УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR DRYING GRANULAR DIELECTRIC MATERIALS

Изобретение относится к оборудованию для сушки в микроволновом поле сыпучих диэлектрических материалов и может быть использовано в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, в частности для сушки порошкообразных йодидов щелочных металлов, которые используются для выращивания монокристаллов, и сушки органических веществ.
Основное требование, которое предъявляется к устройствам для сушки сыпучих диэлектрических материалов в микроволновом поле, это обеспечение высокого качества высушенного материала и снижение энергоемкости процесса сушки.
Известна сушилка для сыпучих материалов [пат. РФ №2152571, F26B 11/04, 3/347], которая содержит горизонтальный барабан, установленный с возможностью вращения в двух подшипниках, закрепленных на крышках в боковых отверстиях барабана, нагревательные элементы, выполненные в виде системы волноводно-щелевых резонансных излучателей и подключенные к СВЧ-генератору, устройство подачи нагретого воздуха во внутреннюю полость барабана и влагоотводящее устройство. 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 канал подвода нагретого воздуха, оснащенный перфорированным экраном, и канал отвода влажного воздуха. Система волноводно-щелевых резонансных излучателей развернута на угол 40-45° к основанию сушилки в направлении вращения барабана и оснащена четвертьволновыми отражателями.
К недостаткам данного устройства следует отнести 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 элементов и образование нежелательных соединений, что приводит к снижению качества готовой продукции. Кроме того, конструкция устройства приводит к падению СВЧ-энергии перпендикулярно слою сырья и, как следствие, к установлению в системе СВЧ-генератор - волноводная линия - многомодовый резонатор коэффициента стоящей волны больше 2. В этом случае снижается КПД использования СВЧ-энергии, и, соответственно, это приводит к значительному перерасходу электроэнергии.
Известно устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов [пат. Украины №56629, F26B 3/347], содержащее СВЧ- тракт, соединенный с волноводом, а также систему вакуумирования и напуска сухого воздуха. Волновод выполнен в виде цилиндрического многомодового резонатора, внутри которого и коаксиально ему, с возможностью вращения вокруг продольной оси, установлена ампула для сыпучего материала, выполненная из радиопрозрачного материала, конусообразным торцом обращенная к СВЧ-тракту. Противоположный торец ампулы имеет патрубок для загрузки-выгрузки, подключенный к приводу вращения ампулы.
Недостатком этого устройства является отражение СВЧ-энергии от конусообразного конца ампулы, в результате чего СВЧ-энергия используется неэффективно.
Известно устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов [пат. Украины №76014, кл. F26B 17/30], содержащее камеру многомодового резонатора, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты и цилиндрической части, соединяющей их между собой большими основами, при этом соотношение высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса резонатора составляет 2:1:0,5. Больший по высоте усеченный конус фланцем горловины соединен через вакуум-плотный фланец с волноводным вводом СВЧ-энергии. Камера установлена с возможностью вращения с помощью устройства для вращения, а также с возможностью вертикального перемещения за счет крепления ее на стойках, изогнутая часть которых, так же как и ось волноводного ввода, образует угол 15-20° к горизонтальной основе устройства. 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.
К недостаткам устройства, которые снижают качество сушения и эффективность использования СВЧ-энергии, следует отнести, в частности, конструкцию узлов продува и откачки объема камеры. Конструкция этих узлов способствует налипанию мелких частичек высушиваемого материала на вращающееся сочленение с волноводным вводом СВЧ-энергии, появлению пробки запеченного продукта и, соответственно, ухудшению прохождения микроволнового излучения в камеру. Кроме того, особенности конструкции камеры многомодового резонатора, а именно заявленное соотношение высот составных частей многомодового резонатора, и заявленный угол наклона оси волноводного ввода к горизонтальной основе устройства, не в полной мере обеспечивают однородность температурного поля в объеме высушиваемого материала, что, соответственно, снижает качество сушения.
По совокупности существенных признаков в качестве прототипа нами выбран последний из аналогов.
В основу этого изобретения поставлена задача разработки устройства, которое обеспечило бы повышение качества сушки, уменьшение энергоемкости.
