СПОСОБ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК F26B5/02 F26B7/00 

Изобретение относится к области техники, связанной с созданием технологических процессов сушки различных материалов и применением акустических (ультразвуковых) колебаний в технике сушки материалов, а именно к способам интенсификации процесса при помощи акустических колебаний высокой интенсивности в сочетании с периодическими изменениями давления вокруг высушиваемого материала. Изобретение может быть использовано для создания современной материально-технической базы в химической, биологической, фармацевтической промышленности, а также в сельском хозяйстве.

Процесс сушки, заключающийся в удалении влаги из материала, с одной стороны, является одним из ключевых этапов различных технологических процессов, с другой стороны, одной из самых затратных стадий обработки. Качество и скорость реализации процесса сушки в значительной степени определяют качество и себестоимость конечного продукта.

Процесс сушки состоит из двух основных этапов, обычно называемых первым периодом, или периодом постоянной скорости, и вторым периодом, или периодом падающей скорости сушки.

В первом периоде процесс сушки характерен линейным изменением влагосодержания сушимого материала во времени. Этот линейный закон изменения влажности отражает тот факт, что влага, испаряющаяся с поверхности, непрерывно заменяется новой, поступающей из внутренних слоев. Вследствие того, что температура поверхности материала в этот период (обычно равная температуре внутренних слоев) остается постоянной, давление пара жидкости на поверхности оказывается равным давлению насыщения и, таким образом, процесс сушки в первом периоде эквивалентен испарению жидкости со свободной поверхности и определяется лишь внешними факторами, т.е. температурой, скоростью движения и влагосодержанием окружающего воздуха.

Процесс испарения влаги со свободной поверхности в изотермических условиях подчиняется закону Дальтона:

где m - масса испарившейся жидкости;

τ - время;

К - коэффициент, учитывающий гидродинамические условия на поверхности;

S - площадь поверхности испарения материала;

Р₀ - давление насыщенного пара на поверхности материала (при температуре поверхности);

Р∞ - парциальное давление пара в окружающей среде;

Рδ - барометрическое давление в окружающей среде.

По мере уменьшения влажности в материале наступает момент, когда скорость подачи влаги к поверхности оказывается недостаточной, чтобы обеспечить прежнюю скорость испарения с поверхности, вследствие чего скорость сушки начинает падать. Влажность, после которой зависимость влагосодержания от времени (кривая сушки) становится нелинейной, отделяет первый период от второго и называется критической влажностью. Критическая влажность, даже для одного материала, величина непостоянная и зависит от режима сушки. Начиная с критической влажности, кривая сушки асимптотически приближается к равновесной, при которой убыль влаги прекращается.

Снижение скорости сушки при неизменных условиях испарения на поверхности материала объясняется перемещением зоны испарения с поверхности вглубь материала. При этом внутри тела влага продолжает перемещаться по капиллярам в виде жидкости до зоны испарения, а потом в виде пара, диффундирующего через сухие слои материала. Таким образом, во втором периоде скорость сушки определяется скоростью перемещения жидкой и газообразной фаз внутри материала и зависит, глазным образом, от условий внутри материала.

Перемещение влаги внутри материала происходит по закону, аналогичному закону теплопроводности, и общий поток влаги внутри материала может быть выражен равенством:

где а_m - коэффициент диффузии влаги;

▿U - градиент влажности;

аTm

ρ₀ - плотность сухого тела;

▿T - градиент температуры;

К_р - коэффициент молярного переноса под действием градиента давления;

▿P - градиент давления.

Процесс сушки продолжается до тех пор, пока влажность материала не достигнет равновесного (при заданных условиях) значения, после чего процесс прекращается.

Рассмотренный механизм позволяет выявить пути интенсификации процесса сушки.

