ES2253321T3 - Metodo para secar un substrato. - Google Patents
Metodo para secar un substrato.Info
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Abstract
Un método para secar un substrato, que comprende: (a) colocar una superficie de condensación en proximidad cercana a la superficie de dicho substrato para definir un espacio entre dicho substrato y dicha superficie de condensación; (b) aplicar energía a dicho sustrato para evaporar un líquido desde dicho substrato para crear un vapor; (c) condensar el vapor en la superficie de condensación para crear un condensado; (d) mover el condensado en la superficie de condensación usando al menos fuerzas capilares; y (e) controlar dicho espacio, la temperatura de dicha superficie de condensación, la temperatura de dicho substrato, para controlar la velocidad de secado.
Description
Método para secar un substrato.
La presente invención se relaciona con un método
para secar un substrato.
Secar substratos recubiertos, tales como láminas,
requiere suministrar energía al recubrimiento y luego eliminar el
líquido evaporado. El líquido a ser evaporado del recubrimiento
puede ser cualquier líquido que incluya solventes tales como
sistemas de solventes orgánicos y sistemas inorgánicos los cuales
incluyen sistemas de solvente en base agua. La convección, la
conducción, la radiación, y la energía de microondas son usadas para
suministrar energía a las láminas recubiertas. Un flujo de gas
forzado o una convección aplicada es usado para eliminar el líquido
evaporado. La convección aplicada es definida como la convección
producida por la entrada de energía y provocada intencionalmente.
Esto excluye la convección causada meramente por el movimiento de la
lámina, la convección natural, y otras fuerzas, inevitables. En
algunos casos donde los vapores no son tóxicos, tal como la
evaporación de agua, el vapor es eliminado por medio de la
evaporación a la atmósfera ambiente.
En la tecnología de secado convencional, son
requeridos grandes volúmenes de gas, inerte o no, para eliminar el
líquido evaporado de la interfase gas/ líquido. Estos secadores
requieren grandes espacios entre la lámina recubierta que está
siendo secada y la parte superior del recinto de secado para
acomodar los grandes flujos de gases. El secado es gobernado en la
interfase gas/líquido por la difusión, la convección, el aire de la
capa límite de la lámina en movimiento y las corrientes de aire
incidentes, las concentraciones de vapor, y la convección de cambio
de estado de líquido a vapor, entre otros factores. Estos fenómenos
ocurren inmediatamente encima de la lámina recubierta, típicamente
dentro de 15 cm de la superficie. Debido a que los secadores
convencionales tienen un gran espacio encima de la lámina
recubierta, y solamente pueden controlar la temperatura y la
velocidad promedio de la corriente de gas de gran volumen, tienen
una capacidad limitada para controlar estos fenómenos cerca de la
interfase gas/líquido.
Para los sistemas de solventes orgánicos, las
concentraciones de vapor en estas corrientes de gas de grandes
volúmenes son mantenidas bajas, típicamente 1-2%,
para permanecer por debajo de los límites de inflamación de la
mezcla vapor/gas. Estos grandes flujos de gas son pretendidos para
eliminar el líquido evaporado del proceso. El gasto para encerrar,
calentar, presurizar, y controlar estos flujos de gases es una parte
importante del costo del secador. Sería ventajoso eliminar la
necesidad de estos grandes flujos de gas.
Estas corrientes de gas pueden ser dirigidas a
los sistemas de condensación para separar los vapores antes del
escape, usando grandes intercambiadores de calor o cilindros de
fundición con paletas de limpieza. Estos sistemas de condensación
están localizados relativamente lejos de la lámina recubierta en la
corriente de flujo de gas de gran volumen. Debido a la baja
concentración de vapor en esta corriente de gas, estos sistemas son
grandes, caros, y deben operar a bajas temperaturas.
Sería ventajoso localizar los sistemas de
condensación cerca del substrato recubierto donde las
concentraciones del vapor son altas. Sin embargo, los
intercambiadores de calor convencionales drenarían el líquido
condensado por gravedad hacia la superficie de recubrimiento y
afectaría la calidad del producto a menos que ellos estuvieran
inclinados o tuvieran una cubeta de recolección. Si los mismos
tuvieran una cubeta de recolección ellos estarían aislados de la
superficie de la lámina de alta concentración. Si ellos estuvieran
inclinados el goteo sería aún probablemente un problema. Además,
los intercambiadores de calor convencionales no son planos para
seguir la trayectoria de la lámina y controlar las condiciones de
secado.
La patente de U.S. No. 4,365,423 describe un
sistema de secado que usa una superficie con orificios encima de la
lámina que está siendo secada para proteger el recubrimiento de la
turbulencia producida por los grandes flujos de gases para prevenir
las vetas.
Sin embargo, este sistema no elimina la
convección aplicada, requiere usar la recuperación secundaria del
solvente de baja eficiencia, y tiene velocidad de secado reducida.
También, debido a la velocidad de secado reducida, esta patente
muestra el uso de esta protección para solamente
5-25% de la longitud del secador.
La offenlegungeschrift Alemana No. 4009797
describe un sistema de recuperación de solvente localizado dentro
del recinto de secado para eliminar el líquido evaporado. Un
cilindro de enfriamiento con una paleta de raspado es colocado
encima de la superficie de la lámina y elimina los vapores en forma
de líquidos. La convección aplicada no elimina el líquido
evaporado. Sin embargo, el cilindro solamente está cerca de la
superficie en el caso de alta concentración de vapor para una
sección corta de la longitud del secador. Esto no proporciona un
control óptimo de las condiciones en la interfase gas/líquido. De
hecho como los cilindros rotan esto puede crear turbulencia cerca
de la superficie de la lámina. Además, este sistema no puede adaptar
su forma a las series de superficies planas de la lámina recubierta
cuando ésta se desplaza a través del secador. Por lo tanto, el
sistema no puede operar con un espacio plano, pequeño para controlar
las condiciones de secado y no puede lograr la eficiencia de
condensación óptima.
