УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК F26B19/00 F26B3/347 

Изобретение относится 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 выращивании монокристаллов.

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), непригодные для дальнейшего использования, что в конечном счете приводит к перерасходу дорогостоящего материала).

Основным требованием, предъявляемым к способам и устройствам для сушки, в частности, йодидов щелочных металлов, является предотвращение гидролиза солей при их обезвоживании и получение высушенного материала с влажностью не более 0,01%.

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-энргии, 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.

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.

Известно устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов [пат. РФ №2152571, F 26 11/04, 3/347], содержащее горизонтальную камеру, установленную с возможностью вращения на двух подшипниках, закрепленных на крышках в боковых отверстиях барабана, нагревательные элементы, подключенные к источнику электромагнитных волн, устройство подачи нагретого воздуха во внутреннюю полость камеры и влагоотводящее устройство. При этом нагревательные элементы выполнены в виде системы волноводно-щелевых резонансных излучателей, а в качестве источника электромагнитных волн использован СВЧ-генератор, при этом волновод введен во внутреннюю полость металлического барабана через отверстие в неподвижной крышке одного из боковых отверстий барабана, а через отверстия в неподвижной крышке другого бокового отверстия барабана введены каналы подвода нагретого воздуха и отвода влажного воздуха, кроме того, на внутренней цилиндрической поверхности барабана выполнены два ряда встречно-наклонных ребер с шагом 20-45°, угол наклона каждого ряда составляет 45-60° к образующей цилиндрической поверхности барабана, при этом один конец каждого ребра соединен с соответствующим основанием цилиндрической поверхности барабана, а другой конец отстоит от центра соответствующей образующей на расстояние l=(0,1 0,01)L, где L - длина барабана. Система волноводно-щелевых излучателей развернута на угол 40-45° к основанию сушилки в направлении вращения барабана и снабжена четвертьволновыми отражателями. Канал подвода нагретого воздуха снабжен перфорированным экраном.

Недостатком данного устройства является падение СВЧ-энергии перпендикулярно слою сырья, что приводит к возникновению большого отражения СВЧ-энергии от сырья и, как следствие, установлению в системе СВЧ-генератор-волноводная линия-многомодовый резонатор коэффициента стоячей волны более 2. В этом случае снижается КПД использования СВЧ-энергии (менее 50%), приводящее к значительному перерасходу электроэнергии. Кроме того, большая площадь соприкосновения высушиваемого сырья с ребрами увеличит поступление металлических примесей в вещество ОСЧ, что недопустимо по ТУ.

Известно устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов [пат. Украины №56629А, кл. F 26 В 3/347], содержащее СВЧ-тракт, соединенный с волноводом, внутри которого с возможностью вращения вокруг продольной оси размещена емкость для сыпучего материала, выполненная из радиопрозрачного материала. Волновод выполнен в виде цилиндрического многомодового резонатора, внутри которого и коаксиально ему установлена ампула, конусообразным торцом с углом при вершине порядка 150°, обращенная к СВЧ-тракту. Противоположный ее торец имеет патрубок для загрузки-выгрузки сырья, подключенный к приводу вращения ампулы, а также систему вакуумирования и напуска сухого воздуха, при этом внутренняя поверхность ампулы снабжена горизонтальными пластинами из радиопрозрачного материала и расположенными вдоль ее оси.

Недостатком данного устройства является отражение СВЧ-энергии от конусообразного конца ампулы, в результате СВЧ-энергия используется неэффективно. Сушка сырья в ампулах не может обеспечить больших загрузок сырья (не более 10 Кг) для одновременной его сушки, что снижает производительность процесса в целом.

Известно устройство для сушки сыпучих мелкодисперсных диэлектрических материалов [а.с. №1522006, кл. F 26 B 3/347], содержащее 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 поглотитель избыточной 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.

