BR0215005B1 - aparelho para secar um produto particulado com vapor superaquecido. - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOPARA SECAR UM PRODUTO PARTICULADO COM VAPOR SUPERA-QUECIDO".
A presente invenção refere-se ao aparelho para evaporação deum líquido contido em um produto particulado por meio de vapor superaque-cido como o meio de secagem, compreendendo uma câmara de secagem eum permutador de calor e um dispositivo para separação de partículas deproduto e vapor de baixa temperatura, à prova de pressão conectado um nooutro e se comunicando com os arredores através de um dispositivo de car-regamento para produto particulado, um dispositivo de descarregamentopara produto particulado e um dispositivo de saída para o excesso gerado devapor de baixa temperatura caracterizado pelo fato de
- que a câmara de secagem no todo tem o formato de um cilindro, e
- que a câmara de secagem tem uma posição horizontal ou temum desvio menor daquela, e
- que o rotor dentro da câmara de secagem está elevando par-tes do produto particulado da parte inferior para a superior da câmara desecagem de onde as partes caem para a parte inferior da câmara de seca-gem, através da corrente de vapor superaquecido.
O líquido mais comum será água, e o vapor superaquecidoentão será vapor d'água superaquecido misturado com pequenas quantida-des de componentes voláteis do produto particulado.
Em alguns casos, o líquido não será água, mas por exemploum solvente inflamável orgânico. Em tais casos, o aparelho de acordo com ainvenção, pode ser usado para evaporar a parte maior do mesmo líquido pormeio de vapor superaquecido do mesmo líquido e depois disto evaporar aparte restante do líquido por meio de vapor d'água superaquecido.
Em outros casos, o líquido pode ser misturas de água e outroslíquidos, tal como etanol.
Antecedentes
Secar com vapor superaquecido é uma tecnologia bem esta-belecida com exemplos de aplicações industriais dentro de secagem de pol-pa de beterraba e polpa de celulose.
As vantagens por secagem em vapor superaquecido são prin-cipalmente:
1. Eficiência de energia muito alta em casos onde a energia novapor gerado pelo processo de secagem pode ser explorada por condensa-ção em processo de consumo de energia tal como evaporação ou destila-ção.
2. Poluição de ar muito baixa comparada com secagem com arcomo meio de secagem.
3. Alta qualidade de produto e nenhuma perda de produto emcasos onde a oxidação do produto particulado é um problema.
4. Alta segurança quando o líquido a ser removido do produtoparticulado é inflamável.
5. Esterilização e secagem simultânea é possível.
Técnica Anterior
Aparelhos existentes para secagem com vapor superaquecidoconduzem as seguintes operações unitárias:
1. Carregamento do produto particulado na câmara de secagem.
2. Transporte do vapor superaquecido através da câmara desecagem.
3. Transporte do produto particulado através da câmara de se-cagem com contato eficiente com o vapor superaquecido.
4. Separação de partículas de produto e vapor de baixa tempe-ratura.
5. Descarregamento do produto particulado da câmara de se-cagem.
6. Reaquecimento e recirculação de vapor de baixa temperatura.
7. Descarga de excesso gerado de vapor de baixa temperatura.
Os aparelhos existentes para secagem com vapor superaque-cido diferem na maneira em que as operações unitárias acima mencionadassão conduzidas.
As diferenças mais importantes são:
1. A pressão do secador pode ser maior ou menor que a pres-são ambiente ou pode ser igual à pressão ambiente. Os secadores compressão maior ou menor que a pressão ambiente demandam bloqueios depressão em conexão com o carregamento e descarregamento do produtoparticulado.
2. Os bloqueios de pressão podem estar baseados em princípi-os diferentes.
3. O contato entre as partículas de produto e o vapor supera-quecido, e o transporte do produto particulado através da câmara de seca-gem podem ser dispostos em maneiras diferentes.
