Vorrichtung zum Aufsprühen von Flüssigkeiten auf Pulverstoffe
Es ist bekannt, Pulverstoffe in rotierenden Trommeln mit Flüssigkeiten zu besprühen. Diese Trommeln sind normalerweise zylindrisch, und zwar mit unterschiedlichem Durchmesser/Längenverhältnis. Es wird dabei teils von der Stirnfläche aus, teils aus einer innerhalb der Trommel selbstmontierten Düse aufgesprüht. Es ist ferner eine doppelt konische Trommel bekannt, bei der zwei Kegelrümpfe mit ihren Basisflächen zusammengefügt sind und bei der von der einen Schmalseite aus eingesprüht wird.
In all diesen Apparaturen können Aufsprühverfahren durchgeführt werden, wobei sich eine kurze zylindrische Trommel und die Doppelkonustrommel nur für diskontinuierlichen Betrieb eignen, während in einer mehr langgestreckten zylindrischen Trommel auch im kontinuierlichen Betrieb Aufsprühprodukte hergestellt werden können.
Es wurde nun gefunden, dass insbesondere für die kontinuierliche Herstellung voluminöser Agglomerate aus Pulvern durch Aufsprühen von Flüssigkeiten sich die folgende Vorrichtung besonders gut eignet:
Die Vorrichtung besteht aus einer rotierenden Trommel in Form eines Kegelrumpfes, bei der das Pulvermaterial am weiten Ende eingeführt und das Aufsprühprodukt am schmalen Ende aus der Trommel abgeführt wird, wobei die flüssigen Bestandteile aus einer oder mehreren Vernebelungsdüsen durch Öffnungen in der Stirnwand in die Trommel hineingesprüht werden, und zwar vorzugsweise in Richtung auf die Pulveroberfläche und vorzugsweise durch die Stirnwand des weiten Endes.
Die Basis-Mantellinie der Trommel kann dabei in Richtung auf das schmale Ende des Kegelrumpfs schwach geneigt sein, vorzugsweise aber eben oder mässig ansteigend. Unter der schwachen Neigung ist eine solche von höchstens 50 zu verstehen, während bei ansteigender Basis-Mantellinie der Erhebungswinkel kleiner sein muss als der halbe Kegelöffnungswinkel.
Der Kegelöffnungswinkel soll normalerweise nicht mehr als 500 betragen und vorzugsweise zwischen 10 und 450 liegen. Neigung bzw. Steigung der Basis-Mantellinie, Kegelöffnungswinkel und Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel müssen aufeinander abgestimmt sein, wobei die für das Produkt angestrebten Eigenschaften in Betracht gezogen werden müssen.
Bei den zylindrischen Trommeln nach dem Stand der Technik kann die Basis-Mantellinie allenfalls waagrecht liegen, doch ist sie im allgemeinen in der vorgesehenen Durchflussrichtung geneigt, wobei Neigung und Umdrehungsgeschwindigkeit für den Materialdurchsatz bestimmend sind. Bei waagrechter Basis-Mantellinie ist der Durchsatz sehr gering: Er wird nur durch die grössere Materialschichthöhe auf der Einlaufseite bestimmt.
Bei der erfindungsgemässen Trommel kommt jedoch ein weiteres Bewegungsmoment hinzu: Bei waagrechter Basis-Mantellinie findet eine zusätzliche Materialbewegung statt, wie sie in Fig. 1 schematisch gezeigt wird. Der Pfeil zeigt die Arbeitsrichtung an. Ein am Materialeingang a befindliches Teilchen wird von der aufsteigenden Trommelwand hochgehoben, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel als gerade so gross angenommen sei, dass das Teilchen bis auf die Höhe der oberen Mantellinie, also nach b, hochgehoben wird, von dort aber vermöge der Schwerkraft c - bis auf das verbleibende Pulverbett - herunterfällt. Von dort wird es wieder nach d gehoben, fällt nach e usw., bis es bei f angelangt ist und über den Überlaufring g die Trommel verlässt, d. h. das Teilchen hat nach 9 Umdrehungen der Trommel diese durchwandert.
Die konische Form der Trommel beschleunigt also bei Einführung des Pulvermaterials am weiten Ende des Kegelrumpfs den Materialdurchfluss erheblich. Die Tatsache, dass die Pulveroberfläche nicht waagrecht in der Trommel liegt, sondern in der Drehrichtung der Trommel schief ansteigend, beeinträchtigt die prinzipielle Richtigkeit der vorstehenden Überlegungen nicht.
