Характеристики и недостатки двухконусного вакуумного сушильного оборудования

1. Обзор

Двухконусная вакуумная сушилка (далее именуемая двухконусной) — это вакуумная динамическая сушилка с косвенным нагревом, имеющая долгую историю и являющаяся энергосберегающим сушильным оборудованием. Ее особенность заключается в том, что вакуумный конус вращается на 360 градусов с помощью приводного механизма. Вращение способствует перемешиванию материалов внутри конуса и контактному нагреву с нагревательной поверхностью конуса. Непрерывное перемешивание материалов оказывает самоочищающий эффект на нагревательную поверхность. Разница температур также очень полезна для низкотемпературной сушки многих термочувствительных материалов.

Двухконусная сушилка работает в вакууме без участия других инертных газов, что очень благоприятно для испарения и сушки материалов, содержащих различные органические растворители, а также для регенерации растворителей с высокой степенью извлечения. Конструктивная форма двухконусной сушилки способствует чистой и быстрой выгрузке сухого материала, что является эксплуатационным преимуществом, недостижимым для любого другого типа сушилок.

Двухконусная сушилка подходит для сушки различных сыпучих материалов без липких стенок. Благодаря установке фильтра отходящих газов на вакуумной всасывающей трубе внутри конуса, снижаются потери пыли, уносимой отходящими газами, и повышается выход готовой продукции.

Она позволяет осуществлять подачу и выгрузку в закрытом режиме одновременно, избегая загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации, а также предотвращая разлетание пыли и загрязнение окружающей среды во время разгрузки. Эффективность динамической сушки с двойным конусом значительно выше, чем у различных дисковых сушилок.

Однако у двухконусной сушки есть и некоторые недостатки. Во-первых, двухконусная сушка подходит только для периодической сушки.

Из-за использования механических вакуумных уплотнений, работающих за счет трения, невозможно избежать износа и попадания посторонних частиц в уплотнение при сухом трении. При возникновении вакуумной утечки изношенные частицы и посторонние вещества в уплотнении должны быть втянуты в двойной конус и смешаны с высушиваемым продуктом. Если продуктом является лекарственное средство, оно будет загрязнено, в результате чего хорошее лекарство может стать плохим и нанести вред здоровью людей.

Двойной конус представляет собой сушилку с рубашкой нагрева. Если рассматривать двойной конус как сферу, то при увеличении его площади нагрева F (м²) она будет увеличиваться прямо пропорционально квадрату диаметра сферы D (мм), в то время как объем V (м³) сферы будет увеличиваться пропорционально кубу диаметра D (мм). Следовательно, при увеличении диаметра двойного конуса до большого его площади нагрева будет значительно меньше, чем объемное расширение.

В результате отношение площади нагрева биконуса F(rfl) к объему биконуса V(m) выходит из равновесия при расширении диаметра D (iTlm), в результате чего значение F/V для биконуса малого размера оказывается значительно больше, чем значение F/V для биконуса большого размера. Например, значение F/V для двойного конуса диаметром 5 м примерно вдвое меньше, чем для двойного конуса диаметром 0,3 м, около 3,6 м/м, а когда объем двойного конуса увеличивается до 10 м³, его значение F/V уменьшается до 2,5 м/м.

Как следует из названия, вакуумная сушильная установка с двойным конусом используется для нагрева и сушки, и ее основная функция должна отражаться в эффективности нагрева и сушки или в размере площади теплообмена.

Относительно говоря, его объем имеет второстепенное значение. Но в настоящее время почти во всех образцах продукции двухконусных сушилок объем используется для обозначения характеристик двухконусных сушилок. В определенной степени производители двухконусных сушилок вводят пользователей в заблуждение, намеренно или непреднамеренно. Потому что многие пользователи не понимают, что при биконическом увеличении происходит закономерное изменение отношения F/V.

Распространено заблуждение, что двухконусные сушилки большого и малого объема имеют одинаковую эффективность сушки. Часто, купив двухконусную сушилку большого объема, обнаруживают, что ее эффективность сушки значительно ниже, чем эффективность, полученная в ходе испытаний двухконусных сушилок малого размера на заводе. Поскольку эффективность сушки удваивается и не соответствует требуемому объему, возникает необходимость в приобретении еще одной двухконусной сушилки большого объема.

