DE2810045A1

DE2810045A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstaeubungstrocknung von fluessigen und pastosen stoffen

Info

Publication number: DE2810045A1
Application number: DE19782810045
Authority: DE
Inventors: Suchov Stanis Aleksandrovitsch; Frolikov Ivan Ivanovitsch; Rumyancev Ivan Ivanovitsch; Pavlovskij Lev Leontievitsch; Piterskich Georgij Petrovitsch
Original assignee: FROLIKOV; PAVLOVSKIJ LEV LEONTIEVITSCH; RUMYANCEV IVAN IVANOVITSCH; SUCHOV STANISLAV ALEKSANDROVIT
Current assignee: FROLIKOV; PAVLOVSKIJ LEV LEONTIEVITSCH; RUMYANCEV IVAN IVANOVITSCH; SUCHOV STANISLAV ALEKSANDROVIT
Priority date: 1978-03-02
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1979-09-13
Also published as: US4183145A; DE2810045C3; DE2810045B2

Description

1. Georgy Petrovich Piterskikh *ν·νντν

2. Stanislav Alexandrovich Sukhov 3· Ivan Ivanovich Rumyantsev

4. Lev Leontievich Pavlovsky
5· Ivan Ivanovich Frolikov

Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastosen Stoffen

Dip Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastosen Stoffen (Lösungen, Suspensionen und Pasten), die auf zahlreichen Anwendungsgebieten, beispielsweise insbesondere in der chemischen und mikrobiologischen Industrie,, eingesetzt werden können.

Dip Technologie der Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastenartigen Stoffen sowie entsprechender Vorrichtungen befindet sich in vielen Industrieländern derzeit in stürmischer Entwi cklung.

Bei der Entwicklung entsprechender Verfahren und Vorrichtungen !stellen nich folgende Probleme:

(1) Vergrößerung des Wirkungsgrads, der hei den herkömmlichen Anlagen noch gering ist, wob»- i zugleich eine hohe Qualität des Endprodukts gewähr l< -i ;:1 et sein soll;

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(2) mit der gleichen Vorrichtung verschiedene Stoffe dünnflüssige wie auch pastose - trocknen zu können;

(3) Instandhaltung und Betrieb der Trocknungsvorrichtungen zu vereinfachen sowie

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(4) den Aufwand an Metall bei den Trocknungsanlagen und demzufolge ihre Herstellungskosten zu senken.

Bereits bekannt sind Verfahren zur Trocknung von flüssigen Stoffen, die darauf beruhen, daß ein in Form von Tropfen zerstäubtes flüssiges oder fluides System bei der Bewegung in einem abgeschlossenen Raum aufgrund des unterschiedlichen Partialdrucks der Flüssigkeit an der Oberfläche der Tropfen und im umgebenden Medium entwässert wird.

Im Vergleich zu anderen Verfahren zur Trocknung von flüssigen Stoffen weist die Zerstäubungstrocknung die Vorteile der Ausbildung einer sehr großen Oberfläche für den Stoff- und Wärmeübergang zwischen den Phasen und damit einer hohen Trocknungsgeschwindigkeit auf.

Die Zerstäubungstrocknung erlaubt außerdem, ein gasförmiges Trockenmittel mit hoher Temperatur zu verwenden und -den Trocknungsprozeß in Vakuum bzw. in einem Inertgasmedium durchzuführen.

Zur Durchführung dieser Verfahren werden verschiedene Troetaiungsvorrichtungen eingesetzt, die mit Fliehkraft-, mechanischen oder DruckluftZerstäubern versehen sind, wobei als Energieträger «in gasförmiges Zerstäubungs- und Trocken-

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mittel wie etwa Druckluft, Rauchgase u. dgl. verwendet wird.

Die oben genannten Trocknungsvorrichtungen erfordern spezielle Einrichtungen zur Erzeugung und Zuführung des jeweiligen Zerstäubungsmittels wie Kompressoren, Luftgebläse u. dgl. sowie Einrichtungen zum Erwärmen des Trockenmittels wie Kalorifere, Wärmeaustauscher, Feuerungsanlagen u. dgl. Diese zusätzlichen Einrichtungen führen notwendigerweise zu einem zusätzlichen Energieaufwand beim Trocknen.

Die Trocknungsvorrichtungen weisen außerdem Trocknungskammern und Einrichtungen zur Trennung des Fertigprodukts vom Trockenmittel auf, was die Abmessungen der Trockner sowie ihre Herstellungskosten wesentlich erhöht.

Die meisten bekannten Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastosen Stoffen und entsprechenden Vorrichtungen beruhen auf der Verwendung der Energie stationärer Ströme, in denen die Relativgeschwindigkeit der Teilchen des zu trocknenden Stoffs gering ist, deren Bewegung zudem nahezu völlig der Bewegung des gasförmigen Mediums entspricht, was die Effektivität des Verfahrens wesentlich verringert und einen erhöhten Energieaufwand für die Zerstäubung und Trocknung flüssiger und pasfcoser Stoffe erforderlich macht.

Bekannt sind ferner ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen mit einem gasförmigen Trockenmittel hoher Temperatur durch kontinuierliche Änderung seines Zustands unter Ausbildung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, Einführung eines flüssigen Stoffs in die Strömung und Wechselwirkung darin; die Vorrichtung weist dabei eine Verbrennungskammer und einen Rohr-

stutzen zur Abführung ^der Verbrennungsprodukte mit einer in seiner Achse angeordneten Brenndüse zur Zuführung des Ausgangsmaterials auf (vgl. den SU-Urheberschein 157 279₃ Kl» B05B 3/18, 1963).

Dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung weisen jedoch ebenfalls bestimmte Nachteile auf, insbesondere:

Unmöglichkeit des Einsatzes zur Zerstäubungstrocknung von pastosen Stoffen, da es nicht möglich ist, das zu trocknende Material über den Strömungsquerschnitt gleichmäßig zu verteilen; nur kurze Verweilzeit des Stoffs im Bereich der Wirkung der schnellen Strömung des Wärmeträgers sowie die Unmöglichkeit, die Grenztemperatur des gasförmigen Mediums infolge der Rezirkulation des Ausgangsmaterdals in den Bereich hoher Temperaturen und der damit zusammenhängenden thermischen Belastung bzw. des Verderbens des Endprodukts zu erreichen.

Bekannt sind schließlich ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von pastosen Stoffen im Gegenstrom eines Hochtemperatur-Trockenmittels sowie eine entsprechende Vorrichtung, die aus koaxial ineinandergebauten Rohrstutzen besteht, in denen jeweils eine Vorrichtung zur Zuführung des Ausgangsstoffs vorgesehen ist (vgl. den SU-Urheberschein 3^8 835, 3969).

Dieses Verfahren und die diesbezügliche Vorrichtung sind aufgrund der Vergrößerung der Verweilzeit des zu trocknenden Stoffs in der Strömung hoher Geschwindigkeit im Prinzip zum Trocknen von f lüsi? igen und pastosen Stoffen geeignet .

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Ihr Nachteil besteht jedoch in der Notwendigkeit, das Zerstäubungsmittel unter einem großen Druck zuzuführen, was eine Erhöhung des Energieaufwands zur Folge hat. Die Grenztemperatur des Wärmeträgers in dieser Anlage kann auch hier bei nicht realisiert werden, da das Endprodukt bei Vergrößerung seiner Verweilzeit im Bereich hoher Temperaturen thermisch zu sehr belastet und daher verdorben wird, was eine Steigerung der Gewichtsmenge des Trockenmittels, eine Erhöhung des Energieaufwands für seine Abtrennung aus der Vorrichtung sowie Wärmeverluste durch den verbrauchten Wärmeträger verursacht.

Vom Standpunkt des Energieaufwands ist es vorteilhafter, flüssige und pastose Stoffe durch periodische Änderung des Zustands des gasförmigen Zerstaubungsmittels zu zerstäu ben und zu trocknen, als herkömmliche Verfahrensweisen ■'■

etwa durch Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums wirksamer zu machen, und zur Durchführung dieses Verfahrens einen pulsierenden Strom des Zerstäubungs- und Trockenmittels zu verwenden.

Aus der US-PS 3 6l8 655 (1971) sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastosen Stoffen durch ein gasförmiges Trockenmittel mit Hilfe einer periodischen Änderung seines Zustands durch Stoßwellen bekannt, bei denen der flüssige bzw. pastose Stoff unter Einwirkung der Stoßwelle zerstäubt wird; die Vorrichtung weist eine Verbrennungskammer für ein Brenn stoff-Luft-Gemisch, ein mit ihr in Verbindung stehendes Resonanzrohr mit Brenndüse zur Einführung und Zerstäubung des zu trocknenden Stoffs, eine Vorrichtung zur Abtrennung des Endprodukts vom verbrauchten gasförmigen Trockenmittel,

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je einen Zyklon und einen Rohrstutzen zur Abführung des Trokkenmittels "enthält, sowie eine Trocknungskammer auf, die zwischen dem Zyklon und dem Resonanzrohr angeordnet ist.

Da sich die Veränderung des Zustands des gasförmigen Trockenmittels bei diesem Verfahren durch wesentliche Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit und unwesentliche Schwankungen des Drucks und der Dichte auszeichnet, ist entsprechend eine schwache Stoßwelle vorhanden.

Ein derartiges Verfahren der Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe mit einem gasförmigen Trocknungsmittel unter den obigen Verfahrensparametern und Kenngrößen sowie das Fehlen einer abgestimmten Zufuhr der zu trocknenden Materialien an der Stelle, an der die Veränderung des Zustands des gasförmigen Mediums maximal ist, führen letzten Endes zur Entstehung auch großer Teilchen neben kleinen Partikeln, was ihre weitere Trocknung erschwert.

Die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist ebenfalls eine Reihe von Nachteilen auf:

a) unvollständige Ausnutzung der Energie des zu verbrennenden Brennstoffs, da die bei der Verbrennung des Brennstoff -Luft-Gemischs entstehende Stoßwelle im Augenblick ihrer Dämpfung zur Anwendung gelangt, was zur Dissipation beträchtlicher Energiemengen führt]

b) Entstehung von großen Partikeln, deren weitere Trocknung aufgrund der nicht abgestimmten Zufuhr des Stoffs gegenüber der Änderung der Zustandskenngrößen des gasförmigen Zerstäubungs- und Trockenmittels demgemäß erschwert ist;

