Características e desvantagens do equipamento de secagem a vácuo de duplo cone

1 Visão geral

O secador a vácuo de duplo cone (doravante denominado de duplo cone) é um secador dinâmico de aquecimento indireto a vácuo com longa história, sendo um equipamento de secagem com baixo consumo de energia. Sua principal característica é o acionamento do cone de vácuo em 360° por um mecanismo de acionamento. A rotação promove a mistura dos materiais dentro do cone e o aquecimento por contato com a superfície de aquecimento do mesmo. A mistura contínua dos materiais proporciona um efeito de autolimpeza na superfície de aquecimento. A diferença de temperatura também é muito benéfica para a secagem em baixa temperatura de muitos materiais sensíveis ao calor.

O secador de duplo cone opera a vácuo, sem a intervenção de outros gases inertes, o que é extremamente favorável à evaporação e secagem de materiais contendo diversos solventes orgânicos, bem como à recuperação desses solventes com alta taxa de recuperação. O formato estrutural do duplo cone facilita a descarga limpa e rápida do material seco, uma vantagem operacional incomparável a qualquer outro tipo de secador.

O cone duplo é adequado para secar diversos materiais soltos sem paredes pegajosas. Como o filtro de gases de exaustão está instalado no tubo de sucção a vácuo dentro do cone, a perda de pó do produto arrastado pelos gases de exaustão é reduzida, e o rendimento da secagem é alto.

O sistema permite alimentação e descarga em um único processo fechado, evitando poluição operacional, bem como a dispersão de poeira e a consequente poluição ambiental durante a descarga. A eficiência da secagem dinâmica de duplo cone é muito superior à de diversos secadores de disco.

No entanto, a secagem com cone duplo também apresenta algumas desvantagens. Em primeiro lugar, o cone duplo é adequado apenas para secagem intermitente.

Devido ao uso de selos mecânicos de vácuo por fricção, é impossível evitar o desgaste e a entrada de corpos estranhos no selo durante a fricção a seco. Uma vez que ocorra um vazamento de vácuo, o desgaste e os corpos estranhos presentes no selo serão aspirados para dentro do cone duplo e se misturarão com o produto em processo de secagem. Se o produto for um medicamento, este será contaminado, tornando um medicamento eficaz ineficaz e prejudicando a saúde das pessoas.

O cone duplo é um secador de aquecimento com camisa. Se considerarmos o cone duplo como uma esfera, quando o secador de cone duplo é ampliado, sua área de aquecimento F (m²) se expande em proporção direta ao quadrado do diâmetro da esfera D (mm), enquanto o volume V (m³) da esfera se expande proporcionalmente ao cubo do diâmetro D (mm) da esfera. Portanto, quando o cone duplo se expande de um diâmetro pequeno para um diâmetro grande, sua área de aquecimento é muito menor do que sua expansão de volume.

Como resultado, a relação entre a área de aquecimento do bicone F(rfl) e o volume do bicone V(m) fica desequilibrada com a expansão do diâmetro D(iTlm), resultando em um valor de F/V para o bicone de pequeno porte muito maior do que o valor de F/V para o bicone de grande porte. Por exemplo, o valor de F/V de um cone duplo de 5 m é cerca de metade menor do que o de um cone duplo de 0,3 m, aproximadamente 3,6 m/m, e quando o volume do cone duplo se expande para 10 m, seu valor de F/V diminui para 2,5 m/m.

Como o próprio nome sugere, o equipamento de secagem a vácuo de cone duplo é utilizado para aquecimento e secagem, e sua principal função deve ser refletida na eficiência de aquecimento e secagem ou no tamanho da área de troca de calor.

Relativamente falando, seu volume é de importância secundária. Mas, atualmente, quase todas as amostras de produtos de secadores de cone duplo utilizam o volume para identificar as especificações dos cones duplos. Em certa medida, os fabricantes de cones duplos estão induzindo os usuários ao erro, intencionalmente ou não. Isso porque muitos usuários não percebem que há uma variação regular na relação F/V quando ocorre a ampliação bicônica.

