АППАРАТ ДЛЯ СУШКИ КОНЦЕНТРАТА ИЗ ЭКСТРАКТА МЫЛЬНЯНКИ ЛЕКАРСТВЕННОЙ

Полезная модель относится к конвентивным сушилкам распылительного типа и предназначена для сушки концентрата из экстрактов технического сырья растительного происхождения, в частности концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной, в условиях активного вентилирования с использованием контактных наполнителей из инертного материала и может быть использована в фармацевтической и пищевой промышленности.
Высушенный концентрат из экстракта мыльнянки лекарственной позволяет получить качественно новые разновидности продуктов, имеющих более широкую область применения, чем исходный материал, а так же значительно продлить сроки его хранения.
Многолетнее травянистое растение мыльнянка лекарственная (Saponaria officinal L.) относится к семействам гвоздичных и является природным источником сапонинов - водорастворимого вещества, используемого при производстве шипучих вин, напитков, халвы, майонезов, кремов. Экстракт из корней мыльнянки лекарственной является классическим пенообразователем, придающим изделию характерную структуру. Отвары и настои корней мыльнянки дают обильную пену, похожую на мыльную, откуда и происходит название растения.
Существующие конструкции аппаратов для сушки концентрата из экстрактов сырья растительного происхождения, в том числе и из экстракта мыльнянки лекарственной, имеют различные варианты технической реализации, однако их основными элементами являются: корпус, операционный блок сушки, патрубок для подачи жидкого материала в виде концентрата в рабочую полость корпуса, патрубок для подачи сушильного агента от теплогенератора в операционный блок сушки, устройство для отвода отработавшего сушильного агента из рабочей полости корпуса и разгрузочный патрубок для эвакуации произведенного сухого продукта из сушильного аппарата и дальнейшей его расфасовки в приемные емкости.
Процесс производства сухого концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной значительно отличается от процесса сушки концентрата из других видов технического сырья растительного происхождения и имеет свои характерные особенности. Максимальное количество высококачественного сухого концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной с содержанием влаги в пределах 5-10% за относительно короткий промежуток времени можно получить только при активной турбулизации потоков вводимого в сушильный аппарат теплоносителя (горячего воздуха), что значительно активизирует процесс тепло- и массообмена. Кроме того, требуется соблюдение определенного температурного
3
режима, а также поддержания величины необходимого избыточного давления (напора) в рабочей полости корпуса сушильного аппарата в процессе всего технологического цикла. Увеличение температурного режима свыше норамативно допустимой (Тн=90°С) может привести к ряду нежелательных структурных изменений в обрабатываемом материале, что отрицательно скажется на качестве продукта. Превышение же величины необходимого избыточного давления в рабочей полости корпуса аппарата (Рн=2,9×10) приведет к выбросу некоторого количества частично высушенного материала вместе с отводимым в атмосферу отработавшим сушильным агентом, а уменьшение - к ухудшению процесса циркуляции сушильного агента и, как следствие - производительности аппарата.
Добиться эффективной работы, тем более интенсифицировать технологический процесс сушки концентрата, на существующих моделях сушильных аппаратов без их значительной реконструкции не представляется возможным. Поэтому для этих целей требуется разработка специализированного сушильного аппарата, что и было реализовано в представленной полезной модели аппарата для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной.
Известен аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной, содержащий корпус, операционный блок сушки, патрубок для подачи жидкого материала, патрубок для подачи сушильного агента, устройство для отвода отработавшего сушильного агента и разгрузочный патрубок (Установка типа «УКЭ-15» для производства концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной. Технологическая схема установки УКЭ-15, чертеж № УКЭ-15.03.000 СТ, поз.19, аппарат сушильный, КБ НПО ОАО «Радуга», г.Новосибирск, 1998 г.). Этот аппарат относится к разряду контактных сушилок вальцового типа, в котором оперативный блок сушки состоит из полого полноприводного цилиндрического барабана (вальца), в полость которого посредством трубчатого вала подается вторичный пар от выпарного аппарата, нагревая поверхность барабана до температуры 90°С. В корпус аппарата посредством патрубка подается концентрат мыльнянки лекарственной, который наносится на поверхность барабана, покрывая ее тонкой пленкой. В результате теплообмена происходит интенсивное испарение влаги из концентрата, а отработавший пар в виде конденсата удаляется через отводное устройство. Сухой продукт снимается с барабана специальными клиновыми ножами и попадает в разгрузочный патрубок.
