BR112018076481B1 - Processo para aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização, processo para controle do aquecimento e instalação configurada para realização do processo - Google Patents

Processo para aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização, processo para controle do aquecimento e instalação configurada para realização do processo Download PDF

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Abstract

A invenção refere-se a um processo para o aquecimento de um concentrado (K) em uma instalação para secagem por pulverização (100) de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 e a uma instalação (100) para sua realização. O processo e a instalação para sua realização, com um aumento econômico do rendimento da torre de secagem, devem impedir a tendência à desnaturação do concentrado e a formação de depósitos do mesmo e nesse caso garantir um produto final microbiologicamente correto. Isto é alcançado com um processo que está caracterizado, entre outras coisas, pela sequência das seguintes etapas (b) e (c): (b) aquecimento de alta pressão (H) do concentrado (K) no nível de alta pressão (p2) para uma temperatura de pulverização elevada (T3), a qual fica na faixa de 75 a 80°C, por meio de um trocador de calor de alta pressão (18), que, no lado secundário, está solicitado com um meio de portador de calor (W) e que está configurado como trocador de calor de feixe de tubos com uma pluralidade de tubos internos banhados paralelamente pelo concentrado (K), os quais são circulares e estão dispostos em um único círculo e juntos configuram um canal interno, (c) esforço de cisalhamento (S) do concentrado (K) durante (...).

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A invenção refere-se a um processo para o aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização, especialmente para concentrados sensíveis à temperatura e a uma instalação para realização do processo. A invenção se refere ainda a um processo para controle do aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização. Por "concentrados sensíveis à temperatura" deve-se entender especialmente concentrados que apresentem um alto teor de proteína e de substâncias secas e pouca água, os quais se desnaturam facilmente e são processados em um produto final livre de germes no decurso da secagem por pulverização sob condições assépticas.
ESTADO DA TÉCNICA
[002] A produção de produtos alimentícios em pó, especialmente produtos de laticínio, como por exemplo, alimentos facilmente solúveis, ocorre, em muitos casos, através de secagem por atomização ou pulverização em uma chamada torre de secagem. Aí um produto concentrado previamente a um determinado teor de substância seca em um vaporizador ou evaporador e em seguida aquecido em um aquecedor a uma temperatura definida; depois designado como concentrado, pulverizado em um fluxo de ar quente através de discos ou, como no presente caso preferido, através de bocais, especialmente bocais de micropropelente. A esses chamados bocais de pulverização pressurizada o concentrado que sai do aquecedor é alimentado por meio de uma bomba de pistão de alta pressão, uma chamada bomba de bocais, com uma pressão que pode alcançar, no máximo, 35000 kPa (350 bar).
[003] A estática das torres secadoras, via de regra, não é suficiente para portar a pesada bomba de pistão de alta pressão e para instalá-la na proximidade imediata de bocais de pulverizador pressurizado, o que seria desejável por razões tecnológicas e de técnica de processos. Uma bomba de pistão de alta pressão disposta na proximidade dos bocais de pulverizador pressurizado funcionaria, nessa região, chamada espaço quente no espaço de cabeça da torre de secagem, a temperaturas ambientes chegam a 75 - 80 °C e exigiria uma construção asséptica. Não seria possível mais desativação térmica de micro-organismos.
[004] Pelas razões mencionadas acima, a bomba de pistão de alta pressão é disposta até agora na região inferior da torre de secagem. Uma diferença de altura significante entre a bomba de pistão de alta pressão e os bocais de pulverizador pressurizado faria ponte em um tubo de subida, o qual funciona de acordo com um plano ou forçosamente como trecho de manutenção de calor.
[005] Para garantir um armazenamento do produto alimentício tão longo quanto possível e higienicamente correto, o produto final tem que apresentar uma boa solubilidade e estar tão livre de germes quanto possível. A ausência de germes ou esterilidade necessária resulta através da destruição de micro-organismos tanto quanto possível para o concentrado que sai do aquecedor, quando o concentrado é conduzido a um curso adequado de temperatura e tempo de parada e se o tubo de subida para os bocais de pulverizador pressurizado, que funciona como trecho de manutenção de calor, for levado em consideração. Para a produção do chamado "low heat pulver" (pó de baixo calor) é necessária uma temperatura de, no máximo 77 °C; do chamado "high heat pulver" (pó de alto calor) de cerca de 85 °C; e do chamado "ultra high heat pulver" (pó de calor ultraelevado) de até 125 °C.
[006] O tempo de permanência médio obrigatório do concentrado no tubo de subida após o tratamento de alta pressão precedente em ligação com uma alta temperatura influencia a solubilidade do produto final de maneira indesejável. Além disso, a longa manutenção de calor no tubo de subida leva a uma desnaturação do concentrado. Assim, por exemplo, o tempo de permanência médio do concentrado é de 42 segundos, se ele for transportado em um tubo de subida de 30 m de comprimento com um diâmetro DN50 e com um fluxo de volume de 5.000 litros/h. Via de regra, isto significa também uma redução da qualidade do produto final. Uma desnaturação neste sentido pode influenciar, por exemplo, a qualidade do pó de "babyfood" de tal modo, que toda a sua solubilidade não está mais garantida e assim ocorre uma formação de pequenos grumos inaceitável no alimento preparado para bebês. Além disso, o tempo de permanência longo a altas temperaturas leva a reações à formação de incrustações, o chamado "product-fouling", nas paredes do tubo de subida e nos bocais de pulverizador pressurizado, pelo que o tempo de produção para uma carga de concentrado pré-colocada se prolonga de maneira indesejável.
