ES2333203T3 - Proceso para el secado de materiales adhesivos. - Google Patents

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Abstract

Proceso de secado continuo de materiales adhesivos en un medio de secado giratorio caracterizado por que el proceso comprende las etapas: a) que la cámara de procesamiento del medio de secado comprende una cantidad de material con un nivel de humedad donde F(t) < f g, siendo f g el límite inferior de la fase de adhesión, y b) que para esta cantidad M(t) se añade una cantidad de material m i con un contenido de humedad f i, donde f i > f h, donde fh es el límite superior de la fase de adhesión, y c) que la relación entre mi * fi y M(t) * F(t) se regula de modo que F(t) < fg, y d) que se establece una mezcla suficientemente rápida de modo que f(X,t) < f g, en el que la mezcla es suficientemente rápida de modo que no pueden observarse gradientes sistemáticos de la humedad en la dirección tangencial.

Description

Proceso para el secado de materiales adhesivos.
La presente invención se refiere a un proceso de secado continuo de materiales adhesivos que contienen líquidos.
El secado/deshidratación de materiales pegajosos o adhesivos representa un problema considerable en la tecnología para el secado, y no existen soluciones técnicas dentro de la técnica anterior que resuelvan este problema de forma satisfactoria.
Los materiales típicos que presentan tales características pegajosas son materiales húmedos en el procesamiento animal y vegetal, y diferentes formas de lodos residuales, tales como diferentes formas de lodos industriales, lodos de plantas de tratamiento biológico de los efluentes y lodos de los residuos de columna de la producción del alcohol.
Dentro de ciertos intervalos, que se describen con más detalle a continuación, las sustancias pegajosas o adhesivas presentan durante el secado (deshidratación) la característica de pegar juntas todas las sustancias en el material que ha de secarse a uno o varios grandes aglomerados pastosos, de modo que se reduce la superficie del material que ha de secarse y las fuerzas de cizalla requeridas para romper estos aglomerados de nuevo aumentan. Adicionalmente, tales materiales adhesivos se adherirán a las superficies calefactoras del dispositivo de secado.
Actualmente, existen dispositivos y métodos que pueden usarse para secar tal material, pero la tecnología no es satisfactoria en ningún sentido, y, por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso en el que el de secado o deshidratación se mejore de forma sustancial.
El documento EP-396 852 describe un método y una instalación para el secado de lodos de aguas residuales. El método comprende varias etapas, incluyendo un pre-tratamiento.
Además, un enfoque para secar tal material pegajoso o adhesivo conocido por la técnica anterior es usar dispositivos de secado giratorios, por ejemplo, el secador rotadisco de Stord Bartz AS y el secador de bobina giratoria, denominada "Multicoil" de Kvaerner. El objetivo de tal movimiento giratorio es generar mayores fuerzas de fricción entre el material que ha de secarse y el propio dispositivo de secado.
Sin embargo, esta tecnología no ha demostrado ser lo suficientemente adecuada y se sabe que hay que usar ya sea un alto grado de recirculación del material que ya está seco o hay que mezclarlo con otros materiales, típicamente materiales fibrosos, de modo que la fracción de material pegajoso se mantenga por debajo de cierto nivel.
Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso de secado de tal material pegajoso o adhesivo en el que no sea necesario recircular una fracción del material que ya está seco, y en el que tampoco sea necesario mezclarlo con otro material tales como materiales fibrosos.
Un método alternativo para secar tal material adhesivo es preparar el material de modo que fluya y pueda bombearse fácilmente, distribuirlo en pequeñas gotas y, posteriormente, secarlo rápidamente en una corriente de aire, como se describe en el proceso de secado en el que se usa un secador de pulverización como se describe en el documento GP 589544 de Niro Atomizer AS.
Sin embargo, la desventaja de usar el secador de pulverización mencionado anteriormente para tales materiales es que el uso de la energía-económica de la deshidratación mecánica y térmica, tales como evaporación y espesamiento, no puede optimizarse antes del secado, ya que un secador de pulverización debe trabajar con un material fluido que tenga baja viscosidad. Adicionalmente, la temperatura de secado debe mantenerse baja, lo que tiene un efecto negativo en la economía del calentamiento. El consumo de energía es en gran parte inversamente proporcional a la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida del medio de secado y, por tanto, aumentará a la baja temperatura de entrada. Se necesita una temperatura de entrada baja debido al riesgo de incendio.
Una tercera alternativa es usar un secador de tambor o un secador raspador para secar tal material adhesivo, por ejemplo, del tipo descrito en la patente GB 1085191 de Goudsche Machf NV. Sin embargo, tales secadores se han encontrado inadecuados para el funcionamiento automático, y no pueden construirse dentro de instalaciones de gran capacidad. Por lo tanto, el resultado es que se debe tener muchos de tales secadores de tambor y una mano de obra numerosa, lo que no es compatible con las demandas actuales para la automatización.
La presente invención describe un secador por fricción. El documento NO 176.006 describe un secador por fricción de tipo molino de martillo para secar diversos tipos de lodos. El líquido en el material fangoso se retira en forma de gotas finamente distribuidas, como una neblina, mientras el material se expone a un campo gravitatorio artificial. Se inducen fuerzas de vibración en el campo gravitatorio lo que es adecuado para dividir el líquido y formar la neblina. El medio que se describe se caracteriza por que usa álabes oscilantes, y por que la cámara de procesamiento se dispone con aletas orientadas axialmente.
