В какой мере можно экономить время процесса и энергию с помощью современных конусных сушилок-смесителей?
Современные конусные сушилки-смесители могут экономить время процесса и энергию прежде всего тогда, когда они непрерывно подводят продукт к большим термостатируемым контактным поверхностям, сушат под вакуумом при низкой температуре и объединяют несколько этапов процесса в одном закрытом аппарате. Однако надёжные процентные значения нельзя указать обобщённо: они сильно зависят от продукта, растворителя, начальной и целевой остаточной влажности, уровня вакуума, конденсации, степени наполнения, поверхности теплопередачи и сравниваемого метода.
Более короткое время процесса
Наибольший выигрыш во времени возникает благодаря улучшенной тепло- и массопередаче. В современной конусной сушилке-смесителе продукт нагревается не статично, а непрерывно циркулирует. Благодаря этому влажный материал многократно подводится к термостатируемой стенке сосуда и, при наличии, к термостатируемому валу, рычагам или спирали. Контактная поверхность непрерывно обновляется. Благодаря этому можно снизить изолирующие отложения продукта, влажные гнёзда и локальные перепады температуры.
Следствием является более равномерное испарение. Вакуум снижает точку кипения воды или растворителей, так что испарение может начинаться при более низкой температуре продукта. Поэтому для чувствительных продуктов не требуется работать с излишне высокой температурой рубашки. Конические вакуумные контактные сушилки применяются именно благодаря сочетанию косвенной теплопередачи, циркуляции продукта и низкотемпературного режима для продуктов, чувствительных к теплу и растворителю.
Ещё один выигрыш во времени возникает благодаря управлению реологическими переходами. Многие продукты при сушке меняются от суспензии через вязкую или вязкопластичную фазу до сухого порошка. Именно в липкой промежуточной фазе испарение в статичных сушилках может сильно замедляться, поскольку образуются крупные комки или плохо прогретые зоны продукта. Смесительный орган удерживает массу в движении и обновляет контактные поверхности. При необходимости ступень дезагломерации может целенаправленно разрушать комки. Это улучшает доступ тепла и вакуума к влажной поверхности продукта и предотвращает то, чтобы процесс определялся отдельными плотными агломератами.
Общий цикл дополнительно сокращается, когда смешивание, реакция, кристаллизация, упаривание, сушка, охлаждение и при необходимости гомогенизация происходят в одном аппарате. Каждый отпадающий перенос экономит не только время на опорожнение и загрузку, но и время ожидания, очистку, повторную инертизацию, промежуточное хранение и возможную доработку. Для продуктов со строгими требованиями к containment или влажности этот эффект может быть важнее, чем чистое сокращение времени испарения.
Надёжная конечная точка сушки также может экономить время. Если непрерывно контролируются температура, давление, поток конденсата, влажность продукта или подходящий сигнал PAT, загрузку можно завершать по достижении целевой остаточной влажности. Без надёжной концепции определения конечной точки часто по соображениям безопасности пересушивают. Это повышает как время цикла, так и энергопотребление. Промышленные исследования вакуумной сушки подчёркивают, что подходящее определение конечной точки и контроль процесса являются существенными рычагами для снижения энергопотребления и продолжительности цикла.
Более низкая потребность в энергии
При вакуумной сушке энергия по существу требуется для испарения растворителя, тепловых потерь системы, привода смесительного органа, создания вакуума, конденсации и при необходимости охлаждения. Конусная сушилка-смеситель не экономит физически необходимую энтальпию испарения. Экономия возникает, скорее, за счёт того, что возникает меньше потерь, ввод тепла происходит эффективнее и избегается лишнее время процесса.
Аппаратным ключом является косвенная контактная сушка. Тепло вводится в продукт через термостатируемую стенку сосуда и при необходимости через обогреваемые внутренние смесительные инструменты. Поскольку смешиваемый материал непрерывно соприкасается с этими поверхностями, необходимое тепло можно передавать при умеренной разнице температур. Большие, активно смачиваемые поверхности теплопередачи улучшают эффективность сушки и могут снижать требуемую температуру рубашки. Это снижает тепловые потери и одновременно защищает термочувствительные продукты. Для конических вакуумных сушилок называются коэффициенты теплопередачи, которые в зависимости от продукта и рабочего состояния находятся в очень широком диапазоне примерно от 50 до 2.000 Вт/(м²·К); большой разброс показывает, насколько решающее значение для фактической потребности в энергии имеют движение продукта и реология.