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c) niedriger Zerstäubungsgrad und Trocknungsgrad des Stoffs infolge der kontinuierlichen Zufuhr des Ausgangsstoffs zu dem Zeitpunkt, in dem das gasförmige Zerstäubungsmedium absatzweise erzeugt wird;

d) kurze Verweilzeit des zerstäubten Stoffs im Resonanzrohr , wo die Wirkungszone der jeweiligen Stoßwelle liegt, wodurch eine vollständigere Trocknung des Ausgangsmaterials nicht möglich ist;

e) großes Volumen der Trocknungskammer, was die Pulsationsamplitude des gasförmigen Mediums und damit die Intensität des Trocknungsprozesses stark verringert;

f) Erzeugung eines wesentlichen Anteils an Schallenergie, deren Dissipation eine vollständige Verwertung der Energie der verbrannten Brennstoffe unmöglich macht, sowie

g) große Abmessungen der Vorrichtung und erhöhte Verluste an Endprodukt zusammen mit dem verbrauchten Wärmeträger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastosen Stoffen sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die es ermöglichen, nicht nur den Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen wesentlich zu erhöhen, sondern es zugleich erlauben, in ein- und derselben Vorrichtung verschiedene Ausgangsstoffe wie flüssige und pastose Materialien zu trocknen, also den Anwendungsbereich der Vor-

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richtung unter gleichzeitiger Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Senkung des Aufwands an Metallen und Vereinfachung des Aufbaus und des Betriebs sowie der Instandhaltung der Vorrichtung durch vollständigere Ausnutzung der Energie der verbrannten Brennstoffe zu erweitern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger und pastoser Stoffe durch Zerstäubung der flüssigen und pastosen Stoffe und unter Einwirkung einer Stoßwelle darauf gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zerstäubung der Stoffe an der Stelle der maximalen energetischen Kennwerte der Stoßwelle vorgenommen wird.

Die zu zerstäubenden Stoffe werden erfindungsgemäß vorzugsweise an der Stelle maximaler Amplitude der Stoßwelle als Stelle mit maximalen energetischen Kennwerten zerstäubt.

Es ist ferner erfindungsgemäß möglich, zwei Stoßwellen mit koaxialer Ausbreitungsfront einzusetzen, wobei als Kennlinie mit maximaler Energie ihr Aujftreff^punkt herangezogen wird.

Es ist wünschenswert, die Zerstäubung des Ausgangsmaterials in zyklischer Betriebsweise synchron mit der Erzeugung der Stoßwelle vorzunehmen, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Stoffs im Strömungsquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Stoßwelle gesichert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger und pastoser Stoffe gewährleistet eine optimale Ausnutzung der Energie der verbrannten Brennstoffe, er-

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laubt eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit und ermöglicht es, die Trocknung zugleich in einem kleineren Volumen mit minimalem Energieaufwand durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens gelöst, die eine Verbrennungskammer mit einem Resonanzrohr und eine Vorrichtung zur Zerstäubung des zu trocknenden Materials aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtung zur Zerstäubung des zu trocknenden Materials unmittelbar in der Verbrennungskammer vorgesehen ist, was eine vollständigere Ausnutzung der Energie der Stoßwelle erlaubt.

Zur Erhöhung des Zerstäubungsgrads ist es ferner wünschenswert, die Verbrennungskammer vom Resonanzrohr mit einem Aufsatz zu trennen, der perforierte Elemente aufweist, die es ermöglichen, das Ausgangsmaterial während der Pausen zwischen den Stoßwellen an der Stelle der maximalen Stoßwellenenergie festzuhalten.

Zur Vergrößerung des Zerstäubungsgrads des Ausgangsstoffs sowie der Gewinnung des 'Endprodukts aus dem verbrauchten Wärmeträger wird erfindungsgemäß vorzugsweise im Resonanzrohr hinter dem Aufsatz ein Schraubeneinsatz vorgesehen, der die Verweilzeit des Ausgangsstoffs im Einwirkungsbereich der Stoßwelle vergrößert und einen hohen Trennungsgrad der Phasen gewährleistet.'

Bei der Zerstäbungstrocknung pastoser Stoffe mit hoher Viskosität bzw. Gemischen ungleichartiger Stoffe sowie bei erhöhten Anforderungen an den Gewinnungsgrad des Endprodukts werden erfindungsgemäß zweckmäßigerweise zwei Ver-

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brennungskammern eingesetzt, die einander entgegengesetzt und gleichachsig -vorgesehen sind, wobei in den Resonanzrohren Schraubeneinsätze angeordnet sind₃ die die Ströme in entgegengesetzte Richtungen verdrehen, wodurch ein höherer Trennfaktor bei der Phasentrennung sowie eine Vergrößerung der Verweilzeit des Stoffs an der Stelle der frequenzbezogen maximalen Energie der Stoßwelle gewährleistet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Energie der Stoßwelle und demzufolge auch die Energie des verbrannten Brennstoffs vollständiger ausgenützt, wobei die Zerstäubung zugleich feiner und gleichmäßiger wird, was es erlaubt, die Trocknung flüssiger und pastoser Stoffe in einem kleineren Volumen durchzuführen.

Hinzu kommt, daß Einrichtungen zur Abtrennung des Endprodukts aus dem verbrauchten Wärmeträger entfallen, was das erfindungsgemäße Verfahren wie auch die entsprechende Vorrichtung erheblich vereinfacht.

Der Aufsatz zum Auffangen des zerstäubten Stoffs besteht zweckmäßigerweise aus einem Sieb bzw. aus Bandelementen geringer Länge, die senkrecht zur Achse der Verbrennungskammer befestigt sind.

