DE2154062A1

DE2154062A1 - Verfahren und Einrichtung zum Trocknen von ein Lösungsmittel enthaltenden Schichten

Info

Publication number: DE2154062A1
Application number: DE19712154062
Authority: DE
Inventors: Dwight Martin Rocky River Ohio Wilkinson (V.StA.)
Original assignee: Redman-Heenan International Ltd., Worcester (Großbritannien)
Priority date: 1970-10-30
Filing date: 1971-10-29
Publication date: 1972-05-04
Also published as: AT321820B; GB1342159A; CA951190A; SE386259B; US3757427A; BE774881A; FR2110149A5

Description

Fu 1980

Redman-Heenan International Limited, Worcester / England

zum Trocknen Verfahren und Einrichtung!von ein Lösungsmittel enthaltenden

Schichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Trocknen einer auf ein Werkstück aufgebrachten Schicht, beispielsweise eines Farbstoff- oder Klebstoffüberzuges, die ein Lösungsmittel enthält.

Das Trocknen eines solchen Überzuges in einer konti- . nuierlich arbeitenden Fertigungsstraße erfolgt bisher durch einen oder mehrere Trocknungsöfen, die um die Fertigungsstraße herum angeordnet sind und das Lösungsmittel unter gesteuerten Bedingungen erwärmen und verdampfen. In den meisten Fällen werden die verdampften Lösungsmittelgase kontinuierlich von dem bzw. den öfen abgezogen und in die Atmosphäre entlassen. Zur Verkleinerung der Betriebskosten sowie zur Verringerung der Umwelt-Verschmutzung (durch die in die Atmosphäre entlassenen Lösungsmittel) wurde in neuerer Zeit vorgeschlagen, bei derartigen Systemen die mit Lösungsmitteldämpfen beladenen Abgase des Ofens über einen Brenner oder einen katalytischen Umformer zu führen, so daß die Lösungsmittel durch Verbrennung oxydiert werden, ehe sie in die Atmosphäre gelangen. In einigen Fällen hat man die bei dieser Oxydation von Lösungsmitteldämpfen erzeugte Wärme bereits zur Vorwärmung der dem Ofen zugeführten Frischluft verwendet; es wurde ferner vorgeschlagen, zur Erzielung einer größeren Wirtschaftlichkeit einen Teil der Verbrennungsgase des Brenners zusammen mit der Frischluft wieder in den Ofen zurückzuführen.

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Beispiele solcher Systeme zeigen die US-Patentschriften 3 437 321, 2 80*J 694, 3 106 386, 3 183 605 sowie die brit. •Patentschriften 990 873, 1 027 732 und 822 2kk, Bei allen diesen Anlagen werden jedoch im wesentlichen die gesamten Abgase des Ofens durch den Brenner geführt, was Brenner erheblicher Leistung erfordert. Ein solcher großer Brenner ist nicht nur in den Anschaffungskosten aufwendig, sondern erfordert auch im Betrieb erhebliche Brennstoffmengen. Ein Ersatz ist durch verhältnismäßig kostspielige Katalysatoren möglich. Um ferner die Oxydation der Lösungsmitteldämpfe aufrechtzuerhalten, müssen beträchtliche Mengen an Frisehluft zugeführt werden; da das zugeführte Gasgemisch infolgedessen eine niedrige Temperatur besitzt, ist bei den bekannten Lösungen häufig eine weitere Vorwärmung erforderlich, ehe das Gasgemisch dem Ofen zugeführt werden kann. Bei den bekannten Systemen sind ferner im Ofen zusätzliche Heizeinrichtungen, beispielsweise Strahler oder dgl., vorgesehen, um dem Werkstück beim Hindurchlaufen durch den Ofen genügend Wärme zuzuführen und damit eine rasche Verdampfung des Lösungsmittels zu gewährleisten. Wenngleich ferner bei diesen Systemen ein erheblicher Anteil der Lösungsmitteldämpfe aus den Abgasen entfernt wird, so arbeiten sie doch nicht stets mit maximalem Wirkungsgrad; es entstehen ferner erhebliche WärmeVerluste an die Atmosphäre. Einer der Paktoren, aus denen der schlechte Wirkungsgrad der früheren Systeme resultiert, ist der Umstand, daß die Geschwindigkeit, mit der das Lösungsmittel verdampft und von den durch den Ofen streichenden Gasen mitgenommen wird, ganz klein ist im Verhältnis zur Masse der den Ofen durchsetzenden Gase; tatsächlich werden bisher nur verhältnismäßig kleine Mengen an Lösungsmitteldämpfen im Verhältnis zur gesamten Gasmenge entfernt. Der gesamte Gasstrom, der durch den Ofen geführt werden muß, erwies sich daher als sehr groß, um eine vernünftige Arbeitsgeschwindigkeit der Fertigungsstraße zu erreichen. Es muß also entweder die Produktionsstraße sehr langsam laufen, oder es muß der Ofen wesentlich länger als wirt-

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schaftlich vertretbar gehalten werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Ofen noch weiter zu vergrößern, was die Wirtschaftlichkeit des Systems gänzlich stört. Vergrößert man ferner das Gesamtgasvolumen, das durch das Ofensystem strömt, so müssen die Abmessungen des Brenners oder des katalytischen Umformers entsprechend vergrößert werden, so daß auch der Betrieb dieser Anlagenteile noch unwirtschaftlicher -wird. Die großen GasStrömungsmengen führen ferner zu einem erheblichen Temperaturabfall längs des Ofens, so daß die im Ofen vorgesehenen Wärmequellen zusätzliche Wärme abgeben müssen; es wird in diesem Fall außerdem eine weitere Wärmequelle vor Einführung der Gase in den Ofen notwendig, um die Gase auf eine vernünftige Betriebstemperatur zu bringen.

