DE102005020683B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker, nachfolgend als Feststoff bezeichnet, zumindest aufweisend ein als Direktwärmeübertrager ausgebildetes Schmelzrohr (1) mit:
a. einem Zulauf (2) für den Feststoff,
b. einem Ablauf (3) für die beim Schmelzen des Feststoffs durch Phasenumwandlung entstehende Flüssigkeit,
c. einem Zulauf (4) für ein Wärmeträgerfluid sowie
d. einem Ablauf (5) für das Wärmeträgerfluid,
wobei das Wärmeträgerfluid und der Feststoff im Schmelzrohr (1) zum Zwecke der Wärmeübertragung in unmittelbaren Kontakt miteinander stehen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker oder Zuckerlösungen gemäß der Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung.
• Beim Schmelzen von Zucker oder Zuckerlösungen mit oder ohne Zugabe von Wasser auf etwa 200 °C entstehen Röstprodukte, die beispielsweise in der Süßwaren- und Spirituosenindustrie als Geschmacks- und Farbstoffe eingesetzt werden. Während des Schmelzprozesses, der auch als Karamellisieren bezeichnet wird, kann dabei mehr in Richtung Aromabildung oder mehr in Richtung Farbbildung der Röstprodukte Einfluss genommen werden. Beim Schmelzen kann allerdings eine zu lange Verweilzeit von Zucker oder Zuckerlösungen in der Schmelzvorrichtung oder eine Prozessführung mit zu hohen Schmelztemperaturen zu geschmacklichen Unzulänglichkeiten der Röstprodukte oder aber auch partiell zu ihrer Verkohlung führen. Zur Erzielung von identischen Chargen von Röstprodukten mit einem gleichbleibenden Aroma und gleichbleibender Farbe ist deshalb nicht nur die Einhaltung optimaler Prozessbedingungen, sondern auch der Einsatz von dazu geeigneten Schmelzvorrichtungen unerlässlich.
• Das industrielle Schmelzen von Zucker oder Zuckerlösungen zur Herstellung von Confiserie und Zuckerwaren erfolgt im Stand der Technik üblicherweise unter Verwendung von diskontinuierlich betriebenen Rührkesseln. Hierbei werden der Zucker oder die Zuckerlösungen dem Rührkessel chargenweise zugeführt und nachfolgend unter ständigem Rühren erhitzt. Die Behälterwand des Rührkessel dient hierbei als Wärmeübertragungsfläche, wobei die Außenseite der Behälterwand mit dem zum Schmelzen notwendigen Wärmeträgermedium in Kontakt gebracht wird. Um im Rührkessel die Schmelztemperatur des Zucker oder der Zuckerlösungen in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit zu erreichen und um die Wärmeverluste im Rührkessel zu vermeiden, werden Wärmeträgermedien mit einer zum Teil wesentlich höheren Temperatur als der Schmelztemperatur des Zuckers oder der Zuckerlösungen eingesetzt. Durch Wärmeleitung von der Außenseite zur Innenseite der Behälterwand des Rührkessels werden zuerst der bzw. die in unmittelbarer Wandnähe sich befindliche Zucker oder Zuckerlösungen erwärmt. Die Innenseite der Behälterwand hat auf Grund des geringen Wärmeleitwiderstandes der Behälterwand des Rührkessels lokal ähnlich überhöhte Temperaturen wie das Wärmeträgermedium auf der Außenseite Behälterwand des Rührkessels. Aufgrund nicht vermeidbarer Fertigungstoleranzen bezüglich einer hydraulisch glatten Oberfläche der Innenseite der Behälterwand kommt es trotz ständiger Bewegung des Rührwerks lokal zu großen Verweilzeiten des Zuckers oder der Zuckerlösungen auf der Innenseite. Diese lokalen Bereiche sind durch Verkohlungen der Röstprodukte gekennzeichnet, was zwangsläufig eine Qualitätsminderung oder gar die vollständige Unverwertbarkeit dieser Röstproduktcharge bedeutet. Die Verwendung derartiger Schmelzvorrichtungen birgt mehrere Nachteile in sich. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass mit dieser Schmelzvorrichtung kein kontinuierlicher Prozessablauf realisiert werden kann. Des Weiteren muss das Rührwerk ständig gewartet werden, was zu nicht unerheblichen Betriebskosten führt. Der entscheidende Nachteil dieses diskontinuierlichen Prozessablaufs besteht jedoch darin, dass beim Aufschmelzen der ersten Zuckerpartikel die noch nicht aufgeschmolzenen Zuckerpartikel zum Teil agglomerieren. Ab diesem Zeitpunkt verschlechtert sich zum einen die Wärmeleitung innerhalb der Schmelze, da ein vollständiges Verrühren der Schmelze nicht mehr durchgeführt werden kann, und zum anderen hat die inhomogene Schmelze keinen vollflächigen Behälterwandkontakt.