La patente de U.K. No. 1 401 041 describe un
sistema de recuperación de solvente que opera sin los grandes flujos
de gases requeridos para el secado convencional usando placas de
calentamiento y condensación próximas al substrato recubierto. El
solvente se condensa sobre el plato de condensación y entonces el
líquido condensado drena por gravedad al dispositivo de
recolección. Este aparato usa solamente la gravedad para eliminar el
líquido de la superficie de condensación. Por consiguiente, la
superficie de condensación no puede estar localizada encima del
substrato recubierto ya que la gravedad llevaría el líquido
condensado hacia atrás sobre el substrato recubierto. En los
dibujos y en la discusión (página 3, líneas 89-92)
la superficie de condensación es descrita como vertical o con el
substrato recubierto, el lado recubierto mirando hacia abajo, encima
de la superficie de condensación.
Aplicar un recubrimiento al lado inferior del
substrato o invertir el substrato después de la aplicación del
recubrimiento no es el método preferido en la industria.
El recubrimiento en una posición invertida e
invertir un substrato recubierto antes del secado puede crear
defectos de recubrimiento.
Estas limitaciones reducen grandemente la
flexibilidad del método y ocasionan costos significativos para
adaptarlo a los métodos de fabricación estándares. Este
requerimiento para el secado vertical o invertido es muy
probablemente la razón por la que este método no ha sido adoptado o
discutido en la industria.
La patente de U.K. No. 1 401 041 también
describe, en la página 2, línea 126 a página 3 línea 20, los
problemas de este método con el crecimiento de la capa de película
líquida sobre la superficie de condensación y la formación de gotas.
Debido a que "la película líquida resultante 14 puede aumentar en
espesor hacia el extremo menor del condensador", la longitud de
la superficie de condensación está limitada por el formación y la
estabilidad de esta capa de película. Limitar la longitud de la
superficie de condensación limitará la longitud del secador o
requerirá la existencia del sistema de secado con el recubrimiento
no secado. Esto tiene el efecto indeseado de desprender algunos de
los vapores del solvente a la atmósfera, perder el control del
fenómeno de secado, y crear defectos. Otra limitación es que la
distancia de la superficie de condensación desde el substrato
recubierto "puede caer fuertemente por debajo de alrededor de 5
milímetros" para evitar el contacto de la película líquida de
condensación con el substrato, y evitar que las gotas contacten el
substrato.
Las limitaciones de este sistema para el secado
vertical o invertido, los límites en la longitud del secador, y la
incapacidad de operar a distancias deseadas desde el substrato
recubierto hace este inadecuado para lograr los beneficios del
secado deseados.
La patente de U.S. No. 4,112,586 divulga un
método para secar cartón o papel. El cartón o papel está en forma
de una lámina y es secado pasando la lámina húmeda, soportada por
una banda de secado, en contacto con una superficie de secado
calentada. La superficie inferior de la banda de secado opuesta a la
lámina está en contacto con una superficie enfriada. El agua en la
lámina es evaporada y entonces condensada y capturada en la banda
de secado. El agua es subsiguientemente eliminada de la banda de
secado mediante fuerza mecánica (succión) después de que la banda
de secado y la lámina son mecánicamente separadas. Durante el
proceso de evaporación, la banda de secado está en contacto con la
lámina. El contacto directo con la lámina puede ser indeseado cuando
se producen recubrimientos mejorados con requerimientos estrictos de
calidad de la superficie.
Existe una necesidad de un método para secar
substratos recubiertos que proporcione un control mejorado de las
condiciones cerca de la interfase gas/líquido, el cual elimine la
necesidad de la convección aplicada para transportar el líquido
evaporado, y el cual mejore la eficiencia de los sistemas de
recuperación del vapor de condensación.
Existe también una necesidad de un método que
pueda operar con pequeños espacios adyacentes al substrato.
La presente invención es especificada en la
reivindicación 1.
Una capa de película del condensado puede ser
creada en la superficie de condensación para evitar la formación de
gotas del condensado y evitar la acumulación del condensado en el
substrato.
La superficie de condensación puede estar
separada menos de 5 mm del substrato. En otra realización, la
superficie de condensación puede estar localizada encima del
substrato.
En otra realización el líquido condensado es
transportado hacia un borde lateral de la superficie de
condensación.
El líquido condensado puede ser eliminado, al
menos en parte usando fuerzas capilares. Adicionalmente, la gravedad
puede también ayudar en la eliminación del condensado de la
superficie de condensación. Por ejemplo, la superficie de
condensación puede estar inclinada hacia al menos un lado
transversal del substrato recubierto. Una pluralidad de superficies
de condensación pueden ser usadas.
Una podría ser un plato de condensación
localizado encima e inclinado hacia al menos un lado transversal del
substrato recubierto, y las otras pudieran ser láminas, teniendo
superficies inferior y superior. Estas láminas pueden estar
localizadas por debajo del plato de condensación de manera que ellas
estén inclinadas alejándose de la horizontal con su borde inferior
de frente al borde inferior del plato de condensación. Las láminas
pueden solaparse una con otra y estar separadas en la región de
solapamiento.
La velocidad de secado puede ser controlada por
medio del control de la altura del espacio y la temperatura
diferencial entre el substrato recubierto y la superficie de
condensación.
La superficie de condensación puede estar formada
sobre una correa estacionaria o en rotación. Alternativamente, la
superficie de condensación puede estar formada de placas planas o
acanaladas de cualquier tipo, tubos, aletas, u otras formas. La
superficie de condensación puede estar formada de una placa con
orificios, la cual usa las fuerzas de tensión superficial de
Young-Laplace para retener y las fuerzas capilares
para transportar el condensado.
Si la superficie de condensación provoca que el
líquido condensado fluya longitudinalmente, un sistema de
recolección puede ser usado para recolectar el líquido o la
estructura en la superficie de condensación puede dirigir el
líquido. La estructura, tal como nervaduras, en la superficie de
condensación, puede limitar la acumulación del condensado y prevenir
la formación de gotas.
La Figura 1 es una vista en perspectiva del
aparato de secado para llevar a cabo la invención.
La Figura 2 es una vista final del aparato de la
Figura 1.
La Figura 3 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 3-3 de la Figura
1.
