Способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов и устройство для его осуществления

Способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологическим процессам обработки веществ и материалов, в частности к способам и устройствам для низкотемпературного обезвоживания различных материалов, веществ, пищевых продуктов, отходов сельскохозяйственных и пищевых производств, и может быть использовано в пищевой, медицинской, микробиологической и других отраслях промышленности.

Известен способ и устройство сушки материалов в вакууме путем их кондуктивного нагрева на подогреваемых полках и отвода конденсата (патент РФ №2121638 по кл. 6 F 26 В 5/04, 9/06 от 26.06.1997).

В этом патенте описаны способ и устройство для низкотемпературного обезвоживания в вакууме материалов. Способ вакуумной сушки - обезвоживания проводится в две стадии на подогреваемых полках, на первой стадии устанавливают необходимый вакуум и затем осуществляют подогрев полок с материалом до температуры, не превышающей предельно допустимую. На второй стадии при той же температуре полок вакуум понижают и сушку ведут до влажности материала не выше 5% и его температуры, близкой к температуре полок. Устройство содержит вакуумную камеру с полками для высушиваемого материала, подключенную через батарейный осушитель паровоздушной смеси к водокольцевому насосу и насосу глубокого вакуума, а также к холодильной машине. Устройство имеет систему нагрева полок.

Недостатком данного технического решения является невозможность организации непрерывного цикла обработки, низкая ремонтоспособность устройства и неудобство в обслуживании и эксплуатации (сложность замены и ремонта находящихся в камере элементов).

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является способ низкотемпературного обезвоживания в вакууме (патент РФ №2134854 по кл. 6 F 26 В 5/06 от 01.08.97) и устройство для низкотемпературного обезвоживания органических веществ в вакууме (патент №2150058 кл. 7 F 26 В 5/06 от 19.01.99).

Способ по приведенному патенту обеспечивается транспортировкой обрабатываемого вещества и снижением мощности нагрева пропорционально массе испаряемой воды при постоянных температуре обрабатываемого продукта и скорости испарения воды. При этом тепло сконденсировавшейся воды используется для предварительного подогрева исходного вещества. Нагрев обрабатываемого продукта осуществляется в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного вещества и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта.

Устройство по приведенному патенту содержит вакуумную камеру, в которой поярусно расположены элементы размещения и транспортировки органического материала, система нагрева и узлы загрузки исходного и выгрузки конечного продукта. Вакуумная камера выполнена из набора герметичных секций, каждая из которых выполнена в виде двух оболочек, а элементы размещения и транспортировки материала выполнены в виде расположенных друг над другом дисков с лопатками, между которыми размещены полые диски с трубчатыми каналами для теплоносителя.

Недостатком данного технического решения является сброс в систему охлаждения конденсора тепловой энергии, выделяющейся в процессе конденсации испаренной влаги при обезвоживании и близкой по количеству тепловой энергии, затраченной на испарение.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в сокращении потерь тепла путем использования для обезвоживания тепловой энергии, выделяющейся в процессе сбора и отвода конденсата, образовавшегося в процессе обработки исходного влажного продукта, повышении удобства в обслуживании и ремонтоспособности устройства и обеспечении непрерывности цикла обработки исходного материала.

За основу реализации предлагаемого способа приняты теплофизические свойства воды, содержащейся в обрабатываемых материалах.

Поставленная цель согласно изобретению достигается за счет того, что в способе низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов, включающем загрузку исходного материала в камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, сбор, слив и удаление конденсата, выгрузку конечного обезвоженного продукта, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого продукта в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного вещества и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, согласно изобретению, тепловая энергия, выделяющаяся в процессе сбора и отвода конденсата, возвращается в систему нагрева исходного материала, при этом поэтапный слив конденсата проводится таким образом, что перед удалением конденсата на атмосферу его переливают в дополнительную емкость с теплообменником и давлением внутри нее ниже атмосферного и возможностью доведения его до атмосферного, а система загрузки осуществляет постоянную подачу исходного материала либо порциями, либо регулируемым непрерывным потоком.