Вакуум обеспечивает сушку при более низкой температуре. Благодаря этому чувствительные действующие вещества, тонкие химикаты и специальные порошки можно перерабатывать более бережно. В благоприятных случаях можно дополнительно использовать низкотемпературное тепло, например тёплую воду, рекуперированное технологическое тепло или контур низкотемпературного термомасла. Поэтому вакуумные сушилки особенно привлекательны, когда качество продукта пострадало бы при высокой температуре или когда уже доступен подходящий низкотемпературный источник тепла.
Энергия привода смесительного органа у конических систем во многих применениях остаётся сравнительно низкой, поскольку движение продукта преимущественно осуществляется через контролируемую циркуляцию при низкой частоте вращения. Однако ею нельзя пренебрегать — особенно в вязкопластичных промежуточных фазах. Регулируемые частотные преобразователи и частота вращения, адаптированная к состоянию процесса, могут помогать повышать интенсивность смешивания только тогда, когда это действительно требуется для теплопередачи или дезагломерации. Поэтому для конкретной установки следует балансировать не только кВт·ч на загрузку, но и кВт·ч на килограмм испарённого растворителя, время работы смесительного органа, удельную потребность в энергии для вакуума и мощность конденсатора.
Рекуперация растворителя не обязательно улучшает термодинамическую эффективность сушки, но может заметно снижать общий энергетический и стоимостный след. В закрытых вакуумных системах брюдены направляются через конденсаторы. Возвращённые в оборот растворители не нужно, или нужно в меньшем объёме, докупать, транспортировать и утилизировать. Одновременно снижаются выбросы ЛОС (летучих органических соединений). Поэтому закрытые, косвенно нагреваемые конусные вакуумные сушилки применяются для опасных, токсичных или содержащих растворитель продуктов и могут обеспечивать значительную рекуперацию растворителя.
Дополнительные рычаги экономии
Экономически значимая экономия выходит за рамки одного лишь счётчика энергии. Практически полностью опорожняемый конус снижает потери продукта и сокращает время до следующей загрузки. Для ценных действующих веществ или тонких химикатов сниженное остаточное количество на дне аппарата может иметь большее экономическое значение, чем умеренная экономия тепловой энергии.
Хорошая очищаемость снижает время переналадки, расход моющих сред, время сушки после CIP и риск невозможности разрешить выпуск загрузки из-за перекрёстного загрязнения или остатков. Поэтому на многопродуктовых установках наибольший выигрыш в OEE может возникать за счёт более коротких времён смены и меньшей доработки, а не только за счёт более короткой фазы испарения.
Интегрированное ведение процесса дополнительно снижает число насосов, транспортирующих устройств, промежуточных ёмкостей, подключений фильтров и операций перегрузки. Это снижает побочное электропотребление и затраты на персонал. Одновременно может снижаться риск потерь пыли, поглощения влаги, окисления и загрязнения. Эти факторы особенно значимы для ценных или гигроскопичных продуктов.
Правильная оценка экономии
Обобщённые утверждения вроде «сушка на 30–60 процентов короче» или «на 20–40 процентов меньше энергии» без референтного процесса не имеют доказательной силы. Сравнительные значения могут сильно расходиться, поскольку, например, вакуумный сушильный шкаф, статичная ёмкость, лопастная сушилка или существующая конусная сушилка-смеситель значительно различаются по поверхности теплопередачи, степени наполнения, вакууму, конденсации, теплоносителю и вспомогательному времени цикла. В одном опубликованном лабораторном исследовании конусная шнековая сушилка при исследованных условиях показала наивысшую скорость сушки, однако при этом также наблюдались истирание и агломерация — указание на то, что выигрыш во времени и бережность к продукту всегда нужно оценивать вместе.
Поэтому надёжная оценка сравнивает полный цикл загрузки, а не только чистое время до достижения целевой остаточной влажности. Необходимо фиксировать следующее:
Загрузку, нагрев, вакуумирование, испарение, доохлаждение и охлаждение, вентиляцию, выгрузку и очистку.