• Aus dem Stand der Technik ist dazu eine Vorrichtung zur Herstellung flüssiger Zuckerwaren vorbekannt, die in der DE 199 51 462 A1 offenbart ist. Die Vorrichtung weist zumindest eine Dosiereinrichtung zum Zuführen von zuckerhaltigen Trockenkomponenten und von Flüssigkomponenten sowie ein Mischgerät auf. Der Mischer ist hierbei als Hochschermischer ausgebildet, in welchem die Trockenkomponenten und die Flüssigkomponenten durch einen Rotor intensiv durchrührt werden und sie sich auf Grund der dabei entstehenden Reibungswärme verflüssigen.
• Aus der DE 30 18 909 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bonbon, insbesondere Karamel-Bonbon vorbekannt, bei dem ein Druckreaktor Anwendung findet. Im Druckreaktor wird die Zuckerschmelze geschmolzen. Dem Druckreaktor wird ferner ein Gas zugesetzt, welches einen höheren Druck als den Betriebsdruck des Druckreaktors aufweist. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass nach dem Schmelzvorgang ein Rührwerk in Bewegung gesetzt wird und dass das Gas durch eine im Unterteil des Druckreaktors unterhalb des Rührwerks angeordnete, gasdurchlässige Platte in den Druckreaktor eingeleitet wird.
• Den vorgenannten Erfindungen haftet der Nachteil an, dass unter Verwendung von Rührkesseln oder Druckreaktoren kein kontinuierliches Schmelzen von Zucker durchgeführt werden kann, da fortlaufend eine Beladung mit zu schmelzendem Zucker und eine Entladung mit geschmolzenem Zucker realisiert werden muss. Dies führt zu den bereits erwähnten Problemen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker vorzuschlagen, mit denen die Agglomeratbildung und das Verklumpen während der Phasenumwandlung vermieden werden, und die des Weiteren ein kontinuierliches Schmelzen ohne überhitzte Bereiche sowie ohne eine partielle Verkohlung gestatten.
• Nach der Konzeption der Erfindung weist die Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker, nachfolgend als Feststoff bezeichnet, zumindest ein als Direktwärmeübertrager ausgebildetes Schmelzrohr mit einem Zulauf für den Feststoff, einen Ablauf für die beim Schmelzen des Feststoffs durch Phasenumwandlung entstehende Flüssigkeit, einen Zulauf für ein Wärmeträgerfluid sowie einen Ablauf für das Wärmeträgerfluid auf. Das Wärmeträgerfluid und der Feststoff stehen dabei im Schmelzrohr zum Zwecke der Wärmeübertragung in unmittelbaren Kontakt miteinander.
• Gegenüber dem Stand der Technik kann mit dem Schmelzrohr der Zucker kontinuierlich geschmolzen werden. Durch den kontinuierlichen Schmelzvorgang, respektive stationärer Schmelzvorgang, ist die zeitliche Temperaturänderung im Schmelzrohr nahezu Null.
• Das Schmelzrohr besteht bevorzugt aus einem die Schmelze kontaktierenden perforierten Innenrohr, einem zur Umgebung weisenden Außenrohr sowie einem zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr platzierten Ringspalt. Der in seiner Größe beliebig ausgebildete Ringspalt ist dabei im Zusammenwirken mit dem perforierten Innenrohr als zweiter Zulauf für das Wärmeträgermedium ausgebildet. Das heißt, dass ein erstes oder ein zweites Ende des Ringspaltes mit dem Wärmeträgerfluid beaufschlagt wird, welches dann anschließend die Perforationen des Innenrohr durchdringend mit dem zu schmelzenden Zucker partiell in Kontakt gebracht wird. Dadurch, dass das Wärmeträgerfluid in direktem Kontakt mit dem Zucker gebracht wird, sichert die in Summe große Wärmeübertragungsfläche des Zuckergranulats zum einen eine homogene Erwärmung des Zuckers und zum anderen einen effizienten Wärmeaustausch. Die Perforation des Innenrohrs des Schmelzrohrs wird bevorzugt durch Öffnungen in Form von Düsen und/oder Schlitzen gebildet, wobei diese Öffnungen entlang der Oberfläche des Innenrohrs eine Schleierströmung des als Gas ausgebildeten Wärmeträgerfluids sicherstellen. Diese Schleierströmung kann in Abhängigkeit der gewählten Einströmgeschwindigkeit des Wärmeträgerfluids mehr oder weniger stark ausgebildet sein.
