Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов и способ сушки жидких продуктов
Изобретение относится к установкам распылительной сушки для производства сухих твердых материалов в виде порошка. Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленности. В сушильной установке, содержащей сушильную камеру с боковой поверхностью из пластин, установленных с щелевым зазором между смежными пластинами для ввода сушильного агента в камеру, распылителями жидкого продукта, величина тангенса угла ψ ввода агента в полость камеры через каждый щелевой зазор, влияющая на исключение прилипания частиц высушиваемого жидкого продукта на пластины, подбирается согласно расчетной формуле, и по величине тангенса угла ψ с учетом периметра сушильной камеры определяют необходимое количество пластин и высоту щелевого зазора между смежными пластинами, при этом угол ψ расположен между вектором скорости входящего в щелевой зазор потока сушильного агента и касательной к образующей боковой поверхности сушильной камеры в месте ввода потока. В способе сушки жидких продуктов радиальная составляющая вектора скорости потока сушильного агента оказывает на частицу воздействие с силой, не меньшей суммы сил центробежной и тяжести. Изобретение должно обеспечить сушку жидкого продукта при температуре атмосферного воздуха. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к установкам распылительной сушки для производства сухих твердых материалов в виде порошка из таких жидких исходных материалов, как растворы, эмульсии и суспензии. Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленного производства, например химической, пищевой.
Известна сушильная камера для проведения процесса тепломассообмена между диспергированными жидкими частицами и газообразной средой. Сушильная камера с пористыми стенками заключена с образованием зазора в вертикальный цилиндрический корпус, имеющий патрубок для ввода теплоносителя, и снабжена введенным внутрь распылителем жидкого исходного вещества. В корпусе выполнено отверстие в основании для удаления порошка и отверстие для удаления отработанного газа с продуктами испарения жидкой основы раствора или суспензии. Теплоноситель с заданными температурой и влажностью поступает через патрубок в свободное пространство между стенками корпуса и сушильной камерой с пористыми стенками. Под действием напора, создаваемого вентилятором, теплоноситель проникает через поры сушильной камеры внутрь, где происходит тепломассообмен между теплоносителем и распыленными каплями или частицами [1].
Также известна сушилка, содержащая вертикальный цилиндроконический корпус с дисковым распылителем в верхней части и одновременным подводом высокотемпературного сушильного агента (170°С) для процесса сушки с последующей досушкой воздухом при температуре 90°С. Для сушки молока в данной сушилке необходимо предварительное его сгущение перед распылением [2].
Известен способ сушки и гранулирования материалов во встречных, закрученных в одном направлении первичном и вторичном потоках сушильного агента, между которыми подают газовзвесь в виде вихревого кольцевого потока и закручивают в одном с ними направлении [3].
Существуют различные варианты конструкций сушильных камер и способов подачи воздуха в камеру, обеспечивающие начальное взаимодействие капель распыленной жидкости и осушающего воздуха, определяющего скорость испарения и температуру в сушилке. Существует три основных режима такого взаимодействия: прямоток (осушающий агент и частицы двигаются в одном и том же направлении через сушильную камеру), противоток (осушающий агент и частицы двигаются через сушильную камеру в противоположном направлении), смешанные потоки (движение частиц через сушильную камеру испытывает как прямоточные, так и противоточные фазы).
Способы сушки как правило заключаются в том, что в камере происходит распыление жидкого сырья для получения капельного потока и соприкосновение капель с горячим агентом. Недостатками известных сушильных камер и способов сушки в них является высокая температура подаваемого агента 120-240°С, что обусловлено малым временем нахождения частиц распыленной жидкости в потоке теплоносителя до момента осаждения в камере. Такой температурный режим сушки сказывается на качестве получаемого продукта (термочувствительного) и является причиной больших энергозатрат, что также является недостатком данных установок. Также в данных сушильных установках применяется предварительное сгущение исходного продукта в выпарном аппарате (например, при сушке молока), что усложняет данную конструкцию и также увеличивает энергозатраты на сушку.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, к предлагаемой сушильной установке и способу сушки является распылительная сушильная установка для растворов, суспензий и паст, содержащая заключенную в кожух с образованием кольцевой полости сушильную камеру с боковой поверхностью из пластин, установленных с зазором относительно друг друга для ввода сушильного агента в камеру, и распылительным устройством внутри, а также тангенциальными патрубками ввода сушильного агента в полость камеры через пластины и отвода газовзвеси в сепарационную систему для выделения готового порошка [4].
