Распылительной сушилки

 

Одним из распространённых способов конвективной сушки жидких продуктов является сушка их в распылённом (тонкодисперсированном) состоянии, или сушка распылением (распылительная сушка).

Распылительная сушка применяется при получении порошкообразного сухого продукта из высушиваемого материала. Распылением сушат жидкие и пастообразные концентрированные растворы. Высушиваемые материалы специальными приспособлениями (вращающимися дисками, форсунками) диспергируют в камере и высушивают в потоке теплоносителя (нагретого воздуха, перегретого пара). Благодаря развитой поверхности диспергированных частиц процесс протекает практически мгновенно, поэтому можно использовать высокие температуры газов, не опасаясь ухудшения качества продукта. Сухой продукт в виде порошка падает на дно сушильной камеры, откуда непрерывно удаляется. Мелкодисперсная часть высушенных частиц захватывается отработанным сушильным агентом и выделяется из него в пылеотделителях (матерчатых фильтрах, циклонах, скрубберах и т. д.).

Способ сушки распылением обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами сушки.

– процесс сушки протекает очень быстро (обычно 15…30 с). Благодаря мгновенной сушке и невысокой температуре распылённых частиц высушенный продукт получается хорошего качества, например не происходит денатурации белков, окисления, потерь витаминов и т. д.;

– при сушке распылением получается готовый продукт хорошего качества с высокой степенью дисперсности и повышенной растворимостью;

– высушиваемый материал в процессе сушки не соприкасается с поверхностью сушилки до тех пор, пока он не высохнет. Это упрощает решение проблемы коррозии и выбора материала для изготовления сушильной камеры.

– не происходит вынос пыли высушиваемого продукта в помещении цеха.

Распылительная сушка имеет следующие недостатки: большие удельные габаритные размеры сушильной установки; сравнительно дорогое и сложное оборудование для распыления и выделения высушиваемого продукта из отработанных газов; повышенный расход электроэнергии, обусловленный затратами на распыление и увеличенный расход воздуха вследствие небольшого насыщения отработанного воздуха испаряемыми парами.

Исходными данными, определяющими выбор схемы и конструкции распылительной сушилки, являются: свойства сухого продукта; метод распыления материала; начальная концентрация материала; термостойкость исходного материала и сухого продукта; параметры сушильного агента (теплоносителя); метод удаления сухого продукта из сушильной камеры; метод улавливания частиц уноса продукта.

 

Рис. 1. Схема распылительной дисковой сушилки: 1 – емкость; 2 – насос-дозатор; 3 – фильтр; 4 – вентилятор; 5 – калорифер; 6 – распределитель воздуха; 7 – привод; 8 – камера; 9 – дымосос; 10 – вентилятор пневмотранспорта; 11 – циклон; 12 – виброхолодильник

На рис. 1 показана схема установки Ниро-Атомайзер (Дания) с распылением раствора центробежным диском. Воздух через фильтр 3 вентилятором 4 подается в паровой калорифер 5 и далее в воздухораспределитель 6. Воздушный поток подается с небольшой закруткой к корню факела распыла сверху диска. Из емкостей 1 однокомпонентный или двухкомпонентный раствор насосом 2 подается на центральный диск. Диск приводится во вращение от электродвигателя через редуктор привода 7.

Диспергированный раствор высушивается в токе нагретого воздуха. Высушенный продукт оседает на дно сушильной камеры и далее через затвор на виброхолодильник. Отработанный воздух через центральную трубу с козырьком для осыпания материала идет в циклон 11 и далее вентилятором 10 выбрасывается в атмосферу. Порошок из камеры 8 и циклонов пневмотранспортом подается на упаковку. Количество подаваемого раствора на распыл регулируется по температуре воздуха на выходе из сушилки.

При сушке обычно используют три метода распыления: механическими форсунками, пневматическими форсунками и центробежными дисками.

Распыление механическими форсунками проводят при давлении 3,0…20,0 МПa (рис. 2).

