ES2278082T3 - Aparato para secar un producto particulado con un vapor sobrecalentado. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para evaporar un líquido contenido en un producto particulado mediante un vapor sobrecalentado como medio de secado, que comprende una cámara de secado (1.2, 2.2) y un intercambiador de calor, y un dispositivo para separar las partículas de producto y el vapor a baja temperatura, conectados entre sí a prueba de presión, y comunicado con el ambiente a través de un dispositivo de carga (1.1, 2.1) para un producto particulado, un dispositivo de descarga (1.12, 2.12) para un producto particulado, y un dispositivo de salida para el excedente de vapor a baja temperatura generado, en el que la cámara de secado (1.2, 2.2) tiene, principalmente, la forma de un cilindro, caracterizado porque
Description
Aparato para secar un producto particulado con
un vapor sobrecalentado.
La presente aplicación proporciona un aparato
para la evaporación de un líquido contenido en un producto
particulado mediante un vapor sobrecalentado como medio de secado,
que comprende una cámara de secado, un intercambiador de calor y un
dispositivo para la separación de las partículas de producto y el
vapor a baja temperatura, conectados entre sí a prueba de presión,
y que se comunica con el ambiente a través de un dispositivo de
carga para el producto particulado, un dispositivo de descarga para
el producto particulado y un dispositivo de salida para el
excedente de vapor a baja temperatura generado, en el que la cámara
de secado tiene, principalmente, la forma de un cilindro,
caracterizado porque:
- -
- el dispositivo de carga para el particulado húmedo y el dispositivo de descarga para el producto particulado seco se sitúan en extremos opuestos de la cámara de secado, y
- -
- la entrada de vapor está en el mismo extremo que la entrada de producto, y
- -
- el aparato funciona cuando la cámara de secado se encuentra en una posición horizontal o presenta una desviación menor con respecto a aquella, y
se dispone un rotor dentro de la
cámara de secado con el fin de hacer ascender porciones del producto
particulado desde la parte inferior a la parte superior de la
cámara de secado, durante el funcionamiento del aparato, desde
donde las porciones caen hacia la parte inferior de la cámara de
secado, a través de la corriente de vapor
sobrecalentado.
El líquido más común será agua, y el vapor
sobrecalentado será, entonces, un vapor de agua sobrecalentado,
mezclado con pequeñas cantidades de componentes volátiles del
producto particulado.
En algunos casos, el líquido no será agua sino,
por ejemplo, un disolvente orgánico inflamable. En tal caso, el
aparato de acuerdo con la invención se puede utilizar para evaporar
la mayor parte del propio líquido mediante el vapor sobrecalentado
del propio líquido y, a continuación, evaporar la parte remanente de
éste mediante una corriente de vapor de agua sobrecalentado.
En otros casos, el líquido puede ser una mezcla
de agua y otros líquidos, tales como el etanol.
El secado con un vapor sobrecalentado es una
tecnología bien establecida, con ejemplos de aplicaciones
industriales dentro del secado de la pulpa de remolacha azucarera y
la pulpa de celulosa.
Las ventajas del secado con vapor sobrecalentado
son, principalmente:
- 1.
- Un eficiencia energética muy alta en los casos en los que la energía del vapor generado por el proceso de secado se pueda explotar por condensación en procesos con consumo de energía, tales como la evaporación o la destilación.
- 2.
- Muy baja contaminación del aire, comparado con el secado que utiliza el aire como medio de secado.
- 3.
- Un producto de alta calidad, sin pérdidas de producto, en aquellos casos en los que la oxidación del producto particulado es un problema.
- 4.
- Alta seguridad cuando el líquido que se debe retirar del producto particulado es inflamable.
- 5.
- Es posible la esterilización y el secado simultáneos.
Los aparatos existentes para secar con vapor
sobrecalentado realizan las siguientes operaciones unitarias:
- 1.
