Аппарат взвешенного слоя для обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала
SUSPENDED LAYER APPARATUS FOR DEHYDRATION OF SOLUTION OF HEAT-SENSITIVE THERMOPLASTIC MATERIAL

Изобретение относится к области обезвоживания растворов термочувствительных термопластичных материалов и может быть использовано в химической, строительной промышленности и в других отраслях, в частности, для производства пластифицирующей добавке для бетона, строительных растворов и сухих строительных смесей.
Известен аппарат для грануляции в псевдоожиженном слое при обезвоживании термочувствительных растворов солей (Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. - Л.: Химия, 1979. С. 164-165), содержащий корпус с газораспределительной решеткой для ожижающего агента, патрубок отвода отработанного газа и патрубки подачи сушильного агента, в которых размещены форсунки для подачи обезвоживаемого раствора. Газ на псевдоожижение подается под решетку с температурой ниже точки плавления или разложения термочувствительного материала, а через внешний кольцевой зазор форсунок подается высокотемпературный газ при температуре 800-850°С. Недостатком данного решения является невозможность его использования для обезвоживания растворов термопластичного материала, поскольку обезвоженный до твердого состояния термопластичный материал начинает (при попадании в струю высокотемпературного газа) слипаться в комки, блокируя работу аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является кипяще-фонтанирующая сушилка-гранулятор для обезвоживания и кристаллизации концентрированного раствора термочувствительного хлористого кальция (патент на изобретение РФ №2370443, МПК C01F 11/24, 2007 г.), содержащая корпус с газораспределительной решеткой для ожижающего агента, патрубок отвода отработанного газа и центральный патрубок подачи сушильного агента (топочного газа). Фонтанирующий слой в сушилке-грануляторе создают потоком топочных газов, подаваемых со скоростью 50-55 м/с при температуре 700-750°С, а кипящий слой создают потоком воздуха с температурой 20-60°С, который подают со скоростью 3-5 м/с. Недостатком известного решения также является невозможность его использования для обезвоживания растворов термопластичного материала, поскольку обезвоженный до твердого состояния термопластичный материал при попадании в струю высокотемпературного газа начинает слипаться в комки, блокируя работу аппарата. Кроме того, высокая температура топочных газов в известном решении исключает его использование для обезвоживания растворов термочувствительных материалов с пониженной температурой изменения физико-химических свойств.
Технический результат предложенного решения заключается в обеспечение реализации изобретением своего назначения - обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала во взвешенном слое, что, в свою очередь, расширяет сферу применения аппаратов взвешенного слоя. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет снизить удельные энергозатраты на обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате взвешенного слоя для обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала, содержащем корпус с газораспределительной решеткой для ожижающего агента, патрубок отвода отработанного газа и, по крайней мере, один патрубок подачи сушильного агента, в котором размещена форсунку для подачи обезвоживаемого раствора, согласно изобретения, в надрешеточном пространстве корпуса размещены инертные тела, в корпусе размещен, по крайней мере, один патрубок подачи охлаждающего агента, а патрубок отвода отработанного газа используется для вывода из аппарата обезвоженных частиц термочувствительного термопластичного материала.
В надрешеточном пространстве корпуса может размещаться охлаждаемая поверхность, установленная с возможностью контакта с инертными телами. Кроме того, в надрешеточном пространстве корпуса может быть размещено устройство для механического воздействия на инертные тела, обеспечивающее принудительное ускорение инертных тел в направлении охлаждаемой поверхности. Устройство для механического воздействия на инертные тела представляет собой роторное или пневматическое устройство.
Охлаждаемая поверхность обеспечивает отражение инертных тел в направлении струи ближайшей форсунки для подачи обезвоживаемого раствора.
Эквивалентный гидравлический диаметр выводимых из аппарата сколотых частиц термочувствительного термопластичного материала не превышает 500 мкм, а эквивалентный гидравлический диаметр инертных тел находится в интервале 2-6 мм.
