ES2948235T3 - Aparatos y procesos de secado por pulverización de ultra alta eficiencia - Google Patents

Abstract

Sistemas y procesos de secado por aspersión de eficiencia ultraalta, que utilizan la inducción de turbulencia localizada en una corriente de flujo de fluido de secado para producir un producto secado por aspersión, que tiene una utilidad particular para operaciones de secado por aspersión a baja temperatura. Un método para procesar una composición líquida secable por pulverización para formar un producto secado por pulverización incluye: generar una pulverización de la composición líquida secable por pulverización; poner en contacto la pulverización de composición líquida secable por pulverización en una zona de contacto de secado por pulverización con una corriente de fluido de secado primario; inyectar fluido de secado secundario presurizado en la corriente de fluido de secado primario en la zona de contacto de secado por aspersión en múltiples lugares de la misma para proporcionar turbulencia localizada en dichos múltiples lugares; y recuperar el producto secado por aspersión de la zona de contacto de secado por aspersión. Los sistemas de la presente divulgación son eficaces para lograr una producción de alta velocidad de productos secados por aspersión en polvo seco, con costos de equipo de capital, requisitos de energía y gastos operativos sustancialmente reducidos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparatos y procesos de secado por pulverización de ultra alta eficiencia

TRANSFONDO

SECTOR DE LA DIVULGACIÓN

La divulgación se refiere a aparatos y procesos de secado por pulverización de ultra alta eficiencia, utilizando la inducción de una turbulencia localizada en una corriente defluido de secado para producir un producto secado por pulverización, que tiene una utilidad particular para operaciones de secado por pulverización a baja temperatura en las que se secan por pulverización materiales térmicamente sensibles.

DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

El secado por pulverización ha existido como una operación de procesamiento de materiales básicos desde finales de 1800, y se ha refinado continuamente desde entonces. La operación de secado por pulverización puede ser de carácter variado, pero generalmente implica inyectar una composición liquida de material en una cámara para el contacto con un fluido de secado que fluye simultáneamente a través de la cámara. El material húmedo inyectado en forma de gotitas entra en contacto con la corriente de fluido de secado para que el líquido pase desde las gotas a la corriente del fluido de secado, produciendo un producto secado por pulverización que se descarga desde la cámara de secado, y un efluente de fluido de secado que también se descarga de la cámara de secado.

En las operaciones anteriores de secado por pulverización, ha sido una práctica convencional proporcionar un el fluido de secado como un gas a una temperatura altamente elevada, por ejemplo, temperaturas del orden de 180­ 200 °C, con el fin de producir productos en polvo secos. El fluido de secado ha sido convencionalmente aire, y el material a secar por pulverización puede proporcionarse en una forma líquida susceptible de secarse, por ejemplo, como un material líquido puro, o el material puede ser un sólido en una composición líquida de secado por pulverización de pasta, suspensión, emulsión o en forma de solución, que además puede incluir material portador con el que se asocia el producto secado por pulverización al final del proceso de secado por pulverización. En diversas aplicaciones, el material a secar por pulverización está presente en una suspensión que contiene disolvente, por ejemplo, agua, alcohol u otro líquido apropiado, así como un material portador, como carbohidratos, celulósicos, cera, goma, proteínas u otro material adecuado. Para efectuar la operación de secado por pulverización, la composición de secado por pulverización se inyecta en la cámara de secado utilizando una boquilla, atomizador o similar, para formar una pulverización de gotas finas para entrar en contacto con el fluido de secado, que fluye hacia dentro y a través de la cámara de secado.

Los niveles de temperatura altamente elevados mencionados anteriormente del orden de 180-200 ° C para el fluido de secado han sido una práctica convencional en la técnica, con el fin de calentar rápidamente las gotas de material secado por pulverización y volatilizar el líquido del mismo para la producción de polvo secado por pulverización. Sin embargo, estos altos niveles de temperatura limitan la aplicabilidad de la operación de secado por pulverización a pulverizar materiales susceptibles de secarse que son térmicamente estables o que no se ven gravemente afectados negativamente a las altas temperaturas de la operación de secado por pulverización. Al régimen de alta temperatura de la operación de secado por pulverización se pueden adaptar una amplia variedad de materiales, pero sufren pérdidas de material (a través de la volatilización del material del producto a alta temperatura) y/o de otro modo se degradan en propiedades físicas y/o características de rendimiento como resultado de su exposición a altas temperaturas durante la operación de secado por pulverización. A este respecto, se han reconocido limitaciones y deficiencias en la práctica convencional de secado por pulverización.

Frente al contexto anterior, el aparato y proceso de secado por pulverización a baja temperatura divulgados en las Patentes en Estados Unidos N°.. 8.939.388, 9.332.776 y 9.551.527 de ZoomEssence, Inc. incorporan un avance sustancial en la técnica. Como se describe en las citadas patentes, el secado por pulverización se lleva a cabo en condiciones de secado por pulverización, incluida la temperatura de entrada del fluido de secado por debajo de 100 °C, e incluso hasta la temperatura ambiente en algunas aplicaciones, utilizando pastas de secado por pulverización con una viscosidad superior a aproximadamente 300 mPa-s. no excediendo el contenido de agua de la pasta el 50% por peso de la pasta, y baja humedad del fluido de secado introducido en el sistema de secado. Esta operación de secado por pulverización, realizada en condiciones de secado por pulverización a baja temperatura marcadamente diferentes de la práctica convencional de la técnica, permite que el secado por pulverización se utilice para innumerables productos que de otro modo estarían contraindicados por las condiciones de temperatura elevada de la práctica convencional de secado por pulverización a alta temperatura .

Sin embargo, aunque el procesamiento a baja temperatura revelado en las patentes estadounidenses mencionadas anteriormente de ZooinEssence, Inc. expande ampliamente la población de materiales aptos para el secado por pulverización, se requieren cámaras de secado por pulverización de gran volumen para proporcionar un tiempo de contacto suficiente entre el fluido de secado y las gotas pulverizadas para obtener un producto en polvo seco. En este sentido, el régimen de temperatura más bajo que se emplea en el proceso de secado por pulverización de ZoomEssence, en comparación con el secado por pulverización convencional a alta temperatura, proporciona una fuerza motriz térmica reducida correspondiente para la volatilización del líquido de las gotas del material que se está secando por pulverización, y por lo tanto se necesita un tiempo de residencia significativo de las gotas pulverizadas y un correspondiente volumen de cámara de secado para acomodar la menor temperatura del fluido de secado en la operación de secado por pulverización.

Las cámaras de secado por pulverización de gran volumen implican costos de equipo de capital y de operación sustanciales, y requieren atomizadores, boquillas, bombas, compresores, tuberías, válvulas y equipos de proceso auxiliares de tamaño correspondiente. Esto es cierto en los sistemas de secado por pulverización en general, independientemente de si se practica el secado por pulverización convencional a alta temperatura o el proceso de secado por pulverización a baja temperatura de las patentes de ZoomEssence mencionadas anteriormente.

Por lo tanto, sería un avance importante en el arte proporcionar un sistema y proceso de secado por pulverización en el que el secado por pulverización se pueda llevar a cabo con una eficiencia hidrodinámica ultra alta, lo que permitiría utilizar recipientes de secado por pulverización dramáticamente más pequeños y tiempos de residencia mucho más cortos para producir productos en polvo secados por pulverización.

Este secado por pulverización de ultra alta eficiencia permitiría lograr un sistema de secado por pulverización de tamaño compacto y huella pequeña, independientemente del régimen de temperatura de operación, pero cuando se utiliza en la operación a baja temperatura descrita en las patentes estadounidenses de ZoomEssence mencionadas anteriormente, sería notablemente efectivo para lograr una producción de alta tasa de productos en polvo seco secados por pulverización con costos de equipo de capital, requerimientos de energía y gastos operativos sustancialmente reducidos.

La patente europea 0571684 describe una cámara de secado en la que se minimiza la deposición de productos en la superficie interior de la cámara mediante un flujo tangencial horizontal de gas a presión en la superficie interior de la pared cilíndrica de la cámara, para provocar un aumento en la velocidad del flujo del gas de procesamiento a lo largo de la pared cilíndrica circunferencial.

La solicitud de patente estadounidense 2016/0051956 describe una unidad de reactor de microchorro y secador por pulverización, con boquillas mutuamente opuestas que proporcionan un punto de colisión común para el líquido inyectado que luego fluye hacia un reactor de microchorro en el que se inyecta gas, seguido por el procesamiento en una unidad de secador por pulverización.

La patente estadounidense 1829477 describe un proceso y aparato de secado para desecar líquidos propensos a formar grumos o masas de material durante el proceso de secado, y busca evitar dicha formación.

La solicitud de patente estadounidense 2016/0353794 describe un dispositivo para producir partículas aglomeradas de gran tamaño secadas mediante pulverización.

La patente estadounidense 6 237 247 describe una configuración que busca evitar la deposición de materiales secados mediante pulverización en las paredes internas de una cámara de secado por pulverización. Se proporciona un forro textil a una distancia de la pared de la cámara y los depósitos se recolectan en el forro. Los depósitos se eliminan del forro mediante pulsos de gas a presión.

RESUMEN

El presente documento se refiere a un aparato y proceso de secado por pulverización que permite llevar a cabo la operación de secado por pulverización con una eficiencia ultra alta, particularmente cuando se realiza una operación de baja temperatura del tipo descrito en las patentes estadounidenses de ZoomEssence, Inc. números 8,939,388, 9,332,776 y 9,551,527.

En un aspecto, la presente invención se refiere a un método, como se define en la reivindicación 1, de procesamiento de una composición líquida susceptible de secarse por pulverización para formar un producto secado por pulverización, donde dicho método comprende:

generar una pulverización de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización;

contactar la pulverización de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización en una zona de contacto de secado por pulverización con un flujo de un fluido de secado primario;

inyectar ráfagas de un fluido de secado secundario presurizado en el flujo de fluido de secado primario en múltiples lugares de la zona de contacto de secado por pulverización para proporcionar una turbulencia localizada en dichos múltiples lugares; y

recuperar el producto secado por pulverización de la zona de contacto de secado por pulverización.

En otro aspecto, la invención se refiere a un sistema de secado por pulverización, como se define en la reivindicación 11, que comprende:

un recipiente de secado por pulverización que incluye un volumen interior para el contacto de la composición líquida introducida susceptible de secarse por pulverización y un flujo de fluido de secado primario, donde dicho recipiente incluye un dispositivo de pulverización posicionado para introducir una pulverización de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización en el volumen interior para dicho contacto, una entrada para la introducción del fluido de secado primario en el volumen interior, y una salida para descargar el producto secado por pulverización y un efluente del fluido de secado desde el volumen interior; y

una multiplicidad de inyectores de un fluido secundario, accionados por un sistema de control, construidos y dispuestos para introducir ráfagas del fluido de secado secundario presurizado en el volumen interior en condiciones de flujo que proporcionan una turbulencia localizada en el flujo de fluido de secado primario en múltiples lugares en el flujo de fluido de secado primario en el volumen interior.

Otros aspectos, características y realizaciones de la divulgación se harán más plenamente aparentes en la descripción y reivindicaciones subsiguientes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

El archivo o solicitud de patente contiene al menos un dibujo realizado en color. Copias de esta patente o publicación de solicitud de patente con dibujo(s) en color serán proporcionadas por la Oficina previa solicitud y pago de la tarifa necesaria.

La FIG. 1 es una representación esquemática de un sistema de proceso de secado por pulverización según una realización de la presente divulgación.

La FIG. 2 es una representación esquemática, en vista separada, de una parte del proceso de secado por pulverización del sistema de la FIG. 1, mostrando la acción de la inducción de una turbulencia localizada en el recipiente de secado por pulverización del sistema.

La FIG. 3 es una representación gráfica de las trayectorias de partículas en un secador de pulverización de atomizador rotativo de entrada tangencial, calculado mediante dinámica de fluidos computacional, ilustrando el movimiento de las partículas hacia la pared externa del secador, dejando un volumen substancial que carece de partículas.

La FIG. 4 es una representación gráfica de una simulación de dinámica de fluidos computacional del efecto en la difusividad total causada por ráfagas turbulentas introducidas en el flujo de aire en un conducto rectangular, 1,5 segundos después de que se produzca la ráfaga.

La FIG. 5 es una representación esquemática de un aparato de secado por pulverización según una realización de la presente divulgación, mostrando una serie de boquillas mezcladoras turbulentas en la pared del recipiente de secado por pulverización, configuradas para inyectar ráfagas de aire turbulento transitorio e intermitente en el flujo del fluido principal en el recipiente de secado por pulverización.

La FIG. 6 es una imagen de microscopio electrónico de barrido (MEB) de una sección transversal de una partícula producida por el secado por pulverización a baja temperatura, representativa del producto de polvo seco producido de acuerdo con los métodos y aparatos de la presente divulgación.

La FIG. 7 es una representación de las líneas de corriente de fluido de secado en un recipiente de secado por pulverización en el que se introduce un flujo principal de fluido de secado en una parte superior del recipiente, con un fluido de secado adicional que se introduce para el mantenimiento de una cama fluidizada en una parte inferior del recipiente de secado por pulverización, y con fluido de secado por pulverización que se descarga de los puertos de descarga en una parte superior y externa del recipiente de secado por pulverización.

La FIG. 8 es una representación de las trayectorias de partículas en un recipiente de secado por pulverización del tipo para el cual se representan las líneas de corriente de fluido de secado en la FIG. 7.

La FIG. 9 es una representación esquemática de un sistema de secado por pulverización según otra realización de la presente divulgación, con una serie de boquillas inyectores de fluido en la pared del recipiente de secado por pulverización para mejorar la eficiencia de secado por pulverización del sistema.

La FIG. 10 es una representación esquemática de un sistema de proceso de secado por pulverización según otra realización de la presente divulgación.

La FIG. 11 es un gráfico de la tasa de disipación turbulenta, en m2/seg', en función de la distancia radial en un volumen interior de un recipiente de secado por pulverización, en diferentes alturas verticales en dicho volumen interior, para un primer sistema ilustrativo de secado por pulverización (Secador 1).

La FIG. 12 es un gráfico de la tasa de disipación turbulenta, en m2/seg', en función de la distancia radial en un volumen interior de un recipiente de secado por pulverización, en diferentes alturas verticales en dicho volumen interior, para un segundo sistema ilustrativo de secado por pulverización (Secador 2).

La FIG. 13 es una representación esquemática de un sistema de secado por pulverización según otra realización de la presente divulgación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La presente divulgación se refiere a un aparato y proceso de secado por pulverización en el que se induce una turbulencia localizada en la corriente de fluido de secado para mejorar la producción de producto secado por pulverización de manera ultraeficiente, especialmente cuando se lleva a cabo un secado por pulverización a baja temperatura.

En las instalaciones convencionales de secado por pulverización a alta temperatura, en las que se suministra el fluido de secado al recipiente de secado por pulverización a temperaturas del orden de 180°C-200°C, los inventores de la presente divulgación han determinado que, independientemente de la eficiencia energética según se mide comúnmente en la industria del secado por pulverización, la utilización real de la capacidad de secado del fluido de secado (aire seco) que se suministra al recipiente de secado por pulverización en operaciones comerciales es solo del 10% al 50%. Tal ineficiencia de la capacidad de secado del fluido de secado se manifiesta en un aumento de las concentraciones de humedad residual en el producto de polvo secado por pulverización o como deposición de polvo pegajoso en las paredes del recipiente de secado por pulverización. Esta ineficiencia se ajusta generalmente operando a las temperaturas de secado más altas posibles y/o utilizando procesos de secado posteriores al secado por pulverización, como el secado en lecho fluidizado en línea. Estos procesos de secado secundarios aumentan la complejidad, el costo y la disminución de la eficiencia energética del sistema general de proceso de secado por pulverización.

Como se indica en la exposición de la sección anterior de la presente divulgación, los niveles de temperatura elevados del orden de 180°C-200°C que se utilizan en la práctica convencional de secado por pulverización se reconocen como una limitación significativa para los tipos de materiales que pueden procesarse por secado por pulverización y como un detrimento significativo para el producto secado por pulverización, con respecto a las pérdidas de volatilización del material del producto, la promoción de reacciones químicas degradativas y de descomposición no deseadas, y la reducción de las características de vida útil y estabilidad, así como el aumento de los costes de capital, energía y operativos asociados a la operación a alta temperatura.

Como se indica también en la sección anterior de la presente divulgación, el aparato y proceso de secado por pulverización a baja temperatura descrito en las Patentes de EE. UU. 8,939,388, 9,332,776 y 9,551,527 de ZoomEssence, Inc. representan un avance sustancial en la técnica, permitiendo que el secado por pulverización se lleve a cabo en condiciones de secado por pulverización que incluyen una temperatura de entrada del fluido de secado por debajo de 100°C, e incluso hasta la temperatura ambiente en algunas aplicaciones, utilizando suspensiones de secado por pulverización que tienen una viscosidad superior a aproximadamente 300 mPa.s, un contenido de solvente de suspensión (por ejemplo, agua) que no excede el 50% en peso de la suspensión, y una baja humedad del fluido de secado introducido en el sistema de secado

La invención de la presente divulgación representa un avance adicional en la técnica que es aplicable tanto a las operaciones de secado por pulverización convencionales realizadas a elevadas temperaturas, como a las operaciones de secado por pulverización a baja temperatura (tanto electrostáticas como no electrostáticas) realizadas de acuerdo con las divulgaciones de las patentes de ZoomEssence mencionadas anteriormente, al permitir que dichos sistemas logren una eficiencia ultraalta en las operaciones de secado por pulverización mediante la inducción de turbulencias localizadas en el flujo de fluido de secado que se hace pasar a través del recipiente de secado por pulverización. Tal inducción de turbulencias localizadas permite niveles extraordinariamente altos de transferencia de masa de solvente desde las gotas secadas por pulverización al fluido de secado en la operación de secado por pulverización, lo que permite utilizar volúmenes mínimos de recipiente de secado por pulverización para lograr productos de polvo secado por pulverización, logrando así reducciones de equipo de capital, energía y gastos operativos de una manera sorprendente e inesperada. Tales ventajas son especialmente significativas en las operaciones de secado por pulverización a baja temperatura y permiten que se utilicen sistemas de proceso de secado por pulverización compactos y eficientes de manera notable en operaciones comerciales de alta velocidad de secado por pulverización.