Килограммы испарённой воды или растворителя на загрузку.
кВт·ч на теплоноситель или хладагент, привод смесителя, вакуумный насос, конденсацию и вспомогательные агрегаты.
Тепловые потери на сосуде, трубопроводах и системе конденсации.
Целевую остаточную влажность, остаточный растворитель, однородность, распределение частиц по размерам и выход продукта.
Степень рекуперации растворителя и затраты на свежий растворитель, а также на утилизацию.
Продолжительность очистки, потери при переналадке, остаточное опорожнение и число загрузок, не годных к выпуску.
На основе этих данных можно сформировать такие показатели, как кВт·ч/кг испарённого растворителя, кг продукта в час, общее время цикла, выход и затраты на килограмм разрешённого к выпуску продукта. Только тогда можно серьёзно оценить, является ли современная конусная сушилка-смеситель экономически более выгодным решением.
Так amixon® оценивает энергоэффективность, TCO (Total Cost of Ownership (совокупная стоимость владения) и окупаемость промышленного смесителя
Экономичность смесителя или вакуумной сушилки-смесителя определяется не только его электрической потребляемой мощностью. Определяющее значение имеют потребность в энергии, время смешивания и сушки, теплопередача, потери продукта, остаточное опорожнение, время очистки и смены, обслуживание, а также фактически достижимый срок эксплуатации. amixon® оценивает эти факторы как совокупную стоимость владения (Total Cost of Ownership) на протяжении всего жизненного цикла и определяет решающие показатели на основе испытаний с оригинальным продуктом.
Релевантные блоки затрат
На горизонте рассмотрения, например, в десять лет экономичность определяют пять блоков затрат: энергия, потери продукта, время очистки и смены, обслуживание и запасные части, а также амортизация за реальный срок эксплуатации. Эти факторы тесно взаимосвязаны. Установка с низкой подключаемой мощностью не является автоматически экономичной, если ей требуется длительное время смешивания или сушки, если после каждой загрузки в смесительной камере остаются значимые количества продукта или если смена продукта трудоёмка.
Удельную потребность в энергии нельзя серьёзно назвать в виде общего каталожного значения в киловатт-часах на тонну. Она зависит от рецептуры, размера загрузки, степени наполнения, содержания влаги и растворителя, уровня вакуума, температуры, поверхности теплопередачи, тепловых потерь, времени смешивания, частоты вращения, реологии, потребности в дезагломерации и целевой остаточной влажности. У сушилки-смесителя добавляются теплоноситель и хладагент, создание вакуума, конденсация, фильтрация брюденов и при необходимости инертизация. Поэтому amixon® определяет релевантные данные в испытательном центре с оригинальным продуктом и при реалистичных условиях процесса.
Энергия и теплопередача
Смесители amixon® работают с контролируемой трёхмерной циркуляцией продукта и сравнительно низкими окружными скоростями инструмента начиная примерно с 0,8 м/с. Внесение энергии происходит не преимущественно за счёт высокой частоты вращения, метательных движений или сильных ударных нагрузок, а за счёт повторяющихся циклов движения продукта. Это ограничивает механическое внесение энергии и поддерживает бережную к продукту переработку.
Короткое и воспроизводимое время смешивания снижает энергию на загрузку и повышает производительность на единицу установленной мощности. У двухвального смесителя HM потоки продукта накладываются друг на друга и способствуют быстрому распределению по всему объёму загрузки. У конусного смесителя KS требуемая однородность — в зависимости от рецептуры, степени наполнения и целевого качества смешивания — может достигаться уже после нескольких оборотов инструмента. Решающим является не теоретически кратчайшее время смешивания, а устойчивое технологическое окно, в котором целевое качество достигается стабильно и воспроизводимо.
У вакуумных сушилок-смесителей и конусных реакторов amixon® спираль смесительного органа SinConcave®/SinConvex® может предоставлять особенно большие поверхности теплопередачи. Помимо двухстенной термостатируемой смесительной камеры термостатируемыми могут быть выполнены вал, рычаги мешалки и спираль. Эти поверхности глубоко проникают в объём продукта и дополняют теплопередачу через рубашку сосуда.