La Figura 4 es una vista en perspectiva del
aparato de secado de acuerdo a otra realización para llevar a cabo
la invención.
La Figura 5 es una vista final del aparato de la
Figura 4.
La Figura 6 es una vista en sección transversal
del aparato de secado de acuerdo a otra realización para llevar a
cabo la invención.
La Figura 7 es una vista en sección transversal
del aparato de secado de acuerdo a otra realización para llevar a
cabo la invención.
La Figura 8 es una vista en sección transversal
del aparato de secado de acuerdo a otra realización para llevar a
cabo la invención.
La Figura 9 es una vista lateral esquemática del
aparato de secado de acuerdo a otra realización para llevar a cabo
la invención.
La Figura 10 es una vista en sección transversal
del aparato de secado de acuerdo a otra realización para llevar a
cabo la invención.
La Figura 11 es una vista lateral del aparato de
secado de acuerdo a otra realización para llevar a cabo la
invención.
La Figura 12 es una vista lateral esquemática de
un aparato que muestra variables del proceso.
La presente invención proporciona un método para
controlar el transporte de masa y energía y para secar
recubrimientos en un substrato recubierto, tal como una lámina en
movimiento, con una superficie de condensación que crea un espacio
de ambiente controlado, pequeño encima de la superficie de
recubrimiento.
Otros fenómenos físicos y químicos que ocurren
durante el proceso de secado, tal como reacciones químicas, curado,
y cambios de fase, pueden también ser afectados por la
invención.
En la realización de las Figuras 1, 2, y 3, el
secado (calentar el líquido para evaporarlo a un vapor, transportar
el vapor lejos de la lámina, condensar el vapor, y transportar el
vapor condensado (también conocido como condensado) lejos de la
lámina) ocurre sin requerir la convección de gas aplicada asociada
con los métodos de secado convencionales. Esto reduce la formación
de vetas asociadas con muchos recubrimientos de precisión y permite
secar a velocidades de secado aumentadas. En la realización de las
Figuras 4-12, al menos la eliminación del líquido
evaporado de la lámina ocurre sin requerir la convección de gas
aplicada. Todas las versiones de este sistema logran el control
mejorado del fenómeno que ocurre cerca de la interfase gas/líquido y
logran altas eficiencias en la recuperación del líquido.
Todas las versiones usan la condensación para
eliminar el líquido evaporado en un espacio que puede ser
sustancialmente plano sin requerir fuerzas de convección aplicadas,
y donde las fuerzas de convección de la capa límite y el ambiente
son minimizadas. El sistema de secado tiene numerosas ventajas sobre
la tecnología de secado convencional creando un espacio de ambiente
controlado, pequeño adyacente a la superficie de recubrimiento, y
eliminando el requerimiento de la convección aplicada del mecanismo
de secado. En algunos productos ocurre una reacción química u otros
procesos químicos y físicos en el recubrimiento durante el secado.
El sistema de secado funciona independientemente de si estos
procesos acontecen o no dentro del proceso. El sistema de secado
puede afectar estos procesos durante el secado. Un ejemplo es el de
los polímeros curados con humedad dispersados o disueltos en un
solvente que puede ser adversamente afectado durante el proceso de
secado debido a la presencia de humedad en la atmósfera de secado.
Debido a que la invención puede crear un espacio de ambiente
controlado, pequeño encima de la superficie de recubrimiento, es
sustancialmente más simple proporcionar una atmósfera de secado con
humedad controlada para mejorar la cura de estos polímeros.
Mejorando el control del fenómeno de secado y creando un espacio de
ambiente controlado, pequeño encima de la superficie recubierta, hay
muchas otras aplicaciones donde otros procesos físicos y químicos
que ocurren durante el proceso de secado pueden ser
beneficiosos.
En una realización del método el sistema de
secado puede ser combinado con la convección aplicada, y la
convección aplicada puede ser producida forzando el gas a través
del recubrimiento, tanto longitudinalmente, transversalmente, o en
cualquier otra dirección. Esto puede proporcionar una transferencia
de masa adicional u otra modificación a la atmósfera encima de la
superficie recubierta. Este método podría ser usado cuando la
convección aplicada no va en detrimento de las propiedades del
producto.
Estos inventores han encontrado que en los
substratos de secado, mejoras significativas en el secado y
velocidades de secado aumentadas ocurren cuando la distancia desde
la superficie de condensación al substrato recubierto está por
debajo de 5 milímetros. El sistema de la patente U.K. No. 1 401 041
no es prácticamente operable en el rango donde puedan ser hechas
mejoras significativas del control del secado.
Muchos tipos de estructuras de condensación
pueden ser usadas, tal como placas de cualquier tipo, tanto planas
o no, porosas o no, estructuradas o no, u otras formas tales como
tubos o aletas. La estructura de la superficie de condensación
puede combinar geometrías y dimensiones de escala micro, meso y
macro. La estructura de condensación puede ser paralela a la lámina
o angular con la lámina, y puede tener superficies curvas o
planas.
La superficie de condensación debe satisfacer
tres criterios. Primero, debe ser capaz de transferir suficiente
energía para eliminar el calor latente de condensación. Segundo, el
condensado debe al menos parcialmente humedecer la superficie de
condensación. Tercero, la superficie de condensación debe evitar que
el vapor condensado (el condensado) retorne a la superficie
recubierta de la lámina. Asociado a una superficie de condensación
está un espesor de película condensada crítico efectivo que marca el
comienzo de las no uniformidades de la película. Este espesor es
una función del material de la superficie de condensación, de la
gomería, de las dimensiones, de la topología, de la orientación, de
la configuración, y de otros factores, así como de las propiedades
físicas del condensado (tal como la tensión superficial, la
densidad, y la viscosidad). Otra característica del sistema es la
eliminación y transporte del condensado. Esto mantiene el espesor de
la película del condensado menor que el espesor crítico efectivo y
puede ser realizado por fuerzas capilares, fuerzas gravitacionales,
fuerzas mecánicas, o varias combinaciones de estas fuerzas.
