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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaumreduzierung von in einem Behältnis angeordneter, schäumender Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung dazu nach Anspruch 11 und eine Abfüllanlage dazu nach Anspruch 16.
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Stand der Technik
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EP 0 231 158 B1 offenbart ein Verfahren zur Zerstörung von Schaum, bei dem der Schaum in eine Fasermatrize eingebracht wird, so dass das Gas und die Flüssigkeit des Schaums freigemacht und voneinander getrennt und aus der Matrize ausgetragen werden.
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DE 10 2015 015 055 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Schaumbildung in Behältern für Flüssigkeiten oder Schäume, wobei eine Schaumzerstörung durch Erwärmung und anschließendes Abkühlen des Schaums erfolgt.
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Aufgabe
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verfahren, eine Vorrichtung und eine Abfüllanlage zur Schaumreduzierung von in einem Behältnis angeordneter, schäumender Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und effiziente Schaumreduzierung ermöglichen.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Schaumreduzierung von in einem Behältnis angeordneter, schäumender Flüssigkeit nach Anspruch 1, die Vorrichtung dazu nach Anspruch 11 und durch die Abfüllanlage dazu nach Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Schaumreduzierung von in einem Behältnis angeordneter, schäumender Flüssigkeit umfasst Durchführen einer statischen Druckvariation in dem Behältnis, wobei die statische Druckvariation mittels Ändern eines in dem Behältnis vorherrschenden ersten Drucks mit einem ersten Druckwert auf einen zweiten Druck mit einem zweiten Druckwert und mittels anschließenden Änderns des zweiten Drucks in dem Behältnis von dem zweiten Druckwert in Richtung zu dem ersten Druckwert auf einen dritten Druck mit einem dritten Druckwert erfolgt.
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Durch die statische Druckvariation sollen Schaumblasen zerstört werden, da eine Schaumblase zerfällt, wenn ihr Volumen nicht mehr stabil ist. Das Volumen einer Schaumblase bestimmt sich aus dem Gleichgewicht zwischen dem Druck des eingesperrten Gases einerseits und der Summe des Drucks unter dem der Behandlungsprozess der Flüssigkeit stattfindet und dem Druck, der durch die Oberflächenspannung der Schaumblase entsteht. Wird der Prozessdruck verkleinert/reduziert, so expandiert die Schaumblase, wird der Prozessdruck erhöht, so komprimiert die Schaumblase.
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Für die Durchführung der statischen Druckvariation kann der Druck im Innern des Behältnisses vom ersten Druck
p1 zu dem zweiten Druck
p2 erhöht werden und danach der zweite Druck
p2 zu einem dritten Druck
p3 abgesenkt werden. Dabei kann der dritte Druck
p3 größer, kleiner oder gleich dem ersten Druck
p1 sein. Insgesamt kann somit gelten:
(Λ: logisches Symbol für „und“; v
: logisches Symbol für „oder“).
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Andererseits kann für die Durchführung der statischen Druckvariation der Druck im Innern des Behältnisses vom ersten Druck
p1 zu dem zweiten Druck
p2 verkleinert werden und danach der zweite Druck
p2 zu einem dritten Druck
p3 erhöht werden. Dabei kann der dritte Druck
p3 größer, kleiner oder gleich dem ersten Druck
p1 sein. Insgesamt kann somit gelten:
(Λ: logisches Symbol für „und“; v: logisches Symbol für „oder“).
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Für die Zeitdauer t = t12 + t23, innerhalb der die statische Druckvariation durchgeführt wird, können insgesamt 0,5 bis 30 Sekunden, bevorzugt 1 bis 15 Sekunden, besonders bevorzugt 2 bis 8 Sekunden vorgesehen sein. Die Zeitdauer t12, innerhalb die Änderung vom ersten Druck p1 zum zweiten Druck p2 erfolgt kann gleich groß, kleiner oder größer sein als die Zeitdauer t23, innerhalb die Änderung vom zweiten Druck p2 zum dritten Druck p3 erfolgt.
