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Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen von Flüssigkeiten, insbesondere
von Milch, unter .Anwendung von Zerstäubung Die Erfindung bezieht sich zunächst
auf die Verbesserung eines Verfahrens zum Trocknen von Flüssigkeiten, insbesondere
von Milch, mit oder ohne Voreindickung durch Zerstäubung mittels heißer Luft bzw.Gasen
oder Gemischen von solchen.
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Es ist bekannt, Flüssigkeiten durch Einführen eines Flüssigkeitsstrahles
unter Druck in einem Heißluftstrahl zu trocknen, wobei dieses Mischen der beiden
Strahlen in einer einer Trockenkammer vorgelagerten Vorkammer erfolgt. Die Trockenkammer
ist hierbei mit einer Öffnung für den Einlaß des Heißluftstrahles versehen. Hierbei
wird jedoch unvermeidlich durch diese Öffnung vom Heißluftstrahl eine bestimmte
Menge kalte, d. h. Zusatzluft in die Trockenkammer mitgerissen. Schwankt nun die
Menge Heißluft z. B. indolge Schwankung der Spannung des elektrischen Antriebsstromes,
so kann die Menge der Zusatzluft im Verhältnis zur Heißluftmenge so groß werden,
daß die Temperatur in der Trockenkammer derartig sinkt, daß keine vollständige Trocknung
-der Partnkeln mehr stattfindet. Ferner hat sich gezeigt, daß, wenn die Öffnung
für den Austritt der sich beim Verdampfen des Flüssigkeitsstrahles bildenden Wasserdämpfe
sowie des Heißluftstrahles aus der Trockenkammer sich in der Nähe der mit der Eintrittsöffnung
für den Heißluftstrahl versehenen gegenüberliegenden Wand befindet, viele Partikeln
des Trockengutes vom Heißluftstrahl mitgerissen und nicht in der Trockenkammcr abgelegt
werden. Bei dieser Anordnung der Austrittsöffnung bleiben ferner die Trockenpartikeln
zu lange in Berührung mit der mit Wärmedämpfen beladenen Heißluft, wodurch das Gefüge
sowie die
Hygroskopizität der Trockenpartikeln beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung bezweckt diese Nachteil-,- zu beheben und betrifft ein
Verfahren zum Trocknen von Flüssigkeiten unter Anwendung von Zerstäubung, bei welchem
ein oder mehrere mit einem Heißluft-oder Gasstrahl zusammengeführte Flüssigkeitsstrahlen
außerhalb einer A'bscheidungs'kammer unter Trocknung verdampft und atomisiert werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die den eine Temperatur von etwa 38o bis 5oo° aufweisenden
Heißstrahl umgebende, von diesem mitgerissene Außenluft vor ihrem Eintritt in die
Abscheidungskamrner möglichst entfernt, sodann die in diese etwa noch eintretenden
Teile von Außenluft sogleich bei ihrem Eintritt möglichst rasch aus dieser entfernt
und das Ablagern des Trockengutes in der Abscheidungskammer durch Richtungsänderung
des Heißstrahles um 1800 gefördert wird. Die Entfernung der mitgerissenen
Lufterfolgt außerhalb der Abscheidungskammer vorteilhaft durch eine oder mehrere
in ihrer Durchlaßöffnung einstellbare, gegebenenfalls in Richtung des Heißluftstrahles
axial verschiebbare Blenden, durch welche der Gemischstrahl vor dem Eintritt in
die Abscheidungskammer hindurchgeführt wird. Nach dem Eintritt in die Kammer wird
die restliche Luft zweckmäßig größtenteils sofort abgesäugt, während der Heißluftstrahl,
der beim Eintritt des Flüssigkeitsstrahles in denselben infolge momentaner Verdampfuhg
die in der Flüssigkeit in Suspension oder Lösung enthaltenen Bestandteil bereits
in verfestigter Form mit sich führt, mit großer Geschwindigkeit in Richtung auf
die der Eintrittsöffnung in der Abscheidungskammer gegenüberliegende Wand zugeführt
wird, wobei die Richtung des Heißluftstrahles mit fortschreitender Annäherung an
die Wand bis zu 18o° abgebogen wird. Derselbe gibt dabei die in ihm enthaltenen
festen Bestandteile ab und strömt mit wesentlich verminderter Geschwindigkeit gegen
die Eintrittsöffnung zurück. Zusammen mit der restlichen Zusatzluft verläßt dieser
zurückströmende Strahl durch die Austrittsöffnung die Abscheidungskammer, während
das ausgeschiedene feste getrocknete Gut an einer tiefer gelegenen Stelle der Abscheidungskammer
sich ablagert und unter Abschluß von Außenluft entfernt wird.