- Carga del producto particulado en la cámara de secado.
- 2.
- Transporte del vapor sobrecalentado a través de la cámara de secado.
- 3.
- Transporte de producto particulado través de la cámara de secado con contacto eficiente con el vapor sobrecalentado.
- 4.
- Separación de las partículas de producto y del vapor a baja temperatura.
- 5.
- Descarga del producto particulado desde la cámara de secado.
- 6.
- Recalentamiento y reciclado del vapor a baja temperatura.
- 7.
- Descarga del excedente de vapor a baja temperatura generado.
Los aparatos existentes para secar con vapor
sobrecalentado difieren el modo en que se realizan las operaciones
unitarias, anteriormente mencionadas.
Las diferencias más importantes son:
- 1.
- La presión de la secadora puede ser superior o inferior a la presión ambiente, o igual a la misma. Secadoras con presiones superiores o inferiores a la presión ambiente requieren cierres presurizados, en relación con la carga y descarga del producto particulado.
- 2.
- Los cierres presurizados se pueden basar en distintos principios.
- 3.
- El contacto entre las partículas de producto y el vapor sobrecalentado y el transporte del producto particulado a través de la cámara de secado se pueden realizar de distintas maneras.
- 4.
- La cámara de secado y el intercambiador de calor pueden ser unidades separadas o pueden estar integrados en una unidad.
- 5.
- La entrada de vapor sobrecalentado dentro de la cámara de secado puede encontrarse en el mismo extremo que la entrada del producto particulado (secado a favor de la corriente), o se puede encontrar en el extremo opuesto (secado contracorriente).
El documento de patente EP 0 058 651 B1 divulga
una secadora en la cual el contacto entre las partículas de
producto y el vapor sobrecalentado se consigue suspendiendo el
producto particulado en el vapor sobrecalentado y transportando
neumáticamente el producto particulado a través de la secadora
presurizada, que comprende un número de intercambiadores térmicos
de calandria verticales, conectados mediante tuberías. Esto
significa que el secado del producto particulado y el recalentado
del vapor están completamente integrados y se realizan
simultáneamente. La cantidad de producto particulado por m^{3} de
la cámara de secado es muy baja y, por lo tanto, este tipo de
secadora es adecuada únicamente para productos con partículas
pequeñas, las cuales se pueden secar dentro de un tiempo de
retención inferior a 1 minuto.
En la patente norteamericana 5.357.686, el
contacto entre las partículas de producto y el vapor sobrecalentado
se realiza en una cámara vertical de secado de lecho fluido, de
sección transversal en forma de anillo. El recalentado del vapor a
baja temperatura se realiza mediante un intercambiador térmico de
calandria, situado en el centro de la cámara de secado. El vapor
sobrecalentado entra a través del fondo perforado de la cámara de
secado. La separación de las partículas de producto del vapor a baja
temperatura tiene lugar en la parte superior de la cámara de secado
y, tras retirar el polvo fino en un ciclón, una parte del vapor a
baja temperatura se recicla a través del intercambiador de calor,
mientras que la parte residual se descarga para su utilización
externa.
Mediante el ajuste del flujo de vapor
sobrecalentado en las secciones verticales de la cámara de secado,
se puede controlar el tiempo de retención del producto particulado
en cada sección y, en cierto grado, proporcionar un tiempo de
retención menor para partículas más pequeñas que para partículas más
grandes.
La patente
WO-A-9951924, en la cual se basa el
preámbulo de la reivindicación 1, divulga un diseño de secadora
similar, aunque con la entrada del vapor a baja temperatura en el
ciclón desplazada hacia arriba, y en el que el lecho fluidificado
en forma de anillo tiene una placa inferior curvada. Esto se
reivindica como forma de mejorar el secado de las partículas
gruesas sin resecar las partículas pequeñas y medianas, y
proporciona un mejor cociente de inversión a capacidad que el
aparato divulgado en la patente norteamericana 5.357.686.
