Комбинированный полидисперсный инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов Российский патент 2022 года по МПК F26B3/88 F26B17/10 

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 измельченных растительных материалов во взвешенном закрученном слое выполнен из полимерного материала (RU №2742847). 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.

Основными недостатками таких инертных частиц являются:

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

- вследствие симметричности сферических частиц относительно собственного центра тяжести индивидуальное вращение частиц в потоке является недостаточно выраженным;

- взаимно ударное взаимодействие инертных частиц не достаточно активно;

- колебательные движения отдельных частиц инертного в потоке теплоносителя вследствие симметричности их формы относительно собственного центра тяжести не носят явно выраженный характер.

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 комбинированный полидисперсный инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном слое, выполненный из полимерного материала и имеющий конические выступы, при этом внутренний объем отдельных частиц для обеспечения полидисперсности частиц инерта по весу и смещения центра тяжести выполнен из двух равных половинок, одна из которых монолитна, а вторая изготовлена из вспененного полимера различной плотности в пределах 200…1200 кг/м³.

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

Комбинированный полидисперсный инертный носитель (фиг. 1), выполненный из полимерного материала, содержит сферическую оболочку 1, конические выступы 2 и внутренний объем, выполненный из двух равных половинок, одна из которых монолитна 3, а вторая 4 изготовлена из вспененного полимера различной плотности в пределах 200…1200 кг/м³. 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. Внутренний объем состоит из двух равных половинок (полусфер), одна из которых выполнена из таких полимерных материалов, как полиэтилен, полипропилен и подобных эластичных полимеров, хорошо поддающихся вспениванию с помощью пенообразователей при температурах тепловой переработки. Вторая полусфера выполнена из того же монолитного полимера. В отдельных специфических случаях материалы полусфер могут быть различными. Дозированное количество пенообразователя при изготовлении инертного носителя позволяет получить инертные частицы с различной плотностью внутреннего объема (400…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 со смещенным центром тяжести.

Такое техническое решение расширяет спектр полезных свойств предлагаемого комбинированного полидисперсного инертного носителя по сравнению с прототипом.

Предлагаемый комбинированный полидисперсный 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.

Специфическая форма отдельных частиц комбинированного полидисперсного инертного носителя способствует активной локальной турбулизации потока теплоносителя вблизи поверхности тепло-массообмена, что положительно отражается на коэффициентах тепло-массопереноса.

Предлагаемый комбинированный полидисперсный инертный носитель, в отличие от прототипа, где применяются частицы инерта одинакового размера, но разного веса, дополнительно выполнен со смещением собственного центра тяжести отдельных частиц. Такое исполнение инертного носителя отражается на скорости витания (для несимметричных тел скорость витания может быть больше в 1,3…1,6 раза выше хорошо обтекаемых тел). Эта особенность предлагаемого комбинированного полидисперсного инертного носителя позволяет дополнительно реализовать в сушильных аппаратах следующие положительные явления:

- возможность ощутимого увеличения вводимого количества теплоносителя в коническую рабочую камеру сушилок, что связано с большей скоростью витания инертных частиц предлагаемого инертного носителя по сравнению с прототипом;

- увеличение локальных значений коэффициентов тепло-массопереноса, обусловленное активным хаотическим вращением частиц в потоке теплоносителя в следствие конструктивного смещения центра тяжести частиц инертного носителя;

- ускоренное удаление высохших частиц целевого продукта с поверхности инертного носителя за счет более активного ударного взаимодействия между отдельными частицами инертного материала;

- повышение устойчивости аппарата к агрегатообразованию при нестабильной подаче влажного материала за счет большей вращательной подвижности частиц инертного материала;

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

Реализация способа проверена на сушилке АС № 166898кл.F 26 B17/00, 1984.

В сушилку загружался комбинированный полидисперсный инертный носитель, выполненный по предлагаемому способу. Использовались фракции одного типоразмера (15⋅10 ^-3 м) с плотностью части внутреннего объема из вспененного полиэтилена 400…. 600 кг/м. Вторая часть выполнена из монолитного полиэтилена. Потоки теплоносителя, вводимые через барабан, приводили слой инертного носителя во взвешенное состояние. Т.к. вес отдельных частиц существенно отличается (~ в 1.5 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 хаотически вращающихся частиц комбинированного полидисперсного инертного материала способствуют:

- активному разрушению первичных агрегатов из влажного материала;

- захвату влажного материала межконическим пространством инертных частиц;

- надежной зачистке стенок аппарата от налипающих частиц влажного материала;

- увеличению локальных значений коэффициентов тепло-массопереноса;

- снижению вероятности образования агрегатов из частиц влажного материала и инертного носителя;

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

При сопоставлении предлагаемого комбинированного полидисперсного инертного носителя с прототипом установлено:

1. Весовое количество максимально возможного загружаемого полифракционного инертного носителя увеличилось на 28% по сравнению с инертным носителем по прототипу.

2. Производительность сушилки при использовании предлагаемого инертного носителя увеличилась на 24…31 % за счет существенного увеличения локальных коэффициентов тепло-массопереноса.

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

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

- увеличенная (в 1,2…1.25) удельная поверхность тепло-и массообмена за счет количества носимого инертного материала;

- более раннее снятие высушиваемого материала с поверхности инертных частиц, что приводит к появлению ощутимых дополнительных поверхностей тепло- массопереноса;

- возможность работы с влажными материалами различной формы нарезаемых частиц; частицы высушиваемого материала могут иметь определяющий размер до 20⋅10^-3 м, что практически невозможно применить с использованием традиционного мелкого инертного материала;

- уменьшение склонности к агрегатообразованию при нестабильной подаче влажного материала;

- возможное увеличение производительности существующих сушильных аппаратов без конструктивных изменения на 23…28%;

- создание стабильной постоянной зачистки поверхности рабочей камеры, как в верхней, так и 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. Комбинированный полидисперсный инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном слое выполнен из полимерного материала и имеет конические выступы, при этом внутренний объем отдельных частиц для обеспечения полидисперсности частиц инерта по весу и смещения центра тяжести выполнен из двух равных половинок, одна из которых монолитна, а вторая изготовлена из вспененного полимера различной плотности в пределах 200…1200 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.

Комбинированный полидисперсный инертный носитель для сушки измельченных растительных материалов во взвешенном слое, выполненный из полимерного материала и имеющий конические выступы, отличающийся тем, что внутренний объем отдельных частиц для обеспечения полидисперсности частиц инерта по весу и смещения центра тяжести выполнен из двух равных половинок, одна из которых монолитна, а вторая изготовлена из вспененного полимера различной плотности в пределах 200…1200 кг/м³.