罐时采用液位控制法控制溶剂加入量，且加入溶剂量为药材的5～l0倍。采用动态提取法进行提取，罐内药液的温度恒定、压力为常压[9]。提取主要溶剂为水和醇，不同提取溶剂采用不同的控制方法。当提取溶剂为水时，在提取过程中放空阀始终处于开启状态，保持罐压为常压，一旦发生意外（如排气通道堵塞）设备做报警处理。提取溶剂为醇时，放空阀处于关闭状态。本设计的中药提取罐，在固定的设备和管线条件下,采用灵活的自控方式实现不同提取模式的全过程自动控制，以保证既可“水提”亦可“醇提”；既可“单罐提取”亦可“多罐提取”；既可“循环提取”亦可“非循环提取”。提取罐的加料补料、恒温升温、提取出料直到提取结束时或者再次提取的全过程，都可自动完成。提取部分的自动控制回路主要包括提取罐温度控制、加液控制、出料自动控制、温度自动检测及储液罐的液位自动检测。

2 装置性能实验

通过工艺预研和企业调研，采用优化后的中药提取罐提取山茱萸环烯醚萜类化合物，进行小试研究，验证设备性能[10]。实验所用山茱萸采自陕西省商洛市丹凤县，先将干燥的山茱萸药材净制，除去果梗等其它杂质，再用粉碎机粉碎，过三号筛，备用。称取粉碎过筛后的山茱萸，以甲醇为提取溶剂，料液比分别为1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，提取温度为70℃，提取时间为120 min。提取结束后，浓缩提取液，浸膏加水溶解，过滤得山茱萸环烯醚萜总苷提取液。同时，采用未经优化的提取罐，采用相同工艺对山茱萸环烯醚萜总苷进行提取，并对提取率进行比较，比较结果如图3。

图3 不同料液比对环烯醚萜总苷提取率的影响

优选料液比为1∶15，提取温度为70℃，提取溶剂为甲醇，提取时间分别为60、80、100、120 min，分别采用普通提取罐和优化后的提取罐提取山茱萸中环烯醚萜总苷，对提取结果进行比较，比较结果如图4。

图4 不同提取时间对环烯醚萜总苷提取率的影响

由图4可见，相同的料液比、提取时间和提取温度下，优化后的提取罐提取率明显高于普通提取罐，且当料液比为1∶15，提取时间为120 min时，无论普通提取罐还是优化后的提取罐，山茱萸环烯醚萜总苷的提取率均为最高，且优化后的提取罐明显提高了山茱萸环烯醚萜总苷提取率。优化后的提取罐增加了DSH型双螺旋锥形混合机搅拌桨和自动控制系统，有效实现提取罐内部的动态提取，增加了溶剂和物料的接触面积和浓度差，提高了中药有效成分的提取率。

3 结论

本设计优化了一种新型直锥形双螺旋中药提取罐，改善了传统提取罐排渣难、提取效率不高等问题，在传统直锥型提取罐内增设双螺旋搅拌桨，搅拌桨类似于钻头形，围绕提取罐筒身转动的同时能够自转，有效实现提取罐内部的动态提取，从而达到提取设备优化。通过提取山茱萸环烯醚萜总苷验证装置性能，结果表明优化后的提取罐极大提高了中药有效成分的提取率。通过优化设计，提取罐的设备性能更加符合行业发展需要，对提高我国制药机械设备的科技含量，推动中药产业的现代化发展，实现人力、物力的节约，具有重大的价值。

[1]王旺平.多功能智能浸提罐设计[J].食品与机械,2006,22(3)：113-114.

[2]熊超.多功能提取罐优化改进设计[J].化学工程与装备,2011,10(1)：90-91.

[3]何晓东,张志东.蔡海燕,等.全自动锥形动态中药提取设备的设计[J].包装与食品机械,2010,12(3)：14-17.

[4]李攀.中药提取智能生产线研究[D].武汉：武汉工程大学,2011：27-28.

[5]熊超.多功能提取罐优化改进设计[J].化学工程与装备,2011(1)：90-91.

[6]吴婷,贾伟,张春晖,等.一种骨抽提复合搅拌热压装置的研制与应用[J].食品与机械,2016,32(8)：79-82.

[7]沈善明.连续逆流提取罐[J].医药工程设计,2010,31(2)：1-3.

[8]徐祚平,张高峰.浅谈中药提取除渣系统的设计[J].医药工程设计,2012,33(6)：35.

[9]汤继亮,及元乔,贺勇,等.天然药物中试生产过程计算机控制系统的设计[J].中国医药工业杂志,2002,33(10)：508-513.

[10]赵艳艳,王晨霏,滕洋.山茱萸环烯醚萜总苷提取工艺[J].商洛学院学报,2016,30(4)：40-43.

（责任编辑：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

陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK1242)

赵艳艳，女，陕西洛南人，硕士，讲师