Эквивалентный гидравлический диаметр инертных тел превышает эквивалентный гидравлический диаметр выводимых из аппарата сколотых частиц термочувствительного термопластичного материала не менее чем в 2,4 раза.
Патрубки подачи сушильного и охлаждающего агентов соединены соответственно с конденсатором и испарителем теплового насоса.
Поверхностная тонкопленочная сушка раствора на поверхности инертных тел является наиболее эффективной с точки зрения снижения энергозатрат и времени сушки. Термочувствительный термопластичный материал формируется на поверхности инертных тел в виде тонкой пленки, что также снижает энергозатраты и время на его охлаждение.
Скалывание термочувствительного термопластичного материала с инертных тел производится при охлаждения термочувствительного термопластичного материала ниже температуры его размягчения, т.к., в противном случае, термопластичный материал будет слипаться в комки и блокировать работу аппарата. Охлаждение термочувствительного термопластичного материала производится охлаждающим агентом и при контакте с охлаждаемой поверхностью, а также ожижающим агентом.
Температура сушильного агента в распыливающей струе устанавливается выше температуры размягчения термочувствительного термопластичного материала, чтобы обеспечить эффективную сушку (обезвоживание) раствора термочувствительного термопластичного материала. Температура ожижающего агента и отработанного газа устанавливается ниже температуры размягчения термочувствительного термопластичного материала, чтобы предотвратить слипание термочувствительного термопластичного материала в комки.
Охлаждение термочувствительного термопластичного материала ниже температуры его размягчения и скалывания, позволяет эффективно скалывать частицы термочувствительного термопластичного материала с инертных тел.
Формирование термочувствительного термопластичного материала на поверхности инертных тел в виде тонкой пленки позволяет производить ее эффективное охлаждение и одновременное скалывание с поверхности инертных тел при механическом воздействии на них.
Механическое воздействие на инертные тела повышает эффективность скалывания с их поверхности пленки термочувствительного термопластичного материала. Дополнительный эффект возникает, когда механическое воздействие на инертные тела обеспечивается путём принудительного ускорения соответствующих инертных тел (с помощью роторного устройства или пневматически) в направлении охлаждаемой поверхности.
Отражение инертных тел от охлаждаемой поверхности в направлении ближайшей активной распыливающей струи повышает эффективность процесса обезвоживания.
Максимальная энергоэффективность процесса обезвоживания обеспечивается в случае:
• использования инертных тел, эквивалентный гидравлический диаметр которых находится в интервале 2-6 мм (при меньшем размере эффективность падает из-за необходимости снижения скорости потока (для исключения уноса инертных тел), а при большем размере - из-за необходимости чрезмерного увеличения скорости потока (для «взвешивания» инертных тел) при снижении удельной поверхности инертных тел (которая снижается с увеличением размера инертных тел));
• когда эквивалентный гидравлический диаметр выводимых из аппарата сколотых частиц термочувствительного термопластичного материала не превышает 500 мкм (что является оптимальной товарной формой для данного типа материала, не требующей дальнейших энергозатрат на дробление кусков и гранул);
• когда эквивалентный гидравлический диаметр инертных тел превышает эквивалентный гидравлический диаметр выводимых из аппарата сколотых частиц термочувствительного термопластичного материала не менее чем в 2,4 раза (что предотвращает унос инертных тел).
Пропускание сушильного и охлаждающего агентов перед подачей в аппарат соответственно через конденсатор и испаритель теплового насоса обеспечивает снижение энергозатрат.
На фиг. схематично изображен аппарат взвешенного слоя для обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала.
