Вакуум-сублимационная сушилка

 

Использование: техника вакуумной сублимационной сушки жидких материалов, обеспечивающая повышение дисперсности высушенного продукта и снижение энергозатрат. Сущность изобретения: сушилка содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 крышками, в котором размещены распыливающее устройство 4 (содержащее одну или несколько форсунок), коаксиально установленные десублиматор 5 и паропроницаемый экран 10. Десублиматор 5 выполнен в виде змеевика, участок которого в зоне размещения патрубка 13 откачки парогазовой смеси образован плотно прижатыми друг к другу витками и по высоте превышает диаметр патрубка, а экран 10 снабжен вертикальными щелевыми прорезями с отогнутыми козырьками, перекрывающими просветы прорезей в радиальном направлении. При этом десублиматор 5 и экран 10 установлены в корпусе 1 таким образом, чтобы величины зазоров между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью змеевика и между наружной поверхностью экрана и внутренней поверхностью змеевика были равны между собой, а отношение величины этих зазоров к диаметру трубы змеевика равно 1,5 - 3,5. 3 ил.

Изобретение относится к технике вакуумной сублимационной сушки жидких материалов и может быть использовано в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности для получения высокодисперсных порошковых продуктов.

Известна вакуум-распылительная сублимационная сушильная установка [1], содержащая вертикальный цилиндрический корпус с откачным патрубком, распыливающее и теплоподводящее устройства и размещенный в корпусе десублиматор. Однако указанная установка не позволяет получать высокодисперсный порошковый продукт с размером частиц 0,5 мкм и менее в силу невозможности реализации высоких скоростей замораживания. Ограниченность интенсивности процесса замораживания в рассматриваемой установке обусловлена асимметрией испарения: поток пара, выделяющегося с поверхности затвердевающей капли всегда направлен вниз, к десублиматору и средствам откачки. Векторы скорости капли и потока пара коллинеарны. При этом всегда имеет место дополнительное гидродинамическое давление потока пара на каплю, которое замедляет испарение и, следовательно, процесс замораживания.

Известна вакуумная сублимационная сушилка [2], содержащая вертикальный цилиндрический корпус с установленными в нем коаксиально десублиматором и паропроницаемым экраном. Сушилка предназначена для обработки материала, замороженного предварительно, вне вакуумной камеры. Дисперсность высушенного таким способом продукта, как правило, оказывается существенно ниже дисперсности продукта, полученного путем испарительного замораживания раствора с последующей сублимацией. Кроме того, в известной сушилке принята асимметричная схема эвакуации парогазовой смеси из камеры, что не позволяет сколь либо существенно повысить дисперсность высушенного продукта даже при проведении стадии замораживания непосредственно в сушильной камере.

Таким образом, возможности использования известных сублимационных сушилок для получения высокодисперсных порошковых материалов оказываются ограниченными.

Целью изобретения является повышение дисперсности высушенного продукта и снижение энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что в вакуум-сублимационной сушилке, содержащей вертикальный цилиндрический корпус с установленными в нем коаксиально десублиматором и паропроницаемым экраном и патрубок откачки парогазовой смеси, десублиматор выполнен в виде змеевика, участок которого, размещенный на уровне патрубка откачки парогазовой смеси, образован плотно прижатыми друг к другу витками и высота его превышает диаметр патрубка, при этом зазоры между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью змеевика равны между собой, отношение величин этих зазоров к диаметру трубы змеевика равно 1,5-3,5, экран выполнен с вертикальными щелевыми прорезями с отогнутыми козырьками, перекрывающими просветы прорезей в радиальном направлении, а сушилка снабжена вакуум-распыливающим устройством.

Выполнение десублиматора в виде змеевика, установленного коаксиально корпусу, позволяет организовать симметричное испарение с поверхности капель обрабатываемой жидкости и существенно уменьшить аксиальные потоки пара в установке. В этих условиях влияние сил лобового гидравлического сопротивления на падающую испаряющуюся каплю практически исключается, что приводит к увеличению интенсивности испарения, а значит и скорости замораживания. При этом повышается дисперсность продукта и сокращается необходимая для замораживания высота аппарата, т.е. его материалоемкость.