Si bien la divulgación aquí se dirige principalmente al uso del aire como fluido de secado en el aparato y método de secado por pulverización de la divulgación, se reconocerá que se pueden emplear otros fluidos de secado específicos en el aparato y la metodología involucrados. Por ejemplo, el fluido de secado puede comprender oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, nitrógeno, helio, argón, neón, dióxido de carbono, monóxido de carbono u otras especies de fluidos, incluidos fluidos de un solo componente, así como mezclas de fluidos. El fluido de secado puede, en diversas aplicaciones, existir en forma gaseosa o de vapor, y el fluido debe estar constituido para proporcionar una fuerza impulsora de transferencia de masa adecuada para el paso del solvente u otro material volátil deseable desde la pulverización del material secado por pulverización al fluido de secado.

El aparato y el proceso de secado por pulverización de la presente divulgación pueden utilizarse para secar por pulverización cualquier material adecuado que sea susceptible de secarse por pulverización para constituir un producto deseado. El material secado por pulverización puede, por ejemplo, comprender un material alimenticio, un material de bebida, un material de fragancia, un material de pigmento, un material de sabor, un material farmacéutico, un material terapéutico, un material de medicación, un material homeopático, un material biológico, un material probiótico, un material de construcción, un material de formulación, así como cualquier otro material que sea susceptible de secarse por pulverización, y que incluya mezclas, combinaciones y compuestos de dos o más materiales diferentes de tales tipos.

El material susceptible de secarse por pulverización puede ser inicialmente líquido y secarse por pulverización para formar un producto seco. Alternativamente, el material susceptible de secarse por pulverización puede tener una forma sólida o semisólida, que se combina con otros ingredientes para formar una composición susceptible de secarse por pulverización, por ejemplo, ingredientes seleccionados entre disolventes, portadores, adyuvantes, excipientes, tensioactivos, anti-aglomerante, coactivos, humectantes, dispersantes, emulsionantes, estabilizadores, antioxidantes, conservantes, encapsulantes, agentes formadores de poros, endurecedores, incluidas mezclas, compuestos y combinaciones de dos o más ingredientes de estos tipos.

Los disolventes utilizados en las composiciones susceptibles de secarse por pulverización de la presente divulgación pueden ser de cualquier tipo adecuado y pueden incluir, por ejemplo, agua, disolventes inorgánicos, disolventes orgánicos y mezclas, emulsiones, suspensiones y soluciones de los mismos. En varias realizaciones, se pueden emplear disolventes orgánicos, como, por ejemplo, acetona, cloroformo, metanol, cloruro de metileno, etanol, formamida dimetílica (DMF), sulfóxido de dimetilo (DMS), glicerina, acetato de etilo, acetato de n-butilo y mezclas con agua de uno o más de los anteriores. Tales disolventes orgánicos pueden utilizarse, por ejemplo, en el secado por pulverización de composiciones susceptibles de secarse por pulverización que incluyen materiales a base de proteínas. En realizaciones específicas, se puede utilizar ventajosamente un disolvente seleccionado del grupo que consiste en agua, alcoholes y soluciones agua-alcohol.

En varias aplicaciones, el material susceptible de secarse por pulverización será un material sólido que se formula con disolvente y un material portador para formar una composición de emulsión o suspensión susceptible de secarse por pulverización, en la que el disolvente se elimina de las gotas divididas del material secado por pulverización en la operación de secado por pulverización y el material del producto se asocia luego con el material portador en el producto de polvo seco. El material portador puede ser de cualquier tipo adecuado y puede seleccionarse, por ejemplo, entre carbohidratos, proteínas, lípidos, ceras, material celulósico, azúcares, almidones, materiales poliméricos naturales y sintéticos y cualquier otro material que tenga utilidad en asociación con el material del producto en el producto de polvo secado por pulverización. En algunas aplicaciones, el portador puede ser un material encapsulante, de modo que el producto de polvo secado por pulverización incluya el material del producto encapsulado dentro del material portador. Alternativamente, el portador simplemente puede asociarse con el material del producto en el producto de polvo secado por pulverización, por ejemplo, como un sustrato, soporte o matriz asociativa para el material del producto. Entre los portadores preferidos utilizados en las composiciones líquidas pulverizables en los sistemas y procesos de la presente divulgación, se encuentran los portadores de almidón, azúcar y celulosa.

Por lo tanto, las composiciones pulverizables utilizadas en los sistemas y procesos de la presente divulgación pueden ser de cualquier tipo adecuado, y pueden, en ciertas realizaciones comprender suspensiones o emulsiones, o de otro modo estar constituidas como dispersiones sólidas.

En varias aplicaciones de baja temperatura (temperatura del fluido de secado suministrado a la unidad de secado por pulverización <100°C), cuando la composición líquida pulverizable comprende una solución o emulsión de portador, material del producto, y disolvente, la viscosidad del material en la emulsión puede controlarse mediante formulaciones adecuadas de modo que en el momento del secado por pulverización de la composición líquida, la viscosidad se encuentre ventajosamente en un intervalo de 300 mPa-s (1 mPa-s = 1 centipoise) a 28,000 mPa-s o más. En varias otras aplicaciones, la viscosidad puede estar en un rango en el cual el límite inferior del rango puede ser cualquiera de 325, 340, 350, 375, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 y 1000 mPa-s, y el límite superior del rango es mayor que el límite inferior y puede ser cualquiera de 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10,000, 11,000, 12,000, 13,000, 14,000, 15,000, 16,000, 17,000, 18,000, 19,000 y 20,000, siendo útiles en diversas aplicaciones específicas los rangos de viscosidad que comprenden cualquiera de estos límites inferiores y cualquiera de estos límites superiores. Un rango de viscosidad preferido en algunas aplicaciones es de 500 a 16,000 mPa-s, y un rango de viscosidad preferido en otras aplicaciones es de 1000 a 4000 mPa-s.

En diversas aplicaciones de baja temperatura que involucran composiciones líquidas pulverizables en forma de mezclas o emulsiones de portador, material del producto y disolvente, se controla deseablemente la proporción de disolvente dentro de la mezcla o emulsión para que la proporción de disolvente dentro de la solución en la operación de secado por pulverización no exceda el 50% en peso, basado en el peso total de la suspensión (emulsión). Por ejemplo, en diversas aplicaciones, la proporción de disolvente en la suspensión en el paso de secado por pulverización puede ser del 20 al 50% en peso, o del 20 al 45% en peso, o del 20 al 40% en peso, o del 25 al 35% en peso, sobre la misma base de peso total, según corresponda a la operación de secado por pulverización específica y los materiales involucrados.

La temperatura del fluido de secado introducido en la unidad de secado por pulverización en las operaciones de secado por pulverización de baja temperatura de la presente descripción puede ser cualquier temperatura adecuada por debajo de 100°C, medida en la entrada de la unidad de secado por pulverización (típicamente conocida en el estado de la técnica como temperatura de entrada del fluido de secado). En diversas aplicaciones, la temperatura de entrada del fluido de secado puede controlarse para que esté por debajo de 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C o 20°C, según corresponda a la operación de secado por pulverización específica involucrada.

En otras aplicaciones, en las que el aparato y el método de la presente descripción se utilizan en el secado por pulverización a alta temperatura convencional (temperatura del fluido de secado suministrado a la unidad de secado por pulverización del orden de 180-200°C o más), la composición líquida pulverizable que contiene portador, material del producto y disolvente puede tener una viscosidad entre aproximadamente 10 y 200 mPa-s, y puede contener una cantidad de agua del 50 al 70% en peso, basado en el peso total de la suspensión (emulsión).

Se apreciará que la viscosidad y la concentración de disolvente pueden variar ampliamente en aplicaciones específicas, según el régimen de temperatura y otras condiciones y materiales en la operación de secado por pulverización. En general, se prefiere la metodología de secado por pulverización de baja temperatura (electrostática o, alternativamente, no electrostática) de las patentes de ZooinEssence mencionadas anteriormente en la práctica de la presente descripción, ya que dicha metodología de secado por pulverización de baja temperatura utiliza menos disolvente (agua) en la suspensión o emulsión que se seca por pulverización, lo cual a su vez mejora en gran medida el secado a bajas temperaturas, ya que se requiere evaporar sustancialmente menos disolvente en la operación de secado por pulverización. En un marcado contraste con el secado a alta temperatura, el período de tasa "constante" en el secado por pulverización de baja temperatura es muy corto o inexistente debido a la baja concentración inicial de disolvente en la suspensión o emulsión, por lo que el secado está controlado casi desde el principio por difusión desde el núcleo interno de las partículas a través de una capa de secado porosa para producir un producto en polvo seco completamente denso sin regiones huecas ni estructuras de cáscara. El proceso de baja temperatura en el aparato y método de generación de turbulencia localizada de la presente descripción logra un alto gradiente de concentración entre la superficie de las partículas (gotas) pulverizadas y el fluido de secado circundante.

El material en polvo secado por pulverización que se produce mediante el aparato y método de secado por pulverización de la presente descripción puede tener cualquier forma adecuada morfológica y física, incluyendo formas esféricas, esferoidales, poligonales, cúbicas, de varilla, fibrosas, helicoidales, dendríticas y cualquier otra forma espacial, y puede tener cualquier distribución de tamaños de partícula adecuada para el producto en polvo secado por pulverización.

El fluido de secado en el proceso de secado por pulverización de la presente descripción en muchas aplicaciones puede ser aire o comprender aire, y el disolvente en la composición líquida pulverizable puede ser agua u otro medio acuoso, por ejemplo, una solución de agua-alcohol. En general, es deseable que el fluido de secado en el proceso de secado por pulverización esté lo más seco posible, con el fin de maximizar el gradiente de transferencia de masa para la transferencia de disolvente desde las gotas secadas por pulverización hacia el fluido de secado. En la práctica, esto puede implicar el tratamiento del fluido de secado para provocar la condensación de cualquier humedad u otro material condensable presente en el fluido de secado, de modo que se elimine del flujo de fluido que se dirige hacia la unidad de secado por pulverización para el secado de la composición líquida pulverizada en el volumen interior de dicha unidad. En otras aplicaciones, el tratamiento del fluido de secado puede implicar el contacto de dicho fluido con materiales adsorbentes físicos y/o químicos, para eliminar componentes del fluido que puedan ser adversos para el proceso de secado. En aplicaciones en las que el fluido de secado es o comprende aire, y la composición líquida pulverizable es una composición acuosa, es ventajoso controlar la humedad relativa del fluido de secado, de modo que esté por debajo del 20% de humedad relativa, preferiblemente por debajo de al menos uno de 18%, 15%, 12%, 10%, 8%, 5%, 2,5%, 2%, 1,5%, 1% y 0,5% de humedad relativa.

El secado por pulverización de la composición líquida pulverizable puede llevarse a cabo de cualquier manera adecuada que produzca una pulverización de la composición líquida en forma de gotas o partículas líquidas divididas finamente, para proporcionar características apropiadas de superficie y volumen para la operación de secado por pulverización. La generación de la pulverización de la composición líquida pulverizable puede realizarse con cualquier aparato adecuado, incluyendo atomizadores, nebulizadores, dispersores ultrasónicos, dispositivos centrífugos, boquillas u otros dispositivos apropiados. La composición líquida puede ser introducida en el volumen interior de la unidad de secado por pulverización en forma de película líquida o ligamento que se rompe para formar gotas. Se pueden utilizar una amplia variedad de equipos y técnicas para formar la pulverización de la composición líquida en forma de gotas o partículas líquidas finamente divididas. Por lo general, el tamaño y la distribución de las gotas pueden ser bastante constantes para una técnica de secado por pulverización determinada, y pueden estar en un intervalo de 10-300 μm, u otro intervalo adecuado.

El secado por pulverización de acuerdo con la presente descripción puede ser o comprender un secado por pulverización electrostático, en el cual se aplica una carga electrostática a la composición líquida alimentada pulverizable y/o a las partículas húmedas producidas por la pulverización de la composición líquida alimentada (por ejemplo, una suspensión) para producir una pulverización de partículas (gotas) húmedas cargadas electrostáticamente, para un secado mejorado de las partículas como resultado de los efectos electrostáticos. Por lo tanto, la carga electrostática del material pulverizable puede llevarse a cabo antes, durante o después de la atomización del material de alimentación. Se pueden utilizar equipos de pulverización electrostática de diversos tipos en sistemas y operaciones de pulverización electrostática de acuerdo con la presente descripción, por ejemplo, un dispositivo de pulverización electrostática posicionado para introducir una pulverización de la composición líquida pulverizable cargada electrostáticamente en el volumen interior de una unidad de secado por pulverización para entrar en contacto con el fluido de secado en su interior, con la inducción de una turbulencia localizada en la unidad de secado por pulverización, de acuerdo con la presente descripción.

Cuando el secado por pulverización de acuerdo con la presente descripción incluye el secado por pulverización electrostático, se genera una pulverización de la composición líquida de alimentación en la que las partículas de la pulverización (gotas) tienen ventajosamente una carga electrostática adecuada para mejorar la operación de secado por pulverización, en comparación con una operación de secado por pulverización correspondiente en la que no se realiza el secado por pulverización electrostático. Por ejemplo, se puede utilizar un atomizador de pulverización electrostática para aplicar una carga electrostática a las partículas pulverizadas que esté en un intervalo de 0.25 kV a 80 kV, aunque se reconoce que en aplicaciones específicas se puede aplicar una carga electrostática más alta o más baja al material susceptible de secarse por pulverización. En diversas realizaciones, la carga electrostática aplicada a las partículas que se están secando por pulverización puede estar en un intervalo de 0.5 a 75 kV, o de 5 a 60 kV, o de 10 a 50 kV, u otro intervalo adecuado u otro valor específico.

En otras realizaciones de secado por pulverización electrostático realizado de acuerdo con la presente descripción, la alimentación de material pulverizable puede pulverizarse a través de una boquilla electrostática emparejada con una fuente de tensión configurada para aplicar un voltaje conmutado cíclicamente a la boquilla, por ejemplo, entre voltajes altos y bajos que estén dentro de cualquiera de los intervalos de voltaje mencionados anteriormente u otros.

De acuerdo con la presente descripción, se genera una turbulencia localizada en la corriente de fluido de secado que fluye a través de la cámara de secado de la unidad de secado por pulverización, de forma intermitente o continua, para proporcionar perturbaciones en el flujo general del fluido de secado y mejorar la eficiencia de transferencia de masa de la operación de secado, en el contacto del fluido de secado con el líquido pulverizado. La inducción de una turbulencia localizada en la corriente de flujo del fluido de secado se genera mediante la provisión de una multiplicidad de boquillas o inyectores que proporcionan una ráfaga intermitente o sostenida de fluido en la corriente de flujo del fluido de secado para inducir una turbulencia localizada en la corriente de flujo, interrumpiendo así cualquier película estancada de fluido sobre las gotas o partículas líquidas pulverizadas y efectuando una renovación local de la exposición de superficie de las gotas líquidas o partículas, en contacto con la corriente de flujo del fluido de secado.

Para la inducción de una turbulencia localizada en el flujo de fluido de secado, se puede disponer una matriz de boquillas o inyectores dentro y/o sobre el recipiente de secado por pulverización, los cuales inyectan corrientes secundarias de fluido de manera direccional, lo que provoca la creación de una turbulencia localizada. La matriz puede estar dispuesta geométricamente de manera regular o irregular, y las boquillas o inyectores pueden estar orientados de modo que la dirección de inyección del fluido secundario en el flujo principal del fluido de secado sea transversal a la dirección del flujo general del flujo del fluido de secado, u oblicua en relación con dicha dirección del flujo general, u orientada de otra forma para generar la actividad de una turbulencia localizada requerida en el flujo de fluido de secado. El fluido utilizado para inducir esta turbulencia localizada puede ser de cualquier tipo de fluido adecuado, y, por ejemplo, puede ser del mismo tipo de fluido que el flujo principal del fluido de secado, o alternativamente, puede ser de un tipo diferente que sea compatible con el flujo principal del fluido de secado para mejorar la operación de secado. La inyección de corrientes secundarias de fluido puede llevarse a cabo de manera continua en diversas realizaciones, y en otras realizaciones, dicha inyección de corrientes secundarias de fluido puede llevarse a cabo de manera intermitente, es decir, de forma cíclica y repetitiva, como una ráfaga o empuje del fluido secundario en el flujo principal del fluido de secado.

Para dicho propósito, la matriz de boquillas o inyectores puede estar conectada entre sí mediante tuberías, válvulas y colectores adecuados para suministrar el fluido secundario a las boquillas o inyectores, por ejemplo, desde una fuente común o unitaria de fluido secundario. Cada una de las boquillas o inyectores también puede estar conectada operativamente mediante líneas de transmisión de señales a un sistema de control para que las boquillas o inyectores se activen de manera coordinada. Por ejemplo, cada una de las boquillas o inyectores puede activarse en un mismo ciclo temporal, para la inyección transitoria simultánea de fluido secundario en el flujo principal del fluido de secado. Alternativamente, las boquillas o inyectores pueden activarse de manera que solo una parte de ellos se active en un momento particular, es decir, de modo que los grupos respectivos en la matriz se activen de manera secuencial. Así, un primer conjunto de boquillas o inyectores en una ubicación específica se activa para la inyección de fluido secundario en el flujo principal del fluido de secado, después de lo cual se cierra el primer conjunto de boquillas o inyectores y se activa un segundo conjunto de boquillas o inyectores en otra ubicación específica para la inyección de fluido secundario en el flujo principal del fluido de secado, de forma alternante o como parte de una secuencia más amplia de terceros, cuartos, etc. conjuntos de boquillas o inyectores, en la cual cada conjunto se activa transitoriamente a su vez, en la secuencia general.

