خصائص وعيوب معدات التجفيف الفراغي ذات المخروط المزدوج

1. نظرة عامة

مجفف الفراغ ذو المخروط المزدوج (يُشار إليه فيما يلي باسم "المخروط المزدوج") هو مجفف ديناميكي يعمل بالتفريغ والتسخين غير المباشر، وله تاريخ طويل، وهو جهاز تجفيف موفر للطاقة. يتميز هذا المجفف بأن مخروط الفراغ يدور 360 درجة بواسطة آلية دفع. يُعزز الدوران خلط المواد داخل المخروط وتسخينها بالتلامس مع سطح التسخين. يُسهم الخلط المستمر للمواد في تنظيف سطح التسخين ذاتيًا. كما أن فرق درجات الحرارة يُعدّ مفيدًا جدًا لتجفيف العديد من المواد الحساسة للحرارة في درجات حرارة منخفضة.

يعمل المخروط المزدوج تحت فراغ دون الحاجة إلى غازات خاملة أخرى، مما يُسهّل تبخير وتجفيف المواد التي تحتوي على مذيبات عضوية متنوعة، واستعادة المذيبات بكفاءة عالية. كما يُسهم تصميم المخروط المزدوج في تفريغ المواد الجافة بسرعة ونظافة، وهي ميزة تشغيلية لا تُضاهى بأي نوع آخر من المجففات.

يُعدّ المخروط المزدوج مناسبًا لتجفيف مختلف المواد السائبة دون التصاق الجدران. وبفضل تركيب فلتر غاز العادم على أنبوب الشفط الفراغي داخل المخروط، تقلّ خسائر غبار المنتج العالق بغاز العادم، ما يؤدي إلى زيادة كفاءة التجفيف.

يمكن لهذه الآلة تغذية وتفريغ المواد في عملية مغلقة ومتكاملة، مما يمنع التلوث التشغيلي وتطاير الغبار وتلويث البيئة أثناء التفريغ. وتتميز بكفاءة تجفيف ديناميكية عالية باستخدام المخروط المزدوج، تفوق بكثير كفاءة أنواع التجفيف القرصية المختلفة.

مع ذلك، توجد بعض العيوب في التجفيف بالمخروط المزدوج. أولاً، المخروط المزدوج مناسب فقط للتجفيف المتقطع.

بسبب استخدام موانع التسرب الميكانيكية الاحتكاكية، يستحيل تجنب تآكلها ودخول الشوائب إليها أثناء عملية التجفيف. عند حدوث تسرب للهواء، تُسحب الشوائب المتآكلة إلى داخل المخروط المزدوج وتختلط بالمنتج المراد تجفيفه. إذا كان المنتج دواءً، فسيتلوث، مما يحول الدواء الجيد إلى دواء فاسد ويضر بصحة الناس.

المخروط المزدوج هو مجفف تسخين ذو غلاف. إذا اعتبرنا المخروط المزدوج كرة، فعند تكبير مجفف المخروط المزدوج، تتمدد مساحة التسخين F (متر مربع) طرديًا مع مربع قطر الكرة D (ملم)، بينما يتمدد حجم الكرة V (متر مكعب) طرديًا مع مكعب قطرها D (ملم). لذلك، عندما يتمدد المخروط المزدوج من قطر صغير إلى قطر كبير، تكون مساحة التسخين أقل بكثير من تمدد حجمه.

نتيجةً لذلك، تصبح نسبة مساحة التسخين للمخروط المزدوج F(rfl) إلى حجمه V(m) غير متوازنة مع تمدد القطر D (iTlm)، مما يؤدي إلى أن تكون قيمة F/V للمخروط المزدوج صغير الحجم أكبر بكثير من قيمتها في المخروط المزدوج كبير الحجم. على سبيل المثال، تبلغ قيمة F/V لمخروط مزدوج قطره 5 أمتار حوالي نصف قيمة F/V لمخروط مزدوج قطره 0.3 متر، أي حوالي 3.6 متر/متر، وعندما يتمدد حجم المخروط المزدوج إلى 10 أمتار، تنخفض قيمة F/V إلى 2.5 متر/متر.

كما يوحي الاسم، فإن معدات التجفيف الفراغي ذات المخروط المزدوج تستخدم للتسخين والتجفيف، وينبغي أن تنعكس وظيفتها الرئيسية في كفاءة التسخين والتجفيف أو حجم منطقة التبادل الحراري.

