Какие варианты температурирования (нагрев/охлаждение) доступны в вертикальных одновальных смесителях?
Вертикальные одновальные смесители могут оснащаться косвенным термостатированием для задач нагрева и охлаждения. Варианты варьируются от простой рубашки ёмкости до полного термостатирования смесительного вала и мешательных инструментов. Какое решение подходит, зависит не только от желаемой температуры продукта или требуемой мощности нагрева либо охлаждения. Решающее значение имеют также состояние продукта, теплопроводность, степень наполнения, вязкость, возможные фазовые переходы, продолжительность смешивания, гигиенические требования, а также возможный режим работы под вакуумом или давлением.
В закрытых смесителях теплопередача, как правило, происходит косвенно. Теплоноситель остаётся отделённым от продукта и передаёт тепло смешиваемому продукту через стенку ёмкости или термостатируемые встроенные элементы, либо отбирает у него тепло. Движение при смешивании при этом непрерывно обновляет слой продукта на теплопередающих поверхностях и тем самым улучшает теплопередачу. Этот принцип особенно подходит для чувствительных, токсичных, содержащих растворители, пылящих или гигиенически требовательных продуктов.
Стандартным исполнением является двойная рубашка на цилиндрическом смесительном пространстве и при необходимости на коническом или сводчатом днище. В рубашке циркулирует теплоноситель или хладоноситель. Для задач нагрева применяются тёплая вода, горячая вода, пар или термомасло. Тёплая и горячая вода подходят для умеренных температурных диапазонов и хорошо регулируемых процессов. Пар обеспечивает высокие тепловые потоки и короткое время нагрева, но требует соответствующего расчёта на давление, отвода конденсата и рассмотрения вопросов безопасности. Термомаслу отдают предпочтение, если требуются более высокие температуры или широкий температурный диапазон. Для задач охлаждения обычно используются охлаждающая вода, смеси гликоля с водой или рассол. При температурах ниже точки замерзания воды может потребоваться специально рассчитанная холодильная установка.
Рубашка ёмкости может выполняться как обычная двойная рубашка, канальная рубашка, полутрубный змеевик или подушечная (панельная) рубашка. Какая конструкция подходит, зависит от допустимого давления теплоносителя, требуемой тепловой мощности, температурного диапазона, геометрии ёмкости и механического расчёта. Полутрубные змеевики подходят, например, для высоких давлений со стороны теплоносителя. Канальные или подушечные рубашки могут обеспечивать целенаправленное течение потока. Однако мощность теплопередачи определяется не только конструкцией рубашки. Существенное значение имеют также теплоноситель, скорость потока, разность температур, склонность к загрязнению, движение продукта и время контакта смешиваемого продукта со стенкой ёмкости.
Рубашки ёмкости часто бывает достаточно, если продукт хорошо циркулирует, достаточна умеренная скорость нагрева или охлаждения и не требуется соблюдение очень узких температурных допусков. Однако для плохо теплопроводных, высоковязких, пастообразных или сильно изолирующих продуктов одной только поверхности рубашки может быть недостаточно. В таких случаях может быть целесообразно дополнительно термостатировать смесительный вал и мешательные инструменты.
Термостатируемый смесительный вал выполняется полым и через него протекает теплоноситель или хладоноситель. Мешательные рычаги, спиральные инструменты или ленточные шнеки также могут выполняться полыми и термостатируемыми. Благодаря этому подвод или отвод тепла происходит не только через стенку ёмкости, но и дополнительно внутри продукта. Активная поверхность теплопередачи увеличивается, а длинные пути теплопередачи через сыпучий продукт сокращаются. Это может быть особенно выгодно при вакуумной контактной сушке, для пастообразных или кристаллизующихся продуктов, для вязкопластичных промежуточных фаз, а также для реакций с высоким тепловыделением или узкими температурными требованиями.
Снабжение термостатируемых смесительных валов и инструментов осуществляется через подходящие вращающиеся вводы. Они должны рассчитываться под теплоноситель, давление, температуру, частоту вращения, требования к герметичности и потребность в обслуживании. При использовании пара, термомасла или криогенных сред особенно важны выбор материала, термическое расширение, нагрузка на уплотнения и аспекты безопасности. Термостатируемые внутренние инструменты улучшают теплопередачу, но одновременно повышают техническую сложность, затраты на очистку и инвестиционные затраты. Поэтому их применение следует определять исходя из фактической потребности в мощности теплопередачи и на основании испытаний с продуктом.