Existe um equívoco comum de que secadores bicones de grande e pequeno volume possuem eficiências de secagem semelhantes. Muitas vezes, ao adquirir um secador bicone de grande porte, constata-se que sua eficiência de secagem é muito inferior à obtida em testes com um secador bicone de pequeno porte na fábrica. Como a eficiência de secagem dobrou e não atende à demanda desejada, torna-se necessário adquirir outro secador bicone de grande porte.

Isso não apenas aumentou o investimento e a área da fábrica, mas também atrasou o plano de produção.

A temperatura de secagem de muitos produtos sensíveis ao calor é inferior a 100 °C, e muitos desses produtos ainda são secos com água quente a 100 °C como fonte de calor, o que exige instalações auxiliares como reservatório de água quente, bomba de água quente e tubulação de água quente. O aquecimento por calor sensível da água quente requer uma diferença de temperatura entre a entrada e a saída, o que naturalmente reduz a diferença de temperatura em comparação com o aquecimento por calor latente do vapor, sendo muito desfavorável para aquecimento a baixas temperaturas com alta sensibilidade ao calor.

O coeficiente de transferência de calor do aquecimento por água quente é muito menor do que o do aquecimento por vapor saturado, e a estrutura do sistema de aquecimento por água quente com camisa também é mais complexa do que a do aquecimento por vapor, o que não só aumenta o investimento em equipamentos, como também não é favorável à gestão.

Devido à mistura e rotação contínuas do material seco no cone duplo, alguns produtos com cristais finos e alto teor de água, como riboflavina, acetilspiramicina e outros, podem facilmente formar grânulos de tamanhos variados durante o processo de mistura. Uma vez formados os grânulos, é difícil obter uma secagem completa.

Em princípio, os cones duplos não são adequados para materiais que apresentam grânulos durante o processo de secagem.

O secador de duplo cone é um secador dinâmico que gira constantemente com uma caldeira de aquecimento (camisa de aquecimento). O revestimento do cone tradicional de duplo cone em grande escala (grande diâmetro) e a espessura da parede externa da camisa são espessos e pesados.

O tanque interno do cone é geralmente feito de aço inoxidável, enquanto a parede externa da camisa é feita de aço carbono. O diâmetro do cone duplo grande (2-10 m) é de 1.600-2.600 mm, a espessura da parede do tanque interno do cone é de 8-14 mm, e a espessura da parede externa da camisa é maior. Como sabemos, a resistência térmica do aço inoxidável é 5 vezes maior que a do aço carbono. Um revestimento espesso de aço inoxidável não favorece a transferência de calor do cone, o que reduz a eficiência de aquecimento e secagem do cone duplo. Acionar um revestimento pesado naturalmente aumenta a potência do motor de acionamento.

A camada externa do cone duplo é mais espessa e pesada, o que aumenta o consumo de energia do motor de acionamento. O cone duplo funciona por milhares de horas por ano, portanto, como lidar corretamente com o funcionamento prolongado do cone duplo para economizar energia e reduzir o consumo é uma área de pesquisa ativa e crescente na nova era da conservação de energia em todo o mundo. Considerando a estrutura e os materiais do equipamento, aspectos que foram negligenciados no passado, merece um estudo e discussão aprofundados.

A discussão a seguir baseia-se em cones duplos sem requisitos de BPF (Boas Práticas de Fabricação).

2. Ampliação do bicone

Com o desenvolvimento de produtos químicos finos, há uma necessidade crescente de um cone duplo com eficiência aprimorada e tamanho maior.

Um forno duplo de grande escala tradicional, com seu formato enorme, não é proporcional à superfície de aquecimento que contém. A área de aquecimento de um forno duplo de 5 m é de apenas 18 m², e o valor F/V é de 3,6 m/m, enquanto o valor F/V de um forno duplo de 10 m cai ainda mais para 2,5 m/m. Não é exagero descrever o forno duplo como robusto na parte externa e seco no meio.

O aumento da capacidade do secador a vácuo de duplo cone implica, naturalmente, no aumento da área de troca de calor. Felizmente, existe um amplo espaço no cone que pode ser aproveitado, e a chave está em como utilizá-lo da melhor forma.