А также за счет того, что выдержку исходного материала в камере можно осуществлять при давлении 400-10 мм рт.ст. при температуре 20-85°C с последующей перегрузкой обработанного материала в дополнительную камеру с давлением внутри нее от 760 мм рт.ст. до 10^-2 мм рт.ст. и температурой от 20-85°С и окончательной выгрузкой конечного обезвоженного продукта на атмосферу.

Согласно изобретению, устройство для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов содержит технологическую камеру, в которой расположены нагревательные элементы в виде неподвижных полых дисков с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых размещается исходный материал, систему загрузки и выгрузки обрабатываемого материала, систему нагрева исходного материала, систему вакуумной откачки камеры, конденсор с емкостью для сбора конденсата, соединенный патрубками с технологической камерой и с вакуумным насосом, систему охлаждения конденсора с источником холодной воды, сборник готового продукта и блок питания, контроля и измерения параметров, при этом камера сбора и выгрузки конечного продукта с давлением внутри нее от 760 мм рт.ст. до 10^-2 мм рт.ст. связана с технологической камерой прямопролетным затвором, присоединена к своей независимой вакуумной системе откачки и имеет возможность окончательной выгрузки конечного продукта на атмосферу.

Причем в устройстве для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов технологическая камера может быть выполнена в виде двух вертикальных, подвижно соединенных между собой по образующим неполных цилиндров, а каждый нагревательный элемент имеет по два сквозных отверстия, симметрично расположенных по отношению его оси, и радиальную прорезь, которая в каждом последующем, расположенном ниже предыдущего нагревательном элементе смещена на угловой шаг, обеспечивающий ее размещение вне зоны видимости через сквозную щель каждого предыдущего и последующего нагревательных элементов, при этом все нагревательные элементы герметично соединены между собой и образуют единый блок с коллектором, формируемым внутренними полостями сквозных отверстий нагревательных элементов, с возможностью поворота этого блока вокруг оси, параллельной оси технологической камеры и собственной оси вращения, причем диаметр условного прохода (проводимость по теплоносителю) каждого нагревательного элемента больше или равен условному проходу коллектора.

А также в устройстве для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов конденсор может быть снабжен основной емкостью, внутри которой размещен теплообменник, и дополнительной, оснащенной теплообменником емкостью для сбора конденсата с системой напуска воздуха, причем дополнительная емкость через затвор соединена с основной емкостью для сбора конденсата и через другой затвор - с вакуумным насосом, выход дополнительной емкости через вентиль соединен с насосом откачки конденсата, при этом входы и выходы теплообменников конденсора, дополнительной и основной емкостей системы конденсора присоединены к блоку теплового насоса.

А также в устройстве для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов узел загрузки может быть выполнен в виде герметичной камеры, снабженной системой откачки, дозатором и шлюзовым затвором, соединенным с технологической камерой или узел загрузки может быть выполнен в виде одновинтового насоса с частотным регулированием скорости вращения, соединенным с камерой исходного материала и с технологической камерой.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволили выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “новизна” по существующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

На фиг.1 представлена схема способа и устройства для низкотемпературного вакуумного обезвоживания, на фиг.2 - поперечное сечение открытой технологической камеры с системой поворота единого блока элементов нагрева и перемещения обрабатываемого продукта.

Способ и устройство низкотемпературного вакуумного обезвоживания реализуются следующим образом.

