Способ сушки термолабильных материалов

 

Способ предназначен для сушки и измельчения дисперсных термолабильных материалов, в том числе вязких и комкующихся. Сушку осуществляют путем отвода паров влаги из сушильного пространства при непрерывном механическом побуждении, причем источником энергии десорбции влаги является энергия упругопластической деформации, вносимая механическим побудителем. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к области сушки различных материалов, преимущественно термолабильных.

Известен способ сушки термолабильных материалов путем десорбции влаги из материала за счет энергии упругопластической деформации, вносимой механическим побудителем, и отвода паров влаги из сушильного пространства. При этом на десорбцию влаги используется энергия, подводимая кондуктивным путем через стенки корпуса аппарата и частично от механического побудителя. Перемешивание и механическое побуждение высушиваемого материала осуществляется вибратором. Измельчение материала осуществляется с помощью мелких тел - шаров [1].

Недостатком этого способа является низкая интенсивность процесса сушки вязких пастообразных материалов с высокой адгезионной способностью. Десорбция влаги из внутренних слоев материала невозможна, испарение происходит только с открытой верхней поверхности. Подвод энергии к внутренним слоям материала также крайне ограничен вследствие малой теплопроводности высушиваемого материала. Основным источником энергии, подводимой к материалу на десорбцию влаги, является теплообменная поверхность корпуса, что ограничивает скорость сушки и увеличивает общие затраты энергии на процесс сушки. Перемешивание высушиваемого материала за счет вибрации успешно реализуется при хорошей сыпучести и малой адгезионной способности материала. Подвижность вибрирующих шаров в вязкой среде незначительна, и относительного движения материала и мелющей насадки не происходит. Предлагаемая конструкция механического побудителя не позволяет получать порошки высокой дисперсности.

Наиболее близким является способ вакуумной сушки пастообразных материалов, реализованный в вакуумной сушилке [2]. Данный способ сушки термолабильных материалов осуществляют путем десорбции влаги из материала за счет энергии упругопластической деформации, вносимой механическим побудителем, и отвода паров влаги из сушильного пространства. При этом на десорбцию влаги используется энергия, подводимая кондуктивным путем через стенки корпуса аппарата и частично от механического побудителя.

Интенсификация процесса сушки достигается за счет ввода механической энергии, затрачиваемой на непрерывное перемешивание и дробление комков высушиваемого материала побудителем - мешалкой.

Недостатком этого способа сушки является низкая интенсивность процесса десорбции влаги и высокая энергоемкость процесса, вследствие ограниченной площади теплообменной поверхности (равной площади контакта нижнего слоя материала с камерой) и малой площади поверхности массоотдачи (равной площади верхнего слоя насыпного материала). Десорбция влаги из внутренних слоев материала в этом устройстве также невозможна, испарение происходит только с открытой верхней поверхности насыпного слоя материала. Подвод энергии к внутренним слоям материала также ограничен, вследствие малой теплопроводимости высушиваемого материала. Основным источником энергии, подводимой к материалу на десорбцию влаги, является теплообменная поверхность корпуса, что ограничивает скорость сушки. Выполнение механического побудителя жестким приводит к жесткому заклиниванию материала между рабочими поверхностями или между корпусом и механическим побудителем, что энергетически нецелесообразно, т.к. в этом случае на привод механического побудителя требуется значительная мощность, и вводимая энергия за счет трения переходит в теплоту нагрева не только материала, но и корпуса и, в конечном итоге, рассеивается в окружающую среду. Предлагаемый способ механического побуждения не позволяет получать порошки высокой дисперсности.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение интенсивности и снижение энергоемкости процесса сушки термолабильных материалов за счет внутреннего разогрева, интенсивного перемешивания и тонкого измельчения высушиваемого материала.

Технический результат достигается тем, что в способе сушки термолабильных материалов путем десорбции влаги из материала за счет энергии упругопластической деформации, вносимой механическим побудителем, и отвода паров влаги из сушильного пространства, согласно изобретению, на десорбции влаги используют энергию внутреннего разогрева материала, выделяемую при упругопластической деформации высушиваемого материала в сходящихся клиновых пространствах между рабочими поверхностями механического побудителя.

Допустимо также, что в способе, согласно изобретению, деформацию высушиваемого материала осуществляют путем сжатия со сдвигом и наложения на него виброколебаний рабочих поверхностей механического побудителя.

Допустимо также, что в способе, согласно изобретению, в качестве источника энергии, затрачиваемой на десорбцию влаги, используют энергию разогрева рабочих поверхностей механического побудителя, выделяемой при его упругой деформации.