Dicha matriz de boquillas o inyectores puede ser de carácter relativamente sencillo, involucrando solo dos o varias boquillas o inyectores que operan de manera concurrente o secuencial para la introducción de fluido secundario en el flujo principal del fluido de secado, o la matriz puede incluir numerosas boquillas o inyectores, por ejemplo, una matriz de 5 a 100 boquillas o inyectores, o incluso más, según sea necesario para mejorar la transferencia de masa del solvente desde la composición líquida pulverizada al flujo principal del fluido de secado. Se apreciará por lo tanto que se puede utilizar cualquier número de boquillas o inyectores para la inducción localizada de una turbulencia para mejorar la transferencia de masa en la operación de secado por pulverización, y que la operación de dichas boquillas o inyectores puede ser continua o intermitente, y puede estar parcial o totalmente sincronizada con respecto a porciones o partes de la matriz general, o puede llevarse a cabo de diversas formas asíncronas, según corresponda para lograr la mejora de la operación de secado por pulverización. Por lo tanto, se apreciará que un sistema de control está vinculado operativamente a las boquillas o inyectores individuales de la matriz, donde cada una de las boquillas o inyectores se activa selectivamente en una secuencia adecuada y durante una duración predeterminada, por medio de un sistema de control asociado.

Por lo tanto, el sistema de control puede estar compuesto por una unidad central de procesamiento, microprocesador, microcontrolador, computadora programable general o especializada, controlador lógico programable u otro dispositivo similar, que lleva a cabo un programa de temporizador cíclico. El programa de temporizador cíclico puede estar configurado para transmitir señales de activación a boquillas o inyectores específicos de la multiplicidad de boquillas o inyectores en la matriz, de acuerdo con una secuencia predeterminada de activación para las boquillas o inyectores en la matriz, de manera que las boquillas o inyectores descarguen gas secundario presurizado en el flujo principal del fluido de secado en dicha secuencia predeterminada. Para este propósito, la unidad central de procesamiento (CPU) u otro controlador puede transmitir señales de activación a las boquillas o inyectores respectivos en la matriz según la secuencia a llevar a cabo, donde tales señales de activación pueden, por ejemplo, abrir válvulas en las boquillas o inyectores para permitir el flujo de gas presurizado a través de las boquillas o inyectores y hacia el flujo principal del fluido de secado, mientras que se envían señales de desactivación correspondientes a las boquillas o inyectores respectivos en la matriz para cerrar las válvulas en las boquillas o inyectores y así interrumpir el flujo de gas presurizado a través de ellos hacia el flujo principal del fluido de secado. Las válvulas pueden estar ubicadas en las boquillas o inyectores mismos o pueden estar asociadas con ellos, por ejemplo, en un circuito de flujo de colector que está acoplado a las boquillas o inyectores en la matriz.

En general, se pueden variar ampliamente el tamaño, la forma, el número y la disposición de las boquillas o inyectores en la matriz para lograr una generación óptima de una turbulencia localizada que, a su vez, maximiza la velocidad de secado en el recipiente de secado por pulverización y produce un producto en polvo seco. En este sentido, se pueden determinar arreglos específicos mediante el modelado hidrodinámico del flujo principal del fluido de secado y las introducciones de fluido secundario presurizado en él, para desarrollar matrices específicas de tamaño, forma, número y disposición adecuados de las boquillas o inyectores. Alternativa y/o adicionalmente, el tamaño, la forma, el número y la ubicación de las boquillas o inyectores pueden ser determinados mediante métodos empíricos, utilizando la inyección de fluido secundario presurizado que contiene trazadores, junto con imágenes de alta velocidad del flujo de fluido en la cámara de secado por pulverización y la medición empírica de números de Reynolds localizados y otras variables hidrodinámicas, para determinar experimentalmente un tamaño, forma, número y disposición ventajosos de las boquillas o inyectores en la matriz.

El recipiente de secado por pulverización de la presente descripción utilizado en la práctica puede tener cualquier tamaño, forma y disposición adecuados, teniendo en cuenta que la generación de una turbulencia localizada a través de la inyección de fluido secundario por las boquillas o inyectores logra una mejora sustancial en la eficiencia de secado del recipiente de secado por pulverización en comparación con la eficiencia de secado que se obtendría en ausencia de dicha generación de una turbulencia localizada. Esta mejora permite que el recipiente de secado por pulverización tenga un carácter volumétrico más pequeño de lo que se requeriría en ausencia de dicha generación de una turbulencia localizada. En consecuencia, el aparato y el método de la presente descripción facilitan el uso de recipientes de secado por pulverización más pequeños y compactos que los empleados convencionalmente, lo que permite reducir considerablemente la huella del secador por pulverización y del sistema de proceso en general, al tiempo que la mayor eficiencia de secado proporciona beneficios en términos de costos de equipos, energía y operación del sistema de proceso de secado por pulverización.

Como ayuda para comprender la mejora lograda por el aparato y el método de la presente descripción, resulta instructivo considerar el carácter hidrodinámico de un recipiente de secado por pulverización convencional. En una operación convencional de secado por pulverización a alta temperatura, la geometría típica de un recipiente de secado por pulverización implica un tanque cilíndrico alto que se suministra con aire seco caliente. Una vez que el aire entra en el secador por pulverización, el flujo turbulento del fluido de secado caliente intercambia rápidamente calor y masa con las partículas atomizadas de la emulsión pulverizada. Las partículas, al salir del atomizador, se desplazan a altas velocidades, que pueden estar en el rango de 50 a 150 metros/segundo. Las partículas se frenan rápidamente debido a los efectos de arrastre del aire y se arrastran en el flujo de aire del secador. A medida que las partículas se alejan del atomizador y pierden agua (disolvente) debido a la evaporación, el flujo de aire se vuelve progresivamente menos turbulento y la concentración de agua en las proximidades de la partícula aumenta en promedio debido a la difusividad limitada del vapor de agua en el aire. La velocidad de secado de las partículas se ve impulsada en parte por la diferencia en la concentración de agua en la partícula y en el aire que la rodea inmediatamente. Inicialmente, el gradiente de concentración es muy grande y, a medida que avanza la evaporación desde la superficie de la partícula, el gradiente disminuye, lo que ralentiza la tasa de evaporación y el proceso de secado.

Generalmente, en el volumen interior de un recipiente de secado por pulverización convencional, hay regiones grandes donde la densidad de partículas es baja debido a los patrones de flujo de aire (fluido de secado) y en las cuales el aire tiene una concentración de vapor de agua mucho menor que en otras regiones donde el flujo del fluido de secado contiene altas concentraciones de partículas arrastradas. El resultado de estas heterogeneidades es que las regiones de menor densidad de partículas con aire significativamente más seco no se mezclan con las regiones de mayor densidad de partículas hasta que las partículas y el fluido asociado salen del recipiente de secado por pulverización, momento en el cual las respectivas regiones finalmente se mezclan. Este efluente del recipiente de secado por pulverización generalmente pasa luego a un ciclón u otro dispositivo separador de fluido/sólido, y debido a que el tiempo de contacto desde la salida del recipiente de secado por pulverización hasta el aparato de ciclón es corto, del orden de unos pocos segundos, el efecto de mezcla es insignificante y el aire sale sin ser completamente utilizado. Por lo tanto, en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización, la distribución de partículas es no homogénea y, en consecuencia, la eficiencia general de la operación de secado por pulverización se ve reducida.

La presente descripción aborda estas ineficiencias hidrodinámicas de los sistemas convencionales de secado por pulverización, mejorando la utilización del fluido de secado mediante la introducción de ráfagas o chorros de fluido de secado secundario turbulento y seco a lo largo de la trayectoria del flujo principal de fluido de secado en la cámara de secado por pulverización. Aunque el flujo de fluido de secado en los sistemas convencionales de secado por pulverización suele ser turbulento en el punto de introducción, con cierto grado inherente de mezcla turbulenta asociada, siempre hay efectos de estratificación del flujo, efectos de la pared y anomalías en el comportamiento hidrodinámico del fluido de secado en la cámara de secado por pulverización que producen heterogeneidades en la densidad volumétrica de partículas en el recipiente de secado por pulverización durante la operación de secado por pulverización, lo que resulta en una utilización deficiente del fluido de secado.

El enfoque de la presente descripción, que utiliza ráfagas o chorros de aire turbulento (fluido de secado) para causar una mezcla turbulenta intensa y generalizada en todo el volumen interior del recipiente de secado por pulverización, evita los efectos hidrodinámicos adversos y las anomalías inherentes en las operaciones convencionales de secado por pulverización, mejorando la mezcla de las regiones de flujo de fluido de secado con alta concentración de solvente y partículas con las regiones de flujo de fluido de secado con baja concentración de solvente y partículas, lo que resulta en una mayor difusividad del solvente y otros constituyentes líquidos de la composición líquida pulverizada en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización.

En un proceso de secado por pulverización realizado de acuerdo con la presente descripción, en el que se efectúa la inyección transitoria de un fluido de secado secundario presurizado, el chorro o ráfaga transitoria de fluido de secado introduce una masa de fluido seco turbulento que se desplaza y se mezcla con el flujo de fluido cargado de partículas que circula en la cámara de secado por pulverización. La región turbulenta resultante afectada por esta inyección de fluido secundario altera la difusión de las especies moleculares de manera fundamental, y el flujo de alta velocidad producido por la boquilla o inyector introduce un comportamiento de flujo caótico en el que la velocidad de difusión molecular aumenta sustancialmente. La difusividad turbulenta puede ser de un orden de magnitud mayor que la difusividad bajo condiciones no turbulentas. En consecuencia, las partículas en las regiones turbulentas creadas por las boquillas o inyectores experimentarán una velocidad de secado aumentada debido a la difusividad incrementada de las regiones turbulentas localizadas. Dicha turbulencia reduce rápidamente la concentración del solvente en las regiones que rodean a las partículas que se están secando, incrementando los gradientes de concentración y permitiendo lograr velocidades de secado sustancialmente más altas. Una ventaja adicional de las ráfagas turbulentas es el enfriamiento acelerado de las partículas cuando el fluido secundario que se inyecta se encuentra a baja temperatura, por ejemplo, a temperatura ambiente. Este efecto de enfriamiento es importante cuando los materiales que se están secando tienen una temperatura de transición vítrea baja.

Haciendo referencia a los dibujos, la FIG. 1 es una representación esquemática de un sistema de proceso de secado por pulverización 10 según una realización de la presente descripción.

Como se muestra, el sistema de proceso de secado por pulverización 10 comprende un secador por pulverización 12 que incluye un recipiente de secado por pulverización 14 con una porción cilíndrica superior 18 y una porción inferior cónica 16 convergente hacia abajo. En esta realización, el recipiente de secado por pulverización 14 está equipado con una matriz de jets de ráfagas 20 instalados en dos filas separadas longitudinalmente y extendidas circunferencialmente, en las cuales cada chorro turbulento está espaciado circunferencialmente de las jets de ráfagas adyacentes en la fila. Cada uno de los jets de ráfagas en las filas respectivas está dispuesta para recibir fluido secundario de secado a través de las líneas de alimentación de fluido secundario 24 asociadas con la estructura fuente 22, que puede extenderse circunferencialmente alrededor del recipiente de secado por pulverización 14, de modo que cada jet de ráfagas está conectado con una línea de alimentación de fluido secundario 24 de la misma manera que los jets de ráfagas mostradas en los lados opuestos del recipiente de secado por pulverización 14 en el sistema tal como se muestra en la FIG. 1.

La estructura fuente de fluido secundario 22 se representa esquemáticamente, pero puede estar constituida por tuberías, válvulas y colectores adecuados asociados con un tanque de suministro de fluido secundario, bombas, compresores u otros dispositivos motores que generen un flujo de fluido secundario de secado presurizado introducido en los jets de ráfagas 20 a través de las líneas de alimentación de fluido secundario 24.

En el extremo superior del recipiente de secado por pulverización 14, se proporciona una entrada 26 en la que se hace fluir la composición líquida apta para ser secada por pulverización en el recipiente de secado por pulverización 14 a través de la línea de alimentación de composición líquida 40 bajo la acción de la bomba de composición líquida 38, que recibe la composición líquida en la línea de suministro de composición líquida 36 desde el recipiente de suministro de composición líquida 28. La composición líquida para secar por pulverización puede formularse en el recipiente de suministro de composición líquida 28, al cual se le pueden suministrar ingredientes de la composición líquida para mezclar en su interior, por ejemplo, bajo la acción de un dispositivo mezclador dispuesto internamente en el recipiente de suministro de composición líquida 28 (no mostrado en la FIG. 1). Dicho dispositivo mezclador puede ser o incluir un mezclador mecánico, un mezclador estático, un mezclador ultrasónico u otro dispositivo que efectúe la mezcla y homogeneización de la composición líquida que posteriormente será secada por pulverización.

Por ejemplo, cuando la composición líquida a ser secada por pulverización es una suspensión o emulsión de disolvente, material portador y material del producto, el disolvente puede suministrarse al recipiente de suministro de composición líquida 28 desde un recipiente de suministro de disolvente 30, el material portador puede suministrarse al recipiente de suministro de composición líquida 28 desde un recipiente de suministro de material portador 32, y el material del producto puede suministrarse al recipiente de suministro de composición líquida 28 desde un recipiente de suministro de material del producto 34, como se muestra.

Así, la composición líquida a ser secada por pulverización fluye desde el recipiente de suministro de composición líquida 28 a través de la línea de suministro de composición líquida 36 hacia la bomba 38, y luego fluye bajo la acción de dicha bomba a través de la línea de alimentación de composición líquida 40 hasta la entrada 26 del recipiente de secado por pulverización 14, donde se encuentra un dispositivo de pulverización, como un atomizador o una boquilla, dispuesto en la región de entrada del volumen interior del recipiente de secado por pulverización. Al mismo tiempo, el fluido principal de secado fluye a través de la línea de alimentación de fluido principal de secado 70 hacia la entrada 26 del recipiente de secado por pulverización 14, para circular a través del volumen interior del recipiente de secado por pulverización desde su porción cilíndrica superior 18 hasta su porción cónica inferior 16, en cuyo extremo inferior el producto en polvo seco y el fluido de secado de efluente fluyen hacia la línea de efluente 42. Durante el flujo del fluido principal de secado a través del volumen interior del recipiente de secado por pulverización 14, los jets de ráfagas 20 se activan selectivamente para introducir fluido secundario de secado a una presión y caudal adecuados, a fin de inducir una turbulencia localizada en el volumen interior y en el flujo del fluido de secado, para mejorar la transferencia de masa y la eficiencia de secado del recipiente de secado por pulverización.

El producto en polvo seco y el fluido de secado de efluente que fluyen en la línea de efluente 42 pasan al separador ciclónico 44, donde los sólidos en polvo secos se separan del fluido de secado de efluente, y los sólidos separados pasan a través de la línea de alimentación del producto 46 hacia el recipiente de recolección 48 del producto en polvo seco. El producto en polvo seco en el recipiente de recolección 48 puede ser envasado en dicho recipiente, o puede ser transportado a una instalación de envasado (no mostrada en la FIG. 1), donde se envasa el producto en polvo seco recolectado en bolsas, recipientes u otros envases para su envío y uso final.

El fluido de secado de efluente separado del producto en polvo seco en el separador ciclónico 44 fluye a través de la línea de alimentación de fluido de efluente 50 hacia el filtro de mangas 52, donde se eliminan las partículas residuales arrastradas en el fluido de efluente, lo que produce un fluido de efluente libre de partículas que luego se dirige a través de la línea de transferencia de fluido de efluente 54 hacia el soplador 56. Desde el soplador, el fluido de efluente fluye a través de la línea de descarga del soplador 58 hacia el condensador 60, donde el fluido de efluente se somete a un acondicionamiento térmico según sea necesario. El fluido de efluente acondicionado térmicamente luego fluye a través de la línea de recirculación 62 hacia el soplador 64, desde donde el fluido de efluente reciclado fluye a través de la línea de descarga de la bomba 66 hacia el deshumidificador 68, donde se elimina el vapor residual del solvente para ajustar la humedad relativa y las características de punto de rocío del fluido de secado a niveles apropiados para la operación de secado por pulverización. El fluido de secado deshumidificado luego fluye a través de la línea de alimentación principal de fluido de secado 70 hacia la entrada 26 del recipiente de secado por pulverización 14, tal como se describió anteriormente. El deshumidificador puede estar construido y dispuesto de diversas formas para proporcionar tanto el fluido de secado principal como el fluido de secado secundario al recipiente de secado por pulverización 14 con una humedad relativa y una característica de punto de rocío predeterminadas, o se pueden proporcionar múltiples deshumidificadores en el sistema de secado por pulverización con ese propósito.

La FIG. 2 es una representación esquemática, en vista en sección, de una parte del sistema del proceso de secado por pulverización de la FIG. 1, que muestra la acción de la inducción de una turbulencia localizada en el recipiente de secado por pulverización del sistema.

Como se muestra, la entrada 26 del secador por pulverización 14 incluye una pared superior 80 sobre la cual se encuentra la entrada 26, que recibe el fluido principal de secado en la línea de alimentación principal de fluido de secado 70, y la composición líquida a ser secada por pulverización en la línea de alimentación de composición líquida 40. En la entrada, la composición líquida a ser secada por pulverización introducida fluye hacia la boquilla atomizadora 88 que se extiende a través de la pared superior 80, y se descarga en el extremo inferior abierto de dicha boquilla como una pulverización atomizada 76 de gotas líquidas 84 que caen a través del volumen interior del recipiente de secado por pulverización 14, en la dirección indicada por la flecha A, mientras se ponen en contacto con el fluido principal de secado introducido desde la línea de alimentación principal de fluido de secado 70 hasta la entrada 26, para fluir a través de las aberturas 82 en la pared superior 80, con el fluido principal de secado luego fluyendo hacia abajo según se indica por las flechas 78, de modo que el fluido principal de secado introducido de manera simultánea y las gotas líquidas atomizadas 84 se ponen en contacto entre sí.