Der Schraubeneinsatz weist vorzugsweise einen Winkel der Schraubenlinie auf, der den Kenngrößen-der Stoßwelle entspricht. Je höher der energetische Kennwert der Stoßwelle ist, um so geringer ist dabei der Neigungswinkel.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

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Pig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen;

Fig. 2 bis 5 die Punktionsweise der Vorrichtung von Fig. 1 in sehematischer Darstellung;

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts;

Fig. 7 bis 10 die Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 6 in sehematischer Darstellung;

Fig. 11 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe;

Fig. 12 bis 15 die Punktionsweise der Vorrichtung von Fig. 11 in sehematischer Darstellung;

Fig. 16 eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts sowie

Fig. 17 die Funktionsweise der Vorrichtung von Fig. 16 in sehematischer. Darstellung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Anwendungsbeispielen erläutert, die sich auf

a) die Trocknung von flüssigen Stoffen,

b) die Trocknung von flüssigen Stoffen unter gleichzeiti-

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ger Abtrennung des Endprodukts,

c) die Trocknung pastoser Stoffe sowie

d) die Trocknung pastoser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts

beziehen.

Die Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe von Pig. 1 besteht aus einer Pulsationskammer 1 zur Verbrennung, beispielsweise einem modifizierten Schmidt-Rohr, mit mechanischen Ventilen 2, die in der Mündung auf der Seite der Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind. Die Pulsationskammer 1 zur Verbrennung ist unmittelbar mit einem Resonanz-Austrittsrohr 3 verbunden, das mit einer Trocknungskammer 4 verbunden ist, die die Form eines Zylinders besitzt. Der obere Teil der Trocknungskammer 4 hat die Form eines Kegelstumpfs und dient der Wiederherstellung des Drucks. Der Unterteil der Trocknungskammer 4 besitzt die Form eines umgekehrten Kegelstumpfs, um am Eintritt des mit ihm verbundenen Zyklons 5 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen. Der Zyklon 5 endet oben in einem Abzugsrohr 6 und unten mit einem Sammelbehälter 7 für das Endprodukt. Unmittelbar in der Verbrennungskammer 1 ist im unteren Teil eine Zerstäuberdüse 8 zur Einführung des Ausgangsmaterials vorgesehen, die ein kühlbares Rohr darstellt, das der Mündung des Resonanz-Austrittsrohrs 3 zugewandt ist.

Zur Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, eine Stoßwelle zu erzeugen, die bei einer schnellen Zustandsänderung des gasförmigen Mediums entsteht.

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Die Zufuhr des Ausgangsstoffs soll an einer Stelle erfolgen, an der die Stoßwelle maximale energetische Kennwerte aufweist. Hierunter werden die volle Schwingungsweite eines Drucksprungs (Amplitude) sowie die Zeitspanne zwischen den Drucksprüngen (Frequenz) verstanden.

Die Stoßwelle entsteht erfindungsgemäß bei der Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen in Pulsations-^rbrennungs■ kammern als Resultat einer lokalen Explosion des Brennstoffgemischs.

Im Bereich der Explosion entsteht ein hoher Druck, von dem aus sich eine Stoßwelle ausbreitet. Beim Hindurchgehen durch kaltes Brennstoffgemisch bewirkt die Stoßwelle eine Erhitzung des Gemischs und seine Entzündung.

Aus diesem Grund folgt der Stoßwellenfront ein Brennbereich, der in Verbindung mit der Stoßwelle eine Detonationswelle bildet. In der Nähe des Explosionszentrums sind Ausbreitungsgeschwindigkeit und Intensität der Welle sehr groß; mit steigender Entfernung vom ExplosionsZentrum wird jedoch die Detonationswelle schwächer, und ihre Geschwindigkeit sinkt ab, so daß die Ausströmung der Gase aus der Verbrennungskammer mit Schallgeschwindigkeit erfolgt, wobei die Temperatur mit der der Strömung übereinstimmt und sich die Stoßwelle in eine Schallwelle, d. h. eine schwache Stoßwelle, mit nicht mehr zu ersetzenden Energieverlusten verwandelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeiten wie folgt:

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Der Verbrennungskammer 1 (Fig. 1, 2) wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch' zugeführt , wobei die Ventile 2 geöffnet werden; gleichzeitig wird dieser Kammer in bekannter Weise über eine Dosierpumpe das Ausgangsmaterial durch die Einrichtung 8 zur Zerstäubung des zu trocknenden Materials in Richtung der Mündung des Austrittsrohrs 3 zugeführt. Damit wird der in Fig. dargestellte Füllzyklus abgeschlossen.

Danach wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in herkömmlicher Weise entzündet, wobei eine starke Drucksteigerung auftritt und die Ventile 2 (Fig. 1, 3) schließen.

Die Verbrennung führt zur Entstehung von Stoßwellen, die zusammen mit dem Verbrennungsprodukt, dem gasförmigen Trockenmittel, auf den Ausgangsstoff in der Verbrennungskammer 1 einwirken und ihn zerstäuben. Der Entzündungs- und Zerstäubungszyklus ist in Fig. 3 erläutert; danach verlassen die Verbrennungsprodukte die Verbrennungskammer 1 (Fig. I, 4) durch das Resonanz-Austrittsrohr 3 zusammen mit dem darin verteilten Zerstäubungsprodukt, wobei sie in der Verbrennungskammer 1 einen Unterdruck erzeugen, durch den wiederum die Ventile 2 geöffnet werden und die Verbrennungskammer 1 mit einer neuen Teilmenge an Brennstoff-Luft-Gemisch und an kontinuierlich zugeführtem Ausgangsstoff gefüllt wird.

": Der Zyklus des wiederholten Füllens und Ausströmens des vorhergehenden Anteils des gasförmigen Mediums ist in Fig. 4 dargestellt.