Man kann natürlich denselben Effekt mit einer zylindrischen Trommel erzielen, wenn die Trommel genügend stark in der Arbeitsrichtung geneigt wird.
Beim Aufsprühen von Flüssigkeiten ergibt sich dann aber der wesentliche Nachteil, dass dann nur am Austragende eine genügend grosse Pulveroberfläche als Aufsprühfläche gebildet wird, während am Trommelanfang kein oder nur sehr wenig Pulvermaterial zum Aufsprühen zur Verfügung steht. Es muss hier also entweder von der oberen Stirnwand aus über die ganze Länge der Trommel hinweg auf die am anderen Ende der Trommel befindliche maximale Pulveroberfläche aufgesprüht werden, oder von der unteren Stirnwand aus entgegen der Wanderungsrichtung des Pulvers. In beiden Fällen bleibt ein grosser Teil der Trommel für den Aufsprüh- und Agglomeriervorgang ungenützt, da ja der Agglomeriervorgang sich an das Aufsprühen anschliesst und nicht umgekehrt.
Wesentlich günstiger liegen die Verhältnisse jedoch in der erfindungsgemässen Trommel. Hier bildet sich durch die konische Form der Trommel am Trommelanfang eine sehr breite Pulveroberfläche, die sich zum Aufsprühen der Flüssigkeit eignet, während in Richtung auf das Austragsende die Pulveroberfläche schmaler wird. Dieser Teil wird dann für die Bildung von Agglomeraten voll ausgenützt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Trommel auf der Höhe a-g, d. h. die Form und Grösse der Pulveroberfläche. Der maximale Aufsprühkreis h hat auf der Zeichnung einen Durchmesser von 48,2 mm.
Lässt man nun die untere Mantellinie der Trommel gegen das Austragende hin um 60 ansteigen, dann ist die Verweilzeit in der Trommel länger: Bei gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit hat, wie Fig. 3 zeigt, das Teilchen erst nach 19 Trommelumdrehungen die Apparatur durchwandert. Die Form und Grösse der Pulveroberfläche ist dann jedoch bei gleichem Überlaufring günstiger, da dann der Pulverausgangspunkt a wesentlich höher liegt als bei Fig. 1.
Wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist, resultiert aus der grösseren Pulveroberfläche dann auch ein grösserer maximaler Aufsprühkreis h: Sein Durchmesser von 61 mm ergibt eine 1,71mal so grosse maximale Aufsprühfläche (gegenüber Fig. 2), d. h. erlaubt bei gleicher Umdrehungszahl eine 1,71mal grössere Aufsprühgeschwindigkeit.
Bei der Trommel nach Fig. 1 liegt der Kegel öffnungswinkel bei 25. Fig. 5 zeigt eine Trommel gleicher Länge und mit gleichem Durchmesser des schmaleren Endes, jedoch mit einem Kegelöffnungswinkel von 400. Die untere Mantellinie steigt um 100.
Hier benötigt das Pulver 8 · Trommelumdrehungen, um von a nach g zu gelangen. Aus Fig. 6 ist die sehr grosse Aufsprühfläche zu ersehen: Der maximale Aufsprühkreis hat einen Durchmesser von 75 mm, woraus sich die 2,42fache maximale Aufsprühfläche gegenüber Fig. 2 ergibt.
Bei einem Anstieg der unteren Mantellinie von 200 müsste sich bei einem Kegelöffnungswinkel von 400 ergeben, dass das Pulvermaterial nicht mehr horizontal wandert, da sich ja die Pulveroberfläche parallel zu der nunmehr horizontalen Drehachse der Trommel einstellt. Grössere, kugelförmige Granula, insbesondere solche mit trockener Oberfläche, werden jedoch an der aufsteigenden Trommelwand, deren Mantellinie von Erreichen der Waagrechten je nach der Pulvereintragungsseite noch abfällt, zum mindesten teilweise entgegen der Arbeitsrichtung zurückrollen.
Aus diesem Grunde verbieten sich Erhebungswinkel für die untere Mantellinie, die sich dem halben Kegelöffnungswinkel nähern, d. h. bei einem Kegelöffnungswinkel von 400 muss der Erhebungswinkel unter 200 bleiben, wobei allerdings Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel und Rieselfähigkeit des Aufsprühproduktes von wesentlicher Bedeutung sind: Bei einem weniger gut rieselnden Produkt wird besonders bei hoher Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel der Rückrolleffekt selbst, bei einem Erhebungswinkel von 150 noch minimal sein, so dass die dann gegebene vorteilhafte maximale Aufsprühfläche, die das 2,63fache von derjenigen der Fig. 2 beträgt, noch genutzt werden kann.
