DE2810045C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen oder pastösen Stoffen in durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher Frequenz - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen oder pastösen Stoffen in durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher FrequenzInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger oder pastöser Stoffe
durch ihre Zerstäubung in durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher Frequenz und eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die auf zahlreichen Anwendungsgebieten, beispielsweise
insbesondere in der chemischen und mikrobiologischen Industrie, eingesetzt werden können.
Die Technik der Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastenartigen Stoffen sowie entsprechender
Vorrichtungen befindet sich in vielen Industrieländern derzeit in stürmischer Entwicklung.
Bei der Entwicklung entsprechender Verfahren und Vorrichtungen stellen sich folgende Probleme:
(1) Vergrößerung des Wirkungsgrads, der bei den herkömmlichen Anlagen noch gering ist, wobei
zugleich eine hohe Qualität des Endprodukts gewährleistet sein soll;
(2) mit der gleichen Vorrichtung verschiedene Stoffe — dünnflüssige wie auch pastöse — trocknen zu
können;
(3) instandhaltung und Betrieb der Trocknungsvorrichtungen zu vereinfachen sowie
(4) den Aufwand an Metall bei den Trocknungsanlagen und demzufolge ihre Herstellungskosten zu senken.
Bereits bekannt sind Verfahren zur Trocknung von flüssigen Stoffen, die darauf beruhen, daß ein in Form
von Tropfen zerstäubtes flüssiges oder fluides System bei der Bewegung in einem abgeschlossenen Raum
aufgrund des unterschiedlichen Partialdrucks der Flüssigkeit an der Oberfläche der Tropfen und im
umgebenden Medium entwässert wird.
Im Vergleich zu anderen Verfahren zur Trocknung von flüssigen Stoffen weist die Zerstäubungstrocknung
die Vorteile der Ausbildung einer sehr großen Oberfläche für den Stoff- und Wärmeübergang
zwischen den Phasen und damit einer hohen Trocknungsgeschwindigkeit auf.
Die Zerstäubungstrocknung erlaubt außerdem, ein gasförmiges Trocknungsmittel mit hoher Temperatur
zu verwenden und den Trocknungsprozeß in Vakuum bzw. in einem Inertgasmedium durchzuführen.
Zur Durchführung dieser Verfahren werden verschiedene Trocknungsvorrichtungen eingesetzt, die mit
Fliehkraft-, mechanischen oder Druckluftzerstäubern versehen sind, wobei als Energieträger ein gasförmiges
Zerstäubungs- und Trockenmittel wie etwa Druckluft, Rauchgase u. dgl. verwendet wird.
Die obengenannten Trocknungsvorrichtungen erfordern spezielle Einrichtungen zur Erzeugung und
Zuführung des jeweiligen Zerstäubungsmittels wie Kompressoren, Luftgebläse u. dgl. sowie Einrichtungen
zum Erwärmen des Trockenmittels wie Kalorifere, Wärmeaustauscher, Feuerungsanlagen u. dgl. Diese
zusätzlichen Einrichtungen führen notwendigerweise zu einem zusätzlichen Energieaufwand beim Trocknen.
Die Trocknungsvorrichtungen weisen außerdem Trocknungskammern und Einrichtungen zur Trennung
des Fertigprodukts vom Trockenmittel auf, was die Abmessungen der Trockner sowie ihre Herstellungskosten
wesentlich erhöht.
Die meisten bekannten Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastösen Stoffen und
entsprechenden Vorrichtungen beruhen auf der Verwendung der Energie stationärer Ströme, in denen die
Relativgeschwindigkeit der Teilchen des zu trocknenden Stoffs gering ist, deren Bewegung zudem nahezu
völlig der Bewegung des gasförmigen Mediums entspricht, was die Effektivität des Verfahrens wesentlich
verringert und einen erhöhten Energieaufwand für die Zerstäubung und Trocknung flüssiger und pastöser
Stoffe erforderlich macht.
Bekannt sind ferner ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung
von flüssigen Stoffen mit einem gasförmigen Trockenmittel hoher Temperatur durch kontinuierliche Änderung
seines Zustands unter Ausbildung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, Einführung eines flüssigen
Stoffs in die Strömung und Wechselwirkung darin; die Vorrichtung weist dabei eine Verbrennungskammer und
einen Rohrstutzen zur Abführung der Verbrennungsprodukte mit einer in seiner Achse angeordneten
Brenndüse zur Zuführung des Ausgangsmaterials auf (vgl. den SU-Urheberschein 157 279, KL B05B 3/18,
1963).
Dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung weisen jedoch ebenfalls bestimmte Nachteile auf,
insbesondere:
Unmöglichkeit des Einsatzes zur Zerstäubungstrocknung
von pastösen Stoffen, da es nicht möglich ist, das zu trocknende Material über den Strömungsquerschnitt
gleichmäßig zu verteilen; nur kurze Vei Teilzeit des
Stoffs im Bereich der Wirkung der schnellen Strömung des Wärmeträgers sowie die Unmöglichkeit, die
Grenztemperatur des gasförmigen Mediums infolge der Rezirkulation des Ausgangsmaterials in den Bereich
hoher Temperaturen und der damit zusammenhängenden thermischen Belastung bzw. des Verderbens des
Endprodukts zu erreichen.
