RU2055280C1

RU2055280C1 - Method for atomizing drying of materials and atomizing drier

Info

Publication number: RU2055280C1
Application number: RU94012034A
Authority: RU
Inventors: Николай Всеволодович Городецкий; Сергей Владимирович Гувернюк; Олег Николаевич Иванов; Михаил Михайлович Симоненко
Original assignee: Николай Всеволодович Городецкий; Сергей Владимирович Гувернюк; Олег Николаевич Иванов; Михаил Михайлович Симоненко
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1996-02-27

Abstract

FIELD: drying of materials. SUBSTANCE: method involves supplying second flow of heat-carrier via auxiliary branch pipe at an angle with respect to local speed vector of heat-carrier flow adjacent to heat-carrier feeding zone in pulse- flow mode, with pulse frequency above i/t, where t is minimum time the material particles are in chamber when pulsed supply of heat-carrier does not occur. Supplying of second heat-carrier flow is provided by pulsed stream generator with outlet slit-type nozzle positioned between branch pipe and chamber. EFFECT: wider operational capabilities and increased efficiency. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к распылительной сушке и может найти применение в пищевой, биохимической, фармацевтической и других отраслях промышленности для получения порошковых продуктов из различных видов диспергируемых жидких материалов (растворов, суспензий), в том числе термолабильных материалов. The invention relates to spray drying and may find application in food, biochemical, pharmaceutical and other industries for the production of powder products from various types of dispersible liquid materials (solutions, suspensions), including thermolabile materials.

Известны способ распылительной сушки материалов в потоке газообразного теплоносителя и распылительная сушилка, содержащая камеру, устройство подачи и выгрузки материала и патрубок подвода теплоносителя [1]
Наиболее близким к изобретению являются способ распылительной сушки материалов в потоке газообразного теплоносителя и распылительная сушилка, содержащая камеру, устройство подачи и выгрузки материала и тангенциальный патрубок подвода теплоносителя [2]
Однако сушильные аппараты подобного типа из-за малых скоростей относительного движения фаз, а также из-за недостаточно равномерного смешения частиц диспергируемого материала с теплоносителем имеют высокие материало- и энергоемкость и большие габариты. Кроме того, из-за больших градиентов температуры в потоке теплоносителя вследствие недостаточно равномерного смешения фаз не удается обеспечить однородный режим термообработки материала, что отрицательно влияет на качество конечной продукции.A known method of spray drying materials in a stream of gaseous coolant and a spray dryer containing a chamber, a device for feeding and unloading material and a pipe for supplying coolant [1]
Closest to the invention are a method of spray drying materials in a gaseous coolant stream and a spray dryer comprising a chamber, a material supply and discharge device, and a tangential coolant supply pipe [2]
However, dryers of this type, due to the low speeds of the relative motion of the phases, and also due to insufficiently uniform mixing of the particles of the dispersible material with the coolant, have high material and energy consumption and large dimensions. In addition, due to large temperature gradients in the coolant flow due to insufficiently uniform mixing of the phases, it is not possible to provide a uniform heat treatment regime for the material, which negatively affects the quality of the final product.

Для устранения перечисленных недостатков в способе распылительной сушки материалов в потоке газообразного теплоносителя дополнительно осуществляют подачу второго потока теплоносителя под углом к вектору местной скорости потока теплоносителя в зоне его подачи в импульсно-струйном режиме с частотой импульсов не менее 1/t, где t минимальное время пребывания частиц распыленного материала в потоке теплоносителя при отсутствии импульсного вдува (второго потока). To eliminate the aforementioned drawbacks in the method of spray drying materials in a gaseous coolant stream, a second coolant stream is additionally supplied at an angle to the vector of the local coolant flow rate in the zone of its supply in a pulse-jet mode with a pulse frequency of at least 1 / t, where t is the minimum residence time particles of atomized material in the coolant stream in the absence of pulsed injection (second stream).

Подачу теплоносителя можно осуществлять в пульсирующем режиме. The coolant can be pulsed.

Предлагаемый способ реализован в распылительной сушилке, содержащей камеру, устройство подачи и выгрузки материала, тангенциальный патрубок подвода теплоносителя, при этом она дополнительно содержит патрубок подвода второго потока теплоносителя и генератор импульсных струй с выходным щелевым соплом, причем последний установлен в рассечку между патрубком и камерой. The proposed method is implemented in a spray dryer containing a chamber, a device for feeding and unloading material, a tangential nozzle for supplying a coolant, while it further comprises a nozzle for supplying a second coolant stream and a pulse jet generator with an output slot nozzle, the latter being installed in a cut between the nozzle and the chamber.

