DE20000841U1 - Düsenvorrichtung in einer Auflöseapparatur zur Auflösung eines Feststoffes in einem Lösungsmittel - Google Patents
Düsenvorrichtung in einer Auflöseapparatur zur Auflösung eines Feststoffes in einem LösungsmittelInfo
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Description
089GM 1AO
13.01.2000
in einem Lösungsmittel
Die Neuerung betrifft eine Düsenvorrichtung in einer Auflöseapparatur zur Auflösung eines Feststoffes in einem Lösungsmittel, vorzugsweise eines putverförmigen Feststoffes in Wasser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Getränkeindustrie besteht oft das Problem, bestimmte Zutaten, die als Feststoff in pulverisierter Form vorliegen, wie beispielsweise Zitronensäure oder Süßstoffe, in eine wäßrige Lösung zu überführen, um sie in diesem Zustand im Rahmen des Herstellungsprozesses des jeweiligen Getränks weiterzuverarbeiten. Zur Auflösung der jeweiligen Feststoffes ist es zunächst erforderlich, diesen im Lösungsmittel, dem Wasser, zu suspendieren. Es ist bekannt, die aufzulösende Menge Feststoff beispielsweise in einen Mischtank einzubringen, in dem die hierzu notwendige Menge Wasser vorgelegt ist, und anschließend mittels einer Rühreinrichtung zu suspendieren. Diese Rühreinrichtung kann beispielsweise aus einem motorisch angetriebenen Rührer bestehen. Darüber hinaus werden die Rührwirkung und Suspendierung noch dadurch verbessert, daß die Lösemittel-Feststoff-Suspension über eine Kreislaufleitung außerhalb des Mischtanks umgepumpt und letzterem wieder zugeführt wird. Dabei wird üblicherweise die Suspension über den Bodenteil des Mischtanks entnommen und im Bereich des zylinderförmigen Mantelteils wieder zugeführt. Bei der Auflösung von Zitronensäure oder Süßstoffen ergeben sich bei einer derartigen Auflöseapparatur Auflösezeiten beispielsweise von 15 bis 20 Minuten.
Neben dem grundsätzlichen Bedürfnis, die Auflösezeiten möglichst kurz zu gestalten, sind insbesondere die motorisch angetriebenen Rühreinrichtungen der bekannten Auflöseapparaturen von Nachteil, da sie einerseits an sich apparativ relativ aufwendig sind, andererseits aber auch reinigungskritische Einbauten darstellen, die sich oftmals nur schwer oder unzureichend im Wege einer sogenann-
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ten automatischen Durchflußreinigung (CIP-Reinigung: Cleaning in place, was soviel bedeutet wie Reinigung an Ort und Stelle) reinigen lassen.
Es ist Aufgabe der Neuerung, die Auflösezeit in einem Mischtank gegenüber bekannten Auflöseapparaturen der gattungsgemäßen Art zu verkürzen und die Apparatur selbst zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch eine Düsenvorrichtung in einer Auflöseapparatur zur Auflösung eines Feststoffes in einem Lösungsmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Düsenvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Gegensatz zu bekannten Auflöseapparaturen wird die Suspension dem Mischtank nicht über dessen Mantelteil zugeführt, sondern über dessen Bodenteil. Hierzu ist eine Düsenvorrichtung vorgesehen, die sich, ausgehend von einem Zuleitungsrohr und in Strömungsrichtung gesehen, in eine Ringspaltdüse und eine Rohrdüse verzweigt. Die Ringspaltdüse generiert dabei einen Ringspaltstrom, der im wesentlichen quer zur Längsachse des Mischtanks gerichtet ist. Der verbleibende Teilstrom der zugeführten Suspension wird über eine Rohrdüse ausgebracht, die im Mischtank einen Treibstrom generiert, der, bezogen auf die Längsachse des Mischtanks, eine zu dessen Kopfteil gerichtete axiale und zusätzlich eine tangentiale Richtungskomponente aufweist.
