ダブルコーン真空乾燥装置の特徴と欠点

1 概要

ダブルコーン真空乾燥機（以下、ダブルコーン）は、長い歴史を持つ真空間接加熱動態乾燥機であり、省エネ型の乾燥装置です。真空コーンが駆動機構によって360度回転する点が特徴です。回転によりコーン内の材料の混合が促進され、コーンの加熱面との接触加熱が促進されます。材料の連続混合は加熱面のセルフクリーニング効果をもたらします。また、温度差は多くの熱に弱い材料の低温乾燥にも非常に有効です。

ダブルコーンは他の不活性ガスを介さずに真空下で運転するため、様々な有機溶剤を含む材料の蒸発・乾燥、そして高い溶剤回収率による溶剤回収に非常に効果的です。ダブルコーンの構造形状は、乾燥材料をクリーンかつ迅速に排出するのに非常に役立ち、これは他のどのタイプの乾燥機にも匹敵しない操作上の利点です。

ダブルコーンは、壁面の粘着性がなく、様々なばら積み材料の乾燥に適しています。コーン内部の真空吸引管に排気ガスフィルターが設置されているため、排気ガスに混入する製品粉塵の損失が少なく、乾燥収率が高くなります。

密閉状態での供給と排出を一度に行うことができるため、作業汚染を回避でき、排出時の粉塵飛散による環境汚染も回避できます。ダブルコーン式動乾燥の効率は、各種ディスク式乾燥よりもはるかに高くなります。

しかし、ダブルコーン乾燥にはいくつかの欠点もあります。まず、ダブルコーンは断続乾燥にしか適していません。

摩擦式機械式真空シールを使用しているため、乾燥摩擦時のシールの摩耗や異物混入は避けられません。真空漏れが発生すると、シールの摩耗や異物はダブルコーンに吸い込まれ、乾燥中の製品に混入します。製品が医薬品の場合、汚染され、良質な医薬品が悪質な医薬品に変質し、人々の医薬品に悪影響を及ぼします。

ダブルコーンはジャケット付き加熱乾燥機です。ダブルコーンを球体と見なすと、ダブルコーン乾燥機を拡大すると、加熱面積F(m)は球体の直径D(mm)の2乗に正比例して拡大し、球体の体積V(m)は球体の直径D(mm)の3乗に比例して拡大します。したがって、ダブルコーンが小さい直径から大きい直径に拡大した場合、加熱面積は体積の拡大よりもはるかに小さくなります。

その結果、双円錐加熱面積F(rfl)と双円錐体積V(m)の比が直径D(iTlm)の拡大に伴って不均衡となり、小型双円錐のF/V値が大型双円錐のF/V値よりも大幅に大きくなる。例えば、5mの双円錐のF/V値は0.3mの双円錐の約半分の3.6m/mとなり、双円錐の体積が10mに拡大すると、F/V値は2.5m/mまで減少する。

名前の通り、ダブルコーン真空乾燥装置は加熱と乾燥に使用され、その主な機能は加熱乾燥効率や熱交換面積の大きさに反映されます。

相対的に言えば、容積は二次的な重要性しか持ちません。しかし現在、ダブルコーンドライヤーの製品サンプルのほとんど全てにおいて、ダブルコーンの仕様を示すために容積が使用されています。ダブルコーンメーカーは、ある程度、意図的か否かに関わらず、ユーザーに誤解を与えています。なぜなら、多くのユーザーは、バイコニカル拡大時にF/Vが規則的に変化することに気付いていないからです。

大型のダブルコーンと小型のダブルコーンの乾燥効率はほぼ同じだと誤解されていることがよくあります。大型のダブルコーンを購入した後、乾燥工場で小型ダブルコーンのテスト運転で得られた乾燥効率よりもはるかに低い乾燥効率に気づくことがよくあります。乾燥効率が倍になり、目標の生産量を満たせないため、別の大型ダブルコーンを購入する必要があります。

投資額が増加し工場用地も拡大しただけでなく、生産計画も遅れました。

多くの感熱製品の乾燥温度は100℃未満であり、多くの感熱製品は依然として乾燥中です<100℃の温水を熱源として使用するため、温水タンク、温水ポンプ、温水配管などの補助設備を備える必要があります。温水の顕熱加熱は、入口と出口の間に温度差が必要であり、蒸気潜熱加熱に比べて自然に温度差が小さくなります。これは、感熱性の高い低温加熱には非常に不利です。

温水暖房の熱伝達率は飽和蒸気暖房に比べてはるかに低く、ジャケット式温水暖房の構造も蒸気暖房に比べて複雑であるため、設備投資が増加するだけでなく、管理にも不利です。