Considerando a limpeza do equipamento, quanto mais simples a superfície do elemento de troca de calor, melhor. A placa de aquecimento fina e oca c,Di~ foi selecionada, atendendo aos requisitos duplos de superfície lisa, facilidade de limpeza e compacidade. Tomando como exemplo o cone duplo de 10 m, uma placa de aquecimento interna fina pode ser instalada no amplo espaço do cone, alinhada à direção do fluxo do material, deixando espaço para limpeza e manutenção necessárias. Por exemplo, mantendo uma distância de 110 a 160 mm entre as placas de aquecimento internas, geralmente a área da placa de aquecimento interna pode ser aumentada de 1,5 a 3 vezes em relação à área de aquecimento original do cone, permitindo que os valores de F e V do cone duplo sejam aumentados para 0,2 m.

Um valor semelhante de 9,0 m/m foi obtido para o pequeno cone duplo. Em particular, a espessura da placa de aquecimento interna é inferior a um terço da espessura do cone, e a área de aquecimento é duplicada, reduzindo significativamente a resistência térmica. Assim, a eficiência de secagem do cone duplo ampliado é de 2 a 3 vezes superior à do cone duplo tradicional. A estrutura interna do cone duplo de 10 m após a instalação da placa de aquecimento interna é mostrada na Figura 1.

Conforme ilustrado na Figura 1, 10 m.

O diâmetro do cone é de 2.600. Em ambos os lados do canal de manutenção com uma largura de 600 mm, existem 7 placas de aquecimento internas de # l a ≠}7, 14 no total. A área total da placa de aquecimento interna é F = 56 m², e a espessura da placa de aquecimento interna é de 40 mm, o volume total da placa de aquecimento interna é V = 2,2 m³, a distância entre os centros das duas placas de aquecimento internas é d = 200 mm, o vão real entre as duas placas de aquecimento internas é de 160 mm, e a área de aquecimento da camisa do cone é conhecida como F = 29,6 m², portanto, a área total de aquecimento dos cones duplos de 10 m é F = 85,6 m², o volume do cone é conhecido como V = 12,1 m³, o volume real do cone após deduzir a placa de aquecimento interna é V = 9,9 m³, por meio disso, sabe-se que o valor F/V do novo bicone atinge 8,6 m/m, que é muito próximo dos 9,0 m/m do pequeno bicone de 0,2 polegadas. O valor F/V do cone duplo 10 1TI sem a placa de aquecimento interna é de 2,5 II1/m, portanto, após a adição da placa de aquecimento interna, o valor F/V do cone duplo 10 1TI é mais de 3 vezes maior do que sem a adição (conforme mostrado na Figura 2). Se o valor F/V for aumentado, a eficiência de secagem de um novo cone duplo pode ser igual à eficiência de secagem tradicional de três conjuntos. Com o cone duplo, o motor de acionamento pode economizar cerca de 60 kW/h de consumo de energia por hora.

3. Comparação da economia de aço inoxidável com a adição de uma placa de aquecimento interna com cone duplo grande.

Ainda tomando como exemplo um volume operacional real de 10 m³, as dimensões totais do cone duplo de 10 m são 2600 x 3600 mm (altura total). De acordo com a descrição acima, a área da camisa de aquecimento do cone duplo é F = 29,6 pol², e a área total da placa de aquecimento interna é F = 56 pol². Se a espessura da parede do cone duplo for de 14 milímetros e a espessura da parede da placa de aquecimento interna for de 3 mm, então o material de aço inoxidável do cone duplo pesa 3,3 toneladas, enquanto o material de aço inoxidável da placa de aquecimento interna pesa 1,34 toneladas.

Pode-se observar que o cone duplo necessita de 111,4 kg de aço inoxidável por metro quadrado, enquanto a quantidade de aço inoxidável necessária para a placa de aquecimento por metro quadrado é de apenas 24 kg. Ou seja, a quantidade de aço inoxidável consumida por metro quadrado da área de aquecimento do cone duplo é 4,6 vezes maior do que a área de aquecimento da placa de aquecimento interna. Considerando apenas a área de aquecimento (~ IE4) do cone duplo tradicional de grande escala existente, e o alto consumo de aço inoxidável, o cone é oco e sem espaço suficiente. Portanto, é possível aumentar a placa de aquecimento interna, mas também é imprescindível aumentá-la para compensar os efeitos negativos da espessura da parede do cone.