بالمقارنة، يُعدّ حجمها ذا أهمية ثانوية. ولكن في الوقت الحالي، تستخدم جميع عينات منتجات مجففات المخروط المزدوج تقريبًا الحجم لتحديد مواصفات المخروط المزدوج. إلى حد ما، يُضلل مصنّعو المخروط المزدوج المستخدمين، سواءً عن قصد أو غير قصد، لأن العديد منهم لا يدركون وجود تغيير منتظم في نسبة F/V عند حدوث التكبير ثنائي المخروط.

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن كفاءة التجفيف في المجففات ثنائية المخروط، سواءً كانت كبيرة أو صغيرة، متقاربة. فكثيراً ما نشتري مجففاً ثنائي المخروط كبير الحجم، ثم نجد أن كفاءته في التجفيف أقل بكثير من كفاءة المجفف ثنائي المخروط صغير الحجم الذي تم اختباره في المصنع. ولأن كفاءة التجفيف قد تضاعفت، إلا أنها لا تفي بالإنتاج المطلوب، مما يستدعي شراء مجفف ثنائي المخروط كبير الحجم آخر.

لم يقتصر الأمر على زيادة الاستثمار وزيادة مساحة الأرض المخصصة للمصنع، بل أدى أيضًا إلى تأخير خطة الإنتاج.

تكون درجة حرارة تجفيف العديد من المنتجات الحساسة للحرارة أقل من 100 درجة مئوية، ولا تزال العديد من هذه المنتجات قيد التجفيف. يُستخدم الماء الساخن بدرجة حرارة 100 درجة مئوية كمصدر للحرارة، لذا يلزم توفير مرافق مساعدة مثل خزان الماء الساخن ومضخة الماء الساخن وأنابيب الماء الساخن. يتطلب تسخين الماء الساخن بالحرارة المحسوسة وجود فرق في درجة الحرارة بين المدخل والمخرج، مما يقلل بشكل طبيعي من فرق درجة الحرارة مقارنةً بالتسخين بالحرارة الكامنة للبخار، وهو أمر غير مناسب للتسخين بدرجة حرارة منخفضة مع حساسية عالية للحرارة.

إن معامل انتقال الحرارة لتسخين الماء الساخن أقل بكثير من معامل انتقال الحرارة لتسخين البخار المشبع، كما أن هيكل تسخين الماء الساخن ذي الغلاف أكثر تعقيدًا من هيكل تسخين البخار، الأمر الذي لا يزيد من الاستثمار في المعدات فحسب، بل إنه غير مواتٍ للإدارة أيضًا.

بسبب الخلط والتدوير المستمر للمواد الجافة في المخروط المزدوج، قد تتشكل حبيبات بأحجام مختلفة بسهولة في بعض المنتجات ذات البلورات الدقيقة والمحتوى المائي العالي، مثل الريبوفلافين والأسيتيلسبيراميسين وغيرها، أثناء عملية الخلط. وبمجرد تشكل هذه الحبيبات، يصعب تجفيفها تمامًا.

من حيث المبدأ، لا تصلح المخاريط المزدوجة للمواد التي تحتوي على حبيبات في عملية التجفيف.

المخروط المزدوج هو مجفف ديناميكي يدور باستمرار بواسطة غلاية تسخين (غلاف تسخين). يتميز المخروط المزدوج التقليدي ذو القطر الكبير ببطانة سميكة وجدار خارجي سميك للغلاف.

يُصنع الخزان الداخلي للمخروط عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ، بينما يُصنع الجدار الخارجي للغلاف من الفولاذ الكربوني. يبلغ قطر المخروط المزدوج الكبير (2-10 أمتار) 1600-2600 ملم، ويتراوح سمك جدار الخزان الداخلي بين 8 و14 ملم، بينما يكون سمك الجدار الخارجي للغلاف أكبر. وكما هو معروف، فإن المقاومة الحرارية للفولاذ المقاوم للصدأ تفوق مقاومة الفولاذ الكربوني بخمسة أضعاف. لا يُساعد استخدام بطانة سميكة من الفولاذ المقاوم للصدأ على نقل الحرارة داخل المخروط، مما يُقلل من كفاءة التسخين والتجفيف للمخروط المزدوج. وبطبيعة الحال، فإن تشغيل بطانة سميكة يزيد من قدرة محرك التشغيل.

