Способ удаления жидкости из влажного материала Советский патент 1993 года по МПК F26B3/06 

Способы сушки влажных материалов ч давно известны и уже применяются на прак- тике..

В основе изобретения лежит задача создания способа, в котором отсутствуют указанные недостатки и процесс сушки осуществляется за короткое время с малым потреблением энергии.

Способ удаления жидкости из влажного материала в вихревом слое отличается тем, что материал перемешивается в циркулирующем вихревом слое, приводимом в движение механическим способом с помощью перемешивающего устройства, на первом этапе процесса жидкость частично испаря- ечся при использовании теплового потенциала олахшого материала при пониженном давлении по сравнению с атмосферным давлением, на втором конечном этапе нагретый газ подается через вихревой слой и за

счет насыщения газа паром процесс сушки завершается.

Для описанного способа решающее преимущество заключается в том, что в циркулирующем вихревом слое процесс испарения жидкости может происходить спонтанно при соответствующем понижении давления без подвода энергии извне, т.е. при устранении всех указанных недостатков передачи тепла через стенку, так как каждая частица уже обладает энергией, необходимой для испарения, и через вихревой слой обеспечивается свободный выход пара. Как только количество энергии для дальнейшего испарения жидкости в значительной степени уменьшается, то дополнительную энергию не подают за счет нагревания оболочки бака перемешивающего устройства, а Процесс сушки в условиях вакуума прерывается и переключается на

ы

процесс сушки путем продувания. Для этого нагретый газ подается через вихревой слой. При этом нагретый газ отдает энергию в перемешиваемый материал и насыщается частично (в идеальном состоянии полностью) парами удаляемой жидкости. Путем подачи газа непосредственно в механически приводимый вихревой слой можно производить работу с оптимальными скоростями газа, так как производительность вихревого слоя не зависит от качества и скорости газа. Помимо этого возникает дополнительное преимущество в том, что скорость газа, соответственно количество газа можно оптимальным образом привести в соответствие к процессу сушки. Из физических соображений облегчается то, что при заданной относительной влажности газа,ис- пользуемого для сушки, количество отводимого пара зависит по существу только от температурь газа, соответственно от способности его к насыщению и от подвода энергии за счет тепловой энергии газа. С этим создаются идеальные предпосылки для того, чтобы точно согласовать друг с другом тем.пературу, количество, относи- тельную влажность газа перед использованием его в-процессе сушки.

Тепловой потенциал может возникать за счет предшествующего нагревания материала и/или за счет нагревания материала вследствие перемешивания его в перемешивающем устройстве. Целесообразно, чтобы вихревой слой двигался с вертикальной и тангенциальной компонентной скоростью.

Газ, применяемый для сушки, вводится в область замкнутого круглого движения, перед использованием в процессе сушки нагревается в теплообменнике и после час- тичного насыщения паром удаляемой жидкости подвергается конденсации. В рамках другой формы реализации способа используется для промывки та же самая жидкость, которая содержится в материалеДДелесооб- разно, чтобы во время процесса промывания, соответственно прямой конденсации циркулирующий газ охлаждался жидкостью с более низкой температурой и освобождался от пара в состоянии насыщения, соответствующем новому уровню температуры. Замкнутое круговое движение газа имеет среди прочих решающее преимущество в том, что можно предотвратить эмиссию в окружающее пространство и что, кроме того, требуется только частично освобождение газа от пара.

В смысле другой формы реализации способа предлагается, чтобы жидкость, используемая в качестве промывочной жидко

0 5

0

5

0

5

0

5

0

5

сти, охлаждалась при собственно круговом движении до температуры, требуемой для конденсации пара. При этом можно за счет применения холодных добавок снизить за короткое -время температуру жидкости от точки замерзания до любого уровня, С этим можно регулировать оптимальным образом температуру газового потока и конденсации пара, содержащегося в нем.