Аппарат для конвективного обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала во взвешенном слое содержит корпус 1 с газораспределительной решеткой 2, под которую подается ожижающий агент, патрубок отвода отработанного газа 3 и патрубок подачи сушильного агента 4, в котором размещена форсунку 5 для подачи обезвоживаемого раствора. В корпусе 1 размещены инертные тела 6, патрубок подачи охлаждающего агента 7, охлаждаемая поверхность 8 и/или рубашка охлаждения 9. В необходимых случаях над газораспределительной решеткой 2 может размещаться роторное устройство 10 и/или форсунка 11 для принудительного ускорение инертных тел 6 в направлении охлаждаемой поверхности 8. Линия подачи сушильного агента проходит через конденсатор теплового насоса, а линия подачи охлаждающего агента 7 проходит через испаритель теплового насоса, что позволяет снизить энергозатраты на процесс обезвоживания раствора.
Аппарат для обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала во взвешенном слое работает следующим образом.
Под газораспределительную решетку 2, на которой размещены инертные тела 6, поступает ожижающий агент. Распыление обезвоживаемого раствора термочувствительного термопластичного материала производится в активной распыливающей струе с участием сушильного агента через форсунку 5 на инертные тела 6. Сушильный агент имеет более высокую температуру, чем температура ожижающего агента. При этом температура сушильного агента в распыливающей струе выше температуры размягчения термочувствительного термопластичного материала, а температура ожижающего агента ниже температуры размягчения термочувствительного термопластичного материала. Под воздействием сушильного и ожижающего агентов во взвешенном слое производится обезвоживание раствора термочувствительного термопластичного материала на поверхности инертных тел 6.
Для скалывания тонкой пленки обезвоженного (высушенного) термочувствительного термопластичного материала, образовавшейся на инертных телах 6, необходимо материал охладить ниже температуры его размягчения и организовать ударное воздействие на соответствующие инертные тела 6. Охлаждение пленки обезвоженного термочувствительного термопластичного материала производится подаваемой через патрубок 7 активной струей охлаждающего агента, который имеет температуру ниже температуры размягчения термочувствительного термопластичного материала и ниже температуры скалывания термочувствительного термопластичного материала с инертных тел 6. Механическое воздействие на инертные тела 6 обеспечивается в результате: а) взаимодействия инертных тел 6 между собой; б) взаимодействия инертных тел 6 с корпусом 1, охлаждаемой поверхностью 8 и другими неподвижными элементами, размещенными внутри корпуса 1; в) воздействия роторного устройства 10. Охлаждение термочувствительного термопластичного материала и механическое воздействие на соответствующие инертные тела 6 желательно производить одновременно.
Сколотые с инертных тел 6 частицы термочувствительного термопластичного материала выводятся из корпуса через патрубок 3 потоком отработанного газа, температура которого ниже температуры размягчения термочувствительного термопластичного материала.
Охлаждение пленки обезвоженного термочувствительного термопластичного материала на поверхности инертных тел 6 может производится как подаваемой через патрубок 7 активной струей охлаждающего агента, так и путём их контакта инертных тел 6 с охлаждаемой поверхностью 8 и/или рубашкой охлаждения 9. Эти варианты могут использоваться совместно.
Для повышения эффективности процесса скалывания с инертных тел 6 частиц термочувствительного термопластичного материала при взаимодействии инертных тел 6 с охлаждаемой поверхностью 8 используется принудительного ускорения соответствующих инертных тел 6 в направлении охлаждаемой поверхности 8. Принудительное ускорение соответствующих инертных тел 6 в направлении охлаждаемой поверхности 8 может осуществляться механически с помощью роторного устройства 10 и/или пневматически с помощью форсунки 11.
Охлаждаемая поверхность(и) 8 устанавливается таким образом, чтобы инертные тела 6 после взаимодействия с ней отлетали (отражались) в направлении ближайшей активной распыливающей струи из форсунки 5 для подачи обезвоживаемого раствора.
Перед подачей охлаждающего агента в патрубок 7 охлаждающий агент проходит через испаритель теплового насоса, передавая тепло циркулирующему в тепловом насосе хладоагенту, что снижает температуру охлаждающего агента. Сушильный агент перед подачей в патрубок 4 проходит через конденсатор теплового насоса, забирая тепло от циркулирующего в тепловом насосе хладоагента, что повышает температуру сушильного агента.