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Im Allgemeinen kann die Zeitdauer t12 für die Druckerhöhung kleiner gewählt werden als die Zeitdauer t23 für die Druckabsenkung. Die Druckabsenkung kann von der Leistung der Vakuumpumpe abhängen und kann daher für gängige Vakuumpumpen vergleichsweise langsam sein. Die Druckerhöhung kann vergleichsweise schnell erfolgen, da sie mittels Zuführung eines externen Gases erfolgt.
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Der erste Druckwert und der dritte Druckwert können gleich groß oder verschieden groß sein. D.h., vom ersten Druckwert, der im Allgemeinen einem Prozessdruck entspricht, erfolgt eine Erhöhung/Verkleinerung zu dem zweiten Druckwert und anschließend eine Verkleinerung/Erhöhung zu dem dritten Druckwert.
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Die statische Druckvariation kann getaktet oder periodisch erfolgen.
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Die statische Druckvariation kann in Abhängigkeit einer Schaumbildungsrate gesteuert werden, wobei die Schaumbildungsrate vorzugsweise mittels Auswertung von Kamerabildern und/oder Radarbildern bestimmt werden kann. Die Schaumbildungsrate kann abhängen von dem ersten Druck (d.h. dem im Behältnis vorherrschenden Prozessdruck) und/oder der Temperatur der Flüssigkeit, von der Einbringgeschwindigkeit der Flüssigkeit in das Behältnis, der Ausbildung des Rieselfilms und/oder von dem Gasgehalt der Flüssigkeit.
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Eine Amplitude und/oder eine Frequenz der statischen Druckvariation kann gesteuert werden. So ist es möglich eine optimale Anpassung an Art der Flüssigkeit, Temperatur der Flüssigkeit und/oder Schaumbildungsrate zu erreichen.
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Die statische Druckvariation kann während einer Zeitdauer von 0,5 bis 30 Sekunden stattfinden.
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Die statische Druckvariation kann durch Einbringen von Gas, wie vorzugsweise Sterilluft, Umgebungsluft, Stickstoff oder Kohlendioxid, in das Behältnis erfolgen, wobei das Gas vorzugsweise aus einem Druckreservoir zugeführt werden kann.
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Die statische Druckvariation kann während eines Entgasungsprozesses der Flüssigkeit durchgeführt werden. Die Flüssigkeit kann dann in einem Entgasungstank angeordnet sein, der dazu ausgelegt ist, eine Vakuumentgasung durchzuführen.
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Ein betragsmäßiger Unterschied Ip1 - p2l zwischen dem ersten Druckwert und dem zweiten Druckwert und/oder ein betragsmäßiger Unterschied Ip2 - p3l zwischen dem zweiten Druckwert und dem dritten Druckwert kann jeweils zwischen 30 mbar und 150 mbar, bevorzugt zwischen 50 mbar und 90 mbar liegen. Die zur Schaumzerstörung erforderlichen Druckvariationen sind im Allgemeinen nicht sehr groß, wobei Abhängigkeiten von der Art der Flüssigkeit und/oder ihrer Temperatur vorhanden sein können. Geht man davon aus, dass eine maximale Volumenänderung einer Schaumblase von etwa 30% ausreicht, um sie zu zerstören, so ergibt sich bei einem beispielhaften Entgasungsdruck von 250 mbar eine erforderliche Druckänderung von etwa 70 mbar. Dabei gilt: 1 mbar = 100 Pa.
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Der Flüssigkeit in dem Behältnis können schaumvernichtende Materialien zugesetzt werden. Mit diesen Materialien kann die Oberflächenspannung herabgesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens wie oben und/oder weiter unten beschrieben umfasst ein Behältnis, in dem schäumende Flüssigkeit angeordnet werden kann, und eine Einrichtung zur Erzeugung der statischen Druckvariation.