Durch die vorgenannten Merkmale wird über die Rohrdüse ein Konvektionsstrom im Mischtank erzeugt, der dort den gesamten Tankinhalt erfaßt und diesen sowohl in vertikaler als auch in tangentialer Richtung umwälzt. Der über die Ringspaltdüse ausgebrachte andere Teilstrom der Suspension kreuzt den vorzugsweise abwärts gerichteten Konvektionsstrom und führt dadurch einerseits zu einer intensiven Durchmischung der Suspension und andererseits begünstigt diese sehr energiereiche Querströmung die Suspendierbedingungen. Da sowohl die Entnahme der Suspension als auch ihre Zuführung über den Bodenteil des Mischtanks erfolgen, kreuzen sich der Konvektionsstrom und der Ringspaltstrom
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zwangsläufig. Durch den Konvektionsstrom wird demnach der gesamte Tankinhalt planmäßig in den Misch- und Auflösungsprozeß einbezogen; stagnierende Bereiche im Tank mit weniger günstigen Stoffaustauschbedingungen werden dadurch zuverlässig vermieden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Ringspaitdüse derart auszubilden, daß sie sich über einen annähernd 360 Grad umfassenden Ausbringungswinkel erstreckt. Durch diese Maßnahme wird der Ringspaltstrom über den gesamten Querschnittsbereich des Mischtanks ausgetragen und kann sich dadurch mit dem über den gesamten Umfang des zylindrischen Mantels des Mischtanks abwärts strömenden Konvektionsstrom kreuzen.
Die vorgeschlagene Düsenvorrichtung vereinfacht sich in vorteilhafter Weise, wenn, wie dies weiterhin vorgeschlagen wird, das Zuleitungsrohr der Düsenvorrichtung durch ein der Entnahme der Suspension aus dem Bodenteil dienendes Abiaufgehäuse hindurchgeführt ist. In diesem Falle ist nur eine einzige Öffnung im Bodenteil des Mischtanks erforderlich.
Wird, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht, das Zuieitungsrohr koaxial im Bodenteil angeordnet, dann vereinfacht sich einerseits die Anordnung zusätzlich, andererseits ergeben sich durch die weitgehend axialsymmetrische Ausprägung des Strömungsbildes im Mischtank besonders günstige Auflöse- und Suspendierbedingungen.
Die Auflöse- und Suspendierbedingungen werden weiterhin dadurch entscheidend verbessert, wenn der zu suspendierende und aufzulösende Feststoff nicht unmittelbar dem Mischtank, sondern der im Kreislauf außerhalb des Mischtanks umgepumpten Suspension zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, daß eine Zuführeinrichtung für den Feststoff in eine zwischen dem Ablaufgehäuse und einer Umwälzpumpe vorgesehene Saugleitung einmündet.
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Optimierte Bedingungen beim Suspendieren und Auflösen stellen sich ein, wenn die Düsenvorrichtung derart querschnittsmäßig bemessen wird, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Zuleitungsrohr &ngr; = 2,5 bis 3 m/s, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Ringspaltdüse vi = 10 bis 15 m/s, vorzugsweise 14 m/s, und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrdüse V2 = 4 bis 6 m/s, vorzugsweise 5 m/s, betragen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Düsenvorrichtung gemäß der Neuerung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
Figur 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Mischtank und eine darin angeordnete Düsenvorrichtung in Verbindung mit weiteren, ebenfalls nur schematisch dargestellten Teilen der Auflöseapparatur;
Figur 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch jenen Teil der Düsenvorrichtung, der in Figur 1 mit Einzelheit „X" gekennzeichnet ist und
Figur 2a eine Draufsicht auf die Düsenvorrichtung gemäß Figur 2.
Figur 2a eine Draufsicht auf die Düsenvorrichtung gemäß Figur 2.