Bekannt sind schließlich ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von pastösen Stoffen im Gegenstrom
eines Hochtemperatur-Trockenmittels sowie eine ent- M sprechende Vorrichtung, die aus koaxial ineinandergebauten
Rohrstutzen besteht, in denen jeweils eine Vorrichtung zur Zuführung des Ausgangsstoffs vorgesehen
ist (vgl. den SU-Urheberschein 348 835,1969).
Dieses Verfahren und die diesbezügliche Vorrichtung ->5
sind aufgrund der Vergrößerung der Verweilzeit des zu trocknenden Stoffs in der Strömung hoher Geschwindigkeit
im Prinzip zum Trocknen von flüssigen und pastösen Stoffen geeignet.
Ihr Nachteil besteht jedoch in der Notwendigkeit, das Zerstäubungsmittel unter einem großen Druck zuzuführen,
was eine Erhöhung des Energieaufwands zur Folge hat. Die Grenztemperatur des Wärmeträgers in dieser
Anlage kann auch hierbei nicht realisiert werden, da das Endprodukt bei Vergrößerung seiner Verweilzeit im
Bereich hoher Temperaturen thermisch zu sehr belastet und daher verdorben wird, was eine Steigerung der
Gewichtsmenge des Trockenmittels, eine Erhöhung des Energieaufwands für seine Abtrennung aus der Vorrichtung
sowie Wärmeverluste durch den verbrauchten Wärmeträger verursacht.
Vom Standpunkt des Energieaufwands ist es vorteilhafter, flüssige und pastöse Stoffe durch periodische
Änderung des Zustands des gasförmigen Zerötäubungsmittels zu zerstäuben und zu trocknen, als he^kömmliehe
Verfahrensweisen etwa durch Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums
wirksamer zu machen, und zur Durchführung dieses Verfahrens einen pulsierenden Strom des Zerstäubungs-
und Trockenmittels zu verwenden. *>o
Aus der US-PS 36 18 655 (1971) sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von
flüssigen und pastösen Stoffen durch ein gasförmiges Trockenmittel mit Hilfe einer periodischen Änderung
seines Zustands durch Stoßwellen bekannt, bei denen der flüssige bzw. pastöse Stoff unter Einwirkung der
Stoßwelle zerstäubt wird; die Vorrichtung weist eine Verbrennungskammer für ein Brennstoff-Luft-Gemisch,
ein mit ihr in Verbindung stehendes Resonanzrohr mit Brenndüse zur Einführung und Zerstäubung des zu
trocknenden Stoffs, eine Vorrichtung zur Abtrennung des Endprodukts vom verbrauchten gasförmigen
Trockenmittel, die je einen Zyklon und einen Rohrstutzen 7ur Abführung des Trockenmittels enthält sowie
eine Trocknungskammer auf, die zwischen dem Zyklon und dem Resonanzrohr angeordnet ist
Da sich die Veränderung des Zustande des gasförmigen
Trockenmittel bei diesem Verfahren durch wesentliche Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit
und unwesentliche Schwankungen des Drucks und der Dichte auszeichnet, ist entsprechend eine
schwache Stoßwelle vorhanden.
Ein derartiges Verfahren der Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe mit einem gasförmigen Trocknungsmittel
unter den obigen Verfahrensparametern und Kenngrößen sowie das Fehlen einer abgestimmten
Zufuhr der zu trocknenden Materialien an der Stelle, an der die Veränderung des Zustands des gasförmigen
Mediums maximal ist, führen letzten Endes zur Entstehung auch großer Teilchen neben kleinen
Partikeln, was ihre weitere Trocknung erschwert
Die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist ebenfalls eine Reihe von
Nachteilen auf:
a) unvollständige Ausnutzung der Energie des zu verbrennenden Brennstoffs, da die bei der Verbrennung
des Brennstoff-Luft-Gemischs entstehende Stoßwelle im Augenblick ihrer Dämpfung zur
Anwendung gelangt, was zur Dissipation beträchtlicher Energiemengen führt;
b) Entstehung von großen Partikeln, deren weitere Trocknung aufgrund der nicht abgestimmten
Zufuhr des Stoffs gegenüber der Änderung der Zustandskeringrößen des gasförmigen Zerstäubungs-
und Trockenmittels demgemäß erschwert ist;
c) niedriger Zerstäubungsgrad und Trocknungsgrad des Stoffs infolge der kontinuierlichen Zufuhr des
Ausgangsstoffs zu dem Zeitpunkt, in dem das gasförmige Zerstäubungsmedium absatzweise erzeugt
wird;
d) kurze Verweilzeit des zerstäubten Stoffs im Resonanzrohr, wo die Wirkungszone der jeweiligen
Stoßwelle liegt, wodurch eine vollständigere Trocknung des Ausgangsmaterials nicht möglich
ist;
e) großes Volumen der Trocknungskammer, was die Pulsationsamplitude des gasförmigen Mediums und
damit die Intensität des Trocknungsprozesses stark verringert;
f) Erzeugung eines wesentlichen Anteils an Schallenergie, deren Dissipation eine vollständige Verwertung
der Energie der verbrannten Brennstoffe unmöglich macht sowie
g) große Abmessungen der Vorrichtung und erhöhte Verluste an Endprodukt zusammen mit dem
verbrauchten Wärmeträger.