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Die Einrichtung zur Erzeugung der statischen Druckvariation kann eine Gaszufuhr und eine Vakuumpumpe umfassen, wobei die Gaszufuhr vorzugsweise ein Ventil umfasst, wobei die Einrichtung vorzugsweise weiter eine Auswertevorrichtung zur Auswertung von Kamerabildern und/oder Radarbildern zur Bestimmung einer Schaumbildungsrate der Flüssigkeit umfasst, wobei die Einrichtung vorzugsweise weiter eine Steuervorrichtung umfasst.
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Mittels der Vakuumpumpe kann der Druck im Behältnis verkleinert werden, und mittels der Gaszufuhr kann der Druck im Behältnis erhöht werden.
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Das Ventil kann ein Kolbenventil sein, das zum Schutz von drucklosen Leitungssystemen vor Vakuumbildung bei Arbeitsprozessen, wie Entleeren oder Abkühlen, dient. Es kann bei Unterdruck öffnen, so dass Gas durchtreten kann, bis der Unterdruck wieder abgebaut ist. Mittels des Ventils ist es beispielsweise möglich, den Unterdruck in einem Behälter mit einer nicht geregelten Vakuumpumpe variabel einzustellen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Druckregelung im Entgasungsbehältnis im Allgemeinen, d.h. ohne die erfindungsgemäße statische Druckvariation, folgendermaßen erfolgen kann: Die Leistung der Vakuumpumpe ist immer so ausgelegt, dass diese deutlich über der Menge an Gas liegt, die im Prozess ausgast. Da die Leistung der Vakuumpumpe im Allgemeinen nicht geregelt ist (Frequenzumformer beispielsweise sind kostenintensiv), wäre anderenfalls die Evakuierungsdauer des Entgasungsbehältnisses während der Inbetriebnahme unverhältnismäßig hoch. Für die Regelung des Entgasungsdruckes wird daher ein Ventil, auch als „Schnüffelventil“ bezeichnet, verwendet, welches das Entgasungsbehältnis mit der Umgebung verbindet. Dadurch wird dann die Menge an Umgebungsluft angesaugt, die zu viel von der Vakuumpumpe abgepumpt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung können für die Druckimpulse der statischen Druckvariation aber auch andere Druckgase verwendet werden, beispielsweise aus einem Druckreservoir, wodurch schnellere Druckerhöhungen möglich sein können.
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Die Kamerabilder und/oder Radarbilder können mit geeigneten Bilderfassungsvorrichtungen erfasst werden. Diese Bilderfassungsvorrichtungen können ein Teil der Vorrichtung sein oder auch getrennt von ihr vorgesehen sein. Mit den Bildern wird vorzugsweise die Schaumschicht auf der Flüssigkeit zumindest teilweise abgebildet, so dass beispielsweise ihre Dicke ermittelt werden kann. Werden in zeitlichen Abständen Bilder aufgenommen, so kann auch eine zeitliche Entwicklung des Schaums ermittelt werden.
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Die Steuervorrichtung kann dazu ausgelegt sein, die statische Druckvariation zu steuern, insbesondere die ersten, zweiten und dritten Druckwerte sowie die entsprechenden Zeitdauern.
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Das Behältnis kann ein Entgasungstank sein, wobei der Entgasungstank vorzugsweise eine Zuführleitung für die Flüssigkeit und eine Abführleitung für die Flüssigkeit umfasst.
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Die Vorrichtung kann weiter eine CIP-Kugel umfassen, die dazu ausgelegt ist, Gas in das Behältnis einzubringen. Eine CIP-Kugel kann eine Sprühkugel sein, die im Allgemeinen für eine CIP-Reinigung (Cleaning in Place) verwendet werden kann.
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Es kann eine Bypass-Leitung für die Vakuumpumpe vorgesehen sein.
