Способ и устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов
Изобретение относится к технике термообработки в сверхвысокочастотных полях сыпучих диэлектрических материалов и может использоваться в фармацевтической, пищевой, химической промышленности. Согласно способу сушку осуществляют циклически. На первом этапе каждого цикла одновременно с СВЧ-нагревом вакуумируют объем с материалом до предпробойного давления, затем отключают СВЧ-нагрев, продолжая вакуумирование до квазистационарного давления, по величине которого определяют влажность материала, после чего, прекратив вакуумирование, напускают сухой воздух до атмосферного давления, а затем вновь повторяют следующие циклы сушки до достижения необходимой влажности материала. Устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов содержит СВЧ-тракт, соединенный с цилиндрическим многомодовым резонатором, внутри которого и коаксиально ему с возможностью вращения вокруг продольной оси размещена ампула, конусообразным торцом обращенная к СВЧ-тракту, при этом внутренняя поверхность ампулы снабжена горизонтальными пластинами из радиопрозрачного материала, расположенными вдоль ее оси. Способ и устройство обеспечивают улучшение качества, снижение энергоемкости и улучшение экологии при сушке сыпучих диэлектрических материалов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретения относятся к технике термообработки в сверхвысокочастотных (СВЧ) полях сыпучих диэлектрических материалов и может быть использовано в фармацевтической, пищевой и химической промышленностях, в частности, при сушке порошкообразных йодидов щелочных металлов, используемых при производстве монокристаллов.
В настоящее время как в Украине, так и за рубежом интенсивно ведутся исследования создания новых технологий и материалов, используемых для выращивания монокристаллов. Современная технология производства монокристаллов различного назначения (ядерное приборостроение, технологическое оборудование АЭС, термоядерных, космических и геофизических исследований и др.) столкнулась с проблемой обезвоживания исходных порошкообразных компонентов, поскольку остаточная влажность определяет качество готовой продукции и срок ее службы [Б.В. Гринев, В.П. Семиноженко. “Сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений для тяжелых условий эксплуатации”, Харьков, издательство “Основа” при ХГУ, 1993 г., стр.110].
Кинетика процессов термодессорбции воды в исходных солях йодидов щелочных металлов (NaJ, LiJ, GsJ) сложна. Во-первых, исходные соли чрезвычайно гигроскопичны, и поэтому в них всегда содержится некоторое количество воды, как гидратированной, так и адсорбированной. Во-вторых, все соли имеют свои (два и более) интервалы температур, при которых происходит интенсивное выделение гидратированной и адсорбированной воды. Это обстоятельство приводит к резкому увеличению паров воды, что собственно и стимулирует процессы гидролиза солей, которые представляют наибольшую опасность (при гидролизе солей образуются твердые включения (комки), не пригодные для дальнейшего использования, что в конечном счете приводит к перерасходу дорогостоящего материала).
Основным требованием, предъявляемым к способам и устройствам для сушки йодидов щелочных металлов, является предотвращение гидролиза солей при их обезвоживании.
Известен способ вакуумной сушки сыпучих материалов путем их обработки ИК-излучением [заявка РФ №95119438, кл. F 26 В 5/04], в котором процесс сушки подразделяется на два периода: период сушки, соответствующий периоду постоянной скорости сушки, и период досушки, соответствующий периоду падающей скорости, при этом величину периода постоянной и падающей скорости регулируют изменением скорости движения конвейера, а количество подводимой к материалу энергии зависит от наличия в нем связанной влаги и регулируют мощностью ИК-излучения.
Известен также способ сушки сыпучих диэлектрических материалов [а.с. №1619755, кл. С 30 В 29/12], в котором материал помещают в тигель, находящийся в герметичном объеме ростовой установки. Объем вакуумируют с помощью форвакуумного насоса до остаточного давления 5·10 -3 мм рт.ст. при температуре 27°С в течение 6 часов с последующим медленным (в течение 16 часов) нагревом до 200°С, при котором материал выдерживают 12 часов.