Bei diesen bekannten Systemen liegt die Konzentration der Lösungsmitteldämpfe bezogen auf die gesamte, das System durchsetzende Gasmenge, in der Größenordnung eines kleinen Bruchteiles eines Prozentes und jedenfalls um einen vorbestimmten Wert unterhalb des zulässigen maximalen Sicherheit sgrenzwertes, der für die meisten in Betracht kommenden Lösungsmittel'festliegt. Bei Toluol beträgt beispielsweise der normale untere Explosionsgrenzwert der Konzentration von Toluoldämpfen in Luft etwa 1.3%· Die allgemeine Sicherheitspraxis erfordert, daß bei Verwendung von Gemischen aus Luft und derartigen Dämpfen die Konzentration etwa im Bereich von l/k des unteren Explosionsgrenzwertes gehalten wird, im angenommenen Fall also bei einer Konzentration von 0.3?· Bei den bekannten Systemen kann daher trotz der großen, den Ofen durchströmenden Luftmenge die Geschwindigkeit der Entfernung von Lösungsmitteldampf für eine gegebene Gasströmung diese Grenzwerte, d.h. etwa 25% des L.E.L. des in Betracht kommenden Lösungsmittels, nicht übersteigen. Infolgedessen ist der Gesamtwirkungsgrad des Systems, verglichen mit der Brennerleistung, dem Energiebedarf und der

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benötigten zusätzlichen Wärme, außerordentlich gering.

Es ist zwar bekannt, daß ein erheblicher Anteil der Wärme der Verbrennungsgase, die den Brenner oder katalytischen Wandler verlassen, durch Entlassen dieser Gase in die Atmosphäre verloren geht; jeder Versucht, einen größeren Anteil dieser Gase im Ofen zu verwenden und das Lösungsmittel in einem stärkeren Maß zu verdampfen, bringt jedoch Schwierigkeiten mit sich, da ein bestimmter Minimalgehalt an Frischluft stets in das System eingeführt werden muß, um die Oxydation der Lösungsmitteldämpfe aufrechtzuerhalten. Werden mehr Verbrennungsgase zurückgeführt, so muß mehr Frischluft zugesetzt werden. Es ist ferner eine bekannte Tatsache, daß der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von einem strömenden Medium auf eine Wärmeübertragungsfläche proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums relativ zu dieser Fläche sowie proportional zur Turbulenz des Strömungsmediums ist. Je geringer die Bewegungsgeschwindigkeit ist, um so größer ist die Tendenz zur Ausbildung eines sog. Grenzschichteffektes, durch den die Oberfläche weitgehend von der im Hauptteil des strömenden Mediums vorhandenen Wärmemenge isoliert wird, was den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wesentlich beeinträchtigt. Wird jedoch die Relativgeschwindigkeit der Bewegung des strömenden Mediums, in diesem Falle der den Ofen durchsetzenden Gase, vergrößert, so wird das Gesamtvolumen der Gase durch das Brennersystem vergrößert, was insbesondere die Betriebskosten erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Mängel den Wirkungsgrad derartiger Systeme wesentlich zu vergrößern, die Notwendigkeit zur Anbringung zusätzlicher Wärmequellen im Ofen dagegen zu verringern oder praktisch zu eliminieren.

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Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß die Abgase des Ofens kontinuierlich abgezogen und in zwei Teilströme unterteilt, nämlich einen in den Ofen zurückgeführten Teilstrom und einen Oxydationsstrom. Letzterer wird durch eine Oxydationsstufe geführt, in der die im Oxydationsstrom enthaltenen Lösungsmitteldämpfe oxydiert oder verbrannt werden. Der rückgeführte Strom unverbrannter Abgase wird nochmals direkt in den Ofen eingeführt, ohne den Brenner zu durchsetzen. Die den Brenner verlassenden Verbrennungsgase werden wiederum in zwei Teilströme unterteilt, von denen der eine in die Atmosphäre entlassen wird. Der andere Teilstrom wird zusammen mit dem rückgeführten Teilstrom unverbrannter Abgase zurück in den Ofen geführt. Dem System wird außerdem ausreichend Frischluft zugeführt, und zwar vorzugsweise über einen Wärmetauscher, der von dem Abgasanteil der Verbrennungsgase beheizt wird. Diese zusätzliche Aufbereitungsluft wird dann direkt dem Ofen zugeführt und hierzu mit dem rückgeführten Teilstrom der Verbrennungsgase sowie mit dem rückgeführten Teilstrom der unverbrannten Abgase vermischt. Bei diesem Verfahren wird der Hauptteil der Gase im Ofen ohne jegliche Aufbereitung kontinuierlich zurückgeführt, wobei diese rückgeführten Gase Wärme nur bei ihrem Durchgang durch den Ofen verlieren, was in den meisten Fällen ein verhältnismäßig kleiner Wärmeverlust ist. Ein wesentlich kleinerer Teil der Abgase wird abgezweigt und bildet den Oxydationsteilstrom; er wird durch den Brenner geführt, wo die Lösungsmitteldämpfe oxydiert werden und die Temperatur gleichzeitig wesentlich angehoben wird. Der rückgeführte Teilstrom der Hochtemperatur-Verbrennungsgase, die den Brenner verlassen, reicht nach seiner Vermischung mit den rückgeführten Abgasen und der zugeführten Frischluft aus, um das Gasgemisch im Ofen innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereiches zu halten, bei dem eine rasche Verdampfung des Lösungsmittels gewährleistet ist; im

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allgemeinen ist hierzu im Ofen keine zusätzliche Wärmequelle notwendig.

Die Erwärmung des dem Ofen zugeführten Gasstromes und die Verdampfung des Lösungsmittels sowie die Trocknung bzw. Aushärtung des Überzuges auf dem Werkstück erfolgen auf diese Weise unter Verwendung einer verhältnismäßig kleinen, von außen zugeführten Wärme; die Hauptwärmequelle ist die Oxydation der Lösungsmitteldämpfe, die in dem Verbrennungsteilstrom der Abgase enthalten sind. Auf diese Weise kann man ferner erreichen, daß die Abgase des Ofens den maxim alen Prozentsatz an Lösungsmitteldämpfen enthalten, nämlich bei oder nahe dem für dieses Lösungsmittel zulässigen Maximalwert; auf diese Weise erreicht man, daß das gesamte System innerhalb der Sicherheitserfordernisse bei maximalem Wirkungsgrad arbeitet. Die Abgase des Ofens werden kontinuierlich durch einen geeigneten Gasanalysator überwacht, der zu jedem Zeitpunkt den Lösungsmitteldampfgehalt der Abgase bestimmt und damit gewährleistet, daß die Sicherheitsgrenzwerte nicht überschritten werden.

