DE10117783A1 - Prozessgasaufbereitung für Tabaktrockner - Google Patents
Prozessgasaufbereitung für TabaktrocknerInfo
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- Y10S261/15—Duct humidifiers
Abstract
Die Erfindung betrifft die Prozessgasaufbereitung für Tabaktrockner. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner, mit einer Einrichtung zum Einbringen und Verdampfen von dem Prozessgas zuzuführendem Wasser, bei der die Einrichtung eine Verdampfungseinheit (1) aufweist, die im Prozessgasstrom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasserdampf in den Prozessgasstrom eines Tabaktrockners, mit einem druchströmten Kessel, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen (6) eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird, und ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner, bei welchem dem Prozessgas Dampf durch das Einbringen und Verdampfen von Wasser zugeführt wird, wobei das Wasser im Prozessgasstrom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas in einer Verdampfungseinheit (1) verdampft wird.
Description
Die Erfindung betrifft die Prozessgasaufbereitung für Tabaktrockner. Insbesondere betrifft die
Erfindung eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, eine
Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasserdampf in den Prozessgasstrom eines Ta
baktrockners sowie ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrock
ner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner.
In der Tabakindustrie sind verschiedene Verfahren zur Tabaktrocknung bekannt, wie zum
Beispiel das Hindurchführen des Tabaks durch eine Trommel, wie dies aus der DE 22 40 682 C2
bekannt ist, oder das Hindurchführen durch einen Tunnelförderer, wie es beispielsweise in
der DE 29 04 308 C2 beschrieben wird. In allen Fällen ist es sehr wichtig, dass der Tabak am
Ausgang des Trockners eine bestimmte Feuchte aufweist, die nur in sehr geringen Bereichen
schwanken darf. Um diese Tabakfeuchte immer einhalten zu können, wird beispielsweise in
der DE 22 40 682 C2 die Zuführung von heißem Wasser bzw. Dampf direkt in die Feucht
trommel vorgeschlagen, während gemäß der DE 29 04 308 C2 direkt im Tunnelförderer Was
ser zugeführt wird. Bei einer direkten Wasserzuführung besteht immer der Nachteil, dass die
Verdampfung nicht optimal erfolgen kann, so dass Klumpenbildung entsteht. Wenn Dampf
separat und direkt in einen Trockner eingebracht wird, beispielsweise in eine Feuchttrommel,
wie in der DE 22 40 682 C2 beschrieben, so entsteht einerseits erhöhter Apparateaufwand und
andererseits ist keine optimale Durchmischung des Dampfes mit dem eigentlichen heißen
Prozessgas zu gewährleisten, wodurch möglicherweise ein inhomogener Feuchtigkeitsgrad
innerhalb der Tabakschüttung entsteht.
Den obigen Verfahren gegenüber steht eine andere Art der Tabaktrocknung, bei der Schnittta
bak durch pneumatischen Transport in einer "Rohrleitung" mit heißen, feuchten Gasen ge
trocknet wird. Diese Flug- oder auch Stromtrocknung ist eine Kurzzeittrocknung, und die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit solchen Trocknungssystemen.
Eine erfolgreiche Tabaktrocknung ist allgemein dadurch gekennzeichnet, dass die erreichte
Tabakendfeuchte nach dem Verlassen des Trockners in einer sehr engen Bandbreite um die
sogenannte Sollwertfeuchte liegen muss (zum Beispiel 13,5% ± 0,5%). Um dieses Ziel zu
erreichen, sind aufwändige Regelstrategien mit hoher Regelgüte entwickelt worden, die ihre
Leistungsfähigkeit allerdings nur im Zusammenhang mit geeigneten Stellgrößen/Stellgliedern
unter Beweis stellen können.
Der Grad der Abtrocknung des Tabaks hängt vom Energiegehalt, zum Beispiel von der Tem
peratur des transportierenden Wasserdampf-Luftgemisches ab, da die Verweilzeit in der
Trocknungsstrecke durch die Länge des Trockners bzw. die Größe des Tabakabscheiders
festgelegt wird. Darum ist die Beeinflussung der Trocknungsgas-Temperatur eine geeignete
Größe zur Einstellung der Tabakendfeuchte.
