EP0536650B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen feuchter Substanzen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen von feuchten Substanzen wie Filterkuchen, beispielsweise aus Preßkuchen von Filterpressen, Zentrifugen od.dgl. unter Temperatureinfluß. Zudem erfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Es ist allgemein bekannt, Substanzen in beheizten Gefäßen zu trocknen, auch werden konisch ausgebildete Trocknungsgefäße eingesetzt, die zur Reinigung der Behälterwand sowie zum Durchmischen des Feststoffes mit einer wandumlaufenden Schnecke ausgerüstet sind.
• Die im Jahre 1960 hinterlegte DE-AS 11 82 601 offenbart ein Verfahren zum Trocknen eines proteinhaltigen biologischen Breies nach Abscheiden von Depotfett und Zentrifugentrocknen -- d.h. mit einer Feuchte von etwa 55 bis 80 % --, bei dem das selbst nicht erhitzte Gut wiederholt mit hoher Zentrifugalbeschleunigung durch einen gasförmigen Trocknungsmittelstrom hindurch gegen eine Heizfläche mit Blasenverdampfung bewirkender Temperatur geschleudert und davon sofort wieder abgenommen wird. Die Trocknungswirkung soll erreicht werden, daß das sog. Haftwasser den Proteinverbindungen vorauseilt, auf der Heizfläche zerstäubt und großteils sofort verdampft. Die Proteinverbindungen kommen -- dank des vorauseilenden Haftwassers, das eine Art Schutzmantel ergeben soll -- selbst nicht mit der Heizfläche in Berührung, was ihre Überhitzung hintanhält. Dazu wird als Vorrichtung ein feststehender Trocknungszylinder mit beheizter Wand beschrieben, deren Innenfläche rauh sein kann und die eine in der Zylinderachse rotierbare Wurfschale, ein gleichachsiges Messerkreuz sowie einen mit Wurfschale und Messerkreuz gleichachsig angeordneten Lüfter für Trocknungsmittel aufweist.
• Zudem ist der noch älteren DE-AS 11 52 060 ein Verfahren zum ununterbrochenen Trocknen vorgewärmter pulveriger oder teigiger Güter wie Kohlenschlamm und Mineralien zu entnehmen, bei dessen Durchführung das Gut mechanisch zerkleinert und gleichzeitig durch heiße Gase unter geringem Überdruck bis nahe an die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit im Gut erhitzt und anschließend einem Stoß ausgesetzt wird.
• In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, das Trocknen von feuchten Substanzen eingangs genannter Art, nämlich vor allem von industriellen Filterkuchen, zu verbessern.
• Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5. Die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.
• Erfindungsgemäß wird die zu trocknende Substanz mit hoher Geschwindigkeit durch Zentrifugalkräfte gegen eine überhitzte Prallfläche geschleudert und ein Teil der am Partikel oder an der Faser haftenden Flüssigkeit von diesem/dieser unter Bildung eines dünnen Films auf der Prallfläche getrennt, wonach der Flüssigkeitsfilm verdampft, der Dampf ausgetragen und die entstehende Trockensubstanz von der Prallfläche nach unten geführt wird.
• Nach der erfindungsgemäßen Lehre soll ein mechanischer -- bevorzugt durch die Zentrifugalkraft erzeugter -- Effekt die thermische Trocknung mit oder ohne Einsatz der Vakuumtechnik überlagern sowie eine verfahrenstechnisch und wirtschaftlich bewertete Automatisierung und Optimierung der thermischen Trocknung durch den Einsatz eines gravimetrischen Meß-Prinzips angeboten werden.
• Aufgrund der physikalischen Zusammenhänge von Druck und Temperatur bezüglich des Siedepunktes von Flüssigkeiten ist es möglich, Substanzen schonend, d.h. bei relativ niedrigen Temperaturen, im Vakuum zu trocknen. Die Vakuumtrocknung ist immer dann die beste Lösung eines Trocknungsproblemes, wenn das zu trocknende Produkt bei höherer Temperatur beschädigt wird. Vorteilhaft ist diese Trocknung auch dann, wenn unter Ausschluß von Sauerstoff getrocknet werden muß, toxische oder schädliche Nebenprodukte der Trocknung nicht unkontrolliert emittieren sollen, oder auch, wenn man unter Reinraum-Bedingungen arbeiten möchte. Ebenfalls ist z.B. die Rückgewinnung von Lösungsmitteln möglich.
• Sieht man von der Höhe und Art der Temperaturführung ab, ist von wesentlichem Einfluß die Behandlung des Produktes im verfahrenstechnischen Raum. Aus diesem Grund sind in vielen Trocknerbauarten Mischwerkzeuge eingebaut, die durch eine -- mehr oder weniger -- ständige Durchmischung und Bewegung des Produktes eine optimale, d.h. schnelle und vollständige Trocknung bewirken sollen. Die beeinflussende Wirkung der Mischerdrehzahl auf die Geschwindigkeit der Trocknung ist für verschiedene Produkte bekannt. Definiert man eine Mischgütekennzahl N, so sollte diese für mechanisch durchmischte Schüttungen im Trockner zwischen ca. 2 und 25 liegen. Für die Mischgütekennzahl N gilt: $${\text{N}}_{\text{mix}}\text{= cFr*}$$

