DE2810045C3

DE2810045C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen oder pastösen Stoffen in durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher Frequenz

Info

Publication number: DE2810045C3
Application number: DE2810045A
Authority: DE
Inventors: Lev Leont'evič Pavlovskij; Stanislav A. Suchov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-03-02
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1981-08-27
Also published as: US4183145A; DE2810045A1; DE2810045B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger oder pastöser Stoffe durch ihre Zerstäubung in durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher Frequenz und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die auf zahlreichen Anwendungsgebieten, beispielsweise insbesondere in der chemischen und mikrobiologischen Industrie, eingesetzt werden können.

Die Technik der Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastenartigen Stoffen sowie entsprechender Vorrichtungen befindet sich in vielen Industrieländern derzeit in stürmischer Entwicklung.

Bei der Entwicklung entsprechender Verfahren und Vorrichtungen stellen sich folgende Probleme:

(1) Vergrößerung des Wirkungsgrads, der bei den herkömmlichen Anlagen noch gering ist, wobei zugleich eine hohe Qualität des Endprodukts gewährleistet sein soll;

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

(3) instandhaltung und Betrieb der Trocknungsvorrichtungen zu vereinfachen sowie

(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 Trocknungsmittel mit hoher Temperatur zu verwenden und den Trocknungsprozeß in Vakuum bzw. in einem Inertgasmedium durchzuführen.

Zur Durchführung dieser Verfahren werden verschiedene Trocknungsvorrichtungen eingesetzt, die mit Fliehkraft-, mechanischen oder Druckluftzerstäubern versehen sind, wobei als Energieträger ein gasförmiges Zerstäubungs- und Trockenmittel wie etwa Druckluft, Rauchgase u. dgl. verwendet wird.

Die obengenannten 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 pastösen 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 pastöser 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 Rohrstutzen zur Abführung der Verbrennungsprodukte mit einer in seiner Achse angeordneten Brenndüse zur Zuführung des Ausgangsmaterials auf (vgl. den SU-Urheberschein 157 279, KL B05B 3/18, 1963).

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

Unmöglichkeit des Einsatzes zur Zerstäubungstrocknung von pastösen Stoffen, da es nicht möglich ist, das zu trocknende Material über den Strömungsquerschnitt gleichmäßig zu verteilen; nur kurze Vei Teilzeit des Stoffs im Bereich der Wirkung der schnellen Strömung des Wärmeträgers sowie die Unmöglichkeit, die Grenztemperatur des gasförmigen Mediums infolge der Rezirkulation des Ausgangsmaterials 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 pastösen Stoffen im Gegenstrom eines Hochtemperatur-Trockenmittels sowie eine ent- M sprechende Vorrichtung, die aus koaxial ineinandergebauten Rohrstutzen besteht, in denen jeweils eine Vorrichtung zur Zuführung des Ausgangsstoffs vorgesehen ist (vgl. den SU-Urheberschein 348 835,1969).

Dieses Verfahren und die diesbezügliche Vorrichtung ->5 sind aufgrund der Vergrößerung der Verweilzeit des zu trocknenden Stoffs in der Strömung hoher Geschwindigkeit im Prinzip zum Trocknen von flüssigen und pastösen Stoffen geeignet.

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 hierbei 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 pastöse Stoffe durch periodische Änderung des Zustands des gasförmigen Zerötäubungsmittels zu zerstäuben und zu trocknen, als he^kömmliehe 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. *>o

Aus der US-PS 36 18 655 (1971) sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen und pastösen Stoffen durch ein gasförmiges Trockenmittel mit Hilfe einer periodischen Änderung seines Zustands durch Stoßwellen bekannt, bei denen der flüssige bzw. pastöse Stoff unter Einwirkung der Stoßwelle zerstäubt wird; die Vorrichtung weist eine Verbrennungskammer für ein Brennstoff-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, die je einen Zyklon und einen Rohrstutzen 7ur Abführung des Trockenmittels enthält sowie eine Trocknungskammer auf, die zwischen dem Zyklon und dem Resonanzrohr angeordnet ist

Da sich die Veränderung des Zustande des gasförmigen Trockenmittel 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 Zustandskeringrößen des gasförmigen Zerstäubungs- und Trockenmittels demgemäß erschwert ist;

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 Autgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile ein Verfahren zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen oder pastösen Stoffen der eingangs genannten Art 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 oder pastöse Materialien zu trocknen, also den Anwendungsbereich der Vorrichtung unter gleichzeitiger Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Senkung des Aufwands an Metallen und Vereinfachung des Aufbaus und des Betriebs sowie der Instandhaltung der Vorrichtung curch vollständigere Ausnutzung der Energie der verbrannten Brennstoffe zu erweitern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung in den Verbrennungsraum an der Stelle der maximal auftretenden Energie der Stoßwellen erfolgt.

