DE10012551A1

DE10012551A1 - Vorrichtung zum Pellet-Gefrieren

Info

Publication number: DE10012551A1
Application number: DE2000112551
Authority: DE
Inventors: Pascal Schvester
Original assignee: Air Liquide GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: AU2001254745A1; DE10012551B4; WO2001068230A1; AR027661A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pellet-Gefrieren flüssiger oder fließfähiger Stoffe in einem Kühlmittelstrom, insbesondere aus verflüssigtem Gas, wobei eine Trenneinrichtung (3) vorgeschlagen wird, welche eine Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne (4) und eine in Strömungsrichtung nachfolgende Pellet-Auffangrinne (5) aufweist, die Abflußrinne (4) so auf den Kühlmittelstrom abgestimmt ist, daß die Pellets nur geringfügig eintauchen und die Auffangrinne (5) in einem Abstand a zur Abflußrinne (4) so angeordnet ist, daß die Pellets (12) getrennt von dem Kühlmittel auffangbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pellet-Gefrieren bzw. Granulieren von flüssigen oder fließfähigen Stoffen in einem flüssigen Kühlmittel, insbesondere einer kryogenen Flüssigkeit wie einem kälteverflüssigten Gas.

Mit derartigen Vorrichtungen werden beispielsweise im Lebensmittelbereich flüssige oder pastöse Zutaten zu gefrorenen Granulatkörnern (Pellets) verarbeitet. Dazu wird der flüssige Stoff tropfenförmig in einen Kühlmittelstrom innerhalb eines wärmeisolierten Behälters eingebracht, verbleibt über eine gewisse Fließstrecke und damit Gefrierdauer in dem Kühlmittelstrom und anschließend werden die gefrorenen Stoffkörner aus dem Kühlmittelstrom mittels einer Trenneinrichtung entfernt.

Die EP 0 919 279 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Pellet-Gefrieren, bei der zum Entfernen der Stoffkörner aus dem Kühlmittel ein umlaufendes, flüssigkeitsdurchlässiges Förderband vorgesehen ist, auf das der Kühlmittelstrom mit den gefrorenen Körnern geleitet wird, und welches die Pellets über eine Öffnung im Pelletierbehälter hinaus befördert zu einem Sammelgefäß. Als durchlässiges Bandmaterial dient ein netzförmiges oder gelochtes Endlosband. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß mit dem Förderban nicht nur Körner transportiert werden, sondern auch Wärme vom Außenbereich mit Umgebungstemperatur in den Pelletierbehälter mit Tiefsttemperaturen übertragen wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Band aus einem Metall wie Edelstahl besteht, da Metalle eine hohe Wärmekapazität und gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die hieraus resultierende Erwärmung des Behälterinnenraumes führt zu einem erhöhten Verbrauch an Kühlmittel und damit höheren Produktionskosten. Außerdem besteht die Gefahr einer Vereisung des Förderbandes durch im Außenbereich aufgenommene Feuchtigkeit. Eine solche Eisschicht auf dem Band kann dazu führen, daß Pellets von dem Förderband abgleiten oder weg springen und in dem Behältersumpf verloren gehen. Messungen hierzu haben ergeben, daß bis zu 5% der produzierten Pellets auf diese Weise verloren gehen.

