Инертный носитель для сушки суспензий и пастообразных материалов
INERT CARRIER FOR DRYING SUSPENSIONS AND PASTE-LIKE MATERIALS

Изобретение относится к сушильной технике, а именно к сушилкам с активным гидродинамическим режимом, предназначенным для сушки пастообразных материалов и суспензий во взвешенном закрученном слое инертных частиц, и может найти применение в производстве красителей, полупродуктов, медицинских препаратов и др.
Известны инертные носители, выполненные из эластичных гидрофобных материалов, которые используются в сушилках с закрученным взвешенным слоем [Плановский А.Н. и др. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. М.: Химия, 1979, с. 200-201].
Недостатками таких инертных носителей являются неизменная форма поверхности, вероятность агрегатирования при нестабильной подаче влажного материала и налипания 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 [SU 1760836 А1 кл. F26В 17/10].
Недостатками такого инертного носителя являются:
- снятие материала с поверхности инертного носителя осуществляется в основном истиранием в процессе сушки;
- действующая поверхность тепломассопереноса в процессе сушки является достаточно постоянной и существенно не изменяется вплоть до окончательного удаления высохшего материала с поверхности инертного носителя;
- очистка поверхности инертного носителя от высохшего материала за счет температурной деформации внутреннего термобиметаллического элемента происходит монотонно и, в основном, во втором периоде сушки нанесенной пленки материала при достижении практически конечной влажности целевого продукта;
- гладкая форма поверхности инертного носителя, что существенно уменьшает возможное носимое количество влажного материала;
- перераспределение влажного материала между инертными носителями с гладкой поверхностью недостаточно интенсивно.
Указанные недостатки снижают, в целом, возможную суммарную поверхность тепломассообмена и существенно ухудшают условия отслаивания высохшего материала с поверхности инертного носителя.
Цель изобретения: интенсификация процессов тепло- и массообмена и улучшение условий отслаивания высохшего материала с поверхности инертного носителя при сопутствующем повышении производительности сушильного оборудования. Указанная цель достигается тем, что предлагается инертный носитель для сушки суспензий и пастообразных материалов во взвешенном слое, выполненный из эластичного полимерного материала, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса сушки путем улучшения условий отслаивания высохшего материала с поверхности инертного носителя с сопутствующим увеличением удельной поверхности тепломассообмена и удельного количества носимого влажного материала, характеризуется следующими признаками:
- инертный носитель для сушки суспензий и пастообразных материалов в взвешенном слое выполнен из эластичного полимерного материала;
- инертный носитель содержит термобиметаллический элемент в виде сферического сегмента;
- инертный носитель содержит эластичную оболочку с выполненными заодно с ней стержневыми элементами с образованием гребнеобразной формы (согласно чертежу и описанию);
- стержневые элементы расположены снаружи эластичной оболочки;
- под действием температуры происходит скачкообразное изменение формы поверхности инертного носителя.
Термобиметаллические хлопающие элементы (т.е. элементы, скачкообразно изменяющие форму при достижении критической температуры) нашли широкое применение во многих отраслях промышенности [Тимошенков К.Д., Минаев В.Н., Гордиенко С.Я. Приборы контроля и регулирования температуры с термобиметаллическим диском. М.: Машиностроение, 1982. 112 с.; Худик В.Н., Повисок В.В., Федурок М.П. О тепловой деформации биметаллического диска // Прикладная механика. 1993. Т. 29. N8. С. 61; Гаврюшин С.С. Численное моделирование больших прогибов осесимметричного биметаллического купола при термосиловом нагружении. // Труды МГТУ No 566, "Математическое моделирование сложных технических систем". Изд-во МГТУ, 1995. С. 49-69.; Гаврюшин С.С. Анализ и синтез тонкостенных элементов робототехнических устройств с предписанным законом деформирования // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2011. No. 12. С. 22-32].