Хорошее воздействие оказывает также то, что подается дополнительная энергия во вращающийся газовый поток , перед входом в вихревой слой, пока недостаточна подача тепла из энергетического потенциала потока, идущего из вихревого слоя. Дополнительная энергия, необходимая для испарения, получается в виде тепла от трения за счет управления круговой скоростью вихревого слоя. Это можно было бы осуществить за счет регулирования числа оборотов в за- висимости от необходимого потребления энергии. С этим связано решающее преимущество в том, что необходимая тепловая энергия поступает непосредственно во влажный материал. Вследствие этого предотвращаются местные перегревы материала, соответственно улучшается процесс теплопередачи. Это приводит к равномерному удалению жидкости из всех частиц материала.

Энергия, необходимая для нагревания, приобретается из энергетического потенциала газового потока, идущего из вихревого слоя, за счет охлаждения и конденсации пара и снова отдается непосредственно тепловым насосом охлаждённому газовому потоку. Как уже упоминалось, процесс испарения связан с наличием скрытой тепловой энергии, соответственно с подводом энергии. Дня этой цели газовый, поток целесообразно нагреть перед, подачей в вихревой слой. При освобождении газа от паров жидкости энергия освобождается. Эту энергию можно было передать без потерь, для чего можно было бы предусмотреть непосредственный теплообмен в теплообменнике. Вместо этого предлагается снова передавать освобождающуюся энергию посредством теплового насоса газовому потоку после конденсации перед входом в вихревой слой. Таким образом получается существенная добавка энергии и предотвращается дополнительная нагрузка на окружающую среду.

В качестве газа, подаваемого в круговое движение.может быть использован инертный газ, например азот, углекислый газ или подобный газ. Это дает дополнительное преимущество в том, что можно исключить опасность взрыва. Инертный газ целесообразно подавать в таком количестве, чтобы не доходить до границ взрывоопасной зоны. При этом максимально допустимое содержание кислорода контролируется анализатором кислорода и при необходимости вводится дополнительная доза инертного газа. Благодаря этому достигается преимущество комбинированного применения вакуума при сушке, применения продувания и применения инертного газа для продувания. При применении инертного газа можно существенно снизить риск разрыва, так что можно отказаться от дополнительных мер защиты.

Наиболее целесообразно из экономических соображений и соображений экономии времени определить временную точку переключения процесса сушки при пониженном давление на сушку путем продува. Эту точку переключения можно определить по известному рецепту, например просто установить в зависимости от времени. Более разумным является определение изменения температуры перемешиваемого материала, чтобы сразу после выхода процесса из оптимального температурного диапазона произвести переключение на процесс сушки путем продувания. Для этого лучше всего, поскольку измерение температуры всегда связано с проблемой передачи тепла к температурному датчику, непрерывно измерять абсолют- щое давление внутри полости реремешивающего устройства. С использованием значения абсолютного давления )иожно рассчитать Соответствующую температуру равновесия смеси пар-газ и осуществить переключение. Можно вместо измерения абсолютного давления измерять приращение по времени конденсата в баке. Процесс приближения кривой образования конденсата к асимптоте определяет временную точку переключения процесса сушки при пониженном давлении на процесс сушки путем продувания. Процесс образования конденсата по времени можно рассчитать на ЭВМ и с этим автоматически произвести переключение, Дополнительное преимущество получается в том, что как поток низкого давления, идущий из вихревого слоя, так и поток, насыщенный паром, проходит через один и тот же фильтр.

Вариант реализации изобретения предусматривает, что поток газа направляется через вихревой слой с пониженным давлением. Это дает преимущество в том, что можно производить сушку при более низком уровне температуры за счет более раннего закипания жидкости. Кроме того, имеет смысл пропускать поток газа через

вихревой слой с давлением, большим.атмос- ферного давления. За счет этого процесс сушки ускоряется, так как газ, находящийся под более высоким давлением, может при- 5 нять большее количество пара, число циркуляции газа через систему может быть существенно снижено.

На фиг.1 изображена схема циркуляции для одной из форм реализации способа со- 0 гласно изобретению; на фиг.2 - часть установки для сушки способом продувания с тепловой связью через тепловой насос; на фиг.З - бак для сбора конденсата с измерительным устройством количества к онденса5 та; на фиг.4 - схема контура регулирования

для поддержания давления в системе; на

фиг.5 - схема циркуляции для другой формы

исполнения способа согласно изобретению.

