<Desc/Clms Page number 1>
Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines flüssigen Stärkekleisters
Stärke ist ein wichtiger Grundstoff und Hilfsstoff für zahlreiche Industriezweige. Sie wird in der Papierindustrie für die Leimung des Papiers im Stoff und auf der Oberfläche sowie als Bindemittel für Streichmassen verwendet, sie kommt in der Textilindustrie für die Schlichterei und Appretiererei zum Einsatz, sie dient in zahlreichen Zweigen der Lebensmittelindustrie als Verdickungsmittel, sie wird in der Gärungsindustrie und im Brauwesen als Grundstoff für Fermentationsvorgänge eingesetzt, sie dient zur Herstellung von Dextrin, Stärkesirup und Glukose sowie für viele andere Verwendungszwecke. Vorbedingung für den Einsatz von Stärke im Rahmen der zitierten Verfahren ist eine völlige Verkleisterung.
Durch die Einwirkung einer im allgemeinen bei 65 - 700C liegenden und durch die Art der Stärke bestimmten Temperatur, der Verkleisterungstemperatur, werden die Stärkekörner zum Quellen gebracht und schliesslich zerstört. Die das Stärkekorn aufbauenden Amylopektin- und Amylosemoleküle können hydratisieren und bilden einen dickflüssigen Kleister. Je höher die Konzentration dieses Stärkekleisters ist, je höher ist auch, falls die Amylopektin- und/oder Amylosemoleküle nicht vor oder während der Verkleisterung einem mechanischen, chemischen oder enzymatischen Abbau ausgesetzt wurden, die Viskosität dieser Kleister.
Die thermische Verkleisterung der Stärke kann auch ganz oder teilweise durch eine alkalische Verkleisterung ersetzt werden. Es wird zu diesem Zweck eine unverkleisterte oder partiell verkleisterte Stärkesuspension mit einer alkalischen Chemikalienlösung, vorzugsweise Alkalilaugen, vermischt.
Stärkekleister kann in bekannter Weise in Tanks nach dem Chargenverfahren hergestellt werden. Es wird entweder eine Stärkesuspension durch Erhitzen auf direktem oder indirektem Wege und ausreichendem Rühren auf die Verkleisterungstemperatur gebracht, oder es wird eine Stärkesuspension in heisses und bebeheiztes Wasser unter Rühren eingegossen, oder es wird Stärke in heisses und beheiztes Wasserunter Rühren eingestreut.
Nachteile dieser Verfahren sind, dass für die Herstellung der Kleister grosse Tankanlagen erforderlich sind, dass diese Anlagen einer gewissenhaften Wartung bedürfen, dass die Stärkeverkleisterung im Chargenverfahren nur unzureichend an plötzliche Betriebsstörungen und Betriebsumstellungen angepasst werden kann, dass die erforderliche Gleichmässigkeit der Kleister nicht bei allen Ansätzen in ausreichendem Masse sichergestellt ist, dass die bei jeder Charge in grosser Menge hergestellten Stärkekleister während des Verbrauches längere Zeit bei höheren Temperaturen, häufig in einem für die Wirkung von Enzymen vorteilhaften Temperaturbereich, aufbewahrt werden müssen, wodurch sich Ausbeute- und Qualitätsminderung ergeben können, und vieles andere mehr.
Bei der Herstellung von Stärkekleistern nach dem Chargenverfahren ist die verarbeitungsfähige Stärkekonzentration auf 0 - 120/0 beschränkt, falls nicht vorbehandelte, abgebaute Stärken mit geringerer spezifischer Viskosität eingesetzt werden. Vielfach hat man versucht, die Schwierigkeiten der chargenweisen Herstellung von Kleistern dadurch zu umgehen, dass man für die
<Desc/Clms Page number 2>
benötigten Zwecke eine auf heissen Walzen oder mit Hilfe eines andern Verfahrens verkleisterte und getrocknete Stärke bezogen und diese sogenannteQuellstärke eingesetzt hat. Der Transport von ungetrockneten Stärkekleistern zwischen verschiedenen Fabriken ist mit einem grossen Risiko verbunden, da Stärkekleister, wie bereits angeführt, ausserordentlich anfällig gegenüber enzymatischen Abbaureaktionen sind.