4. Reforço estrutural da placa de aquecimento interna

A placa de aquecimento interna convencional, oca e fina, precisa ser reforçada por soldagem por pontos. Como a espessura da parede da placa de aquecimento interna é de apenas 2 a 3 mm, ambos os lados da placa oca precisam ser perfurados. É difícil processar o sulco na placa fina de acordo com as especificações de soldagem, especialmente porque a placa de aquecimento exigida pelas Boas Práticas de Fabricação (BPF) farmacêuticas precisa ser retificada e polida após a soldagem. Consequentemente, existem pequenos pontos fracos em muitas juntas de solda por pontos, o que pode causar a quebra repentina de toda a placa de aquecimento devido a fissuras localizadas em operações de produção futuras.

A estrutura tradicional de reforço por soldagem de plugues em chapas finas é propensa a deixar esse tipo de perigo oculto.

Aprendemos uma lição valiosa e adotamos a tecnologia de reforço por soldagem não destrutiva articulada na nova estrutura de reforço da placa de aquecimento interna de duplo cone. Não há necessidade de perfurar a placa-mãe de dupla face da placa de aquecimento interna, evitando assim as desvantagens causadas pela operação de soldagem com plugue perfurado. Elimina-se a dificuldade prática de processamento da placa de aquecimento interna, necessária para a ampliação bicônica.

5. Problema da fonte de calor de baixa temperatura (100 °C) do cone duplo

Quando o secador de cone duplo é usado para secar produtos sensíveis ao calor, o método tradicional de aquecimento com água quente é adotado.

O aquecimento de água quente não só exige um conjunto completo de reservatórios de água quente, bombas de água quente e tubulações, como também, devido ao calor sensível da água quente, deve haver uma diferença de temperatura entre a entrada e a saída. Além disso, o efeito natural de aquecimento e secagem na saída da água quente é muito menor do que na entrada. Essa diferença de temperatura no aquecimento de água quente é extremamente desfavorável para a secagem.

Se o secador de duplo cone em grande escala ainda for aquecido com água quente, a carga térmica necessária aumentará significativamente devido ao aumento substancial da carga do equipamento de secagem. Isso acarreta diversas desvantagens para a eficiência do equipamento. No entanto, se o vapor saturado for usado como fonte de calor, desde que a temperatura ou a pressão na camisa de aquecimento do secador de duplo cone sejam rigorosamente controladas para garantir que atendam aos parâmetros físicos do vapor saturado exigidos pela temperatura de aquecimento, assegura-se que o vapor na camisa possa ser condensado a tempo e a água bombeada para fora.

O vapor de água saturado a 0,2 MPa pode ser usado diretamente como fonte de calor para o aquecimento a baixa temperatura do duplo cone. Naturalmente, o espaço interno da camisa do duplo cone de grande escala é amplo, e há uma grande quantidade de gás inerte na camisa (especialmente na placa de aquecimento interna) quando o motor é ligado, o qual deve ser expelido, caso contrário, afetará seriamente o funcionamento normal. Em seguida, adiciona-se vapor de água saturado.

6. Pesquisa sobre a redução da espessura da parede de equipamentos de duplo cone de grande escala

O mundo atual está pensando em economia de energia e redução de emissões. De aviões a trens e carros, todos estão tentando reduzir a espessura de sua estrutura.

Reminiscente de uma grande caldeira (camisa de aquecimento) na parte traseira do cone duplo, parece que também é necessário conduzir pesquisas sobre economia de energia, redução de emissões, economia de aço inoxidável e melhoria da eficiência de aquecimento e secagem. Devemos também dar nossa contribuição no campo da tecnologia de secagem.

7 Conclusão

Com a produção em larga escala na indústria química fina, muitos secadores a vácuo de duplo cone de grande porte são necessários. Como a estrutura de duplo cone em grande escala não acompanhou a evolução tecnológica, surgiram diversos problemas de produção e utilização. A relação entre o valor da produção e o consumo de energia em nossa produção industrial é muito maior do que em países desenvolvidos como o Japão, ignorando a eficiência de muitos equipamentos, especialmente devido à ideia equivocada de que o preço não se baseia no custo-benefício do equipamento, mas sim no seu peso. O equipamento de secagem a vácuo de duplo cone é provavelmente um exemplo típico nesse sentido.