Выполнение змеевика с участком, образованным плотно прижатыми друг к другу витками, размещенным на уровне патрубка откачки парогазовой смеси и имеющим высоту, превышающую диаметр патрубка предотвращает унос частиц обезвоженного продукта в откачную магистраль, что не только сокращает потери продукта, но и повышает эффективность работы средств откачки за счет исключения загрязнения масла. Одновременно снижается проскок пара. При этом удается избежать увеличение металлоемкости и усложнения конструкции, имеющих место при использовании традиционных решений, например, в случае снабжения установки инерционным экраном-отражателем.

Снабжение установки цилиндрическим экраном с вертикальными щелевыми прорезями с отогнутыми перекрывающими их просветы козырьками позволяет, с одной стороны, организовать симметричное испарение потока пара, что, как отмечалось, повышает дисперсность продукта, с другой - обеспечивает равномерное использование теплоотводящей поверхности и одновременно предохраняет ее от теплового излучения со стороны теплоотводящего устройства. Это позволяет реализовать расчетные нагрузку на десублиматор и режим работы холодильной машины, что снижает энергозатраты на проведение процесса.

Кроме того, наличие экрана со щелевыми прорезями, проходное сечение которых в радиальном направлении перекрыто козырьками, установленного на одном уровне со змеевиком-десублиматором, предотвращает унос частиц обрабатываемого продукта из аппарата при одновременном обеспечении свободного симметричного обтекания десублиматора потока пара. Таким образом, создание гидродинамической обстановки в аппарате, обеспечивающей получение продукта высокой дисперсности, сопровождается уменьшением потерь продукта, т.е. материальных затрат на его производство.

Значительное влияние на положительный эффект оказывает выбор радиальных зазоров между внутренней поверхностью корпуса аппарата, змеевиком и экраном. В частности, выполненные авторами исследования показали, что система откачки и десублимации работает с наибольшей эффективностью, если величина каждого из указанных зазоров, отнесенная к диаметру трубы змеевика, лежит в пределах 1,5-3,5.

При значениях относительного зазора, меньших 1,5 скорость потока пара, омывающего змеевик в вертикальном направлении (сверху и снизу) возрастает настолько, что эффективность десублимации при продольном обтекании змеевика заметно снижается. При этом имеет место проникновение (проскок) пара во внутренние элементы средств откачки, что приводит к повышению давления в аппарате и снижению дисперсности продукта. Если же значение относительного зазора будет больше 3,5, то будет увеличиваться протяженность хвостового (по отношению к торцевым элементам змеевика) участка десублимации, где десублимат образуется в форме рыхлого слоя, слабо связанного с теплоотводящей поверхностью. В этом случае влага проникает в средства откачки в форме кристаллов, срывающихся с теплоотводящей поверхности змеевика под действием потока. Кроме того, в указанном случае для обеспечения необходимых давлений в аппарате и дисперсности продукта требуется увеличение высоты змеевика, что связано с дополнительными затратами.

На фиг. 1 показан общий вид установки, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2.

Установка содержит цилиндрический корпус 1, с верхней 2 и нижней 2 крышками, в котором размещены распыливающее устройство 4, десублиматор 5 и теплоподводящее устройство 6. Распыливающее устройство 4 может содержать одну или несколько форсунок (сопл) 7 и связано магистралью 8, введенной в установку вакуум-герметично, с ресивером 9 обрабатываемого раствора. Десублиматор 5 выполнен в виде цилиндрического змеевика и установлен в корпусе 1 коаксиально. Охлаждение десублиматора осуществляется хладагентом от холодильной машины. Десублиматор снабжен цилиндрическим экраном 10, по высоте равным высоте витковой части змеевика. Экран выполнен с вертикальными щелевыми прорезями 11 по всей высоте, каждая из которых снабжена отогнутым козырьком 12, перекрывающим площадь просвета щели в радиальном направлении. Для повышения равномерности распределения потока пара по теплоотводящей поверхности охлаждаемого змеевика, последний установлен с одинаковыми радиальными зазорами "а" между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью змеевика и между внутренней поверхностью змеевика и наружной поверхностью экрана, причем величины указанных зазоров, отнесенные к диаметру трубы змеевика должны находиться в пределах 1,5-3,5. Установка сообщается с откачной системой через патрубок 13, размещенный на уровне средней части змеевика - десублиматора. При этом змеевик выполнен со сплошной частью 14 на уровне откачного патрубка 13, образованной плотно сжатыми витками змеевика и имеющий высоту, большую диаметра откачного патрубка 13.

