Для вакуумных сушилок-смесителей с быстрыми перепадами температуры особенно подходят торцевые уплотнения с опорой на металлический сильфон, а также двойные системы торцевых уплотнений с контролируемой запирающей средой. При высоких требованиях к чистоте или если необходимо исключить попадание запирающей жидкости в продукт, рассматриваются газозапираемые или — при подходящих рабочих условиях — газосмазываемые уплотнения. Однако выбор никогда не должен основываться только на максимальной температуре. Решающее значение имеют весь температурный профиль, уровень вакуума, частота вращения и осевое перемещение смесительного вала, химическая стойкость к продукту, растворителю и моющим средам, требуемая герметичность, потребность в ATEX и инертизации, а также концепция очистки и технического обслуживания.

Динамическое уплотнение вала является самым требовательным местом уплотнения в вакуумной сушилке-смесителе. Оно должно герметизировать вращающийся смесительный вал относительно вакуумного пространства и одновременно воспринимать относительные перемещения между валом, корпусом уплотнения, опорой и сосудом. Если рубашка или смешиваемый материал быстро нагреваются или охлаждаются, эти узлы расширяются с разной интенсивностью и со сдвигом по времени. Вал может удлиняться в осевом направлении, корпус может деформироваться в радиальном направлении, а в зоне уплотнения могут возникать высокие температурные градиенты. Неподходящее уплотнение может из-за этого перекашиваться, терять предварительный натяг, чрезмерно изнашиваться или вызывать утечку.

Для таких применений особенно подходит торцевое уплотнение с металлическим сильфоном. Металлический гофрированный сильфон обеспечивает осевую подвижность и создаёт предварительный натяг поверхностей скольжения. Благодаря этому он может компенсировать тепловое изменение длины вала без необходимости в динамически скользящих эластомерных уплотнительных кольцах на валу. Именно такие динамические эластомерные кольца могут быть проблематичными при сильных перепадах температуры, агрессивных растворителях, налипаниях продукта или отложениях. Они могут набухать, усаживаться, твердеть или быть стеснёнными в движении из-за трения и отложений. Уплотнения с металлическим сильфоном в значительной степени избегают этого риска и поэтому применяются для вакуума, высоких температур, агрессивных химикатов и сильно колеблющихся условий процесса.

Сам металлический сильфон должен быть выполнен из материала, стойкого к соответствующей среде и возникающим перепадам температуры. В зависимости от применения рассматриваются высоколегированные нержавеющие стали или никелевые сплавы. Выбор зависит, среди прочего, от кислот, щелочей, хлоридов, растворителей, температуры, влажности, возможного коррозионного растрескивания под напряжением и ожидаемого числа термических циклов. Не менее важен выбор пар трения скольжения. Пары твёрдых материалов, такие как карбид кремния, карбид вольфрама или углеродные материалы, могут применяться в зависимости от состояния смазки, абразивности, вакуума, температуры и допустимого уровня загрязнения. Универсальной пары материалов не существует, поскольку пригодность сильно зависит от продукта, частоты вращения и рабочих условий.

Для требовательных вакуумных сушилок-смесителей наиболее надёжным комплексным решением часто является двухступенчатое торцевое уплотнение двойного действия. Оно состоит из двух расположенных последовательно ступеней уплотнения с контролируемым промежуточным пространством. Это запирающее пространство может работать с запирающей жидкостью или запирающим газом. Второй уровень уплотнения повышает безопасность процесса, затрудняет попадание окружающего воздуха в вакуумный процесс и ограничивает в случае неисправности возможный выход продукта в окружающую среду. Это особенно важно для токсичных, горючих, сильно пахнущих или ценных продуктов.

В двойном уплотнении с жидкостным запиранием запирающая среда выполняет несколько функций. Она смазывает и охлаждает поверхности скольжения, отводит теплоту трения и может сглаживать колебания температуры в зоне уплотнения. Термосифон или внешний циркуляционный агрегат обеспечивает, чтобы давление, температура, уровень жидкости и при необходимости расход оставались в требуемом диапазоне. Именно при быстрых перепадах температуры контролируемое термостатирование запирающей среды может заметно повышать срок службы уплотнения. Тепловая нагрузка на внутренних поверхностях скольжения снижается, вторичные уплотнительные элементы щадятся, а риск деформаций в зоне уплотнения уменьшается. Двойные уплотнения с опорой на металлический сильфон при этом сочетают способность сильфона к тепловой компенсации с дополнительной функцией безопасности и мониторинга запирающей системы.

Запирающее давление должно соответствовать концепции уплотнения и давлению процесса. При жидкостном запирании с наддувом запирающее давление обычно поддерживается выше давления процесса. При вакуумной эксплуатации при этом особенно важно проверить, может ли при внутренней утечке запирающая жидкость попасть в продукт. В фармацевтических, тонкохимических или высокочистых процессах запирающую среду поэтому необходимо оценивать в рамках анализа containment, очистки и рисков. В зависимости от применения могут использоваться, например, подходящее термомасло, смесь воды с гликолем или фармацевтически допустимая запирающая жидкость. Выбор зависит от того, какие последствия имело бы возможное попадание следов в продукт.