В первом периоде ускорение сушки материалов может быть достигнуто, как это видно из закона Дальтона (1), следующими путями:

а) увеличением разности давлений насыщенного пара у поверхности испарения и парциального давления пара в окружающей среде (Р₀-Р∞),

б) снижение барометрического давления в окружающей среде Рδ;

в) увеличением площади поверхности испарения S;

г) увеличением коэффициента К, учитывающего, в конечном счете, толщину пограничного диффузионного слоя.

Увеличение разности (Р₀-Р∞) может быть достигнуто увеличением температуры окружавшего воздуха и осушением окружающей атмосферы. Дополнительное осушение требует значительных энергозатрат. А дополнительный прогрев не всегда допустим, так как достаточно большое количество материалов теряет свои свойства при повышенных температурах. Уменьшение барометрического давления окружающей атмосферы Рδ - это, по существу, вакуумная сушка.

Коэффициент К, учитывающий гидродинамические условия на поверхности испарения, тем больше, чем выше скорость относительного движения поверхности испарения и окружающего воздуха. При увеличении скорости относительного движения становится тоньше пограничный слой над поверхностью испарения:

где δ_g - толщина диффузионного пограничного слоя;

l - характерный размер;

Pе - число Пекле;

D - коэффициент диффузии;

ϑ - скорость потока.

Поэтому, как правило, процесс сушки проводят при обдувании сушимого материала потоком нагретого воздуха (конвективная сушка). Однако при сушке мелкодисперсных порошкообразных материалов увеличение скорости ограничено тем, что при больших скоростях воздуха начинается унос частиц.

Но при сушке многих химических продуктов, биологических объектов, удобрений нельзя проводить сушку при повышенных температурах, так как вещества либо разлагаются, либо теряют свои бактерицидные свойства.

Из рассмотренного механизма сушки следует, что существует другой способ изменения величины диффузионного пограничного слоя δ_g - это акустическое воздействие, т.е. сушка материала в поле акустических или ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. Толщина гидродинамического пограничного слоя определяется числом Рейнольдса:

где ν - коэффициент кинематической вязкости.

В акустическом поле толщина δ_r зависти от частоты звука ω:

Толщина гидродинамического пограничного слоя в акустическом поле может быть существенно снижена по сравнению с толщиной δ_r в реально применяемых скоростях потоков. При обдувании тела потоком воздуха толщина гидродинамического и диффузионного пограничных слоев приблизительно одинаковы. В акустическом поле гидродинамический пограничный слой может быть существенно меньше диффузионного. Это значит, что звуковые колебания проникают внутрь диффузионного слоя, турбулизируют его и тем самым ускоряют процесс испарения.

Наряду с уменьшением пограничного слоя акустический метод сушки обладает еще одним преимуществом. На втором этапе сушки акустические колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и разряженного давления.

Механизмы ультразвуковой сушки очень сложны. Но очевидно, действующими факторами являются [1]:

1. Уменьшение вязкости жидкости под действием УЗ, способствующее ускоренному перемещению влаги по капиллярам из глубины тела на поверхность.

2. Выдавливание влаги из капилляров кавитационными пузырьками газа, возникающими и колеблющимися в жидкости, под действием УЗ-колебаний.

3. Радиационное давление, направленное в капиллярах из жидкости в газ, перемещает столбик жидкости капилляра, перемещая его к поверхности.

Сушка в ультразвуковом поле происходит без существенного прогрева материала. Именно поэтому это единственный способ сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов. Обработка материала акустическими колебаниями высокой интенсивности благоприятно сказывается на физико-химических и потребительских свойствах высушиваемого материала (например, увеличивает всхожесть семян и др.).

Акустический способ сушки отличается от обычных методов и по скорости протекания. Например, при сушке ферментов (разрушающихся при температуре в 40°С) в акустическом поле скорость сушки в сравнении с вакуумным методом повышается в 3-4 раза.

Особенности акустической сушки (требования к аппаратуре).

1. Существует нижняя граница интенсивности, при которой начинается интенсификация процесса сушки в акустическом поле (порядка 145 дБ).

