EP0436140B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer pulverförmigen Substanz - Google Patents

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EP0436140B1
EP0436140B1 EP90123424A EP90123424A EP0436140B1 EP 0436140 B1 EP0436140 B1 EP 0436140B1 EP 90123424 A EP90123424 A EP 90123424A EP 90123424 A EP90123424 A EP 90123424A EP 0436140 B1 EP0436140 B1 EP 0436140B1
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EP
European Patent Office
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baffle plate
liquified gas
cooling
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sprayed
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Peter Schmidt
Franz Kretzschmar
Willi Kawaters
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
    • F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
    • F28C3/10—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material
    • F28C3/12—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material the heat-exchange medium being a particulate material and a gas, vapour, or liquid
    • F28C3/14—Other direct-contact heat-exchange apparatus one heat-exchange medium at least being a fluent solid, e.g. a particulate material the heat-exchange medium being a particulate material and a gas, vapour, or liquid the particulate material moving by gravity, e.g. down a tube

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a powdery substance, in particular cement, which is filled as a powder jet through a nozzle into a container and sprayed with a liquefied gas for cooling, and a device for carrying out the method.
  • DE-A-36 23 724 discloses a method and a device for producing fresh concrete using cement that is precooled by liquid nitrogen.
  • the cement is cooled when the cement is fed into a storage silo.
  • the liquid nitrogen is blown into the cement silo at the same time as the cement.
  • the connections for cement and nitrogen are arranged adjacent in the upper silo area.
  • this known method has the disadvantage that adequate cooling cannot be achieved with it: because the cement emerges from the filler neck in the form of a water jet.
  • the water-like behavior of the cement means that the contact surface is in no way sufficient for the required heat exchange.
  • DE-A-33 16 030 proposes a method and a device for moistening granular or powdery spreading material, such as road salt, synthetic fertilizer or lime, in order to increase the accuracy when spreading and the duration of the spreading material.
  • the grit is run over two roof-shaped inclined surfaces and each of the two grit flows is sprayed with a liquid such as lye from the outside, ie from locations above and below the inclined surface.
  • a liquid such as lye from the outside, ie from locations above and below the inclined surface.
  • the granular substances required for the production of concrete are passed separately from one another into a container with different partial containers arranged next to one another. Cooling water is then sprayed from above onto the substances in the partial containers from spray nozzles. The various substances are then drained. The drying time and cooling time depend on the grain size of the respective substance. The still moist, cooled substances are finally mixed to form concrete.
  • This complex process also shows the disadvantages of only a low heat exchange and the low cold content of cold water.
  • the invention has for its object to provide a method and a device for cooling a powdery substance, in particular cement, which is filled as a powder jet through a nozzle in a container and sprayed with a liquefied gas for cooling, which meet the requirements described above and ensure in particular an increased heat exchange between the powdery substance and the cooling liquid.
  • This object is achieved in that the powder jet is first directed onto a baffle plate inclined to the filling direction and then the liquefied gas is sprayed into the finely distributed baffle stream which widens in cross section.
  • the essential feature of the invention is that a baffle plate is placed below the powder filler neck in the powder stream of the powder to be cooled. When it hits this inclined baffle plate, the powder jet is torn, causing the powder to form a finely divided baffle flow and creating an effective contact surface for heat exchange with the liquefied gas.
  • Another advantage is that the temperature distribution in the container is much more homogeneous than can be achieved according to the prior art. The above-mentioned sufficient cooling can also be achieved with a lower coolant throughput, and it can also be far surpassed if necessary.
  • the invention can be applied to a wide variety of powdery substances.
  • One example is the cement mentioned above in the course of the production of concrete, which is of particular importance because of its widespread use in building construction and civil engineering.
  • the use of liquid nitrogen as a coolant is recommended, since nitrogen does not leave any residues, but evaporates and degasses 100 percent.
  • the invention can be used with the same success, for example in the production of milk powder and plastic granules, and in particular in the grinding of spices which, for. T. are very temperature sensitive, use.
  • a great advantage of the invention is that it can be easily installed in a conventional cooling device for powdery substances which are fed into a container.