Vorzugsweise erfolgt die Zerstäubung der Stoffe an der Stelle der maximalen Amplituden der Stoßwellen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Zerstäubung der Stoffe in zwei aufeinander zukommenden Stoßwellen erfolgt.

Es ist außerdem vorteilhaft, daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung zyklisch synchron zur Frequenz der Stoßwellen erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger oder pastöser Stoffe gewährleistet eine optimale Ausnutzung der Energie der verbrannten Brennstoffe, erlaubt eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit und ermöglicht es, die Trocknung zugleich in einem kleineren Volumen mit minimalem Energieaufwand durchzuführen.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Verbrennungskammer, mit einem Resonanz-Austrittsrohr und einem Zerstäuber für die zu trocknenden Stoffe, mit dem Kennzeichen, daß der Zerstäuber in der Verbrennungskammer vorgesehen ist.

Dies erlaubt eine vollständigere Ausnutzung der Energie der Stoßwellen.

Zur Erhöhung des Zerstäubungsgrads ist es ferner wünschenswert, daß das Resonanz-Austrittsrohr von der Verbrennungskammer durch einen perforierten Einsatz getrennt ist. der zur Zufuhr der Stoffe an die Stelle der maximalen Amplitude der Stoßwellen dient.

Ein solcher Einsatz ermöglicht es, das Ausgangsmaterial während der Pausen zwischen den Stoßwellen an der Stelle der maximalen Stoßwellenenergie festzuhalten.

Eine besondere Ausgestaltung dieser Vorrichtung sieht vor, daß der Einsatz mit einer Einrichtung zu seiner Hin- und Herbewegung in einer zur Achse der Verbrennungskammer senkrechten Ebene zur portionsmäßigen Zufuhr der Stoffe und zu ihrer Verteilung in der zur Ausbreitungsrichtung der Stoßwelle senkrechten Ebene versehen ist.

Zur Vergrößerung des Zerstäubungsgrads des Ausgangsstoffs sowie der Gewinnung des Endprodukts aus dem verbrauchten Wärmeträger wird erfindungsgemäß vorzugsweise im Resonanzrohr hinter dem Einsatz ein Schraubeneinsatz zur Verlängerung der Verweilzeit der zu trocknenden Stoffe im Wirkungsbereich der Stoßwelle vorgesehen. Dadurch wird ein hoher Trennungsgrad der Phasen gewährleistet

Bei der Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe mit hoher Viskosität bzw. Gemischen ungleichartiger Stoffe sowie bei erhöhten Anforderungen an den Gewinnungsgrad des Endprodukts ist erfindungsgemäß zweckmäßigerweise vorgesehen, daß sie zwei einander entgegengesetzt und gleichachsig angeordnete Verbrennungskammern aufweist und in den mittels ihrer Rohrwände ineinander übergehenden Resonanz-Austrittsrohren Schraubeneinsätze vorgesehen sind, die die Ströme zur Verlängerung der Verweilzeit der Stoffe an der Stelle maximaler frequenzbezogener Stoßwellenenergie in entgegengesetzten Richtungen verwirbeln. Dadurch werden ein höherer Trennfaktor bei der Phasentrennung sowie eine Vergrößerung der Verweilzeit des Stoffs an der Stelle der frequenzbezogenen maximalen Energie der Stoßwelle gewährleistet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Energie der Stoßwellen und demzufolge auch die Energie des verbrannten Brennstoffs vollständiger ausgenützt, wobei die Zerstäubung zugleich feiner und gleichmäßiger wird, was es erlaubt, die Trocknung flüssiger oder pastöser 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 Einsatz 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 zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen,

F i g. 2 bis 5 die Funktionsweise der Vorrichtung von F i g. 1 in schematischer Darstellung.

F i g. 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung von flüssigen Stoffen unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts,

Fig. 7 bis 10 die Funktionsweise der Vorrichtung nach F i g. 6 in schematischer Darstellung,

Fig. 11 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe.

Fig. 12 bis 15 die Funktionsweise der Vorrichtung von F i g. 11 in schematischer Darstellung.

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

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

Die Erfindung wird im folgenden anhand von

t, die sich auf

a) die Trocknung von flüssigen Stoffen,

b) die Trocknung von flüssigen Stoffen unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts,

c) die Trocknung pastöser Stoffe sowie

d) die Trocknung pastöser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts

beziehen.

