DE2840496B1

DE2840496B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung von Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen bzw. Daempfen in der Wirbelschicht

Info

Publication number: DE2840496B1
Application number: DE19782840496
Authority: DE
Inventors: Heinz Schumacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-09-18
Filing date: 1978-09-18
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2840496C2

Description

Aber gerade bei solchen Prozessen, deren alltäglich eine Vielzahl vor allem in der Nahrungsmittel-, Arzneimittel-, Naturstoffindustrie, aber auch auf dem Gebiet der Faserstoffe (z. B. bei der Behandlung von Baumwoll-Linters) durchgeführt werden, kommt es nicht selten zu Überhitzungen des eingesetzten Materials, die - über das gewünschte Ziel wegen »Röstung« hinausgehend - nicht mehr wiedergutzuma- chende Qualitätseinbußen wie Stoffabbau, Aktivitätsverlust, Geschmacks- und Geruchsschäden, unansehnlicher äußerer Zustand durch Farbveränderungen usw.
zur Folge haben.
Eine weitere Forderung an die Technologie der kurzfristigen, d. h. schonenden thermischen Behandlung von Feststoffen mit Gasen und Dämpfen ist eine ausgeglichene Energiebilanz, um die wärmewirtschaftlich vielfach ungünstig liegenden Prozesse in ihrem Energieverbrauch, insbes. Dampfverbrauch, auf ein Minimum zu reduzieren.
Bisher werden für die schonende thermische Behandlung von z. B. Saatgut bzw. Leguminosesamen wie Soja vor der Extraktion im allgemeinen sogenannte Wärmepfannen eingesetzt, in denen die auf etwa 1/4 bis 1/8 zerkleinerten Bohnen usw. auf mittlere Temperaturen von 40-70"C, C, insbes. von 50-65"C C aufgewärmt werden.
Hierzu sind die Pfannen mit mehreren dampfbeheizten Böden ausgerüstet, über die das im oberen Teil aufgegebene Gut mit Hilfe von Rühr- oder Krälarmen bewegt wird und dabei die einzelnen Stufen der Pfanne von oben nach unten bis zum Austritt durchläuft.
Neuerdings werden für derartige Vorwärm- oder Aufheizprozesse auch dampfbeheizte horizontale Rohrbündelapparate eingesetzt, die ebenfalls kontinuierlichen Betrieb erlauben.
Im vorliegenden speziellen Falle der Behandlung von Leguminosematerial (Soja), der hier nur beispielhaft für eine Vielzahl bekannter thermischer Prozesse ähnlicher Art ausgewählt wurde, erfolgt die Aufwärmung bzw.
thermische Vorbehandlung, um das Material weicher, plastischer zu gestalten, um es für die anschließende Flockung auf sogenannten Glattwalzen, die der Extraktion vorausgeht, zugänglicher zu machen.
Die im vorliegenden Falle der Extraktion nachgeschalteten Prozesse wie kurzzeitige thermische oder dampfbetriebene Entbenzinierung, Trocknung, Kühlung, Vermahlung usw. des erhaltenen Schrots seien nur erwähnt, obwohl sie mit dem eigentlichen Vorwärmprozeß wenig Berührung haben.
Es hat sich im Verlaufe einer längeren Reihenuntersuchung gezeigt, daß bestimmte Formgebungsprozesse, insbesondere unter Druck, wie z. B. die Ausbildung von Flocken auf den sogenannten Glattwalzen bei der Vorbehandlung von Sojabohnen, aber auch die Ausbildung von Schuppen anorganischer oder organischer Stoffe auf Schuppenwalzen, weiter die bekannten, druckabhängigen Extrudierprozesse usw. stets mit einer, wenn vielfach zwar schwachen, doch meßbaren exothermen Reaktion verbunden sind.
Beispielsweise werden bei der Flockenbildung von Soja auf Glattwalzen Temperaturanstiege im Sojamaterial bis zu 12"C C und mehr gemessen.
Der Temperaturanstieg erfolgt im allgemeinen schlagartig und ist wahrscheinlich als die freiwerdende Verformungsenergie anzusehen.
Es versteht sich, daß die Nutzung dieser Energie wärmewirtschaftlich von größter Bedeutung ist, sofern in einem technisch brauchbaren Prozeß hiervon Gebrauch gemacht werden kann.
