Как комплектовать вакуумную систему реактора? Вакуумный насос, буферная ёмкость и трубопроводы

Для чего нужна вакуумная система реактора?

Краткий ответ: вакуумная система реактора обеспечивает вакуумную загрузку, деаэрацию, вакуумную перегонку и защиту материала и является ключевым элементом стабильного протекания реакционных процессов.

Реакторы из нержавеющей стали выполняют перемешивание, реакцию, нагрев, охлаждение и перемещение материала, и многие из этих операций зависят от вакуумной среды. Вакуумная загрузка втягивает жидкий материал из ёмкости в аппарат, исключая контакт материала с воздухом и потери тепла при открытой загрузке. Вакуумная деаэрация удаляет пузырьки, вовлечённые перемешиванием, под отрицательным давлением, улучшая внешний вид и однородность продукта. Вакуумная перегонка снижает температуру кипения материала под вакуумом, позволяя термически чувствительным материалам завершить отгонку растворителя или концентрирование при более низкой температуре. Для сред, которые должны быть изолированы от воздуха, вакуум или азотная подушка поддерживают инертную атмосферу внутри аппарата. Полная вакуумная система реактора обычно состоит из вакуумного насоса, буферной ёмкости, конденсатора, трубопроводов, клапанов и вакуумных приборов. Конфигурация определяется технологическим вакуумом и производительностью откачки; тип насоса, объём буферной ёмкости, диаметр труб и материал могут быть изготовлены по индивидуальным требованиям.

Какой вакуум нужен реактору? Сначала определите степень по технологии

Краткий ответ: вакуум делится на три степени по технологической цели; обычно сначала проверяют температуру кипения и термочувствительность материала, а затем задают целевое значение.

Грубый вакуум около -0,05…-0,08 МПа обычно используется для вакуумной загрузки и общей деаэрации. Например, когда смоле средней вязкости требуется деаэрация после реакции, откачка аппарата до грубого вакуума заставляет пузырьки быстро расширяться и всплывать; вместе с перемешиванием деаэрация обычно завершается за 10–30 минут, точное время подтверждается технологическими пробами.

Средний вакуум около -0,08…-0,095 МПа используется для отгонки растворителя и вакуумной перегонки. Например, для отгонки растворителя с относительно высокой температурой кипения при атмосферном давлении требуется высокая температура; при откачке до среднего вакуума температура кипения снижается, и температуру нагрева обычно можно уменьшить на 20–40 °C, экономя энергию и снижая тепловое повреждение материала.

Глубокий вакуум выше -0,095 МПа используется для низкотемпературной перегонки термочувствительных материалов, таких как ароматизаторы и фармацевтические промежуточные продукты, где температура перегонки обычно поддерживается ниже 60 °C, чтобы избежать разложения при высокой температуре.

При выборе оборудования запишите технологический вакуум в технический лист параметров. Предельный вакуум насоса должен быть на 10–20% выше целевого значения, чтобы оставить запас на потери давления в трубопроводе и погрешность приборов.

Как выбрать вакуумный насос? Пластинчато-роторный или водокольцевой

Краткий ответ: для малых и средних реакторов обычно применяют пластинчато-роторные насосы; при необходимости откачки паров растворителя или запылённого газа применяют водокольцевой насос.

Пластинчато-роторные насосы имеют высокий предельный вакуум, обычно до 0,1–0,5 кПа, стабильную производительность откачки и компактную конструкцию, подходят для чистых вакуумных процессов; их недостаток — слабая устойчивость к жидкости, поэтому при откачке газа с каплями жидкости требуется защита на входе, например газожидкостный сепаратор или буферная ёмкость. Водокольцевые насосы используют воду в качестве рабочей среды, устойчивы к коррозии, могут откачивать влажный газ и газ с жидкостью, подходят для отгонки растворителя и коррозионных сред; их предельный вакуум ниже, обычно около 3–10 кПа, а производительность откачки колеблется с температурой воды, поэтому зимой необходимо следить за температурой циркуляционной воды.

Производительность откачки обычно оценивается по объёму реактора и кратности воздухообмена: для периодических процессов кратность воздухообмена может составлять 8–15 раз в час; для непрерывной откачки рассчитывается по суммарному объёму трубопроводов и оборудования, затем применяется коэффициент запаса 1,2–1,5 при выборе насоса.

