方形真空干燥机的改进设计及研究
吕英杰
新乡拓新生化股份有限公司
河南 新乡 453731
摘 要：简要介绍了国内方形真空干燥机的发展及使用现状，分析了方形真空干燥机的工作原理及结构。从增加顶板加热装置、增加排水器、增加空气驱赶装置及改进烘架布热方式四个方面，对方形真空干燥机进行了改造，同时研究了改进后设备的安装、运行、试验、故障排除等相关问题，使得改进后的方形真空干燥机成为一种节能、干燥效率高、能有效保障产品质量的干燥设备。
关键词：方形真空干燥机；工作原理；改进设计；结构；试验
1 方形真空干燥机概述
方形真空干燥机是将被干燥的物料处于真空条件下进行加热，利用真空泵抽气抽湿，使工作室处于真空状态，大幅提升物料的干燥速率，同时节省能源。
由于真空状态下物料溶剂的沸点降低，所以方形真空干燥机适用于干燥热不稳定或热敏性物料。此外，由于真空干燥机具有良好的密封性，所以其又适用于干燥需回收溶剂和有强烈刺激、有毒气体的物料。
方形真空干燥机（图1）属于静态真空干燥器。物料进入干燥器内干燥时，处于静止状态，形态不会损坏，干燥前还可进行消毒处理。
1.1 国内方形真空干燥机的发展
人类应用干燥技术的历史悠久，我们的祖先早在6 000年前就开始运用干燥技术制盐、制陶，利用太阳光和风力对谷物和食品进行干燥。可以说，干燥技术从诞生起就一直是人类发展生产、改善生活的重要手段。我国第一台方形真空干燥机于1986年诞生，经过多年的不断完善，于1999年经长沙科学仪器研究所颁布了新的方形干燥机标准，并于2000年在国内执行该标准。多年来，方形真空干燥机得到广泛应用。
（1）医药工业方面：中间体、成品的粒状干燥、混合及溶剂回收；
（2）食品工业方面：调味料、干果、食品原料的干燥及原料混合；
（3）饲料工业方面：合成饲料、生物蛋白酶、添加剂的干燥，混合溶剂的回收；
（4）化学工业方面：有机/无机类、化学品、农药、颜料和染料等粉/颗粒中间体的干燥。
1.2 方形真空干燥机的使用现状
目前，市场上普遍使用的方形真空干燥机，存在以下几个缺陷：
（1）物料干燥不均匀。当设备正常生产时，按工艺设定时间和温度，达到一定的时间时，上、下层物料干燥不均匀，比如当水蒸气撞击到箱体内壁时，很容易在箱壁出现凝结的水珠，特别是顶板上的水珠常回滴到顶层物料盘内，影响物料干燥质量。
（2）在干燥过程中箱体底部有积水。传统真空干燥箱运行时，由于箱内呈真空状态，无法带负压排水，箱体底部的积水，一部分再度二次蒸发，一部分需停机后排出。这样会延长加热时间，影响产品质量。
（3）干燥效率低。传统的真空干燥箱，物料中所蒸发出来的水蒸气，靠抽吸后形成的箱内压差而移动，到达干燥后期时，由于蒸发速率下降，箱内水汽移动速度减缓，积聚在物料上层的水汽进而影响物料的干燥效率。
（4）无惰性气体保护装置。传统的干燥箱没有设计惰性气体保护装置，而实际生产中为防止产品氧化，需惰性气体对其进行保护。
2 方形真空干燥机的工作原理及结构
2.1 工作原理
在方形真空干燥机中设有穿流式烘架，使被干燥物料处于真空状态，在一定温度下进行干燥，根据物料的热敏性，可选择热水型和蒸汽型两种恒温恒湿方式进行加热。
水在不同的外界压力下开始沸腾的温度也不同，当真空箱内维持一定的真空度时，水可以在远低于100 ℃的温度下沸腾蒸发，而且真空度越高，水开始沸腾的温度越低。
图2为方形真空干燥机工艺流程。
2.2 结构设置