Der Erfindung liegt die Autgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile ein
Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen oder pastösen Stoffen der eingangs genannten Art
sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die es ermöglichen, nicht nur den Wirkungsgrad gegenüber
herkömmlichen Vorrichtungen wesentlich zu erhöhen, sondern es zugleich erlauben, in ein und derselben
Vorrichtung verschiedene Ausgangsstoffe wie flüssige oder pastöse Materialien zu trocknen, also den
Anwendungsbereich der Vorrichtung unter gleichzeitiger Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Senkung des
Aufwands an Metallen und Vereinfachung des Aufbaus und des Betriebs sowie der Instandhaltung der
Vorrichtung curch vollständigere Ausnutzung der Energie der verbrannten Brennstoffe zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung in den
Verbrennungsraum an der Stelle der maximal auftretenden Energie der Stoßwellen erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Zerstäubung der Stoffe an der Stelle der maximalen Amplituden der Stoßwellen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Zerstäubung der Stoffe in zwei aufeinander zukommenden
Stoßwellen erfolgt.
Es ist außerdem vorteilhaft, daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung zyklisch synchron zur
Frequenz der Stoßwellen erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger oder pastöser Stoffe gewährleistet
eine optimale Ausnutzung der Energie der verbrannten Brennstoffe, erlaubt eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit
und ermöglicht es, die Trocknung zugleich in einem kleineren Volumen mit minimalem
Energieaufwand durchzuführen.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer
Verbrennungskammer, mit einem Resonanz-Austrittsrohr und einem Zerstäuber für die zu trocknenden
Stoffe, mit dem Kennzeichen, daß der Zerstäuber in der Verbrennungskammer vorgesehen ist.
Dies erlaubt eine vollständigere Ausnutzung der Energie der Stoßwellen.
Zur Erhöhung des Zerstäubungsgrads ist es ferner wünschenswert, daß das Resonanz-Austrittsrohr von
der Verbrennungskammer durch einen perforierten Einsatz getrennt ist. der zur Zufuhr der Stoffe an die
Stelle der maximalen Amplitude der Stoßwellen dient.
Ein solcher Einsatz ermöglicht es, das Ausgangsmaterial während der Pausen zwischen den Stoßwellen an
der Stelle der maximalen Stoßwellenenergie festzuhalten.
Eine besondere Ausgestaltung dieser Vorrichtung sieht vor, daß der Einsatz mit einer Einrichtung zu seiner
Hin- und Herbewegung in einer zur Achse der Verbrennungskammer senkrechten Ebene zur portionsmäßigen
Zufuhr der Stoffe und zu ihrer Verteilung in der zur Ausbreitungsrichtung der Stoßwelle senkrechten
Ebene versehen ist.
Zur Vergrößerung des Zerstäubungsgrads des Ausgangsstoffs
sowie der Gewinnung des Endprodukts aus dem verbrauchten Wärmeträger wird erfindungsgemäß
vorzugsweise im Resonanzrohr hinter dem Einsatz ein Schraubeneinsatz zur Verlängerung der Verweilzeit der
zu trocknenden Stoffe im Wirkungsbereich der Stoßwelle vorgesehen. Dadurch wird ein hoher
Trennungsgrad der Phasen gewährleistet
Bei der Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe mit hoher Viskosität bzw. Gemischen ungleichartiger Stoffe
sowie bei erhöhten Anforderungen an den Gewinnungsgrad des Endprodukts ist erfindungsgemäß zweckmäßigerweise
vorgesehen, daß sie zwei einander entgegengesetzt und gleichachsig angeordnete Verbrennungskammern
aufweist und in den mittels ihrer Rohrwände ineinander übergehenden Resonanz-Austrittsrohren
Schraubeneinsätze vorgesehen sind, die die Ströme zur Verlängerung der Verweilzeit der Stoffe an der Stelle
maximaler frequenzbezogener Stoßwellenenergie in entgegengesetzten Richtungen verwirbeln. Dadurch
werden ein höherer Trennfaktor bei der Phasentrennung sowie eine Vergrößerung der Verweilzeit des
Stoffs an der Stelle der frequenzbezogenen maximalen Energie der Stoßwelle gewährleistet.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Energie der Stoßwellen und demzufolge auch die
Energie des verbrannten Brennstoffs vollständiger ausgenützt, wobei die Zerstäubung zugleich feiner und
gleichmäßiger wird, was es erlaubt, die Trocknung flüssiger oder pastöser Stoffe in einem kleineren
Volumen durchzuführen.
Hinzu kommt, daß Einrichtungen zur Abtrennung des Endprodukts aus dem verbrauchten Wärmeträger
entfallen, was das erfindungsgemäße Verfahren wie auch die entsprechende Vorrichtung erheblich vereinfacht.
Der Einsatz zum Auffangen des zerstäubten Stoffs besteht zweckmäßigerweise aus einem Sieb bzw. aus
Bandelementen geringer Länge, die senkrecht zur Achse der Verbrennungskammer befestigt sind.
Der Schraubeneinsatz weist vorzugsweise einen Winkel der Schraubenlinie auf, der den Kenngrößen der
Stoßwelle entspricht. Je höher der energetische Kennwert der Stoßwelle ist, um so geringer ist dabei der
Neigungswinkel.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert: es zeigt
F i g. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen,
F i g. 2 bis 5 die Funktionsweise der Vorrichtung von F i g. 1 in schematischer Darstellung.
F i g. 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen unter
gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts,
Fig. 7 bis 10 die Funktionsweise der Vorrichtung
nach F i g. 6 in schematischer Darstellung,
Fig. 11 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe.
Fig. 12 bis 15 die Funktionsweise der Vorrichtung von F i g. 11 in schematischer Darstellung.