Это не только увеличило инвестиции и площадь производственных земель, но и задержало реализацию производственного плана.

Температура сушки многих термочувствительных продуктов ниже 100 °C, и многие из них по-прежнему сушатся горячей водой температурой 100 °C, поэтому необходимо оборудовать систему вспомогательными средствами, такими как водонагревательный бак, водонасос и водопровод. Для нагрева горячей воды с использованием скрытой теплоты необходима разница температур между входом и выходом, что, естественно, уменьшает разницу температур по сравнению с нагревом паром с использованием скрытой теплоты, что крайне неблагоприятно для низкотемпературного нагрева с высокой термочувствительностью.

Коэффициент теплопередачи при нагреве горячей водой значительно ниже, чем при нагреве насыщенным паром, а конструкция системы отопления с рубашкой охлаждения горячей водой также сложнее, чем у парового отопления, что не только увеличивает инвестиции в оборудование, но и затрудняет управление.

Из-за непрерывного перемешивания и вращения сухого материала в двойном конусе некоторые продукты с мелкими кристаллами и высоким содержанием воды, такие как рибофлавин, ацетилспирамицин и другие, легко образуют гранулы различного размера в процессе перемешивания. После образования гранул добиться полной сушки становится сложно.

В принципе, двойные конусы не подходят для материалов, содержащих гранулы в процессе сушки.

Двухконусная сушилка представляет собой динамическую сушилку, которая постоянно вращается вместе с нагревательным котлом (нагревательной рубашкой). Традиционная двухконусная сушилка имеет большой диаметр и отличается высокой толщиной стенки наружной оболочки.

Внутренний резервуар конуса обычно изготавливается из нержавеющей стали, а наружная стенка рубашки – из углеродистой стали. Диаметр большого двойного конуса (2-10 м) составляет 1600-2600 мм, толщина стенки внутреннего резервуара конуса – 8-14 мм, а толщина наружной стенки рубашки – больше. Как известно, тепловое сопротивление нержавеющей стали в 5 раз выше, чем у углеродистой стали. Толстая футеровка из нержавеющей стали не способствует теплопередаче конуса, что снижает эффективность нагрева и сушки двойного конуса. Привод тяжелой футеровки, естественно, увеличивает мощность приводного двигателя.

Внешняя оболочка двухконусного ротора толще и тяжелее, что увеличивает энергопотребление приводного двигателя. Двухконусный ротор работает тысячи часов в год, поэтому вопрос о том, как правильно обеспечить его длительную эксплуатацию для экономии энергии и снижения энергопотребления, активно обсуждается и исследуется во всем мире в рамках новой эры энергосбережения. Для более глубокого изучения и обсуждения конструкции и материалов оборудования, которые ранее оставались без должного внимания, стоит рассмотреть эти аспекты.

Приведенное ниже обсуждение основано на использовании двойных конусов без требований GMP.

2. Увеличение биконуса

В связи с развитием производства высококачественной химической продукции возрастает потребность в двухконусных распылителях с повышенной эффективностью и большими габаритами.

Традиционный крупномасштабный двухконусный обогреватель имеет огромные размеры, не соответствующие занимаемой им площади нагрева: площадь нагрева 5-метрового двухконусного обогревателя составляет всего 18 м², а коэффициент заполнения (F/V) равен 3,6 м/м, в то время как у 10-метрового двухконусного обогревателя этот показатель еще больше снижается до 2,5 м/м. Не будет преувеличением сказать, что такой обогреватель отличается высокой прочностью снаружи и низкой прочностью в середине.

Увеличение размеров двухконусной вакуумной сушилки, естественно, подразумевает увеличение площади теплообмена. К счастью, в конусе имеется огромное пространство, которое можно использовать, и ключевым моментом является то, как эффективно его использовать.

