Сушилка для пастообразных материалов на полидисперсном инертном носителе Российский патент 2017 года по МПК F26B17/10 F26B3/12 

Изобретение относится к сушильной технике, а именно к сушилкам с активным гидродинамическим режимом, предназначенным для сушки суспензий и пастообразных материалов во взвешенном закрученном слое инертных частиц, и может найти применение в производстве красителей, медицинских препаратов и других продуктов.

Аналогом является сушилка для пастообразных материалов на инертных телах (SU 1666898 А1), содержащая цилиндро-коническую камеру взвешенного слоя, барабан для тангенциального ввода теплоносителя с конусом, соосные с камерой диффузор и кольцо и боковое фильерное устройство.

К недостаткам этой сушилки следует отнести следующее:

низкая интенсивность распределения высоковязких пастообразных материалов по поверхности инерта; недостаточная кинетическая энергия частиц инерта для удаления высохших пленок материалов, проявляющих при высыхании ощутимую адгезию к поверхности инерта; попытки дальнейшего увеличения производительности сушилки за счет увеличения общего расхода теплоносителя приводят к прорыву слоя инерта в центральной осевой области и нарушению общей гидродинамической обстановки в аппарате.

В качестве прототипа выбрана сушилка для пастообразных материалов на инертных телах (SU 1778478 А1), содержащая биконическую камеру, цилиндрическую сепарационную камеру, ротор, барабан с тангенциальным входом, конус, кольцо, диффузор и взвешенный закрученный слой инертных частиц.

Сушилка работает следующим образом. В биконическую камеру загружается инертный материал в виде частиц размером (3…5)*10^-3 м (полимерный гранулят). Теплоноситель делится на два потока: пристеночный и центральный, образующий плотный кольцеобразный закрученный слой инерта. Внутри камеры размещен ротор с насадком, имеющий перфорацию на нижней части для подачи влажного материала. Ротор имеет возможность вращения вокруг оси 0…400 мин^-1. При взаимодействии вращающегося ротора со слоем инертного материала образуются дополнительно два контура интенсивной циркуляции инерта. При подаче материала через вращающийся ротор существенно увеличивается относительная скорость в системе «инерт-наносимый влажный материал» и достигает 7…8 м/с. При этом происходит постоянная локальная замена инерта в зоне нанесения и активное вбрасывание инерта с нанесенным влажным материалом в основной слой инерта. Высохший материал подвергается ударному воздействию на верхней части ротора и выносится в виде аэровзвеси из аппарата.

К недостаткам этой сушилки следует отнести: количество частиц инерта, контактирующих с ротором в нижней части, незначительно; взаимодействие частиц с ротором является однократным, что отрицательно сказывается на равномерности распределения материала по поверхности инерта. Первичная обкатка инерта с материалом на нижней части ротора практически отсутствует. Аппарат чувствителен к дозировке влажного материала, что может приводить к нарушению гидродинамики слоя и активному агрегатированию в нижней части слоя. Наиболее крупные агрегаты попадают в барабан, постоянно накапливаются и приводят к аварийной остановке аппарата. Воздействие теплоносителя на агрегаты в барабане является неэффективным и не приводит к разрушению агрегатов.

Целью изобретения является интенсификация процесса сушки суспензий и пастообразных материалов. Цель достигается тем, что сушилка для суспензий и пастообразных материалов на инертных телах, содержащая биконическую камеру, сопряженную с цилиндрической сепарационной камерой, и вертикальный барабан с тангенциальными вводами теплоносителя отличается

тем, что с целью интенсификации процесса сушки внутри биконической камеры по ее оси расположен полый ротор, выполненный из двух частей, имеющих криволинейную образующую боковой поверхности и сопряженных через обкаточный диск, причем поверхность верхней части ротора снабжена перфорацией, поверхность нижней части выполнена рифленой, а применяемый инертный носитель состоит из двух частей, отличающихся по размерам и плотности составляющих частиц.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения. На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая сушилка; на фиг. 2 - ротор; на фиг. 3 - вид А фиг. 2; на фиг. 4 - сечение В-В фиг. 1; на фиг. 5 - распределение инертного носителя по размерам частиц.