Известно устройство для сушки сыпучих материалов [а.с. №1816943 СССР, кл. F 26 B 3/347], содержащее вертикально установленную камеру, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты, сочлененных между собой цилиндрической частью. Больший по высоте усеченный конус (горловина устройства) соединен с коаксиально-волноводным переходом ввода СВЧ-энергии, имеющим внутреннее отверстие для прохождения высушиваемого материала. Коаксиально-волноводный переход соединен с трубой подачи обрабатываемого материала. Внутри большего по высоте усеченного конуса по его оси установлен дополнительный усеченный конусный элемент и промежуточный диэлектрический конусный элемент, которые между собой образуют обогреваемую шахту для перемещения высушиваемого материала. По оси внутреннего дополнительного конусного элемента установлен воздушный коллектор и оба конусных элемента снабжены системой поярусно расположенных радиальных каналов. Радиальные каналы во внутреннем элементе сообщены с воздушным коллектором, а во внешнем - с атмосферой. Причем диаметры внешнего и внутреннего элементов выбраны из условия обеспечения постоянного волнового сопротивления по длине камеры. Меньший по высоте усеченный конус соединен с трубой вывода высушиваемого материала. В цилиндрической части камеры расположен поглотитель избыточной СВЧ-энергии.

Данное устройство позволяет 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 (невысушенного) для удаления влаги из высушиваемого материала, влажность которого нестабильна и зависит от влажности атмосферы, определяет конечную величину влажности высушиваемого материала.

Кроме того, недостатком приведенных устройств является то, что процесс сушки материала осуществляется при атмосферном давлении. Для удаления влаги из высушиваемого материала необходимо нагревать его до высоких температур. В этом случае может происходить разложение некоторых микроэлементов, что приводит к снижению качества готовой продукции. Необходимость использования поглотителя избыточной СВЧ-энергии связана с повышением уровня мощности СВЧ-генератора, что приводит к усложнению устройства и увеличивает энегроемкость, 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.

В качестве прототипа по количеству общих признаков нами выбран последний из аналогов.

В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки устройства, которое обеспечило бы снижение энергоемкости, улучшение качества сушки и экологии окружающей среды.

Решение задачи обеспечивается тем, что устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов, содержащее камеру резонатора, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты, сочлененных между собой большими основаниями цилиндрической частью, и устройство для продува воздухом, согласно изобретению соотношение высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса многомодового резонатора составляет 2:1:0,5, больший по высоте усеченный конус фланцем горловины соединен через вакуумплотный и специальный фланцы с волноводным вводом СВЧ-энергии, камера имеет возможность вращения, а также вертикального перемещения за счет ее крепления на стойках, изогнутая часть которых, также как и ось волноводного ввода образует угол 15-20° к горизонту, со стороны дна камеры (меньшего основания меньшего по высоте усеченного конуса) по ее оси введен диэлектрический патрубок для откачки объема камеры, устройство для продува сухим воздухом расположено коаксиально указанному патрубку снаружи камеры и неразъемно с ней соединено, на указанном устройстве размещено устройство для вращения камеры, внутри камеры по ее образующей расположены ребра высотой λ/10, где λ - длина волны СВЧ-излучения.

Выполнение ребер указанной высоты не возмущают электромагнитное поле СВЧ-энергии, но хорошо перемешивают сырье, при этом площадь соприкосновения сырья с ребрами незначительная, что снижает поступление металлических примесей в сырье.

Крепление камеры на стойках, изогнутая часть которых и ось волноводного ввода образуют угол 15-20° к горизонту, обеспечивает расположение оси вращения камеры также под углом 15-20° к горизонту и, следовательно, расположение сырья в камере в процессе сушки в форме клина вершиной, обращенной в сторону СВЧ-излучения. При этом падение СВЧ-энергии на поверхность сырья происходит также под углом 15-20° к горизонту, благодаря чему обеспечивается практически полное (90-95%) поглощение СВЧ-энергии, пропорционально его толщине как по сечению, так и по длине, при этом исключается перегрев сырья около горловины камеры, вращение камеры также способствует установлению однородной температуры по всему объему, благодаря чему исключаются гидролиз при сушке кристаллогидратов и разложение термолабильных субстанций, за счет чего улучшается качество сушки.