2. Отсутствует зависимость скорости сушки от частоты в диапазоне от 2 до 25 кГц.

3. Наиболее эффективна сушка для тонких слоев (порядка 2-20 см).

В настоящее время разработано большое количество способов акустической (ультразвуковой) сушки [2-8].

В качестве прототипа взят способ акустической сушки [8], разработанный в институте Теоретической и Прикладной механики СО РАН.

Способ акустической сушки по [6] заключается в том, что материал для сушки помещают в замкнутый объем, размер которого превосходит объем высушенного материала, размещают в этом объеме газоструйный преобразователь, подают через него в объем сжатый воздух, осуществляют преобразование энергии потока газа в энергию упругих колебаний, обеспечивают распространение акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги. Способ позволил частично реализовать перечисленные выше преимущества, обусловленные применением акустических (ультразвуковых) колебаний высокой интенсивности для интенсификации процесса сушки. Вместе с тем, способ имеет следующие недостатки.

1. Неэффективное использование энергии акустических колебаний, создаваемых в технологическом объеме при помощи газоструйного преобразователя, обусловленное тем, что акустическое воздействие осуществляется вдоль поверхности высушиваемого материала. Хотя известно [1], что максимальная эффективность акустического воздействия обеспечивается при перпендикулярном воздействии. Таким образом, в способе прототипа снижается эффективность сушки глубоких слоев материала и возникает необходимость размещения высушиваемого материала в тонких слоях.

2. Неравномерное высушивание материала, обусловленное различной удаленностью участков высушиваемого материала от источника ультразвуковых колебаний. Объясняется это тем, что уровень звука снижается с удалением от источника звука. Известно, что процесс сушки ускоряется лишь при высоких уровнях звукового давления и существует “критический уровень звукового давления”, до которого ультразвуковая сушка ничем не отличается от обычной конвективной сушки (от 140 до 150 дБ). По этой причине возникает необходимость обеспечения достаточной для эффективной сушки интенсивности колебаний (от 140 до 150 дБ) на самых удаленных участках сушилки. Это может обеспечиваться только увеличением интенсивности излучаемых газоструйным излучателем колебаний (более 150…170 дБ), что технически реализуется очень сложно, требует специальных мер защиты обслуживающего персонала от акустических колебаний.

При невозможности обеспечения столь высоких интенсивностей излучения, сушка будет неравномерной.

3. Нерациональное использование энергии акустических колебаний в способе обусловлено тем, что в прототипе полностью отсутствует концентрация акустической энергии на высушиваемом образце. Энергия от газоструйного преобразователя (излучателя) распространяется равномерно по всему объему сушильной камеры и не концентрируется на высушиваемом материале. Многократные отражения от стенок сушильной камеры приводят к появлению стоячих волн. В процессе сушки в объеме сушилки и на поверхности высушиваемого материала появляются участки с различной интенсивностью акустического воздействия. На некоторых участках интенсивность может быть меньше “критического уровня”, что приводит к неравномерности сушки и снижению качества высушиваемого материала.

4. Необходимость дополнительного перемешивания материала в процессе сушки, обусловленная односторонним воздействием ультразвуковых колебаний на поверхность высушиваемого материала.

5. Снижение эффективности ультразвуковой сушки при обработке “крупных” объектов за счет небольшой глубины проникновения звуковых колебаний в высушиваемый материал (2…20 см) и формирования высушенного поверхностного слоя (“поверхностной корки”).

6. Возможность недопустимого для различных материалов поверхностного нагрева, обусловленная формированием высушенного поверхностного слоя (“поверхностной корки”), особенно той части высушиваемого материала, которая располагается вблизи источника ультразвуковых колебаний.

Все вышеперечисленные недостатки снижают эффективность принятого за прототип способа акустической (ультразвуковой) сушки, обуславливают снижение производительности технологической операции сушки капиллярно-пористых материалов, а в некоторых случаях делают его экономически невыгодным или практически недопустимым (из-за возможного поверхностного нагрева и недопустимого акустического излучения).