Проведенные эксперименты показали, что эквивалентный гидравлический диаметр выводимых из аппарата сколотых частиц термочувствительного термопластичного материала не должен превышать 500 мкм, эквивалентный гидравлический диаметр инертных тел 6 должен находиться в интервале 2-6 мм, а эквивалентный гидравлический диаметр инертных тел 6 должен превышать эквивалентный гидравлический диаметр выводимых из аппарата сколотых частиц термочувствительного термопластичного материала не менее чем в 2,4 раза.
Примеры конкретного выполнения.
Установка для обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала во взвешенном слое представляет собой цилиндрический прозрачный корпус (колбу) 1 с внутренним диаметром 140 мм и высотой 1000 мм с рубашкой охлаждения высотой 400 мм. В нижней части корпуса размещена газораспределительная решетка 2, а в верхней - выхлопной патрубок 3 диаметром 48 мм, связанный с циклонным пылеосадителем с вентилятором, создающим разряжение. По центру газораспределительной решетки в патрубке 4 установлена пневматическая форсунка 5. В патрубок 4 подается горячий теплоноситель (сушильный агент) от нагревателя. На расстоянии 20 мм от стенки корпуса 1 в газораспределительной решетке 2 расположено отверстие для подачи охлаждающего агента (воздуха). К указанному отверстию от испарителя теплового насоса подведен охлажденный воздух (создающий активную холодную струю), температура которого минимум на 1°С ниже температуры ожижающего воздуха под решеткой 2. Рядом со стенкой корпуса 1, в непосредственной близости от активной холодной струи, установлено высокоскоростное роторное устройство 10 с возможностью регулировки оборотов. На газораспределительную решетку 2 засыпано 1,7 литра инертных тел 6 из фторопласта, эквивалентный гидравлическим диаметр которых находится в интервале 3-4 мм. Дополнительно предусмотрен охлаждаемый отражатель направленного действия 8, который размещается в корпусе 1 на высоте 300 мм от газораспределительной решетки 2.
3
3
Пример 1. В корпус 1 через пневматическую форсунку 5 подается 50% концентрированный раствор эфиров поликарбоксилата, с плотностью 1,19 г/см и вязкостью 500 сП, распыляется на инертные тела 6 в активной горячей струе с температурой на входе в корпус 1) 130°С (экспериментально установленная температура, при которой не происходит деградация свойств вещества). Мелкодисперсные частицы, попадая на поверхность инертных тел 6, создают микропленки и мгновенно высыхают. Инертные тела 6 из горячей распыливающей струи выбрасываются во взвешенный слой, создаваемый ожижающим агентом с температурой на входе (под газораспределительной решеткой 2) 20-23°С. Во взвешенном слое микропленка досушивается и охлаждается. Затем, попав в холодную струю охлаждающего агента с температурой 10-12°С и в зону вращения роторного устройства 9, доохлаждается дополнительно и скалывается. Сколотые частицы пленки выносятся потоком отработанного воздуха в циклон, где осаждается в контейнер. Температура отработанного воздуха перед входом в циклон не превышает 30°С, что позволяет избежать образование комков материала и налипание на стенки корпуса 1. Расход воздуха на удаление1 кг влаги составляет в среднем 120 м, КПД сушки 0,77, эквивалентный гидравлический диаметр выводимых сколотых частиц не превышает 500 мкм. Совмещенное охлаждение и механические воздействие (увеличивающее интенсивность и импульс соударений инертных тел 6) позволяет улучшить скалывание пленки, уменьшить накопление высушенного материала на поверхности инертных тел 6 и тем самым сократить время пребывания в аппарате. Полученный сухой порошок эфиров поликарбоксилата имеет температуру размягчения 35°С и влажность менее 3%.