[007] Assim, por exemplo, no caso de concentrados de leite a temperatura no tubo de subida e, consequentemente, até os bocais de pulverizador pressurizado, não pode ser superior a 65 °C para evitar processos de cristalização na lactose. Portanto, o tubo de subida limita a temperatura aí permissível.
[008] É conhecida uma melhora do status microbacteriano do concentrado antes do vaporizador, por exemplo, através de esterilização por meio de microfiltração; é cara, mas melhora o status microbacteriano do produto final.
[009] A esterilização necessária até a entrada nos bocais de pulverizador pressurizado pode ser prejudicada também através da bomba de pistão de alta pressão, uma vez que esta pode não transportar o concentrado em condições assépticas com gasto técnico justificável. Entretanto, condições de transporte assépticas exigem um gasto técnico considerável, o qual, via de regra, não será nem poderá ser praticado. Acima do pistão da bomba de pistão de alta pressão germes podem ser levados do ar circundante para o concentrado, de modo que aí ocorre uma reinfecção. O produto final em forma de pó pode estar contaminado e a contaminação aumentará em função do tempo com o desenvolvimento da umidade residual que permanece notoriamente no produto final.
[0010] Um transporte asséptico do produto de partida líquido que sai do aquecedor, de acordo com o estado da técnica, só é possível com elevado gasto técnico na bomba de pistão de alta pressão disposta a jusante.
[0011] As instalações conhecidas para secagem por pulverização, nas quais ocorre um aquecimento a baixa pressão e elevação de pressão seguinte na região do pé da torre de secagem a, no máximo, 35000 kPa (350 bar) e um transporte do concentrado através de um tubo de subida até os bocais de pulverizador de alta pressão, apresentam as seguintes desvantagens: • o tubo de subida atua como uma extensão de permanecia tecnologicamente não desejada em si e um retentor de calor; • o tempo de permanência reduz forçosamente a temperatura de entrada nos bocais de pulverização pressurizada • através do tempo de permanência um aumento de viscosidade não desejado (efeito de gelificação); • o estado do concentrado sensível à temperatura não está claramente definido antes dos bocais de pulverizador de alta pressão, porque a permanência no tubo de subida não pode ser definida claramente; • através o tempo de permanência em ligação com a retenção de calor ocorre a desnaturação do concentrado, a qual implica depósitos de concentrado aumentados; • resulta uma menor vida útil da instalação, a qual assim tem que ser limpa com mais frequência; • a bomba de pistão de alta pressão teria que funcionar estéril, isto é, o concentrado tem que ser tratado assepticamente através da bomba, o que está ligado a altos custos; • bombas de pistão de alta pressão que não funcionam assepticamente levam a um produto final muito contaminado; • através da temperatura relativamente baixa antes dos bocais de pulverizador pressurizado resulta um rendimento reduzido da torre de secagem.
[0012] Para alcançar a esterilidade necessária do concentrado líquido que sai da bomba de pistão de alta pressão sob alta pressão, poderia ser previsto um aquecimento adequado desse concentrado sob alta pressão a caminho dos bocais de pulverizador pressurizado. Esse aquecimento sob alta pressão poderia ocorrer imediatamente antes dos bocais de pulverizador pressurizado, pelo que a temperatura no tubo de subida poderia ser reduzida a um nível não crítico. Esta disposição permitiria ainda a operação de uma bomba de pistão de alta pressão que não transporte assepticamente, ao pé da torre de secagem. Neste contexto, já foi proposto realizar o aquecimento sob alta pressão em um monotubo em espiral suficientemente resistente à pressão, o qual é solicitado com vapor por fora para o aquecimento. Esta proposta, porém, não leva ao objetivo desejado, uma vez que não está garantido nenhuma entrada de calor regular através do lado externo e através de toda a extensão do monotubo e, consequentemente, não está garantida permanência igual para todas as partes do concentrado que flui no monotubo.
[0013] Um trocador de calor em forma de um monotubo é conhecido também do documento US 3072486 A. Este documento descreve a preparação de leite em pó solúvel em uma instalação para secagem por pulverização. Um concentrado de leite desnatado ou leite integral é pré-aquecido em um dispositivo de aquecimento a uma temperatura entre cerca de 40 °C e 49 °C, em seguida alimentado a um misturador por meio de uma bomba de deslocamento e aí espumado com alimentação de um gás para formar uma espuma estável. A espuma é retirada do misturador através de uma tubulação, alimentada a uma bomba de alta pressão, sofre aí uma elevação de pressão até, por exemplo, carca de 10300 kPa (103 bar) e sai para um secador de pulverização em uma cabaça de pulverização, a qual está ligada à bomba de alta pressão através da tubulação. Um trecho terminal da tubulação que desemboca na cabeça de pulverização está circundado por um tubo de diâmetro maior, o qual alimenta gás aquecido a uma temperatura de cerca de 232 em um forno à cabeça de pulverização com uma temperatura entre cerca de 82 °C e 84 °C. O trecho terminal da tubulação que transporta a espuma representa, assim, um monotubo aquecido com um gás por fora.
[0014] Um trocador de calor, que preenche os requisitos de acordo com uma entrada de calor suficientemente uniforme e de acordo com uma permanência aproximadamente igual para todas as partes do concentrado em baixo nível de pressão seria basicamente um trocador de calor de feixe de tubos, o qual, em princípio, poderia substituir o monotubo mencionado anteriormente. A construção básica de um trocador de calor de feixe de tubos neste sentido está descrita, por exemplo, no documento DE 9403913 U1. O documento DE 102005059463 A1 divulga igualmente um trocador de calor de feixe de tubos para um baixo nível de pressão e mostra, além disso, como uma pluralidade de feixes de tubo podem ser dispostos paralelamente nesse trocador de calor e ligados em série de modo fluido por meio de arcos de ligação ou guarnições de ligação. Uma disposição neste sentido é mostrada na figura 1 desse documento (estado da técnica).