Характеризуя указанный тип сушильного аппарата, следует отметить сложность и несовершенство конструкции операционного блока сушки, малое использование объема барабана, большая занимаемая площадь, повышенный удельный расход пара и электроэнергии, низкий съем влаги и неравномерность сушки обрабатываемого материала. Кроме того, в процессе работы оператору приходится значительное время тратить на замену (после заточки) и регулировку клиновых ножей, что снижает производительность и усложняет обслуживание аппарата. Отсутствие в системе подачи пара в сушильный барабан устройства для регулировки и контроля температурного
режима сушки при перегреве контактной поверхности барабана свыше нормативно допустимой температуры приводит к нежелательным структурным изменениям в обрабатываемом материале, что отрицательно сказывается на качестве продукта. А использование поверхностного конденсатора для удаления из корпуса аппарата влаги, испаряющейся из высушенного материала, значительно усложняет конструкцию аппарата, увеличивает его металлоемкость и удорожает продукцию.
Наиболее близким по совокупности признаков, технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной конструкции Хабаровского производственного предприятия «Технологический центр», содержащий корпус, операционный блок сушки, патрубок для подачи жидкого материала, патрубок для подачи сушильного агента, устройство для отвода отработавшего сушильного агента и разгрузочный патрубок (Аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной. Листок технической информации №12-80, серия 68.29.15, рис.1, схема технологическая. Хабаровский ЦНТИ, г.Хабаровск, 1980 г.).
Однако, данный аппарат имеет ряд существенных недостатков конструктивного и эксплуатационного характера. К ним относятся: значительная металлоемкость и энергоемкость, низкая производительность (20 кг/час) при относительно большом удельном расходе теплоносителя и электроэнергии, пониженные качественные характеристики получаемого продукта, ограниченные эксплуатационные и технологические возможности, сложность обслуживания, длительное время сушки.
Значительная металлоемкость и энергоемкость обусловлены тем, что аппарат состоит из нескольких достаточно металлоемких технологических агрегатов, как-то корпуса с операционным блоком сушки (дисковым центробежным распылителем материала), циклона, винтового разгрузочного шнека и других, причем дисковый распылитель материала и винтовой разгрузочный шнек имеют электроприводы, общая установочная мощность которых составляет 3,5 кВт. Низкая производительность при повышенном удельном расходе теплоносителя (горячего воздуха) и электроэнергии в значительной степени обусловлены теми обстоятельствами, что во-первых, теплоноситель подается центробежным вентилятором сверху вниз, что снижает эффективность его циркуляции и соответственно процесса сушки распыляемого исходного материала. А во-вторых, вентиляторные лопасти центробежного распылительного диска создают нисходящий винтовой поток теплоносителя, перемещаясь в котором сверху вниз и соприкасаясь с внутренней поверхностью корпуса нагретые частицы обрабатываемого материала отдают часть тепла этой поверхности, что приводит к увеличению времени сушки и как следствие - к снижению производительности аппарата.
Так как циркуляция воздушного потока осуществляется сверху вниз и восходящие потоки практически отсутствуют, турбулизация процесса сушки сводится до минимума, в результате чего часть обрабатываемого материала,
не успевая просушиться до нормативно допустимого содержания в нем влаги (10%), поступает в разгрузочный патрубок и далее смешивается с остальной массой высушенного продукта, снижая тем самым его качественные характеристики. Кроме того, отсутствие возможности регулировать режим работы центробежного диска операционного блока и винтового разгрузочного шнека (частота вращения электродвигателей не регулируется), а также количество подаваемого посредством переходного воздуховода сухого материала из корпуса аппарата в осадительный циклон (отсутствует регулировочная заслонка), не позволяет при необходимости оперативно влиять на ход технологического процесса.
При всех достоинствах прототипа (замкнутый цикл сбора высушенного материала, механизированная выгрузка его шнековым транспортером, минимальные потери продукта с выбрасываемым в атмосферу отработавшим теплоносителем и др.), сфера его применения достаточно узка, а вышеперечисленные недостатки ограничивают коэффициент использования данного аппарата.