乾燥材料はダブルコーン内で連続的に混合・回転するため、リボフラビン、アセチルスピラマイシンなど、微細結晶で水分含有量の高い製品では、混合工程中に容易に様々なサイズのペレットが形成されます。ペレットが形成されると、完全な乾燥は困難です。

原則として、ダブルコーンは乾燥工程でペレットを含む材料には適していません。

ダブルコーンは、加熱ボイラー（加熱ジャケット）を備えた常時回転する動圧式乾燥機です。従来のダブルコーンは、大型（大口径）のコーンライナーとジャケット外壁の肉厚が厚く、重量が重くなります。

コーンの内槽は一般的にステンレス鋼で作られ、ジャケットの外壁は炭素鋼で作られています。大型のダブルコーン（2〜10m）の直径は1,600〜2,600mm、コーンの内槽の壁の厚さは8〜14mm、ジャケットの外壁の壁厚はさらに厚くなっています。ご存知のように、ステンレス鋼の耐熱性は炭素鋼の5倍です。厚いステンレス鋼ライナーはコーンの熱伝達を妨げ、ダブルコーンの加熱・乾燥効率を低下させます。重いライナーを駆動すると、当然のことながら駆動モーターの出力が増加します。

ダブルコーンの外被は厚く重いため、駆動モーターのエネルギー消費量が増加します。ダブルコーンは年間数千時間稼働するため、ダブルコーンの長期運転を適切に処理してエネルギーを節約し、消費量を削減する方法は、省エネ新時代において世界中で積極的に研究されています。これまで軽視されてきた機器構造や機器材料については、深く研究し、議論する価値があります。

以下の説明は、GMP 要件のないダブルコーンに基づいています。

2 双円錐の拡大

ファインケミカル製品の発展に伴い、効率が向上し、サイズが大きいダブルコーンのニーズが高まっています。

伝統的な大型ダブルコーンは、その巨大なボディ形状が内蔵する加熱面積に見合っておらず、5mのダブルコーンの加熱面積はわずか18m、F/V値は3.6m/mです。一方、10mのダブルコーンのF/V値は2.5m/mまでさらに低下し、外側が強く、中央が乾燥していると言っても過言ではありません。

ダブルコーン真空乾燥機の大型化は、当然のことながら熱交換面積の拡大を意味します。幸いなことに、コーン内には利用可能な広大な空間があり、この空間をいかに有効活用するかが鍵となります。

設備の清掃を考慮すると、熱交換素子の表面はシンプルであるほど良いため、滑らかな表面、清掃の容易さ、コンパクトさという2つの要件を満たす薄い中空c,Di~加熱プレートが選択されます。 10 mのダブルコーンを例にとると、材料の流れ方向に沿って巨大なコーンスペースに薄い内側加熱プレートを設置し、内側加熱プレート間の距離を110〜160 mmに保つなど、清掃と必要なメンテナンスのための余地を残します。 一般的に、内側加熱プレートの面積を増やすと、元のコーン加熱面積の1.5〜3倍になり、ダブルコーンのF値とV値を0.2 mに増やすことができます。

小型双円錐の場合も同様の9.0m/mの値を示した。特に、内側加熱板の厚さは円錐の厚さの3分の1未満であり、加熱面積が2倍になり、熱抵抗が大幅に減少するため、拡大された双円錐の乾燥効率は従来の双円錐の2～3倍以上となる。内側加熱板設置後の10m双円錐の内部構造を図1に示す。

図1の10mに示されています。

コーンの直径は2,600mmです。幅600mmのメンテナンスチャネルの両側には、#1から#7までの7枚の内側加熱プレートがあり、合計14枚あります。内側加熱プレートの総面積は F=56 m 、内側加熱プレートの厚さは 40 mm、内側加熱プレートの総体積は V=2.2 m 、2 つの内側加熱プレートの中心間の距離 d=200 mm、2 つの内側加熱プレートの実際の隙間は 160 mm、コーン ジャケットの加熱面積は F= 29.6 m であることがわかっているので、10 m のダブルコーンの総加熱面積は F=85.6 m 、コーンの体積は V=12.1 m であることがわかっており、内側加熱プレートを差し引いたコーンの実際の体積は V=9.9 m です。これにより、新しいバイコーンの F/V 値は 8.6 m/m に達し、これは 0.2 in の小型バイコーンの 9.0 1TI/m に非常に近いことがわかります。内熱板なしの10 1TIダブルコーンのF/V値は2.5 II1 /mであるため、内熱板を追加した後の10 1TIでは、ダブルコーンのF/V値は追加しない場合の3倍以上になります（図2を参照）。F/V値を向上させると、新しいダブルコーン1台の乾燥効率は、従来のダブルコーン3台分の乾燥効率に匹敵する可能性があります。ダブルコーンでは、駆動モーター1台あたり約60 kW/hの消費電力を節約できます。