В данной распылительной сушилке осуществляется способ сушки растворов и суспензий путем их распыления в полости сушильной камеры, приведения частичек высушиваемого материала во взвешенное состояние посредством многоканального ввода осушающего агента в полость сушильной камеры, последующего вывода газовзвеси из камеры и разделения на порошок и отработанный агент [4].
Недостатками прототипа - распылительной сушилки и способа сушки в ней - являются высокие затраты на изготовление и эксплуатацию, невысокая технологичность производства порошка данным способом сушки, обусловленная высокой температурой сушки, приводящей к потере качества готового продукта, и предварительным сгущением, а также налипанием высушиваемого продукта на стенки камеры.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении процесса сушки жидкого продукта при малой температуре подаваемого сушильного агента (воздуха) без предварительного подогрева при температуре атмосферного воздуха, распыления в сушильной камере жидкого исходного продукта без предварительного сгущения (возможна сушка и сгущенных жидкостей, но это является необязательным условием для проведения процесса), а также исключение налипания и контактирования распыленных капель или частиц продукта со стенками камеры.
Для решения этой задачи в сушильной установке для получения порошков из жидких продуктов, содержащей сушильную камеру с боковой поверхностью из пластин, установленных с щелевым зазором между смежными пластинами для ввода сушильного агента в камеру, распылителями жидкого продукта во внутренней полости камеры и патрубком вывода газовзвеси, подключенным к сепарационной системе для выделения готового порошка, камера заключена в корпус с образованием кольцевого зазора для ввода в камеру осушающего агента, подключенного к тангенциальному патрубку для его подачи, а величина тангенса угла ψ ввода агента в полость камеры через каждый щелевой зазор, влияющая на исключение прилипания частиц высушиваемого жидкого продукта на пластины, подбирается исходя из следующего соотношения
где ρк - плотность частицы [кг/м3];
Dmax - диаметр распыляемой частицы [м];
μг = 1,7·10-5 - динамическая вязкость сушильного агента [кг/(м·с)];
g=9,8 - ускорение свободного падания [м/с2];
R - радиус боковой поверхности камеры [м],
и по величине тангенса угла ψ с учетом периметра сушильной камеры определяют необходимое количество пластин, расположенных на боковой поверхности сушильной камеры, и высоту щелевого зазора между смежными пластинами, при этом угол ψ расположен между вектором скорости входящего в щелевой зазор потока сушильного агента и касательной к образующей боковой поверхности сушильной камеры в месте ввода потока.
Сушильная установка может быть снабжена дополнительным патрубком вывода газовзвеси и оба патрубка расположены на противоположных торцевых стенках сушильной камеры.
Для решения поставленной технической задачи в способе сушки жидких продуктов путем их распыления в полости сушильной камеры, приведения частичек продукта во взвешенное состояние посредством многоканального ввода осушающего агента в полость сушильной камеры, последующего вывода газовзвеси из камеры и разделения на порошок и отработанный агент, радиальная составляющая вектора скорости вводимого во внутреннюю полость сушильной камеры потока сушильного агента оказывает на частицу высушиваемого продукта воздействие с силой, не меньшей суммы сил центробежной и тяжести, и под воздействием агента в период высушивания до конечной влажности частичек продукта осуществляют их перемещение агентом в полости камеры по круговой траектории с последующим выводом газовзвеси по спиралеобразной траектории во взаимно противоположных направлениях, перпендикулярных плоскости перемещения частичек продукта по круговой траектории, или в одном перпендикулярном направлении относительно плоскости перемещения частичек по круговой траектории.