Допустимо также, что в способе, согласно изобретению, в качестве механического побудителя используют по крайней мере одну кинематически деформируемую пружину, образующую при ее деформировании сходящиеся клиновые пространства между витками пружины и корпусом.

Допустимо также, что в способе, согласно изобретению, в качестве механического побудителя используют по крайней мере одну кинематически деформируемую тонкую упругую оболочку, образующую при ее деформировании сходящиеся клиновые пространства с корпусом.

Технический результат, получаемый при организации подвода внешней механической энергии непосредственно к тонким слоям материала, заклиниваемого в сходящихся клиновых пространствах, и расходуемой на десорбцию влаги, заключается в значительной интенсификации процесса сушки и снижении его энергоемкости. Процесс десорбции в данном случае осуществляется за счет внутреннего разогрева материала. Материал постоянно деформируется и разрушается, что предотвращает образование плотной корки в случае самозамораживания и обеспечивает постоянное обновление и увеличение поверхности массоотдачи. Внутренний разогрев материала обеспечивает совпадение температурного и влажностного градиентов (изнутри - наружу), уменьшая общее диффузионное сопротивление массопереносу и увеличивая движущую силу процесса сушки. Хорошее перемешивание и тонкое измельчение способствует достижению высоких значений коэффициентов тепло- и массопереноса. Трансформация механической энергии в тепловую достигается при упругопластической деформации высушиваемого материала в сходящихся клиновых пространствах.

При сжатии материала с одновременным сдвигом развиваются максимальные значения касательных и нормальных напряжений в объеме высушиваемого материала, что способствует тонкому измельчению и равномерному его разогреву. При наложении на высушиваемый материал виброколебаний увеличивается его подвижность и уменьшается энергия, затрачиваемая на его разрушение.

Использование на десорбцию влаги энергии разогрева рабочих поверхностей механического побудителя, выделяемой при его упругой деформации, позволяет рассредоточить источник энергии по всему объему материала и многократно увеличить площадь теплообменной поверхности.

В предлагаемом способе сушки в качестве механического побудителя предлагается использовать различные упругие элементы: цилиндрические, конические, прямоугольные и другие виды пружин, пластины и рессорные ленты, цилиндрические, конические, сферические и другие виды тонких оболочек, совершающих различные виды колебаний (круговые, возвратно-поступательные, планетарные и т.п.) от внешнего привода через кинематические связи. При этом, за счет упругой деформации, рабочие поверхности механического побудителя разогреваются и служат источником тепловой энергии десорбции влаги, в то же время они служат источником механической энергии деформации высушиваемого материала, развиваемой на фоне поличастотного спектра собственных и вынужденных колебаний высокой частоты.

При заклинивании высушиваемого материала в сходящихся клиновых пространствах между упругими рабочими поверхностями механического побудителя или между поверхностью побудителя и корпусом не происходит жесткого заклинивания и истирания. Податливая упругая поверхность механического побудителя обеспечивает наименьшее сопротивление движению побудителя в среде материала при максимальной эффективности трансформации энергии внутри высушиваемого материала и минимальных внешних потерях энергии на трение.

При сушке сыпучих зернистых материалов или материалов, приобретающих такие свойства при замораживании, целесообразно в качестве механического побудителя использовать дугообразно изогнутую винтовую пружину, вращающуюся вокруг своей оси. При этом обеспечивается разрушение материала в сходящихся клиновых пространствах между витками пружины и хорошая циркуляция высушиваемого материала в объеме сушильного пространства, т.к. винтовая пружина перемещает материал подобно гибкому шнеку. При отводе паров из полости пружины обеспечивается десорбция влаги как снаружи, так и изнутри слоя материала, т.е. непосредственно из зоны испарения.

При сушке пастообразных материалов целесообразно использовать побудитель с гибкими упругими пластинами или пакетами упругих оболочек, образующих между собой и корпусом сходящиеся клиновые пространства.

При сушке некоторых материалов с большим начальным содержанием влаги целесообразно часть энергии на десорбцию влаги вводить через стенки корпуса или через дополнительные теплообменные поверхности, встроенные непосредственно в сушильную камеру. Это не интенсифицирует процесс сушки как таковой, но значительно сокращает время сушки в первый период.

На фиг.1 показана схема процесса сушки с механическим побудителем в виде пружины; на фиг.2 - схема процесса сушки с побудителем в виде упругодеформируемых пластин; на фиг.3 - схема процесса сушки с побудителем в виде деформируемых упругих оболочек вращения.

