Подбор вакуумного насоса и конденсатора для вакуумных сушилок: практическое инженерное руководство

Подбирайте вакуумную систему вакуумной сушилки по трём числам: паровой нагрузке, которую нужно отвести (кг воды или растворителя в час), абсолютному давлению, которое нужно поддерживать, и величине натекания сосуда. Конденсатор удаляет большую часть пара, конденсируя его; насос удаляет неконденсируемый газ (натекание воздуха) и пар, который конденсатор не уловил. Тип насоса выбирайте по растворителю, а конденсатор всегда рассчитывайте на давление пара растворителя при доступной температуре хладагента.

Краткий контекст: сушилка настолько хороша, насколько хороша её вакуумная система

Поверхность нагрева вакуумной сушилки определяет, как быстро тепло поступает в продукт. Вакуумная система определяет, сможет ли пар уйти. Если пар уходит недостаточно быстро, давление в сосуде растёт, вместе с ним растёт температура кипения, и сушка замедляется. У многих плохо работающих сушилок поверхность нагрева в порядке, а вакуумная система слишком мала или хладагент конденсатора слишком тёплый.

В этом руководстве объясняется, как подбирать систему. Оно продолжает статьи температура кипения воды в вакууме, где дана связь давления и температуры, и оборудование для вакуумной сушки: как выбрать по материалу, где рассмотрен выбор сушилки.

Схема вакуумной системы

Стандартная система вакуумной сушилки состоит из следующих элементов, расположенных в таком порядке:

1. 1.Сосуд сушилки: здесь происходит испарение.
2. 2.Пылевой фильтр или сепаратор: защищает трубопровод и насос от унесённого порошка.
3. 3.Конденсатор: охлаждает пар, чтобы он сконденсировался в жидкость.
4. 4.Приёмник конденсата: собирает воду или растворитель для слива или рекуперации.
5. 5.Вакуумный насос: удаляет неконденсируемый газ и остаточный пар.
6. 6.Вакуумный разрыватель и приборы: манометр или датчик давления и клапан для безопасного сброса вакуума.

Конденсатор намеренно стоит между сосудом и насосом. Пар при низком давлении занимает огромный объём, и конденсировать его гораздо дешевле, чем откачивать.

Шаг 1: определить паровую нагрузку

Паровая нагрузка — это масса жидкости, которая должна покидать продукт каждый час. Для сушилки периодического действия это испарение за партию, делённое на время сушки в периоде постоянной скорости, когда нагрузка максимальна.

Испарение за партию = масса влажного минус конечная масса, где конечная масса = сухие вещества, делённые на (1 минус целевая доля влаги).

Например, 600 кг пасты с влажностью 55 процентов, высушенной до 5 процентов, дают 270 кг сухих веществ, конечную массу около 284 кг и 316 кг воды для испарения. Если период постоянной скорости длится 3 часа, пиковая паровая нагрузка составляет около 105 кг/ч.

Размер конденсатора определяет пиковая, а не средняя нагрузка. Насос подбирают по нагрузке неконденсируемых газов плюс остаточному пару.

Шаг 2: выбрать рабочее давление

Задайте абсолютное давление по максимальной температуре продукта, пользуясь таблицей температур кипения. Если продукт может достигать 60 °C, разумная цель — абсолютное давление около 20 кПа. Помните, что в спецификации указывается абсолютное давление; показание манометра зависит от местного атмосферного давления.

Чем ниже давление, тем больше объём пара и тем требовательнее становятся конденсатор и насос. Выбирайте наименьший вакуум, который защищает продукт, а не самый глубокий из доступных.

Шаг 3: подобрать конденсатор

Конденсатор отводит тепло. Мощность равна паровой нагрузке, умноженной на скрытую теплоту парообразования, которая для воды при 60 °C составляет около 2,350 кДж/кг (около 0.65 кВт на кг/ч).

