精密真空干燥试验箱

[color=#990000][b]摘要：针对目前普通真空烘箱在干燥细粉中存在污染系统和扬尘排出等安全隐患问题，特别是针对客户提出的真空干燥箱技术改造要求，本文提出了烘箱真空度程序控制的解决方案。解决方案的核心是要实现真空烘箱的受控冲洗和排放循环，更重要的要使烘箱真空度随时间有个缓慢且可控的变化过程，而这个变化过程可根据不同干燥细粉工艺进行任意设定。本文还详细介绍了解决方案中相应配套装置的关键技术参数和功能。[/b][/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size][/b]真空干燥是一种将物料置于真空负压条件下，并适当通过加热达到负压状态下的沸点或者通过降温使得物料凝固后通过溶点来干燥物料的干燥方式。常见的干燥器类型主要包括托盘、流化床、喷雾、旋转和真空烘箱干燥器等。真空干燥过程是在与真空泵相连的密闭腔室内进行，而真空烘箱则是利用温度和真空压力的平衡来降低腔室内和被干燥产品的湿度。该技术是用于热敏、吸湿和/或有毒粉末和颗粒的最常见的实验室、研究和工业干燥。常用干粉的行业包括：制药、食品加工、塑料和化学加工。对于细粉的真空干燥，常出现的问题之一是无论采取何种类型的干燥设备，干粉都会在干燥机内的各个位置或真空泵等下游工艺设备中堆积成块状或层状物，从而影响真空泵的正常运转和使用寿命。如果细粉从真空泵中排出，还会引起其他潜在的危险问题出现。最近有真空烘箱厂家明确提出要对现有的真空烘箱进行技术升级，要求我们提供相应的技术配套措施以彻底解决真空烘箱在干燥细粉过程中出现的上述问题。本文将对相应的解决方案进行详细介绍，解决方案的核心是要实现真空烘箱的受控排放，使烘箱真空度有个缓慢且可控的变化过程。本文还详细介绍了解决方案中相应配套装置的关键技术参数和功能。[size=18px][color=#990000][b]二、解决方案[/b][/color][/size]在真空干燥细粉的工艺中不产生扬尘和堆积成块的现象，需要采取两方面的措施：（1）控制排放：在真空箱体内引入少量干燥空气或氮气以去除箱体内的水蒸气，也可以同时进行加热，这样通过排气/进气的循环冲洗会有助于加快干燥过程。但在干燥细粉时，如果不控制排气，此过程也可以冲洗掉细粉，因此要采用精密可控的抽气阀来进行微小排气流量控制。（2）控制真空：干燥过程的真空度变化一定要精密可控，特别是随着干燥时间的延长，真空度变化越要缓慢，以避免可能产生扬尘并被带到干燥机外的空气中。由此可见，解决细粉真空干燥问题的关键是要实现真空度的程序控制，真空度控制程序包括线性变化和恒定两种，而且控制程序可以任意设定，由此可进行各种不同的真空干燥工艺。按照真空度程序控制思路设计的真空烘箱技术改造方案如图1所示，整个真空控制系统主要包括进气电动针阀、排气电动球阀、真空计、可编程PID控制器和真空泵，PID控制器分别调节进气针阀和排气球阀的开度大小来实现箱体内真空度按照设定程序进行变化。[align=center][img=01.干燥箱真空线性控制系统结构示意图,690,434]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210241814336548_5671_3221506_3.png!w690x434.jpg[/img][/align][align=center]图1 真空烘箱可编程真空度控制系统结构示意图[/align]对于细粉干燥过程的真空度控制，关键是要使得真空度按照某个设定的速率进行变化，该速率将在较长的一段时间内（如10-20分钟）将烤箱内的真空度从大气压缓慢降低到所需的低压压力。所谓速率是单位时间内的变化量，如 10Torr/min 斜率代表真空度在1分钟内逐渐变化10Torr 。对于我们一位客户的干燥粉末工艺，他们选择了大约 -150 Torr/min 的降压速率，他们将从 750 Torr 开始，一分钟后压力达到 600 Torr，然后下一分钟达到 450 Torr等，直到达到他们设定的目标压力。在目标压力达到后，也可以继续在目标压力处进行自动恒定控制。这样，通过这种自动化的真空度控制方式，可确保在干燥过程中粉末不会进入真空泵。此细粉干燥工艺用真空度控制系统具有以下特点：（1）普通细粉干燥工艺对最终达到的真空度要求并不是很高，真空度变化范围一般也只在10Torr~1个大气压的区间内，这时的真空度控制系统只需配备一只真空计就可覆盖所需压力变化范围。如果要求在更高的真空度下进行干燥，如0.1Torr~1个大气压范围，如图1所示，控制系统则需要配备两只真空计才能实现全量程真空度的精密测量和控制。（2）所用的真空度控制器是一台高精度的双通道控制器，每个通道都具有独立的PID自动控制功能。每个通道都是24位AD和16位DA，双精度浮点运算和最小输出百分比为0.01%。控制器具有RS485通讯和标准MODBUS协议，配备的测控软件，可遥控操作和存储显示测试曲线。（3）在如图1的真空度控制系统中，分别在进气口和排出口出配备的电动针阀和电动球阀，控制器自动调节针阀和球阀的开度来实现真空度的精密控制。在低压范围的真空度控制过程中，一般是将负责下游排气的电动球阀调节为始终的全开状态，通过电动针阀来调节进气流量实现真空度控制；在高压范围的真空度控制过程中，一般是将负责上游进气的电动针阀调节为某一开度并保持固定不变，通过下游的电动球阀来调节排气流量实现真空度控制。另外，这里所配备的电动针阀和电动球阀都属于高速阀门，从全闭到全开用时都小于1秒以内，非常适合真空度的动态控制需要，采用0~10V或4~20mA模拟信号可以直接驱动这两种电动阀门，且这两种阀门都有较低的真空漏率，适用于各种密闭设备的高真空要求。