Durante dicho contacto del fluido principal de secado y las gotas de la composición líquida atomizada, el jet de ráfagas 20 se activa mediante una señal de activación transmitida en la línea de transmisión de señal 202 desde la CPU 200, para iniciar la inyección de fluido secundario de secado suministrado en la línea de alimentación de fluido secundario 24 desde la boquilla distal 72 del jet de ráfagas, para introducir un flujo inyectado turbulento 74 de fluido secundario de secado que, en interacción con el flujo del fluido principal de secado, crea una región de turbulencia localizada 86 en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización 14, para mejorar la transferencia de masa y la eficiencia de secado.

La CPU 200 puede ser programada y configurada de forma intermitente, cíclica y repetitiva para activar el jet de ráfagas 20, proporcionando una serie de ráfagas de fluido de secado secundario turbulento en el flujo principal de fluido de secado, que mezclan de manera disruptiva e intensiva el fluido de secado con las gotas de composición líquida atomizada. Otros de los múltiples jets de ráfagas asociados con el recipiente de secado por pulverización 14 pueden ser activados de forma sincrónica o asincrónica en relación con el jet de ráfagas 20, en cualquier patrón y programa de tiempo adecuados de "disparos" de jets de ráfagas individuales en el sistema global.

La FIG. 3 es una representación gráfica de las trayectorias de las partículas en un secador por pulverización con atomizador rotatorio de entrada tangencial, calculadas mediante dinámica de fluidos computacional, que ilustra el movimiento de las partículas hacia la pared exterior del secador, dejando un volumen sustancial sin partículas en ausencia de la instigación del jet de ráfagas para generar una turbulencia localizada de acuerdo con la presente descripción.

El recipiente de secado por pulverización utilizado en esta representación tiene una geometría cilíndrica con una entrada de aire tangencial, en el cual las partículas de la composición líquida pulverizable se atomizan mediante un atomizador giratorio ubicado en la parte superior central del recipiente de secado por pulverización. Las partículas liberadas por el atomizador viajan inicialmente hacia afuera de manera radial hasta que son frenadas por la resistencia del aire, quedando atrapadas en el campo de flujo del recipiente de secado por pulverización. Estas partículas son empujadas por este flujo a través del volumen interior del recipiente de secado por pulverización y salen por el puerto de descarga inferior del recipiente de secado por pulverización.

En este tipo de geometría, la región central del volumen interior del recipiente de secado por pulverización presenta una baja densidad de partículas debido a la acción del flujo de aire y la aceleración centrípeta sobre las partículas. El aire (fluido de secado) en esta región también tiene una concentración de vapor de agua mucho menor que el flujo con las partículas arrastradas. La mayor parte de esta región central de aire considerablemente más seco no se mezcla con la región externa del flujo donde están las partículas arrastradas hasta que sale del recipiente de secado por pulverización, momento en el cual finalmente se mezcla con el aire cargado de partículas. Sin embargo, debido a que el tiempo de contacto desde la salida del recipiente de secado por pulverización hasta la unidad de ciclón es corto, del orden de unos pocos segundos, el efecto de mezcla es insignificante y el aire sale sin haber sido completamente utilizado. Se pueden observar también efectos similares en geometrías de recipientes de secado por pulverización de flujo de aire vertical, en las cuales la distribución de partículas en todo el volumen del secador tampoco es muy homogénea.

Al utilizar una serie de jets de ráfagas de acuerdo con la presente descripción, la falta de homogeneidad descrita anteriormente en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización se puede minimizar e incluso eliminar, logrando aumentos del orden de magnitud en la difusividad en regiones que, en ausencia de generación de una turbulencia localizada, serían ampliamente subutilizadas en términos de la capacidad de secado del fluido de secado en dichas regiones.

La FIG. 4 es una representación gráfica de una simulación de dinámica de fluidos computacional del efecto en la difusividad total causado por ráfagas turbulentas introducidas en el flujo de aire en un conducto rectangular, 1.5 segundos después de que ocurra la ráfaga. La gráfica muestra la evolución de la difusividad total a lo largo de un plano vertical central del conducto un segundo y medio después de la ocurrencia de las ráfagas. Las ráfagas se introdujeron en el momento t = 1 segundo. El aire ingresa desde el extremo izquierdo del conducto y sale por el extremo derecho. Las ráfagas turbulentas se introducen mediante dos boquillas ubicadas en la parte superior del conducto a lo largo de la línea central longitudinal. Las ráfagas se dirigen perpendicularmente respecto al flujo principal. Este perfil de difusividad persiste durante hasta 5 segundos, propagándose a lo largo del conducto.

La FIG. 4 muestra, mediante el uso de la dinámica de fluidos computacional, el efecto de la turbulencia en la difusividad para dos jets, cada uno inyectando un chorro de aire de alta velocidad en un conducto rectangular lineal con flujo de aire a una velocidad lineal de 1 metro/segundo. Los jets se encienden un segundo después de establecer el flujo en el conducto. Las ráfagas tienen una duración de un segundo, introduciendo un flujo de alta velocidad en ángulo recto al flujo principal que viaja por el conducto, lo que produce una región de turbulencia en el flujo. En la región turbulenta, la difusividad aumenta en más del 50%, como se muestra en la FIG. 4. En la introducción inicial de la ráfaga, la difusividad aumentó en un orden de magnitud. Este efecto también aumentará la velocidad de secado en casi un orden de magnitud en las regiones afectadas, mejorando drásticamente la utilización del aire de proceso seco y mejorando la eficiencia energética general del proceso. Los efectos turbulentos persisten durante un período de tiempo prolongado, del orden de varios segundos, mucho más tiempo que la duración del pulso de presión que produjo la ráfaga. La extensión espacial de la ráfaga aumenta linealmente con la distancia recorrida, como se ilustra en la FIG. 4. El volumen de la ráfaga también escala como el cubo del ancho de la ráfaga, lo que permite que los efectos afecten cada vez más el volumen completo del flujo en la cámara de secado por pulverización.

De esta manera, al colocar una serie de boquillas de inyección de aire alrededor de la circunferencia de un recipiente de secado por pulverización y activar periódicamente las boquillas, las partículas de polvo en estas regiones turbulentas experimentarán gradientes de concentración más altos y tasas de secado más altas. La región espacial extendida de la mezcla turbulenta creada por las ráfagas permitirá una mezcla más completa y continua del aire y las partículas en todo el volumen de la cámara de secado por pulverización. Una ventaja adicional de los jets turbulentos, como se discutió, es el enfriamiento acelerado de las partículas mediante la inyección de aire a temperatura ambiente antes de salir del secador, de particular importancia cuando el material que se está secando tiene una temperatura de transición de fase baja. Este método de introducción de mezcla turbulenta intencional no se ha utilizado previamente, hasta donde sabemos, en procesos de secado por pulverización y representa una utilización novedosa de los efectos turbulentos para aumentar significativamente la eficiencia del proceso de secado por pulverización de una manera que no se ha apreciado previamente en la industria de secado por pulverización.

La FIG. 5 es una representación esquemática de un aparato de secado por pulverización según una realización de la presente descripción, que presenta una serie de boquillas de mezcla turbulenta en la pared de la cámara de secado por pulverización, configuradas para inyectar ráfagas de aire turbulento transitorio e intermitente en el flujo principal de fluido de secado en la cámara de secado por pulverización.

Como se ilustra en la FIG. 5, el aparato de secado por pulverización 300 incluye una pared cilíndrica 302 que en su extremidad superior está fijada a una pared superior circular 304 que tiene una abertura central para acomodar un atomizador de pulverización (no mostrado en la FIG. 5) para pulverizar una emulsión atomizada en el volumen interior de la cámara de secado por pulverización delimitado por dichas paredes cilíndricas y superiores. El aparato de secado por pulverización también incluye una pared inferior troncocónica 308 que en su extremo inferior se une a un conducto cilíndrico 312, que puede estar provisto de un sello de aire u otro elemento de cierre que se puede abrir selectivamente para extraer el material seco del aparato.

El aparato de secado por pulverización encierra así un volumen interior para proporcionar una cámara de secado por pulverización en la cual las partículas atomizadas de la emulsión rociada entran en contacto con el aire de secado, que se introduce en la cámara a través del conducto de entrada de aire 306 en la porción superior del secador por pulverización. El secador por pulverización en la porción superior de la pared troncocónica308 está provisto de un conducto de extracción 310 a través del cual la mezcla de aire de secado/partículas puede ser descargada desde la cámara de secado por pulverización y conducida a un ciclón para la separación de líquido/sólido.

La pared cilindrica 302 está provista de filas 316, 318 y 320 de boquillas de inyección de aire turbulento 322 espaciadas axialmente. En cada una de las filas, las boquillas están espaciadas circunferencialmente alrededor de toda la circunferencia de la pared. En esta disposición, las boquillas se disponen en un patrón circular con espacios intermedios de manera que el área espacial de cada boquilla se superpone en cierta medida con el área espacial de la siguiente boquilla adyacente en la matriz. Las boquillas en la segunda fila 318 están desplazadas por un ángulo adecuado en relación con las boquillas en la primera y tercera fila para mejorar la cobertura volumétrica del fluido turbulento inyectado.

Las boquillas se representan como elementos tubulares en la representación esquemática de la FIG. 5, para facilitar la referencia, pero se apreciará que cada una de las boquillas está acoplada en comunicación de flujo de gas con una fuente de aire a presión. Este acoplamiento puede lograrse mediante un conducto colector que rodea la pared cilíndrica 302 y que está conectado al extremo externo (próximo) de la boquilla, de modo que las boquillas constituyen ramas del circuito de flujo colector. Las boquillas individuales pueden estar provistas de válvulas de control de flujo equipadas con actuadores neumáticos u otros tipos, de manera que se pueda mantener aire a alta presión en el conducto colector e inyectar, al abrirse la válvula en la boquilla individual, en el volumen interior de la cámara de secado por pulverización. En tal disposición, los actuadores de las respectivas válvulas de control de flujo pueden estar acoplados a un aparato de temporizador cíclico, por ejemplo, una unidad central de procesamiento (CPU), microprocesador, unidad lógica programable u otro dispositivo, para abrir cíclica y repetitivamente las válvulas en las respectivas boquillas y así efectuar una ráfaga de aire inyectado desde las boquillas en sus extremos próximos, con el dispositivo de control que hace que los actuadores de las válvulas cierren las válvulas al final de la duración deseada de la operación de inyección de aire. La boquilla puede tener un único orificio o estar compuesta por un conjunto de orificios, siendo seleccionado el tamaño del orificio para garantizar una penetración adecuada de las ráfagas de aire inyectado en el volumen interior del secador por pulverización.

En una realización ilustrativa, cada una de las boquillas puede tener una duración de dispensación de fluido "encendido" en un rango de 0.1 a 100 segundos. En otras realizaciones, la duración de dicho tiempo "encendido" puede estar en un rango de 0.1 a 60 segundos. La presión de excitación aplicada a la boquilla en estado "encendido" puede tener cualquier valor adecuado y, por ejemplo, puede ser una presión en un rango de 0.07 a 13.8 bar (1 a 200 psi), con una velocidad de flujo volumétrico de 0.0283 a 2.83 m3 (1 a 100 ft3) por minuto, según corresponda al tamaño específico del secador por pulverización y sin perturbar el patrón de flujo de aire principal del secador por pulverización. El ciclo de trabajo de las boquillas puede variar desde 0% hasta 100%, dependiendo del flujo de aire del secador. Las boquillas pueden ser excitadas individualmente o encendidas en configuraciones configuradas especialmente, o todas excitadas simultáneamente según sea necesario para una operación específica del secador. Por ejemplo, el secador por pulverización ilustrado en la FIG. 5 puede operar con todas las boquillas encendidas simultáneamente y posteriormente apagadas simultáneamente después de una duración de encendido de 1 segundo. Luego, las boquillas permanecen apagadas durante un período de 5 segundos, tras lo cual se repite el ciclo. El intervalo entre el estado "apagado" y el siguiente estado "encendido" se determina principalmente por el tiempo que tarda en ocurrir el amortiguamiento de la turbulencia inducida localizada.

El tiempo y la duración específicos de las respectivas partes "encendidas" y "apagadas" del proceso cíclico de inyección de aire durante el secado por pulverización de material emulsionado en el secador por pulverización pueden determinarse empíricamente por aquellos expertos en la técnica, basándose en la divulgación aquí presente, por ejemplo, mediante modelado hidrodinámico y/o despliegue de boquillas en un patrón seleccionado en la cámara de secado por pulverización y determinación de las características relevantes del material pulverizado descargado de la cámara para diferentes ciclos específicos de inyección de aire.

Por lo tanto, la presente divulgación representa un avance importante en el arte del secado por pulverización de composiciones líquidas susceptibles de secarse por pulverización para formar un producto secado por pulverización, de manera ultraeficiente.

Por lo tanto, la presente divulgación puede implementarse utilizando un método de procesamiento de una composición líquida susceptible de secarse por pulverización para formar un producto secado por pulverización, que comprende: generar una pulverización de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización; poner en contacto la pulverización de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización en una zona de contacto de secado por pulverización con un flujo de fluido de secado primario; inyectar un fluido de secado secundario a presión en el flujo de fluido de secado primario en la zona de contacto de secado por pulverización en múltiples lugares para proporcionar una turbulencia localizada en dichos lugares múltiples; y recuperar el producto secado por pulverización de la zona de contacto de secado por pulverización. Este método puede implementarse además con una o más de las siguientes características (A)-(S), en la medida en que dichas características múltiples sean compatibles entre sí:

(A) el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se introducen en la zona de contacto de secado por pulverización a una temperatura inferior a 100°C y superior a la temperatura de congelación del solvente en la composición líquida susceptible de secarse por pulverización;

(B) la inyección se realiza de manera continua durante el contacto;

(C) la inyección se realiza de manera intermitente durante el contacto;

(D) la inyección se lleva a cabo según un programa de inyección predeterminado, de manera cíclica y repetitiva; (E) el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se seleccionan independientemente del grupo que consiste en aire, oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, nitrógeno, helio, argón, neón, dióxido de carbono, monóxido de carbono y combinaciones de dos o más de los anteriores;

(F) el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario son ambos aire;

(G) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende al menos un material de producto seleccionado del grupo que consiste en materiales alimentarios, materiales para bebidas, materiales de fragancia, materiales de pigmento, materiales de sabor, materiales farmacéuticos, materiales terapéuticos, materiales medicinales, materiales homeopáticos, materiales biológicos, materiales probióticos, materiales de construcción, materiales de formulación y mezclas, combinaciones, compuestos y combinaciones de dos o más materiales diferentes de los anteriores;

(H) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende al menos un ingrediente seleccionado del grupo que consiste en disolventes, vehículos, adyuvantes, excipientes, surfactantes, antiaglomerantes, agentes anticompactantes, ingredientes coactivos, agentes humectantes, dispersantes, emulsionantes, estabilizantes, antioxidantes, conservantes, encapsulantes, agentes formadores de poros, endurecedores y mezclas, combinaciones, compuestos y combinaciones de dos o más ingredientes de los anteriores;

(I) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende una composición acuosa;

(J) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende un disolvente seleccionado del grupo que consiste en agua, alcohol y soluciones acuosas de alcohol;

(K) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende al menos un portador, por ejemplo, seleccionado del grupo que consiste en carbohidratos, proteínas, lípidos, ceras, materiales celulósicos, azúcares, almidones y materiales poliméricos naturales y sintéticos.

(L) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización tiene una viscosidad en un rango de 300 mPa-s a 28,000 mPa-s, por ejemplo, de 500 mPa-s a 16,000 mPa-s, o más específicamente de 1000 mPa-s a 4000 mPa-s; (M) la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende del 20 al 50% en peso de disolvente, basado en el peso total de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización;

(N) el disolvente comprende agua;

(O) el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se introducen en la zona de contacto de secado por pulverización a una temperatura inferior a al menos una de las siguientes temperaturas: 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C y 20°C, y dicha temperatura está por encima de la temperatura de congelación del disolvente en la composición líquida susceptible de secarse por pulverización; (P) el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se introducen en la zona de contacto de secado por pulverización a una humedad relativa inferior al 20%;

(Q) el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se introducen en la zona de contacto de secado por pulverización a una humedad relativa inferior a al menos uno de los siguientes valores: 18%, 15%, 12%, 10%, 8%, 5%, 2.5%, 2%, 1.5%, 1% y 0.5% de humedad relativa;

(R) la pulverización de la composición líquida susceptible de secarse por pulverización comprende gotas con un tamaño en un rango de 10 a 300 μm; y

(S) la inyección se controla con un sistema de control que ejecuta un programa de temporizador cíclico predeterminado.

En varios modos de realización, se puede utilizar un sistema de secado por pulverización de acuerdo con la presente descripción, y consta de: un recipiente de secado por pulverización que incluye un volumen interior para el contacto de una composición líquida pulverizable con un flujo de fluido de secado primario, dicho recipiente incluye un dispositivo de pulverización posicionado para introducir una pulverización de la composición líquida pulverizable en el volumen interior para dicho contacto, una entrada para la introducción del fluido de secado primario al volumen interior y una salida para descargar el producto pulverizado por pulverización y el fluido de secado de desecho del volumen interior; y una multiplicidad de inyectores de fluido secundario construidos y dispuestos para introducir un fluido secundario presurizado en el volumen interior en condiciones de flujo que proporcionan una turbulencia localizada en el flujo de fluido de secado primario en el volumen interior en múltiples lugares del flujo de fluido de secado primario. Tal sistema de secado por pulverización puede ser implementado, en diversas configuraciones, que incluyen cualquiera de las siguientes características (A)-(X), en la medida en que dichas características múltiples sean compatibles entre sí:

(A) la multiplicidad de inyectores de fluido secundario están montados en el recipiente de secado por pulverización en una disposición en forma de matriz;

(B) el recipiente de secado por pulverización incluye una porción cilíndrica en la que se monta la matriz de inyectores de fluido secundario;

(C) la matriz de inyectores de fluido secundario comprende al menos una fila de inyectores de fluido secundario que se extiende circunferencialmente, en la que cada inyector de fluido secundario en cada fila está espaciado circunferencialmente con respecto a los inyectores de fluido secundario adyacentes en dicha fila, y en la que múltiples filas, cuando están presentes, están espaciadas axialmente con respecto a un eje central del recipiente de secado por pulverización;

(D) cada uno de los inyectores de fluido secundario de la multiplicidad de inyectores de fluido secundario es accionado para la inyección de fluido secundario por un sistema de control;

(E) el sistema de control está construido y dispuesto para ejecutar un programa de temporizador cíclico para el accionamiento de los inyectores de fluido secundario.

