Как работает вакуумный диспергатор: диспергирование в закрытой ёмкости, вакуумная деаэрация и улавливание растворителя, обслуживание

Вакуумный диспергатор - это диспергирующая машина, которая выполняет высокоскоростное диспергирование в закрытой ёмкости и одновременно удаляет из материала пузырьки воздуха и летучие компоненты с помощью вакуума. Его обычно применяют для красок, типографских красок, клеев и электронных паст - продуктов, чувствительных к захваченному воздуху и остаточному растворителю. По сравнению с обычным высокоскоростным диспергатором он добавляет три элемента: герметичную ёмкость, рассчитанную на давление, вакуумную систему и специальное уплотнение вала. Объём ёмкости, уровень вакуума, способ нагрева и охлаждения, диаметр диспергирующего диска, частота вращения и ход подъёма могут быть адаптированы под технологию. Компания Hyline Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn) изготавливает на заказ вакуумные диспергаторы, диспергаторы и смесительные резервуары. В этой статье рассказывается, как работает вакуумный диспергатор и почему он удаляет воздух одновременно с диспергированием.

Чем вакуумный диспергатор отличается от обычного?

Ответ одной фразой: разница в том, можно ли герметизировать ёмкость и откачивать из неё воздух. Обычный диспергатор - это открытый бак с высокоскоростным диском; вакуумный диспергатор заменяет бак закрытой ёмкостью, рассчитанной на давление, и добавляет вакуумную систему и специальное уплотнение вала.

Обычный высокоскоростной диспергатор работает в открытом баке. Диск вращается быстро и вводит порошок в жидкую фазу, но при этом в материал попадает много воздуха: продукт получается насыщенным пузырьками, на поверхности образуется плёнка, а растворитель испаряется прямо в цех. Вакуумный диспергатор заменяет открытый бак закрытой ёмкостью с фланцем. Крышка прижимается к корпусу через прокладку и фиксируется хомутами или болтами; в месте прохода вала через крышку герметичность обеспечивает механическое уплотнение или магнитный привод; на крышке размещены вакуумная линия, конденсатор и смотровое стекло. Возьмём две машины с одинаковым двигателем 22 кВт и диском 300 мм: открытая подходит для предварительного диспергирования и приготовления суспензии, а вакуумная одновременно удаляет пузырьки, и партию можно сразу подавать на розлив или перетир без длительной выдержки для деаэрации.

Как именно работает вакуумная деаэрация?

Ответ одной фразой: вакуумная деаэрация основана на снижении давления, при котором пузырьки расширяются, всплывают и лопаются. Чем ниже абсолютное давление в ёмкости, тем больше пузырёк, тем выше подъёмная сила; когда пузырёк достигает поверхности и лопается, газ отводится вакуумным насосом.

Объём пузырька примерно обратно пропорционален абсолютному давлению. Пузырёк диаметром 1 мм при атмосферном давлении расширяется примерно в десять раз, если ёмкость откачана до 10 кПа абсолютного давления (примерно -0,09 МПа по манометру); его диаметр вырастает примерно до 2,15 мм, подъёмная сила кратно увеличивается, скорость всплытия заметно возрастает. Одновременно жидкая плёнка стенки пузырька растягивается и разрывается, захваченный воздух выходит в паровое пространство и удаляется вакуумной линией. Чем ниже вязкость, тем быстрее всплывает пузырёк, поэтому вакуумная деаэрация лучше всего работает на системах низкой и средней вязкости, например на основах красок 1000-5000 мПа·с. При вязкости в десятки тысяч мПа·с одного вакуума недостаточно: нужно сочетать его с медленным перемешиванием со скребками, которое подводит пузырьки к поверхности.

Как закрытая ёмкость и уплотнение вала удерживают вакуум?

Ответ одной фразой: если вакуум не держится, в девяти случаях из десяти проблема в уплотнении вала или в уплотнительной поверхности фланца, поэтому тип уплотнения и способ зажима нужно определить ещё на этапе технического задания.