  

  worin
  c ein Regressionsparameter ist, der beispielsweise für Schaufeltrockner den Wert 9 annimmt, für Scheibentrockner etwa den Wert 25. Die Verdampfungsgeschwindigkeit bzw. die Menge der verdampften Flüssigkeit kann folgendermaßen angegeben werden: $${\text{1/N}}_{\text{mix}}{}^{\text{0.2...0.3}}$$

  
• Die Froudezahl Fr ist definiert zu. $$\text{Fr =}\underline{\text{(2 n)}}{\text{}}^{\text{2}}\text{.D/2g}$$

  

  worin die Drehzahl des Mischwerkzeuges ist und D dessen Durchmesser.
• Bei der zentrifugalen mechanischen Entwässerung steigt der Trockengehalt bzw. es sinkt die Restfeuchte, wenn bei inkompressiblen Produkten ein höheres Entfeuchtungspotential -- ausgedrückt durch einen höheren Zentrifugalwert -- realisiert wird. Die erzielbare Restfeuchte bzw. der erzielbare Sättigungsgrad ist abhängig von produktspezifischen und maschinell bedingten Parametern. Der Sättigungsverlauf kann dimensionslos dargestellt werden in Abhängigkeit von der dimensionslosen Kenngröße Bondzahl Bo $${\text{B}}_{\text{01}}{\text{= (d}}_{\text{H}}{\text{.H}}_{\text{L}}{\text{.g.C)/}}_{\text{cos}}\text{5}$$

  

  $${\text{B}}_{\text{02}}{\text{= (d}}^{\text{2}}{\text{.}}_{\text{L}}{\text{.g.C)}}_{\text{cos}}\text{5}$$

  

  in der wiederum die dimensionslose Kenngröße des Zentrifugalwertes C enthalten ist: $${\text{C = rw}}^{\text{2}}\text{/g}$$