3 大型ダブルコーン付き内部加熱プレートの追加によるステンレス鋼の節約の比較

10m（実稼働容積）を例に挙げると、10mのダブルコーンの全体寸法は2600×3600（全高）です。上記の説明によると、ダブルコーンの加熱ジャケット面積はF=29.6インチ、内部加熱プレートの総面積はF=56 1TIです。ダブルコーンの壁厚を14mm、内部加熱プレートの壁厚を3mmとすると、ダブルコーンのステンレス鋼材の重量は3.3t、内部加熱プレートのステンレス鋼材の重量は1.34tとなります。

ダブルコーンは1平方メートルあたり111.4kgのステンレス鋼が必要であることがわかりますが、加熱プレートに必要なステンレス鋼の量は1平方メートルあたりわずか24kgです。つまり、ダブルコーンの加熱面積1平方メートルあたりのステンレス鋼の消費量は同じです。内側の加熱プレートの加熱面積は4.6倍です。既存の大型の伝統的なダブルコーンの加熱面積〜IE4と大量のステンレス鋼の消費だけを考えると、コーンは中が空洞になっているため、内部の加熱プレートを増やすことができますが、コーンの壁の厚さのマイナス影響を相殺するために、内部の加熱プレートを増やすことも非常に重要です。

4 内部加熱プレートの構造強化

従来の中空で薄い内加熱板は、プラグ溶接による補強が必要です。内加熱板の壁厚はわずか2～3mmであるため、中空加熱板の両面に穴あけ加工が必要です。薄板の溝を溶接仕様に厳密に従って加工することは困難です。特に医薬品GMPで要求される加熱板は、溶接後に研磨する必要があるため、プラグ溶接接合部に微細な弱点が多く存在し、将来の生産工程で局所的な亀裂が発生し、突発的に加熱板全体が破損する可能性があります。

従来の薄板プラグ溶接補強構造では、このような潜在的な危険が残りやすいです。

私たちは深い教訓を得て、新型の双円錐型内熱板補強構造にヒンジ式非破壊溶接強化技術を採用しました。内熱板の両面マザーボードに穴を開ける必要がなくなり、穴あきプラグ溶接作業によるデメリットを回避しました。双円錐型拡大に必要な内熱板加工の実際的な困難さを解消しました。

5 二重円錐の低温（100℃）熱源問題

熱に敏感な製品を乾燥させるためにダブルコーンを使用する場合、従来のダブルコーンでは温水加熱方式を採用しています。

温水加熱は、面倒な温水タンク、温水ポンプ、配管などの設備を必要とするだけでなく、温水の顕熱により入口と出口の間に温度差が生じ、温水出口における自然加熱・乾燥効果は温水入口における効果よりもはるかに低くなります。温水加熱の温度差は乾燥にとって非常に不利です。

大型ダブルコーンを温水加熱のままにしておくと、乾燥装置の負荷が大幅に増加するため、必要な熱負荷も大幅に増加し、乾燥装置の効率に多くのデメリットをもたらします。しかし、飽和蒸気を熱源として使用する場合、ダブルコーン加熱ジャケット内の温度または圧力を厳密に制御し、加熱温度に必要な飽和蒸気の物理的パラメータを満たすようにすれば、ジャケット内の蒸気を適時に凝縮して排出することができます。

0.2MPaの飽和水蒸気は、ダブルコーンの低温加熱の熱源として直接利用できます。もちろん、大型ダブルコーンジャケット内の空間は広く、始動直後はジャケット内（特に内部加熱板内）に大量の不活性ガスが存在するため、これを排出する必要があります。そうしないと、正常な動作に重大な影響を及ぼします。その後、飽和水蒸気を注入します。

6. 大型ダブルコーン装置の薄肉化に関する研究

今日の世界は省エネと排出量削減に取り組んでいます。飛行機から電車、自動車に至るまで、あらゆるものが構造物の薄型化に取り組んでいます。

ダブルコーンの背面に大型ボイラー（加熱ジャケット）を連想させるこの構造は、省エネ、排出ガス削減、ステンレス鋼の節約、加熱・乾燥効率の向上といった研究も必要だと思われます。乾燥技術の分野でも貢献していく必要があります。

7 結論

ファインケミカル産業の大規模生産に伴い、多くの大型ダブルコーン真空乾燥機が必要とされています。しかし、大型ダブルコーン構造は時代の変化に対応できず、生産・使用に多くの問題をもたらしています。我が国の工業生産における生産高とエネルギー消費量の比率は、日本などの先進国よりもはるかに高く、多くの設備の効率性を無視しています。特に、価格は設備のコストパフォーマンスではなく、重量に基づいているという誤解が蔓延しています。この点において、ダブルコーン真空乾燥装置はまさにその典型と言えるでしょう。