 

Рис. 2. Механические форсунки: а – для распыления высококонцентрированных растворов: 1 – головка; 2 – прокладка; 3 – корпус; 4 – насадка; б – Кертинга: 1 – корпус; 2 – вкладыш; 3 – канавки; в – Григорьева: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – шайба; 4 – конус; 5 – треугольные канавки; г – системы ЦККБ: 1 – корпус; 2 – верхний вкладыш; 3 – нижний вкладыш

Распыление центробежными механическими форсунками имеет следующие преимущества: форсунки просты и компактны, работают бесшумно; небольшие расходы электроэнергии на распыление; можно легко получить желаемую конфигурацию факела изменением внутреннего устройства форсунки; производительность одной форсунки может достигать 4000 кг/ч. Механические форсунки имеют ряд недостатков: регулировать производительность форсунки трудно, т. к. при регулировании производительности вентилем перед форсункой давление в распылителе значительно падает, вследствие чего резко понижается дисперсность распыла; выходные отверстия форсунок малы (0,5…1,0 мм), поэтому они часто засоряются и непригодны для распыления суспензий и паст; центробежными форсунками нельзя распыливать пастообразные растворы и густые суспензии; при распылении суспензий происходит быстрое забивание форсунки вследствие выделения твердой фазы в канавках; выходное отверстие форсунки в эксплуатации вследствие эрозии разрабатывается, что приводит к изменению производительности форсунки.

В пневматические форсунки подаются распыливающий газ и распыляемая жидкость. Пневматические форсунки в зависимости от величины давления подразделяют на высоконапорные (при давлении 0,3…0,6 МПа с относительным расходом распыливающего газа 0,3…1,0 кг/кг жидкости) и низконапорные (при давлении менее 0,01 МПа с относительным расходом газа 4…10 кг/кг жидкости). Форма и степень турбулентности жидкой струи определяются конструктивными особенностями форсунки, давлением и физическими свойствами жидкости. В качестве распыливающего газа обычно применяют воздух или водяной пар. С помощью пневматических форсунок можно распыливать растворы практически с любой вязкостью. Пневматические форсунки надежны в эксплуатации, просты по устройству; можно легко изменять форму факела распыла в нужном направлении. К недостаткам этого метода распыления необходимо отнести, в первую очередь, большой расход электроэнергии (50…60 кВт на 1 т раствора), трудность получения удовлетворительного распыла при большой производительности форсунки. Сам распыл неоднороден, что объясняется неравномерным распределением энергии сжатого воздуха по сечению струи раствора.

При сушке истинных растворов наиболее целесообразно распыление механическими форсунками, во всех остальных случаях – распыление дисками.

Наиболее широкое распространение получило распыление при помощи центробежных дисков. Через специальную распределительную коробку или трубу с отверстиями раствор под небольшим избыточным давлением подают на диск, где он получает вращательное движение (рис. 3). Благодаря действию центробежной силы раствор в виде пленки с непрерывно возрастающей скоростью перемещается к лопаткам или соплам и далее по ним – к периферии диска, откуда сбрасывается. При этом происходит распыление раствора. Дисперсность распыла зависит от окружной скорости диска, производительности по раствору, отнесенной к смачиваемому периметру, физических свойств раствора и т. д.

Современные конструкции дисков подразделяются на две группы: диски с канавками и лопатками, имеющие значительный участок разгона в радиальном направлении пленки жидкости, и сопловые чашеобразные диски. В первом случае обеспечивается большая величина смоченного периметра и, как следствие, равномерный распыл. Основной недостаток таких дисков – большой вентиляционный эффект и трудность распыления растворов, вызывающих коррозию и эрозию лопаток. При сушке термостойких растворов с небольшой начальной влажностью (т. е. при малых соотношениях агента сушки и раствора) очень трудно регулировать факел распыла. При подводе газов к корню факела можно применять высокие температуры газов, не опасаясь ухудшения качества продукта. В этом случае распыл может быть более грубым.

Основные преимущества распыления дисками: однородность распыла, возможность распыления грубых суспензий, вязких растворов и паст, большая мощность одного распылителя.

В зависимости от технологических требований сушку растворов проводят при параллельном, противоположном и смешанном токе материала и агента сушки. Большинство сушилок работают по принципу параллельного тока, обеспечивающего интенсивную и экономическую сушку с получением продукта высокого качества.