  • the filler neck of such a conventional cooling device can be in the container be arranged decentrally or centrally in the upper container area.
  • the decentralized arrangement is characterized by a flat baffle plate arranged obliquely below the outlet openings of the powder filler neck, which is fastened to the powder filler neck with brackets at an angle between approximately 30 ° and approximately 75 ° to the direction in which the powder falls.
  • a flat baffle plate arranged obliquely below the outlet openings of the powder filler neck, which is fastened to the powder filler neck with brackets at an angle between approximately 30 ° and approximately 75 ° to the direction in which the powder falls.
  • a blunt baffle cone with brackets is attached to it below the centrally positioned powder filler neck in such a way that the axis of the filler neck points to the cone tip pointing upwards.
  • the liquid nitrogen is added via a ring line provided on its underside with numerous outlet openings for the liquid coolant as a distribution rake to the truncated cone-shaped impingement flow of the powder which is formed by the cone.
  • This arrangement of a ring line arranged centrally around the filler neck ensures particularly effective cooling of the powder.
  • the baffle plate is fastened to the powder filler neck with brackets. A separate fastening of the baffle plate is also conceivable.
  • the powdery substance fed into the container from above through the powder filler neck hits the baffle plate mounted underneath the filler neck and that the powdery substance that bounces off flows below the coolant distribution rake so that it flows through the outlet openings of the distribution rake Liquefied gas sprayed onto the powdery substance makes an effective thermal contact with it.
  • a particularly effective thermal contact results if the cross section of the sprayed impingement stream is enlarged compared to the cross section of the powder stream in the powder filler neck.
  • FIG. 1 shows a device for cooling a powdery substance (symbolized by arrows) in a decentralized arrangement.
  • Figure 1 shows one
  • FIG. 1 Side view, Figure 1, II a top view.
  • the powder to be cooled passes through a powder filler neck 1 into a container (not shown), where it meets a flat, obliquely positioned baffle plate 2a and bounces off it again.
  • the liquefied gas passes from a feed line 3 into a straight distribution rake 4a, which has numerous outlet openings for the liquefied gas on its underside, and is sprayed onto the baffle flow of the powder generated by the baffle plate 2a in order to achieve the desired cooling of the powder.
  • the baffle plate 2a is fastened to the powder filler neck 1 with brackets 5.
  • FIG. 2 shows an alternative form of arrangement of a device for cooling powdery substances, namely a central one, FIG. 2, I again representing the side view of FIG. 2, II (top view).
  • the same or comparable parts of the device are provided with the same reference numbers as in FIG. 1.
  • the powder (arrows) fed through the filler neck 1 into the container (not shown) hits the conical baffle plate 2b and is thereby widened to form a frustoconical baffle flow.
  • the liquefied gas is fed via the feed line 3 into a ring line 4b provided on its underside with numerous outlet openings for the liquefied gas, which serves as a distribution screen for spraying the liquefied gas onto the impingement stream and thus achieves the necessary cooling.
  • the brackets 5 fix the impact cone 2b below the filler neck 1.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer pulverförmigen Substanz, insbesondere Zement, die als Pulverstrahl durch einen Stutzen in einen Behälter gefüllt und zur Kühlung mit einem verflüssigten Gas besprüht wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Beim Befüllen eines Behälters mit einer pulverförmigen Substanz ist es mitunter erforderlich, diese beim Einfüllvorgang zu kühlen. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die eingespeiste pulverförmige Substanz einer exothermen Reaktion unterzogen werden soll, eine erhöhte Temperatur des Reaktionsproduktes aber unerwünscht bzw. unvorteilhaft ist. Stellvertretend für eine solche pulverförmige Substanz ist Zement zu nennen, der, mit Wasser vermischt, exotherm reagiert. Das führt im Beton vor allem bei größeren Bauwerken während der Abkühlungsphase zu einem erheblichen Temperaturgradienten, woraus am Bauwerk Zugspannungen entstehen (Betonwerk + Fertigteil-Technik, Heft 8/81, S. 507), die durch die oben erwähnte Kühlung vermindert werden können.