С учетом очистки оборудования, чем проще поверхность теплообменного элемента, тем лучше. Выбрана тонкая полая нагревательная пластина c,Di~, которая отвечает двойным требованиям: гладкая поверхность, легкость очистки и компактность. В качестве примера рассмотрим двойной конус диаметром 10 м. Тонкая внутренняя нагревательная пластина может быть установлена ​​в большом пространстве конуса вдоль направления потока материала, оставляя место для очистки и необходимого обслуживания, например, при расстоянии между внутренними нагревательными пластинами 110-160 мм. Как правило, увеличение площади внутренней нагревательной пластины может быть в 1,5-3 раза больше, чем исходная площадь нагрева конуса, так что значения F и V двойного конуса могут быть увеличены до 0,2 м.

Аналогичное значение 9,0 м/м наблюдается и для малого двухконусного устройства. В частности, толщина внутренней нагревательной пластины составляет менее одной трети толщины конуса, площадь нагрева удваивается, а термическое сопротивление значительно снижается, благодаря чему эффективность сушки увеличенного двухконусного устройства более чем в 2-3 раза выше, чем у традиционного двухконусного устройства. Внутренняя структура 10-метрового двухконусного устройства после установки внутренней нагревательной пластины показана на рисунке 1.

На рисунке 1 показано расстояние 10 м.

Диаметр конуса составляет 2600 мм. По обеим сторонам канала обслуживания шириной 600 мм расположены 7 внутренних нагревательных пластин от № 1 до ≠7, всего 14. Общая площадь внутренней нагревательной пластины составляет F = 56 м², толщина внутренней нагревательной пластины — 40 мм, общий объем внутренней нагревательной пластины V = 2,2 м³, расстояние между центрами двух внутренних нагревательных пластин d = 200 мм, фактический зазор между двумя внутренними нагревательными пластинами — 160 мм, а площадь нагрева оболочки конуса известна как F = 29,6 м², поэтому общая площадь нагрева 10 м² двойных конусов составляет F = 85,6 м², объем конуса известен как V = 12,1 м³, фактический объем конуса после вычета внутренней нагревательной пластины составляет V = 9,9 м³, из чего следует, что значение F/V для нового биконуса достигает 8,6 м/м, что очень близко к значению 9,0 1Т/м² для небольшого биконуса размером 0,2 м. Значение F/V для 10 1TI двухконусной сушилки без внутренней нагревательной пластины составляет 2,5 II1/м, поэтому после добавления внутренней нагревательной пластины значение F/V для 10 1TI более чем в 3 раза выше, чем без нее (как показано на рисунке 2). Если значение F/V увеличить, эффективность сушки одной новой двухконусной сушилки может быть равна эффективности традиционной сушки трех комплектов. Приводной двигатель двухконусной сушилки в час позволяет сэкономить около 60 кВт/ч электроэнергии.

3. Сравнение экономии нержавеющей стали за счет добавления внутренней нагревательной пластины с большим двойным конусом.

Рассмотрим в качестве примера 10 м³ (фактический рабочий объем). Габаритные размеры 10-метрового двухконусного нагревателя составляют 2600 x 3600 мм (общая высота). Согласно приведенному выше описанию, площадь нагревательной рубашки двухконусного нагревателя составляет F = 29,6 дюймов², а общая площадь внутренней нагревательной пластины — F = 56 1TI. Если толщина стенки двухконусного нагревателя составляет 14 миллиметров, а толщина стенки внутренней нагревательной пластины — 3 мм, то вес нержавеющей стали двухконусного нагревателя составляет 3-3 т, а вес нержавеющей стали внутренней нагревательной пластины — 1,34 т.

Видно, что для двойного конуса требуется 111,4 кг нержавеющей стали на квадратный метр, в то время как количество нержавеющей стали, необходимое для нагревательной пластины на квадратный метр, составляет всего 24 кг, то есть количество нержавеющей стали, потребляемой на квадратный метр нагревательной площади двойного конуса, одинаково. При этом площадь нагрева внутренней нагревательной пластины в 4,6 раза больше. Если рассматривать только площадь нагрева ~ IE4 существующих крупномасштабных традиционных двойных конусов и потребление большого количества нержавеющей стали, то конус получается полым и пустым, поэтому увеличение внутренней нагревательной пластины возможно, но также крайне необходимо для компенсации негативного влияния толщины стенок конуса.