При использовании данных способов для сушки материалов, в том числе сыпучих веществ, нагрев материала должен осуществляется медленно, а сам процесс сушки занимает длительное время и, следовательно, в этой связи является энергоемким. Это объясняется тем, что передача тепла от поверхности высушиваемого материала к его внутренним слоям происходит путем конвекции, теплопроводности и излучения. Такие условия передачи тепла связаны с возникновением значительных градиентов температуры и давления по толщине материала, что может привести к нарушению однородности его структуры, кроме того, отсутствие перемешивания материала в процессе сушки усложняет теплообмен между его частицами, что может привести к гидролизу солей. При СВЧ-сушке электромагнитная энергия поглощается по всему объему материала, вследствие чего создаются условия для его равномерного нагрева. Известен способ сушки сыпучих диэлектрических материалов, включающий СВЧ-нагрев материала и одновременный его продув атмосферным воздухом [а.с. СССР №1816943, кл. F 26 B 3/347].
Устройство для реализации данного способа содержит вертикальную камеру нагрева, выполненную в виде внешнего и внутреннего конусных проводников, образующих между собой обогревающую шахту для перемещения высушиваемого материала, при этом по оси внутреннего конусного проводника установлен воздушный коллектор и оба конусных проводника снабжены системой поярусно расположенных радиальных каналов. Радиальные каналы во внутреннем проводнике сообщены с воздушным коллектором, а во внешнем - с атмосферой. Причем диаметры внешнего и внутреннего проводников выбраны из условия обеспечения постоянного волнового сопротивления по длине камеры.
Данные способ и устройство позволяют осуществить сушку ограниченных материалов, в частности сыпучих гранулированных, фракции которых больше поперечных размеров радиальных каналов, т.к. высушиваемые фракции материала меньше поперечных размеров радиальных каналов будут выбрасываться вместе с потоком воздуха из камеры нагрева в окружающую среду, что недопустимо особенно при сушке токсичных сыпучих материалов. Использование атмосферного воздуха (не высушенного) для удаления влаги из высушиваемого материала, влажность которого нестабильна и зависит от влажности атмосферы, определяет конечную величину влажности высушиваемого материала.
Известен также способ сушки сыпучих мелкодисперсных диэлектрических материалов, включающий СВЧ-нагрев материала с одновременным его продувом сухим воздухом [а.с. №1522006, кл. F 26 B 3/347].
Устройство для реализации данного способа содержит вертикальную сушильную камеру в виде волновода, снабженную загрузочным и расположенным в нижней части разгрузочным устройствами с бункерами, подключенные к камере СВЧ-генератор с устройством связи и нагнетательный вентилятор. При этом устройство содержит приемник-утилизатор СВЧ-энергии со своим устройством связи, подключенным к нижней части камеры, а разгрузочное устройство выполнено в виде тройника с перекидным клапаном и подсоединено к нагнетательной стороне вентилятора.
Недостатком приведенных способов и устройств для их реализации является то, что процесс сушки материала осуществляется при атмосферном давлении. Для удаления влаги из высушиваемого материала необходимо нагревать его до более высоких температур, чем при вакуумной сушке. В этом случае может происходить разложение некоторых микроэлементов, что приводит к снижению качества готовой продукции. Необходимость использования приемника-утилизатора СВЧ-энергии связано с повышением уровня мощности СВЧ-генератора (магнетрона), что приводит к необходимости применения более мощного магнетрона с соответствующим источником питания, что усложняет устройство и увеличивает энергоемкость, кроме того, при продуве сухого воздуха сквозь влажный материал создаются усилия, направленные как по оси камеры, так и в радиальном направлении, что может привести к комкообразованию. Отработанный воздух через фильтрующую сетку удаляется из объема рабочей камеры, унося с собой легкие мелкие частицы (пыль, которая всегда присутствует в высушиваемом материале, тем более она образуется в результате соударений частиц материала между собой и стенкой камеры при движении их в взвеси воздуха), что приводит не только к потерям рабочего продукта, а, что очень важно, к загрязнению окружающей среды, особенно при сушке вредных веществ, таких как, например, порох, табак, йодиды щелочных металлов и т.п.