(F) cada uno de los múltiples inyectores de fluido secundario es susceptible de accionarse para suministrar un impulso transitorio de fluido secundario al volumen interior del recipiente de secado por pulverización;

(G) uno o varios de la multiplicidad de inyectores de fluido secundario son susceptibles de accionarse por el sistema de control para suministrar un impulso transitorio de fluido secundario al volumen interior del recipiente de secado por pulverización, mientras que otros inyectores de fluido secundario seleccionados de la multiplicidad se desactivan, en una secuencia predeterminada en la que cada uno de los inyectores de fluido secundario se acciona intermitentemente en la secuencia predeterminada;

(H) cada uno de los múltiples inyectores de fluido secundario es susceptible de accionarse para suministrar continuamente fluido secundario al volumen interior del recipiente de secado por pulverización durante su funcionamiento;

(I) un circuito de flujo que recibe el producto pulverizado por pulverización y el fluido de secado de desecho desde la salida del recipiente de secado por pulverización, conteniendo dicho circuito de flujo un separador de fluido/sólidos construido y dispuesto para separar el producto pulverizado por pulverización del fluido de secado de desecho, y un deshumidificador configurado para secar el fluido de secado de desecho, del cual se ha separado el producto secado por pulverización, hasta un grado predeterminado, donde dicho circuito de flujo está construido y dispuesto para reciclar el fluido de secado, después de haber sido secado por el deshumidificador, hacia la entrada del recipiente de secado por pulverización, como al menos parte del fluido de secado primario introducido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización;

(J) una fuente de fluido de secado primario construida y dispuesta para suministrar fluido de secado primario al recipiente de secado por pulverización a una temperatura inferior a 100°C y superior a la temperatura de congelación del disolvente en la composición líquida pulverizable;

(K) un sistema de control construido y dispuesto para el funcionamiento de los múltiples inyectores de fluido secundario;

(L) una fuente de fluido de secado primario y una fuente de fluido de secado secundario;

(M) cada una de las respectivas fuentes de fluido de secado primario y fluido de secado secundario contiene independientemente un fluido seleccionado del grupo que consiste en aire, oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, nitrógeno, helio, argón, neón, dióxido de carbono, monóxido de carbono y combinaciones de dos o más de los anteriores;

(N) una fuente de la composición líquida pulverizable.

(O) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable que comprende al menos un material de producto seleccionado del grupo que consiste en materiales alimentarios, materiales de bebidas, materiales de fragancias, materiales de pigmentos, materiales de saborizantes, materiales farmacéuticos, materiales terapéuticos, materiales medicinales, materiales homeopáticos, materiales biológicos, materiales probióticos, materiales de construcción, materiales de formulación y mezclas, combinaciones, compuestos y combinaciones de dos o más materiales diferentes de los mencionados anteriormente;

(P) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable que comprende al menos un ingrediente seleccionado del grupo que consiste en disolventes, portadores, adyuvantes, excipientes, surfactantes, antiaglomerantes, agentes anticoagulantes, ingredientes coactivos, agentes humectantes, dispersantes, emulsionantes, estabilizantes, antioxidantes, conservantes, encapsulantes, agentes formadores de poros, endurecedores y mezclas, combinaciones, compuestos y combinaciones de dos o más ingredientes de los mencionados anteriormente;

(Q) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable acuosa;

(R) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable que comprende al menos un portador seleccionado del grupo que consiste en carbohidratos, proteínas, lípidos, ceras, materiales celulósicos, azúcares, almidones y materiales poliméricos naturales y sintéticos;

(S) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable con una viscosidad en un rango de 300 mPa-s a 28,000 mPa-s;

(T) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable con una viscosidad en un rango de 500 mPa-s a 16,000 mPa-s;

(U) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable con una viscosidad en un rango de 1000 mPa-s a 4000 mPa-s.

(V) la fuente de la composición líquida pulverizable contiene una composición líquida pulverizable que comprende del 20% al 50% en peso de disolvente, en base al peso total de la composición líquida pulverizable;

(W) una fuente de fluido de secado primario construida y dispuesta para proporcionar fluido de secado primario al recipiente de secado por pulverización a una temperatura por debajo de al menos 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C y 20°C, y donde dicha temperatura del fluido de secado primario está por encima de la temperatura de congelación del disolvente en la composición líquida pulverizable, y que comprende una fuente de fluido de secado secundario construida y dispuesta para proporcionar fluido de secado secundario al recipiente de secado por pulverización a una temperatura por debajo de al menos 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C y 20°C, y donde dicha temperatura del fluido de secado secundario está por encima de la temperatura de congelación del disolvente en la composición líquida pulverizable;

(X) un deshumidificador construido y dispuesto para suministrar el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario al volumen interior del recipiente de secado por pulverización a una humedad relativa por debajo de 20%, por ejemplo, un deshumidificador construido y dispuesto para suministrar el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario al volumen interior del recipiente de secado por pulverización a una humedad relativa por debajo de al menos 18%, 15%, 12%, 10%, 8%, 5%, 2%, 1%, 0.1% y 0.05%.

En varias realizaciones, se puede utilizar un aparato de secado por pulverización que comprende: una cámara de secado por pulverización con un volumen interior configurado para la introducción de material pulverizable en el volumen interior para su secado, y la descarga del material seco y del fluido de secado desde la cámara; una entrada de fluido de secado primario configurada para introducir fluido de secado primario en el volumen interior de la cámara para el contacto con el material pulverizable en el volumen interior, para proporcionar un flujo de fluido de secado primario a través del volumen interior; y una pluralidad de entradas de fluido de secado secundario configuradas para la inyección intermitente de fluido de secado secundario en el flujo de fluido de secado primario para generar una turbulencia localizada transitoria en el flujo de fluido de secado primario, o alternativamente para la inyección continua de fluido de secado secundario en el flujo de fluido de secado primario, para mejorar el secado del material pulverizable en el volumen interior de la cámara.

En dicho aparato de secado por pulverización, la pluralidad de entradas de fluido de secado secundario puede comprender entradas de fluido de secado secundario dispuestas en una disposición espaciada circunferencialmente alrededor de una pared circundante de la cámara de secado por pulverización. En diversas realizaciones, la pluralidad de entradas de fluido de secado secundario puede comprender múltiples filas verticalmente espaciadas de entradas de secado secundario en la pared circundante de la cámara de secado por pulverización. Las entradas de secado secundario en tales realizaciones pueden estar desplazadas circunferencialmente en relación entre sí en filas sucesivamente espaciadas verticalmente.

El aparato de secado por pulverización, tal como se describe de diversas maneras anteriormente, puede incluir un ensamblaje de fluido de secado secundario acoplado con las entradas de secado secundario y configurado para introducir fluido de secado secundario de acuerdo con un programa de tiempo de ciclo predeterminado.

El fluido de secado primario y el fluido de secado secundario pueden ser iguales o diferentes entre sí, y pueden comprender aire u otro fluido adecuado para la operación y el aparato de secado por pulverización específicos.

El aparato de secado por pulverización, tal como se describe de diversas maneras anteriormente, puede incluir además una fuente de material pulverizable dispuesta en comunicación con el volumen interior de la cámara de secado por pulverización para la entrega de pulverización del material pulverizable al volumen interior de la cámara de secado por pulverización.

En diversas realizaciones, el aparato de secado por pulverización descrito anteriormente puede incluir además un deshumidificador configurado para proporcionar aire deshumidificado a la entrada de fluido de secado primario y a las entradas de fluido de secado secundario.

El aparato de secado por pulverización puede estar construido y dispuesto de diversas maneras para que la inyección intermitente de fluido de secado secundario en el flujo de fluido de secado primario, para generar una turbulencia localizada transitoria en el flujo de fluido de secado primario sea controlada por un controlador de inyección configurado para inyectar fluido de secado secundario a través de las entradas de fluido de secado secundario durante un período de inyección en un rango de 0.1 a 100 segundos.

Además, se reconocerá que el número, patrón y orientación de las boquillas u otros dispositivos de inyección pueden variar ampliamente en la práctica de la presente descripción. En diversas realizaciones, las boquillas o dispositivos de inyección pueden estar orientados para inyectar el fluido de forma generalmente transversal a una dirección principal del flujo del fluido de secado primario, pero también puede ser ventajoso en otras realizaciones dirigir el fluido de secado secundario al flujo del fluido de secado primario en cualquier ángulo adecuado, ortogonal, oblicuo, agudo, etc., con respecto a la dirección principal del flujo del fluido de secado primario, y en otras realizaciones, se pueden utilizar combinaciones de diferentes orientaciones de las boquillas o dispositivos de inyección para lograr la eficiencia y las características de secado deseadas.

En concordancia con la presente divulgación, se puede llevar a cabo un método de secado por pulverización de un material pulverizable, que comprende el procesamiento del material pulverizable en un aparato de secado por pulverización de acuerdo con cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente.

En dicho método, la presión del fluido de secado secundario inyectado intermitentemente en el flujo de fluido de secado primario puede estar en un rango de 0.07 a 13.8 bar (1 a 200 psig). El método puede llevarse a cabo de manera que el fluido de secado secundario se inyecte intermitentemente durante un período de inyección en un rango de 1 a 5 segundos, y de manera que los períodos de inyección sucesivos estén separados por un período sin inyección en un rango de 1 a 5 segundos.

En concordancia con la presente divulgación, se puede llevar a cabo un método de secado por pulverización de un material pulverizable en un flujo de fluido de secado primario, que comprende la inyección intermitente, transitoria y cíclica de fluido de secado secundario en el flujo de fluido de secado primario en múltiples lugares en el flujo de fluido de secado primario, de manera que se cree una turbulencia localizada transitoria en dichos lugares que mejore el secado del material pulverizable, o alternativamente, inyectar continuamente fluido de secado secundario en el flujo de fluido de secado primario en múltiples lugares en el flujo de fluido de secado primario, de manera que se cree una turbulencia localizada en dichos lugares que mejore el secado del material pulverizable.

El método de secado por pulverización descrito anteriormente se puede llevar a cabo de varias formas, con respecto a tiempos de ciclo específicos, presiones y configuraciones y configuraciones de boquillas u otros dispositivos de inyección para proporcionar una turbulencia localizada transitoria en el flujo de fluido de secado primario en el que se secará el material pulverizado, o para proporcionar una turbulencia localizada continua en el flujo de fluido de secado primario en el que se secará el material pulverizado.

En los métodos y aparatos descritos anteriormente, el flujo de fluido de secado primario y el fluido de secado secundario pueden ser el mismo fluido, o alternativamente pueden ser fluidos diferentes. En varias realizaciones, el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario son aire. El material pulverizable en dichos métodos y aparatos puede ser de cualquier tipo adecuado, como se ha descrito anteriormente, y puede incluir, por ejemplo, un sabor, fragancia, alimento, bebida, producto comestible o ingrediente farmacéutico.

En los métodos y aparatos descritos anteriormente, los múltiples lugares en el flujo de fluido de secado primario pueden comprender lugares en una región periférica del flujo de fluido. La dirección de inyección del fluido de secado secundario en el flujo de fluido de secado primario, como se indicó, puede ser transversal a la dirección de flujo del flujo de fluido de secado primario. En diversas realizaciones, los múltiples lugares en el flujo de fluido de secado primario pueden estar espaciados a lo largo de una dirección de flujo del flujo de fluido de secado primario. En otras realizaciones, los múltiples lugares pueden comprender lugares que están generalmente en un mismo plano orientado transversalmente con respecto a la dirección de flujo del flujo de fluido de secado primario, así como lugares que están espaciados a lo largo de una dirección de flujo del flujo de fluido de secado primario. Se apreciará que los patrones específicos de inyección de fluido de secado secundario pueden variar ampliamente dentro del ámbito de la presente divulgación.

Así, aunque la divulgación contempla específicamente inyecciones pulsadas e intermitentes de fluido en el flujo principal de fluido de secado en la cámara de secado por pulverización como modo de operación preferido, también se contemplan otras realizaciones en las que las inyecciones de fluido en el flujo principal de fluido de secado se llevan a cabo de manera continua.

De acuerdo con la divulgación, se puede utilizar un aparato de secado por pulverización que comprende: una cámara de secado por pulverización con un volumen interior y configurada para la introducción de un material apto para el secado por pulverización en el volumen interior para su secado, y la descarga de material seco y fluido de secado desde la misma; una entrada principal de fluido de secado configurada para introducir fluido de secado principal en el volumen interior de la cámara para el contacto con el material apto para el secado por pulverización en el volumen interior, con el fin de proporcionar un flujo principal de fluido de secado a través del volumen interior; y una multiplicidad de entradas de fluido de secado secundario configuradas para la inyección de fluido de secado secundario en el flujo principal de fluido de secado para producir turbulencia localizada en el flujo principal de fluido de secado, para mejorar el secado del material apto para el secado por pulverización en el volumen interior de la cámara, o alternativamente para la inyección continua de fluido de secado secundario en el flujo principal de fluido de secado.

En varias realizaciones, se puede llevar a cabo un método de secado por pulverización de un material apto para el secado por pulverización, que comprende el uso del aparato descrito en el párrafo anterior.

De acuerdo con la divulgación, se puede realizar un método de secado por pulverización de un material apto para el secado por pulverización en un flujo principal de fluido de secado mediante la inyección de fluido de secado secundario en el flujo principal de fluido de secado en múltiples puntos del flujo principal de fluido de secado, de modo que se crea turbulencia localizada en dichos puntos que mejora el secado del material apto para el secado por pulverización.

El proceso, el aparato y los sistemas de la presente divulgación pueden utilizar cualquier ciclo de trabajo adecuado, por ejemplo, un ciclo de trabajo dentro de un rango desde 1%-100%. En diversas realizaciones, el ciclo de trabajo puede estar en un rango desde 1% hasta 99%, desde 1% hasta 95%, desde 5% hasta 90%, desde 10% hasta 80%, desde 15% hasta 75%, desde 25% hasta 70%, o cualquier otro rango de ciclo de trabajo limitado por cualquiera de los valores mínimos mencionados y cualquier otro valor máximo mencionado, según corresponda a una implementación específica de la presente divulgación.

El proceso, el aparato y los sistemas de la presente divulgación permiten una mejora sustancial en la utilización de la capacidad de secado del aire seco suministrado al secador por pulverización, en comparación con los niveles de utilización típicos de los sistemas de secado por pulverización convencionales anteriores. Al proporcionar una mezcla turbulenta localizada generada intencionalmente en el secador por pulverización, se logra un alto nivel de utilización de la capacidad de secado del aire seco (u otro fluido de secado) suministrado a la cámara de secado por pulverización. Esto, a su vez, permite aumentar sustancialmente la eficiencia general de la operación de secado por pulverización.

En la práctica preferida, se utilizan el aparato, el proceso y los sistemas de la presente divulgación para la creación de una turbulencia localizada mediante la inyección de fluido turbulento en el flujo de fluido de secado en una cámara de secado por pulverización o una zona de secado por pulverización a baja temperatura, donde la temperatura del fluido de secado (incluyendo tanto el fluido de secado principal como el fluido de secado secundario) está por debajo de 100°C y por encima del punto de congelación del solvente en el material que se está secando por pulverización.

La FIG. 6 es una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) a una magnificación de 0,51k x, de una sección transversal de una partícula producida mediante secado por pulverización a baja temperatura, como representativa de un producto en polvo seco producido de acuerdo con los métodos y el aparato de la presente divulgación. Como se puede apreciar en la imagen, el producto en polvo seco por pulverización es altamente homogéneo en morfología y apariencia, con el ingrediente activo del producto visible como puntos negros, distribuidos uniformemente en el material de carga (almidón).

La FIG. 7 muestra una representación de las líneas de corriente de fluido de secado en una cámara de secado por pulverización en la que se introduce un flujo principal de fluido de secado en una porción superior de la cámara, con fluido de secado adicional que se introduce para mantener un lecho fluidizado en una porción inferior de la cámara de secado por pulverización, y con fluido de secado por pulverización que se descarga desde puertos de descarga en una porción superior y externa de la cámara de secado por pulverización. Esta cámara de secado por pulverización es de un tipo que se describe más detalladamente en relación con la FIG. 9, pero sin la presencia del aumento del jet inyector de fluido de la cámara de secado por pulverización que se muestra en la FIG. 9.

La FIG. 8 muestra una representación de las trayectorias de partículas en una cámara de secado por pulverización del tipo para el cual se representan las líneas de corriente de fluido de secado en la FIG. 7. Como se puede observar en la representación de la FIG. 8, este diseño del secador por pulverización tiene grandes volúmenes en los que la densidad numérica de partículas es baja. Estos volúmenes de baja densidad numérica son una fuente de pérdida de eficiencia de secado. Los tiempos de residencia de las partículas en este tipo de secador por pulverización pueden ser del orden de 10-15 segundos, lo que requiere una configuración de lecho fluidizado en una porción inferior de la cámara de secado por pulverización para lograr el secado por pulverización del material de alimentación apto para el secado por pulverización hasta obtener un producto en polvo seco.

La FIG. 9 es una representación esquemática de un sistema de secado por pulverización de acuerdo con otra realización de la presente divulgación, que comprende una cámara de secado por pulverización del tipo general para el cual se muestran las líneas de corriente de aire y las trayectorias de partículas en las FIGS. 7 y 8, respectivamente, pero en el que se proporciona una matriz de jets inyectores de fluido montados en la pared de la cámara de secado por pulverización y dispuestos para inyectar fluido en el volumen interior de la cámara, para mejorar la eficiencia de secado por pulverización del sistema.

El sistema de secado por pulverización 400 de la FIG. 9 comprende una cámara de secado por pulverización 410 que tiene una entrada 412 en su porción superior en la cual se encuentra montada una boquilla atomizadora 418, como se muestra. La boquilla atomizadora 418 recibe material apto para el secado por pulverización a través de la línea de alimentación de material apto para el secado por pulverización 422, y la boquilla atomizadora genera una pulverización de partículas del material a ser secado por pulverización, que se descarga en el volumen interior 420 de la cámara de secado por pulverización para su contacto con el fluido de secado.