Bei der Kurzzeit-Tabaktrocknung werden inzwischen die Prozessgase häufig indirekt beheizt,
d. h. das Prozessgas wird in einem Wärmetauscher erhitzt. Dieses Beheizungssystem ist durch
den Wärmetauscher jedoch sehr träge und kann nicht ausreichend schnell auf Änderungen der
Tabakeingangsfeuchte und/oder der Tabakeingangsmenge reagieren um eine konstante Ta
bakausgangsfeuchte zu gewährleisten. Diese Problematik stellt sich besonders, wenn über
eine gewisse Zeit kein Tabak geliefert werden kann, da dadurch der Trockner selbst überhit
zen kann. Eine ähnliche Problematik stellt sich wenn zur Regelung der Prozessgastemperatur
eine Bypass-Regelung verwendet wird und nur geringere Massenströme Prozessgas durch den
Wärmetauscher fließen. Dabei steht der Wärmetauscher selbst unter hohen thermischen Be
lastungen und kann überhitzen.
Es könnte deshalb, analog zum Vorgehen bei Tunnel- oder Trommeltrocknern, auch im sta
bilen Gleichgewichtsfall (konstante Tabakeingangsrate und Tabakeingangsfeuchte) eine ge
wisse Wassermenge in die Kurzzeittrockner-Rohrleitung eingesprüht und mit verdampft wer
den. Sinkt die Tabakmenge oder die Tabakfeuchte, wird einfach mehr zusätzliches Wasser
eingespritzt und mitverdampft (und damit das Prozessgas durch die hohe Verdampfungs
enthalpie schnell abgekühlt), um die gewünschte Tabakausgangsfeuchte zu erhalten. Steigt
dagegen die Tabakmenge oder -feuchte, wird weniger Wasser zugesetzt und auf diese Weise
die Tabakausgangsfeuchte ebenfalls konstant gehalten.
Nachteilig ist eine solche Wassereinspritzung dann, wenn nicht gewährleistet ist, dass das
Wasser vollständig verdampft und dadurch eine Verschmutzung (nasse Apparaturinnenwän
de) durch nasse Tabakpartikeln in der Apparatur entstehen kann. Dies kann unter Umständen
bei Ablagerungen sogar zu einem Anbacken des Tabaks an der Rohrleitung führen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Prozessgashandling für die Tabaktrock
nung bereitzustellen, welches die oben aufgeführten Nachteile des Standes der Technik über
windet. Insbesondere soll ein Weg aufgezeigt werden, wie die Temperatur bzw. der Feuchtig
keitsgehalt der Prozessgasströmung und damit auch die Endfeuchte des zu trocknenden Ta
baks beeinflusst werden können, ohne dass der Schnitttabak Nassklumpen bildet, wobei unter
anderem auch Wert auf die Umsetzung in kompakter Bauweise gelegt wird. Ferner soll eine
Trägheit in der Einstellung auf schwankende Prozessparameter bevorzugt minimiert werden.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zur
Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere einen Strom- bzw.
Flugtrockner gelöst, mit einer Einrichtung zum Einbringen und Verdampfen von dem Pro
zessgas zuzuführenden Wasser, wobei die Einrichtung eine Verdampfungseinheit aufweist,
die im Prozessgasstrom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das
Prozessgas angeordnet ist. Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
das Prozessgas zu einem Zeitpunkt mit Feuchtigkeit beladen, wo es noch nicht mit dem Tabak
in Berührung kommt, d. h. die Verdampfungseinheit sorgt dafür, dass beim Tabakeintrag
schon ein Prozessgas vorhanden ist, welches die notwendige Prozessgasfeuchtigkeit, und da
mit auch Prozessgastemperatur aufweist. Die Verdampfungseinheit kann dabei im Prozess
gasstrom einem indirekten Prozessgas-Erwärmungssystem, insbesondere einem Wärmetau
schersystem nachgeordnet werden, wobei der oben schon angesprochene Nachteil der Träg
heit solcher Wärmetauschersystem überwunden wird. Durch die Einstellung der Wasser- bzw.
Dampfzufuhr im Verdampfer lässt sich nämlich sehr schnell auf Änderungen der Tabakein
gangsfeuchte und/oder der Tabakeingangsmenge reagieren.
Die Verdampfungseinheit weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung einen durchströmten Kessel oder Behälter auf, in dem über mehrere Zerstäu
bungsdüsen eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird.