Их эффективность основана на том, что они непрерывно соприкасаются со смешиваемым материалом. Трёхмерная циркуляция продукта поднимает продукт вблизи стенки, в центре снова опускает его и многократно приводит в контакт со стенкой сосуда, валом, рычагами и спиралью. Контакт с термостатируемыми поверхностями постоянно обновляется. Благодаря этому тепло- и массообмен при вакуумной сушке могут происходить эффективно, без того чтобы продукт подвергался излишне высоким температурам или высокой частоте вращения.
Вакуум снижает точку кипения воды и растворителей. Благодаря этому сушка может происходить при более низких температурах продукта, что защищает чувствительные действующие вещества, тонкие химикаты, кристаллические продукты, микроорганизмы, пигменты или специальные порошки. Экономия возникает не за счёт того, что отпадает необходимая энергия испарения, а за счёт снижения тепловых потерь, лишних превышений температуры, непродуктивного времени смешивания и чрезмерно длинных циклов сушки.
Остаточное опорожнение и время смены
Остаточное опорожнение — центральный, часто недооцениваемый параметр эффективности. Любое количество продукта, остающееся в смесителе после выгрузки, вызывает потери продукта, дополнительные затраты на очистку, риск переноса или несколько из этих недостатков одновременно. Для ценных действующих веществ, специальных химикатов, дорогостоящих пищевых ингредиентов или функциональных добавок полное остаточное опорожнение может иметь большее экономическое значение, чем экономия отдельных киловатт-часов.
Смесительные системы amixon® — в зависимости от конструктивного исполнения и свойств продукта — могут обеспечивать очень полное остаточное опорожнение. Для серий AM и KS называется степень остаточного опорожнения примерно до 99,98 процента, для концепций выгрузки ComDisc® — примерно до 99,99 процента. Такие значения являются конструктивными целевыми показателями, а не универсальной гарантией для любой рецептуры. Фактически достижимая степень опорожнения зависит от размера частиц, насыпной плотности, влажности, липкости, электростатического заряда, состояния поверхности, налипания продукта и концепции выгрузки. Поэтому её нужно проверять с оригинальным продуктом.
Спираль смесительного органа SinConcave®/SinConvex® наряду с теплопередачей и качеством смешивания поддерживает также полное остаточное опорожнение. Она контролируемо перемещает продукт через всю смесительную камеру и — в зависимости от геометрии сосуда — направляет его к зоне выгрузки. У конических аппаратов дополнительно помогает сила тяжести. Хорошее опорожнение снижает затраты на очистку, уменьшает расход промывочных или моющих сред, сокращает время до следующей загрузки и снижает риск перекрёстного загрязнения.
Малозастойные, хорошо доступные смесительные камеры и смотровые отверстия дополнительно сокращают время очистки и смены. Это повышает продуктивную доступность установки. Именно на многопродуктовых установках каждая сокращённая смена продукта улучшает Overall Equipment Effectiveness и увеличивает количество разрешённого к выпуску продукта, производимого за год.
Обслуживание и срок эксплуатации
На затраты на обслуживание влияют конструкция, частота вращения, концепция уплотнений, абразивность продукта, частота очистки и доступность. Мешалка с опорой только сверху исключает нижний вывод вала в продуктовой зоне. Это снижает число критических мест уплотнения и опоры. Тихоходный режим работы дополнительно ограничивает износ смесительного органа, опоры и контактирующих с продуктом поверхностей.
Длительный реальный срок эксплуатации существенно улучшает экономичность. Если аппарат благодаря профилактическому обслуживанию, доступным запасным частям, модернизации или дооснащению может надёжно эксплуатироваться на протяжении многих лет, инвестиция распределяется на большее число загрузок. amixon® сообщает, что многочисленные машины уже более 30 лет находятся в ежедневной эксплуатации. Однако конкретный срок эксплуатации остаётся зависимым от продукта и процесса: абразивные вещества, агрессивные среды, сильные перепады температуры, частая влажная очистка или высокая цикличность нагрузки могут ускорять износ отдельных компонентов.