Adicionalmente, el documento NO 155832 describe un proceso en el que es posible obtener una evaporación a una temperatura más baja que la temperatura de evaporación normal porque las fuerzas capilares que unen las fracciones individuales en los poros del lodo se descomponen en un evaporador por fricción. Adicionalmente, el proceso se caracteriza por que el vapor que viene del evaporador por fricción se condensa mediante un condensado refrigerado. El medio que se describe es un molino de martillo típico con martillos del rotor que pueden oscilar y aletas longitudinales en el estator.
La desventaja con estas soluciones es que el material fangoso que ha de secarse, se tritura en partículas finamente distribuidas y da lugar a que más material particulado se arrastre junto con la corriente de gases de escape. Un objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso en el que el material fangoso se someta a un proceso de molienda reducido o ninguna molienda en lo absoluto.
Adicionalmente, se proporciona con la presente invención, como se ha mencionado anteriormente, un nuevo proceso de secado de materiales adhesivos. El secado de tales materiales no se conoce por el secador por fricción mencionado anteriormente, y los procesos de secado de tales materiales adhesivos que se conocen en la técnica anterior son los secadores que se han mencionado y después, preferiblemente, los secadores indirectos, es decir, aquellos que usan superficies calientes y un medio calefactor.
Por tanto, es evidente que las técnicas disponibles actualmente no proporcionan soluciones satisfactorias sobre cómo pueden secarse eficazmente tales materiales adhesivos que contienen líquido. A continuación, para tener una mejor comprensión, se proporciona una descripción de tal material adhesivo.
Como se ha mencionado anteriormente, durante el proceso de secado se forma una zona denominada zona de adhesión y es en esta zona donde surgen los problemas. En la Figura 1 se han descrito las diferentes fases de un proceso de secado general de un material adhesivo. En términos generales, existen tres fases o zonas diferentes, en concreto una zona húmeda, una zona de adhesión y finalmente una zona seca. Los procesos técnicos y físicos de calentamiento que participan se indican a lo largo del eje-y como fuerzas de cizalla y números de transferencias de calor respectivamente. Puede observarse claramente que en la zona de adhesión las fuerzas de cizalla deben de ser sustanciales, mientras que al mismo tiempo los valores de transferencia de calor son bajos.
En el proceso de deshidratación preliminar (a la izquierda en el eje-x), descrito como "zona húmeda", domina el contenido de agua y otros posibles líquidos, por ejemplos grasas. El contenido considerable de líquido domina las características físicas del material en esta zona y esto se representa por una buena transferencia de calor (es decir, la deshidratación y el secado), mientras que al mismo tiempo las fuerzas de cizalla necesarias son relativamente bajas. En esta fase la concentración del material pegajoso relacionado con el material total está limitada, y por debajo de un valor donde las propiedades de adhesión representan un problema técnico para el secado.
Cuando se retira una cantidad suficiente de líquido durante el proceso de secado, comienza la fase que se ha denominado "zona de adhesión" en la Figura 1. En esta fase, el efecto de las fuerzas de adhesión se nota de muchas maneras. Aquellas partículas que han de secarse, a menudo se aglomerarán entre sí en grandes aglomerados en la "zona de adhesión", posiblemente en un único gran aglomerado. Adicionalmente, aquellas fuerzas necesarias para dividir estos aglomerados serán muy altas, típicamente 5-10 veces la fuerza que es necesaria para deshacer la materia en la "zona seca".
Sin ceñirse a una teoría definitiva, se supone que el mecanismo que da lugar al proceso de secado es una evaporación a partir de "superficies de materia sólida" en el material. Cuando el material comienza a aglomerarse, se reduce el número de dichas partículas y se reducirá el área superficial total que está disponible para la evaporación de líquidos, y el proceso de secado será menos eficaz.
Adicionalmente, si se usa un secador indirecto tal como el secador de disco giratorio o el secador de tambor, los dos problemas mencionados anteriormente también se asocian con los depósitos de una capa pegajosa sobre las superficies calefactoras.
Por tanto, la "zona de adhesión" se asocia con valores bajos para la transferencia de calor y alta resistencia al movimiento giratorio. Adicionalmente, se formará un recubrimiento sobre las superficies calefactoras si se usa un secador indirecto.
La materia prima que normalmente se desea secar tiene un contenido de líquido del orden del 50 al 90 por ciento. Son ejemplos lodo de la industria alcoholera (50-85% de líquido), lodo de plantas de tratamiento de los efluentes municipales (60-90% de líquido) y lodo que contiene etanol de la industria del almidón (50-80% de alcohol).
Cuando comienza el secado, el contenido de líquido se reduce gradualmente y, a un contenido de líquido dado, que se decide entre otras cosas por el tipo de material, las sustancias adhesivas que contiene etc., pasará de la "zona húmeda" a la "zona de adhesión". La última zona a menudo se encontrará cuando el material tenga un contenido de líquido del orden del 50-70 por ciento de humedad residual, normalmente del 60% aproximadamente.
Sin embargo, la expresión "zona de adhesión" como se usa en la presente invención, no es una expresión cuantitativa, sino una designación más cualitativa que se caracteriza por que el efecto de adhesión de las sustancias pegajosas en el material comienza a dominar las propiedades físicas del material. Esto puede medirse, por ejemplo, como una transferencia de calor reducida o como un aumento de las fuerzas de cizalla necesarias para secar el material adicional.