Wesentlich für die Mengenleistung der Apparatur ist die maximale Aufsprühgeschwindigkeit. Dieses richtet sich
1. nach der maximalen Aufsprühfläche
2. der Oberflächenerneuerungsrate.
Je grösser die Pulveroberfläche ist, die für die Besprühung zur Verfügung steht, bzw. je grösser der Sprühkreis sein kann, in dem der Sprühkegel der Vernebelungsdüse auf die Pulverfläche auftritt - der maximale Sprühkreis - desto rascher kann aufgesprüht werden. Diese Aufsprühleistung ist aber anderseits begrenzt, weil ja die einzelnen Pulverteilchen die Tröpfchen aufnehmen und dann rasch von der Pulveroberfläche verschwinden müssen, um noch unbesprühten Pulverteilchen Platz zu machen. Je rascher daher dieser Austausch stattfindet. d. h. je höher die Oberflächenerneuerungsrate liegt, desto rascher kann aufgesprüht werden. Diese Oberflächenerneuerung kommt durch einen ständigen Mischvorgang zustande: Ausser der Horizontalbewegung ist es insbesondere die Vertikalbewegung, die durch Steigerung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel beschleunigt wird.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit soll daher mindestens 15 UpM, vorzugsweise mindestens 25 UpM, betragen. Sie liegt insbesondere zwischen 25 und 100 UpM. Bei höheren Drehzahlen, bei denen ein Teil des Pulvers nicht mehr zurückfällt, sondern mitrotiert, wird ein vorzugsweise fest montierter Abstreifer etwa im Zenit der Trommel angebracht, der das mitrotierende Pulver wieder von der Trommelwand abnimmt und in Form eines Schleifers über das Trommelinnere verteilt. Der Düsensprühkegel trifft dann grösserenteils diesen Pulverschleier, wodurch eine Steigerung der Aufsprühgeschwindigkeit möglich ist.
Die erfindungsgemässe Trommel hat nun den gro ssen Vorteil, dass eine sehr grosse Aufsprühfläche zur Verfügung steht, und zwar gleich beim Materialeingang.
Auf diese maximale Aufsprühfläche wird die Sprühdüse bzw. werden die Sprühdüsen zweckmässigerweise eingerichtet. Bei genügend grosser Pulverbewegung wird hier der Flüssigkeitsnebel sehr rasch aufgenommen, und es erfolgt dann beim Weiterwandern des Pulvers nach dem schmalen Ende durch die rasche Rotation der Trommel ein guter Agglomerationseffekt unter Bildung voluminöser, kugelförmiger Gebilde. Es wird auf diese Weise die gesamte Länge der Trommel für den Aufsprüh- und Agglomeriervorgang ausgenützt.
Da das besprühte und zu grösseren Aggregationen agglomerierte Material wesentlich leichter rollt als das pulverige Ausgangsmaterial, kommt man in der Agglomerierzone (dem schmalen Teil des Konus), meist ohne Abstreifer aus, sofern man die Umdrehungsgeschwin digkeit entsprechend einstellt.
Für die Aufsprühung sind sowohl Flüssigkeitsdruckdüsen wie auch Luftdruckdüsen verwendbar. Auch Dreistoffdüsen (2 Flüssigkeiten + Luft) können zur Verwendung kommen. Bei Luftdruckdüsen sind die dort möglichen grossen Düsenöffnungen (Querschnitte) von Vorteil wegen der geringeren Verstopfungsgefahr.
Für eine gute Luftabführung und Trennung von Staub von der Abluft (Zyklon, Filtersack) muss dann gesorgt werden. Eine möglichst feine Versprühung ist anzustreben.
Die Anbringung der Düsen in der grossen Stirnwand hat noch folgenden Vorteil: Die Düsen können aus möglichst grosser Höhe auf die Pulveroberfläche gerichtet werden. Es ist nämlich günstiger, aus grösserer Entfernung aufzusprühen, da die einzelnen Flüssigkeitströpfchen beim Auftreffen auf die Pulveroberfläche dann weiter voneinander entfernt sind, wodurch die Verklumpungsgefahr verringert wird. Die Tröpfchen treffen dann auch nicht mit so hoher Wucht auf die Pulverteilchen, d. h. die Gefahr des Durchschlagens bis auf die Trommelwand ist dann geringer.