Недостаточное время нахождения частицы во взвешенном состоянии в аналогичных устройствах компенсируется значительной разностью температур частицы продукта в виде капли и осушаемого воздуха. Вследствие этого была поставлена задача создания условия удержания во взвешенном состоянии распыленного жидкого продукта в сушильной камере и обеспечения условий неприлипания частичек к стенкам камеры. За основу взята идея распыления вещества в закрученный сушильный агент, в качестве которого используют воздушный поток. Поле скоростей в камере определяется условиями подачи воздуха на периферии. Рассмотрим элемент установки (фиг.1), формирующий поток сушильного агента, поступающего во внутреннюю полость сушильной камеры через пластины, установленные с щелевым зазором относительно друг друга, изображенной на фиг.2.
Для этого примем следующие условные обозначения
R - радиус боковой поверхности сушильной камеры [м];
m - масса частицы (капли) распыленного продукта [кг];
D - диаметр этой частицы [м];
h - высота щели [м];
n - количество пластин
l - глубина установки [м];
Q - расход поступающего сушильного агента [м3/с].
Рассмотрим площади поверхности Sr и Sϕ, формирующие радиальную U и тангенциальную υϕ составляющую вектора скорости сушильного агента, проходящего через пластины.
Введем величину
где угол ψ - это угол между вектором скорости входящего в щелевой зазор потока сушильного агента и касательной к образующей боковой поверхности сушильной камеры в месте ввода потока (фиг.1).
Из необходимого условия несоприкосновения частицы со стенками (центробежные силы не должны превосходить центростремительные) было получено выражение из соотношения воздействующих на частицу сил.
Продифференцировав данное выражение, получаем, что при
D принимает максимальное значение:
Соответственно из (1) и (4) следует, что для удержания во взвешенном состоянии частицы с максимально возможным диаметром и для обеспечения условий неприлипания частиц к стенкам камеры необходим расход поступающего агента, равный:
Зная высоту помещения, подбираем соответственно R (радиус сушильной камеры), и зная максимальный диаметр Dmax распыляемой частицы, подбирается tgψ, не меньший по значению, чем
Соответственно из (5) подбирается расход поступающего агента для данной установки.
Таким образом, в предложенном способе сушки жидкого продукта осуществляют его распыление в полости сушильной камеры, приведение частичек продукта во взвешенное состояние посредством многоканального ввода осушающего агента в полость сушильной камеры, последующего вывода газовзвеси из камеры и разделения на порошок и отработанный агент. Для исключения налипания и контактирования распыленных капель или частиц продукта с боковой поверхностью камеры, образованной пластинами, необходимо, чтобы под воздействием всех сил, действующих на частицу распыленного вещества, она перемещалась в камере, не удаляясь от центра на расстояние, превышающее радиус боковой поверхности камеры. Таким образом, вдоль отрезка, соединяющего частицу с центром камеры, результирующая сила, действующая на частицу, должна быть направлена к центру камеры. Результирующей силой в данном случае является сумма проекций сил на данное направление, то есть центробежная сила, проекция силы тяжести и сила, действующая на частицу под воздействием радиальной составляющей вектора скорости вводимого во внутреннюю полость сушильной камеры потока сушильного агента. Зная максимальный диаметр частицы, габариты установки, подобрав tgψ, определяем необходимый расход из зависимости (5) для того, чтобы обеспечить воздействие радиальной составляющей вектора скорости поступающего в рабочую полость агента на частицу высушиваемого продукта с силой, не меньшей суммы сил центробежной и тяжести.
Увеличение угловой скорости вращения потока сушильного агента в окрестности выходного отверстия увеличивает центробежную силу, воздействующую на недосушенную частицу, удерживая ее на круговой траектории в окрестности выходного отверстия, до полного осушения с последующим выводом через выходной патрубок.