Теоретические разработки вопросов применения термобиметаллических хлопающих элементов нашли прикладное значение в многочисленных изобретениях, например а.с. 2056658РФ; а.с. 2041522 РФ; а.с. 2011238 РФ; а.с. 2080682 РФ, где хлопающие термобиметаллические диски или элементы используются как силовые элементы в переключающих устройствах.
На фиг. 1 изображен предложенный инертный носитель в виде сферического сегмента. На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1.
Инертный носитель в виде сферического сегмента (фиг. 1) содержит внутри эластичной оболочки 2 термобиметаллический элемент 1, а эластичная оболочка 2 выполнена заодно со стержневыми элементами 3, размещенными снаружи оболочки. Внешний контур оболочки не имеет плоских поверхностей. Оболочка может быть выполнена из таких полимерных материалов, как полиэтилен, полипропилен и подобных эластичных полимеров.
На фиг. 2 показана исходная форма инертного носителя в виде сферического сегмента (А) и его форма после скачкообразного изменения формы поверхности при изменении (увеличении) температуры (Б). Такое изменение формы происходит потому, что термобиметаллический элемент состоит из двух разнородных металлов, имеющих различные коэффициенты теплового расширения. При изменении температуры площадь поверхности металлов изменяется в различной степени (вогнутая часть расширяется сильнее), что приводит к выгибанию термобиметалического элемента, а следовательно и эластичной оболочки, то есть первоначально вогнутая часть становится выпуклой и наоборот. Температура срабатывания, при которой происходит скачкообразное изменение формы, зависит от геометрических параметров термобиметаллического элемента и может задаваться в широких пределах при изготовлении инертного носителя. Исходная поверхность (температура 25…40°С) обозначена сплошной линией.
Предлагаемый инертный носитель работает следующим образом.
Известно, что при сушке ряда суспензий и подвижных пастообразных материалов на инертных зернистых носителях в кипящем слое высушиваемый влажный материал подается через питающее устройство и образует тонкие слои на поверхности инертного носителя. Влажный материал по мере высыхания истирается или отделяется при соударениях инертного носителя и контакте со стенкой сушильного аппарата. Сухой материал в виде пыли и чешуек удаляется из аппарата с отработанным теплоносителем. Основными параметрами процесса сушки, определяющими производительность подобных сушильных аппаратов, в данном случае являются: поверхность тепломассообмена и особенности истирания и отслаивания высохшего материала с поверхности инертного носителя.
Известно, что основное время сушки суспензий и высоковлажных пастообразных материалов происходит преимущественно при температуре равновесного испарения, близкой к температуре испарения чистого растворителя, и только в конце сушки материал прогревается до температуры теплоносителя. Разность этих температур в зависимости от параметров теплоносителя достигает 100…130°С.
Предлагаемый инертный носитель выполнен в виде сферического сегмента из эластичного материала с внутренним термобиметаллическим элементом, предназначенным как для монотонного, так и последующего скачкообразного изменения формы поверхности инертного носителя при достижении критической температуры. В отличие от прототипа, где применяется гладкая форма поверхности полимерного покрытия, предлагаемый инертный носитель имеет значительно большую удельную поверхность тепло- и массообмена, что положительно отражается на производительности аппарата.
При использовании указанного инертного носителя в сушильных аппаратах закрученного кипящего слоя отмечаются следующие положительные явления:
- указанная форма инертного носителя имеет большую поверхность тепломассобмена, чем поверхность прототипа (на 45…50%);
- значительно улучшаются условия нанесения и перераспределения влажного материала между инертными носителями;
- основная часть высушиваемого материала, особенно со слабыми адгезионными свойствами, при заполнении пространства между стержневыми элементами инертного носителя хорошо удерживается практически до окончания первого периода сушки; затем при монотонном изменении формы инертного носителя подсохший материал растрескивается или частично отслаивается с образованием дополнительной поверхности тепло- и массообмена;
- при достижении температуры скачкообразного изменения формы инертного носителя происходит резкое освобождение защемленных частиц высушиваемого материала и их массовый вброс в закрученный кипящий слой для дальнейшего истирания, досушки в режиме витания в сепарационном пространстве сушильного аппарата с окончательным удалением готового продукта из аппарата в виде аэровзвеси;
- при образовании агрегатов инертных носителей или налипании инертных носителей на стенки аппарата пятно контакта между взаимодействующими инертными носителями 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 инертного носителя;
- возможен только точечный контакт инертного носителя с рабочей поверхностью сушильного аппарата, что практически устраняет налипание инертного носителя 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 с последующим скачкообразным изменением формы инертного носителя.