La forma más simple para describir o determinar esta fase es midiendo la viscosidad dinámica del material a lo largo de todo el proceso de secado. Si se configura una curva para d\mu/df, donde \mu es la viscosidad dinámica y f es el contenido de humedad (véase la Figura 1), esta curva mostrará una caída característica en la entrada de la zona de adhesión como resultado del fuerte aumento de la viscosidad del material (caída ya que el diferencial df tiene un valor negativo).
Si se sigue retirando más agua, típicamente hasta un contenido de agua de aproximadamente el 30-40% de humedad residual, el efecto de adhesión disminuirá nuevamente y el material comenzará a desintegrarse. Debido a esto, aumentará el área de la superficie total. También aumentará la capacidad de secado, y las fuerzas de cizalla disminuirán de nuevo. Esta es la característica por la que se denomina "zona seca".
Como se ha mencionado, la zona de adhesión es la que causa problemas en conexión con el secado de materiales adhesivos o pegajosos. El método más común conocido en la técnica anterior para evitar los problemas mencionados anteriormente en secadores giratorios es recircular los materiales ya secos a un dispositivo de mezcla externo o interno. La cantidad de material seco devuelto debe de ser suficiente para que el contenido de humedad residual promedio en todo el reactor no entre en la zona descrita anteriormente como la "zona de adhesión". Una proporción de mezcla típica cuando se trata de la cantidad de material seco con relación al material húmedo es del orden de 3:1 a 5:1. Por ejemplo, si un material dado tiene una zona de adhesión con el material que tiene un contenido de humedad residual en el área del 60-40%, entonces se mezcla, por ejemplo, cuando el material tiene un contenido de humedad residual del 65%, una cantidad de material seco suficiente para esta mezcla de dos materiales que tiene un contenido de humedad residual por debajo del 40%. Por tanto, la mezcla acabará en la "zona seca" donde las fuerzas de cizalla son manejables, y la transferencia de calor es aceptable.
Si en un dispositivo de secado giratorio que trabaja de forma continua, alguien intentara secar una mezcla pegajosa sin recirculación, una parte de la mezcla estaría en la "zona húmeda" en todo momento con condiciones de una transferencia de calor relativamente alta y fuerzas de cizalla pequeñas. Sin embargo, una parte del producto estaría en la "zona de adhesión" donde las fuerzas de cizalla, perceptibles como resistencia al giro, o consumo de potencia para el motor de accionamiento, serían muy altas. De forma similar, una parte del producto estaría en la "zona seca" en cualquier momento dado con baja resistencia al giro, pero con pobres números de transferencia de
calor.
Las demandas para superar las fuerzas de cizalla en la "zona de adhesión" serían tan altas y requerirían dicho gran motor de accionamiento para el giro que una instalación basada en dicho principio sería bastante impráctica.
Los secadores convencionales que inicialmente se construyen para trabajar con materiales pegajosos son secadores de disco giratorio tales como el secador rotadisco de Stord Bartz y el secador de múltiples bobinas de Kvaerner. Estos se ajustan originalmente con dispositivos para degradar los aglomerados mencionados anteriormente en la "zona de adhesión", por ejemplo, en forma de riostras entre los discos. Sin embargo, la potencia total requerida en la mayoría de los casos es tan grande que dicho ciclo de secado directo no puede realizarse.
Un secador de disco giratorio convencional con 60 discos, con un funcionamiento continuo, estable, usaría de 5-10 de sus discos para trabajar sobre el material que podría caracterizarse por estar en la "zona húmeda". Aproximadamente 20-30 discos trabajarían sobre el material que está en la "zona de adhesión" y de 20-35 discos trabajarían sobre el material que está en la "zona seca".
El número de discos mencionado anteriormente en la "zona de adhesión" es tan alto que el tamaño del motor de accionamiento requerido sería impracticablemente grande, e incluso un secador de discos con dispositivos para degradar el pegamento, en la mayoría de los casos, tendría que trabajar con recirculación de la materia seca, o con adición de un material no pegajoso.
A continuación se da una descripción de la técnica anterior y el punto central es que la tecnología actual no abarca soluciones en las que un material adhesivo pueda secarse eficazmente sin conducir de nuevo una parte del material ya seco dentro del proceso y/o añadir otros materiales, denominados a menudo vehículos, para conducir directamente el material desde la "zona húmeda" hasta la "zona seca".
Con la presente invención, se proporciona una solución en la que se evita que el material que ha de secarse esté en esta "zona de adhesión". El principio en el que se basa la invención es completamente diferente del que se conoce en la técnica anterior.
Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un secado mejorado del material adhesivo, evitándose los problemas especiales asociados con el secado en la denominada fase de adhesión. Adicionalmente, un objeto de la presente invención es evitar estos problemas sin añadir material ya seco, o un tipo de vehículo.
Un objeto adicional del proceso de la presente invención es poder usarlo en dispositivos de secado giratorios ya existentes.
\newpage
Estos y otros objetos de la presente invención se explicarán a continuación, con referencia a las figuras adjuntadas, en las que:
La Figura 1 muestra las diferentes fases que existen en el secado del material adhesivo.
La Figura 2 muestra de forma esquemática un área de trabajo práctica para un proceso de secado de acuerdo con la presente invención.