На фиг.1 изображен элемент установки, показывающий ввод сушильного агента во внутреннюю полость камеры через зазоры между пластинами боковой поверхности камеры, на фиг.2 представлен поперечный разрез сушильной камеры; на фиг.3 изображен общий вид одного из вариантов сушильной установки, на фиг.4 - функциональная схема проведения процесса сушки.
Сушильная установка для производства порошков из жидких продуктов содержит сушильную камеру 1 с боковой поверхностью из пластин 2, установленных с щелевым зазором 3 между смежными пластинами для обеспечения многоканального ввода потока сушильного агента в камеру 1, поступающего через тангенциальный патрубок 4, распылителями 5 (например, форсунки) жидкого продукта, расположенными во внутренней полости 6 камеры 1, и патрубками 7 основным и дополнительным (не показан) для вывода газовзвеси в сепарационную систему (пылеулавливающее устройство) (фиг.4) для выделения готового порошка, например, выполненную в виде циклона (не показан). При этом один из патрубков 7 в случае необходимости может быть заглушен и отвод газовзвеси будет осуществляться в данном случае через другой патрубок. Оба патрубка 7 расположены на противоположных торцевых стенках 8 сушильной камеры 1. Сушильная камера заключена в корпус 9 с образованием кольцевого зазора 10 для ввода осушающего агента, подключенного к тангенциальному патрубку 4 для его подачи.
Угол ψ образуется между вектором скорости входящего в щелевой зазор потока агента сушки и касательной к образующей боковой поверхности сушильной камеры в месте ввода потока и определяет величину щелевого зазора 3 для ввода сушильного агента во внутреннюю полость камеры, а именно высоту h и длину зазора, а величина тангенса угла ψ каждого зазора для ввода агента в полость 6 камеры 1 влияет на исключение прилипания частиц высушиваемого жидкого продукта на пластины 2. Эта величина подбирается исходя из размеров установки, диаметра распыляемой частицы, а также зависит от ее плотности, динамической вязкости сушильного агента и ускорения свободного падения.
Величина тангенса угла ψ подбирается не меньшей по значению, чем
По величине тангенса угла ψ с учетом периметра сушильной камеры определяют необходимое количество пластин 2 (n), расположенных на боковой поверхности сушильной камеры 1, и высоту (h) щелевого зазора между смежными пластинами 2 по следующей зависимости: tgψ·2πR равно произведению (n) на (h). Далее осуществляют подбор значений (n) и (h).
В камере поступающий из патрубка 4 в кольцевой зазор 11 сушильный агент проходит между щелевыми зазорами 3 пластин 2, обеспечивающими многоканальный ввод, необходимую скорость и направление потока сушильного агента во внутреннюю полость 6 камеры 1. Пластины 2 могут иметь различный профиль: и прямолинейный, и криволинейный (фиг.1), что удобно для их крепления и обеспечения формирования потока между смежными пластинами, прикрепленными внахлест друг к другу. В связи с тем, что профиль пластин может быть различным, определение угла ψ представляется возможным через вектор скорости и касательную к образующей поверхности сушильной камеры 1 из-за сложности формы щелевого зазора. Тангенс угла ψ по существу определяет размеры щелевого зазора 3, а именно его длину и высоту h, так как tgψ - это отношение высоты зазора 3 (h) к длине зазора 3 между смежными пластинами 2. В камере происходит распыление исходной жидкости распылителями 5 и через патрубки 7, расположенные в противоположных торцевых стенках 8, происходит выход отработанного агента со взвешенными частицами порошка к пылеуловителю (например, к циклону). Установка снабжена вентилятором, обеспечивающим подачу необходимого количества сушильного агента (не показан).
Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов работает следующим образом и способ сушки в камере жидких продуктов осуществляется следующим образом.