В предыдущем примере 105 кг/ч водяного пара требуют около 105 x 2,350 / 3,600 = около 69 кВт мощности конденсатора.

Затем проверьте три момента:

• Температура хладагента. Пар конденсируется при температуре насыщения для давления в сосуде. При 20 кПа это около 60 °C для воды, поэтому охлаждающая вода с температурой 25–30 °C даёт комфортную разность температур. При 5 кПа водяной пар насыщается при около 33 °C, так что охлаждающая вода 30 °C едва его сконденсирует, и нужна охлаждённая вода.
• Площадь теплообмена. Площадь = мощность / (U x среднелогарифмическая разность температур). Поставщики конденсаторов используют собственные значения U, которые зависят от наличия неконденсируемых газов; попросите их подобрать по вашей мощности, давлению и температуре хладагента.
• Потеря давления. Линия от сосуда до конденсатора должна быть короткой и большого диаметра. При низком давлении малые потери давления вызывают большие потери уровня вакуума у продукта.

Для растворителей используйте скрытую теплоту и кривую насыщения растворителя вместо данных воды. Растворителям с более низкой температурой кипения может потребоваться охлаждаемый конденсатор или вторая холодная ловушка, чтобы они не попали в насос.

Шаг 4: подобрать вакуумный насос

У насоса две задачи:

1. 1.Удалять неконденсируемый газ. Он поступает из воздуха, просачивающегося в сосуд, и из газов, выделяемых продуктом.
2. 2.Удалять пар, который не уловил конденсатор. Это зависит от того, насколько холоден конденсатор относительно температуры насыщения пара.

Обычно при подборе рассчитывают величину натекания и добавляют запас. Натекание зависит от сосуда, уплотнений вала и числа фланцев и клапанов. Распространённый способ количественно оценить негерметичность — испытание на рост давления: изолировать сосуд при рабочем давлении и измерить, как быстро растёт давление. В хорошо изготовленной чистой системе натекание невелико.

Согласуйте с поставщиком предельный рост давления и проверьте его при пусконаладке. Если измеренный рост намного выше согласованного, найдите течь, прежде чем винить насос.

Производительность насоса указывают как объёмный расход при заданном давлении на входе. Насосы теряют производительность при низком давлении на входе, поэтому используйте кривую производительности при вашем рабочем давлении, а не паспортное значение.

Сравнение типов насосов

Выбирайте насос сначала по растворителю, затем по уровню вакуума и в последнюю очередь по стоимости.

Расчётный пример

Цифры иллюстративны, это не данные заказчиков.

Пигментную пасту сушат в вакуумной сушилке с рабочим объёмом 1,200 л. Масса влажного 600 кг при влажности 55 процентов, цель 5 процентов, абсолютное давление 15 кПа (вода кипит при около 54 °C), пиковая паровая нагрузка 105 кг/ч.

1. 1.Мощность конденсатора: около 69 кВт. При 15 кПа водяной пар конденсируется при около 54 °C. Охлаждающая вода на входе 30 °C и на выходе около 38 °C даёт среднелогарифмическую разность температур около 20 °C. При принятом коэффициенте теплопередачи 500 Вт/м²К для конденсатора с некоторым количеством неконденсируемых газов площадь = 69,000 / (500 x 20) = около 6.9 м². Поставщик округлит вверх и добавит запас.
2. 2.Объём пара, если бы всё шло в насос: при 15 кПа один кг водяного пара занимает около 10 м³, так что 105 кг/ч составили бы около 1,050 м³/ч. Это слишком много для насоса, и поэтому конденсатор так важен.
3. 3.Насос: при правильно подобранном конденсаторе насос справляется с натеканием и небольшой долей остаточного пара. Насос в несколько десятков м³/ч при давлении на входе 15 кПа типичен для такого масштаба, и поставщик должен подтвердить это по своей кривой производительности. Для чистого режима без растворителей жидкостно-кольцевой насос — обычный выбор.