Weiter ist es - wie einleitend bereits am Beispiel von Leguminosesamen abgeleitet wurde - spezielle bei Naturstoffen und Saatgut notwendig, zwecks Erzielung eines für die menschliche Ernährung hochwertigen Materials eine Vielzahl von Begleitstoffen unwirksam zu machen bzw. zu zerstören. Erinnert sei nochmals z. B.
bei bei der Soja an die Abtrennung von Harnstoffen, an die Inaktivierung des Trypsinfaktors oder die Neutralisierung von Oxidasen.
Auch diese Maßnahmen erfordern stets eine mehr oder weniger gezielte thermische Behandlung, meist mit Luft, gelegentlich mit Wasserdampf oder beiden.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei vielen Naturstoffen wie Leguminosesamen, aber auch bei anderen Produkten natürlicher oder synthetischer Herkunft, mehrere thermische Behandlungen praktisch in einem einzigen Prozeß kurzfristig und schonend durchgeführt werden können, wenn man nach Maßnahme der Erfindung arbeitet.
Diese besteht darin, daß man das Gut in einer Fließbett- oder Wirbelbettkammer mit dem Behandlungsgas in kurzzeitigen engen Kontakt bringt, indem das mechanisch durch Rührelemente aufgewirbelte Gut beim durch die Schwerkraft bedingten Fall nach unten an allen Stellen gleichmäßig mit der Luft von hoher Geschwindigkeit im Gegenstrom behandelt wird, wobei die Luft bzw. das Behandlungsgas über einen sogenannten Kantelbalkenboden kontinuierlich eingeführt wird und das Produkt die Kammer durch den gleichen, kontinuierlich öffnenden und schließenden Boden austritt und die Luft bzw. das behandelnde Gas ggf. nach Aufkonditionierung im Kreis geführt wird.
Entscheidend für eine ausreichende und optimale thermische Behandlung ist einmal die gleichmäßige Beaufschlagung des zu behandelnden Gutes mit der Luft bzw. dem Gas, was durch die gute Durchmischung und ständige Bewegung des Materials im Durchgang von oben nach unten erfolgt und zum anderen die relativ kurze Verweilzeit im Reaktor, d. h. eine möglichst kurze -Kontaktzeit mit dem behandelnden Gas.
Hierdurch gelingt es, auch größere Materialchargen im laufenden Betrieb ohne nennenswerte Qualitätseinbußen in kürzester Zeit der Umsetzung bzw. der schonenden thermischen Behandlung zu unterwerfen, die selbst auf wenige Temperaturgrade Genauigkeit eingestellt werden kann.
Die Erfindung und eine zu ihrer Durchführung geeignete Anlage bzw. Vorrichtung ist nachstehend in Verbindung mit der Fig. 1 beschrieben: Dabei sei als Materialbeispiel die thermische Behandlung von Sojabohnen gewählt, die zwar nicht ausschließlich hierfür infrage kommt, die aber als klassiches Beispiel für das neue Verfahren und die Vorrichtung angesehen werden kann.
Mit (1) ist ein im oberen Teil (9) vorwiegend zylindrischer Fließbett- oder Wirbelbettreaktor bezeichnet, in den bei (2) über ein geeignetes Zuführ- oder Dosierorgan, wie etwa einer Zellenschleuse (3) Sojabohnen mit einem Ölgehalt von ca. 20% und einem Feuchtigkeitsanteil von etwa 12% im gereinigten und in bekannter Weise auf Riffelstühlen auf etwa 1/2 bis 1/4 Bohnengröße zerkleinerter Form eingebracht werden.
Es versteht sich, daß das Zuführorgan (3) druck- oder vakuumdicht abschließen kann.
Über einen Kompressor oder Ventilator (4) wird Kreislaufluft (5), ggf. nach Aufkonditionierung durch Frischluft (6), in einem vorwiegend mit Dampf (8), ggf.
aber auch elektrisch oder mit Rauchgasen betriebenem Wärmeaustauscher (7) in den unteren, vorwiegend quadratisch oder rechteckig ausgeführten, konusförmig auslaufenden Teil (12) des Reaktors (1) eingeleitet Sofern erforderlich, kann über das Ventil (18) Direktdampf in den Luftstrom eingebracht werden.
Durch spezielle Bohrungen (35) in den Balkenstützen zwischen den einzelnen Balken (34) oder durch die von Stegen (36) gebildeten Schlitzen zwischen den Balken (34) des Kantelbalkenbodens (siehe F i g. 2), der zwischen dem zylindrischen Teil (9) und dem unteren konischen Teil (12) angeordnet und mit (10) bezeichnet ist, strömt die heiße Luft, ggf. vermischt mit Wasserdampf, nach oben durch das aufgewirbelte Bohnenmaterial (2') und tritt durch den Stutzen (11) aus der Anlage aus.