4. A câmara de secagem e o permutador de calor podem serunidades separadas ou podem ser integrados em uma unidade.
5. A entrada do vapor superaquecido na câmara de secagempode estar na mesma extremidade que a entrada do produto particulado(secagem a favor da corrente) ou pode ser na extremidade oposta (secagemcontracorrente).
EP 0 058 651 B1 descreve um secador em que o contato entreas partículas de produto e o vapor superaquecido é realizado suspendendoo produto particulado no vapor superaquecido e transportar pneumatica-mente o produto particulado através do secador pressurizado compreenden-do um número de permutadores de calor de invólucro e tubo vertical conec-tados por tubos. Isto significa que a secagem do produto particulado e o rea-quecimento do vapor são completamente integrados e simultâneos. A quan-tidade de produto particulado por m3 da câmara de secagem é muito baixa, eportanto este tipo de secador é somente adequado para produtos com partí-culas pequenas que podem ser secas dentro de um tempo de retenção me-nor que 1 minuto.
Na Patente U.S. 5.357.686 o contato entre as partículas deproduto e o vapor superaquecido é realizado em uma câmara de secagemde leito fluido seccionada em formato de anel vertical. O reaquecimento dovapor de baixa temperatura é realizado por um permutador de calor de in-vólucro e tubo colocado no centro da câmara de secagem. O vapor supera-quecido entra através do fundo perfurado da câmara de secagem. A separa-ção das partículas de produto do vapor de baixa temperatura ocorre no topoda câmara de secagem e depois da remoção de partículas diminutas em umciclone, uma parte do vapor de baixa temperatura é recirculado através dopermutador de calor, enquanto a parte restante é descarregada para utiliza-ção externa.
Ajustando o fluxo de vapor superaquecido nas seções verticaisda câmara de secagem, o tempo de retenção para o produto particulado emcada seção pode ser controlado e em algum grau fornece um tempo de re-tenção mais curto para partículas menores que para partículas maiores.
PCT/DK99/00196 descreve um projeto similar do secador, masa entrada de vapor de baixa temperatura do ciclone foi movida para cima, eo leito fluidificado em formato de anel tem uma placa de fundo curvada. Istoé reivindicado para aperfeiçoar a secagem de partículas grossas sem seca-gem excessiva do meio e partículas menores, e fornecendo um investimentomelhor: taxa de capacidade que o aparelho descrito em US 5.357.686.
A quantidade de produto particulado por m3 da câmara de se-cagem é baixa, e portanto este tipo de secador tem seu melhor desempenhopor produtos com partículas que podem ser secas dentro de um tempo deretenção mais curto que 10 minutos.
Todos estes secadores descritos acima estão operando a umapressão de 2-6 bar para obter capacidade de evaporação por m3 aumentadada câmara de secagem.
Secadores rotativos que funcionam com ar quente como meiode secagem foram usados por mais que um século para secagem de umaampla faixa de produtos particulados. Secadores rotativos que funcionamcom vapor superaquecido como meio de secagem foram usados em unspoucos casos durante a última década, e estão comercialmente disponíveisem companhias tais como W. Kunz Drytec AG, CH-5606 Dinticon, ou AtlasIndustries A/S Baltorpvej 160, DK-2750 Ballerup.
Por estes secadores a câmara de secagem (o invólucro rotati-vo) é conectada ao permutador de calor e o dispositivo de separação porvedações que não são à prova de pressão. O contato entre as partículas deproduto e o vapor superaquecido no invólucro rotativo é obtido por uma sériede quedas do produto particulado da parte superior do invólucro rotativoatravés da corrente de vapor superaquecido movendo da extremidade deentrada para a extremidade de saída do invólucro rotativo. Durante umaqueda,as partículas de produto são movidas em uma etapa na direção dasaída, o comprimento da qual depende da velocidade do vapor superaqueci-do e o peso e forma das partículas individuais. Entre as quedas, as partícu-las de produto estão tanto assentando na parte inferior do invólucro quantosendo elevado na parte superior do invólucro rotativo por anteparos coloca-dos horizontalmente no lado interno do invólucro rotativo, a partir de ondenovamente cairá através do vapor superaquecido.