总之，本文所述的可编程真空度控制解决方案技术成熟很高，经过了大量试验，验证了此方案的可行性和可靠性，真空度控制精度可以很轻松的达到±1%以内，可彻底解决真空烘箱中干燥细粉所带来的扬尘和结垢问题，此方案也已在众多其他真空设备和工艺中得到了应用。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[color=#990000]摘要：针对目前国内真空微波干燥技术研究和设备中普遍存在控制设备简陋、真空度控制效果差，产品质量普遍不佳等问题，本文提出了相应的解决方案，介绍了可用于真空微波干燥的集成式真空度、温度和转速控制器，介绍用于气体流量调节的步进电机驱动的耐腐蚀数控针阀和电动球阀，可很好的对真空微波干燥过程进行精密控制。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、问题的提出[/color][/size]真空微波干燥是微波加热技术与真空技术相结合的一种新型微波能应用技术，它兼备了微波加热干燥及真空干燥的优点，同时克服了常规真空干燥温度高、时间长、能耗大的缺点，在物料干燥过程中，干燥温度范围一般为30~60℃，真空度范围一般为0.01~95kPa，具有干燥产量高、质量好、加工成本低、能耗低，同时通过温度和真空度控制可以精确控制水分等优点。此外在低温低压下干燥时氧含量低，被干燥物料氧化反应减弱变缓，从而保证了物料的风味、外观和色泽，易于干燥热敏性物料，特别是对中药提取物浸膏、肉类食品、化工原料、水果和农产品的低温干燥，具有独特的优势。由于真空微波干燥技术利用了低压下水分沸点变低的原理，同时结合了微波加热快速、均匀和能耗低的特点，所以真空度、温度和转速是真空微波干燥技术应用中的三个关键控制参数。在目前国内的真空微波干燥技术应用中普遍存在控制设备粗糙，真空度控制效果差，产品质量普遍不佳的问题，主要体现在以下几个方面：（1）对于不同物料，干燥过程中所需的真空度、温度和转速完全不同，真空度的变化范围非常宽泛，如从0.01kPa至95kPa，因此需要具备宽量程范围内真空度的准确测量和控制能力，对于不同真空度，需要不同的控制方法。（2）真空度的变化会对蒸发温度产生严重影响，而微波加热后的温度变化又会引起真空度的快速升高，真空度与温度是一组相互影响的变量。为了保证产品质量，要求真空度控制具有较快的响应速度，使得干燥过程中的真空度始终恒定而不受温度变化的影响，同时恒定后的真空度波动率要小。（3）除了需要同时控制真空度和温度（微波加热功率）之外，为保证微波加热物料的均匀性，还需对旋转速度进行选择和控制。（4）因为不同物料需要不同的PID控制参数和工艺参数，所以要求控制器具备多程序和多参数存储功能，便于使用过程中的随时调用，以提高整个干燥过程的自动化水平。本文将针对上述问题，提出相应的解决方案，并将介绍可用于真空微波干燥的集成式真空度、温度和转速控制器，介绍用于气体流量调节的步进电机驱动的耐腐蚀数控针阀和电动球阀，由此可很好的对真空微波干燥过程进行精密控制。[size=18px][color=#990000]二、真空微波干燥控制方案[/color][/size]真空微波干燥过程中需要对真空度、温度和转盘速度进行精密控制，目前国内常用的控制方案普遍比较简陋，这里提出的改进方案如图1所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,690,426]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110134267987_3371_3384_3.png!w690x426.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图1 真空微波干燥中的真空度控制系统结构示意图[/align]在图1所示的真空度控制系统中，采用了与以往真空度控制不同的方法，即在真空腔室上增加了一路进气通道，并采用了响应速度较快的数控针阀、电动球阀和高精度多通道控制器。此方案具有以下两项突出特点：（1）可实现真空度在0.01~95kPa范围内的精密控制，具有小于±1%的波动率。具体实施是真空度小于10torr时的控制采用上游模式，即全开电动球阀后调节数控针阀；真空度大于10torr时的控制采用下游模式，即恒定数控针阀开度后调节电动球阀。同时，快速响应型阀门和控制器能保证温度变化对真空度的影响最小。（2）配备的2通道集成式PID控制器，可实现对真空度、温度和转盘速度的同时控制。2个独立通道用于真空度和温度的测量、控制和显示，报警输出通道可用于控制转盘速度或旋转电机启停。[size=18px][color=#990000]三、24位高精度多功能控制器[/color][/size]为实现真空微波干燥中真空度、温度和转速的精密控制，目前我们已经开发出VPC-2021系列24位高精度可编程PID通用型控制器，如图2所示。此系列PID控制器功能十分强大，且性价比非常高。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,650,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110134429311_283_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 VPC-2021系列高精度PID程序控制器[/color][/align]VPC-2021系列控制器主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）最高采样速度：50ms。（3）多种输入参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可连接各种温度和真空度传感器进行测量、显示和控制。