Die wiederholte Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemischs In der Verbrennungskammer 1 (Fig. 1, 5) erfolgt durch die Reste der Verbrennungsprodukte sowie die erwärmten Kammerwände, was erneut zum Schließen der Ventile 2 und zur Zer-

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stäubung des in der Verbrennungskammer 1 befindlichen Stoffs führt. Der Zyklus der wiederholten Zündung ist in Fig. 5 dargestellt .

Die Zyklen der Füllung und der Zündung folgen mit hoher Frequenz aufeinander, d. h. in sehr kurzen Zeitabständen. Aus diesem Grund gelingt es dem Ausgangsstoff nicht, während der Pausen aus der Verbrennungskammer 1 auszutreten, weshalb er ständig in unmittelbarer Nähe der Stelle eingeführt wird, wo die Stoßwelle ihre Amplitudenkennlinxe höchster Energie aufweist.

Das Ausströmen der Verbrennungsprodukte, des gasförmigen Zerstäubungs- und Trockenmittels, ist von einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch begleitet. Dabei erfolgt die Abführung der Hauptmenge der Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstoff auch im Austrittsrohr 3 (Fig. 1 bis 5)·

Außerdem entstehen im Austrittsrohr 3 aufgrund der intensiven Abkühlung des gasförmigen Mediums Bedingungen für die Entstehung sekundärer Stoßwellen, da die Wärmeabfuhr nach dem kritischen Querschnitt dem Modell einer Überschall-Wärmedüse entspricht.

Die Nachtrocknung kann in herkömmlicher Weise in einer Trocknungskammer 4 und die Abtrennung des Endprodukts aus dem gasförmigen Medium in einem Zyklon 5 erfolgen, aus dem das getrocknete Produkt in den Sammelbehälter 7 gelangt. Das verbrauchte Trockenmittel wird durch das Abzugsrohr 6 aus der Vorrichtung abgeführt.

Die Vorrichtung ist für dünnflüssige Stoffe wie echte Lö-

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sungen, Suspensionen mit niedriger Konzentration bzw. Konsistenz u. dgl. anwendbar j wobei das Endprodukt in Form eines Pulvers mit einem geringen Dispersionsgrad anfällt.

Zur Erzeugung feindispergierter Pulver aus Lösungen und. Suspensionen, beispielsweise zur Herstellung von Farbstoffen, eignet sich die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung mit gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts.

Diese Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe unter gleichzeitiger Entfernung des Endprodukts nach Fig. 6 besteht aus folgenden HaupfrBaugruppen: Als Verbrennungskammer dientj

Veine Pulsations-Verbrennungskammer 9, beispielsweise vom Typ eines Schmidt-Rohrs, mit in der Mündung der Verbrennungskammer 9 auf der Seite der Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordneten mechanischen Ventilen 10, wobei die Verbrennungskammer 9 unmittelbar mit einem Resonanz-Austrittsrohr 11 verbunden ist. In der Verbrennungskammer 9 ist eine Einrichtung zur Zerstäubung des zu trocknenden Stoffs in Form einer Brenndüse 12 vorgesehen. Unter der Brenndüse 12 ist an der Verbindungsstelle der Verbrennungskammer 9 und des Resonanz-Austrittsrohrs 11 ein Aufsatz 13 angeordnet. Im Resonanz-Austrittsrohr 11 ist ferner unter dem Aufsatz 13 und in einem Abstand davon ein Schraubeneinsatz 14 vorgesehen, hinter dem sich ein Rohrstutzen 15 zur Abführung des verbrauchten Trockenmittels anschließt, der innerhalb des Resonanz-Austritt srohrs 11 koaxial dazu angeordnet ist. Das Resonanz-Austrittsrohr 11 endet in einem Rohrstutzen 16 zur Abführung des Endprodukts.

Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrock-

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■u-

nung flüssiger und tlixotroper pastoser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts sowie die Punktionsweise der entsprechenden Vorrichtung sind wie folgt:

Der Verbrennungskammer 9 (Pig· 6, 7) wird durch die Ventile 10 ein Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Gleichzeitig damit wird in herkömmlicher Weise über eine (nicht dargestellte) Dosierpumpe durch die Brenndüse 12 Ausgangsstoff von einer groben Vorzerstäubung, die für eine gleichmäßige Verteilung des Ausgangsstoffs am Aufsatz 13 erforderlich ist, in die Verbrennungskammer 9 eingeführt. Damit ist der Füllzyklus abgeschlossen.

Danach wird das Gemisch in beliebiger, herkömmlicher Weise gezündet, wonach sich das Ventil 10 (Fig. 6, 8) schließt und dadurch die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs unterbricht. Bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemische werden Bedingungen für die Entstehung einer Detonation sowie von Stoßwellen geschaffen.

Die Länge des Vordetonationsabschnitts, d. h. der Abstand vom Zündungspunkt bis "zur Stelle der Entstehung der Detonation, wird durch den räumlichen Abstand bestimmt, der zur Ausbildung einer Grenzschicht und zur Gasverwirbelung in der Kontraktionswelle erforderlich ist. Aus diesem Grund wird der perforierte Aufsatz 13 an der Stelle der Entstehung einer Stoßwelle vorgesehen, an der diese ihren maximalen Amplitudenwert und damit höchste Energie besitzt. Die Stoßwelle wirkt auf den Ausgangsstoff ein, der sich am Aufsatz 13 befindet, und führt zu seiner Zerstäubung. Gleichzeitig mit der Zerstäubung beginnt auch die Trocknung.