[0015] Embora nesse meio tempo um tubo recurvado ou uma guarnição de ligação para pressões de produto de até 35000 kPa (350 bar) para ligação dos feixes de tubos em um trocador de calor de feixe de tubos esteja disponível (DE 102014012279 A1), sendo que o trocador de calor de feixe de tubos conhecido (DE 9403913 U1; DE 102005059463 A1) não é apropriado para este nível de pressão, o problema de técnica de processos não está solucionado, o qual consiste em submeter um concentrado, para secagem por pulverização antes dos bocais de pulverizador pressurizado, a um tratamento em que a desnaturação do concentrado e a armazenagem do produto é evitada e um produto final esterilizado, isto é, microbiologicamente perfeito é garantido.
[0016] O objetivo da presente invenção consiste, portanto, em superar as desvantagens do estado da técnica e prover um processo para aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização do tipo mencionado inicialmente e uma instalação para realização do processo, os quais, no caso de um aumento econômico do rendimento da torre de secagem, impedem a tendência para desnaturação do concentrado e para depósitos e garantir um produto terminal microbiologicamente perfeito.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0017] Este objetivo é alcançado através de um processo com as características da presente invenção. Configurações vantajosas do processo são objeto das concretizações. Uma instalação para realização do processo é indicada com as características da presente invenção. Configurações vantajosas das instalações de acordo com a invenção são objeto das concretizações. Um processo para controle do aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização é objeto da presente invenção.
[0018] O processo de acordo com a invenção não parte de qualquer estado da técnica; para a produção de um produto final estéril ele não requer nenhuma bomba de pistão de alta pressão que funcione assepticamente, e ele está caracterizado através da sequência das seguintes etapas (a) a (d): (a) elevação de pressão P do concentrado K, partindo do nível de baixa pressão p1 e de uma temperatura de circulação T1, para um nível de alta pressão p2, (b) aquecimento de alta pressão H do concentrado K no nível de alta pressão p2 para uma temperatura de pulverização elevada T3, a qual fica na faixa de 75 a 80 °C, por meio de um trocador de calor de alta pressão, o qual, no lado secundário, está solicitado com um meio portador de calor W e que está configurado como trocador de calor de feixe de tubos com uma pluralidade de tubos internos percorridos paralelamente pelo concentrado K, os quais juntos configuram um canal interno, (c) esforço de cisalhamento definido S do concentrado K durante ou imediatamente após o tratamento de acordo com a etapa (b) com meios que consistem em um canal no lado de saída em forma de espaço anular, o qual, visto na direção de fluxo, se conecta ao canal interno e que apresenta um comprimento de extensão definido e um curso definido de suas seções transversais de passagem de canal dependente do comprimento, (d) em seguida transferência imediata Ü do concentrado tratado de acordo com a etapa (c) para o local de sua pulverização pressurizada DZ, sendo que um tempo de transferência Δt para a transferência imediata Ü está determinado através de um distanciamento atuante por técnica de fluidos mínimo possível entre os meios para realização da etapa (c) e o local da pulverização pressurizada DZ.
[0020] No processo o aquecimento do concentrado a uma temperatura de pulverização elevada é realizado em uma etapa no nível de alta pressão, depois que o concentrado foi submetido inicialmente a uma elevação de pressão de um nível de baixa pressão para um nível de alta pressão.
[0021] No processo uma ideia básica inventiva essencial consiste em que o concentrado, durante o aquecimento de alta pressão ou imediatamente após o aquecimento de alta pressão para a alta pressão, é submetido a um esforço de cisalhamento definido. Por "esforço de cisalhamento definido" deve-se entender uma solicitação de mecânica de fluidos do concentrado, a qual exerce forças de cisalhamento sobre o concentrado. Estas forças de cisalhamento estão determinadas através de um comprimento de extensão definido e um curso definido de um canal do lado de saída em forma de espaço anular, dependente do comprimento, que o concentrado tem que percorrer, e podem ser adaptadas aos respectivos requisitos do concentrado (formulação) através da configuração geométrica da configuração geométrica desse canal.
[0022] Depois disso ocorre uma transferência imediata do concentrado para o local de sua pulverização pressurizada. O tempo de transferência para esta transferência imediata é fixado tão curto quanto possível. Tão curto quanto possível significa concretamente que os meios para o aquecimento de alta pressão, os quais preferivelmente incluem os meios para o esforço de cisalhamento, recebem um distanciamento atuante em técnica de fluidos mínimo possível em relação ao local da pulverização pressurizada, os bocais de pulverização pressurizada. Preferivelmente os meios para esforço de cisalhamento desembocam diretamente nos bocais de pulverização pressurizada. Por "um distanciamento atuante em técnica de fluidos" deve-se entender, neste contexto, a trajetória de fluxo realmente percorrida pelo concentrado.
[0023] Com o aquecimento de alta pressão de acordo com a invenção a manutenção de calor desvantajosa a ser tolerada no estado da técnica até agora é quase cortado e consegue-se definir, imediatamente antes dos bocais de pulverização pressurizada, o aquecimento ou fixar de maneira reproduzível o tratamento térmico. Cargas térmicas desejadas podem ser ajustadas de modo definido, em função do concentrado e com adaptação ao mesmo, ao fluxo de massa e aos materiais de volume. Além disso, é possível também uma desnaturação controlada do concentrado com vistas ao produto final desejado, ajustando-se temperatura e tempo de permanência quando do aquecimento de alta pressão. Assim, por exemplo, alcança-se uma melhora microbiológica eficaz do produto final ou um intumescimento de albumina ou amido.