Поступающий от вентилятора поток сушильного агента проходит через пластины 2, формирующие внутреннюю полость 6 сушильной камеры 1, в которой происходит распыление жидкости распылителями 5. Под воздействием закрученного потока сушильного агента, подаваемого с необходимым расходом Q, выходящего из щелевых зазоров 3, частицы распыленной жидкости совершают движение по круговой траектории во взвешенном состоянии в период высушивания до конечной влажности. А за счет того, что приток агента в сушильную камеру 1 осуществляется по всему периметру боковой поверхности рабочей камеры 1 через щелевые зазоры 3 определенной высоты h (подбором тангенса угла ψ) многоканально с определенным расходом и скоростью, радиальная составляющая вектора скорости потока сушильного агента оказывает на частицу высушиваемого продукта воздействие с силой, не меньшей суммы сил центробежной и тяжести, что позволяет частице во взвешенном состоянии находиться в камере без соприкосновения с ее стенками и осуществить высушивание жидких продуктов без предварительного сгущения. Такое время витания частицы в камере по круговой траектории при постоянном обдуве сушильным агентом позволяет значительно снизить температуру подаваемого сушильного агента. По мере осушения частица теряет массу и по спиралеобразной траектории во взаимно противоположных направлениях, перпендикулярных плоскости перемещения газовзвеси по круговой траектории или в одном перпендикулярном направлении относительно плоскости перемещения газовзвеси по круговой траектории, устремляется с потоком агента к одному из патрубков 7 или патрубкам вывода газовзвеси, откуда отработавший сушильный агент со взвесью высушенных частичек подается в пылеулавливающее устройство (циклон), где и происходит отделение отработанного агента от сухого порошка, осаждение получаемого продукта (порошка) и его вывод из установки. На фиг.4 для пояснения изображена функциональная схема процесса сушки.
Выполнение установки в разных технологических условиях иллюстрируется примерами.
Пример 1. Раствор технического кальция хлористого (с массовой долей хлористого кальция не менее 32,0%) распыляют форсунками до размера частицы (капли) не более Dmax=150 мкм. Габариты помещения позволяли обеспечить установку оборудования не более 6,5 м высотой.
Параметры установки:
| Н=5,8 м | общая высота установки; |
| R=2,5 м | расстояние от центра до пластин; |
| l=1,5 м | глубина установки. |
Используя выражение (6), подбирается величина tgψ, а используя выражение (2), подбираются (n) и (h)
n=130, h=0,04 м, 
Соответственно для этого необходим расход поступающего воздуха Q=140000 м3/ч. Температура поступающего воздуха не превышала 20°С.
Пример 2. Жидкий экстракт куриного пепсина с концентрацией сухих веществ 13% и с добавлением 10% соли распыляют форсунками до размера, не превышающего Dmax=70 мкм. Габариты помещения позволяли установить оборудование, не превышающее 3 м высотой.
Параметры установки:
| Н=2,5 м | общая высота установки; |
| R=1 м | расстояние от центра до пластин; |
| l=0,5 м | глубина установки. |
Аналогично примеру 1 определяем, что
n=104, h=0,01 м, 
Соответственно для этого необходим расход поступающего воздуха Q=5900 м3/ч. Температура поступающего воздуха не превышала 20°С.
Пример 3. Молоко с концентрацией сухих веществ 13% и жирностью 3.2% в несгущенном виде распыляют форсунками до размера, не превышающего Dmax=100 мкм. Габариты помещения позволяли установить оборудование, не превышающее 3 м высотой.
Параметры установки:
| Н=2,5 м | общая высота установки; |
| R=1 м | расстояние от центра до пластин; |
| l=0,6 м | глубина установки. |
Аналогично примеру 1 определяем, что
n=104, h=0,015 м, 
Соответственно для этого необходим расход поступающего воздуха Q=10600 м3/ч. Температура поступающего воздуха не превышала 20°С.