Для осуществления подачи теплоносителя в пульсирующем режиме тангенциальный патрубок и патрубок подвода второго потока теплоносителя могут быть соединены байпасной линией. To supply the coolant in a pulsating mode, the tangential pipe and the pipe for supplying the second coolant stream can be connected by a bypass line.

Дополнительная подача второго потока теплоносителя под углом к вектору местной скорости потока теплоносителя в зоне его подачи в импульсно-струйном режиме обеспечивает возникновение в потоке теплоносителя вихревых фрагментов, индуцирующих пульсации скорости потока как в поперечном, так и в продольном направлении, что способствует интенсификации процессов тепло- и массообмена и одновременно обеспечивает более равномерное смешение частиц с теплоносителем. The additional supply of the second coolant flow at an angle to the local velocity vector of the coolant flow in the feed zone in the pulse-jet mode ensures the appearance of vortex fragments in the coolant flow that induce flow velocity pulsations in both the transverse and longitudinal directions, which contributes to the intensification of heat and mass transfer and at the same time provides a more uniform mixing of particles with a coolant.

Подача теплоносителя в импульсно-струйном режиме с частотой импульсов не менее 1/t, где t минимальное время пребывания частиц распыленного материала в потоке теплоносителя при отсутствии импульсного вдува, гарантировано обеспечивает нахождение каждой частицы диспергированного материала в условиях высокоградиентных относительных скоростей потока теплоносителя в течение всего времени пребывания их в сушильной камере. The flow of coolant in a pulsed-jet mode with a pulse frequency of at least 1 / t, where t is the minimum residence time of the particles of atomized material in the coolant flow in the absence of pulsed blowing, ensures that each particle of the dispersed material is in conditions of high-gradient relative flow rates of the coolant for the entire time their stay in the drying chamber.

Подача теплоносителя в пульсирующем режиме обеспечивает дополнительные пульсации скорости газа по основному направлению распространения потока теплоносителя (продольные пульсации по потоку), что обеспечивает дополнительное увеличение относительных скоростей фаз и, таким образом, способствует увеличению скорости тепло- и массообмена на поверхности капель (частиц) диспергированного материала. The flow of coolant in a pulsating mode provides additional pulsations of the gas velocity along the main direction of flow of the coolant (longitudinal pulsations along the flow), which provides an additional increase in the relative velocities of the phases and, thus, increases the rate of heat and mass transfer on the surface of droplets (particles) of dispersed material .

Дополнительное оборудование сушилки патрубком подвода второго потока теплоносителя и генератором импульсных струй с выходным щелевым соплом, причем последний установлен в рассечку между патрубком и камерой, обеспечивает генерацию вихревых течений и, соответственно, возникновение пульсаций скорости потока теплоносителя по всему объему камеры. The additional equipment of the dryer with a nozzle for supplying a second coolant flow and a pulse jet generator with an output slot nozzle, the latter being installed in a cut between the nozzle and the chamber, ensures the generation of vortex flows and, accordingly, the occurrence of pulsations of the coolant flow rate throughout the chamber volume.

Благодаря соединению тангенциального патрубка и патрубка подвода второго потока теплоносителя байпасной линией возникают автоколебания в канале подачи теплоносителя, что приводит к пульсациям расхода теплоносителя на входе в сушильную камеру. Due to the connection of the tangential nozzle and the inlet of the second coolant flow by the bypass line, self-oscillations occur in the coolant supply channel, which leads to pulsations of the coolant flow rate at the inlet to the drying chamber.

В качестве генератора импульсных струй использовано известное техническое решение по авторскому свидетельству СССР N 1383015, кл. F 15 B 21/22, 1986. As a generator of pulsed jets used the well-known technical solution according to the author's certificate of the USSR N 1383015, class. F 15 B 21/22, 1986.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема распылительной сушилки, реализующей предлагаемый способ; на фиг. 2 камера сушилки, продольный разрез; на фиг. 3-5 разрез А-А на фиг. 2 для различных схем подачи теплоносителя в камеру и в генератор импульсных струй: при независимой подаче, при наличии газодинамической связи между системами подачи и при использовании системы подачи теплоносителя в качестве системы подачи газа в генератор соответственно. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a spray dryer that implements the proposed method; in FIG. 2 drying chamber, longitudinal section; in FIG. 3-5 section AA in FIG. 2 for various schemes of supplying the coolant to the chamber and to the pulse jet generator: with independent supply, with a gas-dynamic connection between the supply systems and when using the coolant supply system as a system for supplying gas to the generator, respectively.