Außer dem oben skizzierten Verfahren betrifft die Erfindung eine Trocknungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens. Sie enthält im wesentlichen einen Ofen, Einrichtungen zur Einführung eines Gasstromes in den Ofen sowie zur Verteilung dei Gase über das Werkstück zwecks Erhitzung des Überzuges, ferner Einrichtungen zum kontinuierlichen Abziehen der Abgase des Ofens, Einrichtungen zum Aufteilen der Ofenabgase in zwei Te'lströme, von denen der eine Teilstrom kontinuierlich direkt in den Ofen zurückgeführt wird, währen'" dp>r andere Teilstrom einer Brennkammer bzw. einer katalytischen Einrichtung zugeführt wird, durch die die in den Gasen enthaltenen Lösungsmitteldampfe oxydiert werden. Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Anlage eine Einrichtung zum Trennen der Verbrennungsgase des Brenners in zwei Teilströme, von denen der eine Teilstrom in die Atmosphäre

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entlassen wird, während der andere Teilstrom direkt zum Einlaß des Ofens zurückgeführt wird; schließlich ist eine Frischluftzuführung vorgesehen, durch die Aufbereitungs-Frischluft dem Ofen zugeleitet wird, weiterhin eine Einrichtung zur überwachung des Lösungsmitteldampfgehaltes in den Abgasen des Ofens.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage werden die in den Ofen eingeführten Heißgase vorzugsweise direkt undmit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstücks geleitet, so daß sich an dieser Oberfläche hohe Strömungsgeschwindigkeiten und eine maximale Turbulenz ergeben; auf diese Weise wird ein störender Grenzschichteffekt weitgehend ausgeschlossen.

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles hervor. Es zeigen

Fig.l eine Schemadarstellung einer Anlage zur Durchführung des erfindunsgemäßen Verfahrens;

Fig.2 ein Fließschema des Verfahrens.

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Ehe das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird, soll die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben werden.

Die in Fig.l dargestellte Anlage enthält einen Trockenofen 10, der teilweise geschnitten von einer Stirnseite her dargestellt ist; die Blickrichtung fällt also mit der Bewegungsrichtung des Werkstückes, d.h. mit der Produktionsrichtung, zusammen. Die Einzelheiten der Produktionszeile sind nicht veranschaulicht; es versteht sich jedoch, daß eine solche Produktionsteile geeignete Einrichtungen enthält, um das Werkstück w mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch den Ofen 10 zu fördern. Das Werkstück kann bei-■ spielsweise ein zusammenhängender Metallblechstreifen sein, der einen Farbüberzug trägt; in diesem Falle läuft er nur über Rollen an beiden Enden des Ofens und ist im übrigen in der ganzen Ofenlänge nicht unterstützt. Das Werkstück kann jedoch statt dessen auch ein Gewebe oder ein sonstiges Material sein, mit dem ein Laminat durch ein Klebmittel verbunden ist. Das Werkstück kann weiterhin aus einer Anzahl gesonderter Einzelteile bestehen, die sämtlich nacheinander mit einem Farbüberzug, einer Lackschicht, einem Klebemittel oder dgl. überzogen sind, wobei diese überzüge ausgehärtet oder durch Verdampfen eines Lösungsmittels getrocknet

* werden müssen. In einem solchen Falle müssen natürlich gesonderte Einzelteile oder Werkstücke auf geeignete andere Weise unterstützt werden; sie können beispielsweise auf einem geeigneten Materialförderer aufliegen oder an Tragstangen eines überkopfförderers hängen; insoweit sind die verschiedensten bekannten Fördermöglichkelten anwendbar. Wird irgendein Überkopfförderer benutzt, so müssen selbstverständlich im Innern des Ofens 10 gewisse Änderungen vorgenommen werden, ohne daß hierdurch jedoch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Im Ofen ist eine durchgehende Sammel- bzw. Verteilerleitung 11 vorgesehen, die sich an einer Seite des Ofens über dessen ganze Länge erstreckt; in gewissen Abständen sind an diese Verteilerleitung 11 Abzweigleitungen 12 angeschlossen, die oberhalb und unterhalb des Werkstückes liegen. Diese Abzweigleitungen 12 sind mit einer Anzahl von in Abständen angeordneten Düsen 13 versehen, die derart ausgebildet und gerichtet sind, daß sie die Gas- bzw. Luftströme direkt auf die Oberfläche des Werkstückes lenken. Durch diese auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Gasströme wird eine starke Turbulenz erzeugt und das Aufbauen einer Grenzschicht verhindert. Die Leitung 11 wird vorzugsweise mit einem gasförmigen Trocknungsmedium über einen Lüfter 14 versorgt. Die Düsen 13 können in verschiedener Weise ausgebildet sein, beispielsweise geschlitzte Düsenöffnungen oder dgl. enthalten.

Zum Abziehen der Abgase des Ofens 10 ist eine Abgasleitung 15 vorgesehen. Sie teilt sich auf in eine Rückführleitung 16 und eine Oxydationsstromleitung 17· Die Rückführleitung 16 ist im Querschnitt wesentlich größer als die Oxydationsstromleitung 17 bemessen; dadurch ist gewährleistet, daß der größere Teil der Abgase zurückgeführt wird und nur der verbleibende, kleinere Teil über die Oxydationsstromleitung abgezogen wird. Gewünschtenfalls können geeignete Steuer- und Regelorgane sowie Drosseln im Leitungssystem vorgesehen werden, um die gewünschte Aufteilung der Abgase auf die Rückführleitung 16 und die Oxydationsstromleitung 17 zu erzwingen. Da derartige Drosselsysteme bekannt sind, erübrigt sich eine gesonderte Darstellung. In der Oxydationsstromleitung 17 ist ein Gasanalysator 18, vorzugsweise ein Infrarotspektrum-Analysator, vorgesehen, der den Lösungsmitteldampfgehalt der Abgase ständig überwacht. Die Oxydationsstromleitung 17 ist über einen Lüfter 20 mit der

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Brennkammer 21 verbunden. Die Brennkammer 21 weist einen gasdurchlässigen Brennerschirm 22 auf und wird durch ein Gasbrennersystem 23 gefeuert, der über das Steuerventil 2k mit Erdgas oder einem sonstigen geeigneten brennbaren Gas gespeist wird.