На фиг.1 показано герметичное переме0 шивающее устройство 1, необходимое для реализации метода, трубопровод 2 продукта с запирающим клапаном 3. Вихревой слой образуется с помощью привода 4 перемешивающим механизмом (не показан). На

5 верхнем конце головки перемешивающего устройства установлен фильтр 5 для выпара, Между фильтром и баком, в котором производиться перемешивание, находится клапан 6. Корпус фильтра снабжен двойной

0 рубашкой 7 для подачи горячего тела штуцера 8 и отвода горячего тела через штуцер 9 соответственно в случае нагревания паром для слива конденсата через трубопровод 10. При работе в режиме вакуумйрования внут5 ренняя полость перемешивающего устройства связана через трубопровод 11 (соответственно 11) с помощью клапана 12 с конденсатором 13. Конденсатор обтекается через подводящие и отводящие трубки 14

0 и 15 охлаждающим средством. Вакуумный насос 1 б связан с внутренней полостью конденсатора, через которую перемещается пар и конденсат. Со стороны выпуска вакуумный насос связан с конденсационной ко5 лонной 18. ,

Клапан AT- служит вместе с устройством для измерения давления 48 и регулятором (не показан) для регулирования низкого давления в режиме работы с вакуумом, со0 ответственно для перевода системы с вакуума до атмосферного давления.

Конденсат, осаждаемый в конденсаторе, проходит в бак для сбора конденсата .19. Клапаны 21 и 22 служат для барометри5 ческого разделения конденсационной ко- .лонны 18 от конденсатора 13, находящегося под вакуумом. Конденсат из бака 19 для сбора конденсата подается через трубопровод 23 в сборник 24 конденсационной колонны 18.

Подача газа для процесса просушива- ния методом продувания осуществляется через трубопровод 25, клапан 26 и редукционный клапан 27 в газовую магистраль 28. При работе в режиме просушивания методом продувания клапаны 12 и 17 закрыты. Газ, насыщенный парами, попадает через фильтр 5, трубопроводы 11 и 30 с помощью компрессора 31 через трубопроводы 32 и 33 в конденсационную колонку 18. В этом случае клапаны 29 и 34 открыты. В случае работы с защитным газом анализатор 58 кислорода контролирует максимально допустимое содержание кислорода в защитном газе.

Конденсационная колонна 18 состоит из камеры 24 для сбора конденсата, тела колонны 35 и устройства 35 распределения жидкости..

Во время работы жидкость направляется из камеры сбора конденсата конденсационной колонны 18 через трубопроводы 37,

39 и 41 от насоса 38 через теплообменник

40 к распределительному устройству 36. Теплообменник 40 имеет подводы и отводы для охлаждающего средства.

На фиг. 2 представлен фрагмент установки для реализации процесса просушивания методом продувания с тепловым соединением через тепловой насос между теплообменником 40 (охлаждение конденсата) и теплообменником 45 (нагревание циркулирующей жидкости). Тепловой насос показан здесь условно в виде компрессора 48 и испарителя 49. Оба теплообменника 45 и 40 связаны с помощью системы трубопроводов 42 и 43 через тепловой насос.

На фиг.З показан бак 19 для сбора конденсата с измерительным устройством для определения количества конденсата. Подвод конденсата происходит через трубопровод 21, а отвод конденсата - через трубопровод 23. Цифрой 45 обозначено устройство для измерения уровня конденсата поплавкового типа; Поплавок 51 занимает определенную позицию по высоте в зависимости от наполнения бака. Позиция по высоте фиксируется датчиком 52 и передается на ЭВМ (не показана). Для повышения точности измерений бак для сбора конденсата вывешивается на устройстве измерения веса. В этом случае трубопроводы 21 и 23 прокладываются так, чтобы они не могли влиять на результаты измерений. Оба датчика 50 и 50 , измеряют текущее значение веса бака с содержимым и передают результаты на ЭВМ.

На фиг.4 представлена схема контура измерения, служащая для поддержания постоянного уровня давления в системе. В трубопроводе 56 между вакуумным насосом 16 и конденсатором,13 находится установочный клапан 47 с регулятором 53 и измерительным преобразователем 55 для

измерения абсолютного давления. Измерительный преобразователь 55 и установочный клапан 57 (соответственно регулятор 53) электрически связаны (С регулятором 54, причем потребное значение здесь либо

0 вручную, либо с помощью ЭВМ.