Сама ёмкость должна быть рассчитана на работу под вакуумом: аппарат, предназначенный для атмосферного давления, теряет устойчивость при внешнем давлении. Толщину обечайки проверяют по внешнему давлению, и она обычно на 2-4 мм больше, чем у атмосферной ёмкости того же объёма; крышку выполняют эллиптической или отбортованной для сопротивления внешнему давлению, при необходимости добавляют кольца жёсткости. Уплотнение вала - вторая критическая точка, обычно применяют три варианта:

На фланцевых поверхностях применяют уплотнительные кольца из пищевого силикона или фторкаучука. Поверхности должны быть ровными и без царапин, хомуты - равномерно расположенными, болты затягивают по диагонали в два-три прохода, чтобы прокладку не перекосило. Смотровые стёкла и штуцеры следует выполнять на хомутовых или фланцевых соединениях: резьбовые соединения при глубоком вакууме чаще всего и становятся местами утечки.

Как подбирать вакуумный насос и трубопровод?

Ответ одной фразой: насос подбирают по объёму откачиваемого газа и отведённому времени, трубопровод выполняют коротким, широким и с малым числом отводов, а буферную ёмкость и конденсатор обязательно ставят между аппаратом и насосом.

Упрощённый расчёт выглядит так: сначала оценивают объём газа, который нужно удалить (паровое пространство ёмкости плюс газ, выделяющийся из продукта), затем делят его на заданное время откачки - обычно 5-10 минут до рабочего вакуума, - и в конце добавляют запас 30%-50%. Например, для вакуумной диспергирующей ёмкости объёмом 2 м³, которую нужно откачать от атмосферного давления до 10 кПа абсолютных за 8 минут, с учётом сопротивления трубопровода и утечек безопасным выбором будет жидкостно-кольцевой или пластинчато-роторный насос производительностью 100-150 м³/ч. Для составов с растворителем лучше использовать жидкостно-кольцевой насос с буферной ёмкостью, чтобы пары растворителя не попадали в масло насоса; для сухих тонкодисперсных продуктов подходит пластинчато-роторный насос с более низким предельным давлением. Диаметр трубопровода не должен быть меньше входного патрубка насоса, число отводов держите в пределах трёх, а схему собирайте так: верх ёмкости - буферная ёмкость - конденсатор - насос.

Как организовать улавливание растворителя и конденсацию?

Ответ одной фразой: для составов с растворителем обязателен конденсатор, температура охлаждающей среды должна быть ниже температуры конденсации растворителя под вакуумом, а объём сборника - рассчитан на количество растворителя в партии.

Под вакуумом температура кипения растворителя снижается: этилацетат кипит при 77 °C при атмосферном давлении, но всего примерно при 45 °C при 20 кПа абсолютных. Если пар попадает прямо в вакуумный насос, он загрязняет масло, снижает глубину вакуума, а также создаёт потери продукта и угрозу безопасности. Правильная схема: после парового патрубка на крышке устанавливают кожухотрубный или пластинчатый конденсатор, охлаждающая вода 5-15 °C (для низкокипящих растворителей - охлаждённый рассол), а сконденсированный растворитель отводят в сборник. Площадь конденсатора оценивают по производительности испарения: примерно 0,1-0,2 м² на 1 кг/ч испаряемого растворителя, в зависимости от скрытой теплоты парообразования и разности температур охлаждающей воды. Сборник должен иметь указатель уровня и дренажный клапан; уловленный растворитель учитывают по партиям, а перед повторным использованием проверяют содержание воды и чистоту.

В каком порядке выполнять операции вакуумного диспергирования?

Ответ одной фразой: порядок такой - сначала загрузка, затем герметизация, ступенчатая откачка, пуск на малых оборотах и только потом выход на рабочую скорость. Сделаете шаг в обратном порядке - и аппарат переполнится или продукт уйдёт в вакуумную линию.