الغلاف الخارجي للمخروط المزدوج أكثر سمكًا ووزنًا، مما يزيد من استهلاك الطاقة لمحرك التشغيل. يعمل المخروط المزدوج لآلاف الساعات سنويًا، لذا فإن كيفية التعامل الأمثل مع تشغيله طويل الأمد لتوفير الطاقة وتقليل الاستهلاك تُعدّ من أهمّ العوامل التي تُسهم في عصر جديد من ترشيد الطاقة في جميع أنحاء العالم. إنّ هيكل المعدات وموادها، التي أُهملت في السابق، تستحقّ دراسة ومناقشة معمّقة.

تستند المناقشة التالية إلى المخاريط المزدوجة بدون متطلبات ممارسات التصنيع الجيدة (GMP).

2. تكبير المخروط المزدوج

مع تطور المنتجات الكيميائية الدقيقة، تزداد الحاجة إلى مخروط مزدوج ذي كفاءة محسنة وحجم كبير.

إن المخروط المزدوج التقليدي كبير الحجم، وشكله الضخم لا يتناسب مع سطح التسخين الذي يحتويه، فمساحة التسخين لمخروط مزدوج بطول 5 أمتار تبلغ 18 مترًا فقط، وقيمة F/V تبلغ 3.6 متر/متر، بينما انخفضت قيمة F/V لمخروط مزدوج بطول 10 أمتار إلى 2.5 متر/متر، وليس من المبالغة وصف المخروط المزدوج بأنه قوي من الخارج وجاف من الداخل.

يشير توسيع مجفف الفراغ ذي المخروط المزدوج بطبيعة الحال إلى توسيع مساحة التبادل الحراري. ولحسن الحظ، توجد مساحة كبيرة داخل المخروط يمكن استغلالها، ويكمن السر في كيفية الاستفادة المثلى من هذه المساحة.

مع مراعاة سهولة تنظيف المعدات، كلما كان سطح عنصر التبادل الحراري أبسط، كان ذلك أفضل. تم اختيار صفيحة تسخين مجوفة رقيقة من نوع c,Di، والتي تلبي المتطلبات المزدوجة للسطح الأملس وسهولة التنظيف والحجم الصغير. على سبيل المثال، في المخروط المزدوج الذي يبلغ قطره 10 أمتار، يمكن تركيب صفيحة تسخين داخلية رقيقة في المساحة الكبيرة للمخروط على طول اتجاه تدفق المواد، مما يتيح مساحة للتنظيف والصيانة اللازمة، مثل الحفاظ على مسافة تتراوح بين 110 و160 ملم بين صفيحتي التسخين الداخليتين. بشكل عام، يمكن زيادة مساحة صفيحة التسخين الداخلية من 1.5 إلى 3 أضعاف مساحة تسخين المخروط الأصلية، بحيث يمكن زيادة قيمتي F وV للمخروط المزدوج إلى 0.2 متر.

قيمة مماثلة تبلغ 9.0 م/م للمخروط المزدوج الصغير. وبالتحديد، يقل سمك لوحة التسخين الداخلية عن ثلث سمك المخروط، وتتضاعف مساحة التسخين، وتنخفض المقاومة الحرارية بشكل كبير، مما يجعل كفاءة التجفيف للمخروط المزدوج المُكبَّر أعلى بمرتين إلى ثلاث مرات من كفاءة المخروط المزدوج التقليدي. يوضح الشكل 1 التركيب الداخلي للمخروط المزدوج بطول 10 م بعد تركيب لوحة التسخين الداخلية.

يوضح الشكل 1، 10 م.