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Die Erfindung umfasst auch eine Abfüllanlage, insbesondere eine Getränkeabfüllanlage, mit einer Vorrichtung wie oben oder weiter unten beschrieben zur Ausführung des oben oder weiter unten beschriebenen Verfahrens, einer Pasteurisierungsvorrichtung zur Haltbarmachung der schäumenden Flüssigkeit, einer Pufferung oder Lagerung sowie mit einer Abfüllmaschine zur Abfüllung von Behältern, insbesondere Getränkebehältern wie Fässern oder Flaschen.
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Die beigefügten Figuren stellen beispielhaft zum besseren Verständnis und zur Veranschaulichung Aspekte der Erfindung dar. Es zeigt:
- 1 eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zur Schaumreduzierung von in einem Entlassungstank angeordneter, schäumende Flüssigkeit,
- 2 einen schematischen Verlauf einer p(t)-Kurve und
- 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Schaumreduzierung von in einem Behältnis angeordneter, schäumende Flüssigkeit.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Durchführen eines Verfahrens zur Schaumreduzierung von in einem Entgasungstank 2 angeordneter, schäumender Flüssigkeit 3. Die Vorrichtung 1 umfasst den Entgasungstank 2, in den Flüssigkeit 3 über einen Flüssigkeitseinlauf 4 einbringbar ist, wobei der Flüssigkeitseinlauf 4 im Kopfraum 5 des Entgasungstanks 2 angeordnet ist. Die Flüssigkeit 3 fließt dann in einem Rieselfilm 6 an der Innenwandung des Entgasungstanks 2 in den Fußraum 7 des Entgasungstanks 2 und sammelt sich dort an. Im Rahmen eines Entgasungsprozesses herrscht im Innenraum des Entgasungstanks 2 ein Unterdruck, so dass sich Gas aus der Flüssigkeit 3 löst und über eine Vakuumpumpe 8 aus dem Kopfraum 5 des Entgasungstanks 2 abgesaugt werden kann. Der Unterdruck wird mittels der Vakuumpumpe 8 erzeugt, die an den Entgasungstank 2 über ein Leitungssystem 9 angeschlossen ist.
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Da im Allgemeinen ein Teil des Gases in der Flüssigkeit 3 verbleibt, bildet sich oberhalb der im Fußraum 7 angeordneten Flüssigkeit 3 eine Schaumschicht 10 aus.
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Um eine Schaumreduzierung zu erreichen, kann für die Durchführung der statischen Druckvariation der Druck im Innern des Entgasungstanks 2 vom ersten Druck p1 zu dem zweiten Druck p2 erhöht werden. Dies erfolgt durch ein Zuführen von Gas durch die Gaszufuhr 11. Das Gas kann über eine Zuleitung 12 oder mittels einer CIP-Kugel 13, die im Kopfraum 5 des Entgasungstanks 2 angeordnet ist, in den Kopfraum 5 eingebracht werden. Mittels eines Ventils 14 kann die Verbindung zur Vakuumpumpe 8 unterbunden werden. Nach der Erhöhung des Drucks von p1 auf p2, wird der zweite Druck p2 zu einem dritten Druck p3 abgesenkt. Dies erfolgt durch ein Schließen der Gaszufuhr 11, so dass die Vakuumpumpe 8 durch Absaugen des Gases den dritten Druck p3 erzeugt.
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Andererseits kann für die Durchführung der statischen Druckvariation der Druck im Innern des Entgasungstanks 2 vom ersten Druck p1 zu dem zweiten Druck p2 verkleinert werden. Dies erfolgt durch ein Vergrößern der Absaugrate der Vakuumpumpe 8, wodurch mehr Gas aus dem Kopfraum 5 des Entgasungstanks 2 abgesaugt und so der dort vorherrschend Druck verkleinert wird. Nach der Verkleinerung des Drucks von p1 auf p2, wird der zweite Druck p2 zu einem dritten Druck p3 erhöht. Dies erfolgt durch ein Zuführen von Gas durch die Gaszufuhr 11. Das Gas kann über eine Zuleitung 12 oder mittels einer CIP-Kugel 13, die im Kopfraum 5 des Entgasungstanks 2 angeordnet ist, in den Kopfraum 5 eingebracht werden. Mittels eines Ventils 14 kann die Verbindung zur Vakuumpumpe 8 unterbunden werden.