[0024] Através da temperatura mais baixa no tubo de subida e do tempo de permanência mais curto com alta temperatura durante o aquecimento de alta pressão, o aumento de viscosidade no concentrado, o chamado efeito de gelificação, condicionado através de processos de cristalização e/ou de propriedades específicas de produto, é menor do que no processo conhecido. Este efeito de gelificação é reduzido tendencialmente, por um lado, através do esforço de cisalhamento definido e, por outro lado, o efeito de gelificação é padronizado, pelo que os bocais de pulverização pressurizada só são colados muito mais tarde, através da formação de incrustação. Assim tempos de limpeza e readaptação são reduzidos.
[0025] Outra vantagem através das medidas de acordo com a invenção consiste em que o concentrado pode ser alimentado com uma concentração de material seco mais elevada. Uma elevação de material seco de 55 para, no máximo, 65% em quantidade é possível em função das propriedades do concentrado. Por "percentagem em quantidade" do concentrado deve-se entender a relação em percentagem formada da massa do concentrado, que está mantida em uma massa de líquido. O rendimento da instalação de pulverização pressurizada ou da instalação de secagem aumenta, como se sabe, com uma concentração de material seco mais elevada e com temperatura de pulverização pressurizada mais elevada nos bocais de pulverização pressurizada, sendo que a temperatura de pulverização pode ser elevada em 1 a, no máximo, 5 °C em relação ao processo conhecido com igual qualidade de pó.
[0026] Uma elevação da temperatura do concentrado que sai no bocal de pulverização pressurizada em 1 °C tem, como consequência, um aumento de eficiência, isto é, um aumento do rendimento da torre de secagem de 2,5 a 3%
Figure img0001
• O processo de acordo com a invenção reduz, portanto, a energia específica necessária para a secagem, e as capacidades de secagem existentes podem ser aumentadas. • Existe a perspectiva de empregar o processo de acordo com a invenção apresentado aqui também para um tratamento UHT do concentrado até a região asséptica, com o objetivo de produzir o chamado "ultra high heat pulver" (o pó de aquecimento ultraelevado).
[0027] O esforço de cisalhamento definido do concentrado durante ou imediatamente após o aquecimento de alta pressão é realizado de tal modo, que as seções transversais de passagem definidas são atravessadas com altas velocidades de fluxo definidas. Para controle do esforço de cisalhamento definido, uma configuração do processo prevê que uma velocidade de fluxo elevada do concentrado, quando do aquecimento de alta pressão, está elevada em 20 a 25% em relação à sua velocidade de fluxo na faixa de tratamento fixada antes do aquecimento de alta pressão. Neste sentido é previsto que a velocidade de fluxo elevada é de, no máximo, 3 m/s. Como esta elevação da velocidade de fluxo ocorre para nível de alta pressão, as perdas de pressão adicionais ligadas à mesma quando do processo de aquecimento de alta pressão não desempenham nenhum papel significativo. A velocidade de fluxo elevada resulta em uma melhor transição de calor para o lado de concentrado, de onde resultam ainda as seguintes: • é possível uma troca de calor com menor superfície de troca de calor; • é possível um concentrado de albumina com maior concentração; • são possíveis um maior fluxo volumétrico e um maior rendimento de secagem; • condicionado através da melhor transição de calor, são possíveis um aquecimento do concentrado e assim um maior rendimento de secagem; • ocorre uma desnaturação desejada de acordo com o plano, definida, do concentrado.
[0028] O processo de acordo com a invenção prevê que o nível de alta pressão, ao qual o concentrado é elevado através de elevação de pressão, é de, no máximo 35000 kPa (350 bar). Uma configuração do processo de acordo com a invenção prevê ainda que a temperatura de pulverização elevada fica na faixa de 75 a 80 °C e aqui preferivelmente é ajustada em 80 °C. O processo prevê ainda tratar um concentrado com uma concentração de material seco de até, no máximo 65% em quantidade (65%m).
[0029] A instalação para realização do processo, a qual parte de uma instalação de acordo com o estado da técnica e aperfeiçoa esta no sentido do objetivo de acordo com a invenção, consiste, de maneira conhecida, em uma torre de secagem com bocais de pulverização pressurizados, um recipiente de circulação, o qual está ligado em comunicação fluida com a entrada de um trocador de calor de baixa pressão, através de um primeiro trecho de linha de uma linha de baixa pressão, para alcançar o objetivo de acordo com a invenção. Um trocador de calor de alta pressão está disposto em uma linha de alta pressão que liga a saída da bomba de pistão de alta pressão aos bocais de pulverização pressurizada em comunicação fluida. O trocador de calor de alta pressão está configurado como trocador de calor de feixe de tubos com uma pluralidade de tubos internos percorridos paralelamente pelo concentrado, os quais são circulares e estão dispostos em um único círculo e, juntos, configuram um canal interno. O canal interno, visto em direção de fluxo, está configurado conectado aos tubos internos em forma de um espaço anulaa circunferencial. Um primeiro trecho de linha de alta pressão da linha de alta pressão liga a saída da bomba de pistão de alta pressão à entrada do trocador de calor de alta pressão, e um segundo trecho de linha de alta pressão da linha de alta pressão liga a saída do trocador de calor de alta pressão aos bocais de pulverização pressurizada em comunicação fluida.
[0030] Um comprimento eficaz em técnica de fluidos do segundo trecho de linha de alta pressão está reduzido então a uma medida mínima construtivamente possível, isto é, a saída do trocador de calor de alta pressão está conduzido tão próximo quanto construtivamente possível dos bocais de pulverização pressurizada em relação ao caminho de fluxo do concentrado.