以FZG-15A型方形真空干燥机为例，其结构及系统组成如下：
2.2.1 真空箱体
真空箱体实际为方形外压式压力容器，为保证其承压强度，箱体采用低碳钢板及加强筋焊接而成。箱体内壁表面全方位复焊不锈钢薄板，同时在箱体顶部配有蒸汽灭菌口。
2.2.2 物料装载盘
装载盘为全不锈钢材质，尺寸为长640 mm、宽460 mm、高45 mm，每台干燥箱配备48只物料盘。
2.2.3 真空抽吸系统
真空抽吸系统由水环式真空泵及其与箱体连接的管道组成。设备共设两个真空抽吸口，一个位于箱体顶部，另一个位于箱体侧面，用户可根据需要选择使用。在侧面真空抽吸管的正对面设有空气驱赶装置（也称曝气装置）。在干燥后期，用户可根据需要进行曝气操作。
2.2.4 加热与冷却系统
加热与冷却系统由全不锈钢列管烘架、热水箱、冷水箱、热水泵及管路组成，利用水作为热量载体（或冷源）对物料进行加温或冷却。热水箱配有电加热及蒸汽加热两种装置，用户可以根据需要选择使用。两种加热装置均带有数显式温度仪及热源自控设备。
3 FZG-15A方形真空干燥机的改进
3.1 方形真空干燥机的结构改进设计
FZG-15A型方形真空干燥机是在标准干燥机型基础上改进而来的，两者的机械结构基本一致。现针对产品有惰性气体保护的要求以及提高产品质量和生产效率的新要求，主要从以下四个方面进行改进设计。
3.1.1 增加顶板加热装置
在真空干燥箱内部，由于对流传热处于次要状态，箱体内壁的温度始终低于物料所蒸发出的水蒸气温度，当水蒸气撞击到箱体内壁时，很容易在箱壁出现凝结的水珠，特别是顶板上的水珠，又常回滴到顶层物料盘内，影响物料干燥质量。因此，有必要对顶板进行加热，以有效避免顶板凝结水珠的现象。
顶板加热装置的设计：在干燥箱的顶板外部焊接U型加热盘管，让加热盘管与顶板接触，实行热传动，以对顶板进行加热，使干燥箱的顶板保持一定的温度，这样箱内物料蒸发出来的水蒸气向上运动接触到干燥箱顶板，就不会因为冷热对接而出现水珠等结露现象。
图3为顶板加热装置结构。
3.1.2 增加排水器
传统方形真空干燥机在运行时，由于箱内呈真空状态，无法带负压排水，箱体底部的积水，一部分再度二次蒸发，一部分需停机后排出。因此，有必要加装排水器，可在设备运行中定期将箱内积水排至箱外，这种排水器（图4）可在市场上进行采购。
3.1.3 增加空气驱赶装置（曝气装置）
传统的方形真空干燥机，物料中所蒸发出来的水蒸气，靠抽吸后形成的箱内压差而移动。到达干燥后期时，由于蒸发速率下降，箱内水汽移动速度减缓，积聚在物料上层的水汽进而影响物料的干燥。因此，有必要加装空气驱赶器，可以在箱体的一侧骤然进气，将物料上层积聚的水汽驱赶至箱体另一侧，并通过对称的真空抽吸管迅速抽至箱外，从而提高干燥效率。
利用空气驱赶装置，用户在实际生产使用过程中，单批物料的干燥时间较原生产工艺缩短30%以上，干燥效率大大提高。
同时，曝气气体采用氮气等惰性气体，这样可以避免曝气气体对所干燥物料的影响，如发生氧化等，而且曝气气体经过加热器进行加热，避免了冷态气体对干燥物料的影响。
图5为氮气加热装置。
3.1.4 改进烘架布热方式
烘架是物料干燥时的热源，箱内共布置上下八层，传统的方形真空干燥箱热水从底层进入，逐层串联后经最上层排出，由于热水逐层降温，导致箱内底层与上层蒸发速率不同，造成干燥不均匀性。为此我们对烘架进行了改进，采用八层并列且里外交错的进水方式，进出水温差缩小，相对提高了布热的均匀性，整箱物料干燥的均匀程度提高了很多。