Соотношение высот составных частей камеры выбрано из соображений максимально возможного рабочего объема при минимальной внутренней поверхности, которая будет поглощать (хотя и незначительно) СВЧ-энергию за счет конечной проводимости материала камеры.

Наклонное положение камеры в рабочем положении обеспечивает откачку объема патрубком, который всегда находится выше уровня сырья.

Вертикальное перемещение камеры обеспечивает возможность при отсоединении вакуумплотного фланца от камеры загружать и выгружать высушенное сырье без дополнительных устройств, кроме этого, в предлагаемом устройстве отсутствует поглотитель избыточной СВЧ-энергии, что упрощает устройство.

Упрощается процесс согласования камеры с СВЧ-трактом по сравнению с аналогами.

Потребление электроэнергии снижается за счет увеличения КПД использования СВЧ-энергии.

Специальной конструкции фланец обеспечивает возможность вращения камеры при неподвижном волноводном тракте для вводе СВЧ-энергии и сохранение герметичности камеры вакуумплотным фланцем, что упрощает устройство.

Расположение устройства для продува сухим воздухом снаружи камеры коаксиально диэлектрическому патрубку не требует введения дополнительных элементов, что также упрощает устройство.

На чертеже приведен эскиз устройства для сушки сыпучих материалов.

Устройство содержит камеру многомодового резонатора, состоящую из большего по высоте усеченного конуса 1, сочлененного цилиндрической частью 2 с меньшим по высоте усеченным конусом 3, при этом соотношение их высот составляет 2:1:0,5. Больший по высоте усеченный конус 1 фланцем 4 горловины камеры через вакуумплотный фланец 5 и специальный фланец 6 соединен волноводным вводом 7 с СВЧ-генератором 8. Камера крепится на стойках 9, изогнутая часть 10 которых, равно как и ось волноводного ввода 7, образует угол 15-20° с горизонтом, что обеспечивает при соединении фланца 4 горловины камеры с волноводным вводом 7 в рабочем состоянии расположить и ось вращения камеры под этим же углом к горизонту. В конкретном примере крепление камеры на изогнутой части 10 стоек 9 обеспечено с помощью направляющих 11, укрепленных в осях 12, которые обеспечивают возможность вертикального перемещения камеры. Направляющие 11 жестко соединены с кольцом 13, на котором жестко укреплены центрирующие ролики 14. На самой камере жестко расположено кольцо 15, которое при вращении камеры «катится» по роликам 14. Место расположения кольца 15 на корпусе камеры не имеет принципиального значения. В конкретном примере оно расположено на стыке большего по высоте усеченного конуса 1 с цилиндрической частью 2, а может располагаться и перед фланцем 4 горловины. Со стороны меньшего по высоте усеченного конуса 3 через дно 16 камеры по ее оси введен диэлектрический патрубок 17 для откачки ее объема, и снабженный насадкой-фильтром 18 для исключения попадания в него сырья. В рабочем положении патрубок 17 всегда находится выше уровня сырья. Устройство для продува сырья сухим воздухом представляет собой воздухопровод 19, расположенный коаксиально указанному патрубку 17 снаружи камеры и неразъемно с ней соединенный. Сухой воздух в него подается из нагнетателя (не приведен). На воздухопроводе 19 с червячной передачей расположен электродвигатель 20, обеспечивающий вращение камеры. Вакуумное уплотнение 21 обеспечивает герметичность и исключает возможность нарушения вакуума в камере через диэлектрический патрубок 17. Внутри камеры по ее образующей расположены ребра 22. На чертеже приведены также сырье 23 в камере и блок 24 питания СВЧ-генератора.

Устройство работает следующим образом.