Os secadores de W. Kunz Drytec AG e Atlas Industries A/S sãosecadores a favor da corrente, mas um exemplo de secador contracorrente édescrito em "Unit Operations of Chemical Engineering" McGraw-HiII, Interna-tional Editions 1987 p. 732-733. Este secador está funcionando com araquecido como meio de secagem, mas poderia em princípio estar funcio-nando com vapor superaquecido. Durante a secagem de contracorrente,omeio de secagem dará uma contribuição negativa para o transporte de pro-duto particulado através da câmara de secagem. Para compensar por isto, oinvólucro rotativo está em declive assim a extremidade de saída para o pro-duto particulado é menor que a extremidade de entrada.
Durante uma queda de uma partícula a taxa de transferênciapara energia do vapor superaquecido para a partícula é muito alta, reduzindoo conteúdo de líquido na camada de superfície para um nível menor que ointerior da partícula. Quando o produto particulado está localizado na parteinferior da câmara de secagem, a taxa de transferência para a energia dovapor superaquecido para o produto particulado é baixa, que dá tempo parao líquido mover da parte interna da partícula para a superfície.Este princípio de secagem caracterizado por períodos alteran-do com taxa de secagem alta e baixa, é a seguir chamado de secagem pul-satória.
A secagem pulsatória fornece secagem uniforme de produtoparticulado heterogêneo, onde o tempo de retenção necessário para as par-tículas menores pode ser de poucos segundos, enquanto pode ser de 30minutos ou mais para partículas maiores. O tempo de retenção muito longopara partículas grandes é possível porque uma grande quantidade de pro-duto particulado pode ser acumulada na parte inferior do invólucro rotativo.Além do mais a secagem pulsatória permitirá temperaturas de entrada maio-res sem deterioração térmica do produto.
Nenhum dos secadores rotativos existentes que funcionamcom vapor superaquecido como um meio de secagem pode operar a pres-sões diferentes da pressão atmosférica, porque vedações eficientes entre oinvólucro rotativo e o equipamento estacionário conectado a ela não esta-vam disponíveis. Portanto estes secadores operam na pressão atmosféricaou um pouco menor para impedir emissões. Isto significa que o vapor geradopelo processo de secagem possui baixa temperatura e é diluído com ar, quereduz o valor de aplicação do vapor substancialmente.
O objetivo do aparelho de acordo com a invenção é integrar asecagem pulsatória integrada e a secagem com vapor superaquecido em umsistema de secagem à prova de pressão completo. Desse modo todas asvantagens bem conhecidas secando com vapor superaquecido podem serexploradas inteiramente e ser combinadas com as vantagens por secagempulsatória.
Surpreendentemente, foi possível estabelecer secagem com-pulsória com vapor superaquecido em um sistema de secagem à prova depressão completo sem inovar novas vedações eficientes entre o invólucrorotativo e o equipamento estacionário. O aparelho de acordo com a invençãonão aplica vedações nesta conexão. Em vez disto, a câmara de secagem notodo possui um formato de um cilindro horizontal dentro do qual é colocadoum rotor. O rotor eleva o produto particulado da parte inferior da câmara desecagem para a parte superior de onde cai através da corrente do vapor su-peraquecido como exigido para conduzir a secagem compulsória.
O rotor e a câmara de secagem podem ser projetados em ma-neiras diferentes dependendo da natureza do produto particulado. Quando olíquido pode mover rapidamente do núcleo das partículas para a superfície,e a demanda por tempo de repouso portanto é baixa, uma modalidade prefe-rida do rotor compreende um eixo colocado paralelo ao eixo da câmara desecagem, equipada com um número de anteparos carregando traves radiaisna extremidade longe do eixo. O eixo do rotor e colocado de tal maneira, queos anteparos passarão perto do invólucro e coletarão algum produto parti-culado quando passam através da parte inferior da câmara de secagem, epassarão com alguma distância do invólucro, quando se movem através daparte superior da câmara de secagem, que permitirão que as partículas deproduto escapem para dentro do espaço entre os anteparos e o invólucro apartir de onde cairão através do vapor superaquecido. Isto ocorrerá quandoa velocidade de rotação é aumentada a um nível onde o impacto no produtoparticulado da força centrífuga é mais forte que a força da gravidade. Quan-do a força da gravidade é mais forte as partículas do produto cairão direta-mente dos anteparos.