При реализации способа согласно изобретению клапан 3 для подачи продукта закрыт. Клапан 6 между фильтром и перемешивающим устройством открыт, кла5 паны 44, 34 и 29 закрыты. После запуска вакуумного насоса 16 выпар проходит через фильтр 5, трубопровод 1.1 в конденсатор 13 и там конденсируется, Конденсат оседает в бак 19 для сбора конденсата. Бак для сбора

0 конденсата имеет индикатор 45 уровня наполнения с дистанционной системой передачи измерительного сигнала (не показана). С помощью индикатора уровня наполнения можно измерять приращение конденсата по

5 времени и передавать значения на ЭВМ. Индикатор имеет поплавок 51 и регистратор или в альтернативном варианте при подвеске бака на устройстве для измерения веса используются два датчика 50 и 50

0 Для выдерживания определенного температурного графика в систему выдается абсолютное давление. Это абсолютное давление задается исходя из определения равновесия между температурой и давле5 нием пара, Для этого служит регулятор 54, который сравнивает заданное значение, получаемое от ЭВМ, с давлением в системе, Для регистрации давления предусмотрен сенсо р абсолютного давления 55 с относя0 щимйся к нему измерительным преобразователем, Если заданное значение отличается от фактического, то регулятор 54 установочного регулятора 53 на установочном клапане 47 получает соответствующий

5 импульс, этим производится регулирование подачи газа через трубопровод 57.

По окончании этапа сушки под вакуумом бак 19 опорожняется в бак 24 для сбора конденсата конденсационной колонны 18.

0 После переключения на сушку способом продувки закрываются клапаны 12 и 17 и открываются клапаны 29 и 34. Полость бака перемешивающего устройства, находящаяся еще под вакуумом, заполняется газом,

5 через трубопровод 25, клапан 26, редукционный клапан 27 и трубопровод 28. Как и во время работы под низким давлением через рубашку 7 фильтра 5 пропускается горячее тело, чтобы предотвратить конденсацию пара на стенках корпуса фильтра.

Газ, нагретый о теплообменнике 45 а, попадает через трубопровод 46 в полость бака перемешивающего устройства и там подается на циркулирующий вихревой слой при этом газ, с одной стороны, теряет температуру и, с другой стороны, насыщается паром. Газ или защитный газ совершает циркуляцию с помощью компрессора 31 через конденсационную колонну 18, теплообменник 45 и перемешивающее устройство. Газ, насыщенный паром, проходит через трубопроводы 11, 30 и 32 в конденсационную колонну 18. Здесь он протекает через колонну 35 с заполнителем. В колонне 35 газ попадает в противоток по отношению к циркуляции и охлаждается о теплообменнике 40 охлажденным растворителем и при этом пар вынимается. С помощью прямой конденсации в колонне .35 достигается очень высокая степень теплопередачи при охлаждении газового потока, тем самым предотвращается образование тумана во время процесса охлаждения. При другой циркуляции газ еще более освобождается от паров жидкости и охлажденный газ снова попадается на теплообменник 45 а, там нагревается, просушивается и снова подается на циркулирующий вихревой слой.

Перед входом защитного газа в вихревой слой определяется содержание кислорода св газе с помощью анализатора 58, например, в трубопроводе 46. В данном случае осуществляется дополнительная экономия защитного газа с помощью системы регулирования.

Тепловой насос, представленный двумя элементами - компрессором 48 и испарителем 49, передаеттепловую энергию, возни-, кающую в теплообменнике 40, на теплообменник 45 а, где газ снова нагревается.

Вариант, представленный на фиг.5, отличается от варианта, представленного на фиг.1, тем, что насос 16 приводится в действие с помощью жидкости, находящейся в полости сбора конденсата конденсационной колонны 18, и жидкость после этого снова направляется в полость 24. Благодаря этому предотвращается выброс рабочей .жидкости для насоса в окружающую среду.