In kompakter Bauweise lässt sich die Verdampfungseinheit konstruieren und in ein Prozess
gas-Rohrleitungssystem einbauen, wenn sie so ausgestaltet wird, dass sie einen Gaseinlass,
eine daran anschließende, erweiterte Dampferzeugungskammer und einen Gasauslass auf
weist, wobei das Wasser in die Dampferzeugungskammer über mehrere Zweistoffdüsen ein
gebracht wird, die ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt bzw. Diffusor zwischen dem
Gaseinlass und der Dampferzeugungskammer angeordnet sind. Vorzugsweise werden Düsen
verwendet, welche Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit und einer Tröpfchengröße
einbringen, die eine vollständige Verdampfung über eine kurze Weglänge sicherstellen. Hier
zu ist es möglich die Lage der Düsen so einzustellen, dass die aus den Düsen austretenden
Wassertröpfchen nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufwei
sen wie die Prozessgasströmung. Wenn der Prozessgasstrom beispielsweise am Gaseinlass
eine Geschwindigkeit von 15 bis 45 m/s aufweist, wird vorzugsweise ein Diffusorwinkel von
10° bis 40°, insbesondere 25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt. Im Kessel sollte eine Prozess
gasgeschwindigkeit von 2-10 m/s vorliegen, um die Apparaturlänge zu minimieren. Der aus
den Düsen austretende Wassersprüh sollte eine Tröpfchengröße < 250 µm, insbesondere <
100 µm, aufweisen. Bevorzugt werden die Zerstäubungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen so ange
ordnet, dass sich ihre Sprühbereiche im Wesentlichen nicht überschneiden, um die Bildung
wiederum größerer Tröpfchen zu verhindern sowie der Apparatequerschnitt optimal ausge
nutzt wird, ohne dass Tröpfchen die Apparatewand berühren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung vier bis zwölf, insbesondere
sechs bis zehn und bevorzugt acht Düsen auf, die ringförmig im Wesentlichen zwischen dem
Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors im gleichen Winkelabstand zueinander
angeordnet sind, wobei die Düsen vorzugsweise einen Sprühmantelwinkel von 15° bis 30°,
insbesondere 20° bis 25° und bevorzugt 22° aufweisen. Der Wasserdurchsatz der Düsen kann
150 bis 500 kg/h, bevorzugt 200 bis 300 kg/h betragen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasser in den
Prozessgasstrom eines Tabaktrockners, mit einem durchströmten Kessel, in dem über mehrere
Zerstäubungsdüsen eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig ver
dampft wird. Natürlich können die oben schon für die erfindungsgemäße Vorrichtung be
schriebenen Parameter auch speziell im Falle der erfindungsgemäßen Verdampfungseinheit
realisiert werden. Dies betrifft insbesondere die Gestalt des durchströmten Kessels bzw. der
Verdampfungseinheit und die Anordnung und Durchströmung der Düsen. Außerdem ist noch
anzumerken, dass diese Verdampfungseinheit bzw. ganz allgemein der durchströmte Kessel
und insbesondere die Dampferzeugungskammer in modularen Längsabschnitten aufgebaut
sein kann, die bevorzugt über Flansche miteinander verbunden werden können. Dadurch kann
die Länge der Verdampfungseinheit angepasst werden, so dass immer sichergestellt ist, dass
die Tröpfchen im heißen Prozessgas verdampfen bevor sie die Verdampfungseinheit verlas
sen. Natürlich kann dies auch durch eine grundlegende Einstellung der Baulänge für die Ver
dampfungseinheit erzielt werden, jedoch bevorzugt über entsprechende mit Flanschen einzu
bauende Zwischenstücke, so dass auch eine Anpassung an einen möglicherweise gewünsch
ten Düsenwechsel möglich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabak
trockner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner, wird dem Prozessgas Dampf durch
das Einbringen und Verdampfen von Wasser zugeführt, wobei das Wasser im Prozessgas
strom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas in einer
Verdampfungseinheit verdampft wird. Auch hierbei ist es möglich alle oben schon angespro
chenen Konstruktionsmerkmale für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die erfindungs
gemäße Verdampfungseinheit verfahrensmäßig umzusetzen.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden unabhängigen Pa
tentansprüche für die Vorrichtung, die Verdampfungseinheit und das Verfahren definiert, und
die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Verdampfungseinheit in einer schematischen
Querschnittsansicht (Fig. 1) und in einem Längsschnitt (Fig. 2); und
Fig. 3 und 4 Diagramme für die Tröpfchen-Flugbahnen für Tröpfchen mit einer
Größe von 100 µm bzw. 50 µm.