La Figura 3 muestra una descripción del principio del ciclo de la humedad por giro del rotor.
La Figura 4 muestra un diagrama del principio de un medio de secado que utiliza un proceso de acuerdo con la invención.
La Figura 5 muestra un dibujo y una sección de un medio que utiliza un proceso de acuerdo la invención.
Como puede observarse en la Figura 1 y en la descripción dada anteriormente, es absolutamente crítico evitar la zona de adhesión, o reducirla sustancialmente durante el proceso de secado.
Por tanto, el proceso de acuerdo con la invención se caracteriza por que abarca las etapas de:
a) que la cámara de procesamiento del medio de secado comprende una cantidad de material 1 con un contenido de humedad 2 donde F(t) < f_{g}, siendo f_{g} el límite inferior de la fase de adhesión, y
b) que para esta cantidad de material M(t) se añade una cantidad de material m_{i} con un contenido de humedad f_{i}, donde f_{i} > f_{h}, donde f_{h} es el límite superior de la fase de adhesión, y
c) que la relación entre m_{i} * f_{i} y M(t) * F(t) se regula de modo que F(t) < f_{g}, y
d) que se establece una mezcla suficientemente rápida de modo que f(X,t) < f_{g}.
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A continuación se describe la definición de las fórmulas. Otras realizaciones alternativas del proceso se describen en las reivindicaciones dependientes 2-14.
Adicionalmente, la presente invención describe un medio de secado de material que contiene líquido, utilizando un proceso de acuerdo con la invención. El medio comprende una cámara de procesamiento con al menos una abertura de entrada y un rotor montado en la cámara de procesamiento, con un espacio anular, para recoger el material que ha de secarse, establecido entre las superficies internas de la cámara de procesamiento y las superficies externas del rotor, caracterizado por que el rotor comprende un número de brazos del rotor fijos que no pueden oscilar que terminan en una distancia dentro de las superficies internas de la cámara de procesamiento, y que la superficie interna del estator es lisa.
Con la presente invención se evita la zona de adhesión en la que se dosifica la cantidad de material líquido que se suministra dentro del secador giratorio de modo que la cantidad en el secador tiene aproximadamente el mismo nivel de humedad en todo momento dentro del mismo, y este nivel de humedad no llega cerca de los límites dados para la actividad de adhesión.
Para visualizar el concepto que radica detrás de la invención puede decirse que una pequeña porción de material húmedo se mezcla rápidamente con una gran cantidad de material seco. La cantidad residual de agua en toda la cantidad de material (gran cantidad de material seco más una pequeña cantidad de material húmedo) solo aumentará de forma insignificante. Este aumento es tan pequeño que todo el material permanecerá en la "zona seca". Adicionalmente, la transferencia de calor es suficientemente eficaz para que la masa de agua en el material húmedo se retire inmediatamente.
Para entender mejor este mecanismo, se puede imaginar que el proceso se realiza en las secuencias definidas como se describen a continuación.
1) El lecho de material en el secador tiene un cierto contenido de humedad (f_{1}) en el comienzo de un nuevo giro.
2) Puede suponerse que el suministro de una cantidad dada de material húmedo será instantáneo. La mezcla del material húmedo con el material que ya está en la máquina será prácticamente instantánea.
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3) El nuevo nivel de humedad de la mezcla del nuevo material húmedo suministrado y el material que ya está en la máquina es (f_{2}).
4) La transferencia de calor y la evaporación continúan durante el resto del tiempo antes de que el rotor comience un nuevo giro.
5) El proceso de descarga tiene lugar de forma instantánea al final del giro, y después del principio del lecho fluidizado, es decir, se saca el material en exceso.
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Se puede imaginar que el suministro, que en realidad es continuo, tiene lugar en ese segmento dado en el que el nuevo material húmedo se suministra mediante el giro del rotor. El contenido de material seco o parcialmente seco en la máquina, debido a un giro bastante rápido, permanecerá como un anillo de giro alrededor de la periferia interna de la máquina.
La transferencia de calor hacia el material será directa debido a la transferencia de la energía cinética que el rotor suministrará al material. El mecanismo es tal que el rotor suministra de forma continua mayor energía cinética a una cierta parte del material en el lecho en lugar del promedio de energía cinética del material en el lecho. De este modo, la energía se convierte en energía térmica cuando las partículas pierden su energía cinética al chocar con otras partículas en el lecho o con la parte estática de la construcción.
Esta transferencia de calor será bastante rápida. Mientras que el lecho seco esté por debajo de un cierto nivel de humedad, será sustancial la resistencia a la colisión entre las partículas y la resistencia a la fricción entre los brazos giratorios y el lecho del material, véase Figura 2. Esta resistencia, como se ha mencionado anteriormente, pasará directamente para calentar y, por tanto, conducirá a una evaporación muy rápida del agua libre y unida en el material (además de cualquier otro compuesto volátil).
En el suministro de nuevo material húmedo dentro del lecho existente, se mezcla rápidamente el nuevo segmento de material que se suministra muy rápido en el material total en el lecho, tanto de forma tangencial como radial y axial.