Fig. 16 eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe unter
gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts sowie
Fig. 17 die Funktionsweise der Vorrichtung von
Fig. 16 in schematischer Darstellung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von
t, die sich auf
a) die Trocknung von flüssigen Stoffen,
b) die Trocknung von flüssigen Stoffen unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts,
c) die Trocknung pastöser Stoffe sowie
d) die Trocknung pastöser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts
beziehen.
Die Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe von F i g. 1 besteht aus einer Pulsationskammer 1
zur Verbrennung, beispielsweise einem modifizierten Schmidt-Rohr, mit mechanischen Ventilen Z die in der
Mündung auf der Seite der Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind. Die Pulsationskammer 1 zur
Verbrennung ist unmittelbar mit einem Resonanz-Austrittsrohr 3 verbunden, das mit einer Trocknungskam-
mer 4 verbunden ist, die die Form eines Zylinders besitzt. Der obere Teil der Trocknungskammer 4 hat die
Form eines Kegelstumpfs und dient der Wiederherstellung des Drucks. Der Unterteil der Trocknungskammer
4 besitzt die Form eines umgekehrten Kegelstumpfs, um am Eintritt des mit ihm verbundenen Zyklons 5 eine
hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen. Der Zyklon 5 endet oben in einem Abzugsrohr 6 und unten
mit einem Sammelbehälter 7 für das Endprodukt. Unmittelbar in der Verbrennungskammer 1 ist im
unteren Teil eine Zerstäuberdüse 8 zur Einführung des Ausgangsmaterials vorgesehen, die ein kühlbares Rohr
darstellt, das der Mündung des Resonanz-Austrittsrohrs 3 zugewandt ist.
Zur Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, eine Stoßwelle zu erzeugen, die bei einer schnellen
Zustandsänderung des gasförmigen Mediums entsteht.
Die Zufuhr des Ausgangsstoffs soll an einer Stelle erfolgen, an der die Stoßwelle maximale energetische
Kennwerte aufweist. Hierunter werden die volle Schwingungsweite eines Drucksprungs (Amplitude)
sowie die Zeitspanne zwischen den Drucksprüngen (Frequenz) verstanden.
Die Stoßwelle entsteht erfindungsgemäß bei der Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen in Pulsations-Verbrennungskammern
als Resultat einer lokalen Explosion des Brennstoffgemischs.
Im Bereich der Explosion entsteht ein hoher Druck, von dem aus sich eine Stoßwelle ausbreitet. Beim
Hindurchgehen durch kaltes Brennstoffgemisch bewirkt die Stoßwelle eine Erhitzung des Gemischs und seine
Entzündung.
Aus diesem Grund folgt der Stoßwellenfront ein Brennbereich, der in Verbindung mit der Stoßwelle eine
Detonationswelle bildet. In der Nähe des Explosionszentrums sind Ausbreitungsgeschwindigkeit und Intensität
der Welle sehr groß; mit steigender Entfernung vom Explosionszentrum wird jedoch die Detonationswelle schwächer, und ihre Geschwindigkeit sinkt ab, so
daß die Ausströmung der Gase aus der Verbrennungskammer mit Schallgeschwindigkeit erfolgt, wobei die
Temperatur mit der der Strömung übereinstimmt und sich die Stoßwelle in eine Schallwelle, d. h. eine
schwache Stoßwelle, mit nicht mehr zu ersetzenden Energieverlusten verwandelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeiten wie folgt:
Der Verbrennungskammer 1 (Fig. 1. 2) wird ein
Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt, wobei die Ventile 2 geöffnet werden; gleichzeitig wird dieser Kammer in
bekannter Weise über eine Dosierpumpe das Ausgangsmaterial durch die Einrichtung 8 zur Zerstäubung des zu
trocknenden Materials in Richtung der Mündung des Austrittsrohrs 3 zugeführt. Damit wird der in F i g. 2
dargestellte Füllzyklus abgeschlossen.
Danach wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in herkömmlicher Weise entzündet, wobei eine starke
Drucksteigerung auftritt und die Ventile 2 (Fig. 1, 3) schließen.
Die Verbrennung führt zur Entstehung von Stoßwellen, die zusammen mit dem Verbrennungsprodukt, dem
gasförmigen Trockenmittel, auf den Ausgangsstoff in der Verbrennungskammer 1 einwirken und ihn zerstäuben.
Der Entzündungs- und Zerstäubungszyklus ist in F i g. 3 erläutert; danach verlassen die Verbrennungsprodukte die Verbrennungskammer 1 (Fig. 1, 4) durch
das Resonanz-Austrittsrohr 3 zusammen mit dem darin verteilten Zerstäubungsprodukt wobei sie in der
Verbrennungskammer 1 einen Unterdruck erzeugen, durch den wiederum die Ventile 2 geöffnet werden und
die Verbrennungskammer 1 mit einer neuen Teilmenge an Brennstoff-Luft-Gemisch und an kontinuierlich
zugeführtem Ausgangsstoff gefüllt wird.
Der Zyklus des wiederholten Füllens und Ausströmens des vorhergehenden Anteils des gasförmigen
Mediums ist in F i g. 4 dargestellt.
Die wiederholte Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemischs
in der Verbrennungskammer 1 (F i g. 1, 5) erfolgt durch die Reste der Verbrennungsprodukte sowie die
erwärmten Kammerwände, was erneut zum Schließen der Ventile 2 und zur Zerstäubung des in der
Verbrennungskammer 1 befindlichen Stoffs führt. Der Zyklus der wiederholten Zündung ist in Fig.5
dargestellt.