Сушилка содержит биконическую камеру 1, цилиндрическую сепарационную камеру 2, ротор 3, барабан 4, взвешенный полидисперсный закрученный слой инертного носителя 5.

Сушилка работает следующим образом. В биконическую камеру 1 загружается полидисперсный инертный носитель 5, состоящий из двух частей (часть А и часть В на фиг. 5), которые различаются по трем параметрам: размеру, плотности и форме частиц. Часть А (фиг. 5) состоит из гранул округлой формы, близкой к сферической, плотностью 1050…1100 кг/м³, диаметром (2,3…3,1)*10^-3 м (гранулированные полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат). Часть В содержит частицы пластинчатой формы плотностью 2140…2400 кг/м³ с определяющим размером (3,8…4,2)*10^-3 м (фторопласт Ф4К20, имеющий по сведениям производителя износостойкость примерно в 600 раз выше, чем классический фторопласт Ф4). Теплоноситель, подаваемый через тангенциальные вводы барабана 4, воздействует на инертный носитель и приводит его во взвешенное состояние. При этом образуется плотный кольцеобразный закрученный полидисперсный слой 5 инертного носителя (основное вращение закрученного слоя показано на фиг. 1 крупными стрелками).

Предложенное исполнение инертного носителя позволяет при работе аппарата организовать в рабочей зоне две явно выраженные зоны закрученного инертного носителя (зоны А и В фиг. 1). В зоне А (фиг. 1) находятся преимущественно мелкие частицы инертного носителя А (фиг. 5), как более мелкие и с малой плотностью. В зоне В (фиг. 1) в основном присутствуют крупные частицы инертного носителя В (фиг. 5) и образующиеся в процессе нанесения высушиваемого материала на инертный носитель крупные агрегаты из двух-трех и более частиц инертного носителя А и В. Внутри камеры 1 соосно с ней размещен ротор с насадком, выполненным из двух частей, имеющих криволинейную образующую боковой поверхности и соединенных через обкаточный диск 8. Верхняя поверхность ротора выполнена перфорированной для подачи влажного материала, нижняя криволинейная поверхность имеет рифление. В нижней части ротора установлена бобышка 6 с пальцами 7, предназначенными для ударно-истирающего разрушения крупных агрегатов, накапливающихся в процессе работы аппарата в нижней части сушилки.

Параметрические уравнения для верхней части ротора:

Для нижней:

причем R_p=(0,3…0,35) R_c,

где R_p - радиус ротора;

R_c - радиус конической части сушилки в плоскости сопряжения конических частей ротора.

Ротор 3 имеет возможность вращения вокруг оси (100…500) мин^-1 и вертикального перемещения для получения оптимального зазора между пальцами 7 и днищем сушилки, что необходимо для разрушения крупных агрегатов. Направление вращения ротора можно назначать попутным или встречным по отношению к вращению закрученных потоков инертного носителя. Выбор оптимального направления вращения ротора в каждом конкретном случае определяется особенностями: нанесения данного влажного материала на инертный носитель; снятия высохшего материала; разрушения агрегатов и другими технологическими аспектами. Так, например, при встречном вращении ротора активизируются процессы дробления агрегатов и взаимодействие потоков инертного носителя в зоне С (фиг. 1).

Отличительной особенностью такой геометрической формы ротора является образование аэродинамической тени за ротором, что способствует формированию непосредственно над ротором зоны уплотненного инертного носителя А, опускающегося вертикально на верхнюю перфорированную часть ротора. В этой части слоя закрутка практически вырождается, и порозность этой части инертного носителя приближается к порозности слоя гранулированного материала, сформированного методом свободной насыпки с небольшой высоты (метод «дождя»). При взаимодействии вращающегося ротора со слоем инертного носителя образуются два дополнительных контура вертикальной циркуляции инерта (показаны мелкими стрелками на фиг. 1).