Поэтому акустический способ сушки до настоящего времени не получил широкого распространения и имеющиеся отечественные и зарубежные сушилки, в основном, используются как лабораторные или полупромышленные.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих способов акустической сушки капиллярно-пористых материалов, создание способа сушки капиллярно-пористых материалов, способного обеспечить повышение эффективности акустического (ультразвукового) воздействия, повышение качества высушиваемого материала и производительности операций сушки термолабильных материалов и биологических объектов, исключить опасность потери товарных свойств высушиваемыми материалами.

Кроме того, разработанный акустический (ультразвуковой) способ обеспечивает повышение привлекательности самого метода акустической сушки, снижение стоимости процесса и позволит создать мобильные малогабаритные сушилки.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе сушки капиллярно-пористых материалов, заключающемся в том, что материал для сушки помещают в технологический объем, размер которого превосходит объем высушенного материала, размещают в этом объеме газоструйный преобразователь, подают через него в объем сжатый воздух, осуществляют преобразование энергии потока газа в энергию упругих колебаний, обеспечивают распространение акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги, высушиваемый материал помещают в технологический объем, выполненный в форме тороида. Попеременно обеспечивают герметизацию или проницаемость стенок тороида. Технологический объем в форме тороида с высушиваемым материалом помещают в больший по размерам объем, представляющий собой объемную фигуру, имеющую в сечении два одинаковых эллипса, пересекающихся таким образом, что сечения совпадают по одному из фокусов эллипсов. Газоструйный преобразователь располагают в общем для двух эллипсов фокусе, технологический объем с материалом для сушки размещают в области вторых фокусов, распространение акустических колебаний к поверхности технологического объема с высушиваемым материалом обеспечивают за счет многократных отражений внутри большего объема и фокусировки, причем акустическое воздействие чередуют с герметизацией объема с высушиваемым материалом, уменьшением давления в большем объеме и последующей разгерметизацией объема с высушиваемым материалом. В зависимости от физико-химических свойств материалов и заданной степени сушки мощность механических колебаний ультразвуковой частоты выбирают в интервале от 120 до 170 дБ при частоте колебаний от 15 до 25 кГц, вакуумирование в большем объеме проводят до остаточного давления в интервале 1 до 10000 Па, причем величину остаточного давления в большем объеме устанавливают исходя из соотношения объемов, обеспечивая суммарное для двух объемов давление в интервале от 10 до 70000 Па, в течение интервала времени от 0,2 до 6 с.

Разработанный способ поясняется фиг.1, на которой схематично показана конструктивная схема сушильной установки.

На фиг.1 показано, что высушиваемый материал помещают в технологический объем, выполненный в форме тороида 1. В процессе реализации предложенного способа попеременно обеспечивают герметизацию или проницаемость стенок этого технологического объема 1, выполненного в форме тороида. На практике возможна реализация непрерывного процесса сушки за счет организации перемещения материала в технологическом объеме и периодической разгрузки и загрузки. Технологический объем в форме тора с высушиваемым материалом помещают в большой объем 2 сушилки, представляющий собой объемную фигуру, имеющую в сечении два одинаковых эллипса, пересекающихся таким образом, что сечения совпадают по одному из фокусов сечений. Газоструйный преобразователь 3 размещают в общем для двух эллипсов фокусе. Объем с материалом 1 размещают в области вторых фокусов большего объема 2 сушилки.

Использование сушильной камеры подобной формы позволяет, с одной стороны, сконцентрировать акустические колебания на высушиваемом материале за счет многократных отражений внутри объема и фокусировки, с другой стороны, исключить необходимость перемешивания материала в силу того, что объект сушки находится в зоне облучения акустическими колебаниями со всех сторон.