  • Aus der DE-A- 36 23 724 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Frischbeton unter Verwendung von Zement, der durch flüssigen Stickstoff vorgekühlt wird, bekannt. Die Zementkühlung erfolgt bei der Einspeisung des Zementes in ein Vorratssilo. Hierzu wird der flüssige Stickstoff zugleich mit dem Zement in das Zementsilo eingeblasen. Die Anschlüsse für Zement und Stickstoff sind benachbart im oberen Silobereich angeordnet. Dieses bekannte Verfahren bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß eine ausreichende Kühlung damit nicht erzielt werden kann: Denn der Zement tritt wasserstrahlförmig aus dem Einfüllstutzen aus. Das wasserähnliche Verhalten des Zements bewirkt, daß die Kontaktfläche für den erforderlichen Wärmeaustausch in keiner Weise genügt.
  • In der DE-A-33 16 030 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befeuchtung von körnigem oder pulverförmigem Streugut, wie Streusalz, Kunstdünger oder Kalk, vorgeschlagen, um die Treffsicherheit beim Ausstreuen und die Liegedauer des Streugutes zu erhöhen. Dazu läßt man das Streugut über zwei dachförmige Schrägflächen laufen und jeder der beiden Streugutströme wird von außen, d.h. von Orten oberhalb und unterhalb der Schrägfläche, mit einer Flüssigkeit wie Lauge besprüht. Zur Kühlung insbesondere von Zement eignet sich ein derartiges Verfahren kaum, da der Wärmeaustausch zwischen der herabrutschenden Substanz und einer Kühlflüssigkeit nur gering wäre und zudem eine Befeuchtung des Zements eine exotherme Reaktion zur Folge hätte.
  • Gemäß dem Verfahren aus der US-A-2,727,734 werden die zur Betonherstellung notwendigen körnigen Substanzen voneinander getrennt in einen Behälter mit verschiedenen, nebeneinander angeordneten Teilbehältern geleitet. Aus Sprühdüsen wird dann von oben Kühlwasser auf die Substanzen in den Teilbehältern gesprüht. Anschließend werden die verschiedenen Substanzen trockengelegt. Trockenzeit und Kühlzeit hängen dabei von der Korngröße der jeweiligen Substanz ab. Die noch feuchten, gekühlten Substanzen werden schließlich gemischt, um Beton zu bilden. Dieses aufwendige Verfahren zeigt ebenfalls die Nachteile eines nur geringen Wärmetauschs und des geringen Kälteinhalts von kaltem Wasser.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer pulverförmigen Substanz, insbesondere Zement, die als Pulverstrahl durch einen Stutzen in einen Behälter gefüllt und zur Kühlung mit einem verflüssigten Gas besprüht wird, aufzuzeigen, welche die eingangs beschriebenen Anforderungen erfüllen und insbesondere einen erhöhten Wärmeaustausch zwischen der pulverförmigen Substanz und der Kühlflüssigkeit gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Pulverstrahl zunächst auf ein zur Einfüllrichtung schräg gestelltes Prallblech gerichtet wird und dann in den im Querschnitt sich aufweitenden, fein verteilten Prallstrom das verflüssigte Gas gesprüht wird.
  • Ein Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Patentanspruche 5 vorgeschlagen.
  • Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt darin, daß ein Prallblech unterhalb des Pulvereinfüllstutzens in den Pulverstrom des zu kühlenden Pulvers gebracht wird. Beim Auftreffen auf dieses schräg gestellte Prallblech wird der Pulverstrahl zerrissen, wodurch das Pulver einen fein verteilten Prallstrom bildet und man eine wirksame Kontaktfläche für den Wärmeaustausch mit dem verflüssigten Gas erzielt. Als weiterer Vorteil stellt sich im Behälter eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung ein, als sie nach dem Stand der Technik erreichbar ist. Die oben geforderte, ausreichende Kühlung läßt sich darüber hinaus mit einem geringeren Kühlflüssigkeitsdurchsatz erreichen, und sie kann bei Bedarf auch noch weit überboten werden.