La cantidad de producto particulado por m^{3}
de la cámara de secado es baja y, por lo tanto, este tipo de
secadora alcanza su mejor rendimiento con productos cuyas partículas
se puedan secar dentro de un tiempo de retención inferior a 10
minutos.
Las tres secadoras descritas anteriormente
funcionan a una presión de 2-6 bares para conseguir
un aumento en la capacidad de evaporación por m^{3} de la cámara
de secado.
Las secadoras rotatorias que trabajan con aire
caliente como medio de secado se han utilizado desde hace más de un
siglo para secar una amplia variedad de productos particulados. Las
secadoras rotatorias que trabajan con vapor sobrecalentado como
medio de secado se ha utilizado en unos pocos casos durante la
pasada década, y están disponibles comercialmente por compañías
tales como W. Kunz Drytec AG, CH- 5606 Dintikon o Atlas Industries
A/S Baltorpvej 160, DK-2750 Ballerup.
Mediante estas secadoras, la cámara de secado
(la cuba rotatoria) se conecta al intercambiador de calor y al
dispositivo de separación mediante juntas de sellado que no son a
prueba de presión. El contacto entre las partículas de producto y
el vapor sobrecalentado en la cuba rotatoria se consigue mediante
una serie de caídas del producto particulado desde la parte
superior de la cuba rotatoria, a través de la corriente de vapor
sobrecalentado, que se mueve desde el extremo de entrada al extremo
de salida de la cuba rotatoria. Durante una caída, las partículas
de producto se desplazan hacia la salida un paso, la longitud del
cual depende de la velocidad del vapor sobrecalentado y del peso y
forma de las partículas individuales. Entre caídas, las partículas
de producto están, bien descansando en la parte inferior de la cuba
o bien siendo elevadas hacia la parte superior de la cuba rotatoria
mediante deflectores, situados horizontalmente en el lado interno
de la cuba rotatoria, desde donde volverán a caer a través del vapor
sobrecalentado.
Las secadoras de W. Kunz Drytec AG y Atlas
Industries A/S son secadoras a favor de la corriente, mientras que
un ejemplo de una secadora contracorriente se describe en "Unit
Operations of Chemical Engineering", McGraw Hill International
Editions, 1985, páginas 732-733. Esta secadora
trabaja con aire caliente como medio de secado, pero podría, en
principio, trabajar con vapor sobrecalentado. Durante el secado
contracorriente, el medio de secado aportará una contribución
negativa al transporte del producto particulado través de la cámara
de secado. Para compensar esto, la cuba rotatoria está inclinada, de
tal manera que el extremo de salida del producto particulado está
más bajo que el extremo de entrada.
Durante una caída de una partícula, la velocidad
de transferencia de energía desde el vapor sobrecalentado a la
partícula es muy alta, lo que reduce el contenido de líquido en la
capa superficial a un nivel inferior que el del interior de la
partícula. Cuando el producto particulado se sitúa en la parte
inferior de la cámara de secado, la velocidad de transferencia de
energía desde el vapor sobrecalentado a producto particulado es
baja, por lo que da tiempo para que el líquido se desplace desde la
parte interior de la partícula a la superficie.
Este principio de secado, caracterizado por
períodos alternativos con velocidades de secado altas y bajas se
llamará, a partir de ahora, secado pulsado.
El secado pulsado proporciona un secado uniforme
de productos particulados heterogéneos, en los cuales el tiempo de
retención necesario para las partículas más pequeñas puede ser de
unos pocos segundos, mientras que para las partículas más grandes
puede ser de 30 minutos o más. Es posible un tiempo muy alto de
retención para las partículas grandes, ya que se puede acumular una
gran cantidad de producto particulado en la parte inferior de la
cuba rotatoria. Adicionalmente, el secado pulsado permitirá
temperaturas de entrada más altas sin deterioro térmico del
producto.
producto.