Задача полезной модели - повышение производительности при минимальном удельном расходе сушильного агента и электроэнергии, улучшение качественных характеристик производимого сухого продукта, обеспечение оптимального режима технологического процесса, улучшение конструктивных характеристик, снижение металлоемкости и энергоемкости аппарата.
Поставленная задача реализуется тем, что в известном аппарате для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной, содержащем корпус, операционный блок сушки, патрубок для подачи сушильного агента, устройство для отвода отработавшего сушильного агента и разгрузочный патрубок, операционный блок сушки выполнен в виде циркуляционной камеры, в центре которой смонтирована распылительная форсунка, соосно установленная в конусообразном эжекторе, а на воздухораспределительной диафрагме россыпью размещены элементы контактного наполнителя. Контактный наполнитель состоит из определенного количества полых герметических элементов цилиндрической формы с заглушенными торцами, изготовленных из пластичного инертного материала, при этом соотношение размера диаметра каждого элемента к его длине составляет как один к трем. Кроме этого, цилиндрический корпус аппарата имеет разъемную конструкцию, состоящую из функциональных блоков, соединенных друг с другом на фланцах при помощи откидных болтов, что позволяет при необходимости отделить блоки друг от друга с минимальными затратами времени. При этом, между сепарационным блоком и блоком активного вентилирования установлена отбойная сетка специальной конструкции, изготовленная из капроновых нитей с живым (проходным) сечением не менее 80% и квадратными отверстиями (ячейками) площадью не более четырех квадратных миллиметров (S=2×2) каждый. А крышка сепарационного блока имеет коническую форму, вогнутую внутрь блока, при
этом соотношение размера крышки к ее диаметру составляет как один к десяти.
Отличительный признак - наличие операционного блока сушки вышеупомянутой конструкции, который формирует в аппарате ряд технологических операций по организации сушильного процесса путем активного вентилирования с использованием подвижных (циркулирующих в потоке теплоносителя) наполнительных элементов, позволяющих значительно увеличить поверхность контакта между обрабатываемом материалом и тепловым агентом (горячим воздухом), а следовательно, уменьшить размеры сушильного аппарата и его металлоемкость. Ввод теплового агента по касательной к внутренней поверхности циркуляционной камеры, а также наличие установленной в ее центре распылительной форсунки для подачи материала и конического эжектора для подачи сжатого воздуха, позволяет сформировать устойчивый, восходящий по винтовой линии поток горячего воздуха. В результате этого путь движения частиц высушиваемого материала удлиняется, интенсифицируя таким образом процесс сушки и увеличивая производительность.
Так как при сушке процесс теплопередачи протекает на поверхности соприкосновения взаимодействующих фаз, необходимо создавать развитую поверхность между тепловым агентом и материалом. Одним из путей формирования такой развитой поверхности является применение специального наполнителя в виде элементов (насадок) различной конфигурации из инертных материалов, размещаемых россыпью на воздухораспределительной диафрагме (решетке), что и было реализовано в представленной полезной модели. В отличие от традиционно используемых элементов контактного наполнителя (керамические кольца Рашига, прямоугольные полоски из фторопласта и др.) в аппарате используются полые герметичные элементы цилиндрической формы с заглушенными (запаянными) торцами и оптимально подобранными геометрическими размерами (D=3-5 мм, L=9-15 мм), которые изготовлены из пластичного инертного материала, в частности полипропилена. Такая геометрическая форма и размеры элементов наполнителя, как было выявлено, дает максимальный эффект сушки распыленного на поверхность этих элементов материала (сокращается время сушки), а также способствует эффективному осыпанию с их поверхности высушенного материала. Эффект осыпания материала усиливается еще и тем обстоятельством, что поверхность элементов наполнителя во время движения в воздушном потоке попеременно деформируется, скалывая высохшую пленку материала с поверхности.
Так как в процессе эксплуатации аппарата приходится периодически производить профилактические мероприятия во внутренней полости корпуса (очистка поверхностей корпуса и промежуточных диафрагм от нагара, регулировка распылительной форсунки и т.д.), возникает необходимость быстрого демонтажа (с целью сокращения операционного времени), а затем сборки элементов корпуса. С этой целью корпус аппарата выполнен в виде отдельных функциональных блоков, разделенных промежуточными
диафрагмами (сетками) и соединенными друг с другом на фланцах при помощи откидных болтов с затяжными гайками-барашками. Такая конструкция корпуса позволяет свести до минимума технологические простои оборудования в связи с ведением профилактических или ремонтных работ, облегчая техническое обслуживание сушильного аппарата.