  • Die Erfindung läßt sich auf die verschiedensten pulverförmigen Substanzen anwenden. Ein Beispiel ist der schon oben erwähnte Zement im Zuge der Herstellung von Beton, der wegen seines weitverbreiteten Einsatzes im Hoch- und Tiefbau eine besondere Bedeutung besitzt. Speziell im Zusammenhang mit der Kühlung von Zement empfiehlt sich die Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel, da Stickstoff keine Rückstände hinterläßt, sondern 100prozentig verdampft und ausgast. Die Erfindung läßt sich jedoch mit gleichem Erfolg auch beispielsweise bei der Herstellung von Milchpulver und Kunststoffgranulaten und insbesondere beim Mahlen von Gewürzen, die z. T. sehr temperaturempfindlich sind, einsetzen.
  • Ein großer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie in eine herkömmliche Kühlvorrichtung für pulverförmige Substanzen, die in einen Behälter eingespeist werden, leicht eingebaut werden kann. Der Einfüllstutzen einer derartigen, herkömmlichen Kühlvorrichtung kann dabei in dem Behälter dezentral oder zentral im oberen Behälterbereich angeordnet sein.
  • Es bestehen zwei grundsätzliche Ausführungsmöglichkeiten für Verfahren und Vorrichtung:
  • Die dezentrale Anordnung ist durch ein unterhalb der Austrittsöffnungen des Pulvereinfüllstutzens schräg angeordnetes, ebenes Prallblech charakterisiert, das mit Halterungen am Pulvereinfüllstutzen unter einem Winkel zwischen ca. 30° und ca. 75° zur Fallrichtung des Pulvers befestigt ist. Durch den Aufprall auf dieses Prallblech weitet sich der Pulverstrom zu einem fein verteilten Prallstrom auf. Eine Flüssigkeitsverteileinrichtung in Form eines an seiner Unterseite mit zahlreichen Auslaßöffnungen für das verflüssigte Gas versehenen geraden Verteilrechens wird so angebracht, daß das aus ihm austretende verflüssigte Gas den Prallstrom breit besprüht und damit die erwünschte Kühlung bewirkt.
  • Bei der zentralen Anordnung wird unterhalb des im oberen Behälterbereichs zentrisch angebrachten Pulvereinfüllstutzens an ihm ein stumpfer Prallkegel mit Halterungen befestigt, dergestalt, daß die Achse des Einfüllstutzens auf die nach oben gerichtete Kegelspitze zeigt. Der flüssige Stickstoff wird über eine an ihrer Unterseite mit zahlreichen Auslaßöffnungen für das flüssige Kühlmittel versehenen Ringleitung als Verteilrechen dem sich durch den Kegel ausbildenden, kegelstumpfförmigen Prallstrom des Pulvers zugegeben. Diese Anordnung einer zentrisch um den Einfüllstutzen angebrachten Ringleitung gewährleistet eine besonders effektive Abkühlung des Pulvers. Bei den Ausführungsmöglichkeiten wird das Prallblech mit Halterungen am Pulvereinfüllstutzen befestigt. Denkbar ist aber auch eine getrennte Befestigung des Prallblechs. Wesentlich für das beschriebene Verfahren ist, daß die von oben durch den Pulvereinfüllstutzen in den Behälter eingespeiste pulverförmige Substanz vollkommen auf das unterhalb des Einfüllstutzens montierte Prallblech trifft und daß die von diesem abprallende pulverförmige Substanz so unterhalb des Kühlmittelverteilrechens vorbeiströmt, daß das durch die Austrittsöffnungen des Verteilrechens auf die pulverförmige Substanz gesprühte verflüssigte Gas zu dieser einen wirksamen Wärmekontakt herstellt. Ein besonders effektiver Wärmekontakt ergibt sich, wenn der Querschnitt des besprühten Prallstromes gegenüber dem Querschnitt des Pulverstromes im Pulvereinfüllstutzen vergrößert ist.
  • Die Erfindung sei im folgenden anhand zweier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
  • Dabei zeigen
    • Fig. 1
    eine Vorrichtung in dezentraler Anordnung mit einem ebenen, schräg angestellten Prallblech und
    Fig. 2
    eine Vorrichtung in zentraler Anordnung mit einem kegelstumpfförmigen Prallblech, wobei die Kegelspitze in Gegenrichtung zur Einfüllrichtung des eingespeisten Pulvers weist.
