СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ ИЗ ЖИДКИХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING LOOSE PRODUCTS FROM FLUIDS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области тепломассообменных процессов для получения сыпучих продуктов из таких жидких исходных материалов, как растворы и суспензии в вихревом псевдоожиженном слое. Изобретение может найти применение в различных отраслях производства, например химической, пищевой, фармацевтической.
Существуют различные способы сушки растворов, суспензий и эмульсий с получением продуктов в порошкообразной форме. Например, способ распылительной сушки. Он используется в распылительных сушилках фирмы «Niro A/S» Каталог ф. NIRO GmbH (Германия). Однако этот способ характеризуется низкой удельной производительностью и большими удельными расходами тепловой энергии. Вследствие этого аппараты, работающие по этому способу, имеют большие габариты и высокую стоимость переработки.
Известен способ сушки жидких продуктов в виброкипящем слое на инертных носителях, в соответствие с которым на виброкипящий слой инертных частиц напыляют высушиваемый раствор, сушат его на поверхности частиц носителя, а затем удаляют сухой продукт за счет истирания его. Этот способ реализован в установках, выпускаемых заводом «Продмаш» (www.prodmash.donetsk.ua.) Сушка осуществляется в виброкипящем слое на инертных носителях, представляющих собой фторопластовые кубики с размером грани, равным 4 мм. Раствор, покрывая поверхность гранул, высушивается. В результате соударения гранул образовавшаяся на поверхности гранул пленка разрушается и уносится в циклон. Однако это способ имеет существенные недостатки: использование конвективного способа подвода тепла, необходимого для испарения влаги, неэффективно из-за того, что невозможно обеспечить достаточную скорость газа для обдува частиц носителя. Кроме того, истираемость частиц в виброкипящем слое низкая, что не позволяет эффективно удалять высушенный продукт с поверхности частиц, особенно при сушке растворов с высокими коагулирующими свойствами. Растворимость порошка, полученного рассматриваемым способом, не превышает 90%.
Известен способ получения сыпучих продуктов путем сушки распыляемой жидкости на инертных носителях в кипящем слое (www.raston.ru/catalog/=36). Благодаря достаточно высокой скорости псевдоожижающего газа, в кипящем слое обеспечивается интенсивный конвективный теплоотвод и более высокая истираемость частиц. Однако и в кипящем слое истираемость частиц недостаточно высокая и предельная концентрация продукта сушки на поверхности частиц носителя низкая. Даже незначительное превышение этой концентрации приводит к образованию слипшихся агломератов и, как следствие, прекращению процесса. Кроме того, при истирании тонких слоев высушенного материала получаются мелкодисперсные частицы пластинчатой формы. Такие частицы обладают высокой парусностью и выделение их из газовой фазы сопряжено с большими трудностями. Трудности возникают и при дальнейшем использовании таких порошков из-за их очень низкой насыпной плотности.
Более хорошие результаты достигаются при сушке жидких продуктов в двух встречно закрученных потоках инертного носителя. В зоне контакта двух встречно закрученных потоков носителя происходит интенсивное соударение, что способствует лучшему истиранию и скалыванию сухого продукта и удалению его из зоны сушки. На этом принципе работает сушильный аппарат АС3-5 (www.poli-nom.ru). Однако ведение процесса во встречных струях недостаточно эффективно для процесса отбивки сухого материала с поверхности частиц носителя из-за взаимного проникновения струй. Процесс ведется при давлении газа 0,3 МПа. При таком давлении температура кипения воды составляет 134°C. Т.е. для обеспечения скорости сушки, соответствующей скорости при атмосферном давлении, необходимо значительно повысить температуру процесса - более чем на 30°C. Это серьезный недостаток, особенно при сушке термолабильных веществ, Кроме того, стоимость нагнетателей, обеспечивающих такое давление, и необходимый расход газа в несколько раз выше стоимости обычных вентиляторов среднего давления.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ, изложенный в патенте №2398163 «Способ тепломассообмена в вихревом псевдоожиженном слое и аппарат для его осуществления». Он включает ввод нагретого сжижающего газа в реактор в тангенциальном направлении, формирование вращающегося слоя с горизонтальной осью вращения и образование в вихревом потоке зоны ускорения, вращения и ниспадающей зоны, выход газа из вихревого слоя в надслойное пространство в верхней открытой области ниспадающей зоны. Достоинством известного способа является эффективный тепломассообмен в вихревом псевдоожиженном слое. Однако и этот способ имеет существенный недостаток - в ниспадающей зоне скорость движения частиц может упасть до нулевой, особенно в зоне столкновения частиц со стенкой реактора. Резкое снижение скорости движения частиц приводит к увеличению толщины слоя, его малой подвижности и образованию агломератов, что ведет к прекращению процесса.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание способа получения сыпучих продуктов из жидких с использованием вихревого псевдоожиженного слоя.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ, так же, как и известный, предусматривает ввод нагретого сжижающего газа в реактор в тангенциальном направлении, формирование вращающегося слоя с горизонтальной осью вращения и образование в вихревом потоке зоны ускорения, вращения и ниспадающей зоны, выход газа из вихревого слоя в надслойное пространство в верхней открытой области ниспадающей зоны. Но, в отличие от известного, в предлагаемом способе дополнительно подают сжижающий газ в направлении вращения слоя в зону реактора, расположенную выше ниспадающей зоны, вращающийся слой формируют из частиц инертного материала, на которые в зоне ускорения подают в импульсном режиме обрабатываемый жидкий продукт в виде струй под углом к касательной реактора в точке ввода струй углом к касательной реактора в точке ввода струй и плоскости сечения реактора, в направлении движения инертных частиц, причем подачу каждой порции жидкости производят при достижении влажности пленки обрабатываемого продукта 10%, а при достижении влажности 3-5% в реактор подают охлажденный воздух и выводят сыпучий продукт вместе с газом.