Si el suministro se mantiene a una velocidad tal que el nuevo nivel de humedad para que la mezcla permanezca dentro del intervalo de trabajo del secador (véase la Figura 2) y al mismo tiempo por debajo del límite de la fase de adhesión del producto, es decir, en la "zona seca", entonces la evaporación rápida asegurará un nivel de humedad final idéntico al nivel de humedad del lecho en el momento del suministro. El material en el lecho no entrará en la fase de adhesión. Si el contenido de humedad se acerca al límite de la fase de adhesión, entonces la carga cae como resultado del material que se adhiere y se fija a las partes estáticas del secador. El método presupone que en cualquier momento dado el material se mantiene tan seco que el lecho de material puede describirse como partículas que se mueven libremente con poca adhesión entre las mismas, es decir, que el material está en la "zona seca" en todo momento.
Con la descripción secuencial que se da en los puntos 1-5 anteriores, se pueden ajustar las condiciones para el funcionamiento fuera de la zona de adhesión con la siguiente suposición:
a representa la evaporación por giro del rotor, m_{i} es la cantidad de material (por ejemplo, en kg) suministrado por rotación y f_{i} es el contenido de humedad de este material, m_{u} es la cantidad de material descargado por giro, f_{2} es el contenido de humedad de la mezcla después del suministro, pero antes que cualquier agua se haya evaporado y f_{g} es el límite de la fase de adhesión.
3
En realidad, todo el proceso tiene lugar de forma simultánea. Para tener éxito, se requiere un equilibrio correcto de los procesos y una cierta relación entre los tiempos característicos constantes para los diferentes procesos.
El tiempo característico para mezclar el material húmedo que entra en el lecho seco de material debe ser considerablemente menor que el tiempo de residencia característico del material seco en el lecho. Al mismo tiempo, la generación del calor de fricción en el lecho del material debe equilibrarse cuidadosamente con el suministro del material húmedo de modo que el lecho de material tenga un pequeño excedente de calor interno en todo momento que puede entregarse para la evaporación de la humedad que entra.
Por lo tanto, un secador que satisfaga las condiciones mencionadas anteriormente debe:
1) Tener dispositivos mecánicos que mezclen el material que entra y que sale aproximadamente de forma instantánea.
2) Tener una transferencia de calor bastante rápida.
3) Permitir la dosificación del material de tal forma que el contenido de humedad del material mezclado no llegue cerca del límite de la zona de adhesión.
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Por tanto, también se describe un medio de secado (10) que utiliza un proceso de acuerdo con la invención. En la práctica, el medio (10) puede fabricarse como una cámara de procesamiento cilíndrica (12) (estator) con un rotor (14) montado en su interior. El rotor (14) está equipado con un número de brazos del rotor (16) que terminan a una distancia corta dentro del recipiente cilíndrico estático (12).
Para la mayoría de los tipos convencionales de materiales que se desean secar, y con brazos del rotor (16) fabricados a partir de aleaciones de acero convencionales, se pueden dar las siguientes características de construcción de los medios para el secado:
1. Diámetro de la cámara de procesamiento cilíndrica: 0,5-5 m, típicamente 1 m aproximadamente.
2. Velocidad tangencial en la punta de los brazos del rotor: 10-100 m/s, típicamente 35 m/s aproximadamente.
3. Holgura radial entre la pared de la cámara de procesamiento y el rotor: 0-0,1 m, típicamente 0,03 m aproximadamente.
4. Número de brazos del rotor (16) en relación con el área de la pared interna cilíndrica de la cámara de procesamiento (12): 10-100 por m^{2}; típicamente 30 por m^{2} aproximadamente.
5. Área total proyectada de la parte delantera (16a) para la parte de los brazos del rotor que accede al lecho del material visto en la dirección del movimiento en relación con el volumen total del lecho de material: 0,1-1 m^{2}/m^{3}, típicamente 0,5 por m^{2}/m^{3} aproximadamente.
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La longitud de la cámara de procesamiento (12) y las dimensiones de los brazos del rotor (16) en una dirección tangencial son de menor importancia para el procesamiento. Las direcciones de los mismos vendrán dadas por las tensiones mecánicas que la construcción debe soportar, y las demandas para retirar de forma eficaz el vapor generado en el lecho de material. Al aumentar la velocidad tangencial, se obtienen posibilidades considerables para la variación de los diferentes parámetros definidos anteriormente. En las soluciones convencionales actuales esto está limitado porque se desea restringir el desgaste y desgarro de los brazos del rotor, que se fabrican de acero sobre los que se emplaza una cubierta dura que contiene carburo de volframio. La reducción de las reclamaciones de desgaste y desgarro o la introducción de materiales más duraderos pueden extenderse para trabajos en otras áreas diferentes a las indicadas anteriormente.
Es más importante para el medio de secado (10) que se construya de modo que los tres procesos físicos básicos de mezclado, generación de calor y evaporación estén en relación correcta entre sí. Para obtener una generación de calor suficiente mediante las fuerzas de colisiones internas, contacto y fricción, es necesario tener elevadas velocidades tangenciales de los brazos del rotor (16) como se indica el punto 2 anterior. El número de brazos del rotor (16) no debe ser muy alto, y los brazos (16) no deben emplazarse demasiado cerca ya que esto puede dar lugar a que el material en el lecho, en gran medida, gire junto con el rotor más o menos como un cuerpo sólido. Entonces, surgirán principalmente fuerzas de fricción entre el lecho de material y la pared del recipiente cilíndrico (12). Esto dará como resultado una generación de calor demasiado baja para obtener una evaporación eficaz. Adicionalmente, el proceso de mezcla será ineficaz, y será imposible mantener un lecho de material estable y seco. El otro extremo, en concreto que la distancia entre los brazos del rotor (16) sea demasiado grande, tampoco es bueno. En este caso, no participará suficiente material del lecho en el mecanismo de transferencia de energía que se ha descrito anteriormente, lo que da lugar tanto a una mezcla ineficaz como a una muy poca evaporación. El resultado es que surgirán zonas locales con contenidos de humedad muy altos de modo que el proceso finalmente se paraliza.