[0031] O trocador de calor de alta pressão apresenta, no lado de saída, meios para esforço de cisalhamento definido do concentrado transportado, sendo que esses meios são eficazes sem elementos móveis e/ou alimentação de energia estranha, puramente de maneira mecânica referente a fluidos através de seções transversais definidas, comprimentos definidos dos caminhos de fluxo e velocidades de fluxo elevadas definidas.
[0032] Os meios para esforço de cisalhamento definido do concentrado consistem em um canal no lado de saída, em forma anular, o qual, por um lado está ligado à saída do espaço anular circunferencial e, por outro lado, ao segundo trecho de linha de alta pressão. Nesse caso o canal anular do lado de saída apresenta, no caso geral, um comprimento de extensão definida e um curso de suas seções transversais de passagem de canal dependente do comprimento de extensão.
[0033] Pela característica referente à disposição de uma pluralidade de tubos internos percorridos paralelamente deve-se entender uma disposição que, em função do número de tubos internos, não ocupa toda a seção transversal circular de um trocador de calor de feixe de tubos. Em vez disso, todos os tubos internos estão dispostos no referido único círculo, o qual deixa desocupada uma região interna, não apenas um centro limitado, de tubos internos. Esta disposição torna possível que o canal interno, formado através dos tubos internos circulares e dispostos no único círculo, vistos em direção de fluxo, seja configurado em conexão com os tubos internos em forma de um espaço anular circunferencial.
[0034] Nesse caso é vantajoso, no sentido de um tempo de permanência igual para todas as partes do concentrado tratado termicamente, como isto é proposto também, que as seções transversais de passagem do canal sejam constantes através de todo o comprimento de extensão. Este tratamento igual desejado é promovido ainda pelo fato de que a velocidade de fluxo elevada é tão uniforme quanto possível através de todo trocador de calor de feixe de tubos até o fim do esforço de cisalhamento definido do concentrado, sendo que outra forma de realização neste sentido prevê que a seção transversal de passagem do canal corresponde à seção transversal de passagem total de todos os tubos internos percorridos paralelamente.
[0035] O processo de acordo com a invenção e a instalação para sua realização podem ser controlados de maneira vantajosa em função do concentrado. Para isto a invenção propõe um processo para controle do aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização. Os parâmetros de controle para o aquecimento de alta pressão estão determinados através das propriedades do concentrado a ser aquecido e das condições de contorno físicas. Por "propriedades do concentrado a ser aquecido" entende-se seu fluxo volumétrico, sua viscosidade, sua pressão, sua temperatura e sua concentração de material seco e por "condições de contorno físicas" entende-se pressão e temperatura no local da pulverização pressurizada. Os parâmetros de controle, em relação ao concentrado, são o nível de alta pressão, a alta temperatura de pulverização, a velocidade de fluxo elevada quando do aquecimento de alta pressão e a intensidade do esforço de cisalhamento.
[0036] Os parâmetros de controle são ajustados por meio de uma função de calibragem elaborada ou depositada antes ou durante a entrada em operação da instalação para secagem por pulverização. A função de calibragem é obtida: • obtendo-se parâmetros de controle do tipo em questão, no teste inicial da instalação com um concentrado discreto (formulação) até a obtenção de uma qualidade de produção satisfatória; • os quais são registrados e armazenados em um controle em forma da "função de calibragem" (parâmetros de controle = função de (concentrado ou formulação)).
[0037] Em um tratamento separado do concentrado igual (formulação) pode-se recorrer aos valores empíricos em forma desta função de calibragem e os padrões de controle necessários podem ser ajustados de maneira correspondente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0038] Uma representação detalhada da invenção resulta da seguinte descrição e das figuras de desenho anexas, bem como das concretizações. Enquanto a invenção está realizada nos nas distintas configurações de um processo e nas distintas formas de realização de uma instalação para realização do processo, no desenho estão representados esquematicamente um processo conhecido e, partindo desse processo conhecido, uma configuração preferida do processo da invenção. Um exemplo de realização preferido de uma instalação para realização do processo com um trocador de calor de alta pressão configurado como trocador de calor de feixe de tubos está representado no desenho e é descrito a seguir. São mostrados:
[0039] Figura 1 - em forma de um esquema de processo simplificado, um processo para o aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização de acordo com o estado da técnica;
[0040] Figura 1a - em forma de um esquema de processo simplificado, um processo de acordo com a invenção para aquecimento de um concentrado em uma instalação para secagem por pulverização;
[0041] Figura 2 - em representação esquemática, uma instalação de acordo com o estado da técnica para realização do processo de acordo com o estado da técnica de acordo com a figura 1;
[0042] Figura 3 - em representação esquemática, uma instalação para realização do processo de acordo com a invenção de acordo com a figura 1a, e
[0043] Figura 4 - em corte meridiano, uma região do lado de saída de um trocador de calor de alta pressão configurado em forma de um trocador de calor de feixe de tubos.
DESCRIÇÃO DETALHADA Estado da técnica (figuras 1 e 2)
[0044] Um processo para aquecimento de um concentrado K em uma instalação para secagem por pulverização 1 (instalação de secagem) de acordo com o estado da técnica é mostrado na figura 1 e uma instalação 1 de acordo com o estado da técnica para realização do processo conhecido é mostrada na figura 2. A seguir o processo e a instalação 1 associada são tratados paralelamente com o auxílio dessas duas figuras. As temperaturas, pressões e a concentração de material seco mencionadas estão escolhidas a título de exemplo e podem diferir para cima ou para baixo na prática.