Die Auflöseapparatur (Figur 1) besteht im wesentlichen aus einem Mischtank 1, mit einem Bodenteil 1a, einem zylindrischen Mantelteif 1b und einem Kopfteil 1c, einem an den Bodenteil 1 a angeflanschten Gehäuse 2, das aus einem Ablaufgehäuse 2b und einem darunter angeordneten Zulaufgehäuse 2a besteht, und einer vom Ablaufgehäuse 2b ausgehenden und in das Zulaufgehäuse 2a einmündenden Kreislaufleitung 6. Letztere besteht aus einer Saugleitung 6a, die das Ablaufgehäuse 2b mit einer Umwälzpumpe 5 verbindet, und einer Druckleitung 6b, die von der Umwälzpumpe 5 zum Zulaufgehäuse 2a führt. Eine Zuführeinrichtung 4 für einen Feststoff F mündet in die Saugleitung 6a ein.
Ausgehend von dem Zulaufgehäuse 2a durchdringt eine Düsenvorrichtung 3 das Ablaufgehäuse 2b, um über eine Bodenöffnung 1d im Bodenteil 1a in den Boden-
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bereich des Mischtanks 1 einzugreifen. Die Düsenvorrichtung 3 besteht aus einem Zuleitungsrohr 3a (Figur 2), welches von einer zwischen Zulaufgehäuse 2a und Ablaufgehäuse 2b angeordneten, nicht näher bezeichneten Trennwand ausgeht und an seinem anderen Ende von einem Deckel 3b derart begrenzt ist, daß zwischen dem Ende des Zuleitungsrohres 3a und dem Deckel 3b eine Ringspaltdüse 3c gebildet wird. Der Deckel 3b ist dabei über wenigstens einen Verbindungssteg 3e mit dem Zuleitungsrohr 3a verbunden, und er ist weiterhin mit einer vorzugsweise zentrisch angeordneten Öffnung versehen, an die eine Rohrdüse 3d angeschlossen ist. Letztere ist derart ausgestaltet, daß ihre dem Deckel 3b abgewandte Austrittsöffnung eine Richtung aufweist, die zum einen eine zum Kopfteil 1c des Mischtanks 1 gerichtete axiale und zusätzlich eine tangentiale Richtungskomponente aufweist. Der vertikale Anstellwinkel der Rohrdüse 3d ist in Figur 2 mit &agr; gekennzeichnet, die tangentiale Richtungskomponente ergibt sich aus dem in Figur 2a mit &bgr; bezeichneten tangentialen Anstellwinkel.
Die Suspendierung und Auflösung des Feststoffes F im Lösungsmittel gestaltet sich wie folgt: Zunächst wird im Mischtank 1 die für die aufzulösende Menge Feststoff F notwendige Menge Lösungsmittel, in der Regel Wasser, vorgelegt. Alsdann wird das Wasser über die Kreislaufleitung 6 mittels der Umwälzpumpe 5 aus dem Bodenbereich des Mischtanks 1 und das sich anschließende Ablaufgehäuse 2b abgesaugt und anschließend dem Mischtank 1 über das Zulaufgehäuse 2a und das sich diesem anschließende Zuleitungsrohr 3a auf dem Weg über die Ringspaltdüse 3c und die Rohrdüse 3d wieder zugeführt.