La fuerza capilar, o la presión capilar, pueden
ser descritas como el resultado de la tensión superficial que actúa
en el menisco curvado y es gobernada por la ecuación fundamental de
capilaridad conocida como la ecuación de
Young-LaPlace. La ecuación de
Young-LaPlace es \DeltaP =
\sigma(1/R_{1} + 1/R_{2}), donde \DeltaP es la caída
de presión a través de la interfase, \sigma es la tensión
superficial, y R_{1}, y R_{2} son los radios principales de
curvatura de la interfase.
La capilaridad es discutida en detalles en
Adamson, A. W. "Química Física de las Superficies", 4ta ed.11,
John Wiley & Sons, Inc. (1982). Las Figuras 1, 2, 4, 5, 8, 9, y
10 muestran ejemplos del uso de las fuerzas capilares,
conjuntamente con otras fuerzas, para mover el condensado en la
superficie de condensación.
Las fuerzas gravitacionales resultan de la
posición de la masa del fluido en un campo gravitacional, que es la
presión hidrostática. Las Figuras 6, 7, y 9 muestran ejemplos que
usan las fuerzas gravitacionales, conjuntamente con otras fuerzas,
para mover el condensado en la superficie de condensación.
Otros mecanismos pueden ser usados en conjunto
con las fuerzas capilares para eliminar el líquido condensado de la
superficie de condensación para evitar que el líquido condensado
retorne al substrato.
Por ejemplo, dispositivos mecánicos, tales como
sistemas de bombeo, pueden ser usados para eliminar el líquido
condensado de la superficie de condensación. La Figura 11 muestra un
ejemplo que usa las fuerzas mecánicas, conjuntamente con las
fuerzas capilares, para eliminar el condensado de la superficie de
condensación.
Las Figuras 1 y 2 muestran un aparato que usa dos
platos. Las Figuras 4 y 5 muestran un aparato que usa un plato. En
ambas versiones, un plato tiene una superficie de condensación, para
transporte del líquido localizada a una corta distancia de la
superficie recubierta de la lámina. Distancias menores de
15-20 cm son preferidas. Distancias menores de 5 mm
producen más ventajas. Distancias menores de 0.5 mm y aún distancias
tan bajas como 0.1 mm y menores son logradas.
En las Figuras 1 y 2, el aparato 10 incluye un
plato de condensación 12, que puede ser enfriado, separado de un
plato calentado 14. El plato de condensación 12 es regulado a una
temperatura T_{1}, la cual puede estar por encima o por debajo de
la temperatura ambiente, y el plato calentado 14 es regulado a una
temperatura T_{2}, la cual puede estar por encima o por debajo de
la temperatura ambiente. La temperatura de la lámina recubierta 16
es T_{3}. La posición de la lámina es definida por h_{1}, y
h_{2}, las distancias entre las superficies frontales respectivas
de la lámina 16 y los platos calentados y de condensación. La Figura
12 muestra las localizaciones relativas de estas variables. El
espacio total entre el plato de condensación y cualquier plato de
calentamiento, h, es el total de h_{1}, h_{2}, y el espesor de
la lámina recubierta. La lámina 16, que tiene un recubrimiento 18,
se desplaza a cualquier velocidad entre dos platos.
Alternativamente, la lámina puede estar estacionaria y el aparato
completo 10 moverse o moverse ambos, la lámina y el aparato. Los
platos son estacionarios dentro del aparato. El plato calentado 14
está localizado en el lado no recubierto de la lámina 16, en
contacto con la lámina o con un pequeño espacio h_{2} entre la
lámina y el plato. El plato de condensación 12 está localizado en
el lado recubierto de la lámina 16, con un pequeño espacio h_{1},
entre la lámina y el plato. El plato de condensación 12 y el plato
calentado 14 eliminan el requerimiento de las fuerzas de convección
aplicada tanto encima como debajo de la lámina 16. El secado es
controlado ajustado las temperaturas T_{1}, T_{2}, y las
distancias h_{1}, h_{2}.
El plato de condensación 12, que puede ser
estacionario o móvil, es colocado cerca de la superficie recubierta
(tal como a 5 cm de distancia o más cerca). La disposición de los
platos crea un pequeño espacio adyacente a la lámina recubierta. El
espacio es sustancialmente constante, el cual permite pequeñas
magnitudes de convergencia o divergencia. Además, el espacio es
sustancialmente constante a pesar de cualquier ranura (discutido a
continuación) en la superficie de condensación. La orientación de
los platos no es crítica. El plato de condensación 12 puede estar
encima de la lámina (como se muestra en las Figuras 1, 2,
4-8, y 11-12), por debajo de la
lámina (con el recubrimiento en la superficie inferior de la
lámina), y el sistema puede operar con la lámina vertical o en
cualquier otro ángulo, incluyendo estar inclinada alrededor del eje
de la dirección de desplazamiento de la lámina.
El plato calentado 14 suministra energía sin
requerir convección aplicada a través de la lámina 16 al
recubrimiento 18 para evaporar el líquido desde el recubrimiento 18
para secar el recubrimiento. La energía es transferida por una
combinación de conducción, radiación, y convección logrando altos
rangos de transferencia de calor. Esto evapora el líquido en el
recubrimiento 18 en la lámina 16. El líquido evaporado del
recubrimiento 18 es entonces transportado (usando la difusión y la
convección) a través del espacio h_{1}, entre la lámina 16 y el
plato de condensación 12 y se condensa en la superficie inferior del
plato de condensación 12.
Como es mostrado en la Figura 3, la superficie
inferior del plato de condensación 12 es la superficie de
condensación 22 y tiene canales abiertos transversales o ranuras 24
que usan las fuerzas capilares para evitar que el líquido condensado
regrese al recubrimiento por gravedad y mover el líquido condensado
de manera lateral a las placas de borde 26. Las ranuras pueden ser
triangulares, rectangulares, circulares, u otras formas o
combinaciones de formas más complejas.
El material de la ranura, la geometría, y las
dimensiones son diseñados para acomodar el flujo de masa requerido y
las propiedades físicas del condensado, tal como la tensión
superficial, la viscosidad, y la densidad.