Противоточное движение материала и газов применяют, например, при получении продукта с большой насыпной плотностью и т. д. Опытами установлено, что при повышении начальной температуры газов в параллельно-точной сушилке насыпная плотность продукта уменьшается вследствие раздутия частиц. Большое значение при сушке распылением имеет равномерное распределение газа по всему сечению камеры и быстрое смешение его с распыленными каплями раствора. Скорость смешения газа и раствора в данном случае приобретает особое значение, т.к. длительность сушки очень мала. Равномерное и быстрое распределение газов по сушильной камере и между каплями раствора зависит от способа ввода и вывода газов из камеры.

Конструкции сушильных камер при распылении жидкостей центробежными дисками и форсунками резко отличаются. На рис. 4 приведены схемы наиболее распространенных форсуночных сушильных камер.

При дисковом распыле скорость газов по сечению камеры значительно меньше, чем при форсуночном, поэтому и вопросы, связанные с распределением газов, решить намного труднее. Наиболее рационально подавать газы к корню факела распыла, чтобы максимально использовать для сушки горизонтальный участок полета капель с большой скоростью, сократить диаметр факела распыла и обеспечить подачу газа к диску для его самовентиляции. Таким образом, можно подавать газы при высоких температурах, не опасаясь перегрева высушенных частиц материала. Отводить газы целесообразнее из центра камеры.

Рис. 4. Схемы форсуночных сушильных камер: а – с центральным закрученным подводом теплоносителя (прямоточная); б – с центральным подводом теплоносителя и раздельным отводом газов и продукта; в – с равномерным распределением газов по сечению через газораспределительную решетку; г – с радиальным (по периферии) подводом теплоносителя и центральным отсосом; д – с локальным подводом газов к форсунке; е –с параллельным и противоточным движением газов и теплоносителя; ж – с центральным и периферийным подводом теплоносителя и отводом газов по центру (противоточная)

 

Схемы сушилок с дисковым распылением представлены на рис. 5.

По способу ввода газов их можно разделить следующим образом: с равномерной подачей газов над факелом по всему сечению камеры (рис. 5, а, б) и с сосредоточенной подачей газов к корню факела распыла (рис. 5, в). Причем последние подразделяются на сушилки с подачей газов над факелом (рис. 5, в, е, ж, з) и под него (рис. 5, г, д). Вывод газов и материала осуществляется раздельно (кроме схемы на рис. 5, а). При низкотемпературной сушке высоковлажных растворов можно использовать сушильные камеры типов, изображенных на рис. 5, а, б.

Рис. 5. Схема сушилок с дисковым распылением (типы а–з): 1 – привод; 2 – газораспределительное устройство; 3 – газовый короб

 

Наиболее рационально подавать газы к корню факела распыла (рис. 5, в). В камере имеется двойное потолочное перекрытие для распределения газов к корню факела распыла. Для закручивания потока установлены лопатки.

На рис. 5, г, д показана подача газов через распределительную головку снизу. В результате изменения скорости истечения газа из жалюзей регулируется положение факела распыла. Недостатки такого распределения – затемнение камеры газоходами и опасность забивки распределительной головки высушиваемым материалом, что может привести к нарушению гидродинамической обстановки в сушилке и возгоранию продукта.

Сушилки наиболее перспективных типов изображены на рис. 5, е, ж. На рис. 5, е приведена схема сушилки с подачей газов к корню факела распыла сверху. В центре камеры установлен защитный кожух, в котором размещается привод с электродвигателем. Теплоноситель подводится к газораспределительному конусу при помощи равнорасходного кругового газохода. Поток газов на выходе из конуса должен быть закручен настолько, чтобы не происходило поднятие факела распыла и поток газов не «пробивал» его, а перемещался вместе с частицами раствора в горизонтальном направлении.

На рис. 5, ж показана схема сушилки с подводом газов к корню факела распыла и выгрузкой сухого продукта при помощи механических скребков. Наличие двух днищ позволяет отводить газы из центра камеры и уменьшить унос пыли. На газовом тракте от сушилки к циклонам отсутствуют горизонтальные участки большой длины.

В каждом конкретном случае выбор схемы распылительной сушки производится с учетом технологических требований, предъявляемых к сухому продукту (по дисперсности, структуре и конечной влажности), а также с учетом максимально возможного использования объема аппарата и его экономичности.