Известно устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов [заявка №92006113 РФ, кл. F 26 B 3/34], содержащее камеру с вводами СВЧ-энергии, размещенную в ней наклонную вращающуюся трубу из радиопрозрачного материала, подсоединенную к загрузочному и разгрузочному узлу, и вентиляционный короб, камера выполнена разобщенной с охватывающим ее вентиляционным коробом, в котором размещены СВЧ-источники, их вводы в камеру снабжены герметичными заглушками из радиопрозрачного материала. При этом камера снабжена системой поглощения избыточной СВЧ-энергии, наклонная вращающая труба подсоединена к загрузочному узлу с помощью опорной оси, пропущенной через диафрагму трубы, причем опорная ось выполнена полой и совмещена с корпусом шнекового питателя. Разгрузочный бункер состоит из бункера с разгрузочным устройством отсечного типа для выгрузки сыпучего материала и пароотводящего штуцера.
Также как и в предыдущем аналоге, данное устройство содержит поглотитель “избыточной” СВЧ-энергии, что усложняет устройство и увеличивает энергоемкость, кроме того, сушка материалов при атмосферном давлении осуществляется при более высоких температурах, чем, например, сушка аналогичных материалов в вакууме, что также приводит к увеличению энергозатрат и снижению качества готовой продукции.
В качестве прототипа по способу выбран способ по а.с. РФ №1522006, а по устройству - заявка РФ №92006113.
В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки способа и устройства, которые обеспечили бы улучшения качества сушки, снижение энергоемкости и улучшение экологии.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе сыпучих диэлектрических материалов, включающем СВЧ-нагрев с использованием сухого воздуха, согласно изобретению сушку осуществляют циклически, при этом на первом этапе каждого цикла одновременно с СВЧ-нагревом вакуумируют объем с материалом до предпробойного давления, затем отключают СВЧ-нагрев, продолжая вакуумирование до квазистационарного давления, по величине которого определяют влажность материала, после чего, прекратив вакуумирование, напускают сухой воздух до атмосферного давления, а затем вновь повторяют следующие циклы сушки до достижения необходимой влажности материала.
Решение поставленной задачи обеспечивается также и тем, что в устройстве для сушки сыпучих диэлектрических материалов, содержащем СВЧ-тракт, соединенный с волноводом, внутри которого с возможностью вращения вокруг продольной оси размещена емкость для сыпучего материала, выполненная из радиопрозрачного материала, согласно изобретению волновод выполнен в виде цилиндрического многомодового резонатора, внутри которого и коаксиально ему установлена ампула, конусообразным торцом обращенная к СВЧ-тракту, противоположный ее торец имеет патруб для загрузки - выгрузки, подключенный к приводу вращения ампулы, а также системам вакуумирования и напуска сухого воздуха, при этом внутренняя поверхность ампулы снабжена горизонтальными пластинами из радиопрозрачного материала, расположенными вдоль ее оси.
Проведение ряда последовательных циклов сушки обеспечивает возможность последовательно от цикла к циклу уменьшать влажность исходного материала, доведя ее, таким образом, до практически любой необходимой величины.
Проведение СВЧ-нагрева с одновременным вакуумированием до предпробойного давления каждого цикла позволяет проводить сушку материала при температуре, не превышающей 50°С, что улучшает качество материала и снижает энергозатраты по сравнению с аналогами и прототипом.
Благодаря вакуумированию объема с занимаемым материалом после отключения СВЧ-нагрева становится возможным выполнить удаление газов и влаги, испарившихся из ранее нагретого СВЧ-энергией материала, и по величине квазистационарного давления определить влажность материала и тем самым необходимость проведения следующего цикла сушки.