Die Vorrichtung zur Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe von F i g. 1 besteht aus einer Pulsationskammer 1 zur Verbrennung, beispielsweise einem modifizierten Schmidt-Rohr, mit mechanischen Ventilen Z 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 Trocknungskam-

mer 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.

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-Verbrennungskammern 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:

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 F i g. 2 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 F i g. 3 erläutert; danach verlassen die Verbrennungsprodukte die Verbrennungskammer 1 (Fig. 1, 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 F i g. 4 dargestellt.

Die wiederholte Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 1 (F i g. 1, 5) erfolgt durch die Reste der Verbrennungsprodukte sowie die erwärmten Kammerwände, was erneut zum Schließen der Ventile 2 und zur Zerstäubung 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 Amplitudenkennlinie 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 (F ig. 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 Lösungen, Suspensionen mit niedriger Konzentration bzw. Konsistenz u. dgl. anwendbar, 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 F i g. 6 dargestellte Vorrichtung mit gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts.

Diese Vorrichtung jcui Zerstäubungstrocknung flüssiger Stoffe unter gleichzeitiger Entfernung des Endprodukts nach Fig.6 besteht aus folgenden Haupt-Baugruppen: Als Verbrennungskammer dient eine 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 Einsatz 13 angeordnet Im Resonanz-Aus-

trittsrohr 11 ist ferner unter dem Einsatz 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-Austrittsrohrs 11 koaxial dazu angeordnet ist. Das Resonanz-Ausirittsrohr 11 endet in einem Rohrstutzen 16 zur Abführung des Endprodukts.

Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung flüssiger und thixotroper pastöser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts sowie die Funktionsweise der entsprechenden Vorrichtung sind wie folgt:

Der Verbrennungskammer 9 (Fig.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 Einsatz 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 (F i g. 6, 8) schließt und dadurch die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemischs unterbricht. Bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs 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 Einsatz 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 Einsatz 13 befindet, und führt zu seiner Zerstäubung. Gleichzeitig mit der Zerstäubung beginnt auch die Trocknung.

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 Einsatz 13 zurückgehalten wird.

Nach dem Zyklus der Wechselwirkung mit dem Ausgangsstoff entsteht aufgrund der kinetischen Energie der Verbrennungsprodukte, die die Verbrennungskammer 9 (F i g. 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 Einsatz 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 obengenannten Zyklen folgen mit hoher Frequenz, d. h. in sehr kurzen Zehabständen, aufeinander.

wodurch es dem Ausgangsstoff nicht gelingt, die Verbrennungskammer 9 wähernd 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 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 Fortbewegung des Stoffs ist gleichzeitig von einem intensiven Wärme- und Stoffaustausch begleitet, was die Abfüh-

!■> rung 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(Fi g. 6) und durch den in ihrer Achse angeordneten Rohrstutzen 15 zur Abführung des verbrauchten Trockenmittels hervorgerufen wird. Die Abführung des Endprodukts aus der Vorrichtung erfolgt durch den Rohrstutzen 16.

Zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe mit hoher Viskosität bzw. von Gemischen verschiedenartiger pastöser Stoffe, die schwer zu fördern oder transportieren sind, eignet sich insbesondere die Vorrichtung nach Fig. 11, mit der sich das erfindungs-

^i(l gemäße Verfahren in derartigen Fällen günstig durchführen läßt.

Die Vorrichtung von F i g. 11 zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe weist folgende Haupt-Baugruppen auf: Als Verbrennungskammer dient 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 mit einem Resonanz-Austrittsrohr 11 verbunden ist. Im Resonanz-Austrittsrohr 11 ist an der Verbindungsstelle mit der Verbrennungskammer 9 ein perforierter Einsatz 17 vorgesehen, der mit einer Einrichtung 18 zur Zuführung des jeweiligen pastösen 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 auf, 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 pastöser Stoffe sowie die Funktionsweise der entsprechenden Vorrichtung sind, wie folgt:

Der Verbrennungskammer 9 (F i g. 12) wird durch die Ventile 10 das Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt Gleichzeitig damit wird aisf den Einsatz 17, der für diese Zeit aus der Verbrennungskammer 9 durch die Vorrichtung 19 herausgeführt wird, der jeweilige pastöse 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.

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 Einsatz 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 Einsatz 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 Einsatz 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 (Fig. 14) Unterdruck, wodurch die Ventile 10 öffnen und die Verbrennungskammer 9 mit der nächsten Teilmenge des Brennstoff-Luft-Gemischs gefüllt wird; der Einsatz 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 Einsatzes 17 (F i g. 11,15) in die Verbrennungskammer 9 das Gemisch wiederholt gezündet, wodurch der Zyklus der wiederholten Zündung und der Wechselwirkung der Stoßwelle mit dem Ausgangsstoff abläuft.