In der EP 0 641 522 A2 ist eine Pelletiervorrichtung beschrieben, bei der zum Trennen der Pellets vom Kühlmittel eine drehende Bandschnecke mit einem Siebboden innerhalb des isolierten Behälters vorgesehen ist, in welche der Pellet- Kühlmittelstrom eingeleitet wird und an deren Auslaßende die Pellets über eine Behälteröffnung austreten. Diese Vorrichtung hat den Vorteil gegenüber der zuvor beschriebenen, daß sie nicht als Wärmepumpe wirkt und ein geringerer Anteil des Produktionsvolumens verloren geht. Dennoch wird bei dieser Vorrichtung auch ein gewisser Anteil von Kühlmittel über die Bandschnecke mit transportiert und geht außerhalb des Behälters verloren. Somit wird auch bei dieser Vorrichtung der Kühlmittelverbrauch unnötig erhöht, was bei den hohen Kosten von z. B. kälteverflüssigtem Stickstoff (LN₂) äußerst nachteilig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Pellet- Gefrieren bereitzustellen, mit welcher eine verbesserte Trennung der gefrorenen Stoffkörner vom Kühlmittel erreichbar ist bei reduziertem Verbrauch an Kühlmittel, verminderter Funktionsanfälligkeit und einer höheren Produktionsausbeute.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 weist eine Trenneinrichtung auf, bestehend aus einer Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne und einer zu dieser beabstandeten, in Strömungsrichtung nachfolgenden Pellet-Auffangrinne. Die Querschnittsbreite der Abflußrinne ist auf den Kühlmittelstrom so abgestimmt, daß die Pellets in der Abflußrinne nur geringfügig, d. h. weniger als zur Hälfte ihres Durchmesser (Korngröße), in das Kühlmittel eintauchen. Durch die Querschnittsbreite wird also die Tiefe des Kühlmittelstromes gezielt reduziert. Dadurch wird eine ansonsten vorhandene Rückhaltekraft zwischen dem Kühlmittel und den Pellets reduziert, während die aufgrund von Oberflächenspannungen zwischen dem Kühlmittelstrom und der Rinne bestehenden Kräfte weiter wirken. Durch die punktuelle Berührung der Pellets mit dem Rinnenboden können sie sich leichter von der Abflußrinne lösen. Dies hat zur Folge, daß beim Austritt des Pellet- Kühlmittelstromes aus der Abflußrinne die Pellets einer weiteren Flugbahn folgen als das Kühlmittel. Dadurch können die Pellets getrennt von dem Kühlmittel auf einfache Weise aufgefangen werden und sind so mit einfachsten Mitteln sauber von dem Kühlmittel trennbar. Die Auffangrinne ist unterhalb und in einem vertikalen Abstand a zur Abflußrinne so angeordnet, daß alle Pellets in der Pellet- Auffangrinne auffangbar sind. Durch die kürzere Flugbahn des Kühlmittels fällt dieses wasserfallartig durch die Lücke zwischen den Rinnen in den Sumpf des Pelletierbehälters und kann vollständig wieder verwendet werden. Kein Kühlmittel entweicht aus der Pelletier-Vorrichtung, da eine saubere Trennung gänzlich im Innern des Behälters erfolgt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand a zwischen dem Auslaß der Abflußrinne und der Auffangrinne einstellbar. Dadurch kann die Vorrichtung angepaßt werden an unterschiedliche