根据我司的实际使用，该种改进后的加热形式可以使干燥物料的特性基本保持一致，使物料的颜色、形状和水分等偏差达到最小。
改进后的烘架布热方式如图6所示。需说明一点，干燥箱箱体背面留有标准视镜孔1个、验证孔1个，以便检验使用；背面还留有温度检测孔1个。
3.2 设备改进后的优点
经改进设计，FZG-15A型方形真空干燥机在保持原有机型特点的基础上，还具有以下优点：
（1）实用性增强，适应多种产品的使用要求；
（2）解决了底部积水的问题，缩短干燥时间，有效保证产品质量；
（3）节约能源，提高生产效率；
（4）适用于惰性气体保护下的产品生产。
3.3 设备改进后的安装要求
（1）以FZG-15A型方形真空干燥机为例，设备应置于平整、易清洗的硬质地面上，单台箱体满载时的最大荷重应按3 500 kg考虑，一般不布置地脚螺栓。设备制作时已经考虑了底部排水倾斜角，用户无需另加基础。
（2）设备应按使用说明书的附图布置。其中，高度空间不小于3 m，相邻两台机组以及机组与墙体之间应留有足够的过人与操作通道。
（3）所有管路附件均应密闭无泄漏。
（4）以FZG-15A型方形真空干燥机为例，由于水环真空泵工作时需连续加水（约0.4 m3/h），回水流经冷水箱排出系统外，因此车间内需设排水沟一条。
3.4 设备改进后的调试与运行
以FZG-15A型方形真空干燥机为例，当所有设备组装完成以后，即可进行设备调试。
（1）关闭真空箱门进行抽真空试验，当箱内空载时，真空表读数应达0.095 MPa，如有泄漏，应予以排除。
（2）在冷水管路试运行时，在热水箱内加入一定量的冷水后，开动供水泵，回水应畅通，且全部管路无泄漏点。
（3）热水箱加热及温度自控调试：在数显温度计上预设一温度，然后开启热源（电或蒸汽任选一种），观察水温达到预设温度时能否自动切断热源。特别提醒的是，水温过高，水泵抽吸时容易在泵壳内产生气化而形成气穴现象，因此无特殊要求时，建议热水温度控制在70 ℃以下。
（4）冷水箱内初装水量：由于水环真空泵的排水经汽水分离器后，直接流入冷水箱内。因此，冷水箱第一次充水时，仅需装入1/2即可。在正常生产时，一次水先进入真空泵内，然后进入冷水箱，多余冷水从冷水箱溢流排出，形成冷水箱的连续换水过程。
（5）投料试生产：投料前需先对箱体进行消毒灭菌处理，可打开蒸发消毒阀门对箱体内进行消毒处理，此外应同时调节箱顶安全阀，保证箱内正压不超过0.1 MPa。
以上调试运行工作完毕即可按生产工艺进入生产阶段。
3.5 设备改进后的试验
我司某一产品的工艺干燥温度为（65±5）℃，需在7 h内完成干燥。产品进入箱体时的水分为15%，要求干燥后水分达到1%。
试验用仪器：时钟1只、水分测定仪1台、取样器1只、天平1台。
用改造后的设备进行试验和验证，测试步骤如下：
（1）将检测好的水分为15%的40 kg物料均匀装入设备内，将门关闭，并对设备进行开机前检查；
（2）按设备操作规程设定并开机；
（3）温度升至工艺规定的温度后开始记时；
（4）每干燥1 h用取样器进行取样，每次取样5 g，并观察设备底部有无积水，每小时通过视窗检查设备顶部有无水珠挂壁；
（5）取样后进行检测，并记录数据；
（6）直至检测水分数据≤1%时，按设备操作规程进行停机。
设备改造前后的试验数据对比如表1所示。从表1可知：设备经改造后，设备顶部不再有水珠挂壁，落入产品中；设备底部积水在生产过程中顺利排除，同时缩短了干燥时间，效率提高了将近30%，更有效地保证了产品质量。