Der Transport der in den Stärkekleistern gebundenen Wassermengen über grosse Entfernungen ist ohnehin als unwirtschaftlich anzusehen. Es liegt auf der Hand, dass der Einsatz von Quellstärke wesentlich kost- spieliger ist als der Einsatz eines frisch bereiteten Stärkekleisters, da die Trocknung der Quellstärke ein unerlässlicher zusätzlicher Bestandteil des Verfahrens ist. Für die zahlreichen, bereits auszugsweise zitierten Anwendungsverfahren für Stärke ist somit eine Methode zur rationellen kontinuierlichen Stärkeverkleisterung direkt vor der Verwendung von ausserordentlichem Interesse.
Aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 856, 290 wurde breits ein Verfahren zur Behandlung von Trockenstärke bekannt, bei dem es darum geht, eine rieselfähige, pulverisierte Stärke zu erzeugen, welche mit den üblichen Vorrichtungen in Pakete abgefüllt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Stärke zunächst mit Milchzucker und Milcheiweiss trocken gemischt und diese pulverisierte Mischung im freien Fall durch einen geheizten Raum geführt und während des Fallens mit feinzersprühtem Wasser und gesättigtem Wasserdampf in Berührung gebracht. Während der kurzzeitigen Berührung nimmt die Stärkemilchpulver-Mischung etwas Feuchtigkeit auf und wird agglomeriert. Die Agglomerate werden anschliessend getrocknet und sind nun ohne Staubbildung rieselfähig.
Die Erfindung betrifft nun eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung eines flüssigen Stärkekleisters aus einer wässerigen Suspension von Stärke, partiell abgebauter Stärke oder Stärkederivaten mit Hilfe eines Behandlungsmediums, z. B. Dampf oder einer Chemikalienlösung, welche Vorrichtung, die Suspension bzw. das Behandlungsmedium führende Leitungen aufweist, von denen die eine als ein sich in Strömungsrichtung verengendes und anschliessend an die Verengung sich erweiterndes Rohr ausgeführt ist.
Eine derartige Vorrichtung wurde durch die USA-Patentschrift Nr. 2, 582, 198 bekannt, wobei Dampf als Behandlungsmedium verwendet wird. Dabei führt die als das die Verengung aufweisende Rohr ausgeführte Leitung den Dampf. Der die Verengung und die nachfolgende Erweiterung bildende Teil des Rohres ist eine Laval-Düse, welche den Zweck hat, den Dampf auf hohe Geschwindigkeit zu bringen, wobei der zugeführte Dampf unter überkritischem Druckverhältnis entspannt werden soll, so dass sich im erweiternden Teil der Düse die Dampfgeschwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit erhöht. Die Stärkesuspension wird dem aus der Laval-Düse austretenden Dampfstrahl beigemengt.
Die ganze Vorrichtung ist in einem Behälter angeordnet, und der Strahl gelangt dann mit der zugeführten Suspension von Stärke in ein wesentlich grösseres Rohr, welches beidseitig offen ist. Durch diese Massnahme soll eine enge Durchmischung mit dem bereits im Behälter vorhandenen Kleister erreicht werden.
Demgegenüber ist gemäss der Erfindung die die Suspension führende Leitung als das sich in Strömungsrichtung verengende Rohr ausgeführt und zumindest in diesem Rohr im Bereiche der Erweiterung bzw. bei plötzlicher Erweiterung unmittelbar daran anschliessend eine oder mehrere mit der das Behandlungsmedium führenden Leitung verbundene Öffnungen angeordnet.
Es wurde gefunden, dass es mit einer solchen äusserst einfachen und betriebssicheren Vorrichtung möglich ist, völlig homogene Kleister von unbehandelter nativer Stärke im Konzentrationsbereich 0 - 160/0 herzustellen, wenn durch die erwähnten Eintrittsöffnungen in der Rohrwand der Suspension unmittelbar Heizdampf beigemengt wird. Die gleiche Vorrichtung lässt sich aber auch verwenden, wenn statt des Heizdampfes durch die erwähnten Öffnungen eine die Verkleisterung bewirkende Chemikalienlösung eingeführt wird.
Die Querschnittsverengung im Rohr kann beispielsweise durch eine Blende mit einer oder mehreren Durchtrittsöffnungen oder in an sich bekannter Weise durch eine Düse gebildet sein. An die Querschnittsverengung kann sich ferner in an sich bekannter Weise eine stetige Erweiterung des Rohrquerschnittes anschliessen. Es können auch zwei oder mehrere Querschnittsverengungen in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet sein.