Практическая последовательность такова: при атмосферном давлении загрузите жидкую основу и порошок, порошок вводите в два-три приёма, дожидаясь смачивания каждой порции, чтобы внизу не образовались комки; после загрузки закройте крышку, затяните хомуты, убедитесь, что смотровое стекло и загрузочный клапан закрыты; затем включите насос и откачивайте ступенями - сначала примерно до -0,04 МПа и выдержите 2-3 минуты, наблюдая за поверхностью, и только если бурного вскипания нет, продолжайте до рабочего вакуума. Диск запускайте на малых оборотах (примерно 300-500 об/мин) на 1-2 минуты, чтобы продукт «привык», и лишь затем выводите на рабочую частоту, при которой окружная скорость диска обычно составляет 20-30 м/с. Если во время диспергирования поверхность продолжает подниматься к смотровому стеклу, немедленно снизьте обороты и немного приоткройте клапан сброса вакуума. В конце остановите диск, плавно сорвите вакуум (0,005-0,01 МПа/с) и открывайте крышку для отбора пробы или выгрузки только после того, как аппарат вернулся к атмосферному давлению. Смысл всего порядка в том, чтобы разнести откачку и набор оборотов: одновременное выполнение этих двух действий - самая частая причина переполнения.

Какое обслуживание необходимо?

Ответ одной фразой: обслуживание сосредоточено на трёх линиях - уплотнение, вакуум, привод. Короткая проверка каждую смену и полная - раз в месяц, и количество отказов резко снижается.

Каждую смену: перед пуском проверьте, что вакуумметр стоит на нуле, прокладка не пережата и не повреждена, диск закреплён и без видимого износа (заменяйте, если скол зуба больше 3 мм), направляющие подъёма смазаны. Во время работы прислушивайтесь к механическому уплотнению и следите, держится ли вакуум. Раз в месяц: осмотрите механическое уплотнение на износ и проверьте уровень затворной жидкости, замените масло вакуумного насоса и очистите входной фильтр, поверьте вакуумметр и термометр, подтяните хомуты крышки и болты соединений трубопровода. При длительном простоте осушите ёмкость и трубопроводы, снимите прокладки и храните отдельно, чтобы они не деформировались. Если вакуум внезапно перестал набираться, ищите в порядке: соединения трубопровода - механическое уплотнение - насос. Большинство утечек находится в соединениях и на уплотнительных поверхностях, а не в самом насосе.

Когда вакуумный диспергатор оправдывает затраты?

Ответ одной фразой: только три ситуации - когда пузырьки портят готовый продукт, когда нужно улавливать растворитель или когда продукт легко окисляется. Для обычного предварительного диспергирования достаточно открытой машины.

Случаи, когда вакуум нужен: краски и типографские краски, где пузырьки вызывают кратеры и проколы и портят вид покрытия; клеи и герметики, где из-за пузырьков страдает точность розлива; системы с растворителем, где растворитель нужно улавливать и снижать выбросы в цехе; а также легко окисляющиеся продукты, например некоторые электронные пасты, которые нужно диспергировать без доступа воздуха. Случаи, когда не нужен: крупнотоннажное предварительное диспергирование водных продуктов низкой вязкости и промежуточные суспензии, нечувствительные к пузырькам, - там открытый высокоскоростной диспергатор с баком быстрее и дешевле. Если нет уверенности, проведите пробу: диспергируйте одну и ту же рецептуру при атмосферном давлении и под вакуумом, сравните степень перетира (клиновым прибором) и состояние пузырьков после 24 часов отстаивания, затем принимайте решение.

Дополнительное чтение: - Как определить окружную скорость диска диспергатора: согласование частоты вращения, диаметра диска и степени перетира - Выбор смесительного оборудования для высоковязких материалов: от высокоскоростных диспергаторов к планетарным смесителям

Статья подготовлена компанией Hyline Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn), права на информацию принадлежат первоисточнику. Основная продукция: нержавеющие реакторы, смесительные резервуары, резервуары для хранения, диспергаторы, концентраторы и комплектное оборудование химических линий; поддерживается нестандартное изготовление.