Согласно варианту, показанному на фиг.5 сплошными линиями, поток жидкости, идущий из полости сбора конденсата 24 через теплообменник 40, подается через трубопровод 58 с клапаном 60 в качестве рабочей жидкости на насос 16 и от него направляется назад через трубопровод 59 в полость сбора 24.

Согласно варианту, показанному на фиг.5 сплошными линиями, поток жидкости,

идущий из полости сбора конденсата 24 че рез теплообменник 40, подается через тру бопровод 58 с клапаном 60 в качестве рабочей жидкости на насос 16 и от него 5 направляется назад через трубопровод 59 в полость сбора 24.

Согласно варианту, представленному

на фиг.5 штриховыми линиями, жидкость из

полости сбора 24 подается прямо через тру10 бопровод 58 на насос 16 и от него снова

возвращается в полость 24.

Формула изо б р е т е н и я

1. Способ удаления жидкости из влажного Материала путем создания в послед5 нем при помощи механического перемешивания вихревого слоя и организации циркуляции последнего в вертикальном и тангенциальном направлении, продувки вихревого слоя предварительно нагретым в

0 теплообменнике газом до частичного насыщения его парами удаляемой из материала жидкости и последующего удаления riapa из отходящего газа, отличающийся тем, что, с целью оптимизации процесса сушки

5 перед продувкой вихревого слоя нагретым газом, часть жидкости удаляют вакуумиро- ванием слоя при одновременном отводе полученного пара.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я

0 тем, что таз для продувки предварительно

нагревают при помощи теплообменника,

после продувки вихреЁого слоя газ охлаж дают прямым контактом с жидкостью более

низкой температуры и при этом конденса5 цией освобождают от содержащегося пара до перехода в состояние насыщения, соответствующего новому температурному уровню, и-после этого газ снова используют для продувки вихревого слоя, а полученную

0 при конденсации жидкость охлаждают и вновь применяют для прямого контакта с содержащим пар газом.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при удалении пара из газа содержа5 щий пар газ приводят в прямой контакт с такой же жидкостью1; какая содержится в газе в форме пара.

4. Способ по пп.1 - 3, о т л и ч а ю щи й- с я тем, что газ нагревают теплом, передава- 0 емым при помощи теплового насоса от конденсации удаленной из слоя жидкости.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что к очищенному газу перепад его введением в вихревой слой подводят дополни- 5 тельную энергию.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что вихревой слой дополнительно нагревают путем увеличения скорости его вращения для образования тепла за счет трения.

7. Способ по пп.1 -6, отличающийся тем, что в качестве газа, подаваемого на продувку материала, используют инертный газ,

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что инертный газ добавляют в количествах, обеспечивающих вэрывобезопас- ность.

9. Способ по п.8, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что добавляемое количество инертного газа определяют по максимально допустимому содержанию кислорода с помощью анализатора.

10. Способ по пп.1 - 8, о т л и ч а ю щ и-, И с я тем. что отводящий газ после продувки

0

5

и выпар от вакуумирования фильтруют в одном и том же фильтре.

11. Способ по пп.1 -9, от л ича ю щи- й с я тем, что в вихревом слое во время продувки его нагретым газом поддерживают давление ниже атмосферного.

12. Способ по пп.1 -9. отличающи- й с я тем, что в вихревом слое во время продувки его нагретым газом поддерживают давление выше атмосферного.

13. Способ по пп.1 - 11,о т л ичающи- й с я тем, что при достижении заданного .давления или заданного количества конденсата при удалении пара из отходящего газа вакуумирование заканчивают и начинают продувку вихревого слоя.

Использование: сушка сыпучих материалов в вихревом слое. Сущность изобретения: осуществляют удаление жидкости из влажного материала путем создания в последнем при помощи механического перемешивания вихревого слоя и организации циркуляции последнего в вертикальном и тангенциальном направлениях. При этом осуществляют продувку вихревого слоя предварительно нагретым газом до частичного насыщения его парами удаляемой из материала жидкости с последующим удале- гнием пара из отходящего газа. Перед продувкой вихревого слоя нагретым воздухом часть жидкости удаляют вакуумированием слоя при одновременном отводе полученного пара. 12 з.п. ф, 5 ил.

1 - з/

Фиг;1

/,1 И И

Фиг. 2