Se obtienen buenos resultados con la combinación de los parámetros como se describen en los puntos 3-5, prefiriéndose actualmente un medio (10) con las siguientes características, utilizando un proceso de acuerdo con la invención:
1. El diámetro de la cámara de procesamiento cilíndrica es de 1 m aproximadamente.
2. La velocidad tangencial en el extremo de los brazos del rotor está en el intervalo de 30-40 m/s, preferiblemente 35 m/s.
3. La holgura radial entre la pared (12a) de la cámara de procesamiento (12) y la parte delantera (16a) del brazo del rotor es de 0,03 m aproximadamente.
4. El número de brazos del rotor (16) en relación con el área de la pared interna de la cámara de procesamiento cilíndrica es de 30 por m^{2} aproximadamente.
5. El área total proyectada de la parte delantera (16a) de la parte de los brazos del rotor que accede al lecho de material vista desde la dirección del movimiento en relación con el volumen total del lecho de material es de 0,5 por m^{2}/m^{3} aproximadamente.
Es importante una mezcla suficientemente rápida para evitar zonas locales con un contenido de humedad en la zona de adhesión. Con la combinación típica de la velocidad tangencial, la holgura y el diámetro como se indica en los puntos 1-3 anteriores, las partículas individuales en el lecho de material serán capaces de moverse aproximadamente 12 veces alrededor de toda la circunferencia del lecho de material por segundo. Esto dará una mezcla en la dirección tangencial que es bastante rápida y eficaz. Dicho dispositivo no será capaz de mostrar gradientes en el contenido de humedad en una dirección tangencial, aparte de en el área inmediatamente aguas abajo de los puntos de suministro. Por otro lado, el tiempo de mezclado será algo mayor en una dirección axial, ya que el mecanismo de mezclado es más indirecto que en la dirección tangencial. Esto puede significar que se pueden demostrar gradientes en el contenido de aceite en la dirección axial con valores de humedad máximos en las posiciones axiales donde tiene lugar el suministro. Para que el procesamiento tenga éxito es esencial que se regule el suministro de modo que se ajuste el contenido de humedad promedio alrededor de toda la circunferencia en los puntos de suministro, con lo que el contenido de humedad no aumenta en la fase de adhesión. Una distribución más equitativa de los puntos de suministro en una dirección axial hará al proceso menos dependiente de una mezcla axial eficaz, y se describe un medio (10) en el que se disponen varios puntos de suministro a lo largo de la dirección axial del medio (10).
Para crear la generación de calor necesaria, también debe satisfacerse la demanda de una mezcla eficaz. Los brazos del rotor (16), en general, asegurarán que las partículas en el material del lecho se proyecten en una dirección tangencial, pero también se generarán movimientos de naturaleza menos sistemática en una dirección axial, posibilitando la mezcla axial del material en el lecho. Esto ayuda a acumular el lecho de material a lo largo de la pared interna del recipiente cilíndrico (12) con fuerzas que exceden en gran medida la tendencia de la fuerza de gravedad para recoger el material en el fondo del recipiente (12). Las fuerzas de tracción del vapor que se generan en el lecho del material tampoco son suficientemente fuertes para transportar cantidades sustanciales de material hacia el centro del recipiente. Por lo tanto, el vapor de escape sale desde la cámara de procesamiento/secado a través de una salida (20) situada tan centralmente como sea posible. Esto contribuye a reducir la fricción entre las partículas en el vapor de escape hasta un nivel aceptable. Debido a la mezcla rápida en la cámara de procesamiento (12) el emplazamiento de la entrada (18) o salida (22) del material no es decisiva para el funcionamiento del medio (10). Tradicionalmente, estos se sitúan a una cierta distancia de separación entre sí:
La diferencia principal con el medio que utiliza un proceso de acuerdo con la invención y las soluciones que se conocen en el campo de los secadores por fricción, es que el rotor no está equipado con aletas y que los álabes no tienen martillos del rotor que puedan oscilar. El medio tiene una cámara de procesamiento lisa y álabes fijos para evitar la vibración y la pulsación.
El proceso de acuerdo con la invención es bastante diferente de los procesos que se usan actualmente para el secado de materiales adhesivos.
En contraposición a otros procesos de secado de materiales adhesivos, en la presente invención no es necesario recircular el material secado en el proceso.
Todo el material solo necesita pasar por el proceso una sola vez para llevarlo al estado deseado. Esto tiene importantes consecuencias prácticas y para la economía del proceso puesto que no se requieren instalaciones como las disposiciones para el transporte y almacenamiento y mezcla inmediata del material seco en el material húmedo.