На фиг.1 исходный материал 1 из блока загрузки исходного продукта 2 имеет возможность через шлюз регулируемым потоком либо мерными порциями через дозатор поступать в технологическую камеру 3 на нагревательные элементы 4, которые герметично соединены между собой и имеют внутренние полости, образующие коллекторы 5 входа и выхода горячего теплоносителя. Каждый нагревательный элемент 4 имеет сквозную прорезь. Вакуумная система для откачки технологической камеры 3 включает в себя паропровод 8 с паром 9, конденсор 10, вакуумный насос 11 с клапаном напуска 12 и помпу 13. Вакуумный насос 11 через вакуумный вентиль 14 присоединяется к вакуумному объему конденсора 10. Конденсор 10 соединен с основной емкостью 15 для сбора водного конденсата 16. Основная емкость 15 для сбора конденсата имеет теплообменник 17 и через вентиль 18 соединяется с дополнительной емкостью 19. Дополнительная емкость 19 тоже оснащена теплообменником 17 и имеет свою вакуумную систему, в которую входит вакуумный вентиль 20, к которому с помощью вакуумного трубопровода 21 присоединяется вакуумный насос 22 и клапан напуска 23. Для откачки водного конденсата 16 из дополнительной емкости 19 на атмосферу она присоединяется с помощью вакуумного вентиля 24 к помпе 13. Дополнительная емкость 19 оснащается датчиками 25 верхнего и нижнего уровней конденсата, датчиком давления 26, датчиком температуры 27, расходомером 28 и клапаном напуска атмосферного воздуха 29.

Входной коллектор 5 нагревательных элементов 4 присоединен трубопроводом 30 подвода горячего теплоносителя 31 с выходом горячего теплоносителя блока теплового насоса 32. Выходной коллектор 5 нагревательных элементов 4 присоединен трубопроводом 33 к входу горячего теплоносителя блока теплового насоса 32.

Вход системы охлаждения конденсора 10 трубопроводом 35 присоединен к выходу охлаждающего конденсор теплоносителя блока теплового насоса 32. Выход системы охлаждения конденсора 10 трубопроводом 36 присоединен к входу охлаждающего конденсор теплоносителя блока теплового насоса 32.

Горячий теплоноситель 31, поступающий в нагревательные элементы 4, имеет возможность кондуктивным способом передать свою тепловую энергию обрабатываемому материалу. Образовавшийся в результате кондуктивного нагрева обрабатываемого материала пар 9 в теплообменнике конденсора 10 и в теплообменниках 17 может передать свою энергию охлаждающему конденсор 10 теплоносителю, который, в свою очередь, в теплообменнике блока теплового насоса 32 может отдать свою энергию горячему теплоносителю 31.

Щетки или скребки 6 ворошителя 7 через муфту 37 соединены с приводом вращения 38. Блок нагревательных элементов 4 с ворошителем 7 щетками и скребками 6 подвижно закреплены на поворотных рычагах 39.

Обезвоженный конечный продукт 40 имеет возможность через ловитель 41, патрубок 42 и прямопролетный вакуумный затвор 43 поступать в приемную камеру 44. Приемная камера 44 оснащена датчиком давления 45 и датчиком уровня 46 и имеет свою систему откачки, в состав которой входит вакуумный насос 47 с клапаном напуска 48, которые с помощью трубопровода 50 присоединяются к приемной камере 44.

Вакуумно-механическая часть устройства низкотемпературного обезвоживания в вакууме кабелями 51 соединяется с системой питания, управления и контроля процессом 52. Система питания и управления процессом 52 оснащена управляющей ЭВМ 53.

На фиг.2 технологическая камера 3 выполнена в виде двух неполных цилиндров, имеющих возможность вращения вокруг оси 50.

Способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов реализуется в устройстве следующим образом.

Исходный материал 1 из блока загрузки исходного продукта 2 через шлюз регулируемым потоком или мерными порциями поступает в технологическую камеру 3 на нагревательные элементы 4. Блок загрузки исходного продукта 2 может быть выполнен в виде герметичной камеры, снабженной системой откачки и шлюзовым затвором, соединенным с технологической камерой 3, либо одновинтового насоса с частотным регулированием скорости вращения, соединенным с камерой исходного материала и с технологической камерой 3.