Достигаемый технический результат - повышение эффективности получения сыпучих продуктов из жидких.
Технический результат достигается за счет выполнения последовательности операций сушки, позволяющих предотвратить слипание обрабатываемого материала при использовании технологии сушки в вихревом псевдоожиженном слое с ее высоким коэффициентом тепломассообмена.
Предотвращение слипания реализуется организацией дополнительной зоны ускорения частиц путем подачи газа в зону торможения слоя о стенку реактора. При этом достигается быстрый отвод частиц с поверхности торможения за счет динамического напора газа и гравитационных сил. Тем самым для следующих частиц обеспечивается чистая поверхность для торможения и исключаются застойные зоны, способствующие образованию агломератов. При этом необходимой операцией является импульсная подача обрабатываемой жидкости в виде струй непосредственно в псевдоожиженный слой частиц инертного материала. Это способствует нанесению жидкости непосредственно на поверхность частиц и исключает образование тумана из мелкодисперсных частиц, как при распылительной сушке. Благодаря импульсной подаче жидкости, нанесенный слой подсушивается перед нанесением следующего слоя. Температурный режим обеспечивает окончательное высушивание материала. В период, когда частицы носителя попадают в ниспадающую зону, происходят соударение их со стенками реактора и отбивка высушенного материала. Это становится возможным благодаря тому, что в эту зону подается холодный воздух. Подача холодного воздуха на этой стадии обеспечивает быстрое охлаждение напыленного материала, его термическое растрескивание и быструю отбивку с поверхности частиц носителя. После отбивки высушенного материала с поверхности частиц он попадает в холодную газовую среду, где быстро охлаждается до температуры подаваемого воздуха непосредственно в реакторе и выходит вместе с газом из вихревого слоя в надслойное пространство в радиальном направлении в верхней открытой области ниспадающей зоны через слой вращающегося материала.
Известно несколько разновидностей устройств, предназначенных для получения сыпучих продуктов из жидкостей.
Известно устройство (А.С. СССР №881484) для получения сыпучих продуктов из жидкостей в виде растворов, суспензий и паст, содержащее заключенный в кожух с образованием кольцевой полости сушильный реактор с боковой поверхностью из пластин, установленных с зазором относительно друг друга для ввода газа в реактор и распылительным устройством внутри, а также тангенциальным патрубками ввода сушильного агента в полость реактора через пластины и отвода газовой взвеси в сепарационную систему для выделения готового порошка.
Основной недостаток рассматриваемого устройства - налипание высушиваемого материала на стенки реактора.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство тепломассообмена в вихревом псевдоожиженном слое (Патент РФ №2398163), которое содержит реактор, над которым установлена воздушная камера, загрузочное устройство обрабатываемого материала, в нижней части корпуса по всей его длине выполнены щелевые форсунки с тангенциальным подводом сжижающего газа, причем верхний уровень среза стенки корпуса, расположенный со стороны форсунок, выше, чем противоположный.
Известное устройство обеспечивает высокий уровень тепломассопереноса и за счет этого высокую эффективность сушки сыпучих материалов. Но оно не предназначено для получения сыпучих материалов из жидкостей.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание устройства получения сыпучих продуктов из жидких с минимальным налипанием продукта на стенки реактора.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит реактор, над которым установлена воздушная камера, загрузочное устройство обрабатываемого материала, щелевые форсунки с тангенциальным подводом сжижающего газа, выполненные в нижней части реактора по всей его длине, причем верхний уровень среза стенки корпуса, расположенный со стороны форсунок, выше, чем противоположный. Но, в отличие от известного, предлагаемое устройство снабжено дополнительными форсунками подвода сжижающего газа, установленными выше ниспадающей зоны реактора с направлением ввода вдоль стенки реактора в направлении вращения слоя инертных частиц, а загрузочное устройство обрабатываемого продукта выполнено в виде форсунок для подачи жидкости, установленных ниже нижней линии размещения форсунок для подачи сжижающего газа.