Die Zyklen der Füllung und der Zündung folgen mit hoher Frequenz aufeinander, d. h. in sehr kurzen
Zeitabständen. Aus diesem Grund gelingt es dem Ausgangsstoff nicht, während der Pausen aus der
Verbrennungskammer 1 auszutreten, weshalb er ständig in unmittelbarer Nähe der Stelle eingeführt wird, wo die
Stoßwelle ihre Amplitudenkennlinie höchster Energie aufweist.
Das Ausströmen der Verbrennungsprodukte, des gasförmigen Zerstäubungs- und Trockenmittels, ist von
einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch begleitet. Dabei erfolgt die Abführung der Hauptmenge der
Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstoff auch im Austrittsrohr 3 (F ig. 1 bis 5).
Außerdem entstehen im Austrittsrohr 3 aufgrund der intensiven Abkühlung des gasförmigen Mediums Bedingungen
für die Entstehung sekundärer Stoßwellen, da die Wärmeabfuhr nach dem kritischen Querschnitt dem
Modell einer Überschall-Wärmedüse entspricht.
Die Nachtrocknung kann in herkömmlicher Weise in einer Trocknungskammer 4 und die Abtrennung des
Endprodukts aus dem gasförmigen Medium in einem Zyklon 5 erfolgen, aus dem das getrocknete Produkt in
den Sammelbehälter 7 gelangt. Das verbrauchte Trockenmittel wird durch das Abzugsrohr 6 aus der
Vorrichtung abgeführt.
Die Vorrichtung ist für dünnflüssige Stoffe wie echte Lösungen, Suspensionen mit niedriger Konzentration
bzw. Konsistenz u. dgl. anwendbar, wobei das Endprodukt in Form eines Pulvers mit einem geringen
Dispersionsgrad anfällt.
Zur Erzeugung feindispergierter Pulver aus Lösungen und Suspensionen, beispielsweise zur Herstellung von
Farbstoffen, eignet sich die in F i g. 6 dargestellte Vorrichtung mit gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts.
Diese Vorrichtung jcui Zerstäubungstrocknung flüssiger
Stoffe unter gleichzeitiger Entfernung des Endprodukts nach Fig.6 besteht aus folgenden Haupt-Baugruppen:
Als Verbrennungskammer dient eine Pulsations-Verbrennungskammer 9, beispielsweise vom Typ
eines Schmidt-Rohrs, mit in der Mündung der Verbrennungskammer 9 auf der Seite der Zuführung
des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordneten mechanischen Ventilen 10, wobei die Verbrennungskammer 9
unmittelbar mit einem Resonanz-Austrittsrohr 11 verbunden ist. In der Verbrennungskammer 9 ist eine
Einrichtung zur Zerstäubung des zu trocknenden Stoffs in Form einer Brenndüse 12 vorgesehen. Unter der
Brenndüse 12 ist an der Verbindungsstelle der Verbrennungskammer 9 und des Resonanz-Austrittsrohrs
11 ein Einsatz 13 angeordnet Im Resonanz-Aus-
trittsrohr 11 ist ferner unter dem Einsatz 13 und in einem
Abstand davon ein Schraubeneinsatz 14 vorgesehen, hinter dem sich ein Rohrstutzen 15 zur Abführung des
verbrauchten Trockenmittels anschließt, der innerhalb des Resonanz-Austrittsrohrs 11 koaxial dazu angeordnet
ist. Das Resonanz-Ausirittsrohr 11 endet in einem Rohrstutzen 16 zur Abführung des Endprodukts.
Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung flüssiger und thixotroper pastöser Stoffe
unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts sowie die Funktionsweise der entsprechenden Vorrichtung
sind wie folgt:
Der Verbrennungskammer 9 (Fig.6, 7) wird durch
die Ventile 10 ein Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Gleichzeitig damit wird in herkömmlicher Weise über
eine (nicht dargestellte) Dosierpumpe durch die Brenndüse 12 Ausgangsstoff von einer groben Vorzerstäubung,
die für eine gleichmäßige Verteilung des Ausgangsstoffs am Einsatz 13 erforderlich ist, in die
Verbrennungskammer 9 eingeführt. Damit ist der Füllzyklus abgeschlossen.
Danach wird das Gemisch in beliebiger, herkömmlicher Weise gezündet, wonach sich das Ventil 10 (F i g. 6,
8) schließt und dadurch die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs unterbricht. Bei der Verbrennung des
Brennstoff-Luft-Gemischs werden Bedingungen für die Entstehung einer Detonation sowie von Stoßwellen
geschaffen.
Die Länge des Vordetonationsabschnitts, d. h. der Abstand vom Zündungspunkt bis zur Stelle der
Entstehung der Detonation, wird durch den räumlichen Abstand bestimmt, der zur Ausbildung einer Grenzschicht
und zur Gasverwirbelung in der Kontraktionswelle erforderlich ist. Aus diesem Grund wird der
perforierte Einsatz 13 an der Stelle der Entstehung einer Stoßwelle vorgesehen, an der diese ihren maximalen
Amplitudenwert und damit höchste Energie besitzt. Die Stoßwelle wirkt auf den Ausgangsstoff ein, der sich am
Einsatz 13 befindet, und führt zu seiner Zerstäubung. Gleichzeitig mit der Zerstäubung beginnt auch die
Trocknung.