Напуск сухого воздуха в объем ампулы до давления, равного атмосферному, обеспечивает возможность, исключая пробой, выполнить сушку материала рядом последовательных циклов с помощью СВЧ-энергии с одновременным вакуумированием, что позволяет высушивать материал до практически любой влажности (величина влажности материала будет определяться количеством проведенных циклов).
Выполнение волновода в виде многомодового резонатора обеспечивает возможность поглощения всей электромагнитной энергии (ЭМЭ) СВЧ-источника, тем самым исключая необходимость использования дополнительных устройств поглощения “избыточной” энергии, и за счет этого не только снизить энергозатраты, но и упростить конструкцию устройства.
Благодаря использованию пластин, установленных внутри ампулы, становится возможным: а) выполнить более равномерное распределение температуры как по толщине, так и по длине высушиваемого материала за счет теплопередачи материала при перемешивании; б) высушивать материал без комкообразований; в) выполнить эффективную вакуумную откачку (отпадают условия образования воздушных пузырей внутри высушиваемого материала), благодаря чему улучшается качество сушки материала.
Благодаря тому, что ампула выполнена с конусообразным торцом, обращенным в сторону СВЧ-тракта, создаются благоприятные условия для более качественного согласования многомодового резонатора, внутри которого размещена ампула с материалом, с СВЧ-трактом.
Предлагаемые способ и устройство не загрязняют окружающее пространство.
На чертеже показан эскиз устройства для сушки сыпучих диэлектрических материалов.
Устройство содержит волновод 1, выполненный в виде многомодового цилиндрического резонатора, внутри которого с возможностью вращения вокруг продольной оси на изоляторах 2 размещена диэлектрическая ампула 3. Внутренняя поверхность ампулы 3 снабжена горизонтальными диэлектрическими пластинами 4, расположенными параллельно ее оси. Волновод 1 со стороны СВЧ-тракта снабжен подстроечными винтами 5, расположенными на одной прямой на расстоянии 
/4 друг от друга (-длина волны в волноводе). Один торец ампулы 3 имеет патрубок 6, который соединен с приводом вращения, включающим электродвигатель 7 постоянного тока и муфты 8, а также подключен к системе вакуумирования 9 и напуска сухого воздуха (система напуска сухого воздуха на эскизе не изображена). Противоположный торец ампулы 3 имеет конусообразную форму и обращен в сторону СВЧ-тракта, который состоит из ступенчатого перехода 10, волновода 11 круглого сечения и прямоугольного волновода 12. К широкой стенке волновода 12 подключены СВЧ-генератор 13 и направленный ответвитель 14. Ампула 3 наполовину заполнена высушиваемым материалом 15. Все фланцевые соединения устройства снабжены контактами, препятствующими излучению СВЧ-энергии в окружающее пространство.
Рассмотрим технологический процесс сушки йодида натрия (NaJ) в устройстве, приведенном на чертеже. ЭМЭ от источника СВЧ 13 по волноводному тракту, состоящему из стандартного прямоугольного волновода 12, перехода от прямоугольного к круглому волноводу 11, ступенчатого перехода 10, поступает в цилиндрический волновод 1 с диэлектрической ампулой 3, где она поглощается в высушиваемом материале 15. Благодаря выполнению цилиндрического волновода 1 в виде многомодового резонатора ЭМЭ, поступающая от СВЧ-источника в резонатор, полностью поглощается в высушиваемом материале. ЭМЭ, облучая высушиваемый материал, проникает по всему его объему, тем самым вызывает быстрый его нагрев, что приводит к интенсивному выделению паров воды и газов в объем ампулы 3. Одновременно с включением СВЧ-источника 13 включают форвакуумный насос, у которого скорость откачки выше, чем скорость испарения паров воды и газа из материала 15, и систему вращения ампулы, состоящей из электродвигателя 7 постоянного тока и муфты 8. Благодаря удалению паров воды и газов, поступающих в объем ампулы в результате нагрева высушиваемого материала, и его перемешиванию с помощью системы вращения и пластин 4 и вакуумированию становится возможным:
во-первых, создавать давление в ампуле ниже давления в высушиваемом материале (градиенты давления паров и газов и температуры направлены из материала в объем ампулы, не заполненный солью);
во-вторых, более равномерно распределять температуру по длине ампулы за счет теплопередачи;
в-третьих, выполнять эффективную откачку объема ампулы из-за отсутствия воздушных пузырей внутри материала. Эти обстоятельства позволяют выполнять быстрый нагрев материала без комкообразований. Быстрый нагрев материала создает условия для сокращения времени процесса сушки, а следовательно и снижения энергозатрат. При этом процесс нагрева материала ЭМЭ с одновременным вакуумированием осуществляют до предпробойного давления в ампуле (эта величина давления для испаряющихся газов каждой из солей йодидов щелочных металлов определяется экспериментально; так для паров и газов, испарившихся из соли NaJ, равна ~20 мм рт.ст., ниже которой создаются условия для ионизации (пробоя) газа). При достижении давления в объеме ампулы ~20 мм рт.ст. автоматически отключают СВЧ-источник 11, в тоже время продолжают откачку испаряющихся влаги и газов из ранее нагретого материала ЭМЭ. Этот процесс продолжают до тех пор, пока давление в ампуле не установится квазистационарным (это давление контролируют по стрелочному прибору в системе вакуумирования). По величине остаточного давления определяют влажность материала. Как правило, влажность материала после первого (одного) цикла сушки остается выше величины влажности сухого материала (влажность сухой соли NaJ должна быть не хуже 0,02%). Для удаления остаточной влаги из высушиваемого материала в объем ампулы через ее патрубок 6 напускают сухой воздух до атмосферного давления (напуск сухого воздуха осуществляют для предотвращения СВЧ-ионизации газа в объеме ампулы). Далее выполняют второй, третий... циклы сушки, при этом количество циклов определяет влажность исходного материала. После проведения каждого цикла по остаточному давлению в объеме ампулы (величина остаточного давления от цикла к циклу уменьшается) определяют влажность материала. Благодаря проведению процесса сушки рядом последовательных циклов возможно за сравнительно небольшое время, не нагревая материал выше 40°С, без комкообразований высушить соль до влажности ~0,02%.
После окончания процесса сушки отключают источник питания СВЧ-генератора, систему вращения ампулы, перекрывают вакуумный шланг на горловине ампулы, отключают вакуумную систему. Ампулу с высушенным материалом (под вакуумом) вынимают из рабочей камеры и направляют в ростовый цех для выращивания сцинтилляторов.
Аналогичным образом осуществляют сушку любых других диэлектрических сыпучих материалов.
Формула изобретения
1. Способ сушки сыпучих диэлектрических материалов, включающий СВЧ-нагрев и использование сухого воздуха, отличающийся тем, что сушку осуществляют циклически, при этом на первом этапе каждого цикла одновременно с СВЧ-нагревом вакуумируют объем с материалом до предпробойного давления, затем отключают СВЧ-нагрев, продолжая вакуумирование до квазистационарного давления, по величине которого определяют влажность материала, после чего, прекратив вакуумирование, напускают сухой воздух до атмосферного давления, а затем вновь повторяют следующие циклы сушки до достижения необходимой влажности материала.
2. Устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов, содержащее СВЧ-тракт, соединенный с волноводом, внутри которого с возможностью вращения вокруг продольной оси размещена емкость для сыпучего материала, выполненная из радиопрозрачного материала, отличающееся тем, что волновод выполнен в виде цилиндрического многомодового резонатора, внутри которого и коаксиально ему установлена ампула, конусообразным торцом обращенная к СВЧ-тракту, противоположный ее торец имеет патрубок для загрузки-выгрузки, подключенный к приводу вращения ампулы, а также системам вакуумирования и напуска сухого воздуха, при этом внутренняя поверхность ампулы снабжена горизонтальными пластинами из радиопрозрачного материала, расположенными вдоль ее оси.
РИСУНКИ
