Инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов Российский патент 2021 года по МПК F26B17/10 F26B3/88 

Изобретение относится к сушильной технике, а именно к сушилкам с активным гидродинамическим режимом, предназначенным для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном закрученном слое инертных частиц, и может найти применение в производстве пищевых продуктов, предназначенных для длительного хранения, медицинских препаратов и др.

Известны инертные носители, выполненные из эластичных гидрофобных материалов, которые используются в сушилках с закрученным взвешенным слоем инерта [Плановский А.Н. и др. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. М.: Химия, 1979, с. 200-201].

Недостатками таких инертных носителей являются:

- классическая форма поверхности (сфера, куб или пластина), не всегда удовлетворяющая комплексным условиям сушки;

- вероятность агрегатирования инерта при нестабильной подаче влажного материала и налипание инерта на стенки аппарата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является инертный носитель для сушки суспензий и пастообразных материалов с размещенным внутри термобиметаллическим элементом и текстурированной поверхностью [SU 2625628, МПК F26B, 3/088(2016.01) 17.07.2017, Бюл. №20].

Основными недостатками таких инертных частиц являются:

- снятие материала с поверхности инертных частиц осуществляется, как правило, истиранием в процессе сушки;

- действующая поверхность тепло-массопереноса в процессе сушки является достаточно постоянной и существенно не изменяется вплоть до окончательного удаления высохшего материала с поверхности инертных частиц;

- измельченные растительные материалы, в основном, имеют довольно крупные размеры (пластинчатые или чешуйчатые частицы с определяющим размером до 20^.10^-3 м) и плохо удерживаются мелким инертным материалом;

- перераспределение влажного материала между инертными частицами недостаточно интенсивно;

- монодисперсность инертных частиц по весу не позволяет создавать высокий закрученный слой инерта в рабочей камере конических сушильных аппаратах, что существенно отражается на производительности сушилок.

Указанные недостатки снижают, в целом, возможную максимальную производительность сушильных аппаратов цилиндроконической формы с закрученными слоями инертных тел.

Цель изобретения: интенсификация процессов тепло- и массообмена при сопутствующем повышении производительности сушильного оборудования без изменения существующих габаритов рабочей камеры аппаратов (аппараты цилиндроконического типа с закрученными слоями инертных тел).

Указанная цель достигается тем, что инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном закрученном слое, выполненный из полимерного материала, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса конвективной сушки путем увеличения удельной поверхности тепломассообмена, удельного количества носимого влажного материала, а также улучшения качества распределения влажного материала по поверхности инертного носителя и условий удаления высохшего материала, сферические частицы инерта имеют конические выступы, а внутренний объем отдельных частиц для обеспечения полидисперсности инерта по весу выполнен из вспененного полимера различной плотности в пределах 200…1020 кг/м³ .

На фиг. 1 изображен предложенный инертный носитель в виде сферы с коническими выступами.

Инертный носитель (фиг. 1), выполненный из полимерного материала, содержит сферическую оболочку 1, конические выступы 2 и внутренний пористый объем 3 варьируемой плотности. Диаметр сферической оболочки может изменяться в пределах (10…20) ^. 10^-3 м в зависимости от размеров частиц высушиваемого материала, диаметр и высота конических выступов соответственно (2…4)^. 10^-3 м и (2…3) ^. 10^-3 м.

Для упрощения изготовления сферическая оболочка 1 может быть выполнена как одно целое с коническими выступами и внутренним объемом из таких полимерных материалов, как полиэтилен, полипропилен и подобных эластичных полимеров, хорошо поддающихся вспениванию с помощью пенообразователей при температурах тепловой переработки. В отдельных специфических случаях материалы сферической оболочки и внутреннего объема могут быть различными. Дозированное количество пенообразователя при изготовлении инертного носителя позволяет получить инертные частицы с различной плотностью внутреннего объема (200…1020 кг/м³). Конические выступы располагаются равномерно по поверхности инертного носителя с шагом, равным 1,5….2 среднего диаметра конического выступа. Таким образом можно получить набор инертного материала различного веса одинакового размера.

Предлагаемый инертный носитель работает следующим образом.

Известно, что при сушке измельченных растительных материалов (морковь, тыква, свекла и подобные материалы в виде пластин, чешуек, соломки) во взвешенном закрученном слое инертных частиц высушиваемый влажный материал подается через питающее устройство и образует вместе с частицами инертного носителя суммарный закрученный слой, в котором часть влажного материала витает отдельно, часть закрепляется на поверхности инертного носителя. Высохший материал удаляется из аппарата с отработанным теплоносителем. Основными параметрами процесса сушки, определяющими производительность подобных сушильных аппаратов, в данном случае являются: поверхность тепломассообмена и особенности отслаивания высохшего материала с поверхности инерта.