Un tipo específico de superficie de condensación
es uno, que tiene canales abiertas o ranuras con ángulos. Este tipo
de superficie de condensación capilar, mostrado por ejemplo en la
Figura 3, es una superficie geométricamente específica, que puede
ser diseñada con la ayuda de la Desigualdad de
Concus-Finn (Concus P. y Finn R. "Sobre el
Comportamiento de una Superficie Capilar en una Cuña", Proceeding
of the Nacional Academy of Science, vol. 63,
292-299 (1969) el cual es:
\alpha + \theta_{s} < 90^{0}, donde
\alpha es la mitad del ángulo incluido de cualquier ángulo y
\theta_{s} es el ángulo de contacto estático gas/líquido/sólido.
El ángulo de contacto estático es gobernado por la tensión
superficial del líquido para un material de superficie dado en el
gas. Si la desigualdad no es satisfecha, la interfase es limitada;
si la desigualdad es satisfecha, la interfase no tiene una posición
de equilibrio finita y el menisco no está limitado. En este último
caso, el líquido avanzará por capilaridad de manera indefinida o
hasta al final del canal o la ranura. Las superficies ranuradas
anguladas son beneficiosas cuando el líquido de recubrimiento tiene
una alta tensión superficial, tal como el agua. Las superficies
capilares con ángulos son discutidas con más detalles en Lopez de
Ramos, A. L., "Difusión mejorada por Capilaridad del CO_{2} en
Medio Poroso", Disertación de Doctorado, Universidad de Tulsa
(1993).
Las ranuras 24 también pueden estar en dirección
longitudinal o en cualquier otra dirección. Si las ranuras están en
dirección longitudinal, un sistema de recolección apropiado puede
ser colocado en el extremo de las ranuras para evitar que el
líquido condensado caiga sobre la superficie recubierta 18. Esta
realización limita la longitud de un plato de condensación 12 y
también limita el espacio mínimo h_{1}.
Cuando el líquido alcanza el extremo de las
ranuras 24 este intercepta con el ángulo entre las placas de borde
26 y la superficie de condensación 22. Un menisco líquido forma y
crea una región de baja presión la cual arrastra el condensado de
la superficie de condensación a al menos un placa de borde.
La gravedad supera la fuerza de capilaridad en el
menisco y el líquido fluye como una película o gotas 28 por la cara
de las placas de borde 26. Las placas de borde 26 pueden ser usadas
con cualquier superficie de condensación, no sólo con aquella que
tiene ranuras. Las gotas 28 caen de la placa de borde 26 y pueden
ser recolectadas en un dispositivo de recolección (no mostrado).
Por ejemplo, una tubería ranurada puede ser colocada alrededor del
borde inferior de cada placa de borde 26 para recolectar el líquido
y dirigirlo a un contenedor. Las placas de borde 26 son mostradas a
través de la solicitud como contactando los extremos de la
superficie de condensación de los platos de condensación. Sin
embargo, las placas de borde pueden estar adyacentes a los platos
de condensación sin contactarlos mientras que ellos están
suficientemente próximos funcionalmente para recibir el líquido
condensado.
Alternativamente, el liquido condensado no
necesita para nada ser eliminado del plato, mientras que éste es
eliminado de la superficie de condensación 22, o al menos se evita
que regrese a la lámina 16. También, las placas de borde 26 son
mostradas como perpendiculares a la superficie de condensación 14,
aunque ellas pueden estar en otros ángulos con relación a ésta, y
las placas de borde 26 pueden ser lisas, ranuradas, porosas, u
otros materiales.
El plato calentado 14 y el plato de condensación
12 pueden incluir pasajes internos, tales como canales. Un fluido
de transferencia de calor puede ser calentado por un sistema de
calentamiento externo y circulado a través de los pasajes para
regular la temperatura T_{2} del plato calentado 14. El mismo u
otro fluido de transferencia de calor diferente puede ser enfriado
por un enfriador externo y circulado a través de los pasajes para
regular la temperatura T_{1} del plato de condensación 12. Otros
mecanismos para calentar el plato 14 y enfriar el plato 12 pueden
ser usados.
El aparato 30 de las Figuras 4 y 5 es similar a
aquel de las Figuras 1-3 excepto que no tiene plato
de calentamiento.
En el aparato 30, la lámina 16 es calentada para
evaporar el líquido del recubrimiento por cualquier método de
calentamiento o una combinación de métodos de calentamiento, como la
conducción, la radiación, las microondas, la convección, o la
energía ambiental, usando cualquier tipo de calentador. Esto puede
incluir pero no está limitado a un tambor calentado, dispositivos
de calentamiento radiante, o flujos de gas forzado. Este sistema
puede incluso operar sin ninguna energía aplicada, incluso fuera del
secador, usando solamente la energía ambiental para evaporar el
líquido. El aparato por otra parte opera igual que aquel de las
Figuras 1-3, sin requerir convección aplicada para
el transporte del líquido evaporado de la lámina 16 a la superficie
de condensación 22 en el plato de condensación 12. El espacio h,
entre la lámina recubierta 16 y la superficie de condensación 22
está aislado de los dispositivos de calentamiento por cualquier
combinación de la lámina 16 y los soportes de la lámina u otras
barreras. Esto puede aislar el área de cualquier convección
aplicada.
La capilaridad puede ser combinada con la
gravedad. Las Figuras 6 y 7 muestran realizaciones del aparato donde
la gravedad es usada en conjunto con la capilaridad para mover el
solvente líquido en la superficie de condensación. La superficie de
condensación 22 está sobre un plato 42 que está inclinada a un lado
transversal de la lámina 16 en la Figura 6 y la superficie de
condensación 22 está sobre uno o dos platos 44 que están inclinados
desde el centro a ambos lados transversales de la lámina 16 en la
Figura 7. En ambos casos la capilaridad y la gravedad son usadas
para mover el líquido lejos de la superficie de condensación. El
ángulo pudiera estar centrado en la línea de centro longitudinal de
la lámina o puede estar descentrado.
La Figura 8 es otra realización donde las fuerzas
de capilaridad mueven el líquido sobre la superficie de
condensación.