Die im Brenner 21 entwickelten Verbrennungsprodukte besitzen eine verhältnismäßig hohe Temperatur; demgemäß weist die Leitung 25, die die Verbrennungsgase vom Brenner 21 abführt, einen wesentlich größeren Querschnitt als die Leitung 17 auf. Ein geeigneter Temperaturfühler 19 überwacht ständig in der Leitung 25 die Temperatur der durchströmenden Gase. Die Leitung 25, die die Oxydationsprodukte führt, teilt sich ihrerseits in zwei Leitungen auf. Die Abgasleitung 26 führt einen vorbestimmten Teil der Verbrennungsprodukte zur Atmosphäre hin ab, wobei diese Verbrennungsprodukte zunächst einen Wärmetauscher 27 durchsetzen, ehe sie in den Abgaskamin 28 gelangen. Die Rückführleitung 29, die gleichfalls an die Leitung 25 anschließt, besitzt denselben Querschnitt wie die Leitung 26; die Gase In der Leitung 25 werden daher in zwei annähernd gleiche Gasströme aufgeteilt. Die Rüekführleitung 29 führt zur Sammelkammer 30, die ihrerseits mit dem Lüfter I²J in Verbindung steht, der die Gase zurück in den Ofen 10 fördert

An die Sammelkammer 30 ist auch die bereits erwähnte Rüekführleitung 16 angeschlossen, deren Gasstrom sich daher mit dem durch die Rüekführleitung 29 zugeführten Gasstrom mischt.

Um genügend Sauerstoff zur Aufrechterhaltung der Verbrennung der Lösungsmitteldämpfe in der Brennkammer 21 zur Verfügung zu stellen und um außerdem die durch die Abgasleitung 26 abgeführten Gase zu ersetzen, ist an die Sammel-

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kammer 30 außerdem eine Frischluftleitung 31 angeschlossen, deren anderes Ende mit der Unterseite des Wärmetauschers 27 verbunden ist. Der Wärmetauscher wird am oberen Ende mit frischer Luft über einen Ansaugtopf 32, eine Ansaugleitung und einen Lüfter 3¹I versorgt.

In den Leitungen 26 und 29 können selbstverständlich geeignete Drosseln vorgesehen werden, um die gewünschte Aufteilung des Gasstromes der Leitung 25 zu erzwingen; ein geeignetes Drosselventil 35 kann ferner in der Leitung 29 vorgesehen werden, um den Anteil an rückgeführten Oxydationsgasen BU steuern; gewünschtenfalls kann auch in der Leitung 26 eine entsprechende Drossel 36 angeordnet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft im wesentlichen kontinuierlich ab; nach der Anfangsphase des Verfahrens geht das Verfahren wie folgt vor sich:

Das Werkstück w bewegt sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch den Ofen 10. Es trägt an seiner Oberfläche oder in einer Zwischenfläche, wenn ein, Klebmittel verwendet wurde, einen überzug bzw. Auftrag, beispielsweise eine Farbstoffschicht, eine Klebschicht oder einen ähnlichen Auftrag mit einem Lösungsmittel. Das gasförmige Lösungsmitteltrocknungsmedium, dessen Zusammensetzung noch näher erläutert wird, befindet sich auf erhöhter Temperatur, und zwar in einem Bereich, der für eine wirkungsvolle Verdampfung des betreffenden Lösungsmittels besonders geeignet ist. Berücksichtigt man die unterschiedlichsten Lösungsmittel, so kann dieser Temperaturbereich etwa zwischen 200 und 1000⁰F liegen. Dieses gasförmige Trocknungsmedium im vorgegebenen Temperaturbereich wird durch den Lüfter 14 in die Verteilerleitung 11 gefördert, gelangt aus dieser in die Abzweigleitungen 12 und wird durch die Düsen 13 direkt auf die Oberfläche des Werkstückes w ausgeblasen. Bei den in Frage kommenden Temperaturen

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genügt das gasförmige Trocknungsmedium selbst, um das Überzugsmaterial auf der Werkstückoberfläche zu erhitzen und eine rasche und wirkungsvolle Verdampfung des darin enthaltenen Lösungsmittels zu bewirken. Insbesondere gewährleisten die großen Mengen des gasförmigen Trocknungsmediums, die direkt aus den Düsen 13 auf die Oberflächen des Werkstückes ausströmen, eine äußerst wirksame Wärmeübertragung unter Turbulenzströmungsbedingungen; gleichzeitig nehmen die durch den Ofen 10 strömenden großen Gasmengen die unter der Wirkung der Wärme entwickelten Lösungsmitteldämpfe rasch und vollständig mit.

Das gasförmige Medium im Ofen 10 wird kontinuierlich über die Abgasleitung 15 abgezogen. Der Abgasstrom des Ofens .10 wird dann In zwei Gasströme aufgeteilt, nämlich einerseits in den durch die Rückführleitung 16 zum Ofen rückgeförderten Gasstrom und andererseits in einen durch die Leitung 17 weitergeführten Oxydationsstrom. Der Druckabfall, der erforderlich ist, um dieses kontinuierliche Abführen der Abgase durch die Leitung 15 zu gewährleisten, wird einerseits durch den Ventilator 14 und andererseits durch den Ventilator 20 aufgebracht .