• Bei einer bevorzugten Ausgestaltung können mehrere Schmelzrohre vorgesehen werden, die parallel oder seriell zueinander angeordnet sind. Für den Fall der seriellen Anordnung werden die einzelnen Schmelzrohre nacheinander und für den Fall der parallelen Anordnung werden die einzelnen Schmelzrohre gleichzeitig mit zu schmelzendem Zucker und dem Wärmeträgerfluid beaufschlagt.
• Zusätzlich kann zur Unterstützung des erforderlichen Wärmeintrags in das Schmelzrohr eine Rohrbeheizung vorgesehen werden, die bevorzugt mit dem Innenrohr des Schmelzrohrs in Kontakt steht.
• Der Feststoffeintrag in das Schmelzrohr und der Flüssigkeitsaustrag aus dem Schmelzrohr kann erfindungsgemäß sowohl an den axialen Enden oder im Bereich der Mantelfläche, d. h. seitlich des Schmelzohrs erfolgen.
• Es hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn dem Schmelzrohr eine Wirbelschichtapparatur vorgeschaltet ist, in der bestimmte Zustandsgrößen, beispielsweise die Temperatur und die Feuchte, des als Feststoff vorliegenden Zuckers gezielt beeinflusst werden. Nach den in der Wirbelschichtapparatur vorgenommenen Zustandsänderungen des Zuckers weist dieser dann für das Schmelzen im Schmelzrohr besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Diese Wirbelschichtapparatur weist zumindest einen, aber bevorzugt mehrere voneinander räumlich getrennte Prozessbereiche auf, wobei jeweils benachbarte Prozessbereiche unter Verwendung von als Kanäle und Querschnittsöffnungen ausgebildeten Über- bzw. Unterläufen miteinander gekoppelt sind. Der Prozessbereich weist dabei einen Zulauf für den Feststoff, einen Ablauf für den in seinen Eigenschaften veränderten Feststoff sowie einen Zulauf und einen Ablauf für das zur Fluidisation des Feststoffs erforderliche gas- bzw. dampfförmige Fluid auf. Für den Fall, dass die Wirbelschichtapparatur mehrere Prozessbereiche aufweist, so kann auch jeder Prozessbereich alle oder nur einige dieser vorgenannten Zu- und Abläufe aufweisen. Außerdem können die einzelnen Prozessbereiche der Wirbelschichtapparatur in ihrer Größe und Geometrie identisch oder bevorzugt unterschiedlich ausgebildet sein. Ferner kann die Wirbelschichtapparatur mehrere Zuströmkammern aufweisen, wobei die einzelnen Prozessbereiche im Bereich der Zuströmkammern mittels Segmentierungen voneinander getrennt sind.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Prozessbereiche der Wirbelschichtapparatur kaskadenartig zueinander angeordnet. Die die jeweils zwei benachbarten Prozessbereiche koppelnden Über- bzw. Unterläufe sind in Durchströmungsrichtung dabei derart vorzugsweise wechselseitig platziert, dass sich ein mäanderförmiges Strömungsbild des fluidisierten Feststoffs durch die Wirbelschichtapparatur ausbildet. Für den Fall, dass die die jeweils zwei benachbarten Prozessbereiche koppelnden Über- bzw. Unterläufe nicht wechselseitig, sondern auf jeweils einer gleichen Seite platziert sind, wird ein gerades Strömungsbild erzielt.
• Der Feststoffeintrag in die Wirbelschichtapparatur und der Feststoffaustrag aus der Wirbelschichtapparatur kann erfindungsgemäß sowohl an einer Stirnseite als auch an einer Längsseite der Wirbelschichtapparatur erfolgen.
• Das Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker gemäß den Vorrichtungsmerkmalen des Anspruch 1 umfasst folgende Verfahrensschritte:
• • Zuführung des Feststoffs beliebiger Korngröße in das Schmelzrohr unter Verwendung des Zulaufs des Feststoffs,
• • Zuführung des Wärmeträgerfluids in das Schmelzrohr unter Verwendung des Zulaufs des Wärmeträgerfluids,
• • Oberflächenbenetzung und Wärmeübertragung des Feststoffsgranulats durch das Wärmeträgerfluid,