Распылительная сушилка состоит из камеры 1, выполненной в виде цилиндрической обечайки 2 с передней 3 и задней 4 торцовыми стенками. На передней торцовой стенке 3 установлено распылительное устройство 5, выполненное, например, в виде форсунки. На задней торцовой стенке 4 соосно с обечайкой 2 установлен выходной канал 6, сообщающийся с полостью камеры 1. На обечайке 2 выполнены два продольных отверстия 7 и 8 в виде щелей. Отверстия выполнены таким образом, что их продольные оси в поперечной плоскости расположены относительно друг друга под углом Fi равным, например, 120^о. Выходной патрубок 9 газового канала 10 системы подачи теплоносителя, выполненный в виде тангенциального сопла, установлен на обечайке 2 камеры 1 вдоль ее образующей по касательной к поверхности обечайки 2 и соединен с полостью камеры 1 через отверстие 7. Выходной патрубок 11 генератора импульсных струй (ГИС) 12, выполненный в виде щелевого плоского сопла, установлен перед выходным патрубком 9 системы подачи теплоносителя на обечайке 2 камеры 1 вдоль ее образующей под углом, например, 90^о к поверхности обечайки 2. Патрубок 11 соединен с полостью камеры 1 через отверстие 8. Входной патрубок 13 ГИС 12 соединен каналом 14 с системой подачи теплоносителя. Для возбуждения автоколебаний в канале 10 этот канал соединен с каналом 14 байпасной линией (газодинамическим каналом) 15. В частном случае выполнения устройства патрубок 13 соединен с каналом 10 газовым каналом 16. Канал 10 системы подачи теплоносителя соединен с тепловентилятором 17. Канал 14 системы подачи теплоносителя в ГИС 12 соединен с тепловентилятором 18. Распылительное устройство 5 посредством гидравлического канала 19 через гидроклапан 20 соединено с выходом гидронасоса 21, вход которого соединен гидроканалом 22 с емкостью 23 исходного сырья. Выходной канал 6 соединен с устройством улавливания высушенного материала 24, выполненного, например, в виде циклона (или рукавного фильтра), снабженного емкостью 25 для сбора конечного продукта.The spray dryer consists of a chamber 1 made in the form of a cylindrical shell 2 with front 3 and rear 4 end walls. On the front end wall 3, a spray device 5 is installed, made, for example, in the form of a nozzle. On the rear end wall 4 coaxially with the shell 2, an output channel 6 is installed, communicating with the cavity of the chamber 1. On the shell 2 there are two longitudinal holes 7 and 8 in the form of slots. The holes are made in such a way that their longitudinal axis in the transverse plane are located relative to each other at an angle Fi equal to, for example, 120 ^about . The outlet pipe 9 of the gas channel 10 of the coolant supply system, made in the form of a tangential nozzle, is mounted on the shell 2 of the chamber 1 along its generatrix tangentially to the surface of the shell 2 and is connected to the cavity of the chamber 1 through the hole 7. The outlet pipe 11 of the pulse jet generator (GIS) 12, formed as a flat slit nozzle installed in front of the outlet pipe 9 for the coolant supply system shell 2 of the chamber 1 along its generatrix at an angle, e.g., 90 ^of the mantle surface 2. nozzle 11 is connected with the cavity kama 1 through the hole 8. The inlet pipe 13 of the GIS 12 is connected by a channel 14 to the coolant supply system. To excite self-oscillations in channel 10, this channel is connected to channel 14 by a bypass line (gas-dynamic channel) 15. In the particular case of the device, the nozzle 13 is connected to channel 10 by gas channel 16. Channel 10 of the coolant supply system is connected to the fan heater 17. Channel 14 of the coolant supply system in the GIS 12 it is connected to the fan heater 18. The spray device 5 is connected via the hydraulic channel 19 through the hydraulic valve 20 to the outlet of the hydraulic pump 21, the input of which is connected by the hydraulic channel 22 to the capacity 23 of the feed . The output channel 6 is connected to a device for collecting dried material 24, made, for example, in the form of a cyclone (or bag filter), equipped with a container 25 for collecting the final product.