En esta realización el plato de condensación 46
es un material de poroso o de drenaje, como metal aglomerado o
esponja, que usa las fuerzas capilares para transportar el solvente
líquido. El solvente se condensa en la superficie de condensación
22 y es distribuido a través del plato de condensación 46 debido a
las fuerzas capilares. Las placas de borde 26 adyacentes al plato
de condensación 46 forman una superficie capilar. Un menisco
líquido forma y crea una región de baja presión que arrastra el
condensado desde la superficie de condensación hasta al menos una
placa de borde. La gravedad sobrepasa la fuerza capilar y el líquido
fluye como una película o gotas por la superficie de la placa de
borde 26.
La Figura 9 muestra otra realización donde las
fuerzas de gravedad y capilares son usadas para transportar el
líquido condensado sobre las superficies de condensación 22. Como es
mostrado, las superficies de condensación 22 son formadas sobre
muchas superficies. Un plato de condensación 50 está inclinado a un
lado o desde el centro a ambos lados por encima de la lámina 16.
Láminas delgadas 48 de material son suspendidas por debajo del
plato de condensación 50 y localizadas de manera que ellas estén
inclinadas desde la horizontal con su borde inferior de frente al
borde inferior del plato de condensación 50. Como es mostrado, las
láminas 48 de material se solapan en al menos 0.05 cm y están
separadas en la región de solapamiento por una ranura de
0.01-0.25 cm.
El vapor que se condensa en las superficies de
condensación 22 será retenido en las superficies por la tensión
superficial.
La gravedad conduce el líquido condensado por
cada superficie superior de las láminas 48 en un efecto cascada
hasta que el líquido este más allá del borde de la lámina 16. El
líquido que es condensado en la superficie inferior de las láminas
delgadas 48 se transportará a la región de solapamiento y las
fuerzas capilares creadas por la ranura arrastrarán el líquido
hacia la ranura. El líquido entonces será transferido a la
superficie superior de la próxima lámina 48 y la gravedad lo
conducirá en forma de cascada al borde del substrato. De esta
forma, el líquido que se condensa en la superficie inferior de las
láminas no formará gotas que caigan otra vez en el substrato
recubierto. En algunos casos es deseable para el líquido llenar
completamente la ranura entre las láminas 48 y el plato de
condensación 50.
La Figura 10 es otra realización que puede
combinar las fuerzas de gravedad y de capilaridad para transportar
el líquido sobre la superficie de condensación. En esta realización,
un material poroso, ranurado, esponjoso, en forma de panal,
enrejillado u otro material con orificios 52 está unido y localizado
por debajo de un plato de condensación 54. El espacio entre el
plato de condensación 54 y el material con orificios 52, las
dimensiones del orificio en el material 52, y la proporción del
área abierta con relación al área sólida en el material con
orificios 52 son todas diseñadas para provocar las fuerzas de
tensión superficial para retener el líquido en las tres superficies
de condensación 22. El aparto está localizado adyacente a la lámina
16. La condensación del vapor sobre las superficies de condensación
22 será retenida como líquido en los huecos del material con
orificios y en la región 56 que separa las placas. Cuando el líquido
es eliminado de la región 56 que separa las placas, el líquido
sobre el lado del material con orificios 52 de frente a la lámina 16
será transportado por las fuerzas capilares para llenar los huecos
en la región 56 que separa las placas. El líquido puede ser
eliminado de la región 56 que separa las placas tanto por las
fuerzas de gravedad, capilares o mecánicas. Inclinando el plato de
condensación 54 lejos de la horizontal en cualquier dirección, las
fuerzas gravitacionales eliminarán el líquido de la región 56 que
separa las placas hasta un punto más allá del borde de la lámina
16. Alternativamente, el líquido puede ser eliminado de la región 56
que separa las placas posicionando al menos una placa de borde 26
en el borde del plato de condensación 54.
La placa de borde 26 contacta el plato de
condensación 54 para formar una superficie capilar. Las placas de
borde pueden, en algunos usos, contactar el material con orificios
22. Un menisco líquido forma y crea una región de baja presión la
cual arrastra el condensado hacia al menos una placa de borde.
La gravedad supera la fuerza capilar y el líquido
fluye como una película o gotas por la superficie de la placa de
borde 26. También, el condensado puede ser mecánicamente bombeado
fuera de la región 56 que separa las placas.
La Figura 11 muestra esquemáticamente una
realización, la cual usa una bomba 80 para eliminar el líquido
condensado de la superficie de condensación. La bomba puede ser
cualquier tipo de bomba, y cualquier otro dispositivo para crear
presión negativa puede ser usado. Como es mostrado también en la
Figura 11, el líquido condensado puede ser conducido hacia el
centro transversal de la superficie de condensación antes de la
eliminación, tal como por capilaridad o gravedad.
En otro uso, el sistema puede primero eliminar el
fluido del substrato recubierto. Luego, el sistema, en una
localización a favor de la lámina desde la localización de secado,
puede ser usado "a la inversa" para adicionar alguna pequeña
porción de humedad o reactivo adicional al substrato para modificar
el recubrimiento.
El aparato puede operar fuera de una
configuración de secador sin ninguna energía aplicada, y con calor
ambiental solamente para evaporar el líquido. Controlando la
temperatura de la superficie de condensación 22 a ser o estar cerca
de la temperatura ambiente, la evaporación del liquido ocurrirá
solamente hasta que la concentración del vapor en el espacio h,
entre la superficie de condensación y la lámina 16 esté a la
concentración saturada como es definido por las temperaturas de la
superficie de condensación 22 y la lámina 16. El líquido que se ha
evaporado estará contenido y conducido por el arrastre viscoso de la
lámina a través del espacio h, para salir del sistema. Un secado
indeseado puede ser reducido y las emisiones de vapor pueden ser
aisladas de las condiciones ambientales.
El método de secado de la invención puede ser
usado para reducir o detener virtualmente el secado del
recubrimiento.
La velocidad de secado es función de la altura
del espacio y del gradiente de concentración del vapor entre la
superficie recubierta 18 de la lámina 16 y la superficie de
condensación 22.