• • Kontinuierliche Phasenumwandlung des Feststoffs aus der festen Phase in die flüssige Phase,
• • Abführung des flüssigen Feststoffs unter Verwendung des Ablaufs des geschmolzenen Feststoffs und
• • Abführung des geänderte Eigenschaften aufweisenden Wärmeträgerfluids aus dem Schmelzrohr unter Verwendung des Ablaufs des Wärmeträgerfluids.
• Zum Zwecke der Fluidisierung wird der als Feststoff vorliegende Zucker vor seiner Zuführung in das Schmelzrohr unter Verwendung einer Wirbelschichtapparatur vorbehandelt. In der Wirbelschichtapparatur wird zur gezielten Zustandsänderung, beispielsweise zur Temperaturänderung, dem Zucker das gas- bzw. dampfförmige Fluid zugesetzt. Naturgemäß verläuft bei einer Fluidisation in der Wirbelschichtapparatur ein Aufstrom der fluidisierten Schicht infolge der sich ausbildenden Blasen und ein Absinken der fluidisierten Partikel im Bereich nicht vorhandener Blasen. Die Wirbelschichtapparatur ist deshalb derart ausgebildet, dass eine möglichst hohe Intensität an Stoff- und Wärmeaustauchvorgängen durch intensives Durchmischen erzielt wird. Dies wird u. a. dadurch erreicht, indem das Fluid und der Feststoff im Kreuz- oder Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden.
• Im Schmelzrohr hingegen werden das Wärmeträgermedium und der Feststoff nach Verlassen der Wirbelschichtapparatur einem reinen Wärmeaustausch im Gleich- oder Gegenstrom unterzogen.
• Die Verweilzeit des Feststoffs in dem Schmelzrohr ist vorrangig von den Parametern Korngröße des Granulats des Feststoffs und/oder Massenstrom des Feststoffs und/oder Geometrie und Dimensionierung des Schmelzrohrs und/oder Eigenschaften des Wärmeträgerfluids abhängig.
• Die Verweilzeit des Feststoffs in der Wirbelschichtapparatur ist vorrangig von den Parametern Massenstrom des Feststoffs und/oder Geometrie, Anzahl und Dimensionierung der einzelnen Prozessbereiche der Wirbelschichtapparatur abhängig.
• Das Fluidisationsverhalten des Feststoffs kann in den einzelnen Prozessbereichen unterschiedlich eingestellt werden. Bei der geringsten Geschwindigkeit wird das auf mehreren nebeneinander oder übereinander angeordneten Rosten vorhandene Zuckerfestbett nur durchströmt. Bei einer sehr hohen Geschwindigkeit hingegen wird der Grenzbereich der Flugförderung erreicht.
• Durch die bevorzugt wechselseitige Platzierung der die jeweils zwei benachbarten Prozessbereiche koppelnden Über- bzw. Unterläufe wird ein mäanderförmiger Feststofftransport, respektive ein mäanderförmiges Strömungsbild, durch die Wirbelschichtapparatur erzielt.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der für die thermische Behandlung des Zuckers im Schmelzrohr und/oder in der Wirbelschichtapparatur erforderliche Wärmeeintrag durch Konvektion und/oder Strahlung realisiert werden.
• Grundsätzlich lässt sich durch die apparative Größe des Schmelzrohres und durch die Strömungsgeschwindigkeit des zu schmelzenden Zuckers und/oder des Wärmeträgerfluids die Verweilzeit des zu schmelzenden Zuckers im Schmelzrohr einstellen. Die Temperatur des festen und flüssigen Zuckers im Schmelzrohr lässt sich durch die Eigenschaften des Wärmeträgerfluids und durch die Rohrbeheizung beeinflussen, da sich der Wärmeaustausch zwischen dem Zucker und dem Wärmeträgerfluid durch konvektiven Wärmeübergang und Wärmestrahlung sowie durch einen Wärmeübergang von dem Innenrohr zum Zucker und zum Wärmeträgerfluid vollzieht.
• Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
• • störungsfreier kontinuierlicher Schmelzvorgang unter Verwendung eines kompakt aufgebauten Schmelzrohrs,
• • keine rotierenden oder translatorischen Bewegungen eines zur Durchmischung vorgesehenen Rührwerks notwendig,
• • Vermeidung von Agglomeratbildung und Verklumpung, da bei einem kontinuierlichen Schmelzvorgang die zeitliche Temperaturänderung im Schmelzrohr nahezu Null ist und die Zuckerpartikel im Schmelzrohr als Feststoffwolke transportiert werden und somit der Kontakt der Zuckerpartikel untereinander minimiert wird,