Зачем нужны буферная ёмкость и конденсатор?

Краткий ответ: буферная ёмкость предотвращает попадание материала обратно в насос, а конденсатор возвращает пары растворителя и снижает нагрузку на насос.

Буферная ёмкость устанавливается между входом насоса и корпусом аппарата. При колебаниях давления в аппарате или скоплении конденсата буферная ёмкость принимает обратный поток жидкости, не допуская попадания материала в насос и повреждения деталей. Объём буферной ёмкости обычно выбирается из расчёта запаса на 1–2 минуты производительности насоса; ёмкость оснащается сливным клапаном и смотровым стеклом уровня для осмотра и слива.

Конденсатор устанавливается между аппаратом и буферной ёмкостью для конденсации и возврата паров растворителя, испарившихся в процессе: с одной стороны это снижает потери растворителя, с другой — уменьшает газовую нагрузку на насос. Площадь конденсатора обычно оценивается по скорости испарения и скрытой теплоте растворителя; разность температур между входом и выходом охлаждающей воды обычно поддерживается на уровне 5–10 °C, а при слишком высокой температуре на выходе необходимо увеличить расход охлаждающей воды или площадь теплообмена. Мощность вакуумного насоса подбирается по производительности откачки и предельному вакууму; для малых и средних реакторов обычно применяется электродвигатель насоса мощностью 2,2–7,5 кВт, точное значение определяется по характеристике насоса.

Как проложить трубопроводы и клапаны? Коротко, прямо, с минимумом изгибов

Краткий ответ: вакуумные трубопроводы должны быть короткими и прямыми с малым числом изгибов, диаметр трубы не меньше входного патрубка насоса, а на фланцах — вакуумные прокладки.

Чем длиннее трубопровод и чем больше изгибов, тем больше потери давления и тем ниже вакуум, реально достигающий аппарата. Общий принцип: насос следует располагать как можно ближе к аппарату, диаметр трубы не меньше входного патрубка насоса; при одном и том же диаметре каждый лишний изгиб увеличивает эквивалентную длину трубопровода примерно на 1–2 метра, что следует учитывать при выборе насоса.

Обычно применяются вакуумные шаровые или мембранные клапаны, соединения предпочтительно сварные или фланцевые, чтобы сократить резьбовые соединения, которые склонны к медленным утечкам. На фланцах применяются вакуумные прокладки из нитрила или фторкаучука, при монтаже проверяется плоскостность уплотнительных поверхностей. Есть три контрольные точки поддержания вакуума: вход насоса, выход буферной ёмкости и штуцер корпуса; во всех трёх точках следует предусмотреть штуцеры для вакуумметров для поэтапной проверки на утечки.

Как проводить вакуумную загрузку и деаэрацию?

Краткий ответ: вакуумная загрузка и деаэрация выполняются в последовательности «сначала откачка, затем загрузка, затем сброс вакуума», с плавным изменением давления.

При вакуумной загрузке сначала закрывается воздушный клапан, открывается вакуумный клапан и аппарат откачивается до целевого вакуума, затем открывается загрузочный клапан и материал втягивается за счёт перепада давления; после загрузки сначала закрывается загрузочный клапан, а затем медленно сбрасывается вакуум, чтобы избежать разбрызгивания материала. При деаэрации вакуум обычно повышается ступенчато: сначала откачка до грубого вакуума с выдержкой несколько минут, затем постепенное повышение до целевого значения. Скорость перемешивания обычно снижается примерно до половины технологического значения, чтобы быстрое перемешивание не вовлекало новый воздух. Конкретная скорость повышения и время выдержки обычно подтверждаются технологическими пробами, так как они сильно различаются для разных материалов.

Что следует учитывать при совместном использовании одной вакуумной системы несколькими реакторами?

Краткий ответ: используйте коллектор с отдельными клапанами на каждой ветке реактора, чтобы аппараты не мешали друг другу.