Durchsatzmengen (Kühlmittel- Pellet-Volumenströme), an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und an unterschiedliche sonstige Rinneneinstellungen. Die saubere und vollständige Trennung der Pellets ist so in einem größeren Arbeitsbereich der Vorrichtung möglich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Abflußrinne mit einem einstellbaren Neigungswinkel geneigt, wodurch die Abflußgeschwindigkeit des Gemenges beliebig erhöhr werden kann, was zu einer längeren Flugbahn nach dem Austritt aus der Rinne führt. Auch die Differenz zwischen der Kühlmittelflugbahn und der Flugbahn der Pellets wird dadurch größer. Ein erhöhter Trennungsgrad und damit eine höhere Ausbeute von produzierten Pellets kann so erreicht werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Pellet- Auffangrinne mit einem einstellbaren Neigungswinkel geneigt. Dies erleichtert den Auffangvorgang da die Pellets durch die Erdanziehungskraft leichter und selbständig die Auffangrinne herunter befördert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Auslaß der Abflußrinne eine nach unten gerundete Strömungsleitlippe vorgesehen. Diese erleichtert den Trennungsvorgang wesentlich da die Strömungslippe mit Hilfe der Oberflächenspannung zwischen dem Rinnenboden bzw. der Lippe den Kühlmittelstrom zusätzlich nach unten leitet, jedoch die Pellets weiter auf der bisherigen Flugbahn von der Rinne fallen. Die Trennungsrate und die Ausbaute der Vorrichtung sind somit besser.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Abflußrinne einen Endabschnitt auf, dessen Breite zum Auslaß hin zunimmt. Durch die zunehmende Breite wird die Strömungsgeschwindigkeit zum Ende der Abflußrinne hin reduziert und das Kühlmittel fällt wasserfallartig in einem dünnen Film herunter. Gleichzeit bleibt jedoch die Strömungsgeschwindigkeit der Pellets auf Grund der höheren Bewegungsmasse annähernd gleich, so daß auch bei heterogenen Pellets mit stark variierenden Größen eine saubere Trennung möglich ist. Zudem kann auf diese Weise der Abstand zwischen dem Auslaß der Abflußrinne und der Auffangrinne verringert werden, wodurch das Bauvolumen der Vorrichtung insgesamt reduziert wird. Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Endabschnitt mit einem solchen Winkel verbreitert, daß die Strömungsgeschwindigkeit am Ende der Abflußrinne weniger als 2/3 von der in dem geraden Abschnitt der Rinne beträgt. Es hat sich gezeigt, daß mit einer solchen Verbreiterung optimale Ergebnisse beim Trennen erzielbar sind.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Boden der Abflußrinne mit in Strömungsrichtung verlaufenden Fließrillen ausgebildet, wodurch verhindert wird, daß im Durchmesser kleine Pellets von dem Kühlmittelstrom mit nach unten gerissen werden weil sie teilweise oder ganz in dem Kühlmittel eingetaucht sind. Vorzugsweise ist die Breite der Fließrillen kleiner als 1 mm, d. h. kleiner als die kleinsten zu produzierenden Pellets. Durch diese Maßnahme ist eine noch höhere Ausbeute mit der Vorrichtung möglich.