Процесс сушки проводят циклами, состоящими из двух этапов: этапа сброса давления и этапа акустического воздействия. Сброс давления или резкий вакуумный удар достигается за счет понижения давления в большем объеме 2 и последующей резкой разгерметизации объема 1 с высушиваемым материалом. В результате чего давление в объемах 2 и 1 выравнивается в течение короткого интервала времени и высушиваемый материал подвергается резкому перепаду давления. Связь между первоначальными давлениями в объемах и в суммарном объеме может быть найдено из уравнений Менделеева-Клапейрона, записанных для объемов, и определяется следующей зависимостью:

где Р₁₂ - суммарное для объемов 1 и 2 остаточное давление;

Р₁ - давление в объеме 1;

Р₂ - давление в объеме 2;

V₁ - объем 1;

V₂ - объем 2.

Таким образом, достижение требуемого остаточного давления может обеспечиваться либо регулировкой глубины вакуумирования в объеме 1 (Р₁), либо варьированием отношения объемов камер 1 и 2, так как

Основные параметрические показатели сброса давления (начальное давление, остаточное давление, продолжительность сброса) могут широко варьироваться в зависимости от физико-химических свойств объекта сушки.

Резкое снижение давления приводит к возникновению дополнительной движущей силы сушки - нерелаксируемому градиенту общего давления. В результате падения давления происходит бурное парообразование по всему объему высушиваемого материала, и формирующийся молярный поток выносит из материала вместе с паром и часть влаги в жидкой фазе. Таким образом, механизм сушки оказывается аналогичным механическому обезвоживанию посредством прессования или центрифугирования.

Как уже отмечалось, существует нижняя граница мощности воздействия акустической энергии, начиная с которой процесс сушки интенсифицируется. По различным оценкам пороговая интенсивность составляет 140-150 дБ. В случае, если мощность колебаний не достигает пороговой отметки акустическая сушка ничем не отличается от конвективной. В предлагаемом способе сушки нижняя граница диапазона выбираемой мощности колебаний снижена до 120 дБ. Снизить границу позволяет форма сушильной камеры, в которой высушиваемый материал располагается в области наивысшей концентрации звуковой энергии и, как следствие, мощность воздействия на материал значительно превышает пороговую отметку и при меньших, чем в прототипе, значениях мощности излучателя.

В рамках предлагаемого способа частоту колебаний выбирают в диапазоне от 15 до 25 кГц. Выбор высоких частот объясняется способностью коротких волн проникать в мелкие поры и капилляры высушиваемого материала (в том числе и в те, которые формируются за счет резкого перепада давления) и тем самым интенсифицировать процесс сушки.

Регулируя процесс парообразования, можно добиться и структурного видоизменения высушиваемого капиллярно-пористого тела, и частичного или полного разрушения. В случае допустимости структурных видоизменений параметры сушки необходимо выбирать именно так. Структурные изменения сводятся к укрупнению и приданию правильной геометрической формы порам и капиллярам, присутствующим в объекте.

На фиг.2 схематично показана структура капиллярно-пористого материала до сброса давления (А) и после (Б). Заштрихованная область - зона проникновения ультразвуковых колебаний в материал. Указанные изменения благоприятно сказываются на товарных характеристиках высушиваемого материала. Применительно к пищевым продуктам - приводят к улучшению вкусовых качеств (например, хруст для чипсов и др.), применительно к строительным материалам - уменьшают коэффициент теплопроводности.

Структурные изменения материалов значительно интенсифицируют процесс сушки на этапе акустического воздействия. Интенсификация происходит за счет увеличения площади поверхности воздействия ультразвуковых волн.

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность акустического (ультразвукового) воздействия на высушиваемый материал за счет рационального размещения высушиваемого материала в сушилке, фокусировки колебаний в области размещения высушиваемого материала, резкого снижения давления, приводящего к возникновению дополнительной движущей силы сушки - нерелаксируемого градиента общего давления, увеличения энергии колебаний, вводимых в высушиваемый материал, снижения энергозатрат, уменьшения нагрева поверхностных слоев материала.