4. Усиление конструкции внутренней нагревательной пластины.

Обычная полая и тонкая внутренняя нагревательная пластина требует усиления методом точечной сварки. Поскольку толщина стенки внутренней нагревательной пластины составляет всего 2-3 мм, обе стороны полой нагревательной пластины необходимо просверлить. Обработка канавок на тонкой пластине в строгом соответствии со спецификацией сварки затруднительна, особенно учитывая, что нагревательная пластина, требуемая фармацевтической надлежащей производственной практикой (GMP), должна быть отшлифована и отполирована после сварки. Поэтому в многочисленных местах точечного пайки образуются мелкие слабые звенья, которые в дальнейшем могут привести к внезапному разрушению всей нагревательной пластины из-за локальных трещин при пескоструйной обработке.

Традиционная конструкция усиления из тонких пластин, сваренных встык, легко создает подобную скрытую опасность.

Мы глубоко усвоили урок и применили технологию усиления с помощью шарнирной неразрушающей сварки в новой конструкции усиления внутренней нагревательной пластины с двойным конусом. Это исключает необходимость пробивки отверстий на двухсторонней материнской плате внутренней нагревательной пластины, что позволяет избежать недостатков, связанных с перфорированной сваркой. Устраняет практические трудности обработки внутренней нагревательной пластины, необходимые для биконического увеличения.

5. Проблема источника тепла при низкой температуре (100°C) в двойном конусе.

При использовании двухконусной сушилки для термочувствительных изделий в традиционной двухконусной сушилке применяется метод нагрева горячей водой.

Нагрев горячей воды требует не только целого комплекса громоздких водонагревательных баков, насосов и трубопроводов, но и, из-за теплоты горячей воды, неизбежно возникает разница температур между входом и выходом, а естественный нагрев и эффект сушки на выходе горячей воды значительно ниже, чем на входе. Разница температур при нагреве горячей воды крайне неблагоприятна для сушки.

Если крупномасштабная двухконусная сушилка по-прежнему нагревается горячей водой, то требуемая тепловая нагрузка также значительно возрастет из-за существенного увеличения нагрузки на сушильное оборудование. Это приведет к множеству недостатков в эффективности сушильного оборудования. Однако, если в качестве источника тепла используется насыщенный пар, то при условии строгого контроля температуры или давления в двухконусной нагревательной рубашке, обеспечивающего соответствие температуры или давления физическим параметрам насыщенного пара, необходимым для нагрева, гарантируется своевременная конденсация пара в рубашке и откачка воды.

Насыщенный водяной пар под давлением 0,2 МПа может быть непосредственно использован в качестве источника тепла для низкотемпературного нагрева двухконусного теплообменника. Конечно, внутреннее пространство крупномасштабной двухконусной оболочки велико, и в оболочке (особенно во внутренней нагревательной пластине) в момент запуска автомобиля скапливается много инертного газа, который необходимо удалить, иначе это серьезно повлияет на нормальную работу. Затем следует добавить насыщенный водяной пар.

6. Исследования по уменьшению толщины стенок крупномасштабного двухконусного оборудования.

Сегодняшний мир думает об энергосбережении и сокращении выбросов. От самолетов до поездов и автомобилей — все стремятся уменьшить толщину своих конструкций.

Напоминая большой котел (нагревательную рубашку) на задней части двойного конуса, представляется необходимым проводить исследования в области энергосбережения, сокращения выбросов, экономии нержавеющей стали и повышения эффективности нагрева и сушки. Мы также должны внести свой вклад в область технологий сушки.

7. Заключение

В связи с крупномасштабным производством в химической промышленности возникает потребность во множестве крупномасштабных двухконусных вакуумных сушилок. Поскольку конструкция таких сушилок не соответствует современным требованиям, это создает множество проблем в производстве и эксплуатации. Соотношение себестоимости продукции и энергопотребления в нашей промышленности значительно выше, чем в развитых странах, таких как Япония, что приводит к игнорированию эффективности многих видов оборудования, особенно из-за распространенного заблуждения, что цена определяется не соотношением затрат и производительности, а весом оборудования. Двухконусные вакуумные сушилки, вероятно, являются типичным примером в этом отношении.