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Zweckmäßigerweise wird hierbei die Flüssigkeit durch einen Strahl
von erhitztem Gas, dessen spezifisches Gewicht größer ist als dasjenige der sich
bildenden Flüssigkeitsdämpfe, verdampft und atomisiert.
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In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Wirkung
sowie.,eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise dargestellt,
und zwar zeigt Fig. i eine schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung
im Schnitt, bei welcher der Heißluftstrahl in einer vertikalen Achse bewegt wird,
Fig. 2 eine Vorrichtung im Schnitt, bei der der Heißluftstrahl sich längs einer
horizontalen Achse bewegt, Fig.3 Kurvenbilder von der Hygroskopizität eines nach
dem neuen Verfahren hergestellten Milchpulvers im Vergleich mit einem nach bisherigen
Verfahren behandelten Milchpulver, Fig.4 eine Mikrophotographie von Partikeln von
Milchpulver, die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt wurden, 95fach vergrößert,
im Durchmesser.
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Durch die in Fig. i mit i bezeichnete Leitur; trifft ein .Strahl von
erhitzter Luft oder eines anderen erhitzten Gases oder einer Mischung von Gasen,
wobei auch träge erhitzte Gase, wie z. B. Kohlenstoffdioxyd.oder Stickstoff, verwendet
werden können, auf aus den Düsen 2 und 2Q, vorzugsweise im rechten Winkel ebenfalls
unter Druckeintretende Flüssigkeitsstrahlen, z. B. von zu trocknender Milch auf.
Die Milchstrahlen aus den Düsen 2 und 2, werden durch den Heißluftstrahl im Augenblick
des Zusammentreffens vollständig zerrissen und zerstäubt und die so. entstandenen
feinen unregelmäßigen Partikeln durch den Heißluftstrahl fortgetragen. Das Gemisch
von Heißluft und Milchpartikeln strömt dann durch die Öffnungen der Blenden 4 und
4, in die Abscheidungskammer 3. Die in Richtung des Heißluftstrahles axial verschiebbare
Blende 4 ruht hierbei auf einem G°_-stell 4b.
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Die Abscheidungskammer'3 besteht aus einem zylindrischen Hauptteil
3a, welcher am oberen oder Eintrittsende eine ringförmige Erweiterung 7u besitzt,
in welcher die Austrittsöffnung 7 angebracht ist. Das untere Ende 3b der Abscheidungskammer
3 läuft in einen lkoriischen, sich verjüngenden Teil 8 aus. Dieses untere Sammelende
8 ist mit irgendeiner passenden kontinuierlichen oder intermittie= rend arbeitenden
bekannten Fördereinrichtung 9 zum Entfernen des Pulvers versehen. Das Entfernen
des getrockneten Pulvers aus der Abscheidungskammer 3 erfolgt, ohne daß Außenluft
in diese eintreten kann oder daß Gas aus dieser nach außen gelangt. Das untere Ende
kann deshalb in bezug auf den Abscheidungsvorgang als geschlossen angesehen werden.
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Ein Saugventilator oder ein ähnlicher Apparat ist anschließend an
die Austrittsöffnung 7 außerhalb der Abscheidungskammer 3 angeordnet, um die Wasserdämpfe
und die den heißen Mittelstrahl umgebende feuchte Luft möglichst bald nach deren
Eintritt in die Abscheidungskammer abzusaugen.
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Fig. 2 zeigt im wesentlichen die gleiche Vorrichtung wie Fig. i, mit
der Ausnahme, daß der Heißluftstrahl sich längs einer horizontalen Achse bewegt.
Die Form der Abscheidungskammer i i weicht ein wenig von derjenigen in Fig. i ab,
doch ist di-e Arbeitsweise in beiden Apparaten im wesentlichen die gleiche.