Ninguna de las secadoras rotatorias existentes,
que trabajan con vapor sobrecalentado como medio de secado, puede
funcionar a presiones distintas la presión atmosférica, ya que no se
encuentran disponibles juntas de sellado eficientes entre la cuba
rotatoria y el equipo estacionario conectado a ésta. Así pues, estas
secadoras funcionan a presión atmosférica o un poco inferior, con
el fin de evitar emisiones. Esto significa que el vapor que se
genera por el proceso de secado tiene una temperatura baja y está
diluido con aire, lo que reduce sustancialmente el valor de
aplicación del vapor.
El objetivo del aparato de acuerdo con la
invención es integrar un secado pulsado y un secado con vapor
sobrecalentado en un sistema de secado completo a prueba de
presión. Por lo tanto, todas las ventajas bien conocidas de secado
con vapor sobrecalentado se pueden explotar completamente y
combinarse con las ventajas de secado pulsado.
De manera sorprendente, ha sido posible
establecer un secado pulsado con vapor sobrecalentado en un sistema
de secado a prueba de presión completo, sin innovar nuevas juntas de
sellado eficientes entre la cuba rotatoria y el equipo
estacionario. El aparato, de acuerdo con la invención, no utiliza en
modo alguno juntas de sellado en esta conexión. En su lugar, la
cámara de secado tiene, principalmente, la forma de un cilindro
horizontal dentro del cual se sitúa un rotor. El rotor eleva el
producto particulado desde la parte inferior de la cámara de secado
hacia la parte superior, desde la cual cae hacia abajo a través de
la corriente de vapor sobrecalentado, como se requiere para llevar
a cabo el secado pulsado.
El rotor y la cámara de secado se pueden diseñar
de diferentes maneras, dependiendo de la naturaleza del producto
particulado. Cuando el líquido se puede mover rápidamente desde el
núcleo de las partículas hacia la superficie, y los requisitos de
tiempo de descanso son, por lo tanto, bajos, una realización
preferida del rotor comprende un eje situado paralelamente al eje
de la cámara de secado, equipado con un número de barras radiales
que llevan deflectores en sus extremos alejados del eje. El eje del
rotor se sitúa de tal manera que los deflectores pasarán cerca de
la cuba y recogerán algo del producto particulado cuando pasen a
través de la parte inferior de la cámara de secado, y pasarán a
cierta distancia de la cuba, cuando se muevan a través de la parte
superior de la cámara de secado, lo cual permitirá que las
partículas de producto se escapen a través de los espacios entre
los deflectores y la cuba, desde donde caerán hacia abajo a través
del vapor sobrecalentado. Esto ocurrirá cuando la velocidad de
rotación se aumente hasta un nivel en el cual la influencia sobre el
producto particulado de las fuerzas centrífugas sea más fuerte que
la de la fuerza de la gravedad. Cuando la fuerza de la gravedad sea
la más fuerte, las partículas de producto caerán directamente desde
los deflectores.
Cuando el líquido se mueve despacio desde el
núcleo de la partícula hacia la superficie y los requerimientos de
tiempo de descanso la parte inferior de la cámara de secado son, por
lo tanto, altos, una realización preferida de la invención
comprende una cámara de secado cilíndrica, dentro de la cual se
sitúa una cuba rotatoria cilíndrica, coaxial con la cámara de
secado. La cuba rotatoria puede rotar libremente dentro de la cámara
de secado estacionaría, pero el espacio entre los dos cilindros es
muy estrecho. El apoyo y la rotación de la cuba rotatoria se
consiguen mediante de dispositivos bien conocidos.
La carga y descarga del aparato de secado, de
acuerdo con la invención, se puede realizar mediante dispositivos
bien conocidos, tales como cerrojos rotatorios o alimentadores de
flujo de pistón. Sin embargo, para algunos productos particulados
no son adecuados ninguno de los dispositivos conocidos. Ejemplos de
esto son la paja de cereal, los residuos domésticos, el lignito,
las virutas de madera, las cortezas y los residuos de mataderos.