Цифры приведены для иллюстрации. Насос и конденсатор должен подбирать поставщик по реальной паровой нагрузке, давлению, хладагенту и растворителю.

Типичные ошибки, которых стоит избегать

1. 1.Подбирать насос под паровую нагрузку. Пар должен обрабатывать конденсатор. Насос обрабатывает остальное.
2. 2.Указывать производительность насоса при атмосферном давлении. Производительность падает при низком давлении на входе.
3. 3.Игнорировать температуру хладагента. Тёплый хладагент может сделать конденсатор бесполезным при глубоком вакууме.
4. 4.Длинные узкие паропроводы. Потеря давления у сосуда выше, чем показывает манометр у насоса.
5. 5.Игнорировать течи. Течи ограничивают достижимый вакуум. Проверьте рост давления при пусконаладке.
6. 6.Использовать неподходящий насос для растворителей. Насосы с масляным уплотнением могут загрязняться, а для горючих растворителей нужно взрывозащищённое оборудование.

Что приложить к запросу коммерческого предложения

• Продукт, растворитель и количество для испарения за партию или в час
• Пиковая скорость испарения, если известна
• Целевое абсолютное давление или максимальная температура продукта
• Доступная температура охлаждающей или охлаждённой воды
• Нужна ли рекуперация растворителя
• Класс взрывоопасной зоны, если есть

Поставка комплектной линией

SINOTHERMO может поставить сушилку комплектной линией: саму сушилку плюс вакуумный насос, конденсатор, приёмник конденсата, пылевой фильтр, нагревательные или охлаждающие установки, трубопроводы и систему управления, согласованные с вашей паровой нагрузкой и уровнем вакуума. Подбор всей системы целиком позволяет избежать распространённой проблемы: хорошая сушилка с недостаточным насосом или слишком тёплым конденсатором. Отправьте нам ваш продукт и задачу — и мы подберём линию для вас.

Испытайте до выбора спецификации

Пилотное испытание измеряет реальные скорости испарения, пенообразование и паровую нагрузку на вашем продукте — исходные данные для подбора вакуумной системы. Запросите пилотное испытание — результаты принадлежат вам и могут использоваться с любым поставщиком. SINOTHERMO производит и продаёт оборудование и не оказывает услуг сушки на давальческих условиях. О стороне сушилки см. технология контактной сушки и страницу технологии вакуумной сушки.

Часто задаваемые вопросы

Как подобрать вакуумный насос для вакуумной сушилки?

Рассчитайте нагрузку неконденсируемых газов по натеканию сосуда и газовыделению продукта, добавьте остаточный несконденсированный пар и выберите насос, который даёт эту производительность при вашем рабочем давлении на входе, с запасом.

Нужен ли конденсатор на вакуумной сушилке?

Почти всегда да. Конденсатор удаляет большую часть пара в виде жидкости, защищает насос и позволяет рекуперировать растворитель.

Какой вакуумный насос лучше всего подходит для вакуумной сушилки?

Это зависит от растворителя и уровня вакуума. Жидкостно-кольцевые насосы подходят для влажного режима на водной основе. Сухие винтовые насосы подходят для растворителей и чистого режима. Пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением подходят для сухого чистого режима после хорошего конденсатора.

Какой уровень вакуума мне нужен?

Используйте наименьший вакуум, который удерживает продукт ниже его максимальной температуры. Таблица температур кипения даёт давление для целевой температуры.

Какая температура охлаждения нужна конденсатору?

Ниже температуры насыщения пара при давлении в сосуде, с запасом. Водяной пар при 5 кПа насыщается при около 33 °C, поэтому для глубокого вакуума нужна охлаждённая вода.

Как проверить наличие течей?

Изолируйте сосуд при рабочем вакууме и измерьте, как быстро растёт давление. Высокая скорость роста указывает на течь.

Предлагает ли SINOTHERMO сушку на давальческих условиях?

Нет. SINOTHERMO производит и продаёт сушильное оборудование и проводит платные пилотные испытания.