Vorzugsweise ist der rückgeführte Abgasstrom wesentlich größer als der Oxydationsstrom; In der Mehrzahl der Fälle * liegt der rückgeführte Gasstrom zwischen 70 und 80% des gesamten Abgasstromes des Ofens, während der Oxydationsstrom den Rest ausmacht, d.h. zwischen 20 und 30$ des Ofenabgasstromes liegt. Die Abgase des Ofens besitzen selbstverständlich eine Temperatur, die etwas unter der Ofeneintrittstemperatur liegt, d.h. zwischen 150 und 900⁰F.

Der Oxydationsstrom unterliegt der Steuerung durch die Überwachungseinrichtung 18, die ständig den Lösungsmitteldampf gehalt des die Leitung 17 durchsetzenden Gasstromes überwacht. Der Lüfter 20 fördert die Gase der Leitung 17 in das Brennersystem 21, in dem sie oxydiert bzw. verbrannt vrerae-i-

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wobei sie den durchlässigen Schirm 22 durchsetzen; das Brennersystem 21 wird durch Brenner 23 mit einer Erdgasflamme befeuert. Vorzugsweise reicht die Wirkung der Erdgasflamme aus, um die Temperatur der Lösungsmitteldämpfe bis auf ihre Selbstzündtemperatur anzuheben; bei dieser Temperatur erfolgt bei Anwesenheit eines Sauerstoffüberschusses spontan eine Oxydation.

Die Zufuhr von Erdgas zum Brenner wird selbstverständlich derart variiert, daß sie gerade ausreicht, um die Selbstverbrennung der Lösungsmitteldämpfe aufrechtzuerhalten; auf diese Weise wird die zusätzliche Wärmezufuhr auf einem Minimum gehalten. Die Verbrennung hebt die Temperatur der resultierenden Oxydationsgasprodukte in den Bereich zwischen 1200 und 1600° P, wodurch das Volumen dieser Gase entsprechend vergrößert wird. Die Hochtemperatur-Oxydationsprodukte werden aus der Brennkammer durch die Leitung 25 abgezogen. Die Temperatur der Gase in dieser Leitung 25 wird ständig überwacht, um zu gewährleisten, daß die Temperatur im Brenner in einem vorbestimmten Bereich bleibt; die Erdgaszufuhr zum Brenner wird entsprechend variiert. Die Oxydationsprodukte werden dann in zwei mehr oder weniger gleiche Gasströme aufgespalten; der eine Gasstrom wird durch die Leitung 26 zur Atmosphäre abgeführt, wobei er zunächst den Wärmetauscher 27 durchsetzt und dann durch den Auslaß 28 zur Atmosphäre hin austritt. Der andere Gasstrom wird durch die Leitung 29 zur Sammelkammer 30 geführt. In beiden Leitungen liegt die Gastemperatur zwischen 1200 und l600°F. Die Aufteilung der Gasströme auf die beiden Leitungen 26 und 29 erfolgt derart, daß durch die Rückführleitung 29 zwischen 5 und 55$ und der Rest, d.h. zwischen 45 und 95? durch die Abgasleitung 26 gefördert wird. Um den verhältnismäßig kleinen Anteil der durch die Abgasleitung 26 in die Atmosphäre entlassenen Gase zu ersetzen und um außerdem genügend freien Sauerstoff zur

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Aufrechterhaltung der Verbrennung in der Kammer 21 zur Verfügung zu stellen, wird durch die Frischluftleitung 31 zu-. sätzliche frische Luft in das System eingeführt. Die Leitung 31 wird vom Wärmetauscher 27 aus mit vorgewärmter frischer Luft versorgt; wie bereits erwähnt, tritt Luft mit Umgebungstemperatur über den Ansaugtopf 32, die Leitung 33 und den Ventilator 3^ in den Wärmetauscher 27 ein. Die vorgewärmte Luft in der Frischluftleitung 31 besitzt eine Temperatur zwischen 200 und 800°F (Mittelwert im Betrieb) In einigen Fällen kann jedoch eine Vorwärmung der Luft entbehrlich sein; die zugeführte Frischluft besitzt dann Umk gebungstemperatur. Auch in diesem Falle wird die zur Aufbereitung zugeführte Frischluft in die Sammelkammer 30 eingeleitet. Das Gasgemisch der Sammelkammer 30 wird dann durch den Ventilator 14 in die Verteilerleitung 11 gefördert und bildet das in den Ofen eintretende gasförmige Trocknungsmedium. Dieses gasförmige Trocknungsmedium stellt damit eine Mischung dar, die folgende Bestandteile aufweist:

1.) Njjchtbehandelte, rückgeführte Abgase in einer Menge zwischen 70 und 80? und mit einer Temperatur zwischen 150 und 900 F, d.h. nur wenig unter der gewünschten Arbeitstemperatur, die im Ofen 10 erreicht werden muß;

2.) eine Mischung von Gasen, die den Rest von 20 bis 30? bilden und enthalten:

a) etwa 5 bis 55? rückgeführter Oxydationsgase mit einer Temperatur zwischen 1200 und l600°F bzw. bei katalytischer Umformung zwischen 7OO und 900⁰F (die Ausdrücke "Verbrennung" und "Oxydation" werden in dieser Beschreibung als äquivalent behandelt),

b) zwischen 95 und *J5? Aufbereitungsluft zwischen Umgebungstemperatur und 800°F.

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Das hieraus resultierende Gemisch besitzt eine Gesamttemperatur, die höher als die Tfcinpfefatur der zurückgeführten, nlchtbehandelten Abgase ist und innerhalb des gewünschten Arbeitsbereiches liegt; auf diese Weise wird dem Ofen IO kontinuierlich gasförmiges Trocknungsmedium in dem gewünschten Temperaturbereich zugeführt. Dieses gasförmige Medium enthält zu einem sehr großen Anteil nichtbehandelte, rückgeführte Abgase des Ofens; nur ein kleiner Anteil dieser Ofenabgase ist abgezweigt und das Lösungsmittel durch Verbrennen hieraus entfernt; es ist ferner nur ein kleiner Anteil zusätzlicher Aufbereitaggsluft (Frischluft) dem Prozeß jeweils zugesetzt. Das Verfahren ist daher äußerst wirtschaftlich hinsichtlich des Brennstoffverbrauches im Brenner, ferner auch wirtschaftlich, was den Verbrauch an Frischluft anbelangt; gleichzeitig wird die Gesamtenergie des Systems in einem hohen Grade im System gehalten, da jeweils nur ein kleiner Anteil der Hochtemperatur-Verbrennungsgase, nämlich zwischen 5 und 25% der gesamten durch den Ofen strömenden Gasmenge, in die Atmosphäre entlassen werden.