La cámara de secado por pulverización 410 incluye una porción de cámara principal 414 y una porción inferior 416. La porción inferior 416 está adaptada para la operación de lecho fluidizado y es suministrada con fluido de secado a través de la entrada de fluido de secado 442 desde la línea de alimentación de fluido de secado 444, de manera que se logre la fluidización de las partículas en la porción inferior de la cámara de secado por pulverización. Este lecho fluidizado in situ en la porción inferior de la cámara de secado por pulverización es necesario para obtener un producto en polvo secado por pulverización, debido al breve tiempo de residencia previamente mencionado de las partículas pulverizadas en el lecho fluidizado. La cámara de secado por pulverización 410 incluye puertos de descarga de fluido de secado 428 y 430 en la porción superior y externa de la cámara de secado por pulverización, en los cuales se descarga el fluido de secado de la cámara de secado por pulverización y se expulsa a través de la línea de escape de fluido de secado 432.

Un flujo principal de fluido de secado 426 se introduce en la cámara de secado por pulverización 410 en la entrada de fluido de secado 424 y el fluido de secado introducido fluye posteriormente hacia abajo en la cámara de secado por pulverización para entrar en contacto con las partículas pulverizadas del material apto para el secado por pulverización en el volumen interior 420 de la cámara.

La cámara de secado por pulverización 410 tiene un conducto de descarga de material secado 454 en su porción inferior, por encima del extremo superior del lecho fluidizado, a través del cual se descarga el material secado hacia una línea de producto de material secado 456 para su transporte a instalaciones de empaque aguas abajo y/o a otras operaciones de procesamiento posteriores al secado por pulverización.

La cámara de secado por pulverización 410 está provista en su porción de cámara principal de una matriz de jets inyectores de fluido 434, 436, 438, 440, 446, 448, 450 y 452, dispuestos como se muestra. Cada uno de los jets inyectores de fluido está acoplado a una fuente de fluido a presión, y los jets inyectores pueden incluir válvulas de control de flujo de inyección de fluido que se pueden modular entre posiciones de las válvulas completamente abiertas y completamente cerradas, para modular correspondientemente el flujo de fluido a presión a través de los jets inyectores de fluido hacia el volumen interior 420 de la cámara de secado por pulverización. De esta manera, se introducen aportes turbulentos de fluido a presión en el flujo principal de fluido de secado que circula en el volumen interior de la cámara de secado por pulverización, que se introduce en la entrada de fluido de secado 424 y se descarga de la cámara en los puertos de descarga de fluido de secado 428 y 430.

Los jets inyectores a presión pueden estar dispuestos de diversas formas para la entrada continua o alternativamente intermitente de fluido turbulento a presión en la cámara de secado por pulverización. En el caso de la operación de entrada intermitente, pueden operarse de manera secuencial y repetitiva en un ciclo, de modo que uno o varios de los jets inyectores de fluido de la matriz "disparan" (se abren para emitir una ráfaga de fluido turbulento a presión en la cámara), mientras que los otros jets inyectores de fluido de la matriz están en reposo con las válvulas de control de flujo de inyección de fluido cerradas, seguido por el cierre de la(s) válvula(s) de control de flujo de inyección de fluido de dicho(s) jet(s) inyector(es), concurrente con o seguido por la activación de otros jets inyectores de fluido en un patrón controlado, de manera que el fluido en el volumen interior de la cámara de secado por pulverización, en contacto con las partículas de material pulverizado, se agita activamente por las ráfagas sucesivas de fluido turbulento a presión en el volumen interior de la cámara.

La agitación activa mediante la operación de los jets inyectores de fluido turbulento a presión sirve para homogeneizar la concentración de vapor de disolvente (por ejemplo, vapor de agua) en el volumen interior de la cámara de secado por pulverización y reduce la presión parcial de vapor de disolvente en el fluido en contacto con las partículas, lo que mejora la transferencia de masa del disolvente desde la partícula hacia el fluido de secado, además de aumentar el tiempo de residencia de las partículas en el secador al mantenerlas suspendidas en la cámara de secado por pulverización durante períodos más largos de tiempo.

En consecuencia, el uso de jets inyectores de fluido turbulento a presión de acuerdo con la presente divulgación es capaz de lograr una mejora notable en los tiempos de residencia de las partículas y la eficiencia de secado. Esta mejora es más pronunciada en la operación a baja temperatura en la que la temperatura del fluido de secado introducido en la cámara de secado por pulverización para entrar en contacto con las partículas pulverizadas es inferior a 100°C, ya que esta baja temperatura evita la formación de la capa superficial densa que se forma en los procesos de secado por pulverización a alta temperatura (por ejemplo, en los que el fluido de secado se introduce en la cámara de secado por pulverización a temperaturas del orden de 180°C-200°C).

Por lo tanto, el proceso de secado por pulverización a baja temperatura, con una temperatura de entrada del fluido de secado < 100°C, se puede llevar a cabo con altas tasas de transferencia de masa del disolvente desde las partículas pulverizadas hacia el fluido de secado, sin la impedancia difusional representada por la capa superficial densa (piel) asociada con el secado por pulverización a alta temperatura, y con una tasa de transferencia de masa del disolvente desde las partículas pulverizadas hacia el fluido de secado que se mejora notablemente mediante la inyección de fluido turbulento a presión en el fluido de secado en la cámara de secado por pulverización de acuerdo con la presente divulgación.

A modo de ejemplo ilustrativo específico, se construye y se dispone un secador por pulverización a baja temperatura con un diámetro de la cámara de secado de 10.5 m (34.3 pies) para operar con una temperatura de entrada del fluido de secado primario (aire) en la cámara de secado por pulverización por debajo de los 100°C. La cámara de secado por pulverización puede estar equipada con 16 jets inyectores de fluido turbulento a presión ubicados a lo largo del diámetro del secador en dos anillos de 8 jets cada uno, estando espaciados de manera uniforme a lo largo del diámetro del secador, para la inyección de aire turbulento a presión. Un anillo puede estar ubicado a 0.9 m (3 pies) desde la parte superior del secador y el segundo anillo de 8 chorros puede estar ubicado a 2.1 m (7 pies) desde la parte superior del secador. Los jets pueden estar orientados de manera que la dirección del flujo de aire se posicione a 10 grados fuera de la dirección radial y en la dirección del flujo de aire del fluido de secado primario. Los jets inyectores de fluido turbulento a presión pueden activarse en pares opuestos radialmente, pulsando durante 3 segundos, luego, después de un retraso de 1 segundo, el par adyacente siguiente puede pulsar durante tres segundos y repetirse continuamente, con una operación similar llevada a cabo por el segundo anillo de jets inyectores de fluido turbulento a presión. Los jets inyectores de fluido turbulento a presión pueden estar presurizados a 6.9 bar (100 psi).

La FIG. 10 es una representación esquemática de un sistema de proceso de secado por pulverización según otra realización de la presente divulgación.

Como se muestra, el sistema de secado por pulverización 500 incluye una fuente de composición precursora de materia prima 502, desde la cual se fluye una composición precursora de materia prima en la línea de alimentación 504 hacia una unidad de procesamiento de composición precursora de materia prima 506, en la cual la composición precursora se procesa o trata para obtener la composición líquida pulverizable. Dicha unidad de procesamiento aguas arriba puede ser de cualquier tipo adecuado y puede comprender, por ejemplo, una unidad de concentración en la cual el material del producto que se va a secar por pulverización se concentra desde una concentración de composición precursora de materia prima a una concentración de material del producto más alta en la composición líquida pulverizable que se descarga de la unidad en la línea 508.

La composición líquida pulverizable por atomización puede contener un portador o, alternativamente, puede carecer de portador.

Según se utiliza en este documento, el término "portador' se refiere a un material sólido que se utiliza en una composición líquida pulverizable por atomización, que contiene líquido y el producto que se va a pulverizar, para transportar y soportar al menos parcialmente o encapsular al menos parcialmente el producto en el polvo resultante de la pulverización por atomización. Los portadores pueden estar asociados con el material del producto en los polvos pulverizados por atomización, por ejemplo, como sustrato, soporte o matriz asociativa para el material del producto. Los portadores utilizados en operaciones de pulverización por atomización pueden ser de diversos tipos y pueden incluir, por ejemplo, los portadores de almidón descritos en las Patentes de EE. UU. Números 8,939,388, 9,332,776 y 9,551,527. En general, los portadores como los enumerados en la Tabla 1 a continuación, ilustran materiales portadores específicos.

Tabla 1

Según se utiliza aquí, el término "sin portador" en referencia a una composición líquida pulverizable por atomización significa una composición líquida pulverizable por atomización que carece de un portador en su interior, y "sin portador" en referencia a un proceso de pulverización por atomización significa un proceso de pulverización por atomización llevado a cabo en ausencia de un portador en la operación de pulverización por atomización.

Haciendo referencia nuevamente a la FIG. 10, la composición líquida pulverizable por atomización fluye desde la unidad de procesamiento de composición de alimentación 506 a través de la línea de alimentación de composición líquida 508 mediante la bomba 510 hacia la línea de alimentación de composición de alimentación 512, desde donde fluye hacia la entrada del secador por atomización 516 del recipiente del secador por atomización 518, y luego es atomizada por el atomizador 514 para generar una pulverización atomizada 520 de la composición líquida pulverizable por atomización. Al mismo tiempo, el fluido de secado acondicionado descrito más detalladamente a continuación fluye a través de la línea de alimentación de fluido de secado acondicionado 570 hacia la entrada 516 del recipiente del secador por atomización 518, de modo que el fluido de secado acondicionado introducido fluye a través del volumen interior 522 del recipiente del secador por atomización 518, para entrar en contacto con la pulverización atomizada de la composición líquida pulverizable por atomización.

El fluido de secado acondicionado, o una parte del mismo, puede fluir a través del atomizador 514, en una atomización de dos fluidos, o el fluido de secado acondicionado puede fluir hacia el volumen interior 522 del recipiente de secado por atomización 518 como un flujo separado, en relación con la introducción de la composición líquida pulverizable por atomización y su paso a través del atomizador 514.

El atomizador 514 puede ser de cualquier tipo adecuado, como atomizadores rotativos, atomizadores centrífugos, atomizadores de jet de ráfagas, nebulizadores, atomizadores ultrasónicos, etc., y combinaciones de dos o más de los mencionados. El atomizador puede ser electrohidrodinámico para llevar a cabo la pulverización por atomización electrohidrodinámica de la composición concentrada de alimentación, o el atomizador puede tener un carácter no electrohidrodinámico.

Independientemente del tipo específico de atomizador y del modo de atomización utilizado, la pulverización atomizada 520 de la composición de alimentación se introduce en el volumen interior 522 del recipiente de secado por pulverización 518, y las gotas atomizadas de la composición líquida pulverizable por atomización entran en contacto con el fluido de secado acondicionado durante su paso a través del volumen interior hasta la salida del secador por pulverización 524, para secar las gotas pulverizadas y producir el producto de polvo seco pulverizado.

Opcionalmente, el recipiente de secado por pulverización 518 puede estar provisto de líneas de alimentación periféricas de fluido de secado auxiliar 526, en las que las cabezas de flecha de las respectivas líneas de alimentación esquemáticas 526 designan inyectores dispuestos para introducir fluido de secado auxiliar en el volumen interior 522 del recipiente de secado por pulverización 518. Las líneas de alimentación 526 y sus inyectores pueden pasar a través de aberturas correspondientes en la pared del recipiente de secado por pulverización 518 de modo que los inyectores estén dispuestos internamente, o los inyectores pueden estar dispuestos de manera que se comuniquen con aberturas en la pared del recipiente de secado por atomización, inyectando el fluido de secado auxiliar a través de ellas hacia el volumen interior 522. El fluido de secado auxiliar puede ser introducido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización a una presión y caudal suficientes para generar turbulencia localizada 530 en o cerca del punto de introducción en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización.

Las líneas de alimentación periféricas de fluido de secado auxiliar 526 se ilustran como acopladas a un colector de fluido de secado auxiliar 528 a través del cual el fluido de secado auxiliar fluye hacia las respectivas líneas de alimentación 526. El fluido de secado auxiliar puede ser introducido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización de manera continua o de manera intermitente. El fluido de secado auxiliar puede ser introducido en ráfagas, por ejemplo, de manera secuencial en el tiempo, y los inyectores pueden ser programables bajo la supervisión y control de una unidad central de procesamiento como la CPU 590 ilustrada en la FIG. 10.

Esta inducción localizada de una turbulencia es altamente efectiva para mejorar la difusividad y la transferencia de masa del líquido procedente de las gotas atomizadas de la composición concentrada de alimentación hacia el fluido de secado presente en el recipiente de secado por pulverización.

El recipiente de secado por pulverización 518, como una mejora adicional para el secado de las gotas atomizadas de la composición concentrada de alimentación en el volumen interior del recipiente, puede estar equipado con una línea de alimentación central de fluido de secado auxiliar 532, como se muestra. La línea de alimentación central de fluido de secado auxiliar 532 está provista de una serie de inyectores espaciados longitudinalmente 534, en los que se puede inyectar fluido de secado auxiliar bajo condiciones de presión y caudal suficientes para generar regiones de turbulencia inyectada de fluido de secado auxiliar 536.

Como se comentó anteriormente con respecto al fluido de secado auxiliar introducido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización a través de las líneas de alimentación 526 y los inyectores asociados, el fluido de secado auxiliar puede ser introducido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización de manera continua o intermitente desde los inyectores 534, para proporcionar regiones de turbulencia inyectada de fluido de secado auxiliar 536 en una parte central del volumen interior 522 del recipiente de secado por pulverización. Como se discutió en relación con las líneas de alimentación periféricas y los inyectores asociados, el fluido de secado auxiliar puede ser introducido a través de los inyectores de la línea de alimentación central 534 en ráfagas, por ejemplo, de manera secuencial en el tiempo, y los inyectores pueden ser programables bajo la supervisión y control de una unidad central de procesamiento como la CPU 590 ilustrada en la FIG. 10.

Se puede utilizar una combinación de inyectores periféricos y centrales como se muestra en la FIG. 10 para proporcionar una turbulencia localizada tanto en la región central como en la región de la pared exterior del volumen interior del recipiente de secado por pulverización, y logra un proceso de secado por pulverización notablemente eficiente, en el que se minimizan comportamientos anómalos del flujo, como zonas muertas o regiones estancadas en el volumen interior. Se proporciona un entorno de transferencia de masa hidrodinámica altamente favorable, y como resultado de esta capacidad de generación de una turbulencia localizada, el recipiente de secado por pulverización puede reducirse sustancialmente en tamaño y en la superficie ocupada, lo que permite utilizar bombas, compresores, ventiladores y otros equipos auxiliares de menor tamaño, con la consiguiente mejora de las características de costos de inversión y operación del sistema de concentración y secado por pulverización.

El polvo pulverizado y el gas de secado resultante de la interacción de las gotas atomizadas de la composición concentrada de alimentación con el fluido de secado en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización se descargan del recipiente en la salida del secador por pulverización 524 y fluyen a través de la línea de efluente del secador por pulverización 538 hacia el ciclón 540. En lugar de equipos de ciclón, se puede utilizar cualquier otro dispositivo adecuado de separación sólido/gas de características apropiadas. El ciclón 540 separa los sólidos secos del fluido de secado, con los sólidos secos fluyendo a través de la línea de descarga de sólidos secos 542 hacia un recipiente de recolección de sólidos secos 544. El fluido de secado empobrecido en contenido de sólidos fluye desde el ciclón a través de la línea de descarga de fluido de secado 546, pasando por el filtro de finos 548 hasta llegar al condensador 550. En el condensador 550, el fluido de secado se enfría, lo que resulta en la condensación del gas condensable presente en él, y el condensado se descarga del condensador a través de la línea de descarga de condensado 552.

El fluido de secado resultante, ya libre de condensado, fluye a través de la línea de recirculación de fluido de secado 554 que contiene una bomba 556 hasta llegar al conjunto de acondicionamiento del fluido de secado 568, junto con cualquier fluido de secado de reposición necesario introducido a través de la línea de alimentación de reposición de fluido de secado 610. El conjunto de acondicionamiento del fluido de secado acondiciona el fluido de recirculación y cualquier fluido de secado de reposición añadido para que fluyan hacia el recipiente de secado por pulverización 518 a través de la línea de alimentación de fluido de secado acondicionado 570. El conjunto de acondicionamiento del fluido de secado puede incluir un deshumidificador y/o equipos de intercambio de calor (calentador/enfriador) para proporcionar un fluido de secado recirculado con las condiciones deseadas apropiadas de temperatura y humedad relativa.

Por lo tanto, el fluido de secado, incluido cualquier fluido de secado de reposición necesario, puede ser suministrado al conjunto de acondicionamiento del fluido de secado 568, o de otro modo proporcionado al sistema de secado por pulverización en otras ubicaciones apropiadas del sistema, desde una fuente adecuada, y con cualquier operación de preacondicionamiento necesaria que se lleve a cabo por medio de equipos o dispositivos asociados, según sea necesario para llevar a cabo la operación de secado por pulverización a la temperatura, presión, caudal, composición y humedad relativa deseadas. Por ejemplo, el fluido de secado de reposición puede ser suministrado al conjunto de acondicionamiento 568 desde un tanque, recipiente de almacenamiento u otra fuente (por ejemplo, la atmósfera ambiente, en el caso del aire como fluido de secado).

Como fuente de fluido de secado auxiliar en el sistema, se puede derivar una parte del fluido de secado reciclado de la línea de recirculación de fluido de secado 554 en la línea de alimentación de fluido de secado auxiliar 572 que contiene una válvula de control de flujo 574, hacia el conjunto de acondicionamiento del fluido de secado auxiliar 576. El conjunto de acondicionamiento del fluido de secado auxiliar 576 puede estar construido y dispuesto de cualquier manera adecuada, y puede tener una construcción y disposición similares al conjunto de acondicionamiento del fluido de secado 568. De este modo, el conjunto de acondicionamiento del fluido de secado auxiliar 576 acondiciona el fluido de secado auxiliar para que esté en las condiciones apropiadas para su uso en el sistema.