Решение задачи обеспечивается тем, что в устройстве для сушки сыпучих диэлектрических материалов, содержащем камеру многомодового резонатора, закрепленную на стойках с возможностью вертикального перемещения и вращения, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты и цилиндрической части, которая соединяет их между собой большими основами, при этом больший по высоте усеченный конус фланцем горловины соединен через вращающееся сочленение с волноводным вводом СВЧ-энергии, диэлектрический патрубок для откачки объема камеры, установленный со стороны дна камеры по ее оси, и устройство для продува камеры, расположенное коаксиально патрубку извне камеры, согласно изобретению соотношения высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса составляет 2,5:1:0,25, а угол между высотой и образующей большего по высоте конуса составляет 20-21°, ось волноводного ввода СВЧ-энергии образует угол 20-21° с горизонтальной основой устройства, диэлектрический патрубок для откачки объема камеры установлен через вращающееся вакуумное уплотнение вблизи плоскости днища, согнут вверх относительно горизонтальной основы устройства и оснащен насадкой - фильтром для исключения попадания в него сырья, устройство для продува камеры содержит воздухопровод, введенный в камеру вблизи плоскости фланца горловины камеры и оснащенный на конце распылителем.
Форма камеры многомодового резонатора, заданная соотношением высот составных частей камеры и значением угла между высотой и образующей большего по высоте конуса, незначительно ухудшает такой показатель, как "отношение максимального рабочего объема к минимальной внутренней поверхности". Но именно заявленная форма камеры резонатора в сочетании с заданным значением наклона оси волноводного ввода, и, соответственно, камеры в рабочем положении, под углом 20-21° к горизонтальной основе устройства обеспечивает повышение количества сырья вблизи ввода СВЧ-энергии, практически полное поглощение СВЧ-энергии, однородность температурного поля по всему объему высушиваемого материала, что способствует повышению качества сушки. При этом новая конструкция узла откачки камеры, а именно введение диэлектрического патрубка для откачки объема камеры через вращающееся вакуумное уплотнение, которое обеспечивает неподвижность диэлектрического патрубка относительно вращающейся камеры, расположение диэлектрического патрубка вблизи плоскости днища камеры, заявленная форма диэлектрического патрубка и оснащение его насадкой - фильтром для исключения попадания у него сырья, в сочетании с заявленной конструкцией устройства для продува камеры, которая содержит расположенный вне камеры воздухопровод с распылителем, введенным в камеру вблизи плоскости фланца горловины камеры, обеспечивает оптимальный технологический режим сушки в отношении заданных значений температуры и давления, исключает образование конденсата и налипание мелких частичек материала на поверхности вращающегося СВЧ сочленения, таким образом повышая эффективность использования СВЧ-энергии и качество высушенного материала. Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображено устройство для сушки сыпучих диэлектрических материалов.
На фиг.2 приведен эскиз сечения камеры многомодового резонатора.
Устройство содержит камеру многомодового резонатора, которая состоит из большего по высоте усеченного конуса 1, меньшего по высоте усеченного конуса 2, соединенных между собой большими основаниями цилиндрической частью 3. При этом соотношение высот усеченного конуса 1, цилиндрической части 3 и усеченного конуса 2 составляет 2,5:1:0,25, а угол между высотой и образующей конуса 1 составляет 20-21°. Усеченный конус 1 фланцем 4 горловины камеры через вращающееся СВЧ сочленение 5 соединен волноводным вводом 6 с СВЧ-генератором 7. Волноводный ввод 6 закреплен таким образом, что его ось составляет с горизонтальной основой устройства 8 угол 20-21°.
Камера крепится на стойках 9 с возможностью вращения и вертикального перемещения. В конкретном примере крепление камеры на стойках 9 осуществляется с помощью направляющих 10, укрепленных в осях 11, для вертикального перемещения камеры от мотора- редуктора поворота (мотор-редуктор на фиг.1, 2 не показан). Направляющие 10 жестко соединены с рамкой 12, на которой укреплены центрирующие ролики 13. На самой камере жестко расположено кольцо 14, которое при вращении камеры "катится" по роликам 13. Мотор-редуктор вращения на фиг.1, 2 не показан.
Со стороны усеченного конуса 2 по оси камеры через вращающееся вакуумное сочленение 15 в днище 16 для откачки объема камеры введенный и расположенный вблизи плоскости днища 16 диэлектрический патрубок 17, согнутый вверх и оснащенный насадкой - фильтром 18 для исключения попадания в него сырья 19. Диэлектрический патрубок 17 жестко соединен через вакуумный трубопровод 20 с вакуумным насосом (на фиг.1, 2 не показан).