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche im folgenden detailliert und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben sind. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Pelletiervorrichtung mit Trenneinrichtung nach der Erfindung in Seitenansicht;

Fig. 2 die Trenneinrichtung aus Fig. 1 in vereinfachter Seitenansicht als Ausschnitt;

Fig. 3 eine Trenneinrichtung im Ausschnitt in vereinfachter Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels mit Strömungsführungslippe;

Fig. 4 eine Trenneinrichtung im Ausschnitt in vereinfachter Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels mit verbreitertem Endabschnitt; und

Fig. 5 eine Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne mit Fließrillen im Querschnitt.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Pellet- Gefrieren nach der Erfindung vereinfacht in einer Seitenansicht gezeigt. An einem wärmeisolierten Pelletierbehälter 1 ist eine Tropfeinrichtung 2 zum Vertropfen eines zu pelletierenden flüssigen Stoffes vorgesehen. Im Innern des Pelletierbehälters 1 gelangen die zu gefrierenden Tropfen des Stoffes in eine mit Kühlmittel 13 durchströmte Pelletierwanne 14, innerhalb welcher die Tropfen über eine durch die Länge der Wanne 14 bestimmte Zeitdauer verweilen, bis sie zu Pellets 12 (gefrorenen Stoffkörnern bzw. Stoffgranulat) ausgefroren sind. Anschließend gelangen die Pellets 12 zusammen mit dem Kühlmittel 11 in die Trenneinrichtung 3, die aus einer Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne 4 und einer in Strömungsrichtung nachfolgenden Pellet-Auffangrinne 5 gebildet ist. Die Abflußrinne 4 weist eine abgestimmte Querschnittsbreite auf, so daß die Pellets 12 beim Durchströmen der Rinne 5 zusammen mit dem Kühlmittel 11 in letzterem nicht vollständig eingetaucht sind. Die Pellets 12 sind nur zu einem geringen Teil von Kühlmittel 11 umgeben wegen des breiten und auf das Strömungsvolumen (Volumen des Kühlmittel-Pellet-Stromes) abgestimmten Querschnittes der Rinne 4. Die Abflußrinne 4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit dem Winkel α in Strömungsrichtung nach unten geneigt. Am Auslaß 6 der Rinne 4 verlassen die Pellets 12 und das Kühlmittel 11 gleichermaßen die Rinne, fallen jedoch mit unterschiedlichen Flugbahnen A, B herunter. Die Flugbahn A des Kühlmittels 11 ist gegenüber der Flugbahn B der Pellets 12 kürzer, weil sich die Pellets 12 wegen des nur punktuellen Kontaktes mit der Rinne 4 leichter lösen als das Kühlmittel 11. Wären die Pellets 12 vollständig eingetaucht in das Kühlmittel 11 ergäbe sich eine gleiche Flugbahn, da unabhängig von der unterschiedlichen Masse verschiedene Körper bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit und gleichem Wurfwinkel einer identischen Flugbahn folgen. In diesem Fall wäre eine Trennung der Pellets 12 von dem Kühlmittel 11 nicht möglich. Die abgestimmte Breite der Abflußrinne 4 ist somit für das Funktionieren der Trennvorrichtung von zentraler Bedeutung. Die fallenden Pellets 12 werden in der Pellet-Auffangrinne 5 aufgefangen und von dieser in den Sammelbehälter 15 weitergeleitet. Die Auffangrinne 5 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in einem Neigungswinkel β nach unten geneigt, wodurch die Pellets leichter und selbständig die Rinne 5 herunter rollen. Die Rinne 5 kann jedoch auch horizontal angeordnet sein. Die Auffangrinne 5 ist genau in dem Abstand a von dem Auslaß 6 der Abflußrinne 4 angeordnet, welcher innerhalb der Flugbahn B der Pellets 12 liegt. Das flüssige Kühlmittel 11 - in der Regel ein verflüssigter Stickstoff - fällt mit seiner verkürzten Flugbahn A in den unteren Bereich des Pelletierbehälters 1 von dem es wieder über die Pumpe 13 zur Pelletierwanne 14 gepumpt werden kann. Kein Kühlmittel 11 geht verloren.

In Fig. 2 ist die Trenneinrichtung 3 aus Fig. 1 im Ausschnitt dargestellt. In der Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne 4 sind die Pellets 12 nur geringfügig in das strömende Kühlmittel 11 eingetaucht. Sie sind hier lediglich in etwa zu einem Drittel vom Kühlmittel 11 umgeben und damit leichter lösbar vom Boden der Rinne 4. Bei gegebener gleicher Strömungsgeschwindigkeit V der Pellets 12 und des Kühlmittels 11 ergeben sich somit unterschiedliche Flugbahnen A und B. Die Abflußrinne 4 ist im Winkel α und die Auffangrinne 5 im Winkel β geneigt. Die erste Neigung erhöht die Strömungsgeschwindigkeit und verlängert die Flugkurven, die zweite Neigung erleichtert den Weitertransport der Pellets.

In Fig. 3 ist eine Trenneinrichtung 3 im Ausschnitt und vereinfachter Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung gezeigt. Gegenüber der Fig. 2 unterscheidet sich diese lediglich durch die Strömungsleitlippe 7 am Auslaß 6 der Abflußrinne 4. Diese verbessert das Trennergebnis weil die Lippe 7 eine weitere Verkürzung der Flugbahn A des Kühlmittels 11 gegenüber der Flugbahn B der Pellets 12 bewirkt.

Fig. 4 zeigt eine Trenneinrichtung 3 im Ausschnitt und vereinfachter Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Unterschied zu den vorherigen Beispielen ist die Abflußrinne 4 hier mit einem verbreiterten Endabschnitt 8 ausgebildet. Dieser bewirkt, daß das Kühlmittel 11 in einem dünnen, wasserfallartigen Film am Auslaß 6 herunterfällt und zwar mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit und somit verkürzter Flugbahn. Die Pellets 12 folgen dieser Verbreiterung nicht und fallen in der selben Flugbahn B, wie in den zuvor beschriebenen Beispielen. Der Abstand a kann hierdurch möglichst kurz gehalten werden bzw. auch Pellets 12 mit geringerem Durchmesser sind auf diese Weise sauber von dem Kühlmittel 11 trennbar.