В результате реализации предлагаемого технического решения повышается эффективность процесса акустической сушки, осуществлена оптимизация конструкций акустических сушилок с точки зрения обеспечения максимальной эффективности воздействия акустическими колебаниями на высушиваемый материал, уменьшения нагрева поверхностных слоев.

Таким образом, предлагаемый способ сушки капиллярно-пористых материалов обеспечивает повышение производительности, сокращение длительности процесса сушки, снижение энергоемкости, повышение экономичности и улучшение потребительских качеств высушиваемого объекта.

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведутся работы по созданию промышленного образца сушилки. Одновременно ведется подготовка к серийному производству создаваемых сушилок для аграрного комплекса Алтайского края.

Планируется начать мелкосерийное производство сушилок в 2003 году.

Источники информации

1. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970.

2. Патент РФ №2010701.

3. Патент РФ №2062416.

4. Патент РФ №2134388.

5. Патент РФ №2171959.

6. Патент РФ №2095707 - прототип.

7. United States Patent 6233844 В1.

8. Патент РФ №2062416.

Изобретение относится к области техники, связанной с созданием технологических процессов сушки различных материалов и применением акустических (ультразвуковых) колебаний, и может быть использовано в химической, биологической, фармацевтической промышленности, а также в сельском хозяйстве. В предлагаемом способе сушку ведут с чередующимися интервалами акустического воздействия и резкого снижения давления, концентрируя акустическое воздействие на высушиваемом материале за размещения высушиваемого материала и фокусировки акустических колебаний в области размещения материала. Для этого высушиваемый материал помещают в технологический объем в форме тороида, попеременно обеспечивают герметизацию тороида и помещают его в больший по размерам объем, имеющий в сечении два одинаковых эллипса, пересекающихся так, что сечения совпадают по одному из фокусов эллипсов, газоструйный преобразователь располагают в общем для двух эллипсов фокусе, тороид с материалом для сушки размещают в области вторых фокусов, распространение колебаний к поверхности тороида обеспечивают за счет многократных отражений внутри большего объема и фокусировки, акустическое воздействие чередуют с герметизацией тороида, уменьшением давления в большем объеме и последующей разгерметизацией тороида. Способ обеспечивает интенсификацию процесса. 2 ил.

Способ сушки капиллярно-пористых материалов, заключающийся в размещении материала для сушки в технологическом объеме, размер которого превосходит объем высушенного материала, размещении в этом объеме газоструйного преобразователя, подаче через него в объем сжатого воздуха, преобразовании энергии потока газа в энергию упругих колебаний, распространении акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги, отличающийся тем, что высушиваемый материал помещают в технологический объем, выполненный в форме тороида, попеременно обеспечивают герметизацию или проницаемость стенок тороида, технологический объем в форме тороида с высушиваемым материалом помещают в больший по размерам объем, представляющий собой объемную фигуру, имеющую в сечении два одинаковых эллипса, пересекающихся таким образом, что сечения совпадают по одному из фокусов эллипсов, газоструйный преобразователь располагают в общем для двух эллипсов фокусе, технологический объем с материалом для сушки размещают в области вторых фокусов, распространение акустических колебаний к поверхности технологического объема с высушиваемым материалом обеспечивают за счет многократных отражений внутри большего объема и фокусировки, акустическое воздействие чередуют с герметизацией объема с высушиваемым материалом, уменьшением давления в большем объеме и последующей разгерметизацией объема с высушиваемым материалом, причем в зависимости от физико-химических свойств материалов и заданной степени сушки мощность механических колебаний ультразвуковой частоты выбирают в интервале 120-170 дб при частоте колебаний 15-25 кГц, вакуумирование в большем объеме проводят до остаточного давления в интервале от 1-10000 Па, величину остаточного давления в большем объеме устанавливают, исходя из соотношения объемов, обеспечивая суммарное для двух объемов давление в интервале 10-70000 Па, в течение интервала времени 0,2-6 с.