  • In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer pulverförmigen Substanz (durch Pfeile symbolisiert) in dezentraler Anordnung dargestellt. Figur 1, I zeigt dabei eine
  • Seitenansicht, Figur 1, II eine Aufsicht. Durch einen Pulvereinfüllstutzen 1 gelangt das zu kühlende Pulver in einen Behälter (nicht dargestellt), wo es auf ein ebenes, schräg angestelltes Prallblech 2a trifft und von diesem wieder abprallt. Das verflüssigte Gas gelangt aus einer Zuleitung 3 in einen geraden Verteilrechen 4a, der an seiner Unterseite zahlreiche Auslaßöffnungen für das verflüssigte Gas aufweist, und wird auf den durch das Prallblech 2a erzeugten Prallstrom des Pulvers gesprüht, um die erwünschte Kühlung des Pulvers zu erreichen. Das Prallblech 2a ist mit Halterungen 5 am Pulvereinfüllstutzen 1 befestigt.
  • Figur 2 zeigt eine alternative Anordnungsform einer Vorrichtung zur Kühlung pulverförmiger Substanzen, nämlich eine zentrale, wobei Figur 2, I wiederum die Seitenansicht von Figur 2, II (Aufsicht) darstellt. Dabei sind gleiche oder vergleichbare Vorrichtungsteile mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in Figur 1. Das durch den Einfüllstutzen 1 in den nicht dargestellten Behälter eingespeiste Pulver (Pfeile) trifft auf das kegelförmige Prallblech 2b und wird dadurch zu einem kegelstumpfförmigen Prallstrom verbreitert. Das verflüssigte Gas wird über die Zuleitung 3 in eine an ihrer Unterseite mit zahlreichen Austrittsöffnungen für das verflüssigte Gas versehene Ringleitung 4b geleitet, die als Verteilrechen zum Aufsprühen des verflüssigten Gases auf den Prallstrom dient und so die nötige Kühlung erzielt. Die Halterungen 5 fixieren den Prallkegel 2b unterhalb des Einfüllstutzens 1.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Kühlung einer pulverförmigen Substanz, insbesondere Zement, die als Pulverstrahl durch einen Stutzen in einen Behälter gefüllt und zur Kühlung mit einem verflüssigten Gas besprüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverstrahl zunächst auf ein zur Einfüllrichtung schräg gestelltes Prallblech gerichtet wird und dann in den im Querschnitt sich aufweitenden, fein verteilten Prallstrom das verflüssigte Gas gesprüht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverstrahl gegen ein ebenes Prallblech geführt wird, wonach in den entstandenen Prallstrom das verflüssigte Gas aus einem Verteilrechen gesprüht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverstrahl mittig auf ein kegeliges Prallblech geführt wird, wonach in den entstandenen Prallstrom das verflüssigte Gas aus einer Ringleitung als Verteilrechen gesprüht wird.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als verflüssigtes Gas flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Speicherbehälter für eine pulverförmige Substanz, der in seinem oberen Teil mit einem Einfüllstutzen (1) für die pulverförmige Substanz und mit einer Verteilvorrichtung (4a,4b) für ein verflüssigtes Gas ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand vom Austrittsende des Einfüllstutzens (1) und in der Nähe der Austrittsöffnungen der Verteilvorrichtung (4a,4b) für das verflüssigte Gas ein zur Einfüllrichtung schräg gestelltes Prallblech (2) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prallblech (2a) eben geformt ist.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prallblech (2b) die Form eines stumpfen Kegels besitzt und mit der Kegelspitze zum Einfüllstutzen zeigend, mittig unter diesem angeordnet ist.
  8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prallblech (2a,2b) mit Halterungen (5) am Einfüllstutzen (1) befestigt ist.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilvorrichtung (4a) für das verflüssigte Gas aus einem seitlich neben dem Prallblech und im unteren Bereich dieses Prallblechs angeordneten geraden Rechen (4a) besteht.
  10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilvorrichtung (4b) für das verflüssigte Gas aus einer symmetrisch zum Kegel angeordneten Ringleitung (4b) als Rechen besteht.
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