In der Fig. 5 ist eine Rinne im Detail und in vereinfachter Querschnittdarstellung gezeigt, welche als weitere Verbesserung einen rillenförmigen Boden aufweist. Durch die in Strömungsrichtung verlaufenden Fließrillen 9 oder auch Drainagerillen im Boden der Pellet-Kühlmittel-Abflußrinne 4 ist es möglich auch im Durchmesser kleine Pellets 12, wie aus der Zeichnung ersichtlich, vom Kühlmittelstrom zu trennen. Es wird somit verhindert daß diese kleinen Pellets völlig von Kühlmittel 11 umgeben sind und mit dem Kühlmittel 11 in den Sumpf des Behälters 1 mitbefördert werden.

Bezugszeichenliste

1

wärmeisolierter Pelletierbehälter

2

Tropfeinrichtung

3

Trenneinrichtung

4

Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne

5

Pellet-Auffangrinne

6

Auslaß

7

Strömungsleitlippe

8

verbreiteter Endabschnitt

9

Fließrillen

11

Kühlmittel

12

Pellets (gefrorene Stoffkörner)

13

Kühlmittelpumpe

14

Pelletierwanne

15

Sammelbehälter
α Neigungswinkel Abflußrinne
β Neigungswinkel Auffangrinne
δ Verbreiterungswinkel Abflußrinne
a Abstand Auslaß Abflußrinne zu Auffangrinne
A Flugbahn Kühlmittel
B Flugbahn Pellets
V Strömungsgeschwindigkeit Kühlmittel-Pellet-Strom

Claims

1. Vorrichtung zum Pellet-Gefrieren flüssiger oder fließfähiger Stoffe in einem flüssigen Kühlmittel, insbesondere in einer kryogenen Flüssigkeit, mit einem wärmeisolierten Pelletierbehälter (1), mit Mitteln zum Erzeugen eines Kühlmittelstromes, mit einer Tropfeinrichtung (2) zum Vertropfen des Stoffes mit einer vorbestimmten Tropfengröße in den Kühlmittelstrom einer Pelletierwanne (14) und mit einer Trenneinrichtung (3) zum Trennen der zu Pellets gefrorenen Stofftropfen von dem Kühlmittelstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (3) eine Kühlmittel-Pellet-Abflußrinne (4) mit einer Querschnittsbreite, welche so auf den Kühlmittelstrom abgestimmt ist, daß die Pellets (12) nur geringfügig in den Kühlmittelstrom eintauchen und eine in Strömungsrichtung nachfolgende Pellet-Auffangrinne (5) aufweist, und die Auffangrinne (5) unterhalb und in einem vertikalen Abstand a zum Auslaß (6) der Abflußrinne (4) so angeordnet ist, daß die Pellets (12) mit der Auffangrinne (5) getrennt von dem Kühlmittel auffangbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Abstand a zwischen dem Auslaß (6) der Abflußrinne (4) und der Auffangrinne (5) einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußrinne (4) mit einem Neigungswinkel α geneigt ist und der Neigungswinkel α einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangrinne (5) mit einem Neigungswinkel β geneigt ist und der Neigungswinkel β einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaß (6) der Abflußrinne (4) eine nach unten gerundete Strömungsleitlippe (7) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflußrinne (4) einen Endabschnitt (8) mit in der Breite zunehmendem Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (8) mit einem Verbreiterungswinkel δ verbreitert ist, welcher so gewählt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit am Ende der Abflußrinne (4) weniger als 2/3 der Strömungsgeschwindigkeit in dem geraden Abschnitt der Abflußrinne (4) beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Abflußrinne (4) mit in Strömungsrichtung verlaufenden Fließrillen (9) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Fließrillen kleiner als 1 mm ist.