Innerhalb des zylindrischen Teils des Reaktors befindet sich eine vertikale Welle (13), die mit einem Verteilerteller (14) und mindestens einem weiteren Rührarm (15) ausgerüstet ist.
Die relativ schnell drehende Welle bringt das nach unten fallende Gut (2') in einen aufgewirbelten Zustand, der durch die sprudelförmig in den Reaktor eintretende Luft bzw. das Luft/Dampf-Gemisch noch gesteigert wird, so daß ein echter Zustand des fließenden bzw.
wirbelnden Systems erreicht wird.
Entscheidend für eine kurzzeitige, aber optimale und gleichmäßige Einwirkung des Behandlungsmediums ist in nicht zu unterschätzendem Maße auch der den Reaktorverschluß bildende Kantelbalkenboden (10), der für das Feststoffmaterial durch Berührung der unteren Balken gegeneinander bei (23) - siehe F i g.2 zunächst undurchlässig ist. Hierdurch lassen sich Wirbelbetthöhe und Verweilzeit des Guts einstellen.
Das Gas bzw. im speziellen Falle das Luft/Dampf-Gemisch jedoch kann durch die Bohrungen (35) bzw.
Schlitze ständig weiterströmen, wodurch ein Absetzen des Guts auf den Balken vermieden wird.
Mit Hilfe eines geeigneten Mechanismus, der über einen Antrieb (A) - siehe F i g. 3 - vorwiegend im Zeittakt betrieben wird, bewegen sich die insbesondere auf Rohrkörpern aufgebrachten Kantelbalkeneinheiten (31), wodurch die zunächst verschlossenen Berührungsbereiche (23) der unteren Balken geöffnet werden, so daß das Gut freien Durchtritt nach unten hat. Hierdurch kann periodisch der Auslaufweg des Feststoffs freigesetzt bzw. dessen Verweilzeit im Reaktor (1, 9), und damit die Kontaktzeit mit dem Gas bzw. dem Luft/Gas-Gemisch eingestellt werden.
Das behandelte Material verläßt die Anlage über ein geeignetes Verschlußsystem (3'), z. B. ebenfalls ein Zellenrad, und wird über (21) der weiteren Verarbeitung, Absackung usw zugeführt.
Im hier geschilderten speziellen Falle der Behandlung von Sojamaterial gelangt das Gut auf die sogenannten Glattwalzen, von wo es weiter zur Extraktion gebracht wird.
Kenndaten zum Beispiel der Behandlung von gebrochenen Sojabohnen: Ausgangstemperatur des gebrochenen Materials: ca. 25"C; Lufttemperatur im Bereich des Kantelbalkenbodens (10): 115-120"C; Temperatur des behandelten Guts bei (3'): ca. 103"C; Temperatur der Abluft bei (11): ca. C; Wassergehalt der Abluft bei (11): ca. 95% relativ; Feuchtigkeitsgehalt des Bohnenmaterials: unverändert wie vor der Behandlung, di. ca. 12%; Apparatekenndaten: zylindrischer Reaktorteil (1): =5 m Schichthöhe des Materialbetts: ca. 0,7 m Durchsatzmenge/24 Std.: 600 Tonnen.
Im Anschluß an die thermische Behandlung wird das bei (21) erhaltene Gut - wie bereits gesagt -den sogenannten Glattwalzen zugeführt, wo es auf ca. 0,3 mm Stärke ausgewalzt wird. Hierbei steigt die Temperatur im Schnitt auf ca. 110-112"C C an und liefert ein Produkt, das eine entscheidende Verbesserung der nachfolgenden Extraktion (höhere Ölausbeute, niedriger Feuchtigkeitgehalt, kürzere Extraktionszeiten, Einsparung von Wärmeenergie und Extraktionsmittel usw) liefert. Dies ist in besonderem Maße auf die stark veränderte Oberfläche des Guts bei der thermischen Behandlung zurückzuführen. Gleichzeitig werden bereits bei dieser thermischen Behandlung, also vor der Extraktion, die Eigenschaften des Materials durch Abbau verschiedener Begleitstoffe (Harnstoffe, Trypsininhibitor, Oxidasen usw) verbessert.
Schließlich zeigt das thermisch dieser Art behandelte Material eine erheblich verbesserte Transportfähigkeit auf Bändern, Rutschen usw weil das bekannte Anbacken und Verpappen praktisch vollkommen ausgeschaltet ist.