Es versteht sich natürlich, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein bestimmtes Lösungsmittel die Dimensionierung und der Betrieb so erfolgen, daß die Arbeitsweise bei oder nahe dem maximalen sicheren Lösungsmitteldampfgehalt gewählt wird, d.h. zwischen 25 und 35? der unteren explosiven Grenze der Konzentration des betreffenden Lösungsmittels. Um zu gewährleisten, daß das Verfahren kontinuierlich in diesem Bereich arbeitet, wird das Verfahren so betrieben, daß das gasförmige Trocknungsmedium, das in den Ofen aus der Sammelkammer eintritt, Lösungsmitteldämpfe enthält, die genügend unter dieser sicheren Maximalgrenze liegen, so daß die zusätzlichen Lösungsmitteldämpfe_s die die Gase beim Durchströmen durch den Ofen mitnehmen, die Konzentration der

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Lösungsmitteldämpfe in den Abgasen des Ofens nicht über den sicheren Grenzwert anheben. Wenn die Konzentration der Lösungsmitteldämpfe den oberen Sicherheitsgrenzwert übersteigt, so kann man im Verfahren zwecks Korrektur dieses Zustandes kleinere Veränderungen vornehmen. Man kann beispielsweise die Geschwindigkeit reduzieren, mit der die Werkstücke bzw. das Material, das den überzug trägt, durch den Ofen gefördert wird; hierdurch erreicht man, daß das den Ofen durchsetzende gasförmige Trocknungsmedium in einer bestimmten Zelteinheit nur eine etwas kleinere Lösungsmittelmenge verdampft. Statt dessen kann man beispielsweise.auch in der Zusammensetzung des überzugsmateriales vor Einführung in den Ofen Änderungen vornehmen, um die Lösungsmittelkonzentration im Überzugsmaterial zu verringern; eine andere Möglichkeit besteht darin, die Stärke des Überzuges zu verkleinern, falls dies ohne Beeinträchtigung der Qualität des Endproduktes zulässig ist. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine zusätzliche Wärmequelle, wie eine Strahlungswärmequelle im Ofen, vorgesehen ist, kann eine Verlangsamung der Produktionsstraße in den meisten Fällen erfolgen, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung der Überzugsschicht des Werkstückes besteht. Bei bekannten Anlagen, bei denen üblicherweise Wärmestrahler direkt die Werkstücke erhitzen, kann demgegenüber die Bewegungsgeschwindigkeit nicht reduziert werden, ohne daß ein Verbrennen oder zumindest eine Beschädigung der Überzugsschicht der Werkstücke zu befürchten ist.

In den meisten Fällen genügt die durch die Oxydation* eines kleinen Teiles der Abgase zugeführte Wärmemenge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, um zu gewährleisten, daß das aus der Sammelkammer in den Ofen eintretende, gemischte gasförmige Trocknungsmedium eine Temperatur in dem gewünschten Arbeitsbereich besitzt. Sollte Jedoch in Einzelfällen diese Wärmezufuhr nicht ausreichend sein, so kann man eine kleine zusätzliche Erhitzung mittels eines in der Samme^- ·

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kanuner vorzusehenden (nicht dargestellten) Hilfsbrenners vornehmen; im allgemeinen ist dies Jedoch nicht erforderlich.

Um einen sicheren Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens zu gewährleisten und um sicherzustellen, daß die zulässige maximale Konzentration an verdampftem Lösungsmittel nicht überschritten wird, erfolgt eine ständige überwachung des vom Ofen abgezogenen Abgasstromes durch einen Gasanalysator, beispielsweise ein Infrarot-Gasspektrometer oder dgl., wodurch eine ständige Messung und Anzeige des Lösungsmitteldampfgehaltes der Abgase gewährleistet ist. Außerdem wird auch- die Temperatur der Oxydationsgase ständig überwacht. Es werden geeignete (nicht dargestellte) Warnlampen und automatische Aus- bzw. Abschalter vorgesehen, wodurch das Bedienungspersonal bei einem gefährlichen Anstieg der Konzentration zunächst gewarnt und beim Portbestand einer gefährlichen Konzentration die Anlage aussgeschaltet bzw. der Betrieb unterbrochen wird.

Die oberen und unteren Grenzwerte im Gehalt der verschiedenen Gase in den einzelnen Gasströmen sind mehr oder weniger genau definiert; sie werden so gewählt, daß bei minimaler Wärmezufuhr und geringstmöglichem Energieverbrauch ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Das Abtrennen von 70 bis aus dem Abgasstrom des Ofens als rückgeführter Gasstrom sowie die Wahl eines Oxydationsgasstromes von 20 bis 30? ergeben sich im wesentlichen aus folgenden Überlegungen: Werden mehr als 30? der Abgase oxydiert, indem sie durch die Brennkammer oder durch eine katalytische Oxydationskammer geführt werden, so fällt die Konzentration der Lösungsmitteldämpfe in den Abgasen allmählich unter den gewünschten Bereich von 25 bis 35?, wodurch der Wirkungsgrad des Systems verringert wird. Führt man andererseits weniger als etwa 20? der Abgase durch die Oxydationskammer, so steigt der Gehalt an Lösungsmitteldämpfen allmählich über den Sicherheitsgrenzwert, was häufige

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Abschaltungen zur Folge hat. Die aus der Oxydations- bzw« Brennkammer austretenden Oxydations- bzw. Verbrennungsgase reichen dann ferner unter bestimmten Umständen nicht aus, um einerseits einen Teil dieser Verbrennungsgase direkt zur Sammelkammer zurückzufahren und um andererseits der verbleibenden Teil durch den Wärmetauscher zu führen; es kann dann erforderlich sein, der Sammelkammer zusätzliche Wärme zuzuführen, um das gasförmige Trocknungsmedium in den gewünschten Arbeitsbereich zu bringen.