En tales casos, el aparato de acuerdo con la
invención se puede equipar con los sistemas de carga y descarga
descritos.
El sistema de carga/descarga se basa en un
sistema de compuertas, de acuerdo con el cual el producto se
transporta, primeramente, a un dispositivo de distribución, el cual
produce una secuencia de porciones uniformes de producto, separadas
por espacios uniformes libres de partículas y, subsecuentemente, las
porciones de producto se transportan individualmente a través de un
dispositivo de compuertas, el cual comprende, al menos, una cámara
de compuertas y dos cerrojos de presión, de los cuales al menos uno
asegura en todo momento una barrera a prueba de presión entre las
dos zonas de presión, y en el cual las porciones de producto se
cargan forzadamente desde la primera zona hacia el interior de una
cámara de compuertas mediante un tornillo de pistón, cuyo eje está
prácticamente alineado con el eje de la cámara de compuertas, y en
el cual las porciones de producto se descargan forzadamente desde
la cámara de compuertas y dentro de la segunda zona de presión,
mediante dicho tornillo de pistón, un pistón, o mediante un gas,
vapor, o líquido suministrados a una presión superior a la de la
segunda zona de presión.
En los casos en los cuales el producto
particulado esté sometido a alguna deshumidificación mecánica previa
al secado en el aparato de acuerdo con la invención, una
realización preferida utiliza una prensa de tornillo, tanto como
dispositivo de deshumidificación y como dispositivo de carga,
conectada a prueba de presión con la cámara de secado.
En los casos en los cuales el producto
particulado tenga que ser aglutinado, tras el secado en el aparato
de acuerdo con la invención, una realización preferida de la
invención utiliza una prensa de aglutinación, tanto como
dispositivo de aglutinación y como dispositivo de descarga,
conectada a prueba de presión con la cámara de secado.
A continuación se describe la invención en
detalle mediante dos realizaciones a favor de la corriente con
diferentes tipos de rotor.
El ejemplo 1 describe una realización preferida,
cuando el líquido se puede desplazar rápidamente desde el núcleo de
la partícula hacia su superficie, y el requerimiento de tiempo de
descanso es, por lo tanto, bajo. Las figuras 1a y 1b ilustran el
ejemplo 1. La figura 1a es una sección longitudinal del aparato, la
figura 1b es una sección transversal de la cámara de secado.
El producto particulado se carga dentro de la
cámara de secado 1.2 mediante un dispositivo de carga 1.1. En la
cámara de secado 1.2, el producto particulado se eleva mediante los
deflectores 1.5 del rotor, conectados mediante las barras 1.4 al
eje 1.3 del rotor. En el extremo de salida de la cámara de secado,
el producto particulado cae en una tolva 1.7 con un transportador
de tornillo 1.6, el cual transporta el producto particulado hacia
el dispositivo de descarga 1.12, similar al 1.1.
El vapor sobrecalentado pasa a través de un
ciclón 1.8, en donde se separa del polvo fino que se conduce hacia
la tolva 1.7. El movimiento del vapor sobrecalentado se consigue
mediante el ventilador 1.9.
El excedente de vapor se descarga a través de la
válvula de salida 1.10, y el resto del vapor se recalienta en el
intercambiador de calor 1.11, y se conduce hacia la cámara de secado
1.2. El suministro de energía primaria al intercambiador de calor
no se muestra.
El ejemplo 2 describe una realización preferida
cuando el líquido se desplaza lentamente desde el núcleo de la
partícula hacia la superficie y los requerimientos de tiempo de
descanso en la parte inferior de la cámara de secado son, por lo
tanto, altos. Las figuras 2a y 2b ilustran el ejemplo 2. La figura
2a es una sección longitudinal del aparato, la figura 2b es una
sección transversal de la cámara de secado.