Der Zyklus der Wechselwirkung des Ausgangsstoffs mit dem gasförmigen Medium, also der Prozeß der
Zerstäubung sowie der Trocknung, erfolgt entsprechend bei maximaler Amplitude sowie synchron mit der
Entstehung der Stoßwelle, da der Ausgangsstoff während der Pause zwischen den Stoßwellen am
Einsatz 13 zurückgehalten wird.
Nach dem Zyklus der Wechselwirkung mit dem Ausgangsstoff entsteht aufgrund der kinetischen Energie
der Verbrennungsprodukte, die die Verbrennungskammer 9 (F i g. 6, 9) durch das Resonanz-Austrittsrohr
11 verlassen, in der Verbrennungskammer 9 Unterdruck, wodurch die Ventile 10 öffnen und die
Verbrennungskammer 9 mit der nächsten Teilmenge des Brennstoff-Luft-Gemischs und der Einsatz 13 mit
der nächsten Teilmenge des Ausgangsstoffs gefüllt werden, der durch die Brenndüse 12 kontinuierlich
zugeführt wird. Die Füllzyklen wiederholen sich in der beschriebenen Art
Danach folgt der sich wiederholende Zyklus der Zündung der Reste der Verbrennungsprodukte, wobei
eine nächste Stoßwelle entsteht Der Zyklus der wiederholten Zündung und der Wechselwirkung zwischen
der Stoßwelle und dem Ausgangsstoff ist in Fig. 10 dargestellt
Die obengenannten Zyklen folgen mit hoher Frequenz, d. h. in sehr kurzen Zehabständen, aufeinander.
wodurch es dem Ausgangsstoff nicht gelingt, die Verbrennungskammer 9 wähernd einer Pause zu
verlassen.
Da das Resonanz-Austrittsrohr 11 (Fig.9) mit dem
Schraubeneinsatz 14 versehen ist, erfährt der Gasstrom eine Drehbewegung, wodurch die Bewegungsrichtung
des zerstäubten Stoffs verändert und dieser zwangsweise zur Wand des Resonanz-Austrittsrohrs 11 hin bewegt
wird, wodurch eine Trennungswirkung auftritt. Der zerstäubte Ausgangsstoff verlangsamt dabei seine
Geschwindigkeit, was die Verweilzeit des Stoffs im Wirkungsbereich der Stoßwelle vergrößert. Die Fortbewegung
des Stoffs ist gleichzeitig von einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch begleitet, was die Abfüh-
!■> rung der Hauptmenge an Feuchtigkeit aus dem
Ausgangsstoff begünstigt.
Die Nachtrocknung des Stoffs sowie seine Abtrennung aus dem Trockenmittel erfolgen bei hohem
Trennungsfaktor in der Verwirbelungszone, die durch die Wandungen des Resonanz-Austrittsrohrs 11(Fi g. 6)
und durch den in ihrer Achse angeordneten Rohrstutzen 15 zur Abführung des verbrauchten Trockenmittels
hervorgerufen wird. Die Abführung des Endprodukts aus der Vorrichtung erfolgt durch den Rohrstutzen 16.
Zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe mit hoher Viskosität bzw. von Gemischen verschiedenartiger
pastöser Stoffe, die schwer zu fördern oder transportieren sind, eignet sich insbesondere die
Vorrichtung nach Fig. 11, mit der sich das erfindungs-
i(l gemäße Verfahren in derartigen Fällen günstig durchführen
läßt.
Die Vorrichtung von F i g. 11 zur Zerstäubungstrocknung
pastöser Stoffe weist folgende Haupt-Baugruppen auf: Als Verbrennungskammer dient eine Pulsations-Verbrennungskammer
9 mit mechanischen Ventilen 10, die in der Mündung der Verbrennungskammer 9 auf der
Seite der Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind, wobei die Verbrennungskammer 9
unmittelbar mit einem Resonanz-Austrittsrohr 11 verbunden ist. Im Resonanz-Austrittsrohr 11 ist an der
Verbindungsstelle mit der Verbrennungskammer 9 ein perforierter Einsatz 17 vorgesehen, der mit einer
Einrichtung 18 zur Zuführung des jeweiligen pastösen Ausgangsstoffs und einer Einrichtung 19 zur Erzeugung
einer hin- und hergehenden bzw. einer Drehbewegung versehen ist. Das Resonanz-Austrittsrohr 11 ist mit
einer Trocknungskammer 20 verbunden. Der obere Teil der Trocknungskammer 20 weist zur Wiedererhöhung
des Drucks die Form eines Kegelstumpfs auf, während der untere Teil der Trocknungskammer 20 zur
Erzeugung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt des mit der Trocknungskammer 20 verbundenen
Zyklons 21 umgekehrte Kegelstumpfform besitzt Der Zyklon 21 endet oben in einem Abzugsrohr 22 und
unten in einem Sammelbehälter 23 für das Endprodukt
Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe sowie die Funktionsweise der
entsprechenden Vorrichtung sind, wie folgt:
Der Verbrennungskammer 9 (F i g. 12) wird durch die Ventile 10 das Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt
Gleichzeitig damit wird aisf den Einsatz 17, der für diese Zeit aus der Verbrennungskammer 9 durch die
Vorrichtung 19 herausgeführt wird, der jeweilige pastöse Ausgangsstoff mit Hilfe der Einrichtung zur
Zuführung des Ausgangsstoffs, der Ausgabevorrichtung 18, aufgebracht Damit ist der Füllzyklus abgeschlossen.
Danach wird das Gemisch in herkömmlicher Weise, z. B. mit Hilfe einer Zündkerze, gezündet worauf sich
die Ventile 10 schließen und die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs
unterbrechen.
Bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs werden Bedingungen zur Entstehung einer Detonation
sowie von Stoßwellen geschaffen. Die Ausdehnung des Vordetonationsabschnitts, d. h. der Abstand vom Zündungspunkt
bis zur Stelle der Entstehung der Detonation, wird durch den räumlichen Abstand bestimmt, der
zur Ausbildung einer Grenzschicht sowie zur Gasverwirbelung in der Kontraktionswelle erforderlich ist. Aus
diesem Grund wird der perforierte Einsatz 17 (Fig. 13)
an der Stelle der Entstehung der Stoßwelle eingesetzt, die ihrer maximalen Amplitude und damit höchsten
Energie entspricht; durch die Wirkung der Stoßwelle wird der am Einsatz 17 befindliche Ausgangsstoff
zerstäubt, wobei zugleich mit der Zerstäubung auch seine Trocknung beginnt. Es erfolgt also der Zyklus der
Wechselwirkung des Ausgangsstoffs mit der Stoßwelle, d. h. der Zerstäubungszyklus.
Der Zyklus der Wechselwirkung des Ausgangsstoffs mit dem gasförmigen Medium erfolgt bei maximaler
Amplitude und synchron mit der Entstehung der Stoßwelle, da die jeweilige Teilmenge des Ausgangsstoffs
auf den Einsatz 17 aufgetragen und während einer Pause zwischen den Stoßwellen in die Verbrennungskammer
9 eingeführt wird.
Nach dem Zyklus der Wechselwirkung entsteht aufgrund der kinetischen Energie der Verbrennungsprodukte in der Verbrennungskammer 9 (Fig. 14)
Unterdruck, wodurch die Ventile 10 öffnen und die Verbrennungskammer 9 mit der nächsten Teilmenge
des Brennstoff-Luft-Gemischs gefüllt wird; der Einsatz 17 wird aus der Verbrennungskammer 9 herausgeführt
und mit der nächsten Teilmenge des Ausgangsstoffs gefüllt, wodurch der Füllzyklus wiederholt wird. Danach
wird nach der Einführung des Einsatzes 17 (F i g. 11,15)
in die Verbrennungskammer 9 das Gemisch wiederholt gezündet, wodurch der Zyklus der wiederholten
Zündung und der Wechselwirkung der Stoßwelle mit dem Ausgangsstoff abläuft.
Die obengenannten Zyklen folgen mit regelbarer Frequenz aufeinander, die unmittelbar mit der Häufigkeit
der Einführung des Einsatzes 17 in die Verbrennungskammer 9 verknüpft ist.
Die Bewegung des Stoffs im Resonanz-Austrittsrohr 11 ist von einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch
begleitet, was die Abführung der Hauptmenge an Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstoff begünstigt.
Die Nachtrocknung des Stoffs sowie seine Abtrennung aus dem Trockenmittel erfolgen in der Trocknungskammer
20 (Fig. 11) und im Zyklon 21. Das verbrauchte Trockenmittel wird durch das Abzugsrohr
22 abgeführt und das Fertigprodukt im Sammelbehälter
23 gesammelt
In den Fällen, in denen ein Produkt mit niedriger Restfeuchtigkeit erzeugt werden soll oder der Ausgangsstoff
schwer entfernbare, gebundene Feuchtigkeit enthält und zugleich ein hoher Reinigungsgrad des
verbrauchten Wärmeträgers gefordert ist, ist die in Fig. 16 schematisch dargestellte Vorrichtung günstig
einsetzbar.
Die Vorrichtung von F i g. 16 zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung
des Endprodukts besitzt folgende Haupt-Baugruppen:
Als Verbrennungskammer dienen zwei Pulsations-Verbrennungskammern
25 wie z. B. Schmidt-Rohre mit mechanischen Ventilen 26, die in den Mündungen der
Verbrennungskammern 25 auf der Seite der Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind, wobei
die Verbrennungskammern 25 unmittelbar mit Resonanz-Austrittsrohren 27 verbunden sind, die ebenfalls
gleichachsig einander entgegengesetzt vorgesehen sind.
' Innerhalb jeder der Verbrennungskammern 25 sind Brenndüsen 28 zur Zerstäubung des Ausgangsstoffs
vorgesehen. Unter den Brenndüsen 28 befinden sich Einsätze 29 an der Verbindungsstelle der Verbrennungskammern
25 und des Resonanz-Austrittsrohres
in 27. Außerdem sind in den Resonanz-Austrittsrohren 27
etwas tiefer unter den Einsätzen 29 und in einem Abstand davon Schraubeneinsätze 30 vorgesehen.
Hinter dem Schraubeneinsatz 30 einer der Verbrennungskammern 25 befindet sich ein Rohrstutzen 31 zur
ιΓ) Abführung des verbrauchten Trockenmittels, hinter
dem Schraubeneinsatz 30 der anderen Verbrennungskammer ein Rohrstutzen 32 zur Abführung des
Endprodukts.
Die Abschnitte der Austrittsrohre 27, die hinter den
Die Abschnitte der Austrittsrohre 27, die hinter den
2ü Schraubeneinsätzen 30 liegen, bilden eine Verwirbelungskammer
33.
Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung pastöcer Stoffe, die schwer entfernbare
Feuchtigkeit enthalten, unter gleichzeitiger Gewinnung
2Ί des Endprodukts sowie die Funktionsweise der diesbezüglichen
Vorrichtung sind, wie folgt:
Der Ausgangsstoff wird in zwei Ströme aufgeteilt und durch die Brenndüse 28 auf die Einsätze 29 aufgebracht,
wodurch die Zuführung des Stoffs an der Stelle maximaler Amplitude und damit maximaler Energie der
Stoßwelle gesichert wird. Die Funktionsweise sowie die Abfolge der Zyklen entsprechen dabei völlig den
Angaben zu F i g. 6 sowie den schematischep. Darstellungen der F i g. 7 bis 10.
J5 Bei der Trocknung von Stoffen, die gebundene
Feuchtigkeit enthalten, werden jedoch erfindungsgemäß vorzugsweise zwei Gegenstoßwellen sowie die
Vorrichtung gemäß Fig. 16 eingesetzt, um eine vollständige Trocknung des Ausgangsstoffs infolge der
Durchführung der endgültigen Trocknung im Bereich der frequenzbezogen maximalen Stoßwellenenergie,
d. h. an der Stelle des Aufeinandertreffens der beiden Stoßwellen, zu gewährleisten.
Die Vorrichtung nach Fig. 16 erlaubt die Überlagerung
zweier Stoßwellen in der Verwirbelungszone 33 und eine Erhöhung der Frequenz der darin resultierenden
Stoßwelle, wodurch der Prozeß der endgültigen Trocknung des Stoffs intensiviert wird. Die Additionswirkung der Schwingungen ist in F i g. 17 dargestellt
Gleichzeitig mit der endgültigen Trocknung erfolgt die Isolierung des Endprodukts in der Verwirbelungszone
33 (Fig. 16) aufgrund der in den verwirbelten Gegenströmen eintretenden Trennwirkung. Das Endprodukt
wird durch den Rohrstutzen 32, das verbrauchte Trockenmittel durch den Rohrstutzen 31 abgeführt
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aus folgenden Gründen besonders wirtschaftlich:
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die mittlere Teilchengröße gegenüber der herkömmlichen Zerstäubungstrocknung
bei gleichem Gewichtsverhältnis von Ausgangsstoff und gasförmigem Medium von 1 :1
zweifach kleiner. Die Vergrößerung der Teilchengröße auf das 2- bis 5fache kann einer Verringerung der
Außenabmessungen der Trocknungskammer um das 4-bis 25fache gleichgestellt werden, was durch die
Verringerung der Wegstrecke eines Teilchens bis zur vollständigen Trocknung verursacht ist
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es
ferner, höhere Temperaturen des gasförmigen Mediums zu realisieren, wodurch sich der Brennstoffverbrauch
um 10 bis 50% verringern läßt
Die erfindungsgem?ee Vorrichtung gestattet es, die
Prozesse der Zerstäubung sowie der Trocknung des jeweiligen Stoffs durch vollständige Ausnutzung der
den Schwankungen der Zustandskennwerte des gasförmigen Mittels proportionalen Energie der Stoßwelle —
der Mach-Zahl — in einer auflaufenden Strömung zu
intensivieren. Aus diesem Grund erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Erhöhung der Intensität der
Zerstäubungstrocknung um das 10- und Mehrfache gegenüber der beispielhaft beschriebenen schematisierten
Vorrichtung. Die Abmessungen der Vorrichtung können dementsprechend 10- und mehrfach kleiner sein,
wodurch sich die Herstellungs- und Betriebskosten entsprechend senken lassen.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger oder pastöser Stoffe durch ihre Zerstäubung in
durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher Frequenz, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung in den Verbrennungsraum an der Stelle der maximal
auftretenden Energie der Stoßwellen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung der Stoffe an der
Stelle der maximalen Amplituden der Stoßwellen erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung der Stoffe in zwei
aufeinander zukommenden Stoßwellen an der Stelle ihres Zusammentreffens erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabe der Stoffe
zu ihrer Zerstäubung zyklisch synchron zur Frequenz der Stoßwellen erfolgt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer
Verbrennungskammer, mit einem Resonanz-Austrittsrohr und einem Zerstäuber für die zu
trocknenden Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuber (8; 12; 17; 28) in der Verbrennungskammer
(1;9; 9; 25) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanz-Austrittsrohr (11; 11;
27) von der Verbrennungskammer (9; 9; 25) durch einen perforierten Einsatz (13; 17; 29) getrennt ist,
der zur Zufuhr der Stoffe an die Stelle der maximalen Amplitude der Stoßwellen dient.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (17) mit einer Einrichtung
(19) zu seiner Hin- und Herbewegung in einer zur Achse der Verbrennungskammer (9) senkrechten
Ebene zur portionsmäßigen Zufuhr der Stoffe und zu ihrer Verteilung in der zur Ausbreitungsrichtung der
Stoßwelle senkrechten Ebene versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonanz-Austrittsrohr (U) hinter
dem Einsatz (13) ein Schraubeneinsatz (14) zur Verlängerung der Verweilzeit der zu trocknenden
Stoffe im Wirkungsbereich der Stoßwelle vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß sie zwei einander entgegengesetzt und gleichachsig angeordnete Verbrennungskammern
(25) aufweist und in den mittels ihrer Rohrwände ineinander übergehende Resonanz-Austrittsrohren
(27) Schraubeneinsätze (30) vorgesehen sind, die die Ströme zur Verlängerung der
Verweilzeit der Stoffe an der Stelle maximaler frequenzbezogener Stoßwellenenergie in entgegengesetzten
Richtungen verwirbeln.
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