Совместное использование одной вакуумной системы несколькими реакторами снижает капитальные затраты, но нужно учитывать два момента: во-первых, диаметр коллектора рассчитывается по сумме производительности откачки всех реакторов с запасом; во-вторых, на каждой ветке реактора должен быть отдельный клапан, и при работе сначала закрывается клапан ветки неработающего реактора, чтобы избежать взаимовлияния колебаний вакуума. Для совместной системы в конце коллектора устанавливается общая буферная ёмкость объёмом в 1,5–2 раза больше запаса наибольшего одиночного реактора, чтобы учесть возможный одновременный обратный поток из нескольких аппаратов. При вакуумном концентрировании или связанной работе нескольких реакторов вакуумную систему следует планировать на уровне всей линии.

Как проверять уплотнения и точки утечек вакуумной системы?

Краткий ответ: типичные точки утечек — фланцы, сальники клапанов и присоединения приборов; проверяйте поэтапным измерением вакуума и жидкостью для поиска утечек.

Каждое дополнительное уплотнение на фланцевом соединении добавляет одну точку утечки. При монтаже проверяйте плоскостность уплотнительных поверхностей, центрируйте прокладку и затягивайте болты по диагонали в несколько приёмов. Сальники клапанов и область штока также являются частыми местами медленных утечек; применяйте вакуумные сальники и периодически подтягивайте их. Присоединения приборов предпочтительно сварные или с обжимными фитингами, момент затяжки гайки — по инструкции производителя. Метод проверки: сначала поэтапное измерение вакуума — закройте насос и наблюдайте скорость падения вакуума на каждом участке; где вакуум падает быстрее, там проверяйте участок по точкам жидкостью для поиска утечек. Можно также использовать вакуумметр с мыльной водой на фланцах и соединениях — появление пузырей указывает на утечку.

Как переключаться между вакуумом и азотной подушкой?

Краткий ответ: для сред, которым нужны и изоляция от воздуха, и работа под отрицательным давлением, предусматриваются вакуумный и азотный вводы; сначала сброс вакуума, затем заполнение азотом, или сначала сброс вакуума, затем откачка.

Некоторым материалам требуется вакуумная деаэрация и сразу после сброса вакуума — азотная подушка, чтобы исключить попадание воздуха. На крыше аппарата устанавливаются три линии: вакуумный клапан, азотный клапан и воздушный клапан. Порядок: закройте вакуумный клапан, медленно сбросьте вакуум до атмосферного давления, затем откройте азотный клапан и заполните азотом до небольшого избыточного давления; при переключении с азотной подушки обратно на вакуум закройте азотный клапан, сбросьте давление и затем откачайте. Между двумя линиями устанавливаются обратные клапаны, чтобы азот не попадал в вакуумный трубопровод. При частых переключениях можно добавить электромагнитные клапаны и блокировку по давлению; ручной или автоматический режим обычно настраивается по технологическим требованиям.

Как устранить неисправность, если вакуум не достигается?

Краткий ответ: сначала проверьте производительность откачки и предельный вакуум насоса, затем ищите утечки в трубопроводах и скопление конденсата.

Обычно вакуум измеряется поэтапно от входа насоса, выхода буферной ёмкости и штуцера корпуса; где вакуум падает быстрее всего, там и ищите утечку. Если вакуум на входе насоса нормальный, а на входе аппарата низкий, проблема в промежуточных трубопроводах или клапанах; если сам вход насоса не достигает предельного вакуума, проверьте уровень масла, износ лопастей или температуру водяного кольца. Недостаточное охлаждение конденсатора или скопление конденсата также снижают вакуум; проверяйте расход охлаждающей воды и сливной клапан, своевременно удаляйте скопившийся конденсат.

Контрольный список для закупки

Запишите в техническое соглашение четыре позиции: технологический вакуум, производительность откачки, коррозионность материала и необходимость отгонки растворителя. При конфигурации комплектной производственной линии проверяйте вместе размеры присоединений и перепады высот между вакуумной системой, реакторами, конденсатором и ёмкостями, чтобы избежать переделок на площадке. Компания Haolin Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn) предоставляет нестандартное проектирование и комплектацию вакуумных систем реакторов с изготовлением по технологическим параметрам.

Дополнительное чтение

• Как подобрать уровень давления и предохранительную арматуру реактора?
• Как управлять вакуумом концентратора?

Статья предоставлена компанией Haolin Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn), специализирующейся на реакторах из нержавеющей стали, смесительных ёмкостях, резервуарах, диспергаторах, концентраторах и комплектных химических линиях, с возможностью нестандартного изготовления.