Die obengenannten Zyklen folgen mit regelbarer Frequenz aufeinander, die unmittelbar mit der Häufigkeit der Einführung des Einsatzes 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 Abtrennung 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 einsetzbar.

Die Vorrichtung von F i g. 16 zur Zerstäubungstrocknung pastöser Stoffe unter gleichzeitiger Abtrennung des Endprodukts besitzt folgende Haupt-Baugruppen:

Als Verbrennungskammer dienen zwei Pulsations-Verbrennungskammern 25 wie z. B. Schmidt-Rohre mit mechanischen Ventilen 26, die in den Mündungen der 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 Einsätze 29 an der Verbindungsstelle der Verbrennungskammern 25 und des Resonanz-Austrittsrohres

in 27. Außerdem sind in den Resonanz-Austrittsrohren 27 etwas tiefer unter den Einsätzen 29 und in einem Abstand davon Schraubeneinsätze 30 vorgesehen.

Hinter dem Schraubeneinsatz 30 einer der Verbrennungskammern 25 befindet sich ein Rohrstutzen 31 zur

ι^Γ) 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

2ü Schraubeneinsätzen 30 liegen, bilden eine Verwirbelungskammer 33.

Die prinzipielle Verfahrensweise zur Zerstäubungstrocknung pastöcer Stoffe, die schwer entfernbare Feuchtigkeit enthalten, unter gleichzeitiger Gewinnung

2Ί des Endprodukts sowie die Funktionsweise der diesbezüglichen Vorrichtung sind, wie folgt:

Der Ausgangsstoff wird in zwei Ströme aufgeteilt und durch die Brenndüse 28 auf die Einsätze 29 aufgebracht, wodurch die Zuführung des Stoffs an der Stelle maximaler Amplitude und damit maximaler Energie der Stoßwelle gesichert wird. Die Funktionsweise sowie die Abfolge der Zyklen entsprechen dabei völlig den Angaben zu F i g. 6 sowie den schematischep. Darstellungen der F i g. 7 bis 10.

^J5 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 F i g. 17 dargestellt

Gleichzeitig mit der endgültigen Trocknung erfolgt die Isolierung des Endprodukts in der Verwirbelungszone 33 (Fig. 16) 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 gasförmigem 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 erfindungsgem?ee 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 Herstellungs- und Betriebskosten entsprechend senken lassen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Zerstäubungstrocknung flüssiger oder pastöser Stoffe durch ihre Zerstäubung in durch Brennstoffverbrennung erzeugten Stoßwellen hoher Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung in den Verbrennungsraum an der Stelle der maximal auftretenden Energie der Stoßwellen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung der Stoffe an der Stelle der maximalen Amplituden der Stoßwellen erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung der Stoffe in zwei aufeinander zukommenden Stoßwellen an der Stelle ihres Zusammentreffens erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabe der Stoffe zu ihrer Zerstäubung zyklisch synchron zur Frequenz der Stoßwellen erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Verbrennungskammer, mit einem Resonanz-Austrittsrohr und einem Zerstäuber für die zu trocknenden Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuber (8; 12; 17; 28) in der Verbrennungskammer (1;9; 9; 25) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanz-Austrittsrohr (11; 11; 27) von der Verbrennungskammer (9; 9; 25) durch einen perforierten Einsatz (13; 17; 29) getrennt ist, der zur Zufuhr der Stoffe an die Stelle der maximalen Amplitude der Stoßwellen dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (17) mit einer Einrichtung (19) zu seiner Hin- und Herbewegung in einer zur Achse der Verbrennungskammer (9) senkrechten Ebene zur portionsmäßigen Zufuhr der Stoffe und zu ihrer Verteilung in der zur Ausbreitungsrichtung der Stoßwelle senkrechten Ebene versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonanz-Austrittsrohr (U) hinter dem Einsatz (13) ein Schraubeneinsatz (14) zur Verlängerung der Verweilzeit der zu trocknenden Stoffe im Wirkungsbereich der Stoßwelle vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei einander entgegengesetzt und gleichachsig angeordnete Verbrennungskammern (25) aufweist und in den mittels ihrer Rohrwände ineinander übergehende Resonanz-Austrittsrohren (27) Schraubeneinsätze (30) vorgesehen sind, die die Ströme zur Verlängerung der Verweilzeit der Stoffe an der Stelle maximaler frequenzbezogener Stoßwellenenergie in entgegengesetzten Richtungen verwirbeln.