Der prozentuale Mischbereich zwischen den rückgeführten Oxydatlonsgasen und Frischluft ergibt sich daraus, daß einerseits im Brenner eine möglichst wirksame Verbrennung bzw. Oxydation erreicht werden soll und dal andererseits das gasförmige Trocknungsmedium in der Sammelkammer 30 eine genügende Wärmemenge besitzen muß, damit das Gasgemisch in dem vorbestimmten Temperaturbereich liegt. Zur Aufrechterhaltung der Oxydation bzw. Verbrennung in der Brennkammer 1st es wesentlich, daß dort der Gehalt an freiem Sauerstoff nicht kleiner als 16$ 1st. Liegt der Gehalt an freiem Sauerstoff nicht kleiner als 162 1st. Liegt der Gehalt an freiem Sauerstoff unter diesem Wert, so ergibt sich eine unvollständige Verbrennung; das dabei entstehende Kohlenstoffmonoxyd verringert den unteren Explosionsgrenzwert des Abgasgemisches und beeinträchtigt damit die Wirksamkeit des Systems. Es 1st auf der anderen Seite nicht sinnvoll, wesentlich weniger als 5% der Verbrennungsgase in die Sammelkammer 30 zurückzuführen, da der genannte Prozentsatz etwa das Minimum darstellt, bei dem in dem Gasgemisch der Sammelkammer die richtige Betriebstemperatur aufrechterhalten wird.

Arbeitet man im Ofen mit einer niedrigeren Temperatur, so wird selbstverständlich eine kleinere Menge an Verbrennungsgasen in die Sammelkammer zurückgeführt; bei Verfahren, die eine höhere Betriebstemperatur erfordern, werden größere rückge-

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führte Gasmengen benötigt. Abhängig von der Art des Verfahrens und der Art des benutzten Lösungsmittels erfordert ein Verfahren mit sehr niedriger Arbeitstemperatur die Rückführung von etwa 5 bis 15£ der Verbrennungsgaee, während bei einem Verfahren mit sehr hoher Arbeitstemperatur im Ofen etwa 45 bis 55% der Verbrennungsgase zurückgeführt werden.

Das erfindunsgemäße Verfahren sei an drei Beispielen erläutert, die die Anwendung des Verfahrens auf drei typische Fertigungsstraßen veranschaulichen.

Beispiel 1

Ein typisches Verfahren mit niedriger Arbeitstemperatur ist das Trocknen eines mit einem Lösungsmittel dispergierten Klebstoffes bei einem Laminierverfahren. Bei einer solchen Fertigungsstraße wird der Klebstoff durch Walzen, in Form eines Vorhanges, durch eine Sprüheinrichtung oder dgl. aufgetragen; die Lösungsmittel werden in einem Ofen verdampft. Die Betriebstemperatur liegt bei einem solchen Verfahren üblicherweise in einem Bereich zwischen 200 und ^00⁰F. Unter der Annahme, daß die Oxydation des Oxydationsstromes der Abgase in einer Brennkammer erfolgt, wodurch Verbrennungsgase sehr hoher Temperatur erzeugt werden, erfolgt eine Rückführung von etwa 5 bis 25? der Verbrennungsgase zur Sammelkammer, um die Arbeitstemperatur aufrechtzuerhalten; der Rest wird in iorm von Frischluft zugeführt. Erfolgt bei diesem Beispiel die Oxydation durch einen katalytischen Oxydationsprozeß, so besitzen die Gase in dieser Kammer eine wesentlich niedrigere Temperatur, beispielsweise 700 bis 900°F (gegenüber 1200 bis 1600° wie im Falle eines Brenners). In diesem Falle wird dann ein etwas größerer Anteil der Oxydationsgase zur Sammelkammer zurückgeführt, um die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten .

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Beispiel 2

Ein Verfahren mit einer Arbeitstemperatur im mittleren Bereich ist beispielsweise die Verdampfung eines Lösungsmittels aus Glasfasermaterial nach Imprägnierung mit einem Harz. Die Arbeitetemperatur im Ofen liegt hier zwischen 300 und 6OO°P; zwischen 15 und 35? der Oxydationsgase müssen normalerweise zur Sammelkammer zurückgeführt werden, um die gewünschte Arbeitstemperatur des gasförmigen Trocknungsmediums aufrechtzuerhalten.

Beispiel 3

Ein Verfahren im höheren Temperaturbereich ist das Trocknen von Färb» oder Lackschichten auf einem Metallblech (und zwar im Rahmen einer den überzug herstellenden Fertigungsstraße). Bei diesem Verfahren liegen die Temperaturen im Ofen im Bereich zwischen 350 und 900⁰F. Zwischen 15 und 55% der Oxydationsgase werden zur Samme!kammer zurückgeführt, um die gewünschte Betriebstemperatur im Ofen aufrechtzuerhalten .

Zur weiteren Erläuterung seien im folgenden die charakteristischen Daten einiger ausgewählter Lösungsmittel wiedergegeben:

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Zusammensetzung und Eigenschaften einiger Lösungsmittel

Lösungs mittel	Anfangs- siedetemp. Grad P	Trocknungs- temp. Grad F	Selbst entzün dung s- temp. Grad P	Explosions untiGrenze	bereich ob.Grenz
MEK	17¹I	179	96O	1.8	10.0
Isophorone	401	428	864	0.8	3.8
Alkohol (N-Butyl)	241	246	693	1.4	11.2
Xylol	281	287	984	1.1	7.0
Butyl-Cellosolve	334	343	472	1.1	10.6
Cellosolve-Acetat	293	329	715	1.7	-
Toluol	2-30.5	23I.8	1026	1.3	7.0