In den Fig. 1 und 2 ist im schematischen Querschnitt sowie in einem Längsschnitt eine
erfindungsgemäße Verdampfungseinheit dargestellt. An ihrem Gaseinlass 2 strömt in die
Verdampfungseinheit 1 heißes Prozessgas ein, das beispielsweise aus einem Wärmetauscher
system kommt. In diesen Wärmetauschersystemen wird über einen Rauchgas-Wärmetauscher,
der mit Heißgas aus einem Brenner versorgt wird, das Prozessgas indirekt erwärmt.
Ein Prozessgasstrom 24 (Fig. 2) tritt nach dem Erhitzen im Wärmetauschersystem in den
Gaseinlass 2 der erfindungsgemäßen Verdampfungseinheit ein. An den Gaseinlass 2 schließt
sich ein Diffusor 4 an, an dessen Umfang ringförmig Zweistoffdüsen 6 angeordnet sind, mit
denen Wasser in die Verdampfungseinheit 1 eingespritzt werden kann. Die Verteilung der
Düsen 6 ist in Fig. 1 zu sehen, es sind acht Düsen mit jeweils einem Winkelabstand von 45°
vorgesehen. In der Fig. 1 ist auch mit dem Bezugszeichen 7 jeweils die Sprüh-
Projektionsfläche jeder Düse eingezeichnet, und man sieht hier, dass sich diese Projektions
flächen nicht überschneiden.
An den Diffusor 4 mit den Düsen 6 schließt die Dampferzeugungskammer 8 an, die hier so
bezeichnet wird, weil sich das aus den Düsen 6 eingespritzte Wasser in diesem Bereich zu
Dampf umwandelt, der dann einen Teil des Prozessgases bildet. Die Kammer 8 ist modular
aufgebaut, und es sind in Fig. 2 die Längsabschnitte 8a und 8b gezeigt, die über die Flansche
12 und 14 integriert sind. Durch diesen modularen Aufbau lässt sich die Kammer 8 wie ge
wünscht verlängern oder verkürzen, wenn dies - möglicherweise bei der Verwendung anderer
Düsen - erforderlich sein sollte.
Auf die Kammer 8 folgt der Konfusor 16, an den sich dann der Gasauslass 18 anschließt.
Grundsätzlich durchströmt also das im Wärmetauschersystem erhitzte Prozessgas die Ver
dampfungseinheit 1 und wird über die Düsen 6 mit verdampfendem Wasser angereichert, so
dass es am Auslass 18 als Homogenströmung ohne Tröpfchen vorliegt, in die der Schnitttabak
eingebracht werden kann, ohne dass die Gefahr von Verklumpungen durch Wasseransamm
lungen besteht. Durch erhöhte oder verminderte Wasser- bzw. Dampfzufuhr über die Düsen 6
lässt sich die Prozessgastemperatur regulieren und somit auch die Tabakendfeuchte einstellen,
und zwar sehr schnell und unmittelbar. Ferner kann eine sogenannte "Dummy Load" also eine
Last für den Trockner durch Wasser- bzw. Dampfzufuhr in das Prozessgas eingestellt werden,
die eine Trocknerüberhitzung auch dann verhindert, wenn bei Produktionsunterbrechungen
zeitweise kein Tabakeintrag erfolgt.
Im Weiteren sollen nun nach einigen theoretischen Überlegungen zur Verdampfung und Ver
dunstung von durch Düsen in ein erfindungsgemäßes System eingespritzten Wassertröpfchen
Versuche erläutert werden, welche die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Prozessgasaufbe
reitung bestätigen.
Wie bei allen gekoppelten Wärme- und Stoffaustauschvorgängen ist die erzeugte Oberfläche
bis letztendlich zur Erreichung des thermodynamischen Gleichgewichtes von entscheidender
Bedeutung für einen schnellen Ablauf des Verdampfungsprozesses. Deshalb ist die Erzeu
gung eines feinen Sprühs eine wichtige Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Verdampfen.
Für die Lösung dieser Aufgabe kommt deshalb die sogenannte Zweistoffdüse besonders in
Frage, weil diese Art im Gegensatz zu den einfacheren Einstoffdüsen Vernebelungen mit
mittleren Durchmessem von unter 100 µm erreicht. Zweistoffdüsen haben grundsätzlich einen
begrenzten Durchsatz mit ungefähr 500 kg/h bei den geforderten Tröpfchengrößen von < 100 µm.