Die Stärkesuspension und der Stärkekleister bewegen sich bei der erfindungsgemässen Vorrichtung unter einem Druckgefälle kontinuierlich durch die Reaktionszone. Beim Durchtritt durch die Querschnittsverengung und beim Vermischen der Stärkemilch mit dem Dampf bzw. der Chemikalienlösung werden auf den sich bildenden Stärkekleister solche Druck- und Scherkräfte ausgeübt, dass die Kleisterbildung vorteilhaft unterstützt wird.
Die Vorrichtung kann auch für die Verarbeitung von Stärken verwendet werden, die zur Erhöhung oder Senkung der Viskosität der Kleister und somit zur Erhöhung oder Senkung der verarbeitungsfähigen Stärke-
<Desc/Clms Page number 3>
konzentration chemisch, enzymatisch oder mechanisch vorbehandelt worden sind. Weiterhin lässt sich die Vorrichtung für die kontinuierliche Verkleisterung von Stärkederivaten, wie Stärkeäthern, Stärkephosphaten, Oxydationsprodukten von Stärke, partiell durch Säuren oder Enzyme abgebauten Stärken od. dgl. einsetzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist ferner in Strömungsrichtung der Stoffsuspension bzw. des Kleisters im Rohr den Öffnungen für das Behandlungsmedium ein Sieb zur vorübergehenden Aufteilung des Stoffes in mehrere Teilströme nachgeschaltet. Diese Massnahme begünstigt die Bildung eines homogenen Kleisters und dient auch dazu, den Aufbau von Strukturviskosität im Stärkekleister während des Passierens der beschriebenen Einrichtung zu unterbinden oder einzuschränken.
Die Fig. 1 - 8 der Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
Die zu verkleisternde Stärkesuspension wird in Pfeilrichtung durch ein Rohr 1 geleitet. Dieses ist von einem Mantel 2 umgeben, der mit dem Rohr 1 einen Dampfraum 3 begrenzt.
Gemäss Fig. 1 ist im Rohr 1 als Querschnittsverengung eine Blende 4 eingesetzt. Nach dieser Blende, d. h. im Übergangsbereich, in welchem sich das strömende Medium wieder auf den vollen Rohrquerschnitt verteilt, sind in der Rohrwand 1 in Umfangsrichtung und Längsrichtung verteilt Löcher 5 angebracht, welche als Eintrittsöffnungen für den zur Verkleisterung erforderlichen Dampf dienen.
Gemäss Fig. 2 sind zwei Querschnittsverengungen 4 in der Form von Blenden in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet. Der ersten Verengung folgen in der Rohrwand angebrachte Eintrittsöffnungen für den Dampf, die als in Strömungsrichtung der Stoffsuspension gegen die Rohrachse geneigte Kanäle 6 ausgebildet sind. Nach der zweiten Verengung folgen ähnlich wie bei Fig. 1 in der Rohrwandung angebrachte Löcher 7 als Dampfeintrittsöffnungen, und diesen ist ein Sieb 8 nachgeschaltet, welches den Stoff vorübergehend in mehrere Teilströme aufteilt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 schliesst an eine blendenartige Querschnittsverengung 9 eine stetige Erweiterung 10 des Rohrquerschnittes an. Die Dampfeintrittsöffnungen sind im Bereich dieser Erweiterung 10 als in Strömungsrichtung der Stoffsuspension gegen die Rohrachse geneigte Kanäle 11 vorgesehen.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach den Fig. 1 - 3, die plötzliche Querschnittsverengungen aufweisen, besitzt die Ausführungsform nach Fig. 4 eine leicht konische Querschnittsverengung 12, die vorzugsweise auch düsenförmig ausgebildet sein kann, mit nachfolgender stetiger Erweiterung 13. Die Dampfeintrittsöffnungen sind hier als senkrecht zur Rohrachse stehende Kanäle 14 ausgeführt. Der Erweiterung 13 ist eine zweite Querschnittsverengung in Form einer Blende 15 nachgeschaltet, und die dieser Blende 15 nachfolgenden Dampfeintrittsöffnungen sind als in entgegen der Strömungsrichtung des Stoffes gegen die Rohrachse geneigte Kanäle 16 ausgeführt.