Рабочая частота f ГИС 12 задается предварительной настройкой из условия f > 1/t, где t минимальное время пребывания частиц распыленного материала в камере при отсутствии дополнительного импульсного вдува. Для предлагаемой конструкции сушильной камеры t L/(Vч + Vт), где L длина сушильной камеры; Vч и Vт соответственно средние значения величин скорости частиц диспергированного материала в осевом направлении и потока теплоносителя по длине сушильной камеры. The operating frequency f of the GIS 12 is set by pre-setting from the condition f> 1 / t, where t is the minimum residence time of the particles of atomized material in the chamber in the absence of additional pulsed injection. For the proposed design of the drying chamber t L / (Vh + Vt), where L is the length of the drying chamber; Vh and Vt, respectively, are the average values of the particle velocity of the dispersed material in the axial direction and the heat carrier flow along the length of the drying chamber.

Расход и температура теплоносителя при заданных размерах сушильной камеры определяются экспериментально для каждого конкретного вида исходного сырья в зависимости от термочувствительности и требуемой влажности конечного продукта. The flow rate and temperature of the coolant for a given size of the drying chamber are determined experimentally for each specific type of feedstock, depending on the heat sensitivity and the required humidity of the final product.

Распылительная сушилка работает следующим образом. Spray dryer operates as follows.

При включении тепловентилятора 17 теплоноситель (в данном случае подогретый воздух) нагнетается в канал 10 и поступает по патрубку 9 через отверстие 7 в камеру 1. Тепловентилятор 18 по каналу 14 через входной патрубок 13 нагнетает воздух в ГИС 12. Поток теплоносителя, истекающий из отверстия 7, создает в камере 1 закрученное относительно оси симметрии камеры 1 течение. ГИС 12 осуществляет генерацию импульсных струй, которые истекают по выходному патрубку 11 через отверстие 8 в камеру 1 в направлении к продольной оси ее симметрии. Нестационарное истечение импульсных полностью прерывистых струй создает в основном закрученном потоке теплоносителя многочисленные нестационарные вихревые зоны течения, заполняющие весь объем сушильной камеры 1. В результате внутри камеры 1 в каждой точке пространства на фоне основного закрученного потока создаются нестационарные вихревые зоны течения с пульсациями амплитуды и направления вектора скорости потока теплоносителя по времени. При импульсном вдуве газа возникают пульсации давления в камере 1 и в каналах 10 и 15 (16), что сопровождается пульсациями расхода теплоносителя, поступающего в камеру 1 по патрубку 9. Пульсации расхода осуществляются в режиме автоколебаний за счет газодинамической связи между каналом 10 и ГИС 12. При включении гидронасоса 21 и открытии гидроклапана 20 жидкий материал из емкости 23 по гидроканалам 22 и 19 начинает поступать на распылительное устройство 5, которое диспергирует материал в сушильную камеру 1. Частицы диспергированного материала, попадая в пульсирующий закрученный поток с вихревыми зонами, движутся по спиральным траекториям, совершая хаотичные пространственные перемещения от воздействия локальных вихревых зон и пульсаций скорости потока. Под действием центробежных сил частицы в результирующем движении перемещаются к обечайке 2 сушильной камеры 1. Далее частицы, попадая в зону истечения импульсных струй, отбрасываются от обечайки 2 в направлении к продольной оси камеры 1. Тем самым обеспечивается равномерное перемешивание частиц с теплоносителем и одновременно предотвращается налипание частиц на внутреннюю поверхность обечайки 2. Нахождение частиц в пристеночной вихревой зоне продолжается до тех пор, пока центробежная составляющая сил, действующих на частицы, не станет меньше аэродинамических сил, вызванных радиально-продольными составляющими течения теплоносителя в направлении к выходному отверстию. Под действием вышеуказанных сил высушенные частицы вместе с парогазовой смесью выходят из сушильной камеры 2 по выходному каналу 6 и попадают в устройство улавливания 24, где происходит отделение высушенных твердых частиц от парогазовой смеси, и далее они накапливаются в емкости 25. When the fan heater 17 is turned on, the coolant (in this case, heated air) is pumped into the channel 10 and enters through the nozzle 9 through the opening 7 into the chamber 1. The heater 18 through the channel 14 through the inlet 13 pumps air into the GIS 12. The coolant flowing out from the hole 7 , creates in the chamber 1 swirling relative to the axis of symmetry of the chamber 1 flow. GIS 12 generates pulsed jets that flow through the outlet pipe 11 through the hole 8 into the chamber 1 in the direction of the longitudinal axis of its symmetry. Unsteady outflow of pulsed completely discontinuous jets creates in the main swirling flow of the coolant numerous unsteady vortex flow zones filling the entire volume of drying chamber 1. As a result, unsteady vortex flow zones with pulsations of the amplitude and direction of the vector are created inside chamber 1 against the background of the main swirling flow. coolant flow rate over time. With pulsed gas injection, pressure pulsations arise in chamber 1 and in channels 10 and 15 (16), which is accompanied by pulsations of the coolant flow entering chamber 1 through nozzle 9. Flow pulsations are carried out in self-oscillation mode due to gas-dynamic communication between channel 10 and GIS 12 When you turn on the hydraulic pump 21 and open the hydraulic valve 20, the liquid material from the tank 23 through the channels 22 and 19 begins to flow to the spray device 5, which disperses the material into the drying chamber 1. Particles of the dispersed material, getting into a swirling pulsating flow with vortex zones, they move along spiral trajectories, making chaotic spatial movements from the influence of local vortex zones and pulsations of the flow velocity. Under the action of centrifugal forces, the particles in the resulting movement move to the shell 2 of the drying chamber 1. Then the particles, falling into the expiration zone of the pulsed jets, are discarded from the shell 2 in the direction to the longitudinal axis of the chamber 1. This ensures uniform mixing of particles with the coolant and simultaneously prevents sticking particles on the inner surface of the shell 2. Particles in the wall vortex zone continue until the centrifugal component of the forces acting on the particles becomes m less aerodynamic forces caused by the radial-longitudinal components of the flow of coolant in the direction of the outlet. Under the action of the above forces, the dried particles together with the vapor-gas mixture exit the drying chamber 2 through the outlet channel 6 and enter the capture device 24, where the dried solid particles are separated from the vapor-gas mixture, and then they accumulate in the tank 25.