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Der Zyklus der Wechselwirkung des Ausgangsstoffs mit dem gasförmigen Medium, also der Prozeß der Zerstäubung sowie der Trocknung, erfolgt entsprechend bei maximaler Amplitude sowie synchron mit der Entstehung der Stoßwelle, da der Ausgangsstoff während der Pause zwischen den Stoßwellen am Aufsatz 13 zurückgehalten wird.

Nach dem Zyklus der Wechselwirkung mit dem Ausgangsstoff entsteht aufgrund der kinetischen Energie der Verbrennungsprodukte, die die Verbrennungskammer 9 (Fig· 6, 9) durch das Resonanz-Austrittsrohr 11 verlassen, in der Verbrennungskammer 9 Unterdruck, wodurch die Ventile 10 öffnen und die Verbrennungskammer 9 mit der nächsten Teilmenge des Brennstoff-Luft-Gemischs und der Aufsatz 13 mit der nächsten Teilmenge des Ausgangsstoffs gefüllt werden, der durch die Brenndüse 12 kontinuierlich zugeführt wird. Die Füllzyklen wiederholen sich in der beschriebenen Art.

Danach folgt der sich wiederholende Zyklus der Zündung der ■Reste der Verbrennungsprodukte, wobei eine nächste Stoßwelle entsteht. Der Zyklus der wiederholten Zündung und der Wechselwirkung zwischen der Stoßwelle und dem Ausgangsstoff ist in Fig. 10 dargestellt.

Die oben genannten Zyklen folgen mit hoher Frequenz, d. h. in sehr kurzen Zeitabständen, aufeinander, wodurch es dem Ausgangsstoff nicht gelingt, die Verbrennungskammer 9 während einer Pause zu verlassen.

Da das Resonanz-Austrittsrohr 11 (Fig. 9) mit dem Schraubeneinsatz 14 versehen ist, erfährt der Gasstrom eine Drehbewegung, wodurch die Bewegungsrichtung des zerstäubten

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Stoffs verändert und dieser zwangsweise zur Wand des Resonanz-Austrittsrohrs 11 hin bewegt wird, wodurch eine Trennungswirkung auftritt. Der zerstäubte Ausgangsstoff verlangsamt dabei seine Geschwindigkeit, was die Verweilzeit des Stoffs im Wirkungsbereich der Stoßwelle vergrößert. Die Portbewegung des Stoffs ist gleichzeitig von einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch begleitet, was die Abführung der Hauptmenge an Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstoff begünstigt.

Die Nachtrocknung des Stoffs sowie seine Abtrennung aus dem Trockenmittel erfolgen bei hohem Trennungsfaktor in der Verwirbelungszone, die durch die Wandungen des Resonanz-Austrittsrohrs 11 (Fig. 6) und durch den in ihrer Achse angeordneten Rohrstutzen 15 zur Abführung des verbrauchten Trokkenmittels hervorgerufen. Die Abführung des Endprodukts aus der Vorrichtung erfolgt durch den Rohrstutzen 16.

Zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe mit hoher Viskosität bzw. von Gemischen verschiedenartiger pastoser Stoffe, die schwer zu fördern oder transportieren sind, eignet sich insbesondere die Vorrichtung nach Fig. 11, mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren in derartigen Fällen günstig durchführen läßt.

Die Vorrichtung von Fig. 11 zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe weist folgende HaupfrEkugruppen auf: Als Verbrennungskammer dient/

l^eine Pulsations-Verbrennungskammer 9 mit mechanischen

Ventilen 10, die in der Mündung der Verbrennungskammer 9 auf der Seite der Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind, wobei die Verbrennungskammer 9 unmittelbar

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mit einem Resonanz-Austrittsrohr 11 verbunden ist. Im Resonanz-Austrittsrohr 11 ist an der Verbindungsstelle mit der Verbrennungskammer 9 ein perforierter Aufsatz 17 vorgesehen, der mit einer Einrichtung 18 zur Zuführung des jeweiligen pastosen Ausgangsstoffs und einer Einrichtung 19 zur Erzeugung einer hin- und hergehenden bzw. einer Drehbewegung versehen ist. Das Resonanz-Austrittsrohr 11 ist mit einer Trocknungskammer 20 verbunden. Der obere Teil der Trocknungskammer 20 weist zur Wiedererhöhung des Drucks die Form eines Kegelstumpfs aufj während der untere Teil der Trocknungskammer 20 zur Erzeugung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt des mit der Trocknungskammer 20 verbundenen Zyklons 21 umgekehrte Kegelstumpfform besitzt. Der Zyklon 21 endet oben in einem Abzugsrohr 22 und unten in einem Sammelbehälter 23 für das Endprodukt .

Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe sowie die Punktionsweise der entsprechenden Vorrichtung sind wie folgt:

Der Verbrennungskammer 9 (Pig· 12) wird durch die Ventile 10 das Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Gleichzeitig damit wird auf den Aufsatz 17, der für diese Zöit aus der Verbrennungskammer 9 durch die Vorrichtung 19 herausgeführt wird, der jeweilige pastose Ausgangsstoff mit Hilfe der Einrichtung zur Zuführung des Ausgangsstoffs, der Ausgabevorrichtung 18, aufgebracht. Damit ist der Füllzyklus abgeschlossen.

Danach wird das Gemisch in herkömmlicher Weise, z. B. mit Hilfe einer Zündkerze, gezündet, worauf sich die Ventile 10 schließen und die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs unterbrechen.