Para un espacio dado h1, la temperatura
diferencial entre la lámina 16 y la superficie de condensación 22
define el gradiente de concentración del vapor. Mientras mayor es la
temperatura de la superficie recubierta 18 en relación con la
superficie de condensación 22, mayor es la velocidad de secado.
Ya que la temperatura de la superficie de
condensación 22 se aproxima a la temperatura de la superficie
recubierta 18, la velocidad de secado tenderá a cero. En el secado
convencional el gradiente de concentración del vapor no puede ser
controlado sin usar un sistema caro de secado con gas inerte.
Algunos recubrimientos líquidos tienen múltiples
solventes donde uno o más de los solventes funcionan para aminorar
la velocidad de secado para propiedades optimas del producto.
Ajustando las temperaturas de la superficie recubierta 18 y de la
superficie de condensación 22, la invención puede reducir la
velocidad de secado y posiblemente eliminar el requerimiento del
uso de solventes para retardar la velocidad de secado.
La velocidad de secado es controlada por la
altura del espacio h_{1}, y el diferencial de temperatura entre
la superficie recubierta 18 y la superficie de condensación 22.
Por lo tanto para un diferencial de temperatura
dado, la velocidad de secado puede ser controlada por la posición
del plato de condensación que define la altura h_{1}. De esta
forma cambiando las dimensiones del sistema de secado, tal como
cambiar los intervalos relativos, es posible controlar la velocidad
de secado. Los secadores convencionales no tienen esta
capacidad.
Secar algunas láminas recubiertas usando la
convección aplicada puede crear patrones de vetas en los
recubrimientos. Los patrones de vetas son defectos en los
recubrimientos de películas que son formados por la concentración
del vapor o los gradientes de velocidad del gas encima del
recubrimiento, lo que provoca un secado no uniforme en la
superficie del líquido. Las corrientes de aire normales son a menudo
suficientes para crear estos defectos. La invención puede ser usada
para reducir y controlar los defectos inducidos por la convección
natural, tal como vetas, en las localizaciones fuera de la posición
de secado deseada. En las localizaciones donde la superficie
recubierta no esté en la región de secado y estuviera sin embargo
expuesta a la convección tanto desde las corrientes de aire
ambiente o desde un aire de capa limite turbulento debido al
movimiento de la lámina, el aparato, con ranuras u otras
estructuras, dispositivos, características para la eliminación o
trasporte del líquido, o sin ellas, puede ser localizado adyacente
a la lámina recubierta 16 separada por un espacio h1. La
localización del plato de condensación 12 adyacente a la lámina
recubierta 16 puede aislar las corrientes de aire ambiente de la
superficie de recubrimiento. También puede evitar que el aire de la
capa límite encima de la superficie recubierta se convierta en
turbulento.
Por consiguiente, los defectos debidos a la
convección fuera de la posición de secado, tal como vetas, pueden
ser reducidos o eliminados. Los aparatos pueden ser operados con
condensación y eliminación de solvente de manera similar a las
Figuras 4-12, o pueden incluso operar sin
condensación y eliminación de solvente elevando la temperatura de
la superficie de condensación 22 por encima del punto de rocío de
los vapores en el espacio h_{1}.
En todas las realizaciones puede ser deseado
proporcionar múltiples zonas de componentes de condensación y
calentamiento usando múltiples pares. Las temperaturas y espacios de
cada par de componentes de condensación y calentamiento pueden ser
controladas independientemente de los otros pares. Las zonas pueden
o no estar separadas una de otra.
Los sistemas de todas las realizaciones usan la
condensación cerca de la lámina recubierta 16 con un espacio
pequeño entre el recubrimiento sobre la lámina 16 y la superficie de
condensación 22. No hay requerimientos para la convección aplicada
y hay muy poco volumen de vapor. La concentración de vapor y las
fuerzas de convección pueden ser controladas ajustando la
temperatura de la lámina, el espacio, y temperatura de la superficie
de condensación. Esto proporciona un control mejorado de las
condiciones cerca de la interfase gas/líquido. Debido a que la
temperatura del plato y el espacio pueden ser continuos y constantes
a través del sistema de secado, las velocidades de transferencia de
calor y de masa son controladas de manera más uniforme que con los
sistemas de secado convencional. Todos estos factores contribuyen a
la realización de un secado mejorado. También es mejorada la
eficiencia de los sistemas de recuperación del vapor de
condensación, proporcionando una recuperación del líquido con alta
eficiencia sin costo adicional comparado con los costosos métodos
conocidos de quemado, adsorción, o condensación en una corriente de
gas secundaria.
Además, no hay ninguna preocupación que el aire
ambiente encima de la lámina explote o que esté por encima del
límite de inflamación. De hecho, cuando el espacio es muy pequeño,
tal como menor de 1 cm, las preocupaciones sobre la inflamabilidad
pueden ser eliminadas debido a que el espacio completo encima de la
lámina tiene insuficiente oxígeno para soportar la inflamación.
Adicionalmente, este sistema elimina la necesidad
de grandes flujos de gas. El equipo mecánico y el sistema de
control es solamente 20% del costo de un sistema de secado por
flotación de aire convencional.
Los experimentos fueron llevados a cabo con
platos de 30.5 cm de ancho teniendo ranuras transversales. Los
platos inferiores fueron calentados a temperaturas en el rango de
15ºC hasta 190ºC con un fluido de transferencia de calor circulado
a través de los pasajes en los platos. Como el calor es transferido
al recubrimiento, el líquido en el recubrimiento se evapora.
La temperatura del plato de condensación fue
controlada por cualquier método apropiado en el rango de -10ºC
hasta 65ºC para proporcionar el gradiente de potencial para el
transporte y la condensación del vapor. Un rango efectivo del
espacio h_{1}, es 0.15-5 cm. Recubrimientos libres
de vetas fueron obtenidos.
En un ejemplo, una solución de MEK/polímero con
tendencia al veteado con 11.5% de sólidos, 2 centipoise, 7.6
micrones de espesor de humedad, y 20.3 cm de ancho fue recubierta.