Nun wird über die Zuführeinrichtung 4 kontinuierlich Feststoff F in die Saugleitung 6a eingebracht. Diese Suspension aus Feststoff F und Lösungsmittel gelangt über die Umwälzpumpe 5 und die Druckleitung 6b in das Zulaufgehäuse 2a und von dort auf dem Weg über das Zuleitungsrohr 3a einerseits in die Ringspaltdüse 3c und andererseits in die Rohrdüse 3d. Dabei ist ein Zufuhrquerschnitt A im Zuleitungsrohr 3a vorzugsweise derart bemessen, daß die mittlere Zufuhrgeschwindigkeit des sich in dem Zuleitungsrohr 3a ausbildenden Kreislaufstromes S etwa
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&ngr; = 2,5 bis 3 m/s beträgt. Aus der Rohrdüse 3d tritt ein Treibstrom T aus, der aufgrund eines Rohrquerschnittes A2 eine Rohrgeschwindigkeit v2 = 4 bis 6 m/s, vorzugsweise 5 m/s, besitzt. Der Treibstrom T generiert im Mischtank 1 eine Konvektionsströmung K, die zum einen aufwärts und zum andern tangential gerichtet ist und die im Bereich des zylindrischen Mantelteils 1b zu einer im wesentlichen abwärts gerichteten Strömung führt. Letztere wird im Bodenbereich des Mischtanks 1 von einer aus der Ringspaltdüse 3c generierten Ringspaltströmung R gekreuzt. Aufgrund dieser sich kreuzenden Strömungen ergibt sich eine intensive Suspendierung und Mischbewegung. Eine dem Kreislaufstrom S entsprechende Absaugströmung S* verläßt über die Bodenöffnung 1 d den Mischtank 1. Der Ringspaltquerschnitt A1 der Ringspaltdüse 3c ist derart bemessen, daß der Ringspaltstrom R eine mittlere Ringspaltgeschwindigkeit V1 = 10 bis 15 m/s, vorzugsweise
14 m/s, besitzt.
Es hat sich gezeigt, daß mit der vorgeschlagenen Düsenvorrichtung eine Auflösezeit beispielsweise von unter 5 Minuten erreicht wird, während vergleichbare bekannte Auflöseapparaturen für die gleiche Menge Feststoff F eine Auflösezeit von
15 bis 20 Minuten benötigen.
Claims (6)
1. Düsenvorrichtung in einer Auflöseapparatur zur Auflösung eines Feststoffes in einem Lösungsmittel, vorzugsweise eines pulverförmigen Feststoffes in Wasser, mit einem Mischtank, dem die Lösungsmittel-Feststoff-Suspension in dessen Bodenteil entnommen, bei dem die Suspension anschließend durch eine Kreislaufleitung außerhalb des Mischtanks umgepumpt und wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet
1. daß die Zuführung der Suspension in den Mischtank (1) über die in dessen Bodenteil (1a) angeordnete Düsenvorrichtung (3) erfolgt,
2. daß diese sich, ausgehend von einem Zuleitungsrohr (3a) und in Strömungsrichtung gesehen, in eine Ringspaltdüse (3c) und eine Rohrdüse (3d) verzweigt,
3. daß die Ringspaltdüse (3c) einen Ringspaltstrom (R) generiert,
4. der im wesentlichen quer zur Längsachse des Mischtanks (1) gerichtet ist,
5. und daß die Rohrdüse (3d) einen Treibstrom (T) generiert,
6. der, bezogen auf die Längsachse des Mischtanks (1), eine zu dessen Kopfteil (1c) gerichtete axiale und zusätzlich eine tangentiale Richtungskomponente aufweist.
2. Düsenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ringspaltdüse (3c) über einen annähernd 360 Grad umfassenden Ausbringungswinkel erstreckt.
3. Düsenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (3a) der Düsenvorrichtung (3) durch ein der Entnahme der Suspension aus dem Bodenteil (1a) dienendes Ablaufgehäuse (2b) hindurchgeführt ist.
4. Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (3a) koaxial im Bodenteil (1a) angeordnet ist.
5. Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführeinrichtung (4) für den Feststoff in eine zwischen dem Ablaufgehäuse (2b) und einer Umwälzpumpe (5) vorgesehene Saugleitung (6a) einmündet.
6. Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Zuleitungsrohr (3a)
v = 2,5 bis 3 m/s,
die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Ringspaltdüse (3c)
v1 = 10 bis 15 m/s, vorzugsweise 14 m/s,
und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrdüse (3d)
v2 = 4 bis 6 m/s, vorzugsweise 5 m/s,
betragen.
v = 2,5 bis 3 m/s,
die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Ringspaltdüse (3c)
v1 = 10 bis 15 m/s, vorzugsweise 14 m/s,
und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrdüse (3d)
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