El fluido de secado auxiliar acondicionado fluye desde el conjunto de acondicionamiento del fluido de secado auxiliar 576 a través de la línea de alimentación de fluido de secado auxiliar 578, desde donde fluye en la línea de alimentación de fluido de secado auxiliar 580 que contiene una bomba 582 hasta el colector 528, mientras que el resto del fluido de secado auxiliar acondicionado fluye en la línea de alimentación de fluido de secado auxiliar 578 hacia la bomba 584, desde donde fluye en la línea de alimentación de fluido de secado auxiliar 586 hasta la línea central de alimentación de fluido de secado auxiliar 532, para su introducción en la región central del volumen interior del recipiente de secado por pulverización, como se describió anteriormente.

Se reconocerá que el sistema mostrado en la FIG. 10 podría construirse y disponerse de manera alternativa con el conjunto de acondicionamiento del fluido de secado 568 procesando tanto el flujo principal de fluido de secado como el fluido de secado auxiliar, sin la provisión de un conjunto de acondicionamiento separado para el fluido de secado auxiliar 576, por ejemplo, cuando el fluido de secado principal y el fluido de secado auxiliar son sustancialmente similares en cuanto a sus características relevantes del fluido. También se reconoce que se pueden proporcionar bucles de circulación de flujo separados para cada uno de los fluidos de secado principal y auxiliar, cuando el fluido de secado principal y el fluido de secado auxiliar son o comprenden diferentes gases, o son diferentes en sus características relevantes del fluido.

El sistema de la FIG. 10 se muestra incluyendo una unidad central de procesamiento (CPU) 590 dispuesta para llevar a cabo operaciones de monitoreo y/o control en el sistema, y cuando se utiliza en un aspecto de control, puede emplearse para generar señales de control para la modulación de equipos y/o condiciones de los fluidos, a fin de mantener la operación en un punto de ajuste o en otras condiciones operativas deseadas. Como se mencionó, la CPU podría estar conectada operativamente a los conjuntos de acondicionamiento 568 y 576, para controlar componentes de los mismos, como deshumidificadores, controladores térmicos, equipos de intercambio de calor, etc.

La CPU 590 se muestra ilustrativamente en la FIG. 10 estando acoplada operativamente mediante líneas de transmisión de señales de monitoreo y/o control 592, 594, 596, 598, 600, 602 y 604 con la bomba 510, el conjunto de acondicionamiento del fluido de secado 568, el conjunto de acondicionamiento del fluido de secado auxiliar 576, la válvula de control de flujo 574, la bomba 582, la bomba 556 y la bomba 584, respectivamente.

Se reconocerá que el arreglo específico de la CPU mostrado en la FIG. 10 es de carácter ilustrativo y que la CPU puede estar dispuesta de otra manera con respecto a cualquier componente, elemento, característica y unidad del sistema en general, incluida la unidad de concentración 506, para monitorear cualquier componente, elemento, característica, unidad, condición y parámetro operativo adecuado y/o para controlar cualquier componente, elemento, característica, unidad, condición, parámetro y variable operativa adecuada. Con este fin, en cuanto a la capacidad de monitoreo, el sistema puede comprender sensores, detectores, componentes, elementos, características y unidades apropiadas. Las líneas de transmisión de señal pueden ser líneas de transmisión de señal bidireccionales o pueden constituir un cableado que incluye líneas de transmisión de señal de monitoreo y líneas de transmisión de señal de control separadas.

Se apreciará que el sistema de secado por pulverización puede ser implementado en disposiciones en las que el gas de contacto, el gas de contacto auxiliar, el fluido de secado y el fluido de secado auxiliar, o dos o más de ellos, pueden tener una composición, temperatura y/o humedad relativa sustancialmente iguales, logrando así eficiencias en los costos de equipo y operativos con una correspondiente simplificación de los requisitos del sistema. Por lo tanto, por ejemplo, todo el gas de contacto, el gas de contacto auxiliar, el fluido de secado y el fluido de secado auxiliar pueden ser aire, nitrógeno, argón u otro gas de una fuente de gas común, y dicho gas común puede ser proporcionado a una temperatura y humedad relativa sustancialmente iguales, de modo que se pueda emplear equipo común de acondicionamiento térmico y deshumidificación.

Será evidente, por lo tanto, que se pueden implementar muchas configuraciones y modos de operación variados de los inyectores de ráfagas de fluido turbulento presurizado en la práctica amplia de la presente descripción, para lograr una operación de secado por pulverización de ultraalto rendimiento en una amplia variedad de recipientes y sistemas de secado por pulverización.

La presente divulgación en otro aspecto se refiere a un sistema de secado por pulverización, que comprende:

(a) un recipiente de secado por pulverización que comprende:

(i) un volumen interior dispuesto para recibir un material pulverizable por pulverización y un fluido de secado para el contacto;

(ii) al menos una entrada de fluido de secado por la cual se introduce el fluido de secado en el volumen interior para dicho contacto; y

(iii) una salida de material pulverizado que se comunica con el volumen interior, dispuesta para descargar el material pulverizado y el fluido de secado de desecho del recipiente;

(b) un atomizador adaptado para recibir un material pulverizable por pulverización y descargar el material pulverizable atomizado en el volumen interior del recipiente para dicho contacto;

(c) al menos un turbulador adaptado para generar una turbulencia en el fluido de secado en el volumen interior del recipiente;

(d) una unidad de control de proceso adaptada para regular la tasa de flujo de fluido de secado en el volumen interior y la tasa de flujo del material pulverizable al atomizador, de manera que la interacción del fluido de secado con al menos un turbulador produzca turbulencia en el fluido de secado con una longitud de Kolmogorov menor que el tamaño promedio de las gotas de material pulverizable en el material pulverizable atomizado en el volumen interior del recipiente.

Según se utiliza en referencia al sistema de secado por pulverización de la presente divulgación, el término " turbulador " se refiere a un dispositivo configurado para inducir turbulencia en el fluido de secado que entra en contacto con el material pulverizable por pulverización. El dispositivo puede ser de cualquier tipo adecuado e incluir uno o más jets, boquillas, inyectores u otros dispositivos utilizados para inyectar un fluido de secado secundario en un cuerpo de fluido de secado primario para inducir turbulencia en el fluido de secado y mejorar la operación de secado por pulverización. Alternativamente, el dispositivo puede ser de tipo estructural y, en interacción con el fluido de secado, inducir una turbulencia en el mismo, como cintas retorcidas, dispositivos mezcladores estáticos, perfiles aerodinámicos, turbulador Brock, turbuladores de alambre, turbulador de bobina y turbulador de saliente de pared. Diferentes tipos de dichos dispositivos pueden combinarse en varias formas, según sea necesario, para lograr una intensidad adecuada de turbulencia y mejorar la velocidad y/o el grado de secado del material pulverizable por pulverización.

El sistema de secado por pulverización mencionado anteriormente refleja el descubrimiento de que se puede lograr un aumento sustancial e inesperado en la velocidad y el grado de secado por pulverización al inducir turbulencia en el fluido de secado, donde la turbulencia en el fluido de secado se caracteriza por una longitud de Kolmogorov que es menor que el tamaño promedio de las gotas de material pulverizable en el material pulverizable por pulverización.

La longitud de Kolmogorov (r|) se define mediante la ecuación

donde ν es la viscosidad cinemática del

fluido de secado y ^e es la tasa de disipación de energía cinética en la turbulencia inducida en el fluido de secado, como se discute más detalladamente a continuación.

Medición de la escala de longitud de Kolmogorov

De acuerdo con varios aspectos de la presente divulgación, la longitud de Kolmogorov se utiliza para caracterizar la turbulencia inducida en la operación de secado por pulverización por los componentes turbuladores asociados con el recipiente de secado por pulverización.

La longitud de Kolmogorov caracteriza los remolinos de disipación de energía en la turbulencia inducida por el o los turbuladores en el flujo de fluido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización. La energía cinética turbulenta en dicho flujo se puede describir en términos de una cascada de energía cinética que se desarrolla espaciotemporalmente en el fluido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización después de que se inicia la turbulencia. La energía introducida por el o los turbuladores en el fluido en el recipiente de secado por pulverización, ya sea mediante inyección de fluido o mediante interrupción del flujo, genera inestabilidades hidrodinámicas a grandes escalas, típicamente caracterizadas como la escala integral. La energía en la escala integral luego se transfiere a escalas progresivamente más pequeñas, inicialmente a través de mecanismos no viscosos como el estiramiento de vórtices y posteriormente a través de la disipación viscosa en forma de calor. Cuando se representa gráficamente en un gráfico logarítmico de energía en función del número de onda, se visualizan claramente los regímenes discretos de un rango inicial que contiene energía, que refleja la turbulencia inducida, seguido de un rango inercial y finalmente un rango de disipación, que representan una cascada de energía, donde los grandes remolinos en la región de baja frecuencia se transforman en remolinos cada vez más pequeños y finalmente se disipan en forma de calor. La escala en la que comienza el decaimiento disipativo es la

escala de Kolmogorov (^), que se calcula como

donde ε es la tasa de disipación de turbulencia que se

muestra en el gráfico logarítmico y ν es la viscosidad cinemática del fluido de secado.

La tasa de disipación turbulenta y la longitud de Kolmogorov se determinan fácilmente utilizando técnicas estándar de anemometría de hilo caliente o anemometría láser de efecto Doppler. Por ejemplo, se puede utilizar anemometría de hilo caliente para generar valores de densidad de potencia turbulenta en un rango de frecuencias, con un gráfico log-log de densidad de potencia turbulenta en función de la frecuencia en Hertz, que representa la turbulencia inducida, el rango inercial y el rango de disipación de la cascada, y con los valores del rango de disipación que permiten determinar la tasa de disipación de turbulencia, a partir de la cual se puede calcular la longitud de Kolmogorov mediante la fórmula de la escala de Kolmogorov mencionada anteriormente.

Ventajosamente, se induce turbulencia en al menos el 5% del volumen del fluido de secado en el volumen interior del recipiente para proporcionar una mejora sustancial en la operación de secado por pulverización. En general, la turbulencia puede inducirse en al menos el 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% o más del volumen del fluido de secado en el volumen interior del recipiente. Por lo tanto, es ventajoso maximizar la cantidad de fluido de secado en el cual se induce turbulencia, y la proporción volumétrica del fluido de secado en el volumen interior del recipiente en el cual se induce turbulencia puede incluir de manera beneficiosa el fluido de secado que está en contacto con el atomizador, de modo que la turbulencia se induzca tan pronto como sea posible al introducir y poner en contacto el fluido de secado con el material pulverizable por pulverización.

Al inducir una turbulencia en el fluido de secado de acuerdo con la presente divulgación, se pueden lograr mejoras drásticas en la capacidad y eficiencia de los secadores por pulverización. La inducción de una turbulencia tiene un beneficio significativo en la reducción o eliminación de la deposición de material pulverizable en las superficies internas del recipiente del secador por pulverización.

La mejora lograda al inducir una turbulencia de acuerdo con la presente divulgación permite aumentar la capacidad del secador para un volumen interior fijo en el secador por pulverización, o alternativamente, diseñar secadores por pulverización de menor volumen y mayor eficiencia con mayor capacidad, lo que resulta en ahorros en equipos de capital y reducción de costos operativos en muchos casos.

En casos en los que el tamaño promedio de partícula de las gotas de material pulverizable por pulverización en el material pulverizable por pulverización atomizado en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización se encuentra en el rango de 50 a 300 μm, es deseable inducir turbulencia en el fluido de secado en la operación de secado por pulverización de manera que la tasa de disipación turbulenta supere los 25 m2/s3 La operación de secado por pulverización de acuerdo con la presente divulgación puede realizarse para producir polvos secados por pulverización con un tamaño de partícula promedio en el rango mencionado de 50 a 300 μm, u otros rangos adecuados como 75 a 250 μm, 80 a 200 μm, 85 a 150 μm, 90 a 120 μm, u otros rangos inferiores o superiores. En general, es ventajoso llevar a cabo la operación de secado por pulverización de manera que la tasa de disipación turbulenta sea mayor que al menos uno de los siguientes valores: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 o 1000 m2/s3, por ejemplo, en rangos específicos donde el valor del punto final inferior es uno de los valores numéricos mencionados anteriormente y el valor del punto final superior es uno de los valores numéricos mencionados anteriormente que supera al valor del punto final inferior.

Así, el sistema de secado por pulverización puede incluir al menos un agitador que consta de una o más boquillas configuradas para inyectar un fluido secundario de secado a presión en el volumen interior del recipiente, por ejemplo, un conjunto de boquillas en una disposición geométricamente regular o irregular.

Además, o alternativamente, el al menos un agitador empleado en el sistema de secado por pulverización puede incluir uno o más de los siguientes elementos: cintas retorcidas, dispositivos mezcladores estáticos, perfiles aerodinámicos, turbuladores Brock, turbuladores de alambre, turbulador es de bobina y turbuladores de protuberancia de pared.

En el sistema de secado por pulverización, el atomizador puede ser de cualquier tipo adecuado y puede incluir, por ejemplo, atomizadores de boquilla, atomizadores de carga aplicada, nebulizadores, atomizadores rotativos, atomizadores ultrasónicos u atomizadores de cualquier otro tipo adecuado.

El sistema de secado por pulverización descrito anteriormente puede incluir operativamente una fuente de fluido de secado acoplada al menos a una entrada de fluido de secado en relación de suministro de fluido de secado con el recipiente de secado por pulverización. Dicha fuente de secado puede estar configurada para suministrar el fluido de secado a al menos una entrada de fluido de secado del recipiente de secado por pulverización, siendo el fluido de secado aire, aire enriquecido con oxígeno, oxígeno, nitrógeno, argón, criptón, neón, helio o una mezcla de gases que comprende dos o más de las especies de fluido de secado mencionadas anteriormente. En varias realizaciones, la fuente de fluido de secado puede estar configurada para suministrar el fluido de secado a al menos una entrada de fluido de secado del recipiente de secado por pulverización a una temperatura por debajo de al menos una de las siguientes temperaturas: 120°C, 115°C, 110°C, 100°C, 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C y 20°C, y por encima de la temperatura de congelación del líquido a volatilizar para el secado por pulverización del material apto para pulverización.

En varias realizaciones, la fuente de fluido de secado puede estar configurada para suministrar el fluido de secado a al menos una entrada de fluido de secado del recipiente de secado por pulverización a una temperatura por debajo de los 100°C y por encima de la temperatura de congelación del líquido que se va a volatilizar para el secado por pulverización del material apto para pulverización.

El sistema de secado por pulverización descrito anteriormente puede incluir operativamente una fuente de material apto para pulverización dispuesta en relación de suministro de material apto para pulverización al atomizador.

El sistema de secado por pulverización, en diversas implementaciones, puede utilizar una fuente de material apto para pulverización que comprenda el material apto para pulverización en una composición libre de portador. Alternativamente, la fuente de material apto para pulverización puede incluir el material apto para pulverización en una composición que incluye un portador.

El sistema de secado por pulverización descrito anteriormente puede estar construido y dispuesto de manera que la unidad de control de proceso esté adaptada para regular la velocidad de flujo del fluido de secado hacia el volumen interior y la velocidad de flujo del material apto para pulverización hacia el atomizador, de modo que el tamaño promedio de partícula de las gotas de material apto para pulverización en el material apto para pulverización atomizado en el volumen interior del recipiente esté en un rango de 50 a 300 μm. En algunas realizaciones específicas, la unidad de control de proceso puede estar adaptada para regular la velocidad de flujo del fluido de secado hacia el volumen interior y la velocidad de flujo del material apto para pulverización hacia el atomizador, de modo que la tasa de disipación de la turbulencia supere los 25 m2/s.

En general, la unidad de control de proceso puede estar construida y dispuesta para inducir una turbulencia en el fluido de secado de cualquier manera adecuada. Por ejemplo, la unidad de control de proceso puede estar configurada para producir una turbulencia intermitente en el fluido de secado, o puede estar configurada para producir una turbulencia continua en el fluido de secado.

El sistema de secado por pulverización descrito anteriormente puede configurarse para el secado por pulverización con carga aplicada (comúnmente conocido como secado por pulverización electrostático).

El presente documento también se refiere a un proceso para producir un material secado por pulverización, que comprende:

generar un material apto para pulverización atomizado;

poner en contacto el material apto para pulverización atomizado con un fluido de secado para formar el material secado por pulverización;

recuperar el material secado por pulverización del fluido de secado;

y durante dicho contacto, inducir una turbulencia en el fluido de secado que tenga una longitud de Kolmogorov menor que el tamaño promedio de las gotas de material apto para pulverización en el material apto para pulverización atomizado.

El proceso puede llevarse a cabo de manera en la que la turbulencia se induzca en al menos el 5% del volumen del fluido de secado que participa en el contacto, por ejemplo, en al menos el 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% o más del volumen del fluido de secado que participa en el contacto.

La turbulencia en dicho proceso puede inducirse mediante la inyección de un fluido de secado secundario a presión. Además, o alternativamente, la turbulencia puede inducirse mediante la interacción del fluido de secado con un agitador que comprende al menos uno seleccionado entre cintas retorcidas, dispositivos mezcladores estáticos, perfiles aerodinámicos, turbuladores Brock, turbuladores de alambre, turbulador es de bobina y turbuladores de protuberancia de pared.

En el proceso, el material apto para pulverización atomizado puede generarse mediante un atomizador que incluye al menos uno seleccionado entre atomizadores de boquilla, atomizadores de carga aplicada, nebulizadores, atomizadores rotativos y atomizadores ultrasónicos. Alternativamente, se pueden emplear cualquier otro tipo o tipos adecuados de atomizador.

El proceso de secado por pulverización puede llevarse a cabo, en el cual el fluido de secado comprende aire, aire enriquecido con oxígeno, oxígeno, nitrógeno, argón, criptón, neón, helio o una mezcla de gases que comprende dos o más de las especies de fluido de secado mencionadas anteriormente.