Осуществлялась сушка молока с 12%-ным содержанием твердых компонентов при температуре теплоносителя 42-43^оС и его объемном расходе порядка 0,12 м³/с. Объем сушильной камеры был равен 0,4 м³. Частота генерации импульсных струй составляла порядка 180 Гц. Удельный съем влаги достигал 90 кг/м³·ч, а затраты энергии на испарение не превышали 0,8 кВт·ч/кг испаренной влаги. По расчету при сушке по предлагаемому способу диспергируемых жидких материалов, в частности молока, при температуре теплоносителя 140-150^оС можно обеспечить удельный съем влаги более 1000 кг/м³ · ч, что на порядок превышает соответствующий показатель известных сушилок распылительного типа.Milk by drying a 12% solids content at a temperature of coolant 42-43 ^{° C} and the volumetric flow rate of the order of 0.12 m ³ / s. The volume of the drying chamber was 0.4 m ³ . The frequency of generation of pulsed jets was about 180 Hz. The specific moisture removal reached 90 kg / m ³ · h, and the energy consumption for evaporation did not exceed 0.8 kW · h / kg of evaporated moisture. By calculation in drying method of the present liquid dispersible materials, particularly of milk, the coolant temperature of 140-150 ^{° C} can provide specific removal of moisture more than 1000 kg / m ³ · h, which is much higher than the corresponding figure of known spray-type dryers.

Claims

1. The method of spray drying of materials in a gaseous coolant stream, characterized in that they additionally supply a second coolant stream at an angle to the vector of the local coolant flow rate in the feed zone in a pulse-jet mode with a pulse frequency of at least 1 / t, where t - minimum residence time of material particles in the chamber in the absence of a pulsed coolant supply.

2. The method according to claim 1, characterized in that the flow of coolant is carried out in a pulsating mode.

3. A spray dryer containing a chamber, material feeding and unloading devices, a tangential coolant supply pipe, characterized in that it further comprises a second coolant supply pipe and a pulse jet generator with an exit slot nozzle, the latter being installed in a cut between the pipe and the camera.

4. The dryer according to claim 3, characterized in that the tangential pipe and the pipe for supplying the second coolant stream are connected by a bypass line.