[0045] O concentrado K pulverizado em uma torre de secagem 2 da instalação de secagem 1 por pulverização pressurizada DZ através de bocais de pulverização pressurizada 2a recebe um estoque B em um recipiente de circulação 4 (figuras 1, 2). O recipiente de circulação 4 está disposto ligado com comunicação fluida à entrada do lado primário de um trocador de calor de alta pressão 8, em que um aquecimento de baixa pressão H1 do concentrado K é realizado a partir de uma temperatura de circulação T1 = 58 °C para uma temperatura de chegada T2 = 65 a 68 °C, a qual fica também próxima aos bocais de pulverização pressurizada 2a, através de um primeiro trecho de linha 12.1 de uma linha de baixa pressão 12, no qual está disposta uma bomba de circulação 6. O trocador de calor de baixa pressão 8 está solicitado, no lado secundário, por um meio portador de calor W, preferivelmente água quente. Uma bomba de pistão de alta pressão 10 está ligada, no lado de entrada aos bocais de pulverização pressurizada 2a, através de um segundo trecho de linha 12.2 da linha de baixa pressão 8, à saída de lado primário do trocador de calor de baixa pressão 8 e, no lado de saída, através de uma linha de alta pressão 14.
[0046] Na bomba de pistão de alta pressão 10 ocorre uma elevação de pressão P do concentrado K de um nível de baixa pressão p1 presente no lado de entrada para um nível de alta pressão p2 gerado no lado de saída, o qual pode se aproximar de, no máximo, 35000 kPa (350 bar) e com a qual, descontada a queda de pressão até os bocais de pulverização pressurizada 2a, estes são operados. O concentrado K apresenta uma concentração de material seco c que, por exemplo, pode ficar em 52 a 57 por cento em passa (m%) de material seco TS.
[0047] A torre de secagem 2 apresenta, até sua região de cabeça, em que os bocais de pulverização pressurizada 2a estão dispostos, uma altura de torre H. A linha de alta pressão 14 supera, substancialmente em forma de um tubo de subida, essa altura de torre H. Em uma altura de torre de, por exemplo, H = 30 m a linha de alta pressão 14 tem pelo menos 30 m de comprimento por causa das linhas de conexão ligadas antes e depois. Com um diâmetro DN50 da linha de alta pressão 14 resulta, no caso de um fluxo volumétrico de, por exemplo, 5.000 litros/hora para uma primeira permanência V1 do concentrado K com a temperatura de chegada T2 no nível de alta pressão p2 e com a concentração de material seco c, um tempo de permanência médio t1 de 42 segundos. Os problemas que ocorrem com o processo descrito de acordo com o estado da técnica, foram tematizados anteriormente.
Invenção Processo e instalação de secagem (figuras 1a, 3 e 4)
[0048] Um processo de acordo com a invenção para aquecimento de um concentrado K em uma instalação para secagem por pulverização 100 está mostrado na figura 1a e uma instalação 100 de acordo com a invenção para realização do processo está mostrada na figura 3. A seguir o processo e a instalação associada 100 são tratados paralelamente com o auxílio destas duas figuras. As temperaturas, pressões e a concentração de material seco mencionadas estão escolhidas a título de exemplo e podem diferir para cima ou para baixo na prática.
[0049] A figura 1a mostra claramente, através de linhas destacadas, as diferenças entre o processo de acordo com o estado da técnica (figura 1) e o processo de acordo com a invenção, e a figura 3 mostra, com o auxílio da instalação de secagem 100, como essas diferenças são realizadas na técnica de dispositivos. Na medida em que há uma coincidência, são empregados números de referência iguais. Portanto, faz-se referência ao desenho das figuras 1 e 2 para evitar repetições.
[0050] A linha de alta pressão 14 (figura 3) está conduzida através do lado primário de um trocador de calor de alta pressão 18, sendo que um primeiro trecho de linha de alta pressão 14.1 da linha de alta pressão 14 liga a saída da bomba de pistão 10 de alta pressão à entrada do trocador de calor de alta pressão 18 e um segundo trecho de linha de alta pressão 14.2 da linha de alta pressão 14 liga a saída do trocador de calor de alta pressão 18 aos bocais de pulverização pressurizada 2a. O trocador de calor de alta pressão 18 é solicitado, no lado secundário, com um meio portador de calor W, preferivelmente água quente. Os valores escolhidos a título de exemplo na figura 3 para o nível de baixa pressão p1, o nível de alta pressão p2, a temperatura de circulação T1 e a concentração de material seco c correspondem substancialmente aos valores que furam mencionados no processo de acordo com o estado da técnica e à instalação 1 para sua realização (vide figuras 1, 2).
[0051] No trocador de calor de alta pressão 18 ocorre um aquecimento de alta pressão H do concentrado K no nível de alta pressão p2 para uma alta temperatura de pulverização T3, a qual pode ficar na faixa de 75 a 80 °C (figura 3). Está previsto ainda um esforço de cisalhamento definido S do concentrado K durante ou imediatamente após o aquecimento de alta pressão H com uma velocidade de fluxo elevada v (figuras 3, 1a). Para isto o trocador de calor de alta pressão 18 apresenta, no lado de saída, meios para o esforço de cisalhamento definido do concentrado K transportado.
[0052] Como o trocador de calor de alta pressão 18 está disposto na altura de torre H (figura 3), resulta então, no tubo de subida, entre o trocador e a entrada da bomba de pistão de alta pressão 10, isto é, no primeiro trecho de linha de alta pressão 14.1, uma segunda permanência V2 do concentrado K com a temperatura de circulação T1 no nível de alta pressão p2 e com a concentração de material seco c com um segundo tempo de permanência médio t2, que é menor do que o primeiro tempo de permanência t1 e com dados de processo aproximadamente iguais menos críticos do que esses.