El proceso puede llevarse a cabo, en el cual el fluido de secado se introduce en el contacto a una temperatura por debajo de al menos una de las siguientes temperaturas: 120°C, 115°C, 110°C, 100°C, 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C y 20°C, y por encima de la temperatura de congelación del líquido que se va a volatilizar para formar el material apto para pulverización.

El proceso puede llevarse a cabo, en el cual el tamaño promedio de partícula de las gotas de material apto para pulverización en el material apto para pulverización atomizado en el contacto se encuentra en un rango de 50 a 300 μm.

El proceso puede llevarse a cabo, en el cual la tasa de disipación de la turbulencia inducida durante dicho contacto supera los 25 m2/s.

En varias realizaciones, el proceso puede llevarse a cabo, en el cual el fluido de secado se introduce en el contacto a una temperatura por debajo de 100°C y por encima de la temperatura de congelación del líquido que se va a volatilizar para formar el material secado por pulverización.

El proceso puede llevarse a cabo en el cual el material apto para pulverización atomizado no contiene portador, o alternativamente, en el cual el material apto para pulverización atomizado comprende un portador.

El proceso puede realizarse de manera intermitente durante el contacto, o alternativamente, la turbulencia puede inducirse continuamente durante el contacto.

Como se mencionó anteriormente en la discusión del sistema de secado por pulverización, el proceso puede llevarse a cabo en el cual las gotas de material apto para pulverización en el material apto para pulverización atomizado están cargadas eléctricamente.

El presente documento también se refiere a un sistema de secado por pulverización, que comprende:

(a) un recipiente de secado por pulverización que incluye:

(i) un volumen interior dispuesto para recibir un material apto para pulverización atomizado y un fluido de secado para el contacto del material apto para pulverización atomizado con el fluido de secado en el volumen interior.

(ii) al menos una entrada de fluido de secado a través de la cual se introduce el fluido de secado en el volumen interior para dicho contacto.

(iii) una salida de material secado por pulverización comunicada con el volumen interior, dispuesta para descargar el material secado por pulverización y el fluido de secado residual del recipiente.

(b) un atomizador adaptado para recibir un material apto para pulverización y descargar el material apto para pulverización atomizado en el volumen interior del recipiente para dicho contacto.

(c) al menos un agitador adaptado para generar turbulencia en el fluido de secado en el volumen interior del recipiente.

(d) una unidad de control de proceso adaptada para regular la velocidad de flujo del fluido de secado en el volumen interior y la velocidad de flujo del material apto para pulverización hacia el atomizador, de modo que la interacción del fluido de secado con al menos un agitador produzca turbulencia en el fluido de secado, generando una tasa de disipación de la turbulencia superior a 25 irP/s.

Este sistema de secado por pulverización puede utilizarse con cualquiera de los componentes, características y accesorios descritos anteriormente. Por ejemplo, este sistema de secado por pulverización puede adaptarse para operar a baja temperatura, como a una temperatura por debajo de 100°C del fluido de secado introducido en el volumen interior del recipiente de secado por pulverización, como se describió anteriormente.

En otro aspecto adicional, el presente documento se refiere a un proceso para producir un material secado por pulverización, que comprende:

generar un material apto para pulverización atomizado;

poner en contacto el material apto para pulverización atomizado con el fluido de secado para formar el material secado por pulverización;

recuperar el material secado por pulverización del fluido de secado;

y durante dicho contacto, inducir turbulencia en el fluido de secado, produciendo una tasa de disipación de la turbulencia superior a 25 irP/s.

Este proceso de secado por pulverización también puede implementarse con cualquiera de las condiciones, limitaciones y especificaciones descritas anteriormente. Por ejemplo, este proceso de secado por pulverización puede adaptarse para operar a baja temperatura, como una temperatura por debajo de 100°C del fluido de secado en contacto con el material apto para pulverización atomizado, como se describió anteriormente.

Las características, aspectos y ventajas del sistema de secado por pulverización y el proceso del presente documento se comprenden mejor con respecto al siguiente ejemplo ilustrativo.

Ejemplo 1

Se realizó una comparación entre dos secadores por pulverización de operación a baja temperatura. Ambos secadores están construidos y dispuestos para operar con una temperatura de entrada del fluido de secado de 42°C y una humedad relativa del fluido de secado < ldc. El secador 1 tiene un volumen interno de 12.175 galones (53,6 m3), mientras que el secador 2 tiene un volumen interno de 3.870 galones (17,05 m3). Ambos secadores utilizan atomizadores idénticos que funcionan en condiciones idénticas. El flujo volumétrico en el secador 1 es de 62,26 m3/min (2200 cfm), mientras que en el secador 2 es de 50,94 irHmin (1800 cfm). El secador 1 tiene una entrada de tipo torbellino simple. El secador 2 tiene una entrada de tipo torbellino de doble trayectoria diseñada para producir altos niveles de turbulencia en las inmediaciones del atomizador.

El secador 2 presenta una velocidad de aire de entrada aumentada y tasas de disipación de turbulencia muy superiores a 1000 (m2/s'), con longitudes de Kolmogorov muy por debajo de los 100 micrómetros.

Las gráficas de la distribución radial calculada de la tasa de disipación de la turbulencia en función del radio para el secador 1 y el secador 2 se muestran en las Figuras 11 y 12.

La FIG. 11 es un gráfico de la tasa de disipación turbulenta, en irf/s, en función de la distancia radial en el volumen interno de un recipiente de secado por pulverización, en diferentes alturas verticales dentro de dicho volumen interno, para un primer sistema ilustrativo de secado por pulverización (Secador 1).

La FIG. 12 es un gráfico de la tasa de disipación turbulenta, en irf/s, en función de la distancia radial en el volumen interno de un recipiente de secado por pulverización, en diferentes alturas verticales dentro de dicho volumen interno, para un segundo sistema ilustrativo de secado por pulverización (Secador 2).

En el secador 2, la tasa de disipación de la turbulencia es más de dos órdenes de magnitud mayor que en el secador 1 en la región pico. La extensión radial de la tasa de disipación turbulenta con valores superiores a 25 irHs en la región superior del secador 1 es de 0,25 m desde el eje central del secador, mientras que se extiende hacia afuera a más de 1 m para el secador 2. En los niveles más altos de tasa de disipación turbulenta en el secador 2, la longitud de Kolmogorov está en el orden de los 9 micrómetros, con una relación < 0,09 para partículas de 100 micrómetros de diámetro.

La misma suspensión de ponche de frutas se secó en ambos secadores. La velocidad de producción más alta del secador 1 fue de 0,73 kg/min (1,6 lb/min). La velocidad de producción más alta del secador 2 fue de 1,09 kg/min (2,4 lb/min), es decir, 409 veces más rápida en un 31,89% del volumen del secador 1 utilizando 11,32 irP/min (400 cfm) menos de flujo de aire. Estos resultados demuestran la magnitud de mejora que se puede lograr utilizando una inducción efectiva de turbulencia en el fluido de secado.

La FIG. 13 es una representación esquemática de un sistema de secado por pulverización 700 según otra realización de la presente descripción.

El sistema de secado por pulverización 700 mostrado en la FIG. 13 incluye un recipiente de secado por pulverización 702 con un volumen interno 704. En el volumen interno se encuentra dispuesto un atomizador 706 que depende hacia abajo desde el conjunto de alimentación de entrada 708. El conjunto de alimentación de entrada 708 incluye una línea de alimentación de composición pulverizable 710 y una línea de alimentación de fluido de secado 712, dispuestas de manera que la composición pulverizable fluye desde una fuente adecuada (no mostrada en la FIG. 13) a través de la línea de alimentación 710 hasta el atomizador 706. El atomizador funciona para generar una composición pulverizable atomizada que se descarga en el volumen interno 704 del recipiente de secado por pulverización 702. La línea de alimentación de fluido de secado 712 transporta el fluido de secado desde una fuente (no mostrada) a través del conjunto de alimentación de entrada 708 hasta el volumen interno 704 del recipiente de secado por pulverización 702.

El recipiente de secado por pulverización 702 está equipado con una pluralidad de inyectores de jets de ráfagas 714, 716, 718, 720, 722 y 724, cada uno de ellos con una línea de alimentación unida a una fuente de fluido de secado secundario. Los inyectores de jets de ráfagas inyectan el fluido de secado secundario a condiciones adecuadas de caudal y presión para inducir turbulencia en el fluido de secado primario en el volumen interno 704.

Además de los inyectores de jets de ráfagas, el recipiente de secado por pulverización 702 también incluye una serie de turbuladores.montados en la pared 728, 730, 732 y 734, que tienen un tamaño y forma adecuados para generar turbulencia en el fluido de secado al entrar en contacto con ellos durante el flujo del fluido de secado a través del volumen interno del recipiente. En el extremo inferior de la porción inferior cónica del recipiente se encuentra una línea de descarga de efluentes 726, a través de la cual se descargan el material pulverizado por pulverización y el fluido de secado de efluentes del recipiente. El material pulverizado por pulverización y el fluido de secado de efluentes pueden pasar a un separador ciclónico en el que se recupera el material pulverizado por pulverización del fluido de secado de efluentes, y luego el fluido de secado de efluentes se procesa para su reciclaje en el sistema, en su totalidad o en parte, si se desea, o alternativamente se ventila fuera del sistema, y se introduce un nuevo fluido de secado como se describe anteriormente.

El sistema de secado por pulverización mostrado en la FIG. 13 también comprende una unidad de control de proceso 736 que se muestra esquemáticamente con líneas de transmisión de señales de control de proceso 738 y 740, lo que indica esquemáticamente que la unidad de control de proceso está vinculada operativamente con las líneas de suministro para regular el caudal de fluido de secado hacia el volumen interno y el caudal de material pulverizable hacia el atomizador, de modo que la interacción del fluido de secado con al menos un turbulador produce una turbulencia en el fluido de secado con una longitud de Kolmogorov menor que el tamaño promedio de las gotas de material pulverizable en el material pulverizado por pulverización en el volumen interno del recipiente. Tal disposición puede incluir válvulas de control de flujo respectivas en la línea de alimentación de composición pulverizable 710 y en la línea de alimentación de fluido de secado 712 para tal propósito.

Además, o alternativamente, la unidad de control del proceso puede adaptarse para regular la velocidad de flujo del fluido de secado hacia el volumen interior y la velocidad de flujo del material apto para pulverización hacia el atomizador, de modo que el tamaño promedio de partícula de las gotas de material apto para pulverización en el material atomizado en el volumen interior del recipiente se encuentre en un rango de 50 a 300 km.

Además, o alternativamente, la unidad de control del proceso puede adaptarse para regular la velocidad de flujo del fluido de secado hacia el volumen interior y la velocidad de flujo del material apto para pulverización hacia el atomizador, de modo que la tasa de disipación de turbulencia de dicha turbulencia supere los 25 m°/s.

La unidad de control del proceso puede configurarse de cualquier manera adecuada, y puede ser construida y dispuesta para llevar a cabo operaciones adicionales de monitoreo, detección y control del proceso. La unidad de control del proceso puede ser de cualquier tipo adecuado, y puede comprender, por ejemplo, microprocesadores, microcontroladores, computadoras programables generales o especiales, controladores lógicos programables u otros similares, que estén programados para llevar a cabo operaciones de proceso de secado por pulverización mediante hardware, software o firmware proporcionado para tal fin en la unidad de control del proceso. La unidad de control del proceso puede comprender memoria de acceso aleatorio, de solo lectura, flash u otro tipo, y puede incluir una base de datos de protocolos operativos u otra información para el rendimiento operativo del sistema.

Se reconocerá que el uso de una turbulencia inducida de acuerdo con la presente descripción permite lograr operaciones de secado por pulverización altamente efectivas para la producción de materiales secados por pulverización de características ampliamente variables. El uso de una turbulencia inducida puede emplearse para permitir una operación de secado por pulverización a baja temperatura, por ejemplo, una operación de secado por pulverización a una temperatura de entrada de fluido de secado por debajo de 100°C o inferior.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método de procesamiento de una composición líquida apta para pulverización para formar un producto pulverizado, donde dicho método comprende:

generar una pulverización de la composición líquida apta para pulverización; poner en contacto la pulverización de la composición líquida apta para pulverización en una zona de contacto de secado por pulverización con un flujo de fluido de secado primario;

inyectar ráfagas de un fluido de secado secundario a presión en el flujo de fluido de secado primario en la zona de contacto de secado por pulverización en múltiples puntos de la misma para proporcionar una turbulencia localizada en dichos múltiples puntos;

y recuperar el producto pulverizado de la zona de contacto de secado por pulverización.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se introducen en la zona de contacto de secado por pulverización a una temperatura por debajo de los 100°C y por encima de la temperatura de congelación del solvente en la composición líquida apta para pulverización, preferiblemente por debajo de al menos una de las siguientes temperaturas: 95°C, 90°C, 85°C, 80°C, 75°C, 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C, 35°C, 30°C, 25°C y 20°C.

3. El método de la reivindicación 1, en el que la citada inyección se realiza de forma continua o intermitente durante el citado contacto.

4. El método de la reivindicación 1, en el que el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se seleccionan de forma independiente del grupo que consiste en aire, oxígeno, aire enriquecido con oxígeno, nitrógeno, helio, argón, neón, dióxido de carbono, monóxido de carbono y combinaciones de dos o más de los anteriores.

5. El método de la reivindicación 1, en el que la composición líquida apta para pulverización comprende al menos un material de producto seleccionado del grupo que consiste en materiales alimentarios, materiales para bebidas, materiales de fragancia, materiales de pigmentos, materiales de sabor, materiales farmacéuticos, materiales terapéuticos, materiales medicinales, materiales homeopáticos, materiales biológicos, materiales probióticos, materiales de construcción, materiales de formulación y mezclas, combinaciones, compuestos y combinaciones de dos o más materiales diferentes de los anteriores.

6. El método de la reivindicación 1, en el que la composición líquida apta para pulverización comprende un solvente seleccionado del grupo que consiste en agua, alcohol y solución acuosa de alcohol.

7. El método de la reivindicación 1, en el que la composición líquida apta para pulverización comprende al menos un portador seleccionado del grupo que consiste en carbohidratos, proteínas, lípidos, ceras, materiales celulósicos, azúcares, almidones y materiales poliméricos naturales y sintéticos.

8. El método de la reivindicación 1, en el que la composición líquida apta para pulverización tiene una viscosidad en un rango de 300 mPa-s a 28,000 mPa-s, y comprende del 20% al 50% en peso de solvente, en base al peso total de la composición líquida apta para pulverización.

9. El método de la reivindicación 1, en el que el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario se introducen en la zona de contacto de secado por pulverización a una humedad relativa inferior al 20%.

10. El método de la reivindicación 1, que comprende controlar dicha inyección con un sistema de control que ejecuta un programa de temporizador de ciclo predeterminado.

11. Un sistema de secado por pulverización (10, 400, 500) que comprende:

un recipiente de secado por pulverización (14, 410, 518, 702) que incluye un volumen interior (420, 522, 704) para el contacto de una composición líquida apta para pulverización introducida y un flujo de fluido de secado primario, donde dicho recipiente incluye un dispositivo de pulverización (88, 418, 514) posicionado para introducir una pulverización de la composición líquida apta para pulverización en el volumen interior para dicho contacto, una entrada (26, 424, 516) para la introducción del fluido de secado primario en el volumen interior, y una salida (310, 454, 524) para la descarga del producto atomizado y del fluido de secado residual desde el volumen interior; y una pluralidad de inyectores de fluido secundario (20, 322, 434, 436, 438, 440, 446, 448, 450, 452, 534, 714, 716, 718, 720, 722, 724) accionados por un sistema de control, y construidos y dispuestos para introducir ráfagas de fluido secundario a presión en el volumen interior en condiciones de flujo que proporcionan turbulencia localizada en el flujo de fluido de secado primario en el volumen interior en múltiples puntos del flujo de fluido de secado primario.

12. El sistema de secado por pulverización de la reivindicación 11, en el que dicha pluralidad de inyectores de fluido secundario (20, 322, 434, 436, 438, 440, 446, 448, 450, 452, 534) están montados en el recipiente de secado por pulverización (14, 410, 518, 702) en una matriz, preferiblemente en el que la matriz de inyectores de fluido secundario comprende al menos una fila de inyectores de fluido secundario que se extiende circunferencialmente (316, 318, 320), donde cada inyector de fluido secundario en cada fila está espaciado circunferencialmente de los inyectores de fluido secundario adyacentes en dicha fila, y en el que las múltiples filas, cuando están presentes, están espaciadas axialmente con respecto a un eje central del recipiente de secado por pulverización.

13. El sistema de secado por pulverización de la reivindicación 11, en el que cada uno de los múltiples inyectores de fluido secundario (20, 322, 434, 436, 438, 440, 446, 448, 450, 452, 534) es susceptible de accionarse para la inyección de fluido secundario por un sistema de control (590, 592, 594, 596, 598, 600, 602, 604) para suministrar una ráfaga transitoria de fluido secundario al volumen interior del recipiente de secado por pulverización (14, 410, 518, 702).

14. El sistema de secado por pulverización de la reivindicación 11, en el que uno o varios de los múltiples inyectores de fluido secundario (20, 322, 434, 436, 438, 440, 446, 448, 450, 452, 534) son susceptible de accionarse por el sistema de control (590, 592, 594, 596, 598, 600, 602, 604) para suministrar una ráfaga transitoria de fluido secundario al volumen interior (420, 522, 704) del recipiente de secado por pulverización (14, 410, 518, 702), mientras que otros seleccionados de los múltiples inyectores de fluido secundario están desactivados, en una secuencia predeterminada en la cual cada uno de los múltiples inyectores de fluido secundario se acciona intermitentemente en la secuencia predeterminada.

15. El sistema de secado por pulverización de la reivindicación 11, que comprende un deshumidificador (68) construido y dispuesto para suministrar el fluido de secado primario y el fluido de secado secundario al volumen interior (420, 522, 704) del recipiente de secado por pulverización (14, 410, 518, 702) a una humedad relativa inferior al 20%.