• • Vermeidung von überhitzen Bereichen im Schmelzrohr, da das als Feststoff vorliegende Zuckergranulat vollständig und gleichmäßig vom Wärmeträgerfluid beim Durch- und Umströmen ganzflächig kontaktiert wird.
• Weitere Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
• 1: schematische Darstellung eines als Direktwärmeübertrager ausgebildeten Schmelzrohrs in der Ausführung als Gegenströmer,
• 2: schematische Darstellung eines als Direktwärmeübertrager ausgebildeten Schmelzrohrs in der Ausführung als Gleichströmer,
• 3: schematische Darstellung einer mit dem Schmelzrohr gekoppelten Wirbelschichtapparatur und
• 4: schematische Darstellung einer mit dem Schmelzrohr gekoppelten Wirbelschichtapparatur mit mehreren Prozessbereichen.
• Die 1 illustriert eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker, welche im dargestellten Beispiel ein einziges als Direktwärmeübertrager ausgebildetes Schmelzrohr 1 umfasst. Das Schmelzrohr 1 besteht hierbei aus einem die Schmelze 6 kontaktierenden perforierten Innenrohr 1.1, einem zur Umgebung weisenden Außenrohr 1.3 sowie einem zwischen dem Innenrohr 1.1 und dem Außenrohr 1.3 platzierten Ringspalt 1.2. Der in seiner Größe beliebig ausgebildete Ringspalt 1.2 ist dabei im Zusammenwirken mit dem perforierten Innenrohr 1.1 als ein zweiter Zulauf für das Wärmeträgermedium ausgebildet. Das Schmelzrohr 1 umfasst des Weiteren einen ersten Zulauf 2 für den Feststoff, einen Ablauf 3 für die beim Schmelzen des Feststoffs durch Phasenumwandlung entstehende Flüssigkeit, einen Zulauf 4 für ein Wärmeträgerfluid sowie einen Ablauf 5 für das Wärmeträgerfluid. Das als Gas ausgebildete Wärmeträgerfluid und der Zucker werden im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht, so dass aus fertigungstechnischen Gründen sowohl der Zulauf 2 und der Ablauf 3 für den als Zucker vorliegenden Feststoff, als auch der Zulauf 4 und der Ablauf 5 für das Wärmeträgerfluid wechselseitig an beiden Enden des Schmelzrohres platziert sind. Im dargestellten Beispiel ist das Schmelzrohr 1 vertikal positioniert und der Zulauf 2 für den noch ungeschmolzenen Zucker am oberen Bereich angeordnet, was sich besonders vorteilhaft auf die Abführung der beim Schmelzen des Feststoffs durch Phasenumwandlung entstehenden Flüssigkeit gemäß dem Schwerkraftprinzip auswirkt. Die Zuführung des Wärmeträgerfluids erfolgt unter Verwendung des Zulaufs 4, welcher dem Zulauf 2 des zu schmelzenden Zucker gegenüberliegend angeordnet ist. Folglich sind der Zulauf 2 für den schmelzenden Zucker und der Ablauf 5 für das Wärmeträgermedium sowie der Zulauf 4 für das Wärmeträgermedium und der Ablauf 3 der flüssigen Zuckerschmelze auf jeweils einer gemeinsamen Seite des Schmelzrohres 1 platziert. Die Beschickung des Schmelzrohres 1 mit den an der Phasenumwandlung des Zuckers beteiligten Stoffpartnern sowie das Verfahren zum Betreiben des Schmelzrohres wird wie folgt durchgeführt. Unter Verwendung des Zulaufs 2 erfolgt die Beschickung des Schmelzrohres 1 mit einem gewünschten Massenstrom an zu schmelzendem Zucker. Gleichzeitig wird über den Zulauf 4 das Wärmeträgerfluid im Gegenstrom in das Schmelzrohr 1 geführt, so dass es in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und dem Einströmwinkel zu einer gerichteten Bewegung des zu schmelzenden Zuckers kommt. Die für die thermische Behandlung des Zuckers erforderliche thermische Energie wird dem Zucker über das Wärmeträgerfluid zugeführt, welches zum einen über den ersten Zulauf 4 und zum anderen über den Ringspalt 1.2 und die perforierte Innenwand 1.1 der Schmelze 6 des Schmelzrohrs 1 zugeführt wird. Dazu wird der Ringspalt 1.2 an einem Ende des Schmelzrohres 1 mit Wärmeträgerfluid beaufschlagt, welches sich über die Schmelzrohrlänge verteilt, und durch die Öffnungen 1.4 des perforierten Innenrohrs 1.1 als Schleierströmung mit ausreichender Geschwindigkeit entlang der zur Schmelze 6 weisenden Oberfläche des Innenrohres 1.1 strömt. Somit kann ein Absetzen von ungeschmolzenem oder geschmolzenem Zucker in Abhängigkeit der Geschwindigkeit und der Richtung des Wärmeträgerfluids gezielt beeinflusst werden. Der nach der Phasenumwandlung vorliegende flüssige Zucker verlässt das Schmelzrohr 1 am Ablauf 3.