Die Düsen müssen nur so weit in die Trommel hineinragen, dass sie genau auf den maximalen Pulveroberflächenkreis eingestellt werden können. Sie müssen aber noch von aussen gut zugänglich sein. Das Hineinverlegen der ganzen Düsen in das Trommelinnere ist unpraktisch.
Für manche Anwendungszwecke ist es weiterhin vorteilhaft, noch eine zusätzliche, mitrotierende Kammer anzuschliessen, worin noch weitere Pulverstoffe zugemischt werden können. Dies ist z. B. zweckmässig, wenn zu feuchte Oberflächen der Agglomerationen durch ein Bepudern mit einem geeigneten feinen Pulverstoff abgetrocknet werden müssen. Aus Fig. 7 ist eine solche erfindungsgemässe Trommel mit Nachmischkammer zu ersehen.
Trommel wie auch Nachmischkammer können für niedrige Umdrehungsgeschwindigkeiten, wie z. B.
20 UpM, zur Unterstützung des Mischvorgangs im Innern mit Leitschaufeln bestückt sein. Insbesondere bei der Aufsprühtrommel selbst entfallen vorzugsweise die Leitschaufeln, insbesondere dann, wenn auf die Bildung von Agglomeraten Wert gelegt wird. Es ist daher die bevorzugte Ausführungsform, in der Aufsprühzone und gegebenenfalls auch in der Nachmischkammer einen Abstreifer anzubringen, der die Trommelwand von Ablagerungen freihält.
Wie in Fig. 7 gezeigt wird, ist es zweckmässig, die Trommel über 2 um den Trommelumfang gelegte Laufringe i auf Laufrollen k zu lagern und über diese anzutreiben. Eine Stützrolle 1 verhindert das seitliche Abrutschen. Aus einer oder mehreren Sprühdüsen ml bzw. m2 wird aufgesprüht. Diese Düsen ragen durch den feststehenden Deckel n in die Trommel hinein. Der Deckel n ist gegen die rotierende Trommel abgedichtet.
Ebenso führt durch den Deckel n eine Pulverzuteilungsvorrichtung o in die konische Trommel. Auf der anderen Seite wird die mitrotierende Nachmischkammer p über die Pulverzuteilungsvorrichtung q mit zusätzlichem Pulvermaterial gespeist. Die feststehende Austragskammer r, die gegen die rotierende Nachmischkammer p abgedichtet ist, mündet in die Austragsschleuse s. An der Austragskammer r, wie auch alternativ am Deckel n, sind Abluftableitungen t angesetzt, die über einen Ventilator und einen Zyklon die Abluft durch einen Filter sack ins Freie befördern.
In einer Apparatur entsprechend Fig. 7, bei der die Aufsprühkammer eine Länge von 110 cm hatte, der grosse Kegelrumpfdurchmesser 90 cm, der kleine 40 cm betrug, konnten bei 26 Trommelumdrehungen/ Minute 800 kg eines Haushaltsvollwaschmittels mit einem Schüttgewicht von 350 g/l hergestellt werden, d. h. eine Menge von 2300 l/h. Die Verweilzeit des Materials in der Trommel betrug 6 sec. Es entstand dabei ein sehr schön rieselfähiges, trockenes, gleichmässig agglomeriertes Produkt mit einer durchschnittlichen Korngrösse von 0,6 mm. Diese für die Grösse der Apparatur hohe Durchsatzleistung resultierte aus der grossen Aufsprühfläche an der Zulaufseite und die anschlie ssende Granulierstrecke bei entsprechend hoher Aufsprühgeschwindigkeit. Mit den Aufsprühtrommeln nach dem Stande der Technik ist eine solch hohe Durchsatzleistung nicht möglich.