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Trocknen einer auf ein Werkstück aufgebrachten Schicht, beispielsweise eines Farbstoff-Uberzuges, die ein Lösungsmittel enthält, durch kontinuierliches Verdampfen und Oxydieren dieses Lösungsmittels, dadurch gekennzeichnet,

- daß das mit der zu trocknenden Schicht versehene Werkstück durch einen Ofen gefördert wird,

- daß kontinuierlich ein gasförmiges Trocknungsmedium

in den Ofen bei erhöhter Temperatur in einen vorbestimmten Temperaturbereich eingeführt wird, so daß das Lösungsmittel rasch verdampft und von dem gasförmigen Medium mitgenommen wird,

- daß kontinuierlich Abgase vom Ofen'abgezogen werden, die außer dem gasförmigen Medium das mitgenommene verdampfte Lösungsmittel enthalten,

- daß dieser Abgasstrom in einen Oxydationsstrom und in einen rückgeführten Strom unterteilt wird,

- daß der Oxydationsstrom einer Oxydationskammer zugeführt, dessen Temperatur erhöht und eine Oxydation des verdampften Lösungsmittels bei Anwesenheit von genügend freiem Sauerstoff zur Aufrechterhaltung der Oxydation bewirkt wird, so daß diese Abgase erhitzt und in gasförmige Oxydationsprodukte umgewandelt werden, deren Temperatur höher als die Temperatur des zum Ofen rückgeführten Abgas-Teilstromes ist,

- daß diese Oxydationsprodukte in einen Abgasstrom und in einen rückgeführten Strom unterteilt werden,

- daß als gasförmiges Trocknungsmedium in den Ofen ein Gemisch des rückgeführten Teilstromes der Ofenabgase,

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des rückgeführten Teilstromes der Oxydationsprodukte und zugesetzter Luft eingeführt wird, wobei durch die Mischung des rückgeführten Teilstromes der Oxydationsprodukte mit dem rückgeführten Teilstrom der Abgase und der zugesetzten Luft die Temperatur des Gemisches in den vorgegebenen Arbeitsbereich angehoben wird, und

- daß die Abgase des Ofens auf ihren Gehalt an verdampftem Lösungsmittel überwacht werden.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Trocknungsmedium zwischen 70 und 80% an rückgeführten Abgasen bei einer leicht unterhalb des vorgegebenen Arbeitsbereiches liegenden Temperatur enthält, wobei der Rest von 20 bis 30% aus einer Mischung von 5 bis 55* Oxydationsprodukten und 45 bis 95% Frischluft besteht.
3«) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ofen abgezogenen Abgase verdampftes Lösungsmittel in einer Konzentration zwischen 25 und H0% des unteren Explosionsgrenzwertes der Lösungsmittelkonzentration enthalten.
ίί.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der OxydationBteilstrom der Abgase zwischen 20 und 30% der Abgase beträgt, während der rückgeführte Teilstrom den Rest der Abgase bildet.
5·) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der OxydationsteilBtrom der Abgase durch einen Brenner geführt und hierbei oxydiert wird, wobei die Brennertempeitxtur wenigstens auf die Selbstentzündungstemperatur des im Oxydationsteilstrom enthaltenen verdampften Lösungsmittels angehoben wird.

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6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Frischluft durch einen vom Abgasteilstrom der Oxydationsgase beheizten Wärmetauscher geführt und hierdurch vorerwärmt wird.
7.) Trocknungsofen zum kontinuierlichen Verdampfen einer auf ein Werkstück aufgebrachten Schicht, die ein Lösungsmittel enthält sowie zur Oxydation dieser Lösungsmittel vor dem Entlassen in die Atmosphäre, gekennzeichnet durch:

- eine Trocknungsofenkammer,

- eine Einrichtung zur kontinuierlichen Hindurchführung des Werkstückes durch die Trocknungsofenkammer;

- eine Einrichtung zur Einführung großer Mengen eines gasförmigen Trocknungsmediums in die Ofenkammer bei einer innerhalb eines gewünschten Temperaturbereiches liegenden, erhöhten Arbeitstemperatur;

- eine Einrichtung zur Zuführung des gasförmigen Trocknungsmediums direkt zum Werkstück sowie zur Erzeugung einer turbulenten Strömung an der Werkstückoberfläche, so daß eine wirksame Wärmeübertragung erfolgt, das Lösungsmittel verdampft und vom gasförmigen Trocknungsmedium mitgenommen wird;

- eine Einrichtung zum kontinuierlichen Abziehen der Ofenabgase', enthaltend das gasförmige Trocknungsmedium und das mitgenommene, verdampfte Lösungsmittel;

- eine Rückführleitung, die an die Abgasleitung angeschlossen ist und einen Teil der Abgase zur Ofenkammer zurückführt;

- eine Oxydationsleitung zur Abzweigung eines Tailes der Ofenabgase;

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- eine an die Oxydationsleitung angeschlossene Oxydationskammer, die bei Vorhandensein einer zur Aufrechterhaltung der Oxydation genügenden Menge von freiem Sauerstoff die Oxydationsgase auf eine höhere Temperatur bringt, so daß die mitgenommenen, verdampften Lösungsmittel oxydiert werden;

- eine Rückführleitung, die an die genannte Kammer angeschlossen ist und einen Teil der oxydierten gasförmigen Produkte zum Einlaß der Ofenkammer zurückfördert;

- eine an die genannte Brennkammer angeschlossene Abgasleitung, die den Rest der Oxydationsgase zur Atmosphäre hin abführt;

- eine Frischluftleitung, die zusätzliche Frischluft der Ofenkammer zuführt.
8.) Trocknungsofen nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasanalysator vorgesehen ist, der ständig den Lösungsmittelgehalt- in den Ofenabgasen überwacht.
9.) Ofen nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der durch den Abgasanteil der Oxydationsgase beheizt wird und die Frischluft vorwärmt .
10.) Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation&kammer durch Erdgasbrenner beheizt wird und ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der die Temperatur der Oxydationsgase hinter der Oxydationskammer überwacht und mit Steuerelementen verbunden ist, die die Zuführung von Erdgas zur Kammer in Abhängigkeit von dem Temperaturnteßwert ändern.

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