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Bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs werden Bedingungen zur Entstehung einer Detonation sowie von Stoßwellen geschaffen. Die Ausdehnung des Vordetonationsabschnitts, d. h. der Abstand vom Zündungspunkt bis zur Stelle der Entstehung der Detonation, wird durch den räumlichen Abstand bestimmt, der zur Ausbildung einer Grenzschicht sowie zur Gasverwirbelung in der Kontraktionswelle erforderlich ist. Aus diesem Grund wird der perforierte Aufsatz 17 (Fig. 13) an der Stelle der Entstehung der Stoßwelle eingesetzt, die ihrer maximalen Amplitude und damit höchsten Energie entspricht; durch die Wirkung der Stoßwelle wird der am Aufsatz 17 befindliche Ausgangsstoff zerstäubt, wobei zugleich mit der Zerstäubung auch seine Trocknung beginnt. Es erfolgt also der Zyklus der Wechselwirkung des Ausgangsstoffs mit der Stoßwelle, d. h. der Zerstäubungszyklus.

Der Zyklus der Wechselwirkung des Ausgangsstoffs mit dem gasförmigen Medium erfolgt bei maximaler Amplitude und synchron mit der Entstehung der Stoßwelle, da die jeweilige Teilmenge des Ausgangsstoffs auf den Aufsatz 17 aufgetragen und während einer Pause zwischen den Stoßwellen in die Verbrennungskammer 9 eingeführt wird.

Nach dem Zyklus der Wechselwirkung entsteht aufgrund der kinetischen Energie der Verbrennungsprodukte in der Verbrennungskammer 9 (Pig. 1^) Unterdruck, wodurch die Ventile 10 öffnen und die Verbrennungskammer 9 mit der nächsten Teilmenge des Brennstoff-Luft-Gemischs gefüllt wird; das Aufsatzstück 17 wird aus der Verbrennungskammer 9 herausgeführt und mit der nächsten Teilmenge des Ausgangsstoffs gefüllt, wodurch der Füllzyklus wiederholt wird. Danach wird nach der Einführung des Aufsatzes 17 (Fig. 11, 15) in die Verbrennungs-

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kammer 9 das Gemisch wiederholt gezündet, wodurch der Zyklus der wiederholten Zündung und der Wechselwirkung der Stoßwelle mit dem Ausgangsstoff abläuft.

Die oben genannten Zyklen folgen mit regelbarer Frequenz aufeinander, die unmittelbar mit der Häufigkeit der Einführung des Aufsatzes 17 in die Verbrennungskammer 9 verknüpft ist.

Die Bewegung des Stoffs im Resonanz-Austrittsrohr 11 ist von einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch begleitet, was die Abführung der Hauptmenge an Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstoff begünstigt.

Die Nachtrocknung des Stoffs sowie seine Abtennung aus dem Trockenmittel erfolgen in der Trocknungskammer 20 (Fig. 11) und im Zyklon 21. Das verbrauchte Trockenmittel wird durch das Abzugsrohr 22 abgeführt und das Fertigprodukt im Sammelbehälter 23 gesammelt.

In den Fällen, in denen ein Produkt mit niedriger Restfeuchtigkeit erzeugt werden soll oder der Ausgangsstoff schwer entfernbare, gebundene Feuchtigkeit enthält und zugleich ein hoher Reinigungsgrad des verbrauchten Wärmeträgers gefordert ist, ist die in Fig. 16 schematisch dargestellte Vorrichtung günstig einset'zbar.

Die Vorrichtung von Fig. 16 zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts besitzt folgende Haupt-Baugruppen:

Als Verbrennungskammer dienen^

Vzwei Pulsations-Verbrennungskammern 25 wie z. B. Schmidt-Rohre mit mechanischen Ventilen 26, die in den Mündungen der

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Verbrennungskammern 25 auf der Seite der Zuführung des Brennstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind, wobei die Verbrennungskammern 25 unmittelbar mit Resonanz-Austrittsrohren 27 verbunden sind, die ebenfalls gleichachsig einander entgegengesetzt vorgesehen sind. Innerhalb jeder der Verbrennungskammern 25 sind Brenndüsen 28 zur Zerstäubung des Ausgangsstoffs vorgesehen. Unter den Brenndüsen 28 befinden sich Aufsätze an der Verbindungsstelle der Verbrennungskammern 25 und des Resonanz-Austrittsrohres 27· Außerdem sind in den Resonanz-Austrittsrohren 27 etwas tiefer unter den Aufsätzen 29 und in einem Abstand davon Schraubeneinsätze 30 vorgesehen.

Hinter dem Schraubeneinsatz 30 einer der Verbrennungskammern 25 befindet sich ein Rohrstutzen 31 zur Abführung des verbrauchten Trockenmittels, hinter dem Schraubeneinsatz 30 der anderen Verbrennungskammer ein Rohrstutzen 32 zur Abführung des Endprodukts.

Die Abschnitte der Austrittsrohre 27, die hinter den Schraubeneinsätzen 30 liegen, bilden eine Verwirbelungskammer 33.

Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung pastoser Stoffe, die schwer entfernbare Feuchtigkeit enthalten, unter gleichzeitiger Gewinnung des Endprodukts sowie die Punktionsweise der diesbezüglichen Vorrichtung sind wie folgt:

Der Ausgangsstoff wird in zwei Ströme aufgeteilt und durch die Brenndüsen 28 auf die Aufsätze 29 aufgebracht, wodurch die Zuführung des Stoffs an der Stelle maximaler Amplitude und damit maximaler Energie der Stoßwelle gesichert

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wird. Die Funktionsweise sowie die Abfolge der Zyklen entsprechen dabei völlig den Angaben zu Fig. 6 sowie den schematischen Darstellungen der Figuren 7 bis 10.