3
3
Пример 2. В корпус 1 через пневматическую форсунку 5 подается предварительно нагретая до 60°С свеклосахарная патока с 25% содержанием влаги и плотностью 1,41 г/см, на инертные тела 6 в активной горячей струе с температурой на входе в корпус 1 80°С. Мелкодисперсные частицы, попадая на поверхность инертных тел 6, создают микропленки и мгновенно высыхают. Инертные тела 6 из горячей распыливающей струи выбрасываются во взвешенный слой, создаваемый ожижающим агентом с температурой на входе (под газораспределительной решеткой 2) 20-23°С. Во взвешенном слое микропленка досушивается и охлаждается. Затем, попав зону вращения роторного устройства 10 отбрасывается с большими скоростями на охлаждаемую рубашкой охлаждения 9 стенку корпуса 1, имеющую температуру 12-15°С, доохлаждается дополнительно и скалывается. Температура отработанного воздуха перед входом в циклон не превышает 25°С, что позволяет избежать образование комков материала и налипание на стенки корпуса 1. Расход воздуха на удаление1 кг влаги составляет в среднем 100 м, КПД сушки 0,70, эквивалентный гидравлический диаметр выводимых сколотых частиц не превышает 500 мкм. Контакт частиц материала с холодной стенкой корпуса 1 позволяет дополнительно снизить температуру выводимых частиц, а соударение с ней инертных тел 6 произвести очистку. Порошок свеклосахарной патоки имеет температуру размягчения 27°С, а его влажность не превышает 5%.
3
3
Пример 3. В корпус 1 через пневматическую форсунку 5 подается предварительно выпаренный концентрат обезжиренного молока с 70% содержанием влаги и плотностью 1,125 г/см, на инертные тела 6 в активной горячей струе с температурой на входе в корпус 1 180°С (экспериментально установленная температура, при которой не происходит деградация растворенного вещества). Мелкодисперсные частицы, попадая на поверхность инертных тел 6, создают микропленки и мгновенно высыхают. Инертные тела 6 из горячей распыливающей струи выбрасываются во взвешенный слой, создаваемый ожижающим агентом с температурой на входе (под газораспределительной решеткой 2) 20-23°С. Во взвешенном слое микропленка досушивается и охлаждается. Затем, холодной струей охлаждающего агента с температурой 18°С инертные тела 6 выбрасываются на охлаждаемый отражатель направленного действия 8, где микропленка скалывается с инертных тел 6, благодаря большим скоростям за счет соударений с отражателем 8 и приобретенной хрупкости. Сколотые частицы пленки выносятся потоком отработанного воздуха в циклон, где осаждаются в контейнер, а инертные тела 6 отбрасываются в зону действия пневматической форсунки 5, т.е. в зону распыления раствора и ввода сушильного агента. Температура отработанного воздуха перед входом в циклон не превышает 50°С, а влажность продукта менее 4%, что позволяет избежать налипание на стенки корпуса 1 и агломерации материала в контейнере циклона. Расход воздуха на удаление1 кг влаги составляет в среднем 80 м, КПД сушки 0,73, эквивалентный гидравлический диаметр выводимых сколотых частиц не превышает 500 мкм.
Проведенные исследования показывают, что применение предложенного решения обеспечивает реализацию изобретением своего назначения - обезвоживания раствора термочувствительного термопластичного материала во взвешенном слое, что, в свою очередь, расширяет сферу применения аппаратов взвешенного слоя. Кроме того, поверхностная тонкопленочная сушка раствора (и охлаждение тонкой пленки термочувствительного термопластичного материала) на поверхности инертных тел 6 снижает энергозатраты и время сушки. Применение теплового насоса также позволяет снизить энергозатраты. Заданные температурные соотношения обеспечивают эффективное скалывание частицы термочувствительного термопластичного материала с инертных тел 6 и предотвращают слипание термочувствительного термопластичного материала в комки, блокирующие работу аппарата.