Waren bisher bei Extraktionsverfahren dieser Art, also z.B. bei der Ölextraktion aus Sojamaterial, die Vorstufen Saatgutreinigung Bohnenzerkleinerung Anwärmung des Bohnenbruchs Flockierung erforderlich, die schließlich zu einem stark schalenhaltigen, praktisch noch alle Bitterstoffe und qualitätsmindernden Eigenschaften aufweisenden Schrot führten, so wird nach dem neuen Prozeß durch den Austausch des Anwärmens der Bohnen auf Wärmepfannen durch das neue Verfahren im Wirbelbett nicht nur die bereits geschilderte höhere Ölausbeute und die verbesserte Wirtschaftlichkeit erzielt, es fällt auch am Ende des Prozesses ein Schrot an, der direkt in den verschiedensten Gebieten eingesetzt werden kann.
Es sei nicht unerwähnt, daß die thermische Behandlung im Wirbelbett gemäß dem neuen Verfahren auch einen erheblichen Einfluß auf die Kapazität der Gesamtanlage ausübt.
Dadurch, daß das dieser Art behandelte Produkt eine erhöhte Extraktionsaktivität zeigt, können bekannte Extraktionsanlagen höher belastet werden (Kapazitätserhöhung) oder die Extraktionsdauer kann erheblich verkürzt werden, was einer Kapazitätserhöhung gleichkommt. Hiermit verbunden ist natürlich wiederum der Energieaufwand vermindert bzw. verbessert, die Anlagenkosten werden herabgesetzt und der Gesamtwirkungsgrad des Betriebs gesteigert.
Es versteht sich, daß das neue Verfahren allgemein anwendbar ist und nicht auf die Behandlung von Sojabohnen oder Leguminosesamen beschränkt ist.
Viele chemische Umsätze können - wie einleitend bereits gesagt - nach dem neuen Verfahren wärmetechnisch günstiger und dabei gezielter durchgeführt werden.
Thermische Behandlungen, insbesondere empfindlicher Stoffe, können nunmehr auch dann noch mit Erfolg praktiziert werden, wenn andere Verfahren aufgrund stofflicher Veränderungen durch örtliche Überhitzung usw. ausfielen.
Auf dem Gebiet der Verarbeitung von Saatgut (Getreide usw.), Bohnen (Hülsenfrüchte, Kaffee usw.), Kernmaterial (z. B. Pfirsich- und Mandelkerne für Marzipanmassen), pharmazeutischen Endprodukten wie Agglomerate für den Tabletten- und Kapselaufbau und vieles mehr hat sich das neue Verfahren bereits bestens bewährt Selbstverständlich kann auch die Vorrichtung bzw.
Anlage in mancher Hinsicht verändert werden, sofern der allgemeine Rahmen der Erfindung nicht verlassen wird. Beispielsweise kann in den Luft- bzw. Gaskreislauf (5) in F i g. 1 ein Zyklon zur Abscheidung von Schalenmaterial, Staub, usw. aus dem Kreislaufgas, zusammen mit einer Zweigleitung (17) für den Teilauslaß verbrauchten Gases vorgesehen sein. Auch können innerhalb des Reaktors bekannte technische Einbauten, Regelinstrumente, Antriebsmeehanismen, z.B. für den Kantelbalkenboden (20), Steuersysteme usw. verwendet werden. Dies sind alles Hilfsmittel, die aus der allgemeinen Verfahrenstechnik bekannt sind und zum selbstverständlichen Rüstzeug des Durchschnittsfachmanns zählen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Durchführung von Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen bzw. Dämpfen oder Gas/Dampfgemischen, insbesondere zur kurzzeitigen, schonenden thermischen Behandlung wärmeempfindlicher Stoffe im Fließ- oder Wirbelbett, wobei das Gas bzw. die Dämpfe oder das Gas/Dampf-Gemisch sowohl Wirbelmedium als auch Wirbel- und Reaktionsmedium sein können, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststoffmaterial mit Hilfe von schnell rotierenden Rührelementen bei gleichzeitig freiem Fall innerhalb eines Reaktors im Wirbelzustand gehalten und im Gegenstrom gleichmäßig mit dem Behandlungsgas bzw. der Dampf oder Gas/Dampf-Gemisch kontaktiert wird, wobei das Gas bzw. der Dampf oder Gas/Dampf-Gemisch über einen an sich bekannten, mit Bohrungen und/oder Schlitzen in den die Balken tragenden Stegen ausgerüsteten Kantelbalkenboden kontinuierlich und stetig eingeleitet wird, und das behandelte Feststoffmaterial den Reaktor durch den zeitlich abgestuften, jedoch kontinuierlich öffnenden und schließenden Boden abgezogen und das Gas bzw. der Dampf oder Gas/Dampf-Gemisch, ggf.