La lámina era de 21.6 cm de ancho y de desplazó a una velocidad de
0.635 m/s. La temperatura del plato calentado usado para calentar la
lámina fue controlada a 82ºC. La temperatura del plato de
condensación fue controlada a 27ºC. La longitud total de los platos
fue de 1.68 m y fueron montados con un ángulo de 3.4º desde la
horizontal con el lado de entrada a una menor elevación. La entrada
a los platos fue localizada 76 cm desde el punto de aplicación del
recubrimiento. El plato calentado fue separado de la lámina por un
espacio de aproximadamente 0.076 cm. El espacio h_{1}, fue
ajustado a 0.32 cm.
Las ranuras capilares eran de 0.0381 cm de
profundidad con una distancia de pico a pico de 0.076 cm, un ángulo
\alpha de 30º, y 0.013 cm entre las partes planas superiores de
las ranuras. La lámina fue secada libre de vetas en los 1.68 m de
longitud de los platos aunque hubo algún solvente residual en el
recubrimiento cuando éste abandonó los platos. Un secador
convencional requeriría de aproximadamente 9 m para alcanzar el
mismo punto de secado, requiriendo el secador ser cinco veces más
grande.
Otras aplicaciones para este sistema incluyen
secar adhesivos donde los defectos de burbuja son comunes. Los
defectos de burbuja pueden ser provocados por la superficie de
recubrimiento que forma una capa seca antes de que el resto del
recubrimiento se ha secado, atrapando el solvente debajo de la capa.
Con el secado convencional, la concentración de vapor del solvente
en el gas de gran volumen es muy baja debido a los límites de
inflamabilidad. Si se aplica demasiado calor al recubrimiento, el
solvente en la superficie se evaporará muy rápidamente en la
corriente de gas de baja concentración de vapor y formará la capa
sobre la superficie. El sistema de esta invención crea una
concentración de vapor controlada en el espacio encima de la lámina,
el cual puede reducir la tendencia a formar una capa sobre la
superficie. Otras aplicaciones son en las áreas donde los secadores
trabajan a altas concentraciones de solvente para obtener una
eficiencia específica del
producto.
producto.
El sistema proporciona ventajas más allá de la
recuperación del solvente y la eficiencia del secado. Otra ventaja
incluye un proceso simplificado para someter un fluido de
recubrimiento a un campo magnético. Más bien que posicionar un
generador de campo magnético dentro de un secador conocido, con la
presente invención el generador de campo magnético puede ser
posicionado fuera del secador (es decir, fuera del aparato 10, 30).
Esto es permitido por la naturaleza compacta del aparato. Esto es
especialmente apropiado cuando se recubre un substrato con un
fluido cargado de metal particulado para hacer tales productos como
una cinta de registro de audio o vídeo, una cinta de almacenaje y
cómputo de datos, disquetes de computadora, y semejantes, estando
fuera del aparato, los generadores de campo magnético son fácilmente
ajustables y mantenidos.
Esta construcción también mejora la orientación
de las partículas.
La potencia magnética es mejorada si las
partículas son físicamente orientadas en la dirección de
registro.
Convencionalmente el dispositivo de orientación
está contenido dentro del secador y las partículas son orientadas a
un punto único o puntos múltiples cuando el solvente es
eliminado.
Una ventaja aquí es que debido a que el
dispositivo de orientación magnético está fuera del secador y no es
invasivo (los dispositivos de orientación convencionales dentro del
secador interrumpen la transferencia de masa y de calor), no
afectará los ritmos de eliminación del solvente de ningún modo. Esto
permite la eliminación uniforme del solvente. Las partículas
magnéticas son fácilmente orientadas cuando el fluido es menos
viscoso en etapas tempranas de secado con esta invención. Cuando
las partículas abandonan un dispositivo de orientación convencional
en las etapas tempranas del secado, cualquiera de los componentes
del campo magnético que no esté en el plano de recubrimiento
reorientará las partículas en una dirección no preferida, tal como
inclinándolas verticalmente. Cuando el solvente es eliminado, la
viscosidad aumenta, haciendo difícil para el dispositivo de
orientación rotar las partículas. Las partículas no serán
reorientadas cuando abandonan el campo o por las fuerzas
interpartículas.
Otra ventaja es que debido a su pequeño tamaño y
las velocidades de eliminación de solvente aumentadas, la invención
permite orientar las partículas al principio del dispositivo de
orientación y del secador. El campo uniforme mantiene las
partículas en la dirección preferida cuando el solvente es eliminado
en un ambiente de secado uniforme para un nivel tal que la
viscosidad es aumentada hasta el punto en que las fuerzas viscosas
dominen. Esto evita la desorientación indeseada de la partícula
cuando abandona el dispositivo de orientación o desde las fuerzas
interpartícula. Secar en los secadores convencionales provoca que la
superficie del producto se arrugue. Eliminar el solvente en el
ambiente controlado del secador de esta invención parece crear
superficies más pulidas a elevadas velocidades de eliminación del
solvente. Esto también mejora la potencia magnética ya que, por
ejemplo, la cinta resultante viajará más cerca del cabezal de
registro.
Claims (4)
1. Un método para secar un substrato, que
comprende:
- (a)
- colocar una superficie de condensación en proximidad cercana a la superficie de dicho substrato para definir un espacio entre dicho substrato y dicha superficie de condensación;
- (b)
- aplicar energía a dicho sustrato para evaporar un líquido desde dicho substrato para crear un vapor;
- (c)
- condensar el vapor en la superficie de condensación para crear un condensado;
- (d)
- mover el condensado en la superficie de condensación usando al menos fuerzas capilares; y
- (e)
- controlar dicho espacio, la temperatura de dicha superficie de condensación, la temperatura de dicho substrato, para controlar la velocidad de secado.
2. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
que afecta además otro fenómeno físico y químico.
3. Un método de acuerdo a la reivindicación 1 o
2, que usa además la convección aplicada forzando un gas a través de
dicho substrato para efectuar adicionalmente transferencia de masa y
de energía.
4. Un método de acuerdo a la reivindicación 1, 2
o 3, donde en el paso (a) dicho espacio es lo suficientemente
pequeño para sustancialmente aislar las corrientes ambientales de
dicho substrato.
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