يبلغ قطر المخروط 2600. وعلى جانبي قناة الصيانة التي يبلغ عرضها 600 مم، توجد 7 صفائح تسخين داخلية من #1 إلى ≠7، أي 14 صفيحة إجمالاً. تبلغ المساحة الإجمالية للوحة التسخين الداخلية F = 56 م²، وسُمكها 40 مم، وحجمها الإجمالي V = 2.2 م³، والمسافة بين مركزي لوحتي التسخين الداخليتين d = 200 مم، والفجوة الفعلية بينهما 160 مم. مساحة التسخين لغلاف المخروط معروفة F = 29.6 م²، لذا فإن المساحة الإجمالية للتسخين لمخروطين مزدوجين بطول 10 م² هي F = 85.6 م²، وحجم المخروط معروف V = 12.1 م³، والحجم الفعلي للمخروط بعد طرح مساحة لوحة التسخين الداخلية هو V = 9.9 م³. من خلال ذلك، يُعرف أن قيمة F/V للمخروط المزدوج الجديد تصل إلى 8.6 م²/م²، وهي قريبة جدًا من قيمة 9.0 م²/م² للمخروط المزدوج الصغير ذي 0.2 م². تبلغ قيمة F/V للمخروط المزدوج 10 1TI بدون لوحة التسخين الداخلية 2.5 II1 /م، لذا فإن قيمة F/V للمخروط المزدوج 10 1TI بعد إضافة لوحة التسخين الداخلية تزيد بأكثر من 3 أضعاف عن قيمتها بدون إضافة (كما هو موضح في الشكل 2). بزيادة قيمة F/V، يمكن أن تعادل كفاءة التجفيف لمخروط مزدوج جديد واحد كفاءة التجفيف التقليدية لثلاثة أطقم. يوفر المخروط المزدوج حوالي 60 كيلوواط/ساعة من استهلاك الطاقة لكل ساعة تشغيل للمحرك.

3. مقارنة بين توفير الفولاذ المقاوم للصدأ عن طريق إضافة لوحة تسخين داخلية ذات مخروط مزدوج كبير

لنأخذ حجم التشغيل الفعلي 10 أمتار كمثال. الأبعاد الكلية للمخروط المزدوج الذي يبلغ طوله 10 أمتار هي 2600 × 3600 (الارتفاع الكلي). وفقًا للوصف أعلاه، تبلغ مساحة غلاف التسخين للمخروط المزدوج 29.6 بوصة مربعة، وتبلغ المساحة الكلية للوحة التسخين الداخلية 56.1 بوصة مربعة. إذا كان سمك جدار المخروط المزدوج 14 مليمترًا، وسمك جدار لوحة التسخين الداخلية 3 مليمترات، فإن وزن مادة الفولاذ المقاوم للصدأ للمخروط المزدوج يبلغ 3.3 طن، بينما يبلغ وزن مادة الفولاذ المقاوم للصدأ للوحة التسخين الداخلية 1.34 طن.

يتضح أن المخروط المزدوج يحتاج إلى 111.4 كجم من الفولاذ المقاوم للصدأ لكل متر مربع، بينما لا تتجاوز كمية الفولاذ المقاوم للصدأ المطلوبة للوحة التسخين 24 كجم لكل متر مربع. أي أن كمية الفولاذ المقاوم للصدأ المستهلكة لكل متر مربع من مساحة التسخين في المخروط المزدوج متساوية. مساحة التسخين للوحة التسخين الداخلية أكبر بمقدار 4.6 مرة. وبالنظر فقط إلى مساحة التسخين (حوالي IE4) للمخروط المزدوج التقليدي واسع النطاق، واستهلاكه الكبير للفولاذ المقاوم للصدأ، نجد أن المخروط مجوف وفارغ، لذا من الممكن زيادة سمك لوحة التسخين الداخلية، بل من الضروري جدًا زيادة سمكها لتعويض الآثار السلبية لسمك جدار المخروط.

4- تقوية هيكل لوحة التسخين الداخلية

تتطلب صفيحة التسخين الداخلية التقليدية المجوفة والرقيقة تقويةً عن طريق اللحام التوصيلي. ولأن سمك جدارها لا يتجاوز 2-3 مم، يلزم حفر كلا جانبيها. يصعب معالجة الأخاديد على الصفيحة الرقيقة بدقة وفقًا لمواصفات اللحام، خاصةً وأن صفيحة التسخين، وفقًا لمتطلبات التصنيع الجيد للأدوية، تحتاج إلى الصقل والتلميع بعد اللحام، مما يؤدي إلى وجود نقاط ضعف دقيقة في العديد من وصلات اللحام التوصيلي، والتي قد تتسبب في كسر صفيحة التسخين بالكامل نتيجةً للتشققات الموضعية أثناء عمليات الإنتاج اللاحقة.

إن هيكل تقوية اللحام التقليدي للصفائح الرقيقة سهل التسبب في هذا النوع من المخاطر الخفية.