Ворошитель 7 со щетками или скребками 6 вращается от привода 38. Щетки или скребки 6 при своем вращении захватывают исходный материал 1 и перемещают его вдоль поверхности неподвижных нагревательных элементов 4. Сквозь прорези в нагревательных элементах 4 исходный материал 1 за каждый оборот ворошителя 7 проваливается на размещенный ниже следующий нагревательный элемент 4. Таким образом перемещающийся вниз по винтовой линии исходный материал 1 последовательно проходит все нагревательные элементы 4 сверху вниз. По каналам внутренней полости нагревательных элементов 4 перемещается горячий теплоноситель 31. Кондуктивным способом тепловая энергия горячего теплоносителя 31 передается исходному материалу 1, который перемещается по поверхности нагревательных элементов 4. По мере прохождения исходного материала 1 сверху вниз он обезвоживается, при этом из него выделяется водяной пар 9, который по паропроводу 8 поступает на поверхность теплообменника, размещенного внутри вакуумного объема конденсора 10. При конденсации пара на поверхности теплообменника конденсора 10 выделяется тепловая энергия, которая отбирается теплоносителем, подводимым к конденсору 10 по трубопроводу 35. Температура водного конденсата определяется давлением в вакуумном объеме конденсора 10. Водный конденсат из вакуумного объема конденсора 10 поступает в основную емкость 15 для сбора конденсата. В этой емкости производится дополнительный отбор тепловой энергии с помощью теплообменника 17. Далее конденсат поступает через вентиль 18 в дополнительную емкость 19. Здесь водный конденсат 16 охлаждается до нормальной температуры с помощью теплообменника 17, размещенного в этой же емкости. Охлажденный конденсат 16 с помощью помпы 13 через вакуумный вентиль 24 при закрытом вакуумном вентиле 18 и открытом вентиле напуска 29 выводится на атмосферу. Тепловая энергия, которая выделилась при конденсации и охлаждении водного конденсата теплоносителем, циркулирующим по трубопроводам 35 и 36, поступает в блок теплового насоса, где она передается горячему теплоносителю 31, циркулирующему по трубопроводам 30, 33, коллекторам 5 и нагревательным элементам 4.

Таким образом, происходит круговорот тепла внутри устройства низкотемпературного вакуумного обезвоживания. Потери тепла компенсируются мощностью электропривода компрессора теплового насоса.

Необходимое разрежение в вакуумном технологическом объеме 3 поддерживается вакуумным насосом 11 и конденсором 10. Рабочий диапазон давлений 400-10 мм рт.ст. обеспечивает кипение и испарение водной составляющей исходного материала 1 при температурах 20-80°C. Постоянный нагрев, разрежение и перемещение исходного материала 1 щетками и скребками 6 ворошителя 7 сверху вниз по поверхностям испарения нагревательных элементов 4 приводит к обезвоживанию исходного материала 1 до требующейся влажности.

Обезвоженный конечный продукт 40 через ловитель 41, по трубе 42, вакуумный затвор 43 поступает в приемную камеру 44. По мере накопления в приемной камере 44 готового обезвоженного продукта в нее при закрытом вакуумном затворе 43 напускают атмосферу. Готовый продукт выгружают. После освобождения приемной камеры 44 от готового конечного продукта ее с помощью собственной вакуумной системы вакуумируют и открывают вакуумный затвор 43. Продолжается дальнейшее накопление готового продукта.

Непрерывная загрузка исходного продукта и периодическая по мере накопления откачка водного конденсата и выгрузка готового обезвоженного конечного продукта обеспечивают непрерывный цикл низкотемпературного вакуумного обезвоживания.

Периодическая очистка вакуумного технологического объема, смена щеток и скребков 6 ворошителя 7, профилактические работы, связанные с необходимостью получения свободного доступа к нагревательным элементам 4, обеспечиваются тем, что камера оснащена открывающейся передней крышкой. Передняя крышка выполнена в виде неполного цилиндра, который может поворачиваться вокруг оси 50. Блок в составе щеток и скребков 6 ворошителя 7 и нагревательных элементов 4, размещенный на поворотных рычагах 39 при необходимости отсоединяется от системы нагрева и разворачивается, обеспечивая свободный доступ ко всем его элементам. Все это упрощает ремонт и обслуживание технологической части устройства низкотемпературного вакуумного обезвоживания.