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Der mit großer Geschwindigkeit sich fortbewegende Heißluftstrahl hat
die Tendenz, einen Teil der ihn umgebenden Außenluft mitzureißen. Di.e Düsen 2 und
2, befinden sich so nahe der Mündung der Leitung i, daß die vom Heißluftstrahl vor
seinem Zusammentreffen mit den Milchstrahlen aufgenommene Außenluft praktisch vernachlässigt
werden
kann. Ferner wird durch die Verdampfung des in der Milch enthaltenen Wassers der
Druck im Innern des Heißluftstrahles erhöht, so daß in der zwischen der Leitung
i und den obersten Pfeilen 5 liegenden Strecke wenig oder keine Luft angesaugt,
dagegen eine starke Wirbelung in den äußeren Schichten des Strahles hervorgerufen
wird. Die Geschwindigkeit des Innern des Strahles ist jedoch so groß, daß die Saugwirkung
unterhalb der obersten Pfeile 5 wirksam wird und von dort an ein seitliches Ansaugen
von atmosphärischer Luft stattfindet. Diese atmosphärische Luft, die als Zusatzluft
bezeichnet wird, bildet im wesentlichen eine Hülle, welche den zentralen Strahl
von Heißluft und zerstäubter Milch umgibt. Der obenerwähnte Zufluß von zusätzlicher
atmosphärischer Luft wird 'durch die Blenden 4 und 4" derart geregelt, daß in der
zwischen diesen Blenden liegenden Strecke die zur richtigen Trocknung notwendigen
Bedingungen herrschen. Die Durchmesser der Öffnungen der Blenden 4. und 4" können
verändert werden. Zu diesem Zwecke kann zum Beispiel der bekannte Irisverschluß
(nicht eingezeichnet) Anwendung finden. Die Blende 4 kann zudem noch in der Längsrichtung
des Heißluftstrahles verschoben werden.
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Die Umwandlung der Milch in Milchpulver und Wasserdampf erfolgt somit
vornehmlich zwischen den Blenden 4 und 4a, und die Zone zwischen diesen zwei Blenden
kann deshalb als Trocknungszone bezeichnet werden, obgleich die Verfestigung der
Milchpartikeln teilweise schon oberhalb deriBlende4 stattfinden kann.
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Die durch die Verdampfung des in der Milch oder in einer anderen Flüssigkeit
enthaltenen Wassers entstandenen Wasserdämpfe expandieren seitlich nach außen in
die obenerwähnte Hülle von seitlich angesaugter atmosphärischer Luft, die eine tiefere
Temperatur besitzt als das Innere des Strahles.
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Der zentrale Heißluftstrahl, welcher die Milchpartikeln trägt und
von der den größten Teil der entstandenen Wasserdämpfe absorbierenden Hülle von
Zusatzluft umgeben ist, tritt dann in die Abscheidungskammer 3 ein.
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Wie durch die Kurven io angedeutet, gelangen von den in den Hauptteil
der Abscheidungskammer eindringenden Wasserdämpfen, falls überhaupt, nur ganz geringe
Mengen bis zum Ende des konisch verjüngten Teiles 3b. Das seitliche Ausströmen des
Wasserdampfes im ringförmig erweiterten Teil 7" sowie das seitliche Aufsteigen der
feuchten Luft im zylindrischen Teil 3a werden stark gefördert durch die Tatsache,
daß das spezifische Gewicht des Wasserdampfes geringer ist als das spezifische Gewicht
der Luft von gleicher Temperatur. Ferne: entsteht durch die Umwandlung der im Mittelstrahl
enthaltenen kinetischen Energie in Druck am unteren Ende 8 des Kammerteils 3b ein
Überdruck gegenüber dem oberen Teil 3" der Kammer und der Austrittsöffnung
7.
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Was die Abscheidung des Milchpulvers anbelangt, so wird dieses durch
den warmen Mittelstrahl mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit in Richtung des
Endes 8 der Abscheidungskammer getragen, wobei die warme Luft gezwungen wird, ihre
Richtung um i8o° zu ändern, das Pulver auszuscheiden und dann mit einer geringeren
Geschwindigkeit zum oberen Ende der Kammer zurückzukehren, wo sie zusammen mit der
feuchten zusätzlichen Luft abgesaugt wird. Die seitliche aufwärts strömende Luft
verhindert ferner ein Absetzen von Milchteilchen an den Wänden.
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Das Abscheiden und das Sammeln des Pulvers findet somit in einem Teil
der Kammer statt, in welchem die relative Feuchtigkeit der Luft ein Minimum und
viel geringer ist als an der Austrittsöffnung 7. Ferner wird das Pulver in einem
Teil der Kammer ausgeschieden und gesammelt, in welchem eine höhere Lufttemperatur
herrscht als diejenige der Luft und der Wasserdämpfe, welch; durch die Öffnung 7
austreten.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt ferner nur ein
Teil der totalen im Prozeß. verwendeten Luft in direkte Berührung mit dem Milchpulver,
so daß der Einfluß von Sauerstoff auf dieses stark vermindert ist. Während des ganzen
Vorganges ist das Pulver nur mit Luft in Berührung, deren relative Feuchtigkeit
sehr gering ist, so daß das ausgeschiedene Pulver ein verbessertes kompaktes Gefüge
hat sowie einen minimalen prozentualen Feuchtigkeitsgehalt.