[0053] Em seguida é realizada uma transferência Ü imediata do concentrado K tratado através de esforço de cisalhamento definido S para o local de sua pulverização pressurizada DZ (figura 1a), sendo que um tempo de transferência Δt para a transferência Ü imediata está determinado através de um distanciamento mínimo possível, eficaz em técnica de fluidos, entre os meios para realização do esforço de cisalhamento definido S e o lugar da pulverização pressurizada DZ. A transferência Ü imediata ocorre no segundo trecho de linha de alta pressão 14.2 dimensionado de maneira correspondente, o qual está reduzido a uma medida mínima construtivamente possível (figura 3).
[0054] O processo de acordo com a invenção se distingue do processo de acordo com o estado da técnica, como uma comparação da figura 1 com a figura 1a e da figura 2 com a figura 3 mostra, na técnica de processo, através da eliminação do aquecimento de baixa pressão H1 (figura 1a) e, na técnica de dispositivos de modo correspondente, através da eliminação do trocador de calor de baixa pressão 8 (figura 3). O trocador de calor de alta pressão 18 tem que lidar apenas com um aquecimento de alta pressão H da temperatura de circulação T1 (por exemplo 58 °C) para a temperatura de pulverização elevada T3 (por exemplo, no máximo 80 °C, pelo que um aumento do rendimento da torre de secagem 2 é alcançado sem perda de qualidade.
[0055] É decisivo, na comparação com o processo de acordo com o estado da técnica, que no processo de acordo com a invenção o primeiro trecho de linha de alta pressão 14.1 substancialmente formado através do tubo de subida seja percorrido em toda a extensão com a temperatura de circulação T1 (por exemplo, 58 °C) não crítica em relação à temperatura de chegada T2 (por exemplo 65 a 68 °C. Portanto, a segunda permanência V2 do concentrado K com a temperatura de circulação T1 no nível de alta pressão p2 e com a concentração de material seco c com o segundo tempo de permanência médio t2 não é crítica de modo algum do ponto de vista tecnológico.
[0056] O trocador de calor de alta pressão 18 está configurado como trocador de calor de feixe de tubos com uma pluralidade de tubos internos 20 percorridos paralelamente pelo concentrado K (figura 4). Os tubos internos 20 são circulares e estão dispostos em um único círculo 26 e formam, unidos, um canal interno 20*, o qual, visto na direção de fluxo, está configurado em conexão com os tubos internos 20 em forma de um espaço anular circunferencial 22. Os meios para esforço de cisalhamento definido do concentrado transportado K estão dispostos, do lado de saída, no trocador de calor de feixe de tubos 18 e consistem em um canal 24 em forma de espaço anular, no lado de saída, o qual, por um lado, está ligado à saída do espaço anular circunferencial 22 e, por outro lado, está ligado ao segundo trecho de linha de alta pressão 14.2. O canal 24 em forma de espaço anular, no lado de saída, apresenta um comprimento de extensão definida L e um curso definido de suas seções transversais de passagem de canal As dependente do comprimento, e é percorrido pelo concentrado K com uma velocidade de fluxo elevada v, do mesmo modo que os canais internos 20. LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA DAS ABREVIAÇÕES EMPREGADAS Figuras 1, 2 (estado da técnica) 1 instalação de secagem (instalação para secagem por pulverização) 2 torre de secagem 2a bocal de pulverização pressurizada 4 recipiente de circulação 6 bomba de circulação 8 trocador de calor de baixa pressão 10 bomba de pistão de alta pressão (homogeneizador) 12 linha de baixa pressão 12.1 primeiro trecho de linha 12.2 segundo trecho de linha 14 linha de alta pressão H altura da torre c concentração de material seco (em percentagem por massa (%m) de material seco (TS) t1 primeiro tempo de permanência Temperaturas T1 temperatura de circulação (cerca de 58 °C) T2 temperatura de chegada (cerca de 65-68 °C) Pressões p1 nível de baixa pressão p2 nível de alta pressão (<35000 kPa (350 bar)) Materiais K concentrado (produto) TS material seco W meio portador de calor Etapas processuais B estocagem DZ pulverização pressurizada H1 aquecimento de baixa pressão P elevação de pressão V1 primeira permanência Figuras 1a, 3, 4 (Invenção) 100 instalação de secagem (instalação para secagem por pulverização) 14.1 primeiro trecho de linha de alta pressão 14.2 segundo trecho de linha de alta pressão 18 trocador de calor de alta pressão (trocador de calor de feixe de tubos) 20 tubo interno 20* canal interno 22 espaço anular circunferencial 24 canal em forma de espaço anular no lado de saída 26 círculo As seção transversal de passagem do canal L comprimento de extensão t2 segundo tempo de permanência Δt tempo de transferência v velocidade de fluxo elevada (em H) Temperatura T3 alta temperatura de pulverização (75-80 °C) Etapa processual H aquecimento de alta pressão S esforço de cisalhamento Ü transferência imediata V2 segunda permanência

Claims (10)

1. Processo para aquecimento de um concentrado (K) em uma instalação para secagem por pulverização (100) com uma etapa (a): a) elevação de pressão (P) do concentrado (K), a partir de um nível de baixa pressão (p1) e de uma temperatura de circulação (T1) para um nível de alta pressão (p2), o qual pode chegar até, no máximo, 35000 kPa (350 bar), caracterizado pela sequência das etapas (b) a (d): b) aquecimento de alta pressão (H) do concentrado (K) no nível de alta pressão (p2) da temperatura de circulação (T1) para uma temperatura de pulverização elevada (T3), a qual fica na faixa de 75 a 80 °C, por meio de um trocador de calor de alta pressão (18), o qual, no lado secundário, está solicitado com um meio portador de calor (W) e que está configurado como trocador de calor de feixe de tubos com uma pluralidade de tubos internos percorridos paralelamente pelo concentrado (K), os quais são circulares e estão dispostos em um único círculo