此外，我们又对设备干燥温度的均一性进行了验证。设备改进后的验证温度偏差为±2 ℃，改进前的温度偏差为±5 ℃。由此可见，改进后的设备可以提高温度的均一性，使干燥物料的特性基本保持一致，使物料的颜色、形状和水分等偏差达到最小。
3.6 设备的常见故障分析及排除
FZG-15A型方形真空干燥机的常见故障分析及排除如表2所示。
3.7 设备配置清单
3.7.1 主机
FZG-15A型方形真空干燥箱1台。
3.7.2 辅机
HRG-50热水泵1台、ZSK-1.5A水环真空泵1台。
3.7.3 附属设备
500 L电/汽加热两用型热水箱1只、1 250 L冷水箱1只、电控箱1台。
3.7.4 管路、仪表、阀门
（1）仪表：箱内温度表1只、真空表1只、回水温度表1只、数显式热水温度计1只（组装于电控箱上）。
（2）真空管路：φ57管路一套、Dg50球阀3只、Dg50止回阀1只、汽水分离器1只。
（3）冷热水循环管路：φ57管路一套、Dg50球阀4只。
（4）蒸汽灭菌管路：Dg25球阀1只、Dg20（0.1～0.2 MPa）安全阀1只。
（5）一次水系统：Dg15电磁阀1只、Dg20球阀1只、Dg15球阀1只。
（6）蒸汽加温系统：Dg20电磁阀1只、Dg20球阀1只。
3.8 干燥强度试验方法简介
3.8.1 要求
干燥器在正常工作状态下，干燥器内温度在90 ℃时，干燥强度应≥7.2 kg/（m2·h）。
3.8.2 试验配用设备
按干燥器的型号配备烘盘、计时钟表、计量秤（准确度为III级）。
3.8.3 试验步骤
（1）用烘盘盛洁净水，净水高度为烘盘高度的3/5；
（2）用磅秤称重所有盛水烘盘，记下总质量G1,然后放在烘架上进行工作；
（3）干燥器在正常工作状态下，通入蒸汽并启动真空泵，当真空度为-0.096 MPa、加热温度显示为80 ℃时，记下时间t1，加热时间不少于1 h，打开干燥器门，记下干燥结束的时间t2，取出烘盘；
（4）把加热蒸发后的盛水烘盘放在磅秤上称量，记下质量G2。
3.8.4 试验结果
干燥器的干燥强度（W）按下列公式计算：
W=（G1-G2）/[（t2-t1）S]
式中 W——干燥强度，kg/（m2·h）；
G1——干燥前盛水烘盘总质量，kg；
G2——经干燥后盛水烘盘的质量，kg；
t1——干燥试验的起始时间，h；
t2——干燥试验结束时的终止时间，h；
S——干燥器干燥蒸发面积，m2。
4 结语
本文从增加顶板加热装置、增加排水器、增加空气驱赶装置及改进烘架布热方式四个方面，对方形真空干燥机进行了改进，同时研究了改进后设备的安装、运行、试验、故障排除等相关问题。可以说：（1）针对工艺发展和物料的新要求，改进了顶部加热装置的机械结构，保证了产品质量；（2）结合物料的特殊性，对主机充氮装置进行了改进设计，保证了物料在惰性气体保护下的安全生产，拓展了设备适用性；（3）增加的空气驱赶装置使得单批物料的干燥时间较原生产工艺缩短30%以上，干燥效率大大提高。
因此，改进后的方形真空干燥机具有较强的可实施性，对相关设备的进一步研究具有一定的参考价值。该方案的实施必将产生较大的经济效益和社会效益，对低温真空干燥箱的推广起到积极的推动作用，为用户节约了大量能源。
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