El producto particulado se carga dentro de la
cámara de secado 2.2 mediante un dispositivo de carga 2.1, similar
al 1.1. El rotor 2.4 de la cámara de secado 2.2 consiste en una cuba
rotatoria, en la cual el producto particulado se eleva mediante los
deflectores 2.5 del rotor, conectados con el interior de la
envolvente rotatoria 2.4. La rotación de la envolvente rotatoria se
consigue mediante medios conocidos. En el extremo de salida de la
cámara de secado, el producto particulado cae dentro de una tolva
2.7 con un transportador de tornillo 2.6, el cual transporta el
producto particulado al dispositivo de descarga 2.12.
El vapor sobrecalentado pasa a través de un
ciclón 2.8, en donde se separa del polvo fino, el cual se conduce
hacia la tolva 2.7. El movimiento del vapor sobrecalentado se
consigue mediante el ventilador 2.9.
El excedente de vapor se descarga a través de la
válvula de salida 2.10, y el resto del vapor se recalienta en el
intercambiador de calor 2.11, y se conduce hacia el interior de la
cámara de secado 2.2. El suministro de energía primaria al
intercambiador de calor no se muestra.
Claims (8)
1. Un aparato para evaporar un líquido contenido
en un producto particulado mediante un vapor sobrecalentado como
medio de secado, que comprende una cámara de secado (1.2, 2.2) y un
intercambiador de calor, y un dispositivo para separar las
partículas de producto y el vapor a baja temperatura, conectados
entre sí a prueba de presión, y comunicado con el ambiente a través
de un dispositivo de carga (1.1, 2.1) para un producto particulado,
un dispositivo de descarga (1.12, 2.12) para un producto
particulado, y un dispositivo de salida para el excedente de vapor
a baja temperatura generado, en el que la cámara de secado (1.2,
2.2) tiene, principalmente, la forma de un cilindro,
caracterizado porque
- -
- el dispositivo de carga (1.1, 2.1) para el particulado húmedo y el dispositivo de descarga (1.12, 2.12) para el producto particulado seco se sitúan en extremos opuestos de la cámara de secado (1.2, 2.2), y
- -
- la entrada de vapor de agua está en el mismo extremo que la entrada de producto, y
- -
- el aparato funciona cuando la cámara de secado (1.2, 2.2) está en una posición horizontal o presenta una desviación menor respecto a ésta, y
- -
- se dispone un rotor (1.3, 1.4, 1.5, 2.4, 2.5) dentro de la cámara de secado (1.2, 2.2) para que, durante el funcionamiento del aparato, eleve porciones del producto particulado desde la parte inferior a la parte superior de la cámara de secado (1.2, 2.2), desde donde las porciones caen hacia la parte inferior de la cámara de secado (1.2, 2.2), a través de la corriente de vapor sobrecalentado.
2. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual el rotor comprende un eje central (1.3) con barras
radiales (1.4) y deflectores de elevación conectados a las
barras.
3. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
2, en el cual el eje (1.3) se sitúa más bajo que el centro del
cilindro.
4. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual el rotor (2.4, 2.5) comprende una envolvente
rotatoria (2.4) con deflectores de elevación (2.5) conectados con la
pared cilíndrica interna de la envolvente (2.4).
5. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual se suministra una prensa de tornillo, conectada a
prueba de presión con la cámara de secado (1.2, 2.2), para la carga
y para la deshumidificación mecánica del producto particulado
previa al proceso de secado.
6. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual se proporciona una bomba de partículas para la
carga.
7. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual se suministra una prensa de aglutinación, conectada a
prueba de presión con la cámara de secado (1.2, 2.2), para la
descarga y la aglutinación del producto particulado tras el proceso
de secado.
8. Un aparato, de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual se proporciona una bomba de partículas para la
descarga.
Applications Claiming Priority (2)
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