• Die 2 illustriert eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker, welche im dargestellten Beispiel ein einziges als Direktwärmeübertrager ausgebildetes Schmelzrohr 1 umfasst. Das Schmelzrohr 1 entspricht im Aufbau dem der 1 jedoch mit dem einzigen Unterschied, dass das Schmelzrohr 1 als Gleichströmer ausgebildet ist Eine Gleichströmung im Schmelzrohr 1 wird nicht nur durch die Anordnung der beiden Zuläufe 2, 4 und der beiden Abläufe 3, 5 der beiden Stoffpartner an jeweils einem gemeinsamen Ende des Schmelzrohres 1 erzielt, sondern vielmehr ist es auch notwendig, die Geschwindigkeiten und die Massen- bzw. Volumenströme beider Stoffpartner entsprechend anzupassen.
• Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer mit dem Schmelzrohr 1 direkt oder indirekt gekoppelten Wirbelschichtapparatur 7. Während in der 3 nur ein einzelner Prozessbereich 8 dargestellt ist, umfasst die Wirbelschichtapparatur 1 gemäß 4 mehrere Prozessbereiche 8. Da das grundsätzliche Zusammenwirken der Wirbelschichtapparatur 7 und des Schmelzrohrs 1 in den 3 und 4 identisch ist, beziehen sich die nachfolgenden Ausführungen sowohl auf die 3 als auch auf die 4. Die Wirbelschichtapparatur 7 umfasst einen oder mehrere Roste 16, auf denen der Zucker in Form eines Festbettes platziert ist. Die Befüllung, d. h. die Zuführung und die Steuerung des Massen- bzw. Volumenstroms, der Roste 16 mit dem als Feststoffteilchen vorliegenden Zucker erfolgt über den Zulauf 10. Die Zuführung des zur Ausbildung eines Zweiphasengemischs erforderlichen Fluids oder Fluidisationsmediums (beispielsweise Gas) erfolgt über den Zulauf 12. Oberhalb der Roste 16 wird der Zucker fluidisiert. Der an den Massen- bzw. Volumenstrom des Fluids gebundene Enthalpiestrom wird zur thermischen Behandlung des Zuckers eingesetzt. Die thermische Behandlung des Zuckers innerhalb der Wirbelschichtapparatur 7 erfolgt derart, dass der über den Ablauf 11 der Wirbelschichtapparatur 7 abgeführte fluidisierte Zucker die für das Schmelzrohr 1 erforderlichen Eigenschaften aufweist. Mit der Fluidisierung nimmt der Zucker niedrigviskose Eigenschaften an und wird – in Abhängigkeit der Temperatur des Fluids – entsprechend temperiert. Das zur Fluidisation eingesetzte gas- bzw. dampfförmige Fluid verlässt nach der thermischen und physikalischen Behandlung des Zuckers die Wirbelschichtapparatur 7 über den Ablauf 13 und kann bevorzugt unter Verwendung eines nicht dargestellten Kreislaufs dem Zulauf 12 der Wirbelschichtapparatur 7 zur Wiederverwendung erneut zugeführt werden. Zu den thermischen Behandlungsverfahren sind hierbei die Temperierung und die Trocknung zu nennen. Nach der thermischen Behandlung des Zuckers in der Wirbelschichtapparatur 7 wird der fluidisierte Zucker über den Ablauf 11 der Wirbelschichtapparatur 7 dem Zulauf 2 des Schmelzrohres 1 zugeführt. Das weitere Schmelzen des Zuckers erfolgt gemäß der Beschreibung zu den 1 und 2.
• 4 zeigt eine Wirbelschichtapparatur 7, die zwei nebeneinander angeordnete Zuströmkammern 14 aufweist. Jede dieser Zuströmkammern 14 ist einem Prozessbereich 8 vorgeordnet. Im Bereich der Zuströmkammern 14 sind diese Prozessbereiche 8 durch Segmentierungen 15 voneinander abgetrennt. Die Prozessbereiche 8 sind jedoch unter Verwendung von als Kanäle und Querschnittsöffnungen ausgebildeten Über- bzw. Unterläufen 9 miteinander gekoppelt. Der vom Betrachter linke abströmige Prozessbereich der 4 weist einen Ablauf 11 für den in seinen Eigenschaften, insbesondere die Temperatur, veränderten Feststoff auf, welcher mit dem Zulauf 2 des Schmelzrohres direkt oder indirekt gekoppelt ist.