С помощью направляющих 11, укрепленных в осях 12, камеру устанавливают фланцем 4 горловины вертикально вверх для загрузки высушиваемого сырья 23 в необходимом объеме. После этого камеру наклоняют, к фланцу 4 горловины камеры пристыковывают вакуумплотный фланец 5, с помощью которого осуществляют герметизацию камеры, и специальный фланец 6, который соединяют с волноводным вводом 7 и СВЧ-генератором 8. Специальный фланец 6 обеспечивает возможность вращения камеры без нарушения ее герметичности, при этом в рабочем положении ось вращения камеры образует с уровнем горизонта угол 15-20°, а патрубок 17 в результате этого всегда будет находиться выше уровня сырья 23, обеспечивая откачку объема камеры. Включают вакуумный насос (не показан), подсоединенный через вакуумное уплотнение 21 к патрубку 17, и осуществляют откачку объема камеры. Одновременно включают электродвигатель 20 и камера начинает вращение кольцом 15 по центрирующим роликам 14 со скоростью 5-10 об/мин. При этом вакуумное уплотнение 21 при вращении камеры остается неподвижным, а патрубок 17 и трубка 19 вращаются вместе с камерой. При достижении давления в камере ≤10^-1 мм рт.ст., не прекращая откачки объема, включают напуск сухого воздуха до предпробойного давления, осуществляя продув сырья 23. Затем включают СВЧ-генератор 8. При вращении камеры сырье 23 перемешивается как в радиальном, так и в продольном направлении за счет ребер 20, сохраняя все время форму клина, вершиной обращенной в сторону СВЧ-генератора, обеспечивая за счет этого равномерность прогрева сырья по толщине и исключая его перегрев около горловины камеры. Выгрузка высушенного сырья осуществляется в следующей последовательности. Отключается СВЧ-генератор 8, выключается электропривод 20, через воздухопровод 19 производится напуск сухого воздуха в камеру до атмосферного давления, отстыковывается вакуумплотный фланец 5 от фланца 4 горловины камеры. Система СВЧ-генератор 8 - волноводный ввод 7 - специальный фланец 6 - вакуумплотный фланец 5 отводится на необходимое расстояние с тем, чтобы камера смогла фланцем 4 горловины опуститься вниз на осях 12 для выгрузки сырья в специальные емкости.

В данном устройстве была проведена сушка порошкообразных йодидов щелочных металлов (NaJ, LiJ, GsJ) с исходной влажностью 5-8%. В результате проведенной сушки влажность сырья составила 2-10^-3%, потребление электроэнергии снизилось до 0,1 квт·час/кГ по сравнению с 0,3 квт·час/кГ третьего аналога. Вредные выбросы в виде паров йода и других газов практически отсутствовали по сравнению с прототипом.

Изобретение относится 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 выращивании монокристаллов. Устройство содержит камеру резонатора, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты, сочлененных между собой большими основаниями и цилиндрической частью, и устройство для продува воздухом. Соотношение высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса многомодового резонатора составляет 2:1:0,5. Камера имеет возможность вращения, а также вертикального перемещения за счет ее крепления на стойках, изогнутая часть которых так же, как и ось волноводного ввода, образует угол 15-20° к горизонту. Внутри камеры по ее образующей расположены ребра высотой λ/10 из радиопрозрачного материала, где λ - длина волны СВЧ-излучения. Изобретение обеспечивает снижение энергоемкости, улучшение качества сушки и экологии окружающей среды. 1 ил.

Устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов, содержащее камеру резонатора, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты, сочлененных между собой большими основаниями, цилиндрической частью, и устройство для продува воздухом, отличающееся тем, что соотношение высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса многомодового резонатора составляет 2:1:0,5, больший по высоте усеченный конус фланцем горловины соединен через вакуумплотный и специальный фланцы с волноводным вводом СВЧ-энергии, камера имеет возможность вращения, а также вертикального перемещения за счет ее крепления на стойках, изогнутая часть которых так же, как и ось волноводного ввода, образует угол 15-20° к горизонту, со стороны дна камеры по ее оси введен диэлектрический патрубок для откачки объема камеры, устройство для продува сухим воздухом расположено коаксиально указанному патрубку снаружи камеры и неразъемно с ней соединено, с указанным устройством связано устройство для вращения камеры, внутри камеры по ее образующей расположены ребра высотой λ/10 из радиопрозрачного материала, где λ - длина волны СВЧ-излучения.