Долгосрочное снабжение запасными частями и задокументированная возможность повторного изготовления заказных компонентов поддерживают долгосрочную, планируемую эксплуатацию. Тем не менее для реалистичной оценки TCO следует учитывать интервалы обслуживания, затраты на уплотнения, затраты на хранение, затраты на очистку и ожидаемую доступность установки.
Масштабирование с оригинальным продуктом
amixon® может профессионально и компетентно поддерживать клиентов при переносе лабораторных и пилотных испытаний на крупные установки вакуумной сушилки-смесителя. Увеличение масштаба для термических процессов нельзя выводить только из геометрического подобия. Если производственная установка существенно крупнее испытательной сушилки, изменяются, среди прочего, активно смачиваемые поверхности теплопередачи, высота наполнения, термическая масса, тепловые потери, нагрузка на конденсатор, объёмный поток брюденов, нагрузка на фильтр и подача теплоносителя.
Поэтому amixon® проводит испытания сушки и реакции с оригинальным продуктом и всесторонне фиксирует релевантные данные процесса. К ним относятся, например, ход давления и вакуума, температура продукта, температуры подачи и обратной линии теплоносителя или хладагента, количество конденсата, поток конденсата, частота вращения смесительного органа, крутящий момент, степень наполнения, поведение продукта и время процесса. На этой основе amixon® может определить требуемую поверхность теплопередачи, ведение температуры, вакуумную технику, фильтр брюденов, конденсатор, мощность нагрева и охлаждения, расчёт смесительного органа, а также подходящий типоразмер для целевой промышленной установки.
Данные измерений сушки объединяются с технологическим ноу-хау и термодинамическими расчётами. Благодаря этому производительность крупной производственной установки можно заранее оценить и конструктивно определить. Активная поверхность теплопередачи при этом выводится не только из геометрии сосуда. Также учитывается контакт продукта с термостатируемыми смесительными инструментами для разных степеней наполнения. Это важно, поскольку эффективная поверхность теплопередачи во время сушки может изменяться из-за снижающейся степени наполнения и меняющихся свойств продукта.
Затем amixon® может конструктивно и технологически реализовать характеристики аппарата, определённые на основе испытаний. К ним относятся геометрия сосуда, типоразмер, смесительный орган, термостатируемый вал, рычаги мешалки и спираль, поверхности теплопередачи, запас крутящего момента, режущие роторы, вакуумная система, фильтр брюденов, конденсатор, выбор материалов, концепция уплотнений, орган выгрузки, система очистки, измерительная техника и автоматизация. Установка рассчитывается не только теоретически, а адаптируется под условия процесса, наблюдавшиеся в испытании.
Цель этого подхода в том, чтобы клиент после завершения работ и ввода в эксплуатацию мог быстро производить продукцию требуемого качества. Установку не нужно «доводить до готовности» уже в ходе производственной эксплуатации за счёт последующих корректировок, неясных резервов мощности или устранимых проблем процесса. Испытание в испытательном центре снижает этот риск, поскольку критические фазы процесса — например, нагрев, фаза интенсивного испарения, реологические переходы, достижение целевой остаточной влажности, охлаждение, выгрузка и очистка — исследуются и документируются ещё до инвестиции.
Дополнительную информацию о переносе данных испытаний на крупные производственные установки amixon® предлагает в материале «amixon® помогает в расчёте крупных установок вакуумной сушилки-смесителя».
Испытания как основа для принятия решения
Перед инвестицией технические и экономические предположения следует проверять с оригинальным продуктом. В испытательном центре amixon® в головном офисе в Падерборне доступны более 30 испытательных установок разных типоразмеров. Дополнительно имеются испытательные центры в Японии, Индии, Таиланде, Китае, Южной Корее и США. Испытания можно проводить с реалистичными степенями наполнения, размерами загрузок, а также предусмотренными условиями температуры, давления и вакуума.
Оцениваются качество смешивания, бережность к продукту, внесение энергии, теплопередача, кинетика сушки, температурный профиль, ход вакуума, поток конденсата, остаточное опорожнение, пригодность к очистке, время смены и воспроизводимость. Результаты документируются и образуют основу для расчёта производственной установки, а также для расчётов TCO, ROI и окупаемости. Рецептуры, результаты испытаний и совместно полученные данные процесса рассматриваются конфиденциально.