Дополнительные поверхности термостатирования могут быть целесообразны при особых требованиях процесса. Термостатируемая крышка может, например, предотвращать конденсацию паров на холодной поверхности крышки, падение капель обратно в продукт или образование локального налипания. Необходимость обогреваемой крышки зависит прежде всего от температуры продукта, давления пара, уровня вакуума, геометрии крышки и отвода брюдена. Также могут термостатироваться выпускные органы, продуктовые патрубки, фильтры, дозирующие копья или другие встроенные элементы. Это особенно актуально для плавящихся или затвердевающих связующих, жиросодержащих рецептур, кристаллизующихся сред и вязких добавляемых жидкостей. Цель состоит в том, чтобы избежать критических холодных участков и удерживать вязкость или текучесть в требуемом диапазоне.
Электрические нагреватели рубашки, нагревательные ленты или нагревательные маты являются альтернативой, если требуется лишь умеренная мощность нагрева или установка должна работать независимо от центрального контура теплоносителя. Они подходят для чисто нагревательных задач, но не обеспечивают прямую функцию охлаждения. При высоких мощностях, высоких температурах или быстрых изменениях температуры контуры термостатирования на воде, паре или термомасле часто лучше регулируются и являются более экономичными.
Вакуум может целесообразно дополнять ведение температуры. При пониженном давлении снижается температура испарения воды или растворителей. В сочетании с обогреваемой рубашкой ёмкости и при необходимости термостатируемыми мешательными инструментами это обеспечивает контактную и вакуумную сушку при сравнительно низкой температуре продукта. Предпосылками являются вакуумпрочный и достаточно герметичный смеситель, подходящие уплотнения вала и крышки, фильтр для брюдена, вакуумная система, а также для продуктов, содержащих растворители, подходящий блок конденсации и рекуперации.
Вакуум снижает температуру кипения, но сам по себе не даёт энергии испарения. Она должна вводиться в продукт через рубашку ёмкости, смесительный вал, мешательные инструменты или другие поверхности теплопередачи. Именно для порошков, которые плохо проводят тепло и содержат много захваченного воздуха, сочетание хорошей циркуляции продукта и достаточно больших термостатируемых поверхностей имеет решающее значение для эффективной сушки.
Для точного регулирования температуры используются точки измерения температуры в продукте, а также в подающей и обратной линиях теплоносителя. Для критических процессов могут быть целесообразны дополнительные датчики на валу, крышке, фильтре или выпускном органе. Каскадное регулирование может управлять температурой продукта через температуру или массовый поток теплоносителя или хладоносителя. Для экзотермических реакций или термически чувствительных продуктов частью концепции процесса являются температурные пределы, функции сигнализации и определённая реакция безопасности на отказ охлаждения, мешалки или энергоснабжения.
Так amixon® решает эту задачу
Какие варианты термостатирования, то есть нагрева и охлаждения, доступны в вертикальных одновальных смесителях, у amixon® зависит от концепции аппарата и процесса. Возможности варьируются от термостатируемой двойной рубашки до полного термостатирования всех контактирующих с продуктом смесительных и функциональных элементов. Благодаря этому ведение температуры может осуществляться не как последующий шаг, а как интегрированная функция процесса непосредственно во время смешивания, реагирования, кондиционирования или сушки.
Смесители amixon® по желанию могут оснащаться двойной рубашкой для нагрева, охлаждения и при необходимости вакуумной сушки. Это касается, например, одновального смесителя EM, чья двойная рубашка может использоваться для задач термостатирования и вакуумной сушки, а также вертикальных одновальных смесителей серии VM с обогреваемыми и охлаждаемыми поверхностями рубашки. У смесителей-сушилок-реакторов VMT и AMT объём термостатирования можно значительно расширить: помимо рубашки ёмкости, могут термостатироваться также смесительный вал, мешательные инструменты с рычагами и спиралью, люки, выпускные органы и фильтр брюдена. Благодаря этому большая поверхность теплообмена доступна не только на стенке ёмкости, но и непосредственно в перемещаемом объёме продукта.