e juntos configuram um canal interno, o qual, visto na direção de fluxo, está configurado em conexão aos tubos internos em forma de um espaço anular circunferencial, c) carregamento com esforço de cisalhamento definido (S) do concentrado (K) durante ou imediatamente após o tratamento de acordo com a etapa (b) com meios que consistem em um canal no lado de saída em forma de espaço anular, o qual, por um lado, está ligado à saída do espaço anular circunferencial e, por outro lado, está ligado a um segundo trecho de linha de alta pressão e que apresenta um comprimento de extensão definido e um curso definido, dependente do comprimento, de suas seções transversais de passagem de canal, e d) em seguida, transferência imediata (Ü) do concentrado (K) tratado de acordo com a etapa (c) para o local de sua pulverização pressurizada (DZ), sendo que um tempo de transferência (Δt) para a transferência imediata (Ü) está determinado através de um distanciamento eficaz em técnica de fluidos, mínimo possível, entre os meios para realização da etapa (c) e o local de pulverização pressurizada (DZ).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma velocidade de fluxo elevada (v) do concentrado (K), quando do aquecimento de alta pressão (H), está elevada em 20 a 25% em relação à sua velocidade de fluxo na região de tratamento anterior ao aquecimento de alta pressão (H).
3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a velocidade de fluxo elevada (v) chega a, no máximo, 3 m/s quando do aquecimento de alta pressão (H).
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o nível de alta pressão (p2) é de, no máximo, 35000 kPa (350 bar).
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a temperatura de pulverização elevada (T3) é ajustada em 80 °C.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o concentrado (K) é tratado com uma concentração de material seco (c) de até, no máximo, 65 por cento em massa (65%m).
7. Processo para controle do aquecimento de um concentrado (K) em uma instalação para secagem por pulverização (100), caracterizado pelo fato de que o concentrado (K) é tratado através de aquecimento de alta pressão (H), como definido na reivindicação 1, • sendo que os parâmetros de controle para o aquecimento de alta pressão (H) estão determinados através das características do concentrado (K) a ser aquecido e das condições de contorno físicas, • sendo que as propriedades do concentrado (K) a ser aquecido são seu fluxo volumétrico, viscosidade, pressão, temperatura e concentração de material seco, e as condições de contorno físicas são pressão e temperatura no local da pulverização pressurizada (DZ), • sendo que os parâmetros de controle, respectivamente em relação ao concentrado (K), são o nível de alta pressão (p2), a temperatura de pulverização elevada (T3), uma velocidade de fluxo elevada (v) quando do aquecimento de alta pressão (H) e uma intensidade do esforço de cisalhamento (S), e • sendo que os parâmetros de controle são ajustados por meio de uma função de calibragem elaborada ou depositada antes ou durante a entrada em operação da instalação para secagem por pulverização.
8. Instalação (100) configurada para realização do processo, como definido na reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que consiste em: • uma torre de secagem (2) com bocais de pulverização (2a), • um recipiente de circulação (4), o qual está ligado com comunicação fluida à entrada de uma bomba de pistão de alta pressão (10) através de uma linha de baixa pressão (12), na qual está disposta uma bomba de circulação (6), • um trocador de calor de alta pressão (18), o qual está disposto em uma linha de alta pressão (14) que liga, em comunicação fluida, a saída da bomba de pistão de alta pressão (10) aos bocais de pulverização pressurizada (2a), sendo que o trocador de calor de alta pressão (18) está configurado como trocador de calor de feixe de tubos com uma pluralidade de tubos internos (20) percorridos paralelamente pelo concentrado (K), os quais são circulares e estão dispostos em um único círculo (26) e juntos configuram um canal interno (20*), o qual, visto na direção de fluxo, está configurado em conexão aos tubos internos (20) em forma de um espaço anular circunferencial (22), • um primeiro trecho de linha de alta pressão (14.1) da linha de alta pressão (14), a qual liga a saída da bomba de pistão de alta pressão (10) à entrada do trocador de calor de alta pressão (18), • um segundo trecho de linha de alta pressão (14.2) da linha de alta pressão (14), a qual liga, em comunicação fluida, a saída do trocador de calor de alta pressão (18) aos bocais de pulverização pressurizada (2a), sendo que um comprimento eficaz em técnica de fluidos do segundo trecho de linha de alta pressão (14.2) está reduzido a uma medida mínima construtivamente possível, e • meios para esforço de cisalhamento definido do concentrado transportado (K), os quais estão dispostos no trocador de calor de alta pressão (18) no lado de saída e os quais consistem em um canal (24) do lado de saída em forma de espaço anular, o qual, por um lado, está ligado à saída do espaço anular circunferencial (22) e, por outro lado, está ligado ao segundo trecho de linha de alta pressão (14.2), sendo que o canal do lado de saída em forma de espaço anular (24) apresenta um comprimento de extensão (L) definido e um curso definido, dependente do comprimento, de suas seções transversais de passagem de canal (As).
9. Instalação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que as seções transversais de passagem de canal (As) são constantes através de todo o comprimento de extensão (L).
10. Instalação de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a seção transversal de passagem de canal (As) corresponde à seção transversal de passagem total de todos os tubos internos (20) atravessados paralelamente.
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