Al contrario que otros procesos de secado que usan vapor o aire/gas caliente como un medio calefactor, y otros secadores por fricción que no tienen las mismas demandas para la mezcla rápida, el medio se caracteriza por que la temperatura de funcionamiento más alta en cualquier parte del proceso es la temperatura del material que se calienta en la cámara de procesamiento. Esta temperatura puede limitarse a 10-20ºC por encima del punto de ebullición del líquido que se desea evaporar, lo que significa grandes ventajas de seguridad mientras se reduce en gran medida el peligro de incendio o explosión del material.
Adicionalmente, lo mencionado anteriormente da como resultado un proceso cada vez más eficaz en términos energéticos por que evita las pérdidas de calor que implican la transferencia de calor de un medio a otro y también la energía que se utilizar para calentar el medio calefactor. Sin usar ninguna energía disponible en el vapor de escape del proceso, el consumo total de energía en el proceso estará limitado al 105% de la energía que es necesaria para llevar el material desde la condición de entrada hasta la condición de salida.
El proceso también es sustancialmente más compacto que otros procesos de secado. El diseño se caracteriza por que el volumen interno total de la propia cámara de procesamiento, donde tiene lugar la transferencia de calor y la evaporación, puede limitarse en 1,5 m^{3} por tonelada de líquido evaporado por hora. Esto contribuye a que la instalación total se haga mucho más compacta que la de los procesos de secado alternativos, que tiene considerables consecuencias prácticas en conexión con la instalación.
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Definiciones
Para hacer más fácil la comprensión de la invención, se proporcionan a continuación algunas definiciones de términos y expresiones que se usan para describir la invención:
Material adhesivo: Material que provocará fuerzas de adhesión entre dos cuerpos, por ejemplo, entre dos placas de acero, si se emplaza entre dichos dos cuerpos.
F_{h}: límite superior de la fase de adhesión: El contenido de humedad durante el ciclo del secado que da lugar a una reducción en, donde \mu es la viscosidad y f es el nivel de humedad (véase la Figura 1).
F_{g}: límite inferior de la fase de adhesión: El nivel de humedad donde el material secado comienza a mostrar características volumétrica típicas, es decir, partículas que fluyen libremente sin ninguna adhesión (véase la Figura 1).
Mezcla suficientemente rápida
La mezcla del material húmedo que entra en un espacio anular cilíndrico lleno de material seco que es tan eficaz que, con la ayuda de instrumentos de procesamiento convencional tales como sensores de temperatura, no puede demostrar gradientes sistemáticos en la dirección tangencial debido a la falta de homogenización. La mezcla debe considerarse como suficiente, incluso si tales gradientes pueden mostrarse en la dirección axial del espacio anular, siempre y cuando el área con el mayor contenido de humedad no llegue debajo del límite de la fase de adhesión.
\rho = \rho(X,t)
La distribución de densidad de masa del material en la cámara del secador, donde X es un vector de posición y donde t = tiempo.
f = f(X,t)
La distribución del contenido de humedad del material en la cámara de procesamiento.
m_{i}
Velocidad de suministro
f_{i}
Nivel de humedad en el suministro
a
Velocidad de evaporación desde la cámara de procesamiento
m_{u}
Velocidad de salida
f_{u}
Valor real de f(X,t) para el material que sale
V
Volumen en que tiene lugar el secado. X se refiere a las posiciones en este volumen.
El punto fuerte de los medios en relación con otros secadores es en primer lugar y ante todo la capacidad de abrirse paso a través de la fase de adhesión. Por otro lado, puede ser una desventaja que toda la energía que se necesita para evaporar la cantidad de agua que ha de retirarse deba suministrarse como energía mecánica. Donde existe una necesidad para altas velocidades de evaporación, esto requiere la instalación de motores de accionamiento muy grandes, lo que puede ser difícil en la práctica. Otro punto que puede limitar el uso extensivo del dispositivo es que la industria esté familiarizada con y dispuesta técnicamente hacia el uso de vapor u otros medios calefactores de secado. Grandes calderas de vapor ya están instaladas con muchos usuarios potenciales de la tecnología para el secado y, en muchos casos, se han instalado para producir vapor a partir de diversos productos de desecho, tales como, por ejemplo, astillas y corteza de madera de la industria papelera. Entonces será difícil obtener la aceptación para otra tecnología para el secado que de como resultado el uso de fuentes de energía completamente diferentes.
Para obtener una solución total favorable, el proceso de acuerdo con la invención puede combinarse con técnicas para el secado convencionales. En muchos casos el material que ha de secarse será de una calidad que de lugar a que la mayor parte de la separación tenga lugar antes de que el material entre en la fase de adhesión. En la práctica, se puede dejar que un secador calentado por un vapor tradicional se ocupe de la evaporación hasta el límite superior de la fase de adhesión, y que a partir de ahí el material se seque con un proceso de acuerdo con la invención.
En muchos casos, el lodo que ha de secarse tiene un contenido de materia seca del 20% aproximadamente y una fase de adhesión que comienza al 45-50% de materia seca. Si se deja que un secador calentado por un vapor lleve el material a un 20% a 40% de materia seca, retirará 500 kg de agua por tonelada de lodo en esta parte del proceso. Un secado adicional con el proceso y método de acuerdo con la invención hasta típicamente el 90% de la materia seca dará una evaporación de unos 278 kg de agua adicional por tonelada del lodo inicial. A medida que el lodo se precalienta también en la primera etapa de procesamiento, el consumo de energía necesaria será tan solo del 30-35% de la energía total necesaria para el secado. El resto de la energía se usa en el secador calentado por vapor que ahora supone el 65-70% de la vaporación en el proceso de combinación. Otro efecto beneficioso con el proceso de combinación es que el secador calentado por vapor ahora funciona exclusivamente en la zona húmeda con condiciones de transferencias de calor que resultan muy buenas.