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Die zur Zerstäubung und zum Trocknen benötigte Wärme wird durch einen
Strahl von, erhitzter Luft geliefert oder durch einen Strahl von irgendeinem erhitzten
Gas oder einer Mischung von Gasen, welche Sauerstoff enthalten oder vollständig
träge sein können, wie z. B. Kohlenstoffdioxyd oder Stickstoff.
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In Fig.3 ist die Abnahme der Hygroskopizität dargestellt, wie sie
beim Milchpulver, welches nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt ist, erreicht
wird. Die Kurve A stellt die Hygro.skopizität eines Milchpulvers dar, welches nach
bisher bekannten Prozessen erhalten wurde, und Kurve A' zeigt die niedrigere Hygrogkopizität
von Milchpulver, welches nach dem. neuen Verfahren gewonnen wird. Die Untersuchung
von Mustern von solchen Milchpulvern fand in Luft mit einer relativen Feuchtigkeit
von 35"/o statt. Die Abszissen der Diagramme stellen die Zeit in Minuten dar, während
die Ordinaten .die von dem Pulver aufgenommnene Feuchtigkeit in Gewichtsprozenten
angeben. Es geht hervor, daß nach einer Zeitspann von: 3 Stunden und 2o Minuten
das verbessert..-Milchpulver eine Feuchtigkeitszunahme von nur 2,7 Gewichtsprozent
aufweist, während das nach den alten Methoden hergestellte Pulver ungefähr 3,3 'Gewichtsprozent
an Feuchtigkeit zugenommen hat. Wird der Versuch in Luft mit einer relativen Feuchtigkeit
von 50 '10 gemacht, tritt ein noch größerer Unterschied zwischen den beiden:
Pulvern zu Tage.
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Fig. 4 zeigt, daß die Partikeln oder die Aggregate von Partikeln des
verbesserten Milchpulvers unregelmäßiger und mehr voneinander in bezug auf Form
und Größe verschieden sind als nach hisherigen
Prozessen hergestellte
Pulver, deren mikroskopische Bilder bekannt sind. Dies ist eine Vorteil, denn das
erfindungsgemäße Pulver läßt sich leichter mechanisch füllen, netzt sich leichter
und ist in Wasser oder in anderen Flüssigkeiten leichter löslich.
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Die Geschwindigkeit der Heißluft beim Austritt aus der Mündung der
Leitung i beträgt ioo bis 300 m je Sekunde; sie liegt vorzugsweise zwischen
150 bis 200 m je Sekunde; die Temperatur der erhitzten Luft oder Gase, .die auf
diese Art zugeführt werden, kann bis 5oo° betragen, gewöhnlich sind Temperaturen
von 4oo bis q.35° bereits genügend.
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Die Zerstäubung der Milch und die Trocknung ihrer festen Bestandteile
gehen in einer äußerst kurzen Zeitspanne vor sich, d. h. in weniger als Sekunde.
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Die zu trocknende Flüssigkeit kann, eingedickt worden sein, z. B.
durch Entziehen von Wasser durch Verdampfen oder Gefrieren. Die Achsen der Flüssigkeitsstrahlen,
die aus den Düsen 2 und 2" kommen, stehen normalerweise senkrecht zur Achse des
Heißluftstrahles aus Leitung i. Diese Strahlen können den Heißluftstrahl jedoch
auch unter einem anderen beliebigen Winkel treffen. Die Wahl des Winkels hängt von
der Beschaffenheit der Flüssigkeit ab, die zerstäubt und getrocknet wird.
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Wenn die Flüssigkeit .durch einen Strahl von erhitztem Gas oder durch
einen Strahl, bestehend aus einem Gemisch von erhitzten Gasen, zerstäubt und verdampft
wird, so ist es zweckmäßig, daß: das Gas oder die Gase ein größeres spezifisches
Gewicht aufweisen als die Flüssigkeitsdämpfe bei der Temperatur, bei welcher die
feinverteilten, nicht flüssigen Bestandteile von den Dämpfen und von dem Gas oder
den Gasen, getrennt werden.