لقد استخلصنا درساً قيماً، واعتمدنا تقنية اللحام غير المتلف المفصلي لتقوية هيكل لوحة التسخين الداخلية الجديدة ذات المخروط المزدوج. وبذلك، لم تعد هناك حاجة لثقب اللوحة الأم ذات الوجهين للوحة التسخين الداخلية، مما يجنبنا عيوب عملية اللحام المثقب. كما يزيل هذا الأسلوب الصعوبة العملية في تصنيع لوحة التسخين الداخلية، الضرورية للتكبير ثنائي المخروط.

5- مشكلة مصدر الحرارة ذي درجة الحرارة المنخفضة (100 درجة مئوية) في المخروط المزدوج

عند استخدام المخروط المزدوج لتجفيف المنتجات الحساسة للحرارة، يعتمد المخروط المزدوج التقليدي على طريقة التسخين بالماء الساخن.

لا يقتصر تسخين الماء الساخن على الحاجة إلى مجموعة كاملة من خزانات الماء الساخن الضخمة، ومضخات الماء الساخن، وأنابيب المياه، بل يتطلب أيضًا، نظرًا للحرارة المحسوسة للماء الساخن، وجود فرق في درجة الحرارة بين المدخل والمخرج، حيث يكون تأثير التسخين والتجفيف الطبيعي عند مخرج الماء الساخن أقل بكثير منه عند مدخله. لذا، يُعدّ فرق درجة الحرارة هذا غير مناسب للتجفيف.

إذا استمر تسخين المخروط المزدوج كبير الحجم بالماء الساخن، سيزداد الحمل الحراري المطلوب بشكل ملحوظ نتيجةً للزيادة الكبيرة في حمل معدات التجفيف، مما يُؤثر سلبًا على كفاءتها. أما إذا استُخدم البخار المشبع كمصدر للحرارة، فبشرط التحكم الدقيق في درجة الحرارة أو الضغط داخل غلاف التسخين للمخروط المزدوج لضمان توافقهما مع المعايير الفيزيائية للبخار المشبع المطلوبة لدرجة حرارة التسخين، يُمكن تكثيف البخار داخل الغلاف في الوقت المناسب وضخ الماء للخارج.

يمكن استخدام بخار الماء المشبع بضغط 0.2 ميجا باسكال مباشرةً كمصدر حرارة لتسخين المخروط المزدوج بدرجة حرارة منخفضة. وبالطبع، فإن المساحة الداخلية لغلاف المخروط المزدوج كبير، ويحتوي الغلاف (خاصةً في لوحة التسخين الداخلية) على كمية كبيرة من الغاز الخامل عند بدء تشغيل السيارة، ويجب تفريغه، وإلا سيؤثر ذلك سلبًا على التشغيل الطبيعي. ثم يُضاف بخار الماء المشبع.

6. بحث حول تقليل سمك جدار المعدات المخروطية المزدوجة واسعة النطاق

يفكر العالم اليوم في ترشيد استهلاك الطاقة وخفض الانبعاثات. فمن الطائرات إلى القطارات والسيارات، تسعى جميعها إلى تقليل سماكة الهياكل.

وكما هو الحال مع الغلاية الكبيرة (الغطاء الحراري) الموجودة في الجزء الخلفي من المخروط المزدوج، يبدو من الضروري إجراء بحوث حول توفير الطاقة، وخفض الانبعاثات، وترشيد استهلاك الفولاذ المقاوم للصدأ، وتحسين كفاءة التسخين والتجفيف. ويجب علينا أيضاً المساهمة في مجال تكنولوجيا التجفيف.

7. الخاتمة

مع التوسع الكبير في إنتاج الصناعات الكيميائية الدقيقة، تزداد الحاجة إلى مجففات فراغية مزدوجة المخروط واسعة النطاق. ولأن تصميم هذه المجففات لم يواكب التطورات الحديثة، فقد تسبب ذلك في العديد من المشاكل في الإنتاج والاستخدام. إن نسبة قيمة الإنتاج إلى استهلاك الطاقة في إنتاجنا الصناعي أعلى بكثير من مثيلاتها في الدول المتقدمة كاليابان، متجاهلين كفاءة العديد من المعدات، وخاصة الاعتقاد الخاطئ بأن السعر لا يعتمد على كفاءة التكلفة، بل على وزن المعدات. ولعل مجففات الفراغ مزدوجة المخروط مثال نموذجي على ذلك.