Экономика промышленного вакуума: как спасти оборудование от водяного пара

В процессах промышленной вакуумной сушки материалов проблемой является удаление больших объемов конденсируемых паров из рабочей зоны.

Технология промышленной вакуумной сушки используется в случаях, когда термический нагрев обрабатываемых изделий нежелателен или недопустим в силу конструктивных особенностей (например, при наличии сложных внутренних полостей, капилляров или глухих отверстий), физико-химических свойств материалов или жестких требований к сохранению геометрии деталей.

Чаще всего метод применяется в аэрокосмической промышленности, а также при сушке биологических объектов и фармацевтических субстанций.

Для решения этой задачи применяется метод предварительной десублимации и конденсации паров. Ниже, рассмотрим принцип работы вакуумных охлаждающих ловушек (ФВХ) и критерии расчета экономической эффективности их интеграции в вакуумные магистрали многосменных производств.

Ничего нового в физике процесса здесь нет. Но то, как этот принцип реализован в промышленном вакуумном оборудовании, делает его элементом надежности всей системы.

Вам нужно быстро удалить большие объемы влаги из глубоких полостей деталей, пористых материалов или сырья. При этом техпроцесс требует высокой скорости откачки и относительно глубокого вакуума.

Реальный запрос на такую разработку пришел от предприятия, где были десятки вакуумных печей, а дорогостоящие насосы из-за постоянной работы с большим количеством влаги приходилось регулярно ремонтировать. И выкидывать.

(Обратите внимание на ссылки внизу. Там есть фотографии - что происходит с насосом который эксплуатировался в условиях откачки паров.)

И тут мы упираемся в проблему выбора вакуумного насоса.

Водокольцевые насосы.

Они хорошо приспособлены для работы с большими объемами влажного газа и жидкости, но имеют физическое ограничение по глубине вакуума.

У конкретных промышленных моделей предельное давление может составлять единицы и десятки миллиметров ртутного столба.

Кроме того, рабочая жидкость контактирует с откачиваемой средой. Если среда агрессивная или токсичная, это становится отдельной эксплуатационной проблемой.

Масляные пластинчато-роторные насосы.

Здесь ситуация обратная: можно получить значительно более глубокий вакуум и высокую производительность.

Но у такого насоса есть ограничение по допустимой нагрузке конденсируемыми парами.

Если количество водяного пара превышает возможности насоса, часть влаги может конденсироваться внутри него. Масло загрязняется и эмульгируется, ухудшаются смазывание и достижимое предельное давление, а при тяжелых режимах возможны коррозия и механические повреждения.

Ремонт — дорогой, простой цеха — еще дороже.

При регулярной работе с большим количеством конденсируемых паров масло загрязняется быстрее, а значит, его приходится чаще обслуживать и заменять.

Для непрерывного производства это уже вполне конкретная статья эксплуатационных расходов.

Как сочетать скорость откачки, глубокий вакуум и нормальный ресурс оборудования?

Создаем условия, при которых значительная часть конденсируемых паров осаждается в ловушке до поступления в насос.

Для этого в вакуумную магистраль между рабочей камерой и насосом устанавливается вакуумная охлаждающая ловушка — ФВХ.

— Пары воды или другого конденсируемого вещества выходят из камеры и поступают в ловушку.

— Внутри ловушки они контактируют с системой охлаждаемых поверхностей.

— Когда температура поверхности оказывается ниже температуры конденсации данного вещества при текущем давлении, пар переходит в жидкую фазу и остается в ловушке.

— В результате на насос поступает значительно меньше конденсируемого пара. Снижается его паровая нагрузка, а вместе с ней — риск загрязнения и эмульгирования масла.

При правильно подобранных параметрах ловушки и вакуумной системы это позволяет стабильнее поддерживать рабочий режим и снижает нагрузку на насос.

Кроме того, конденсация основной массы пара непосредственно в ловушке может повысить эффективность откачки: насосу уже не требуется пропускать через себя тот огромный объем газа, который занимал бы тот же самый объем воды в паровой фазе.

Масштаб здесь легко недооценить: при глубоком вакууме один литр жидкой воды превращается в огромный объем пара. Например, «Тула-Терм» приводит расчет, согласно которому при давлении около 0,52 мм рт. ст. 1 литр воды соответствует примерно 1,4 млн литров водяного пара. Именно этот объем и должен был бы пройти через вакуумную систему, если пар не конденсировать в ловушке.

Именно поэтому охлаждающая ловушка особенно важна при вакуумной сушке с большим количеством влаги.

По завершении цикла скопившаяся жидкость удаляется из ловушки при обслуживании оборудования.

Для агрессивных сред при этом необходимо соответствующее химически стойкое исполнение и проверка совместимости материалов с конкретным веществом.

На промышленном производстве стоимость проблемы складывается далеко не только из стоимости ремонта насоса.

Точные цифры зависят от конкретного техпроцесса, интенсивности работы и стоимости простоя. Поэтому срок окупаемости ФВХ корректно рассчитывать для каждого производства отдельно.

Но в расчете есть несколько очевидных статей.

1. Ремонт и обслуживание насоса.

Влага загрязняет вакуумное масло и повышает нагрузку на насос. Чем чаще оборудование приходится обслуживать, тем выше прямые эксплуатационные расходы.

2. Масло и его замена.

При работе с большим количеством конденсируемых паров ресурс масла сокращается. Это особенно заметно при многосменной эксплуатации.

3. Простой оборудования.

Если насос приходится снимать с линии и отправлять в ремонт, простаивает не только насос. Может остановиться вся технологическая операция.

4. Потери производительности.

Если вакуумная система долго откачивает большое количество пара, увеличивается продолжительность цикла. А значит, снижается количество продукции, которое можно провести через одну печь за смену.

Именно поэтому ФВХ имеет смысл считать не как «дополнительный аппарат в вакуумной линии», а как элемент экономики процесса.

Логика простая:

меньше пара доходит до насоса → меньше нагрузка на масло и насос → реже обслуживание → меньше риск аварийных остановок → стабильнее технологический цикл → выше доступность оборудования.

Для предприятия с одной печью и процессами, не предполагающими выделение большого объема влаги, эффект может быть умеренным.

А если в цехе десятки вакуумных установок, даже несколько предотвращенных ремонтов и простоев в год могут существенно изменить экономику такого решения.

Поэтому правильный вопрос при выборе ФВХ — не только:

«Сколько стоит ловушка?»

А:

«Сколько нам стоит один отказ вакуумного насоса и сколько производственных часов мы теряем вместе с ним?»

На сайте завода в разделе «Часто задаваемые вопросы» подробно разобрали принцип работы ФВХ, особенности вакуумной сушки и выбор оборудования.

Ознакомиться с характеристиками оборудования и технологиями вакуумной сушки можно на сайте изготовителя.