（4）多种输出形式：16位模拟信号 、2A (250V AC)继电器、22V/20mA固态继电器、3A/250VAC可控硅。（5）多通道：独立1通道或2通道输出。2通道可实现温度和真空度的同时测控，报警输出通道可用来控制旋转电机。（6）多功能：正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。（7）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。（8）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。（9）显示方式：数码馆和IPS TFT真彩液晶。（10）软件：通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。（11）外形尺寸：96×96×87mm(开孔尺寸92×92mm)。[size=18px][color=#990000]四、步进电机驱动耐腐蚀高速数控针阀[/color][/size]为实现真空度控制过程中的高精度调节，我们在针阀基础上采用数控步进电机开发了一系列不同流量的电子针阀，如图3所示。此系列数控针阀的磁滞远小于电磁阀，并具有1秒以内的高速响应，特别是采用了氟橡胶（FKM）密封技术，使阀门具有超强的耐腐蚀性，详细技术指标如图4所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,400,342]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110134582677_2587_3384_3.png!w599x513.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 国产NCNV系列数控针阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,690,452]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110135151268_1615_3384_3.png!w690x452.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 国产NCNV系列数控针阀技术指标[/color][/align]NCNV系列数控针阀配备了一个步进电机驱动电路模块，给数控针阀提供了所需电源和控制信号，並以将直流信号转换为双极步进电机的步进控制，同时也可提供 RS485 串口通讯的直接控制，其规格尺寸如图5所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,690,219]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110135329321_2525_3384_3.png!w690x219.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 NCNV系列数控针阀驱动模块及其尺寸[/color][/align]真空微波干燥中使用数控针阀时，也可采用开环控制方式将针阀安装来真空泵前端代替电动球阀，通过调节抽气流量来实现真空度的控制，但这种开环控制方式的稳定性差，难达到较高的稳定性要求。所以一般建议采用图1中的闭环控制方式，即在真空腔室上增加一路进气控制阀，通过同时调节进气流量和排气流量实现真空度的精密控制。[size=18px][color=#990000]五、高速电动球阀[/color][/size]LCV-DS系列电动球阀是一款微型电动球阀，其执行器和阀体的一体化设计减小了外形体积，如图6所示，常安装在密封容器和真空泵之间用于调节排气速率。LCV-DS系列电动球阀的技术指标如图7所示。[align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,350,403]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110136015663_2207_3384_3.jpg!w527x608.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 LCV-DS系列电动球阀[/color][/align][align=center][color=#990000][img=微波真空干燥,500,571]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/02/202202110136235981_3520_3384_3.jpg!w690x789.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 LCV-DS系列电动球阀技术指标[/color][/align]不同于传统电动球阀，LCV-DS系列电动球阀具有以下突出特点：（1）具有小于7秒的较快响应速度，特殊订制可将响应速度提高到1秒以内。（2）密封性能良好，防护等级IP67，可用于低压和真空范围内的气流调节。（3）采用铜加不锈钢齿轮设计，精度高输出力矩大。（4）外型小巧，结构紧凑，安装简易，适用于设备的小型化。（5）运行电流低，可以使用电池供电。（6）寿命长达7万次到10万次。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]