Quando o líquido se move lentamente do núcleo da partículapara a superfície e a demanda por tempo de repouso na parte inferior dacâmara de secagem portanto é alta, uma modalidade preferida da invençãocompreende uma câmara de secagem cilíndrica dentro da qual um invólucrorotativo cilíndrico é colocado coaxialmente com a câmara de secagem. Oinvólucro rotativo pode rodar livremente dentro da câmara de secagem esta-cionária mas o espaço entre os dois cilindros é muito estreito. O suporte erotação do invólucro rotativo são obtidos por dispositivos bem conhecidos.
Carregamento e descarregamento do aparelho de secagem deacordo com a invenção podem ser conduzidos por dispositivos bem conhe-cidos tais como alimentadores de fluxo de bujão ou travas rotativos. No en-tanto para alguns produtos particulados, nenhum dos dispositivos conheci-dos é adequado. Exemplos são: palha de cereal, despejo doméstico, lignita,aparas de madeira, cortiça e subprodutos de matadouros.
Em tais casos o aparelho de acordo com a invenção pode serequipado com sistema de carregamento e descarregamento descrito no pe-dido de patente P.A. 2000 01183 depositado em 08/08/2000.
O sistema de carregamento/descarregamento descrito em P.A.2000 01183 é baseado em um sistema de eclusa de acordo com o qual oproduto é primeiro conduzido através de um dispositivo de partilhamento,que produz uma seqüência de partes de produto uniformes divididas por es-paços livres de partícula uniformes, e subseqüentemente as partes de pro-dutos são conduzidas individualmente através de um dispositivo de eclusa,que compreende pelo menos uma câmara de eclusa e duas travas de pres-são das quais pelo menos uma a qualquer momento prende uma barreira àprova de pressão entre as duas zonas de pressão, e em que as partes deproduto são forçadas carregadas da primeira zona em uma câmara de eclu-sa por meio de um parafuso do pistão, o eixo do qual é praticamente em li-nha com o eixo da câmara de eclusa, e em que as partes de produto sãoforçadas descarregadas da câmara de eclusa e para dentro da segundazona de pressão por meio do dito parafuso de pistão ou um pistão ou pormeio de gás, vapor ou líquido fornecido a uma pressão maior que aquela dasegunda zona de pressão.
Em casos onde o produto particulado é submetido a desidrata-ção mecânica antes da secagem no aparelho de acordo com a invenção,uma modalidade preferida usa um balancim à prova de pressão conectado àcâmara de secagem, ambos como dispositivo de desidratação e como dis-positivo de carregamento.
Em casos onde o produto particulado depois da secagem noaparelho de acordo com a invenção tem que ser formado em bolinhas, umamodalidade preferida da invenção usa uma prensa de péletes, à prova depressão conectada à câmara de secagem, para descarregar e para peletizar.
Descrição Detalhada
A seguir a invenção é descrita em detalhes por meio de duasmodalidades a favor da corrente com diferentes tipos de rotor.O Exemplo 1 descreve uma modalidade preferida quando olíquido pode se mover rapidamente do núcleo das partículas para a superfí-cie, e a demanda por tempo de repouso portanto é baixa. A Figura 1a e 1bestão ilustrando o exemplo 1. A Figura 1a é uma seção longitudinal do apa-relho, a Figura 1 b é uma seção transversal da câmara de secagem.