nach einer Aufkonditionierung, im Kreis wieder in die Anlage zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensdruck nicht über 20 Bar liegt und die Gas- bzw. Dampf- oder Gas/Dampftemperaturen am Reaktoreinlaß 90 bis 110° C betragen.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch einen vorwiegend zylindrischen vertikalen Reaktor (1) mit oberem Teil (9), unterem, konisch auslaufendem, jedoch vorwiegend rechteckig konstruiertem Teil (12), Materialaufgabe (3), Materialabzug (3'), zentraler Rührwelle (13) mit aufgesetztem Verteilerteller (14) und mindestens einem weiteren Rührarm (15), Gasabzugsstutzen (11) und Kantelbalkenboden (10) mit einer Vielzahl von ein- oder mehretagigen, horizontal angeordneten dachstückartigen Abstreiferelementen (34), die im Abstand derart voneinander angeordnet sind, daß der Boden im ruhenden Zustand an den Berührungsstellen (23) der Elemente (34) geschlossen ist, und Bohrungen (35) bzw. Schlitze im Bereich der Stege (36) jedoch einen ungehinderten Durchgang des Behandlungsgases bzw. Gas/Dampfgemischs erlauben, und der Kantelbalkenboden in der Ebene beweglich und einstellbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gas- bzw. Gas/Dampfkreislauf (5) ein Gebläse (4), ein Wärmeaustauscher (7) und ggf. ein Zyklon (16) eingebaut ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für Reaktionen von Feststoffen mit Gasen und/oder Dämpfen bei erhöhten Temperaturen, insbesondere zur schockartigen, jedoch schonenden thermischen Behandlung von Feststoffen mit bzw. in Gegenwart von Gasen und Dämpfen im Fließ- oder Wirbelbettprozeß.