Für erforderliche größere Wasserdurchsatze sind deshalb mehrere Düsen von Vorteil.
Die Verdampfungszeit ist unter vereinfachenden Annahmen eine quadratische Funktion des
Tröpfchendurchmessers. Eine andere Größe, die Einfluss auf die notwendige Verdampfungs
zeit besitzt, ist die sogenannte Relativgeschwindigkeit Trocknungsgas/Tröpfchen. Bei kleinen
Partikeldurchmessern wird die Relativgeschwindigkeit nach kurzem Partikelflug vernachläs
sigbar; so dass kein Einfluss dieser Größe zu beobachten ist.
Die Partikelbahnen (Flugbahnen) der Tröpfchen werden durch die Größe, den Sprühwinkel
sowie durch die anfängliche Geschwindigkeit bestimmt. In den Fig. 3 und 4 sind die Bah
nen für Teilchen mit 50 µm und 100 µm approximiert worden. Das Ende der Partikelspur
bedeutet vollständige Verdampfung. Es ist leicht zu erkennen, dass kleinere Partikel schon
nach kurzen Flugzeiten (Behälterlängen) vollständig in den gasförmigen Aggregatzustand
wechseln. Weiterhin ist trotz eines Sprühmantelwinkels von 22° keine entsprechende Öffnung
des Sprühkegels zu erkennen. Der Trocknungsgasstrom wirkt quasi als Brennglas. Durch die
Reduktion der Raumausbreitung des Sprühmantels können aber große Partikel-
Raumkonzentrationen, die zur unvollständigen Ausnutzung des Energieinhaltes des Trock
nungsgasstromes führen. Auch aus diesem Grund ist es vorteilhaft, mehrere Düsen zur Ver
gleichmäßigung der Raumkonzentration über den Querschnitt zu benutzen. Bei entsprechend
angepasster Konstruktion und Auslegung könnte aber auch eine einzige Düse genügen, zum
Beispiel eine umlaufende Ringspaltdüse.
Wie oben schon beschrieben, ist in einem Stromtrockner für eine optimale Regelung der Ta
bakfeuchte/Trocknungsgastemperatur mittels einer Wasserdüse die vollständige Verdampfung
des eingesprühten Wassers von großem Vorteil. Diese vollständige Verdampfung wird bei der
hier vorliegenden Erfindung in einem kompakten Apparat durchgeführt, welcher in der mini
mal möglichen Baugröße ausgeführt ist, bei der auch große zu verdampfende Wassermengen
vollständig verdampft werden. Die Baugröße der Verdampfungseinheit (Verdampfer) 1 ist
aus Kosten- und Platzgründen nicht nur in der Tabakindustrie ein wichtiges Kriterium für den
Einsatz.
Die optimale Verdampfung des Wassers ist, wie gesagt, von vielen Faktoren abhängig. Im
Besonderen sind dies die Wassertröpfchengröße, die Gastemperatur sowie abhängig davon
die Verweilzeit der Tröpfchen im heißen Gasstrom. Die Gastemperatur ist im hier vorliegen
den Fall "Stromtrockner" im Prinzip festgelegt, da sie abhängig vom Tabaktrocknungsprozess
ist. Es stellt sich damit - unter der Randbedingung der festen Gastemperatur - die Aufgabe,
möglichst kleine Tröpfchen mittels geeigneter Düsen zu erzeugen und diesen Tröpfchen dann
ausreichend Zeit zur Verdampfung zu geben.
Die Erzeugung von kleinen Tröpfchen ist mit den verfügbaren Düsen (Zweistoffdüsen) 6 oh
ne Probleme möglich. Wenn, wie im hier vorliegenden Fall bis zu ~2 t/h Wasser zu verdamp
fen sind, ist dies mittels mehrerer Düsen 6 möglich. Ein Problem beim Einsatz von mehreren
Düsen 6 ist die Agglomeration von sich treffenden "Nebelvorhängen" im Arbeitsbehälter.
Prinzipiell (thermodynamisch) möchten sich die Tröpfchen unter Gewinn von Oberflächenar
beit agglomerieren, was sich schädlich auf die notwendige Apparatgröße (Länge) auswirken
würde. Es wird bei der Verwendung von mehreren Düsen 6 Sorge getragen, dass sich die
Sprühs nicht treffen. Aus diesem Grund wird die Wassermenge auf mehrere kleinere Düsen 6
verteilt, die dann einzeln das nötige Tropfenspektrum erzeugen. Dies wird im Rahmen der
vorliegenden Erfindung - wie in Fig. 1 dargestellt - durchgeführt.