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También se pueden imaginar otros procesos de combinación basados en la invención y en las tecnologías tradicionales para el secado. Como se ha mencionado previamente, en secadores convencionales es común evitar los problemas creados en la fase de adhesión por la recirculación de grandes cantidades de material seco. Una alternativa es secar completamente una sub-corriente de material con un proceso de acuerdo con la invención, y después mezclarla con lodo no tratado hasta lograr una consistencia que sea imposible de tratar en los secadores tradicionales tales como un secador calentado por vapor indirecto o un secador por aire caliente. Esta estrategia también puede escogerse si se desea un nivel de humedad residual considerablemente mayor que el que la invención puede manejar.
Además de los procesos de combinación descritos anteriormente, donde el proceso de acuerdo con la invención se usa ya sea en partes del ciclo del secado o en una sub-corriente del material, también pueden usarse procesos de combinación donde el principio del secado tradicional se desarrolle dentro del medio. Una combinación con un secador calentado indirectamente puede realizarse equipando el estator, rotor o ambas partes con superficies calefactoras, de modo que aumente la capacidad del secador sin necesidad de una unidad de accionamiento más grande. Debido a la mezcla tan intensa que se crea con el medio, es posible usar mayores temperaturas sobre estas superficies calefactores que en los tradicionales secadores indirectos sin que esto de lugar a problemas, tales como que se queme el material a la superficie o el recalentamiento. Una combinación del principio de acuerdo con la invención y un secador calentado directamente tal como, por ejemplo, un secador por aire caliente, también da un proceso con características únicas. En tal proceso, un gran parte de la energía para la evaporación se suministra directamente en la cámara de procesamiento en forma de gas caliente. La intensa agitación mecánica asegurará la transferencia de calor eficaz desde el gas hasta el material que ha de secarse. Esto da lugar a un aumento en la capacidad sin aumentar el tamaño de la unidad de accionamiento. Estos dos procesos de combinación dan lugar a cambios considerables en los principios de construcción y control del proceso, pero el carácter único de la invención aún será la razón principal para que el proceso funcione sin problemas con el material que está en la fase de adhesión.

Claims (14)

1. Proceso de secado continuo de materiales adhesivos en un medio de secado giratorio caracterizado por que el proceso comprende las etapas:
a) que la cámara de procesamiento del medio de secado comprende una cantidad de material 4 con un nivel de humedad 5 donde F(t) < f_{g,} siendo f_{g} el límite inferior de la fase de adhesión, y
b) que para esta cantidad M(t) se añade una cantidad de material m_{i} con un contenido de humedad f_{i}, donde f_{i} > f_{h}, donde f_{h} es el límite superior de la fase de adhesión, y
c) que la relación entre m_{i} * f_{i} y M(t) * F(t) se regula de modo que F(t) < f_{g}, y
d) que se establece una mezcla suficientemente rápida de modo que f(X,t) < f_{g}, en el que la mezcla es suficientemente rápida de modo que no pueden observarse gradientes sistemáticos de la humedad en la dirección tangencial.
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la ecuación f_{u}< f_{g} se cumple por que a\geqm_{i}f_{i} - m_{u}f_{u}, es decir, de forma que la evaporación compensa el suministro neto de humedad.
3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el contenido de humedad del material total, F(t), se regula para que F(t) < f_{g} regulando la cantidad suministrada de m_{i}.
4. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la evaporación se obtiene mediante álabes (16) dispuestos en el medio (10) y por que estos álabes entran en contacto con el material, estableciéndose fuerzas de colisión, contacto y fricción suficientes para evaporar la humedad suministrada.
5. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el material en la cámara de procesamiento tiene una temperatura por encima de la temperatura de evaporación a la presión real para hacer más eficaz la evaporación del agua.
6. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el secado tiene lugar a una presión reducida.
7. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, se caracteriza por que la velocidad de evaporación aumenta por el calor suministrado a través de las paredes de la cámara de procesamiento o por vehículos calefactores en forma de gas caliente que se suministran directamente dentro de la cámara de procesamiento.
8. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el suministro ocurre sobre toda la longitud del secador, es decir, con varias entradas para el suministro (18).
9. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que se disponen medios para controlar el material en la cámara de procesamiento, de modo que si el material se mueve hacia la fase de adhesión, entonces esto se comunicará a un dispositivo de control que controla el suministro del nuevo material m_{i}.
10. Proceso de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que estos medios comprenden un sensor que indica el nivel de humedad del material, F(t).
11. Proceso de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que estos medios comprenden dispositivos que miden las fuerzas de colisión, contacto y fricción que deben provocarse.
12. Proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-11, caracterizado por que el proceso se usa en combinación con otros procesos de secado convencionales.
13. Proceso de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que el material que ha de tratarse primero se seca en un secador indirecto convencional hasta que el material tenga un contenido de humedad cerca del límite superior de la fase de adhesión, y después el material se seca con un proceso como el descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1-11.
14. Proceso de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que una sub-corriente de material se seca con un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11, y por que el material seco resultante se recircula con material no tratado hasta lograr una consistencia que puede tratarse en un secador indirecto convencional.
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