Реализация способа проверена на сушилке АС №166898 кл. F26B 17/00, 1984.
В сушилку загружался инертный носитель с гладкой поверхностью, выполненный по прототипу. Потоки теплоносителя, вводимые через барабан, приводили слой инертного носителя во взвешенное состояние. Влажный материал подавался через боковое фильерное устройство. Распределенный по поверхности инертного носителя влажный материал высушивался, истирался и выносился с отработанным теплоносителем. Часть инертных носителей с влажным материалом в зонах отсутствия истирающего действия плотного закрученного слоя налипала на поверхность рабочей камеры. В дальнейшем при высыхании налипших инертных носителей проявлялся термобиметаллический эффект, и эти инертные носители возвращались в слой.
При сопоставлении предлагаемого инертного носителя с прототипом установлено, что производительность сушилки при использовании предлагаемого инертного носителя увеличилась на 36…45% за счет существенного увеличения как удельной поверхности тепломассообмена, так и удельного количества носимого материала (140…160% от прототипа). Устойчивость аппарата к колебаниям по питанию значительно повысилась. Агрегатообразование наблюдается по сравнению с прототипом при большей нестабильности по подаче влажного материала. Перераспределение материала между инертными носителями приводит к увеличению возобновляемой поверхности тепломассообмена. Фракционный состав готового продукта содержит большее количество чешуйчатых частиц (повышается товарное качество продукта).
Использование предлагаемого инертного носителя обеспечивает по сравнению с существующим инертным носителями следующие преимущества:
- значительная удельная поверхность тепло- и массообмена за счет гребнеобразной формы поверхности инертного носителя;
- возможность работы как с пастообразными материалами, так и с высоковязкими суспензиями, которые хорошо удерживаются поверхностью инертного носителя;
- гребнеобразная форма инертного носителя способствует:
а) активному перераспределению влажного материала между инертными носителями;
б) постоянной зачистке стенок сушильного аппарата;
в) ударному отслоению подсохших слоев материала;
- наряду с монотонным изменением формы поверхности инертного носителя в процессе сушки, приводящим к отслаиванию и трещинообразованию, скачкообразное изменение формы инертного носителя обусловливает более раннее снятие подсохшего материала с поверхности инертного носителя, сопровождающееся появлением новых развитых поверхностей тепло- и массообмена; совокупность этих явлений отражается на увеличении производительности сушильного аппарата и степени отработки теплоносителя;
- надежное закрепление (захват) высоковлажного материала, склонного к сползанию с поверхности инертного носителя, при обратном скачкообразном изменении формы инертного носителя, возникающем при остывании инертного носителя в режиме интенсивного испарении влаги в первом периоде сушки;
- оптимальная температура срабатывания инертного носителя может задаваться геометрическими параметрами термобиметаллического элемента и выбирается предварительными испытаниями в соответствии с характеристиками конкретного высушиваемого материала (адгезионные свойства в функции влажности и температуры, прочностные показатели частиц высушиваемого материала и т.п.
- уменьшение склонности к агрегатообразованию при нестабильной подаче влажного материала (точечное пятно контакта между инертными носителями и со стенкой аппарата);
- восстановление рабочего слоя инертного носителя при аварийном нарушении режима работы и значительном агрегатообразовании проводится без разборки аппарата за счет использования монотонной и скачкообразной температурной деформации.