Statt der einzelnen Löcher oder Kanäle 5,6, 7,11, 14,16 könnte eventuell auch ein Ringspalt oder eine Reihe von Ringspalten vorgesehen werden.
Bei der Anwendung der in den Fig. 1 - 4 beschriebenen Verkleisterungseinrichtung bestehen eindeutige funktionelle Beziehungen zwischen der Menge und Temperatur der zu verkleisternden Stärkesuspen- sion, deren Stärkegehalt und Art der Stärke, der Menge, der Temperatur und dem Eingangsdruck des Verkleisterungsreagens (Heizdampf oder Chemikalienlösung), der freien Querschnittsfläche für den Durchtritt der Stärkesuspension und des Verkleisterungsreagens sowie deren Geschwindigkeiten. Dieverkleisterungsfähige Stärkekonzentration wird bei konstanten freien Querschnittsflächen für die Förderung und Vermischung von Stärkesuspension und Verkleisterungsreagens vornehmlich durch den Eintrittsdruck des Verkleisterungsreagens bestimmt.
Bei konstantem Eingangsdruck des Verkleisterungsreagens und fester freier Querschnittsfläche für dessen Durchtritt durch die Öffnungen der Rohrwand werden bestimmte Eigenschaften des Produktes (Verkleisterungstemperatur, Quellungs- und Desintegrationszustand der Stärke) nur bei einer bestimmten, konstanten Durchflussmenge des Produktes erhalten. Fällt indessen nach einer Senkung der Verarbeitungskapazität die Strömungsgeschwindigkeit der Stärkesuspension durch die Querschnittsverengung und die nachfolgende Rohrstrecke der Verkleisterungseinrichtung unter einen bestimmten Verhältniswert zur Eintrittsgeschwindigkeit des Verkleisterungsreagens bei gleichbleibendem Eintrittsdruck, so werden die Komponenten ungleichmässig vermischt.
Steigt die Strömungsgeschwindigkeit der Stärkesuspension nach einer Erhöhung der Verarbeitungskapazität an, so ist ein entsprechend höherer Betrag an Verkleisterungsreagens einzuspeisen, um die erwünschten Eigenschaften des Stärkeproduktes beizubehalten. Bei gleichbleibendem Eingangsdruck des Verkleisterungsreagens muss die freie Durchtrittsfläche verändert werden, um den notwendigen Stoff- bzw. Wärmeübergang sicherzustellen.
<Desc/Clms Page number 4>
Die Ausführungsformen gemäss den Fig. 5 - 8 geben nun die Möglichkeit einer Anpassung der Einrichtung an verschiedene Betriebsbedingungen dadurch, dass Mittel angebracht sind, welche die relativen Mengen. Drücke und Geschwindigkeiten der zu verkleisternden Stoffsuspension und des Verkleisterungsreagens zu verändern gestatten.
Bei allen diesen Ausführungsformen wird die zu verkleisternde Stärkesuspension in Pfeilrichtung durch das Rohr 1 geleitet. Dieses ist vom Mantel 2 umgeben, der mit dem Rohr 1 den Raum 3 für das zuzuführende Verkleisterungsreagens, insbesondere Dampf oder eine Chemikalienlösung, begrenzt. Das Rohr 1 besitzt eine konische Querschnittsverengung 17 und eine nachfolgende stetige Erweiterung 18 mit Eintrittsöffnungen 19 für das Verkleisterungsreagens.
Gemäss Fig. 5 ist zur Veränderung der freien Querschnittsfläche der Eintrittsöffnungen 19 koaxial zum Rohr 1 eine als Abdeckkörper dienende, geschlossene Hülse 20 angebracht, deren relative Lage in bezug auf die Öffnungen 19 veränderbar ist. Bei axialer Verschiebung der Hülse 20 wird die Zahl der freien Öffnungen 19 für das Verkleisterungsreagens verändert. Um eine solche Verschiebung zu ermöglichen, ist die Hülse 20 an ihrer Unterseite mit einer Zahnstange 21 versehen, in die ein durch nicht gezeigte Mittel von aussen zu betätigendes Zahnrad 22 eingreift.