Bei der Trocknung von Stoffen, die gebundene Feuchtigkeit enthalten, werden jedoch erfindungsgemäß vorzugsweise zwei Gegenstoßwellen sowie die Vorrichtung gemäß Fig. 16 eingesetzt, um eine vollständige Trocknung des Ausgangsstoffs infolge der Durchführung der endgültigen Trocknung im Bereich der frequenzbezogen maximalen Stoßwellenenergie, d. h. an der Stelle des Aufeinandertreffens der beiden Stoßwellen, zu gewährleisten.

Die Vorrichtung nach Fig. 16 erlaubt die Überlagerung zweier Stoßwellen in der Verwirbelungszone 33 und eine Erhöhung der Frequenz der darin resultierenden Stoßwelle, wodurch der Prozeß der endgültigen Trocknung des Stoffs intensiviert wird. Die Additionswirkung der Schwingungen ist in Fig. 17 dargestellt.

Gleichzeitig mit der endgültigen Trocknung erfolgt die Isolierung des Endprodukts in der Verwirbelungszone 33 (Fig. l6) aufgrund der in den verwirbelten Gegenströmen eintretenden Trennwirkung. Das Endprodukt wird durch den Rohrstutzen 32, das verbrauchte Trockenmittel durch den Rohrstutzen 31 abgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aus folgenden Gründen besonders wirtschaftlich:

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die mittlere Teilchengröße gegenüber der herkömmlichen Zerstäubungstrocknung bei gleichem Gewichtsverhältnis von Ausgangsstoff und gasför-

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migem Medium von 1 : 1 zweifach kleiner. Die Vergrößerung der Teilchengröße auf das 2- bis 5fache kann einer Verringerung der Außenabmessungen der Trocknungskammer um das 4- bis 25fache gleichgestellt werden, was durch die Verringerung der Wegstrecke eines Teilchens bis zur vollständigen Trocknung verursacht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es ferner, höhere Temperaturen des gasförmigen Mediums zu realisieren, wodurch sich der Brennstoffverbrauch um 10 bis 50 % verringern läßt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, die Prozesse der Zerstäubung sowie der Trocknung des jeweiligen Stoffs durch vollständige Ausnutzung der den Schwankungen der Zustandskennwerte des gasförmigen Mittels proportionalen Energie der Stoßwelle - der Mach-Zahl - in einer auflaufenden Strömung zu intensivieren. Aus diesem Grund erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Erhöhung der Intensität der Zerstäubungstrocknung um das 10- und Mehrfache gegenüber der beispielhaft beschriebenen schematisierten Vorrichtung. Die Abmessungen der Vorrichtung können dementsprechend 10- und mehrfach kleiner sein, wodurch sich die Herstellungsund Betriebskosten entsprechend senken lassen.

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Claims

A nspr-üche

1. Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger und pastoser Stoffe durch Zerstäubung der flüssigen und pastosen Stoffe und Einwirkung einer Stoßwelle darauf,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Zerstäubung des Stoffs an der Stelle maximaler Energie der Stoßwelle vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung des Stoffs an der Stelle der maximalen Amplitude der Stoßwelle vorgenommen wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stoßwellen mit gleichachsiger Ausbreitungsfront erzeugt und die Trocknung des Stoffs an der Stelle ihres Zusammentreffens und ihrer Wechselwirkung vorgenommen wird, die der Stelle der frequenzbezogen maximalen Energie der Stoßwelle entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

530-(0802/1 P. 72 051-M-61)-SF-r

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ORfGiNAL INSPECTED

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gekennzeichnet, daß die Zerstäubung des Stoffs in zur Stoßwellenerzeugung synchronen Zyklen vorgenommen wird.

5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Verbrennungskammer mit einem Resonanz-Austrittsrohr und einer Einrichtung zur Zerstäubung des zu trocknenden Stoffs,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung (8, l8) zur Zerstäubung des zu trocknenden Stoffs unmittelbar in der Verbrennungskammer (9) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanz-Austrittsrohr (11, 27) von der Verbrennungskammer (9) durch einen Aufsatz (13, 17) aus perforierten Elementen getrennt ist, die zur Zufuhr des Stoffs an die Stelle der maximalen Amplitude der Stoßwelle dienen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsatz (17) mit einer Einrichtung (19) zur Hin- und Herbewegung in einer zur Achse der Verbrennungskammer (9) senkrechten Ebene zur portionsmäßigen Zufuhr des Stoffs und seiner Verteilung in der zur Ausbreitungsrichtung der Stoßwelle senkrechten Ebene versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonanz-Austrittsrohr (11) hinter dem Aufsatz (13)

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ein Schraubeneinsatz (l4) zur Verlängerung der Verweilzeit des zu trocknenden Stoffs im Wirkungsbereich der Stoßwelle vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei einander entgegengesetzt und gleichachsig angeordnete Verbrennungskammern (25) aufweist und in den Resonanz-Austrittsrohren (27) Schraubeneinsätze (30) vorgesehen sind, die die Ströme zur Verlängerung der Verweilzeit des Stoffs an der Stelle maximaler frequenzbezogener Stoßwellenenergie in entgegengesetzten Richtungen verwirbeln.

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