Im deutschen Patent Nr. 937495 wird eine Agglomeriervorrichtung beschrieben, die äusserlich eine gewisse Ähnlichkeit mit der erfindungsgemässen Apparatur aufweist. Diese Agglomeriervorrichtung dient jedoch nicht zum Aufsprühen von Flüssigkeiten auf Pulver, sondern zum Trockenagglomerieren feiner Stäube. Die fertigen, sehr kompakten Granalien werden auch nicht am schmalen Ende, sondern am weiten Ende, nämlich der Pulvereintragsseite, abgenommen. Die erfindungsgemässe Aufsprühapparatur mit ihren grossen Vorteilen für das rasche Aufsprühen von Flüssigkeiten zur vorzugsweisen Erzielung voluminöser Agglomerationen liess sich aus der bekannten Vorrichtung nicht entnehmen.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die erfindungsgemäss Apparatur nicht nur kontinuierlich, sondern auch diskontinuierlich zu betreiben. Für den diskontinuierlichen Betrieb ist es notwendig, die Aufsprühkammer gegen die Nachmischkammer p abzuschliessen, was durch Anpassen eines mitrotierenden, kreisrunden, konzentrischen Deckels gegen den Überlaufring geschehen kann, der die Aufsprühkammer gegen die Nachmischkammer abgrenzt. Selbstverständlich kann dies auch dann erfolgen, wenn auf eine Nachmischkammer verzichtet wird und der Überlaufring der Aufsprühkammer diese direkt gegen die Auftragskammer r begrenzt.
Dieser mitrotierende Deckel wird dann zum Entleeren der Aufsprühkammer ein Stück weit zurückgezogen, damit das Fertigprodukt ausfallen kann. Für den kontinuierlichen Betrieb verbleibt der mitrotierende Deckel ständig in der zurückgezogenen Stellung.
Schliesslich sei noch ergänzt, dass in der erfindungsgemässen Drehtrommel auch Erhitzungsvorgänge durchgeführt werden können, um z. B. zum Zwecke der Agglomeration auf Pulverstoffe aufgesprühtes Wasser wieder wegtrocknen zu können. Hier ist es zweckmässig, für diese Nachtrocknung die Nachmischkammer p zu benützen, indem durch die Austragskammer r hindurch in die Nachmischkammer Heissluft eingeführt wird im Gegenstrom zum Pulvermaterial. Auch eine Aussenbeheizung der Nachmischkammer kommt gegebenenfalls in Frage. Man kann auch durch seitliche Einführung eines Heizgasbrenners - gegebenenfalls mit Vorkammer - in die Ausfallkammer höhere Temperaturen erzeugen, die ausreichen, um z. B. Orthophosphate in kondensierte Phosphate überführen zu können.
In diesen Fällen ist es zweckmässig, die Abluftabführung nicht bei der Austragskammer, sondern auf der Pulvereintragsseite durch die Stirnwand der Aufsprühkammer vorzunehmen.
Besonders bei gleichzeitiger Erhitzung der Apparatur mit Heissluft bzw. einem Heizgasbrenner ist es zweckmässig, auf Leitschaufeln ganz zu verzichten und auch in der Nachmischkammer einen Abstreifer anzubringen. Dies kann z. B. so geschehen, dass ein fest montierter Abstreifer durch die ganze Länge der Apparatur hindurchgeführt und etwa im Zenit so angebracht wird, dass er der Trommelwand so gut wie möglich anliegt. Statt einem solchen festmontierten Abstreifer oder zusätzlich zu diesem kann auch ein mit Federkraft elastisch angedrückter Abstreifer angebracht werden.
Ein fest montierter Abstreifer, der der Trommelwand beider Kammern mit nur geringem Abstand, z. B. 3-6 mm, durchgehend anliegt, stört die Agglomeration nicht, sofern man dafür sorgt, dass in der Agglomerationszone, d. h. im schmalen Konusteil, die Umfangsgeschwindigkeit der Trommel nicht so hoch wird, dass das Pulvermaterial vom Abstreifer erfasst wird.
Die Umdrehungszahl soll jedoch so hoch sein, dass in der Aufsprühzone, d. h. im breiten Konusteil, die Umfangsgeschwindigkeit so hoch ist, dass das Pulvermaterial vom Abstreifer in Form eines Pulverschleiers über das Trommelinnere verteilt wird.
Lässt man bei der Apparatur nach Fig. 7 die untere Mantellinie der Aufsprühkammer in der Arbeitsrichtung um 3050' ansteigen und lässt die Trommel mit einer Geschwindigkeit von 68 UpM rotieren, dann ist im letzten Drittel der Trommel die Umfangsgeschwindigkeit nicht mehr ausreichend, um ein mittelmässig rieselndes Waschpulver mit Schüttgewicht 455 g/l bis zu einem im Zenit angebrachten Abstreifer hochzuheben, und man erhält so einen sehr schönen Agglomerationseffekt.