Gemäss Fig. 6 ist als Abdeckkörper eine Hülse 201 vorgesehen, die mit den Eintrittsöffnungen 19 für das Verkleisterungsreagens korrespondierende Öffnungen 191 aufweist. Bei Verschieben oder Verdrehen der Hülse 201 wird die freie Querschnittsfläche der einzelnen Eintrittsöffnungen 19, 191 ver- ändert, ohne dass die Zahl der freien Durchtrittsöffnungen vermindert oder vermehrt wird. Die Hülse 201 kann von aussen durch eine Stange 23 betätigt werden.
Bei der Einrichtung nach Fig. 7 ist zwecks Veränderung der freien Querschnittsfläche für die Stoffsuspension im der Querschnittsverengung 17 des Rohres 1 nachfolgenden Übergangsbereich 18 koaxial zum Rohr ein Verdrängerstab 24 angebracht, der eine sich gegen den engsten Querschnitt verjüngende Form hat. Der Stab 24 kann von aussen in axialer Richtung bewegt werden, wobei seine Spit- ze schliesslich bis in den engsten Querschnitt des Rohres l hinein gelangt.
Gemäss Fig. 8 ist statt des vollen Verdrängerstabes 24 ein zur Aufnahme von Verkleisterungsreagens hohler Verdrängerstab 241 vorgesehen, der gegen die strömende Stoffsuspension gerichtete Austritts- öffnungen 25 aufweist. Die Öffnungen 26 stellen eine Verbindung zwischen dem Mantelraum 3 und dem Inneren des Verdrängerstabes 241 her. Das Innere des Stabes 241 könnte aber auch unabhängig vom Mantelraum 3 mit Verkleisterungsreagens beschickt werden.
Jedes der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Mittel kann auch gemeinsam mit einem der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Mittel angewendet werden. Die beschriebenen Einrichtungen erlauben, die Strömungszustände in ihrem Inneren weitgehend den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen anzupassen. Die Abdeckkörper 20, 201 der Fig. 5 und 6 beeinflussen vor allem die Zufuhr des Verkleisterungsreagens, währens die Verdrängerstäbe 24 bzw. 241 der Fig. 7 und 8 die Geschwindigkeit der Stoffsuspension in der Querschnittsverengung zu verändern gestatten. Diese Mittel können von Hand oder auch durch eine automatische Regeleinrichtung bedient werden.
So ist beispielsweise in Fig. 5 ein Messglied 27 für die Verkleisterungstemperatur oder für die Durchflussmenge an Stoffsuspension vorgesehen, welches auf das die Hülse 20 betätigende Zahnrad 22 einwirkt, so dass die Hülse 20 bei steigender Temperatur im Sinne einer Verminderung von Dampfzufuhr durch die Öffnungen 9 bzw. bei steigender Durchtrittsmenge an Stoffsuspension im Sinne einer Vermehrung der Zufuhr von Dampf oder eines andern Reagens durch die Öffnungen 9 verstellt wird.
Eine Regeleinrichtung mit einem entsprechenden Messglied 271 gemäss Fig. 7 müsste dagegen auf den Verdrängerstab 24 in dem Sinne einwirken, dass bei fallender Durchtrittsmenge an Stoffsuspension die freie Querschnittsfläche durch axiale Verschiebung gegen die Querschnittsverengung verringert und somit die Strömungsgeschwindigkeit der Stoffsuspension erhöht wird. um eine gleichmässige Vermischung von Stoffsuspension und Verkleisterungsreagens sicherzustellen.
Der Einsatz von Verdrängerkörpern erspart das sonst erforderliche Auswechseln von Düsen und effektiver Rohrstrecke der Verkleisterungseinrichtung bei wechselnder Produktionskapazität.
Um eine weitere vorteilhafte Wirkung auf den zu behandelnden Stoff auszuüben, können die mit der Stoffsuspension und dem Kleister in Berührung kommenden Oberflächen der Einrichtung, einschliesslich eines allfällig vorhandenen Verdrängerstabes, mit Unebenheiten versehen werden. Diese können beispielsweise in ring- oder schraubenlinienförmigen Vertiefungen, wie Gewindeschnitten geeigneter Tiefe und Ganghöhe, oder auch in einzelnen Erhöhungen, wie Stiften oder Haken, bestehen. Durch diese Massnahmen wird die Grenzschicht des strömenden Stoffes beeinflusst und eine zusätzliche Mischwirkung er- zielt.
Die beschriebene Einrichtung kann als Bestandteil einer kleisterverbrauchenden Maschine oder Anla-
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1