Отбойная сетка, установленная между промежуточными (зона активизации) и сепарационными блоками, проходя через которую, сухие частицы материала поступают в циклон и далее к разгрузочному патрубку, кроме функции своеобразного сита, выполняет функцию демфера, от которого (достигнув верхнего положения) отскакивают элементы наполнителя. А поэтому, кроме обладания хорошими пружинящими свойствами, отбойная сетка должна быть износоустойчива. Использование для этих целей металлической сетки привело бы к быстрому износу и выходу из строя элементов наполнителя, поэтому отбойная сетка аппарата изготовлена из плетеных капроновых нитей с живым сечением площади сетки не менее 80% (оптимальное расчетное проходное сечение) и квадратными отверстиями (ячейками 2×2 мм). Размер ячеек обусловлен минимальным диаметром элементов наполнителя (D=3 мм) с тем, чтобы исключить проникновение их через отбойную сетку в сепарационную камеру.
Учитывая то обстоятельство, что нагретые частицы высушенного материала скапливаются под крышкой сепарационного блока, последняя конструктивно выполнена в виде конуса, установленного вершиной внутрь блока, при этом соотношение высоты крышки к ее диаметру составляет как один к десяти (оптимальное расчетное соотношение). Такая конструкция крышки позволяет высушенному материалу рассредоточиться и не скапливаться в одном месте (забивая выходное отверстие), а за счет того, что уносимые частицы материала воздушным потоком перемещаются вверх по винтовой, плавно и дозировано отводить этот материал из сепарационного блока в циклон и далее на выгрузку. При этом предотвращается спрессовка и комкование полученного сухого концентрата, что повышает его качественные показатели и улучшает товарный вид.
Заявленный аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной был реализован в конкретном варианте, изображенном на чертежах (фиг.1, фиг.2 и фиг.3). На фиг.1 схематично изображен аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной, общий вид продольный разрез.
На фиг.2 изображен тот же аппарат, разрез А-А (план).
На фиг.3 изображен (увеличено) элемент контактного наполнителя (продольный разрез) сушильного аппарата.
Аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной содержит вертикальный цилиндрический корпус разъемной конструкции, состоящий из блока активной вентиляции 1 и сепарационного блока 2, которые соединены друг с другом на фланцах 3 при помощи откидных болтов 4 с затяжными гайками-барашками 5 и опираются на циркуляционную
камеру 6 операционного блока сушки, которая закреплена на опорной раме 7 посредством перегородки 8. Между циркуляционной камерой 6 и блоком активной вентиляции 1 установлена воздухораспределительная диафрагма 9, изготовленная из металлической сетки, а между блоком активной вентиляции 1 и сепарационным блоком 2 установлена отбойная сетка 10, изготовленная из капроновых нитей с квадратными ячейками размером 2×2 мм (размер площади которых предотвращает выпадение элементов наполнителя за пределы сетки 10) и живым сечением сетки не менее 80%. Операционный блок сушки включает в себя циркуляционную камеру 6, в центре которой смонтирована форсунка 11, предназначенная для распыления материала, установленная в конусообразном эжекторе 12. К форсунке 11 (сопло которой выходит за пределы воздухораспределительной диафрагмы 9 и располагается в рабочей полости блока активной вентиляции 2) посредством трубопровода 13 присоединен нагнетательный патрубок центробежного насоса 14, всасывающий патрубок которого посредством трубопровода 15 соединен с расходным бачком 16, а к конусообразному эжектору 12 присоединен трубопровод 17, предназначенный для подачи в эжектор сжатого воздуха. Трубопроводы 13, 15 и 17 снабжены регулировочным вентилями 18, 19 и 20 соответственно.
На воздухораспределительной диафрагме 9 россыпью слоем 15-20 мм располагается контактный наполнитель, представляющий из себя определенное количество полых герметичных элементов 21 цилиндрической формы с заглушенными торцами, изготовленных из пластичного инертного материала (полипропилена), диаметром 3-5 мм и длиной 9-15 мм (D/L=1/3). К циркуляционной камере 6 по касательной к ее внутренней цилиндрической поверхности присоединена труба 22 (для ввода в камеру нагретого воздуха), которая своим вторым концом соединена с нагнетательным патрубком электрокалорифера 23, приемный патрубок которого соединен с напорным раструбом центробежного вентилятора 24. Всасывание воздуха вентилятором 24 осуществляется через воздушный фильтр 25.