1. Способ низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов, включающий загрузку исходного материала в камеру, откачку камеры до давления ниже атмосферного, перемешивание и перемещение исходного материала в камере, сбор, слив и удаление конденсата, выгрузку конечного обезвоженного продукта, кондуктивный подвод тепла к исходному материалу с нагревом обрабатываемого продукта в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного вещества и возможностью уничтожения живых клеток организма и растений, представляющих экологическую опасность и затрудняющих дальнейшее использование конечного продукта, отличающийся тем, что тепловая энергия, выделяющаяся в процессе сбора и отвода конденсата, возвращается в систему нагрева исходного материала, при этом поэтапный слив конденсата проводится таким образом, что перед удалением конденсата на атмосферу его переливают в дополнительную емкость с теплообменником и давлением внутри нее ниже атмосферного и возможностью доведения его до атмосферного, а система загрузки осуществляет постоянную подачу исходного материала либо порциями, либо регулируемым непрерывным потоком.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку исходного материала в камере осуществляют при давлении 400 - 10 мм рт.ст. при температуре 20 - 85°C с последующей перегрузкой обработанного материала в дополнительную камеру с давлением внутри нее от 760 до 10^-2 мм рт.ст. и температурой от 20 - 85°С и окончательной выгрузкой конечного обезвоженного продукта на атмосферу.

3. Устройство для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов, содержащее технологическую камеру, в которой расположены нагревательные элементы в виде неподвижных полых дисков с трубчатыми каналами для теплоносителя, на которых размещается исходный материал, системы загрузки и выгрузки обрабатываемого материала, систему нагрева исходного материала, систему вакуумной откачки камеры, конденсор с емкостью для сбора конденсата, соединенный патрубками с технологической камерой и с вакуумным насосом, систему охлаждения конденсора с источником холодной воды, сборник готового продукта и блок питания, контроля и измерения параметров, отличающееся тем, что камера сбора и выгрузки конечного продукта с давлением внутри нее от 760 до 10^-2 мм рт.ст. связана с технологической камерой прямопролетным затвором, присоединена к своей независимой вакуумной системе откачки и имеет возможность окончательной выгрузки конечного продукта на атмосферу.

4. Устройство для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов по п.3, отличающееся тем, что технологическая камера выполнена в виде двух вертикальных, подвижно соединенных между собой по образующим неполных цилиндров, а каждый нагревательный элемент имеет по два сквозных отверстия, симметрично расположенных по отношению его оси, и радиальную прорезь, которая в каждом последующем, расположенном ниже предыдущего нагревательном элементе смещена на угловой шаг, обеспечивающий ее размещение вне зоны видимости через сквозную щель каждого предыдущего и последующего нагревательных элементов, при этом все нагревательные элементы герметично соединены между собой и образуют единый блок с коллектором, формируемым внутренними полостями сквозных отверстий нагревательных элементов, с возможностью поворота этого блока вокруг оси, параллельной оси технологической камеры и собственной оси вращения, причем диаметр условного прохода (проводимость по теплоносителю) каждого нагревательного элемента больше или равен условному проходу коллектора.

5. Устройство для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов по п.3, отличающееся тем, что конденсор снабжен основной емкостью, внутри которой размещен теплообменник, и дополнительной, оснащенной теплообменником емкостью для сбора конденсата с системой напуска воздуха, причем дополнительная емкость через затвор соединена с основной емкостью для сбора конденсата и через другой затвор - с вакуумным насосом, выход дополнительной емкости через вентиль соединен с насосом откачки конденсата, при этом входы и выходы теплообменников конденсора, дополнительной и основной емкостей системы конденсора присоединены к блоку теплового насоса.

6. Устройство для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов по п.3, отличающееся тем, что узел загрузки выполнен в виде герметичной камеры, снабженной системой откачки, дозатором и шлюзовым затвором, соединенным с технологической камерой.

7. Устройство для низкотемпературного вакуумного обезвоживания материалов по п.3, отличающееся тем, что узел загрузки выполнен в виде одновинтового насоса с частотным регулированием скорости вращения, соединенным с камерой исходного материала и с технологической камерой.