Известно, что основное время сушки высоковлажных измельченных растительных материалов происходит преимущественно при температуре равновесного испарения, близкой к температуре испарения чистого растворителя, и только в конце сушки материал прогревается до температуры сушильного агента. Разность этих температур в зависимости от параметров теплоносителя достигает 100…130°С.

Предлагаемый инертный носитель, в отличие от прототипа, где применяются частицы инерта одинакового размера и веса, имеет при одинаковых внешних размерах заданный выбранный спектр веса отдельных частиц. Эта особенность предлагаемого инерта позволяет уверенно реализовать в сушильных аппаратах следующие положительные явления:

- возможность значительного увеличения носимого количества инертного носителя в конической рабочей камере сушилок, что связано с разной скоростью витания отдельных инертных частиц, зависящей от веса инертного носителя каждой фракции;

- основная часть высушиваемого материала, особенно со слабыми адгезионными свойствами, при заполнении пространства между коническими выступами инертных частиц хорошо удерживается практически до окончания первого периода сушки; затем при деформативном изменении формы высушиваемых частиц, что характерно для высоковлажных растительных материалов, происходит отслаивание частиц высушиваемого материала с образованием дополнительной поверхности тепло- и массообмена;

- указанная форма инертных частиц имеет большую поверхность тепломассобмена, чем поверхность прототипа (на 20…35%);

- основная часть высушиваемого материала, особенно со слабыми адгезионными свойствами, при заполнении пространства между коническими выступами инертных частиц хорошо удерживается практически до окончания первого периода сушки; затем при монотонном изменении формы инертных частиц подсохший материал растрескивается или частично отслаивается с образованием дополнительной поверхности тепло- и массообмена;

- при образовании агрегатов из нескольких инертных частиц или налипании инертных частиц на стенки аппарата пятно контакта между взаимодействующими частицами и стенкой значительно меньше по сравнению с прототипом, что улучшает устойчивость аппарата при нестабильной подаче влажного материала и условия возврата в рабочий режим при аварийной ситуации;

- зачистка поверхности рабочей зоны сушильного аппарата от налипшего влажного материала происходит более активно с захватом влажного материала поверхностью инертных частиц;

- возможен только точечный контакт инертного носителя с рабочей поверхностью сушильного аппарата, что практически устраняет налипание частиц на стенки рабочей камеры сушилки;

- при аварийном режиме питания (чрезмерная подача влажного материла) и остановке сушильного аппарата (просаживание кипящего слоя) возврат аппарата в рабочий режим осуществляется продувкой теплоносителем при отсутствии питания (неподвижный слой инертного носителя с влажным материалом, вследствие формы инертного носителя с коническими выступами имеет достаточную порозность для продувки теплоносителем).

Использование инертного носителя проверено в сушилке А.с. № 166898, кл. F 26 B17/00, 1984.

В сушилку загружался инертный носитель. Использовались фракции одного типоразмера (12⋅10^-3 м) с плотностью внутреннего объема 500…950 кг/м³ из вспененного полиэтилена. Потоки теплоносителя, вводимые через барабан, приводили слой инертного носителя во взвешенное состояние. Так как вес отдельных частиц существенно отличается (~ в 2 раза), то наблюдается явно выраженное ярусное распределение частиц инертного носителя по высоте рабочей зоны в соответствие со скоростью витания той или иной фракции. В верхней части закрученного кипящего слоя находятся преимущественно самые легкие частицы инертного носителя, в нижней - наиболее тяжелые. Это условие позволяет создать при общем расходе теплоносителя рабочий слой инертного носителя значительно большей высоты, чем при монодисперсном инертном носителе. Кроме того, достаточно просто обеспечить такую гидродинамическую обстановку слоя, при которой частицы влажного материала с высоким начальным влагосодержанием (до 5…6 кг влаги /кг сухого материала) «проваливаются» в нижнюю часть кипящего слоя, попутно отдавая контактным способом частицам легких фракций инерта поверхностную влагу, образовавшуюся при нарезке влажного материала. Следует отметить, что инертный материал, отработавший некоторое время в слое, приобретает шероховатую поверхность, способную за очень короткое время поглотить контактно поверхностную влагу с частиц высушиваемого материала. В дальнейшем частицы влажного материала опускаются в нижележащие части закрученного слоя и существуют там самостоятельно или прикрепленными к частицам инерта (количественное отношение зависит от многих параметров, в том числе от адгезионных свойств высушиваемого материала, особенностей усадки и деформации частиц нарезанного материала, температурного режима сушки и т.д.). Нижняя часть рабочего слоя, как наиболее подверженная налипанию достаточно влажного материала на стенки сушильного аппарата, подвергается постоянной активной зачистке внутренней поверхности рабочей камеры самой тяжелой фракцией инертного носителя. В оптимальном варианте организации гидродинамики в аппарате частицы материала не должны опускаться за нижний край кипящего слоя инертного носителя.