O produto particulado é carregado na câmara de secagem 1.2por meio de um dispositivo de carregamento 1.1, pedido de Patente P.A.2000 01183. Na câmara de secagem 1.2 o produto particulado é elevado pormeio das anteparas do rotor 1.5 conectadas com traves 1.4 ao eixo do rotor1.3. Na extremidade de saída da câmara de secagem, o produto particuladocai em uma tremonha 1.7 com um transportador helicoidal 1.6, que trans-porta o produto particulado para o dispositivo de descarregamento 1.12, si-milar a 1.1.
O vapor superaquecido passa através de um ciclone 1.8 onde éseparado das partículas diminutas que são conduzidas à tremonha 1.7. Omovimento do vapor superaquecido é obtido por meio de um ventilador 1.9.
O excesso de vapor é descarregado através da válvula de saí-da 1.10, e o resto do vapor é reaquecido no permutador de calor 1.11 e con-duzido para a câmara de secagem 1.2. O suprimento de energia primária aopermutador de calor não é mostrado.
O Exemplo 2 descreve uma modalidade preferida quando olíquido se move lentamente do núcleo das partículas para a superfície e ademanda por tempo de repouso na parte inferior da câmara de secagemportanto é alta. A Figura 2a e 2b ilustram o exemplo 2. A Figura 2a é umaseção longitudinal do aparelho, e a Figura 2b é uma seção transversal dacâmara de secagem.
O produto particulado é carregado na câmara de secagem 2.2por meio de um dispositivo de carregamento 2.1, similar a 1.1. O rotor 2.4 nacâmara de secagem 2.2 consiste em um invólucro rotativo no qual o produtoparticulado é elevado por meio de anteparos do rotor 2.5, conectados nointerior do invólucro rotativo 2.4. A rotação do invólucro rotativo é obtida pormeios conhecidos. Na extremidade de saída da câmara de secagem, o pro-duto particulado cai em uma tremonha 2.7 com um transportador helicoidal2.6, que transporta o produto particulado para o dispositivo de descarrega-mento2.12.
O vapor superaquecido passa através de um ciclone 2.8 onde éseparado das partículas diminutas que são levadas para a tremonha 2.7. Omovimento do vapor superaquecido é obtido por meio do ventilador 2.9.
O excesso de vapor é descarregado através da válvula de saí-da 2.10, e o resto do vapor é reaquecido no permutador de calor 2.11 e con-duzido na câmara de secagem 2.2. O suprimento de energia primária aopermutador de calor não é mostrado.
Claims (7)
1. Aparelho para evaporação de um líquido contido em um pro-duto particulado por meio de vapor superaquecido como o meio de seca-gem, compreendendo uma câmara de secagem e um permutador de calor eum dispositivo para separação de partículas de produto e vapor de baixatemperatura, à prova de pressão conectado um no outro e se comunicandocom os arredores através de um dispositivo de carregamento para produtoparticulado, um dispositivo de descarregamento para produto particulado eum dispositivo de saída para o excesso gerado de vapor de baixa temperatu-ra caracterizado pelo fato de- que a câmara de secagem no todo tem o formato de um cilindro, e- que a câmara de secagem tem uma posição horizontal ou temum desvio menor daquela, e- que o rotor dentro da câmara de secagem está disposto a,durante a operação do aparelho, elevar partes do produto particulado daparte inferior para a superior da câmara de secagem de onde as partes ca-em para a parte inferior da câmara de secagem, através da corrente de va-por superaquecido.
2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o rotorcompreende um eixo central com traves radiais e anteparos de elevaçãoconectados às traves.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o rotorcompreende um invólucro rotativo com anteparos de elevação conectadosna parede cilíndrica interna do invólucro.
4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o carre-gamento é realizado por um balancim, à prova de pressão conectado à câ-mara de secagem e em que o balancim está fornecendo desidratação me-cânica do produto particulado antes do processo de secagem.
5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o carre-gamento é realizado por uma bomba de partícula.
6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o des-carregamento é realizado por uma prensa de péletes, à prova de pressãoconectada na câmara de secagem, e em que a prensa de péletes está for-necendo a formação de péletes do produto particulado depois do processode secagem.
7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o des-carregamento é realizado por uma bomba de partícula.
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