Достигаемый технический результат - уменьшение налипания обрабатываемого продукта на стенках реактора.
Совокупность признаков, сформулированная в пункте 3 формулы изобретения, характеризует устройство, в котором торцевые поверхности форсунок для подачи жидкого продукта установлены на одном уровне с внутренней поверхностью реактора.
Такое размещение форсунок исключает зарастание их выходного отверстия и увеличивает срок службы реактора без его чистки.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематически изображено поперечное сечение предлагаемого устройства для получения сыпучих продуктов из жидкостей.
Устройство для получения сыпучих продуктов из жидкостей содержит реактор 1, воздушную камеру 2, щелевые форсунки 3 с тангенциальной подачей сжижающего газа, расположенные по всей длине реактора в нижней его части. Верхний уровень среза стенки реактора, расположенный со стороны форсунок выше, чем противоположный. Выше линии их расположения и выше ниспадающей зоны реактора помещены дополнительные форсунки 4 подвода сжижающего газа. Они установлены с направлением ввода вдоль стенки реактора в направлении вращения слоя материала, а ниже нижней линии расположения форсунок 3 для подачи сжижающего газа расположены форсунки 5 для подвода обрабатываемой жидкости. Торцевые поверхности форсунок 5 установлены на одном уровне с внутренней поверхностью реактора.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере работы устройства.
Нагретый до необходимой температуры газ поступает через форсунки 3 и 4 в реактор 1, в котором находятся частицы инертного материала, например, выполненные из фторопласта, с размером граней 3-6 мм. Эти частицы за счет динамического напора газа начинают вращательное перемещение и образуют вращающееся кольцо. Обрабатываемый продукт подается через форсунки 5, которые установлены в нижней части ниспадающей зоны реактора. Торцевая поверхность форсунок устанавливается на одном уровне с внутренней поверхностью реактора. Такое положение форсунок не мешает движению частиц носителя и способствует очищению их выходных отверстий струей газа и частицами носителя. Порция раствора в течение короткого промежутка времени (1-3 с) подается во вращающийся слой частиц под углом к плоскости вращения слоя. В течение действия импульса подачи жидкости происходят обволакивание ею частиц носителя и ее нагревание как за счет тепла, накопленного в частице, так и тепла, омывающего частицу газа. За счет высокой скорости газа (до 50 м/сек) достигаются большой коэффициент теплообмена в поверхностном слое и быстрое испарение влаги из него. На поверхности частицы образуется подсушенная пленка. При снижении влажности ниже 10% она начинает интенсивно истираться и удаляться газовым потоком из слоя носителя. В этом случае образуется мелкодисперсный порошок. Это является большим недостатком известных способов. Поэтому для получения крупнодисперсных порошков следующий импульс жидкости осуществляют при снижении влажности подслоя до 102%. С каждым импульсом подачи жидкости происходит увеличение толщины пленки. При достижении ее толщины до 0,1-0,3 мм подачу раствора прекращают и осуществляют окончательную сушку слоя. По истечении времени сушки до 3-5% прекращают подачу горячего воздуха и подают в реактор охлажденный газ через форсунки 3 и 4. Напор газа в форсунке 4 должен обеспечивать сохранение режима вращения в ниспадающей зоне. При этом происходит быстрый отвод частиц от области торможения. При резком охлаждении поверхности частиц носителя, т.е. напыленного слоя, происходит термическая деформация слоя и он легко отделяется (скалывается) от частиц носителя в зоне торможения и газовым потоком выносится из реактора. Охлажденный воздух, поступающий через форсунку 4, не только способствует растрескиванию пленки, поддержанию высокой скорости вращения, но и тому, что он устраняет слипание частиц носителя и образование слипшихся агломератов в зоне ударного торможения. В результате воздействия струи газа частицы не задерживаются на стенке реактора, а начинают ускоренное ниспадающее движение к форсунке 3. После отбивки с поверхности частиц высушенный материал попадает в холодную газовую среду, обеспечиваемую форсунками 3, где осуществляется его быстрое охлаждение до температуры подаваемого газа непосредственно в реакторе. При этом поверхность реактора, подвергающаяся ударному воздействию частиц, очищается и подготавливается к взаимодействию со следующими частицами носителя.
На опытной установке были проведены исследования по сушке различных растворов, эмульсий и суспензий. Давление подаваемого сжижающего газа не превышало 3500 Па. При сушке пищевых продуктов - зостерина, дрожжей, моркови, картофеля, помидор, БАДов были получены крупнодисперсные порошки в виде пластинок и стаканчиков, которые в дальнейшем, при необходимости перемалывались обычными мельницами до необходимого грансостава. Качество порошков обеспечивало практически 100% восстанавливаемость при их дальнейшем разведении и использовании. Производительность, которую обеспечивает устройство, например, при сушке раствора зостерина достигает 15 кг/час. При этом поверхность реактора ни в зоне поступления жидкого продукта, ни в зоне торможения не зарастает.