Влажный материал подавался через боковое дозирующее устройство (чешуйчатая нарезка моркови) и попадал на верхнюю часть закрученного слоя, состоящую, в основном, из частиц инертного носителя минимального веса. Первичные агрегаты из максимально влажного материала, поступающие из питателя, активно разрушаются и отдают инертному носителю свободную влагу. В дальнейшем частицы высушиваемого материала проваливаются в средние и нижние слои инертного носителя, где могут находиться как адгезионно закрепленными на поверхности инертного носителя, так и существующими отдельно. Следует отметить, что в процессе сушки такие материалы, как морковь, свекла, яблоко, груша и им подобные подвергаются значительной усадке (в 2…2,5 раза) с заметной деформацией формы поверхности частиц влажного материала. Указанные обстоятельства, в совокупности, способствуют отделению высохшего материала от поверхности инертного носителя. Распределенный по поверхности инертных частиц и частично существующий отдельно в закрученном слое влажный материал высушивался, значительно теряя при этом в весе (до 5 раз) и выносился с потоком отработанного теплоносителя.

Конические выступы на теле частиц инертного материала функционально предназначены для:

- активного разрушения первичных агрегатов из влажного материала;

- захвата межконическим пространством высушиваемых частиц;

- зачистке стенок аппарата от налипающих частиц влажного материала;

- увеличения суммарной активной поверхности тепло-массообмена;

- снижения вероятности образования агрегатов их частиц влажного материала и инертного носителя;

- локальной турбулизации закрученного потока теплоносителя, что отражается положительно на производительности сушильного аппарата;

- восстановления рабочего состояния сушильного аппарата при аварийной остановке.

При сопоставлении предлагаемого инертного носителя с прототипом установлено:

1. Весовое количество максимально возможного загружаемого полифракционного инертного носителя увеличилось на 42% по сравнению с монодисперсным инертным носителем; коническая рабочая камера заполнилась устойчивым закрученным кипящим слоем инертного носителя на 65…70% своего объема (с использованием традиционного монофракционного инертного носителя устойчивый закрученный кипящий слой возможен лишь до 35…38 % заполнения).

2. Производительность сушилки при использовании предлагаемого инертного носителя увеличилась на 36…42% за счет существенного увеличения как удельной поверхности тепломассообмена, так и удельного количества носимого материала (140…160 % от прототипа).

3. Устойчивость аппарата к колебаниям по питанию влажным материалом значительно повысилась. Агрегатообразование наблюдается по сравнению с прототипом при значительно большей нестабильности по подаче влажного материала.

Использование предлагаемого инертного носителя обеспечивает по сравнению с существующими инертными носителями следующие преимущества:

- увеличенная (в 2…3 раза) удельная поверхность тепло- и массообмена за счет как формы поверхности инерных частиц (конические выступы), так и количества носимого инертного материала;

- возможность работы с влажными материалами различной формы нарезаемых частиц; частицы высушиваемого материала могут иметь определяющий размер до 30^.10^-3 м, что практически невозможно применить с использованием традиционного мелкого инертного материала;

- уменьшение склонности к агрегатообразованию при нестабильной подаче влажного материала;

- восстановление рабочего слоя инертных частиц при аварийном нарушении режима работы и значительном агрегатообразовании проводится без разборки аппарата;

- возможность увеличения производительности существующих сушильных аппаратов без конструктивных изменений на 35…40%;

- создание постоянной зачистки поверхности рабочей камеры как в верхней, так и в нижней части закрученного слоя.

Изобретение относится к сушильной технике с использованием инертных частиц, а именно к сушилкам с активным гидродинамическим режимом, предназначенным для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном закрученном слое инертных частиц, и может найти применение в производстве пищевых продуктов, предназначенных для длительного хранения, медицинских препаратов и др. Инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном закрученном слое выполнен из полимерного материала. Сферические частицы инерта из полимерного материала имеют конические выступы, а внутренний объем отдельных частиц для обеспечения полидисперсности инерта по весу выполнен из вспененного полимера различной плотности в пределах 200…1020 кг/м³. Изобретение должно интенсифицировать процесс конвективной сушки путем увеличения удельной поверхности тепломассообмена, удельного количества носимого влажного материала, а также улучшения качества распределения влажного материала по поверхности инертного носителя и условий удаления высохшего материала. 1 ил.

Инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном закрученном слое, выполненный из полимерного материала, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса конвективной сушки путем увеличения удельной поверхности тепломассообмена, удельного количества носимого влажного материала, а также улучшения качества распределения влажного материала по поверхности инертного носителя и условий удаления высохшего материала сферические частицы инерта имеют конические выступы, а внутренний объем отдельных частиц для обеспечения полидисперсности инерта по весу выполнен из вспененного полимера различной плотности в пределах 200...1020 кг/м³.