1

Schmelzrohr

1.1

Innenrohr

1.2

Ringspalt

1.3

Außenrohr

1.4

Öffnungen des Innenrohrs

2

Zulauf für den Feststoff

3

Ablauf für den geschmolzenen Feststoff

4

Zulauf für das Wärmeträgerfluid

5

Ablauf für das Wärmeträgerfluid

6

Schmelze

7

Wirbelschichtapparatur

8

Prozessbereiche der Wirbelschichtapparatur

9

Über- und Unterläufe

10

Zulauf für den Feststoff der Wirbelschichtapparatur

11

Ablauf für den Feststoff der Wirbelschichtapparatur

12

Zulauf für das Fluid der Wirbelschichtapparatur

13

Ablauf für das Fluid der Wirbelschichtapparatur

14

Zuströmkammern der Wirbelschichtapparatur

15

Segmentierungen

16

Rost, Anströmboden

Claims (19)

1. Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker, nachfolgend als Feststoff bezeichnet, zumindest aufweisend ein als Direktwärmeübertrager ausgebildetes Schmelzrohr (1) mit: a. einem Zulauf (2) für den Feststoff, b. einem Ablauf (3) für die beim Schmelzen des Feststoffs durch Phasenumwandlung entstehende Flüssigkeit, c. einem Zulauf (4) für ein Wärmeträgerfluid sowie d. einem Ablauf (5) für das Wärmeträgerfluid, wobei das Wärmeträgerfluid und der Feststoff im Schmelzrohr (1) zum Zwecke der Wärmeübertragung in unmittelbaren Kontakt miteinander stehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzrohr (1) aus einem die Schmelze (6) kontaktierenden perforierten Innenrohr (1.1), einem zur Umgebung weisenden Außenrohr (1.3) sowie einem zwischen dem Innenrohr (1.1) und dem Außenrohr (1.3) platzierten Ringspalt (1.2) aufgebaut ist, wobei der Ringspalt (1.2) im Zusammenwirken mit dem perforierten Innenrohr (1.1) als zusätzlicher Zulauf für das Wärmeträgermedium ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforation des Innenrohrs (1.1) des Schmelzrohrs (1) durch Öffnungen (1.4) in Form von Düsen und/oder Schlitzen gebildet wird, wobei diese Öffnungen (1.4) entlang der Oberfläche des Innenrohrs (1.1) eine Schleierströmung des als Gas ausgebildeten Wärmeträgerfluids sicherstellen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzrohr (1.1) eine Rohrbeheizung aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Schmelzrohr (1) vorgeschaltete und zur gezielten Zustandsänderung des Feststoffs vorgesehene Wirbelschichtapparatur (7) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschichtapparatur (7) mehrere voneinander räumlich getrennte Prozessbereiche (8) aufweist, wobei jeweils benachbarte Prozessbereiche (8) unter Verwendung von als Kanäle und Querschnittsöffnungen ausgebildeten Über- bzw. Unterläufen (9) miteinander gekoppelt sind, und der anströmseitige Prozessbereich einen Zulauf (10) für den Feststoff und der abströmseitige Prozessbereich einen Ablauf (11) für den in seinen Zustandsgrößen veränderten Feststoff aufweisen, wobei zumindest einer der Prozessbereiche mit einem Zulauf (12) für das zur Fluidisation des Feststoffes erforderliche Fluid vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessbereiche (8) der Wirbelschichtapparatur (7) in ihrer Größe und Geometrie unterschiedlich ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschichtapparatur (7) mehrere Zuströmkammern (14) aufweist, wobei die einzelnen Prozessbereiche (8) im Bereich der Zuströmkammern (14) mittels Segmentierungen (15) voneinander getrennt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessbereiche (8) der Wirbelschichtapparatur (7) kaskadenartig zueinander angeordnet sind, wobei die – jeweils zwei benachbarte Prozessbereiche (8) koppelnde – Über- bzw. Unterläufe (9) in Durchströmungsrichtung derart wechselseitig platziert sind, dass sich ein mäanderförmiges Strömungsbild des Feststoffes in der Wirbelschichtapparatur (7) einstellt.
10. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Schmelzen von Zucker gemäß den Vorrichtungsmerkmalen des Anspruch 1 umfassend folgende Verfahrensschritte: • Zuführung des Feststoffs beliebiger Korngröße in das Schmelzrohr (1) unter Verwendung des Zulaufs (2) des Feststoffs, • Zuführung des Wärmeträgerfluids in das Schmelzrohr (1) unter Verwendung des Zulaufs (4) des Wärmeträgerfluids, • Oberflächenbenetzung und Wärmeübertragung des Feststoffsgranulats durch das Wärmeträgerfluid, • Kontinuierliche Phasenumwandlung des Feststoffs aus der festen Phase in die flüssige Phase, • Abführung des flüssigen Feststoffs aus dem Schmelzrohr (1) unter Verwendung des Ablaufs (3) für geschmolzenen Feststoff und • Abführung des geänderte Eigenschaften aufweisenden Wärmeträgerfluids aus dem Schmelzrohr (1) unter Verwendung des Ablaufs (5) des Wärmeträgerfluids.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff vor Zuführung in das Schmelzrohr (1) unter Verwendung einer Wirbelschichtapparatur (7) zuerst fluidisiert wird, wobei der Wirbelschichtapparatur (7) zur Veränderung des Feststoffzustands ein Fluid zugesetzt wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schmelzrohr (1) das Wärmeträgermedium und der Feststoff, ggf. bereits fluidisiert, einem Wärmeaustausch im Gleich- oder Gegenstrom unterzogen werden.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wirbelschichtapparatur (7) zur Ausbildung eines Zweiphasengemischs das Fluid und der Feststoff im Kreuz- oder Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Feststoffs in dem Schmelzrohr (1) von den Parametern: a. Korngröße des Granulats des Feststoffs und/oder b. Massenstrom des Feststoffs und/oder c. Geometrie und Dimensionierung des Schmelzrohrs (1) und/oder d. Eigenschaften des Wärmeträgerfluids abhängig ist.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Feststoffs in der Wirbelschichtapparatur (7) von den Parametern: a. Massenstrom des Feststoffs und/oder b. Geometrie, Anzahl und Dimensionierung der einzelnen Prozessbereiche (8) der Wirbelschichtapparatur (7) abhängig ist.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den Prozessbereichen (8) der Wirbelschichtapparatur (7) die Geschwindigkeit des Feststoffs von der Ruheposition im durchströmten Festbett bis zum Grenzbereich der Flugförderung reicht.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftransport durch die Wirbelschichtapparatur (7) mäanderförmig erfolgt.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der für die thermische Behandlung des Zuckers erforderliche Wärmeeintrag im Schmelzrohr (1) und/oder in der Wirbelschichtapparatur (7) durch Konvektion und/oder Strahlung erfolgt.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Schmelzrohr (1) als auch in den einzelnen Prozessbereichen (8) der Wirbelschichtapparatur (7) unterschiedliche Bedingungen einstellbar sind.