Влажный материал подается через полый вал ротора и фильеры на его верхней части. При этом относительная скорость в системе «инертный носитель - наносимый материал» достигает 8…10 м/с. Большая относительная скорость в системе «инертный носитель - наносимый материал» существенно улучшает условия нанесения и распределения материала по поверхности инертного носителя. При осаждении уплотненного слоя инертного носителя на верхнюю поверхность ротора происходит постоянная активная замена инертного носителя в зоне нанесения влажного материала с последующей обкаткой частиц инертного носителя по поверхности ротора и на обкаточном диске. В отличие от прототипа, где с нижней частью ротора взаимодействуют далеко не все частицы инертного носителя взвешенного слоя, в предложенном техническом решении практически большинство частиц опускающегося на ротор слоя взаимодействует с ротором, причем неоднократно. Кроме того, опускающийся слой инертного носителя является настолько плотным, что ограничивает подвижность отдельных гранул в момент контакта с влажным материалом, выходящим из фильеры. Указанное обстоятельство положительно сказывается на эффективности нанесения влажного материала на инертный носитель.

Далее происходит активное центробежное вбрасывание частиц инертного носителя с нанесенным материалом в зону С фиг. 1, где при контакте с частицами инертного носителя В происходит дополнительное перераспределение влажного материала (перенос части влажного материала на инертный носитель группы В). В зоне С частицы инертного носителя А тормозятся частицами инертного носителя В, опускающимися в противотоке, как существенно более тяжелые, в нижнюю часть сушилки (на фиг. 1 показано мелкими стрелками). При этом увеличиваются локальные коэффициенты тепло- и массообмена для заторможенных частиц инертного носителя А за счет увеличения относительной скорости теплоносителя.

Затем частицы инертного носителя А с нанесенным материалом вбрасываются потоком теплоносителя в верхнюю часть сушилки с образованием вращающегося закрученного слоя и по мере высыхания материала и его отслаивания и истирания поднимаются выше в соответствии со скоростью витания. В дальнейшем «чистые» частицы инертного носителя попадают в аэродинамическую тень и далее в зону нанесения влажного материала.

В зоне С в зависимости от свойств высушиваемого материала наблюдается некоторое агрегатирование частиц инертного носителя А между собой, а также с частицами инертного носителя В. Это явление приводит к перемещению агрегатов в нижнюю часть сушилки с более активным гидродинамическим режимом, где и наблюдается их постоянное пребывание до полного высушивания с разрушением при контакте с рифленой частью ротора. Как показали наши исследования, рифление ротора позволяет:

- более активно использовать контактное ударное воздействие на частицы инертного носителя с подсохшим материалом;

- дополнительно перераспределять влажный материал между гранулами инертного носителя, образуя новые поверхности тепломассобмена;

- эффективно разрушать агрегаты из частиц инертного носителя, соединенных избыточным влажным материалом.

Как показала практика применения рифленого ротора в процессе работы сушилки, инертный носитель непрерывно зачищает поверхность ротора, замазывания ротора влажным материалом при этом не наблюдается.

Наиболее крупные и прочные агрегаты из трех и более частиц, которые не могут подниматься теплоносителем, вращаются в нижней части сушилки и разрушаются дополнительно ударно-истирающим воздействием пальцев ротора. Высушенный материал, удаленный с поверхности инертного носителя при всех указанных видах воздействия, в виде аэровзвеси (чешуйчато-пылевидная форма) поднимается потоком теплоносителя в сепарационную камеру и удаляется из сушилки.

Таким образом, по сравнению с прототипом, более полно используется рабочая зона сушилки, активнее применяется ударно-истирающее воздействие на инертный носитель, устраняется агрегатирование инертного носителя и дезагрегированные частицы возвращаются в рабочее состояние.

Экспериментальная проверка проводилась (по аналогии с прототипом) при сушке лизина. По сравнению с прототипом при равных габаритных размерах производительность предлагаемой сушилки больше на 28…35% (в зависимости от начальной влажности продукта) за счет:

- увеличения количества носимого полидисперсного инертного носителя в рабочей зоне и связанного с этим увеличения эффективной площади тепломассообмена аппарата;

- включения в активный процесс сушки нижней части сушильной камеры (использование инертного носителя В и разрушение агрегатов);

- интенсификации процесса нанесения влажного материала на инертный носитель при многократном контакте с ротором, обкатке влажного материала по поверхности инертного носителя (ротор и обкаточный диск);

- использования активного поперечного ударного контакта двух типов инертного носителя А и В в зоне С;

- локальной интенсификации процессов тепломассообмена в зоне С;

- интенсификации очистки инертного носителя от высохшего материала;

- активного разрушения агрегатов из частиц инертного носителя и высушиваемого материала механическим способом.