Если попадание запирающей жидкости нежелательно или недопустимо, может быть целесообразным двойное торцевое уплотнение с газовым запиранием. Здесь часто применяется азот в качестве запирающего газа. Поток газа образует определённый барьер между процессом и окружающей средой и может одновременно способствовать инертизации. Это выгодно для продуктов, чувствительных к окислению или влаге, а также для горючих растворителей. Однако при быстрых перепадах температуры подачу газа необходимо регулировать особенно стабильно, поскольку давление и объём газа изменяются при нагреве и охлаждении. Следует контролировать давление запирающего газа, расход, температуру в камере уплотнения и отвод возможных утечек. Работающая всухую система уплотнения сушилки-смесителя с азотным или воздушным барьером может использовать давление в камере уплотнения как индикатор состояния и специально доступна для применений с большими изменениями температуры и термическими расширениями.

Газосмазываемые бесконтактные уплотнения — часто называемые dry gas seals — представляют собой особую форму технологии газового запирания. Специально структурированные поверхности скольжения при подходящем вращении создают тонкую газовую подушку. Поверхности скольжения при нормальной работе тогда практически не соприкасаются. Благодаря этому снижаются трение, износ и теплопередача. Такие системы могут быть привлекательны при очень высоких требованиях к чистоте и подходящих рабочих условиях. Однако они требуют точно изготовленных уплотнительных поверхностей, стабильной подачи газа, надёжного регулирования давления и достаточных рабочих условий. Для медленно вращающихся, создающих высокий крутящий момент смесительных органов подходит не каждое газосмазываемое уплотнение. Конкретную пригодность поэтому нужно оценивать совместно с производителем уплотнения и с учётом состояний пуска, останова и аварийной работы.

Помимо динамического уплотнения вала, все статические соединения должны быть вакуум-плотными. К ним относятся крышки люков-лазов, смотровые двери, смотровые стёкла, фланцы, подключения датчиков, корпуса фильтров, подключения нагревательной рубашки и органы выгрузки. Для этих применений доступны различные уплотнительные материалы. FFKM подходит для очень агрессивных химикатов, высоких температур и требовательных моющих сред. FKM для многих органических растворителей, масел и умеренных или более высоких температур представляет собой широко распространённое и экономичное решение. EPDM особенно подходит для горячей воды, пара и водных моющих сред, но непригоден для многих масел, жиров и неполярных растворителей. PTFE и модифицированный PTFE обладают очень широкой химической стойкостью и низкой реактивностью, однако из-за склонности к холодному течению требуют подходящей конструктивной опоры. Металлические C-кольца, E-кольца или спиральные уплотнения могут быть целесообразны при высоких температурах, больших перепадах давления или особо высоких требованиях к формостабильности, но предъявляют более высокие требования к геометрии фланца, качеству поверхности и усилиям монтажа.

Для статических уплотнений правильная геометрия канавки так же важна, как и материал. Уплотнение должно оставаться достаточно сжатым во всём диапазоне температур, но не должно нагружаться настолько сильно, чтобы повреждаться из-за перепадов температуры, набухания или остаточной деформации. Определённая степень сжатия, подходящая глубина и ширина канавки, чистые поверхности, равномерная затяжка фланцевых соединений и контролируемые моменты затяжки поэтому являются существенными предпосылками для долговременной вакуумной герметичности. При критичных соединениях уплотнения с PTFE-оболочкой и эластичным сердечником или уплотнения с металлической опорой могут сочетать преимущества высокой химической стойкости с дополнительной формостабильностью.

Конструктивная интеграция уплотнения в вакуумную сушилку-смеситель имеет как минимум такое же значение, как и само уплотнение. Зону уплотнения следует по возможности равномерно термостатировать, чтобы вал, корпус уплотнения и фланец не работали при сильно различающихся температурах. Целенаправленное охлаждение или термостатирование корпуса уплотнения может удерживать температуру вторичных уплотнений, подшипников и поверхностей скольжения в допустимом диапазоне. Одновременно конструктивно следует учитывать осевые и радиальные тепловые расширения. Крупные смесительные валы при больших перепадах температуры могут заметно удлиняться. Уплотнения с металлическим сильфоном особенно подходят для этого, поскольку они способны упруго воспринимать осевое перемещение. Один из примеров уплотнения для горизонтальных сушилок и реакторов прямо рассчитан на то, чтобы надёжно удерживать вакуум при больших изменениях температуры и тепловых расширениях.

Надёжная концепция уплотнения также требует непрерывного мониторинга состояния. В системах с жидкостным запиранием следует контролировать как минимум запирающее давление, температуру, уровень заполнения и при необходимости расход. В системах с газовым запиранием актуальны давление газа, расход газа, качество газа и отвод отработанного газа. Дополнительно перепад давления между процессом, запирающим пространством и атмосферой, температура у корпуса уплотнения, температура подшипника, вибрации и крутящий момент привода могут давать важные указания на износ, утечку, налипания продукта или искривление вала. Границы сигнализации, логику отключения, интервалы осмотра и концепцию профилактического обслуживания следует определять уже на этапе расчёта.

На практике для вакуумной сушилки-смесителя с частыми и быстрыми перепадами температуры предпочтительным исходным решением часто является двойное торцевое уплотнение с металлическим сильфоном и контролируемой запирающей системой. Оно воспринимает тепловые перемещения вала, исключает динамически скользящие эластомерные кольца и благодаря второму уровню уплотнения обеспечивает высокую безопасность процесса. Исполнение с жидкостным запиранием выгодно, когда особенно важны охлаждение и смазка поверхностей скольжения и можно допустить совместимую запирающую среду. Исполнение с газовым запиранием предпочтительно, когда запирающая жидкость в продукте нежелательна или когда процесс в любом случае инертизируется азотом. Для экстремальных перепадов температуры, агрессивных сред и высоких требований к вакууму конструкции с опорой на металлический сильфон обычно более надёжны, чем классические уплотнения типа pusher с динамически подвижными эластомерами.