Сепарационный блок 2 сверху закрыт крышкой 26, которая имеет геометрическую форму в виде конуса, вогнутого внутрь блока, при этом оптимальная высота крышки составляет одну десятую размера его диаметра (H=0,1 D).
В верхней зоне сепарационного блока 2 (на расстоянии 10-15 мм от фланца крышки) по касательной к его внутренней цилиндрической поверхности присоединен разгрузочный патрубок 27, который посредством входного патрубка 28 соединен с циклоном 29. В крышке 26 циклона 27 установлена труба 30 для отвода отработавшего сушильного агента в атмосферу, а в нижней зоне смонтирован выходной патрубок 31 для подачи сухого продукта в приемные емкости.
Аппарат для сушки концентрата из экстракта мыльнянки лекарственной работает следующим образом
Воздух, прошедший через фильтр 25, центробежным вентилятором 24 посредством электрокалорифера 23 (в котором он нагревается до
температуры 90-95°) при помощи трубы 22 подается в полость циркуляционной камера 6 под воздухораспределительную диафрагму 9. Теплоноситель, входя по касательной к внутренней поверхности циркуляционной камеры под избыточным давлением, приобретает вращательное движение и далее, проходя через отверстия распределительной диафрагмы 9, струями устремляется вверх в рабочую полость блока активной вентиляции 1.
2
2
После того, как корпус аппарата нагреется до необходимой температуры, открываются вентили 18 и 19 и включается насос 14, который под избыточным давлением 4-5 кг/см посредством трубопроводов 13 и 15 подает из расходного бачка 16 концентрат мыльнянки лекарственной к форсунке 11 и распыляет его. Одновременно с подачей распыленного концентрата, в рабочую полость блока активной вентиляции 1 через открытый вентиль 18 посредством трубопровода 17 к коническому эжектору под давлением 2-3 кг/см подается сжатый воздух, который проходя через отверстия воздухораспределительной диафрагмы 9, вместе с нагретым воздухом формирует в полости блока 1 восходящий вращательный воздушный поток, формируя благоприятные условия сушки материала в режиме активной вентиляции.
Полые герметические элементы 21 наполнителя, вес которых составляет не более 5 грамм, подхватываются восходящим вращающимся потоком и начинают циркулировать в полости блока 2 с нанесенным на них в процессе распыления слоем материала. Причем, при своем движении большинство этих элементов стараются приобрести вертикальное положение (или приближенное к нему), что увеличивает поверхность их смывания теплоносителем, в значительной степени ускоряя образование сухой корки концентрата экстракта на их поверхности. Циркулируя в восходящем воздушном потоке элементы 21 наполнителя периодически соударяются с отбойной сеткой 10 и потом отскакивают от нее, при этом их цилиндрическая поверхность определенным образом деформируется (прогибается), а затем возвращается в исходное положение. Если при этом обрабатываемый теплоносителем материал высушен до необходимой кондиции, то его сухая корка разрушается и распыляется и материал в виде дисперсного порошка, проходя через отверстия отбойной сетки 10 (увлекаемый восходящим винтовым потоком воздуха), устремляется в рабочую полость сепарационного блока 2. Сосредотачивается сухой материал преимущественно в верхней зоне блока 2, располагаясь по периферии вогнутой крышки 26, откуда через разгрузочный патрубок 27 посредством входного патрубка 28 вместе с отработавшим тепловым агентом поступает в циклон 29. В циклоне 29 происходит разделение сухого материала от отработавшего теплового агента, который посредством трубы 30 отводится в атмосферу, а произведенный продукт через выходной патрубок 31 подается в приемную емкость для последующего складирования и хранения.
При необходимости проведения ремонтных работ или профилактических мероприятий в рабочей полости корпуса производится его демонтаж на
отдельные элементы с целью возможности свободного доступа к этой полости и удобства проведения работ. Для этого отвинчиваются гайки-барашки 5 и откидные болты 4 на шарнирах отводятся в сторону, после чего функциональные блоки 1 и 2, а так же диафрагма 9 и отбойная сетка 10 свободно отделяются друг от друга.