В качестве теплоносителя могут применяться вода, пар или термомасло. Одной и той же системой термостатирования можно решать задачи как нагрева, так и охлаждения, если соответствующее снабжение средой рассчитано надлежащим образом. Какая среда применяется, определяется требуемым температурным диапазоном, желаемой скоростью нагрева или охлаждения, доступной инфраструктурой, а также требованиями конкретного продукта и процесса. Если вода для многих умеренных задач термостатирования представляет собой хорошо регулируемое решение, то пар подходит для высоких тепловых потоков и быстрого нагрева. Термомасло может быть выгодным, если требуются высокие температуры или широкие температурные диапазоны.
Именно для порошковых сыпучих продуктов теплоперенос часто является ограничивающим фактором. Порошки сравнительно плохо проводят тепло, часто содержат воздух и без достаточного перемешивания образуют изолирующие слои продукта на теплопередающих поверхностях. amixon® решает эту задачу за счёт сочетания больших удельных поверхностей теплообмена и интенсивной циркуляции продукта. Тотальное течение SinConvex® непрерывно подводит свежий продукт к рубашке, валу и мешательным инструментам. Благодаря этому теплопередача и массообмен могут быстро происходить даже в крупных аппаратах. Этот принцип применяется, например, в конусных реакторах объёмом 30 м³ для переработки крахмала, поверхности которых выполнены полностью термостатируемыми.
Типичными случаями применения являются поддержание жиров выше точки плавления для обеспечения бескомкового введения и контролируемой переработки жировых расплавов. Другими применениями являются охлаждение реактивных систем, ведение определённых температурных профилей для кристаллизации или кондиционирования, а также ускорение вакуумной сушки при низкой температуре продукта. При вакуумной сушке сниженное давление снижает температуру испарения; необходимая энергия испарения вводится в продукт через термостатируемые поверхности. Крупноплощадное термостатирование рубашки и мешалки при этом поддерживает короткое и воспроизводимое время сушки.
Температурные и временные профили можно задавать в виде программы смешивания в ПЛК. Благодаря этому процессы можно вести воспроизводимо от партии к партии и адаптировать под различные рецептуры. Динамику температуры продукта и крутящего момента можно дополнительно использовать для распознавания изменений состояния продукта и более надёжного определения конечных точек процесса, например при сушке, кондиционировании, агломерации или введении расплавов.
Поскольку каждый аппарат amixon® рассчитывается как индивидуальное изделие под заказчика на основе технического задания (User Requirement Specification, URS), объём термостатирования, поверхности теплообмена, подключаемая мощность, подвод сред и регулирование определяются под конкретный проект. Существующие установки в рамках модернизации и дооснащения могут быть технически усовершенствованы, если это позволяют конструкция, расчёт на давление, доступное пространство для встраивания и снабжение средами. Температурное поведение конкретного продукта можно предварительно проверить в испытательном центре amixon® в пределах предусмотренного диапазона температуры и давления, что позволяет реалистично оценить теплопередачу, поведение при смешивании, продолжительность сушки и возможные критические состояния продукта.
Для регулируемых производственных сред установки amixon® могут выполняться квалифицируемыми и документированными. Компания при этом поддерживает фазы квалификации DQ, IQ и OQ; исполнение и документация могут ориентироваться на такие требования, как EU-GMP и FDA 21 CFR Part 11. В зависимости от проекта также могут учитываться соответствующие требования и стандарты, такие как EHEDG, гигиенические директивы FDA, 3-A Sanitary Standards, USDA, GMP, ATEX и ASME. Таким образом, функция термостатирования рассматривается не изолированно, а интегрируется во всю концепцию валидации, безопасности и процесса установки.
amixon® разрабатывает и производит свои аппараты на заводе в Падерборне с высокой глубиной производства и сквозным контролем качества. Конструирование под заказ на основе соответствующего технического задания (URS) позволяет точно согласовывать термостатирование, геометрию аппарата, поверхности, уплотнения, материалы, точки измерения и автоматизацию с производственной задачей. Такой уровень собственного производства одновременно поддерживает долгосрочное снабжение запасными частями и возможность дооснащения, поскольку компоненты и спецификации документируются и остаются прослеживаемыми на протяжении длительного срока эксплуатации.