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Die entschäumte und entgaste Flüssigkeit kann über einen Flüssigkeitsauslass 15 aus dem Entgasungstank 2 ausgebracht werden.
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2 zeigt in einem Diagramm 100 einen schematischen Verlauf einer p(t)-Kurve bei einer Durchführung einer statischen Druckvariation. Die y-Achse 101 entspricht den Druckwerten in Pascal (Pa) und die x-Achse 102 den Zeitwerten in Sekunden (s). In dem Diagramm 100 ist zum Einen der Verlauf für eine getakte statische Druckvariation dargestellt. Ausgehend von dem in einem Behältnis vorherrschenden mittleren Druck 103 beginnt die getakte statische Druckvariation bei einem ersten Druck 1041 der dann auf einen zweiten Druck 1051 erhöht und danach auf einen dritten Druck 1061 verkleinert wird. Zwischen den einzelnen statischen Druckvariationen kann eine Zeitdauer Δt verstreichen, in der der vorherrschende mittlere Druck 103 beibehalten wird.
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Zum Anderen ist in dem Diagramm 100 eine kontinuierliche statische Druckvariation dargestellt, bei der der Druck um den dem in einem Behältnis vorherrschenden mittleren Druck 103 variiert wird. Die kontinuierliche statische Druckvariation beginnt exemplarisch zu einer Zeit 0 s bei einem ersten Druck 1042 der im Wesentlichen dem mittleren Druck 103 entspricht. Dieser Druck wird dann auf einen zweiten Druck 1052 erhöht und danach auf einen dritten Druck 1062 verkleinert wird. Danach kann der mittlere Druck 103 wieder angenommen werden und dann die kontinuierliche statische Druckvariation wieder von vorne beginnen. In der Darstellung hat weist die kontinuierliche statische Druckvariation einen sinusförmigen Verlauf auf.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Schaumreduzierung von in einem Behältnis angeordneter, schäumender Flüssigkeit.
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Im optionalen Schritt 200 kann Flüssigkeit in das Behältnis eingefüllt werden. Das Behältnis kann eine Flasche sein oder ein Entgasungstank.
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Im Schritt 201 erfolgt ein Steuern der zweiten Druckwerts p2, der durch den Wert p2 und/oder durch den betragsmäßigen Unterschied Ip1 - p2l unter Angabe, ob p2 größer oder kleiner als p1 ist, definiert werden kann. Zudem kann die Zeitdauer t12 für die Änderung von p1 zu p2 definiert und entsprechend gesteuert werden
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Im Schritt 202 erfolgt ein Ändern des vorherrschenden ersten Drucks p1 auf einen zweiten Druck p2 basierend auf der Steuerung des Schritts 201.
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Im Schritt 203 erfolgt ein Steuern der zweiten Druckwerts p3, der durch den Wert p3 und/oder durch den betragsmäßigen Unterschied Ip2 - p3l unter Angabe, ob p3 größer oder kleiner als p2 ist, definiert werden kann. Zudem kann die Zeitdauer t23 für die Änderung von p2 zu p3 definiert und entsprechend gesteuert werden.
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Im Schritt 204 erfolgt ein Ändern des zweiten Drucks p2 in Richtung zu dem vorherrschenden ersten Druck p1 auf einen dritten Druck p3 basierend auf der Steuerung des Schritts 203.
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Im optionalen Schritt 205 kann ein Ausbringen der Flüssigkeit aus dem Behältnis erfolgen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Behältnis ein Entgasungstank ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0231158 B1 [0002]
- DE 102015015055 A1 [0003]