Исходный материал загружают в помольное пространство 1. Источником энергии, которую затрачивают на разрыв связи влаги с материалом и его разрушение, служит упругопластическое деформирование частиц высушиваемого материала 2 между упругими рабочими поверхностями механического побудителя 3 и корпусом 4. Наибольший эффект трансформации механической энергии в тепловую удается достигнуть при сжатии высушиваемого материала со сдвигом. При этом достигают максимальное значение касательных и нормальных напряжений в объеме высушиваемого материала 2, что способствует тонкому измельчению и равномерному его разогреву. При наложении на высушиваемый материал 2 виброколебаний увеличивается его подвижность и уменьшается энергия, затрачиваемая на его разрушение. В процессе сушки материал 2 постоянно деформируют и разрушают, что предотвращает образование плотной корки в случае самозамораживания, обеспечивает постоянное обновление поверхности массоотдачи и равномерное высушивание. Внутренний разогрев материала 2 обеспечивает совпадение температурного и влажностного градиентов (изнутри - наружу), уменьшая диффузионное сопротивление массопереносу и увеличивая движущую силу процесса сушки. Хорошее перемешивание и тонкое измельчение способствуют достижению высоких значений коэффициентов тепло- и массопереноса.

При заклинивании высушиваемого материала 2 в сходящихся клиновых пространствах между рабочими поверхностями механического побудителя 3 или между поверхностью побудителя 3 и стенкой корпуса 4 не происходит жесткого заклинивания и истирания. Податливая упругая поверхность механического побудителя 3 обеспечивает наименьшее сопротивление движению побудителя в среде материала 2, при максимальной эффективности трансформации механической энергии в тепловую непосредственно внутри высушиваемого материала 2 и минимальных внешних потерях трения.

При сушке сыпучих зернистых материалов 2 или материалов, приобретающих такие свойства при замораживании, целесообразно в качестве механического побудителя 3 использовать дугообразно изогнутую винтовую пружину 5 (фиг.1), вращающуюся вокруг своей оси. Это обеспечивает разрушение материала 2 в сходящихся клиновых пространствах между витками пружины 5 и хорошую циркуляцию высушиваемого материала 2 в объеме сушильного пространства 1, т.к. винтовая пружина 5 перемещает материал 2 подобно гибкому шнеку. При отводе паров из полости пружины 5 обеспечивают десорбцию влаги как снаружи, так и изнутри слоя материала 2, т.е. непосредственно из зоны испарения.

При сушке пастообразных материалов 2 целесообразно использовать побудитель 3 с гибкими упругими пластинами 6 (фиг.2) или пакетами упругих оболочек 7 (фиг. 3) образующих между собой и корпусом 4 сходящиеся клиновые пространства.

При сушке некоторых материалов 2 с большим начальным содержанием влаги целесообразно часть энергии на десорбцию влаги вводить через стенки корпуса 4 или через дополнительные теплообменные поверхности, встроенные непосредственно в сушильную камеру. Это не интенсифицирует процесс сушки в целом, но значительно сокращает время сушки в первый период.

Таким образом, устройства, реализующие данный способ сушки термолабильных материалов, обеспечивают значительную интенсификацию процесса сушки и снижение его энергоемкости.

Формула изобретения

1. Способ сушки термолабильных материалов путем десорбции влаги из материала за счет энергии упругопластической деформации, вносимой механическим побудителем, и отвода паров влаги из сушильного пространства, отличающийся тем, что на десорбцию влаги используют энергию внутреннего разогрева материала, выделяемую при упругопластической деформации высушиваемого материала в сходящихся клиновых пространствах между рабочими поверхностями механического побудителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что деформацию высушиваемого материала осуществляют путем сжатия со сдвигом и наложения на него виброколебаний рабочих поверхностей механического побудителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на десорбцию влаги используют энергию разогрева рабочих поверхностей механического побудителя, выделяемую при его упругой деформации.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве механического побудителя используют по крайней мере одну упругодеформируемую пластину, образующую при ее кинематическом деформировании сходящиеся клиновые пространства с корпусом.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве механического побудителя используют по крайней мере одну кинематически деформируемую пружину, образующую при ее деформировании сходящиеся клиновые пространства между витками пружины и корпусом.

6. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве механического побудителя используют по крайней мере одну кинематически деформируемую тонкую упругую оболочку, образующую при ее деформировании сходящиеся клиновые пространства с корпусом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3