Вне камеры, коаксиально диэлектрическому патрубку 17 и трубопроводу 20 расположено устройство для продува камеры, в которое продувочный газ подается из нагнетателя (на фиг.1, 2 не показан). Устройство для продува камеры включает вращающееся вакуумное сочленение 21, расположенное на полом валу 22, который неразъемно соединен с камерой и имеет отверстия 23 для подачи газа в камеру по воздухопроводу 24. Воздухопровод 24, неподвижно закрепленный на поверхности камеры, введен в камеру вблизи плоскости фланца 4 и оснащен на конце распылителем 25.
Устройство работает таким образом.
-1
Включают мотор-редуктор поворота и устанавливают камеру фланцем 4 горловины камеры вертикально вверх для загрузки высушиваемого сырья 19. После этого с помощью мотора-редуктора поворота камеру наклоняют, фланец 4 горловины камеры соединяют с вращающимся СВЧ сочленением 5, что обеспечивает стыковку с СВЧ-генератором 7 через неподвижный волноводный ввод 6 и возможность вращения камеры без нарушения ее герметичности. При этом в рабочем положении ось вращения камеры находится под углом 20-21° относительно горизонтальной основы устройства, в результате чего диэлектрический патрубок 17 с насадкой-фильтром 18 всегда находится выше уровня сырья 19, обеспечивая откачку объема камеры. Включают вакуумный насос и через вакуумный трубопровод 20 и диэлектрический патрубок 17 осуществляют откачку до необходимого давления. Одновременно включают мотор-редуктор вращения, и камера начинает вращаться кольцом 14 по роликам 13 со скоростью ~4-5 об/мин. При этом вакуумное сочленение 15 в днище 16 камеры вращается вместе с камерой, а диэлектрический патрубок 17 остается неподвижным. Также неподвижным остается вакуумное сочленение 21, при этом полый вал 22 вместе с воздухопроводом 24 вращается вместе с камерой. При достижении давления в камере ≤10мм рт.ст., не прекращая откачки объема, включают нагнетатель для подачи продувочного газа. Через отверстия 23 в полом валу 22 и воздухопровод 24 с распылителем 25 на конце в камеру напускают продувочный газ до передпробойного давления, осуществляя продувку камеры и обеспечивая сдувание мелких частичек сырья с поверхности СВЧ сочленения 5. Затем включают СВЧ-генератор 7. При вращении камеры сырье 19 перемешивается, сохраняя все время форму клина, вершина которого повернута в сторону СВЧ-генератора 7, что способствует равномерности прогревания сырья 19.
Выгрузка высушенного сырья осуществляется в следующей последовательности. Выключают СВЧ-генератор 7, выключают мотор-редуктор вращения, выключают вакуумный насос и через воздухопровод 24 с нагнетателя осуществляют напуск продувочного газа до атмосферного давления. Вращающееся СВЧ сочленение 5 и фланец 4 горловины камеры разъединяют. Систему СВЧ-генератор 7 - волноводный ввод 6 - вращающееся СВЧ сочленение 5 отводят на необходимое расстояние для того, чтобы камера смогла фланцем 4 горловины опуститься вниз на осях 11 для выгрузки сырья в специальные емкости.
-3
В данном устройстве была проведена сушка порошкообразных йодидов щелочных металлов (Nal, Lil, Gsl) с исходной влажностью 5-8%. В результате проведенной сушки с использованием заявляемого устройства влажность сырья составила 10%, потребление энергии 0,05 кВт·ч/кг, что вдвое меньше, чем при сушке с использованием устройства по прототипу.
Также в данном устройстве была проведена сушка органических веществ, таких как фармацевтические препараты кокарбоксилаза гидрохлорида и амиксин, и качество высушенного продукта полностью отвечало требованиям аналитической нормативной документации. Тогда как конструкция сушилки по прототипу не обеспечивала необходимого качества высушенного продукта, в частности, относительно количества органических растворителей, что делало невозможным использование этой конструкции для сушки органических веществ. Потребление электроэнергии составило при сушке кокарбоксилазы гидрохлорида 0,8 кВт·ч/кг, при сушке препарата амиксин 0,2 кВт·ч/кг, т.е. уменьшение энергоемкости процесса по сравнению с термической сушкой составляет соответственно в 150 и 600 раз.