Ausgehend davon, dass ein bestimmter Tröpfchendurchmesser (der natürlich so klein als
möglich sein sollte) und damit die Anzahl der Zweistoffdüsen 6 gewählt werden, ergibt sich
für diese Tropfen eine bestimmte Verdampfungszeit. Diese Zeit muss den Tropfen minimal
zur Verfügung gestellt werden, ohne dass sie die Wandung der Kammer 8, eventuelle Umlen
kungen (Rohrkrümmer etc.), andere Tropfen oder gar den zugeführten Tabak kontaktieren.
Andernfalls würde es sonst zu einem Ausfallen/Abscheiden der Tropfen kommen, mit der
Gefahr der Wasseranreicherung im Rohrsystem. Die unter diesen Prämissen festgelegte mi
nimale Verweilzeit der Tropfen im heißen Gasstrom führt zu der Aufgabe, einen geeigneten
Verdampfer 1 (Länge, Durchmesser etc.) zu gestalten, der gewährleistet, dass sich die Trop
fen innerhalb der notwendigen Verdampfungszeit auch noch im Verdampfer 1 befinden und
nicht unverdampft durch das folgende Rohrsystem fliegen. Das wichtigste Kriterium für die
Verweilzeit im Verdampfer 1 ist die Fluggeschwindigkeit der Tropfen. Um den Verdampfer 1
in seiner Baulänge möglichst kurz gestalten zu können, muss die Tropfengeschwindigkeit und
dementsprechend die Gasgeschwindigkeit (bei sehr kleinen Tröpfchen annähernd gleiche Ge
schwindigkeit wie das Gas → geringer Schlupf) gering sein. Da in Heißgasrohren die Gasge
schwindigkeiten üblicherweise zwischen 20 bis 40 m/s liegen (im hier vorliegenden Fall zwi
schen 20 bis 30 m/s), heißt dies, dass der Verdampfer 1 im Durchmesser vergrößert werden
muss (Diffusor 4), um eine Absenkung der Gasgeschwindigkeit zu erreichen. Anhand von
durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die Gasgeschwindigkeit im Be
reich zwischen ca. 2 bis 10 m/s liegen sollte, um eine in Bezug auf Verdampfung und Bau
größe des Behälters optimale Gestaltung zu erreichen.
Untersuchungen wurden an einem wie in Fig. 2 dargestellten Verdampfer mit folgenden
Abmaßen durchgeführt:
Durchmesser Gaseinlass 2: 700 mm
Durchmesser Gasauslass 18: 700 mm
Durchmesser Kammer 8: 1500 mm
Länge Kammer: 800 bis 2000 mm
Diffusorwinkel α: 30°
Konfusorwinkel β: 30°
Anzahl der Düsen: 8
Winkelabstand Düsen: 45°
Durchmesser Düsenanordnung: 900 mm
Durchmesser Gaseinlass 2: 700 mm
Durchmesser Gasauslass 18: 700 mm
Durchmesser Kammer 8: 1500 mm
Länge Kammer: 800 bis 2000 mm
Diffusorwinkel α: 30°
Konfusorwinkel β: 30°
Anzahl der Düsen: 8
Winkelabstand Düsen: 45°
Durchmesser Düsenanordnung: 900 mm
Die zylindrische Länge der Kammer 8 konnte in dem Versuchsaufbau zwischen 0,8 bis 2 m
variiert werden, um so den Einfluss der Verweilzeit der Tröpfchen im heißen Gasstrom zu
untersuchen. Die Beurteilung der vollständigen Verdampfung der Tropfen wurde mittels eines
apparate- und messtechnisch relativ einfachen Aufbaus durchgeführt. So wurde in Strömungs
richtung direkt nach der Kammer 8 im Gasauslass 18 (Durchmesser 700 mm) ein Prallblech
paket (nicht dargestellt) installiert, in dem die nicht verdampften Wassertropfen durch die an
den scharfen Umlenkungen auftretenden Fliehkräfte abgeschieden werden. Die Prallblechpa
kete wurden dabei so gestaltet, dass das abgeschiedene Wasser in Richtung einer Auffang
wanne läuft und dort angereichert wird. In dieser Wanne wurden an mehreren Stellen kleine
Temperatursensoren (PT 100) installiert. Durch Messung der Temperaturen ist es möglich
festzustellen, ob sich Wasser in der Wanne befindet. So entspricht für den Fall, dass die Tem
peratursensoren von Wasser bedeckt sind, die gemessene Temperatur durch die Kühlwirkung
des Wassers (Verdampfungskühlung) ungefähr der sogenannten Kühlflächengrenztemperatur
des Phasengemisches Wasser/Heißluft. Diese Temperatur liegt bei den hier untersuchten Fäl
len (Normaldruck und Wasserdampf/Luftgemisch) immer unter 100°C und unterscheidet sich
dementsprechend deutlich von den Heißgastemperaturen, die im Bereich des Prallblechpakets
zwischen ca. 120°C bis 200°C liegen. Für den Fall, dass sich kein Wasser in der Wanne ange
reichert hat, entspricht die dort gemessene Temperatur der Heißgastemperatur. Die Warme ist
im Versuchsaufbau so ausgeführt, dass bei Beginn eines Versuches diese mittels einer
Schwenkvorrichtung einfach entleert werden kann.