Weiter betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, die nach dem Prinzip des Fließ- oder Wirbelbetts arbeitet.

Es ist bekannt, daß bestimmte Reaktionen und Umsetzungen von Stoffen mit Gasen und/oder Dämpfen innerhalb eines relativ engen Temperaturintervalls kurzfristig ablaufen müssen, um hierdurch unerwünschte Nebenreaktionen auszuschließen.

Beispiele sind etwa die gesteuerte Polymerisation von Monomeren, die partielle Oxidation oder Hydrierung, thermische Abbauverfahren bei Hydraten oder Ammoniakaten, die thermische Behandlung von Naturstoffen wie Saatgut, Bohnen, Aromastoffen, Kaffee, Tee usw.

zwecks Trocknung, Röstung, Extraktion usw.

So ist es z. B. aus der US-PS 22 67 747 bekannt, Saatgut wie Sojamaterial oder ähnliches einer thermischen Schockbehandlung auszusetzen, um gewisse qualitative Verbesserungen durch Zerstörung von Bitterstoffen und andere ungewünschte Begleitstoffe zu erreichen.

Die DE-PS 8 809994 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei der in einem zylindrischen vertikalen Behälter durch rotierende Flügelarme auf mehreren Etagen dem zu behandelnden Gut über einen perforierten Boden Heißluft oder heiße Gase entgegengeführt werden. Dabei können die verschiedensten Stoffe anorganischer oder organischer Art behandelt werden. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß eine schockartige, d. h. kurzzeitige Einwirkung in der Wirbelschicht nicht stattfindet und das Gut relativ lange dem heißen gasförmigen Medium ausgesetzt Ist Auch kann keine gesteuerte Behandlung erzielt werden, da ein freier Fall des Materials und eine geregelte Austragung aus dem Reaktor unmöglich ist.

Gleiche Mängel weisen die in Chemie-lng.-Technik, 36. Jahrgang, 1964, Nr. 12, ab Seite 1267 abgehandelten Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von Stoffen in der Wirbelschicht bzw. im Fließbett auf. Auch hier ist eine geregelte, kurzzeitige Einwirkung des gasförmigen Mediums nicht möglich.

Alle diese Prozesse erfordern vielfach ein relativ kleines Temperaturgefälle bei der Einwirkung von Heiß- und Trockenluft, Wasserdampf, gasförmigen Extraktionsmitteln, Gasen und Dämpfen für chemische Umsetzungen usw., um eine gezielte und kurzfristige Einwirkung zu erreichen.

Außerdem wird es gerade hierdurch erst ermöglicht, rückläufige Reaktionen zu unterbinden und dadurch stoffliche Veränderungen, also Stoffschäden, auszuschließen.

Beispielhaft für diese Anforderungen an thermische Behandlungsprozesse sei an die Extraktion von Leguminosesamen, Kernmaterial, Nüsse, Bohnen, insbes. von Sojamaterial erinnert. Hier ist vor der Extraktion, also vor dem Ölentzug, eine thermische Reaktion notwendig, um z. B. den Trypsinfaktor zu entfernen bzw. zu inaktivieren, Harnstoffe abzubauen, Oxidasen unwirksam zu machen, den Wassergehalt einzustellen und ggf. gleichzeitig oder nach der Extraktion am Schrot das Schalenmaterial zu entfernen.