Использование предлагаемой сушилки обеспечивает по сравнению с существующими конструкциями следующие преимущества:

- существенную интенсификацию процесса нанесения вязких пастообразных материалов на поверхность инертного носителя за счет высокой относительной скорости в системе «инертный носитель - наносимый материал» с многократным контактом частиц инертного носителя с поверхностью ротора и обкаткой, что положительно сказывается на количестве и равномерности наносимого материала на гранулы инертного носителя;

- применение полидисперсного инертного носителя позволяет более полно использовать рабочий объем сушильной камеры при существенном увеличении эффективной площади тепломассообмена (до 45…50%);

- увеличение степени отработки теплоносителя за счет увеличенной высоты закрученного слоя инертного носителя;

- равномерное распределение влажного материала по поверхности инертного носителя за счет:

а) многократного ударного воздействия отдельных частиц с уже нанесенным влажным материалом с плотным слоем опускающегося инертного носителя;

б) финишной обкатки на обкаточном диске;

в) ударного контакта частиц инертного носителя группы А с инертным носителем группы В (зона С Фиг. 1) с перераспределением влажного материала между частицами инертного носителя при соответствующем увеличении эффективной площади тепломассообмена и уменьшении неоднородности толщины слоя влажного материала на поверхности инертного носителя;

- постоянная очистка поверхности фильерного устройства за счет массового контакта частиц ниспадающего слоя инертного носителя и большой относительной скорости в системе «инертный носитель - поверхность ротора»;

- локальная интенсификация процессов тепломассообмена в зонах ударного контакта слоев инертного носителя А и В в зоне С;

- включение в активный процесс сушки нижней части сушильной камеры, в которой локальные коэффициенты тепломассопереноса в 1,5…2 раза выше средней величины по рабочей зоне;

- активное механическое разрушение агрегатов из частиц инертного носителя и материала (рифление ротора и насадка с пальцами), что существенно повышает устойчивость работы сушилки и уменьшает вероятность аварийной остановки при больших неоднородностях подачи высушиваемого материала;

- высушиваемый материал по сравнению с прототипом имеет товарно-выпускную форму в виде чешуек, что является более предпочтительным для потребителя;

- устойчивая работа как при малом расходе влажного материала, так и при близком к предельному.

Сушилка относится к области химической промышленности и служит для сушки гранулированных полимерных материалов и композитов на их основе. Сушилка для суспензий и пастообразных материалов на инертном носителе содержит биконическую камеру, сопряженную с цилиндрической сепарационной камерой, и барабан с тангенциальными вводами теплоносителя интенсификации процесса сушки. Внутри биконической камеры по ее оси расположен полый ротор, выполненный из двух частей, имеющих криволинейную образующую боковой поверхности и сопряженных через обкаточный диск, причем поверхность верхней части ротора снабжена перфорацией, поверхность нижней части выполнена рифленой, а применяемый инертный носитель состоит из двух частей, отличающихся по размерам и плотности составляющих частиц. Изобретение должно обеспечить равномерность высушенного материала по влагосодержанию по всей высоте слоя заданного объема. 5 ил.

Сушилка для суспензий и пастообразных материалов на инертном носителе, содержащая биконическую камеру, сопряженную с цилиндрической сепарационной камерой, и барабан с тангенциальными вводами теплоносителя, отличающаяся тем, что с целью интенсификации процесса сушки внутри биконической камеры по ее оси расположен полый ротор, выполненный из двух частей, имеющих криволинейную образующую боковой поверхности и сопряженных через обкаточный диск, причем поверхность верхней части ротора снабжена перфорацией, поверхность нижней части выполнена рифленой, а применяемый инертный носитель состоит из двух частей, отличающихся по размерам и плотности составляющих частиц.