Теплоподводящее устройство 6 установки в представленном варианте выполнено в виде пластинчато-ребристого теплообменника, энергия к которому может подводиться, например от ТЭНа 15, установленного на нижней крышке 3 установки. Между теплоподводящим устройством 6 и экраном 10 установлена юбка 16, выполненная из мелкоячеистой металлической сетки. Нижняя крышка 3 установлена на подъемно-поворотном устройстве 17.

Установка работает следующим образом.

Обрабатываемый жидкий материал, например, водносолевой раствор, подается в отвакуумированную установку с охлажденным десублиматором из расходного ресивера 9 через магистраль 8. Вакуумраспыливающее устройство 4 обеспечивает устойчивый ввод жидкости в аппарат через одно или несколько сопл в виде потока капель. В вакууме при давлении более низком, чем давление тройной точки растворителя, капли быстро замораживаются в полете за счет интенсивного испарения растворителя их поверхности. При этом, благодаря наличию экрана 10 с щелевыми прорезями 11 и размещению откачного патрубка 13 на уровне средней части змеевика-десублиматора 5, а также рациональному выбору радиальных зазоров при установке десублиматора в аппарате реализуется близкое к симметричному течение пара, что предопределяет высокую скорость замораживания капель раствора. Как уже отмечалось, это приводит к повышению качества (дисперсности) продукта и технико-экономических показателей производства. Сформировавшиеся в результате замораживания капель гранулы заполняют межреберное пространство пластинчато-ребристого теплообменника 6. Юбка 16 из нержавеющей металлической сетки предотвращает потери продукта с уносом при обеспечении пропуска пара к десублиматору. В межреберном пространстве теплообменника 6 при двухстороннем подводе энергии к слою от ТЭНа 15 происходит сублимация льда из замороженных гранул. Расчетный режим работы десублиматора при этом обеспечивается экранированием его рабочей поверхности от теплового излучения теплоподводящего устройства. После завершения процесса сушки установки разгерметизируется, нижняя крышка 3 опускается, а при необходимости отводится от корпуса с помощью подъемно-поворотного устройства 17, и готовый продукт в виде гранулированного порошка выгружается из теплоподводящего устройства. При незначительном механическом воздействии на гранулы образуется тонкодисперсный порошок с высокой (от десятков до сотен м²/грамм) удельной поверхностью. После регенерации теплоотводящей поверхности десублиматора установка вакуумируется и технологический цикл повторяется.

Предложенная установка позволяет повысить дисперсность получаемого порошкового продукта за счет увеличения скорости испарительного замораживания обрабатываемого материала путем организации рационального режима испарения растворителя в вакууме.

При этом обеспечиваются равномерность использования теплоотводящей поверхности и оптимальные режимы сушки и десублимации, что имеет следствием снижение энергетических и материальных затрат.

Формула изобретения

ВАКУУМ-СУБЛИМАЦИОННАЯ СУШИЛКА, содержащая вертикальный цилиндрический корпус с установленным в нем коаксиально десублиматором и паропроницаемым экраном, патрубок откачки парогазовой смеси, отличающаяся тем, что десублиматор выполнен в виде змеевика, участок которого, размещенный на уровне патрубка откачки парогазовой смеси, образован плотно прижатыми друг к другу витками и высота его превышает диаметр патрубка, при этом величины зазоров между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью змеевика, а также наружной поверхностью экрана и внутренней поверхностью змеевика равны между собой, отношение величины этих зазоров к диаметру трубы змеевика равно 1,5-3,5, экран выполнен с вертикальными и щелевыми прорезями с отогнутыми козырьками, перекрывающими просветы прорезей в радиальном направлении, а сушилка снабжена вакуум-распыливающим устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3