Пример 4. Свежевыжатый морковный сок с концентрацией сухих веществ 15% распыляют форсунками до размера, не превышающего Dmax=70 мкм. Габариты помещения позволяли обеспечить установку оборудования, не превышающего 5 м высотой.
Параметры установки:
| Н=4,8 м | общая высота установки; |
| R=2 м | расстояние от центра до пластин; |
| l=1 м | глубина установки. |
Аналогично примеру 1 определяем, что
n=104, h=0,01 м, 
Соответственно, для этого необходим расход поступающего воздуха Q=16700 м3 /ч. Температура поступающего воздуха не превышала 20°С.
Уменьшение температуры сушки позволяет высушивать термочувствительные продукты без потери качества в течение короткого времени. Также к преимуществам изобретения можно отнести: простоту конструкции, малые затраты на производство, малые энергозатраты при эксплуатации и возможность использования данного устройства на подвижной платформе транспортного средства. Данное изобретение позволяет решить задачу сушки жидкостей без предварительного нагрева воздушного потока, поступающего в камеру, то есть при температуре поступающего воздуха, не превышающей температуру окружающей среды.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №840629, F 26 В 3/12, 17/10, 23.06.1981.
2. Авторское свидетельство СССР №827006, F 26 В 3/12, 07.05.1981.
3. Авторское свидетельство СССР №1164526, F 26 В 3/10, 17/10, 30.06.1985.
4. Авторское свидетельство СССР №881484, F 26 В 3/12, 15.11.1981.
1. Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов, содержащая сушильную камеру с боковой поверхностью из пластин, установленных с щелевым зазором между смежными пластинами для ввода сушильного агента в камеру, распылителями жидкого продукта во внутренней полости сушильной камеры и патрубком вывода газовзвеси, подключенным к сепарационной системе для выделения готового порошка, при этом камера заключена в корпус с образованием кольцевого зазора для ввода в камеру осушающего агента, подключенного к тангенциальному патрубку для его подачи, отличающаяся тем, что величина тангенса угла ψ ввода агента в полость камеры через каждый щелевой зазор, влияющая на исключение прилипания частиц высушиваемого жидкого продукта на пластины, подбирается, исходя из следующего соотношения:
и по величине тангенса угла ψ с учетом периметра сушильной камеры определяют необходимое количество пластин, расположенных на боковой поверхности сушильной камеры, и высоту щелевого зазора между смежными пластинами, при этом угол ψ расположен между вектором скорости входящего в щелевой зазор потока сушильного агента и касательной к образующей боковой поверхности сушильной камеры в месте ввода потока,
где ρk - плотность частицы, кг/м3;
Dmax - диаметр частицы, м;
μг,=1,7·10-5 - динамическая вязкость сушильного агента, кг/(м·с);
- ускорение свободного падения, м/c2;
R - радиус боковой поверхности камеры, м.
2. Сушильная установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным патрубком вывода газовзвеси и оба патрубка расположены на противоположных торцевых стенках сушильной камеры.
3. Способ сушки жидких продуктов путем их распыления в полости сушильной камеры, приведения частичек продукта во взвешенное состояние посредством многоканального ввода осушающего агента в полость сушильной камеры, последующего вывода газовзвеси из камеры и разделения на порошок и отработанный агент, отличающийся тем, что радиальная составляющая вектора скорости, вводимого во внутреннюю полость сушильной камеры потока сушильного агента, оказывает на частицу высушиваемого продукта воздействие с силой, не меньшей суммы сил центробежной и тяжести, и под воздействием агента в период высушивания до конечной влажности частичек продукта осуществляют их перемещение агентом в полости камеры по круговой траектории с последующим выводом газовзвеси по спиралеобразной траектории во взаимно противоположных направлениях, перпендикулярных плоскости перемещения частичек продукта по круговой траектории, или в одном перпендикулярном направлении относительно плоскости перемещения частичек по круговой траектории.