Jede einzelne der insgesamt acht Düsen 6 hat einen Wasserdurchsatz von 250 kg/h. Das
Treibmittel für die Düsen 6 ist Sattdampf: Die Verwendung von Druckluft ist prinzipiell auch
möglich.
Folgender Versuch wurde durchgeführt:
Die Düsen werden mit dem Massenstrom gleichmäßig beaufschlagt. Laut Spezifikation des
Herstellers besteht das Tropfenspektrum aus Teilchen mit einem Durchmesser von weniger
als 100 µm.
Die gemessene Gas- sowie Abscheidersumpf-Temperatur liegt im Bereich der vollständigen
Verdampfung.
Die Kammerlänge und der Winkel der Düsenpositionierung können einen wichtigen Einfluss
auf die vollständige Verdampfung haben.
Claims (32)
1. Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere
einen Strom- bzw. Flugtrockner, mit einer Einrichtung zum Einbringen und Verdamp
fen von dem Prozessgas zuzuführendem Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einrichtung eine Verdampfungseinheit (1) aufweist, die im Prozessgasstrom vor dem
Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit
(1) im Prozessgasstrom einem indirekten Prozessgas-Erwärmungssystem, insbesonde
re einem Wärmetauschersystem nachgeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungs
einheit einen durchströmten Kessel aufweist, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen
(6) eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verdampfungseinheit (1) einen Gaseinlass (2), eine daran anschließende erweiterte
Dampferzeugungskammer (8) und einen Gasauslass (18) aufweist, wobei das Wasser
in die Dampferzeugungskammer (8) über mehrere Zweistoffdüsen (6) eingebracht
wird, die ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt bzw. Diffusor (4) zwischen dem
Gaseinlass (2) und der Dampferzeugungskammer (8) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen (6) ver
wendet werden, welche Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit und einer Tröpf
chengröße einbringen, die eine vollständige Verdampfung über eine kurze Weglänge
sicherstellen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Düsen (6)
so eingestellt werden, dass die aus den Düsen austretenden Wassertröpfchen nach kurzer
Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen wie die Prozess
gasströmung.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Pro
zessgasstrom im Behälter eine Geschwindigkeit von 2 bis 10 m/s aufweist, ein Diffu
sorwinkel von 10° bis 40°, insbesondere 25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus
den Düsen austretende Wassernebel eine Tröpfchengröße von < 250 µm, insbesonde
re < 100 µm aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zerstäubungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen (6) so angeordnet sind, dass sich ihre Sprüh
bereiche im Wesentlichen nicht überschneiden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vier bis
zwölf, insbesondere sechs bis zehn, bevorzugt acht Düsen (6) ringförmig im Wesent
lichen zwischen dem Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors (4) im glei
chen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, wobei die Düsen (4) einen Sprüh
mantelwinkel von 15° bis 30°, insbesondere 20° bis 25°, bevorzugt 22° aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Düsen (6) einen Wasserdurchsatz von 150 bis 500 kg/h, bevorzugt etwa 200 bis 300 kg/h
aufweisen.
12. Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasserdampf in den Prozessgasstrom eines
Tabaktrockners, mit einem durchströmten Kessel, in dem über mehrere Zerstäubungs
düsen (6) eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft
wird.
13. Verdampfungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdamp
fungseinheit (1) einen Gaseinlass (2), eine daran anschließende erweiterte Dampfer
zeugungskammer (8) und einen Gasauslass (18) aufweist, wobei das Wasser in die
Dampferzeugungskammer (8) über mehrere Zweistoffdüsen (6) eingebracht wird, die
ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt bzw. Diffusor (4) zwischen dem Gasein
lass (2) und der Dampferzeugungskammer (8) angeordnet sind.
14. Verdampfungseinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen
(6) verwendet werden, welche Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit und einer
Tröpfchengröße einbringen, die eine vollständige Verdampfung über eine kurze Weg
länge sicherste len.
15. Verdampfungseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der
Düsen (6) so eingestellt werden, dass die aus dem Düsen austretenden Wassertröpf
chen nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen
wie die Prozessgasströmung.
16. Verdampfungseinheit nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn
der Prozessgasstrom im Behälter eine Geschwindigkeit von 2 bis 10 m/s aufweist, ein
Diffusorwinkel von 20° bis 40°, insbesondere 25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt
wird.
17. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass der aus den Düsen austretende Wassernebel eine Tröpfchengröße von < 250 µm,
insbesondere < 100 µm aufweist.
18. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerstäubungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen (6) so angeordnet sind, dass sich ih
re Sprühbereiche im Wesentlichen nicht überschneiden.
19. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
dass vier bis zwölf, insbesondere sechs bis zehn, bevorzugt acht Düsen (6) ringförmig
im wesentlichen zwischen dem Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors (4)
im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, wobei die Düsen (4) einen
Sprühmantelwinkel von 15° bis 30°, insbesondere 20° bis 25°, bevorzugt 22° aufwei
sen.
20. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsen (6) einen Wasserdurchsatz von 150 bis 500 kg/h, bevorzugt etwa 200
bis 300 kg/h aufweisen.
21. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet
dass der durchströmte Kessel, insbesondere die Dampferzeugungskammer (8) in mo
dularen Längsabschnitten (8a, 8b) aufgebaut ist, die bevorzugt über Flansche (12, 14)
miteinander verbunden werden können.
22. Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere
einen Strom- bzw. Flugtrockner, bei welchem dem Prozessgas Dampf durch das Ein
bringen und Verdampfen von Wasser zugeführt wird, wobei das Wasser im Prozess
gasstrom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozess
gas in einer Verdampfungseinheit (1) verdampft wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Verdampfungseinheit (1) im Prozessgas
strom einem indirekten Prozessgas-Erwärmungssystem, insbesondere einem Wärme
tauschersystem nachgeordnet ist.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Verdampfungseinheit einen durch
strömten Kessel aufweist, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen (6) eingebrachtes
Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem das Wasser in eine Dampfer
zeugungskammer (8) der Verdampfungseinheit über mehrere Zweistoffdüsen (6) ein
gebracht wird, die ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt, bzw. Diffusor (4) zwi
schen dem Gaseinlass (2) und der Dampferzeugungskammer (8) angeordnet sind.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem Wassertröpfchen mit einer Geschwin
digkeit und einer Tröpfchengröße eingebracht werden, die eine vollständige Verdamp
fung über eine kurze Weglänge sicherstellen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die aus dem Düsen austretenden Wassertröpf
chen nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen
wie die Prozessgasströmung.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem der Prozessgasstrom im Behälter eine
Geschwindigkeit von 2 bis 10 m/s aufweist, wobei ein Diffusorwinkel von 20° bis
40°, insbesondere 25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei dem der aus den Düsen austreten
de Wassernebel eine Tröpfchengröße von < 250 µm, insbesondere < 100 µm auf
weist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem Sprühbereiche der Zerstäu
bungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen (6) so eingestellt werden, dass sie sich im wesentli
chen nicht überschneiden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, bei dem vier bis zwölf, insbesondere
sechs bis zehn, bevorzugt acht Düsen (6) ringförmig im wesentlichen zwischen dem
Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors (4) im gleichen Winkelabstand
zueinander angeordnet sind, wobei die Düsen (4) einen Sprühmantelwinkel von 15°
bis 30°, insbesondere 20° bis 25°, bevorzugt 22° aufweisen.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei dem die Düsen (6) einen Wasser
durchsatz von 150 bis 500 kg/h, bevorzugt etwa 200 bis 300 kg/h aufweisen.
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