  
• Betrachtet man den in der Zentrifugaltechnik gebräuchlichen Zentrifugalwert C und die in der Misch- und Trocknungstechnik gebräuchliche Froudezahl Fr, so erkennt man die Identität; dies führte den Erfinder dazu, Versuche mit zentrifugaler Trenntechnik durchzuführen und erhebliche Verbesserungen in der Trocknungseffektivität von thermischen Trocknern zu erzielen.
• Zur Realisierung eines mechanisch thermischen Trenn-Erfolges wird der zu trocknende Stoff nach der Befüllung in einem Trockner mittels einer Schnecke gefördert und zwar zu einem in dessen oberen Bereich erfindungsgemäß angeordneten und um die Achse des Trockners bewegbaren Drehtellers, gegenüber dessen Randbereich eine beheizte Prallfläche der Gefäßwandung angeordnet wird.
• Dazu hat es sich im Rahmen der Erfindung als günstig erwiesen, diese Prallfläche in ein Vakuum zu legen.
• Zur Nutzung des gravimetrischen Prinzips in der hier betroffenen thermischen Trocknung wird der von der Peripherie entkoppelte bzw. flexibel mit ihr verbundene Trockner als Einheit komplett auf Druckmeßdosen gestellt, die miteinander gekoppelt sind; bei einer starren Verbindung mit der Peripherie und der Möglichkeit der Übertragung auftretender Momente, wird die Gewichtsmessung zumindest verfälscht. Die Gewichtsveränderung bzw. das momentane Gewicht kann in einer freiprogrammierbaren Steuerung erfaßt werden. Hierdurch ist ein Trocknungsprozeß verfahrenstechnisch und wirtschaftlich optimal steuerbar.
• Durch die Realisierung eines mit mechanischen Mitteln überlagerten, thermischen Trockners können unter niedrigstem Aufwand bei hohem Erfolg Froudezahlen realisiert werden, die im Bereich von etwa 25 und mehr liegen, mit dem Vorteil einer Bauweise kleiner Abmessungen.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; sie zeigt jeweils schematisiert in

Fig. 1:

den Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Trockner;

Fig. 2 bis Fig. 5:

Schaubilder zu einem Verfahren.

• Ein Trockner oder Trocknungsbehälter 10 für die Aufbereitung von breiartigen feuchten Stoffen, insbesondere von Preßkuchen aus Filterpressen od.dgl. Suspensionen, weist einen sich abwärts konisch verjüngenden Sockelkörper 12 auf, der mit von seiner Außenwand 14 seitlich abkragenden Konsolen 15 auf Druckmeßdosen 16 lagert.
• Der Innenraum 18 des Sockelkörpers 12 ist nach unten hin mittels eines -- einem Schieber 20 zugeordneten -- flexiblen Balgrohres 22 an eine Rohrleitung 24 angeschlossen und nimmt eine Förderschnecke 26 auf, die im Bereich der Vertikalachse A des Trocknungsbehälter 10 in einem beheizten Förderkanal 28 verläuft. Letzterer ist durch Radialrohre 29 bzw. 29_a an einem Zulauf 30 bzw. Ablauf 30_a für Heizmedium angeschlossen.
• Oberhalb des Sockelkörpers 12 ist in Fig. 1 eine dessen Außenkontur fortsetzende Schleuderzone 32 mit einem um jene Vertikalachse A bewegten Drehteller 34 zu erkennen. Dessen Tellerrand 35 ist in einem Winkel von beispielsweise 30° abwärts gerichtet und steht einer Prallfläche 36 gegenüber.
• Die Schleuderzone 32 wird von einem Gefäßdeckel 38 überspannt, welcher einen Schneckenantrieb 39 trägt sowie einen zur Vertikalachse A geneigten, ein Seitenrohr 40 anbietenden Rohrstutzen 42.
• Das zu trocknende feuchte Material wird am oberen Ende der Förderstrecke 26/28 dem Drehteller 34 übergeben, dessen Drehzahl von der Drehzahl der Förderschnecke 26 entweder entkoppelt ist oder über ein Übersetzungsgetriebe ein Mehrfaches der Schneckendrehzahl beträgt.
• Das feuchte Material wird auf dem Drehteller 34 beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit gegen die schräge Behälterwand 33 der Schleuderzone 32 geworfen. Dort vollzieht sich eine Trennung zwischen der anhaftenden Flüssigkeit am Partikel oder der Faser und dem Partikel selbst.
• Die Behälterwand 33 ist im Aufprallbereich B dank des Zuflusses von Heizmedium durch eine Leitung 44 und einen Stutzen 46 örtlich überhitzt. Die abgegebene Flüssigkeit verteilt sich in Form eines dünnen Filmes auf der Innenseite der überhitzten Behälterwand 33. Durch den Stoß wird nicht die gesamte mitgeführte Flüssigkeitsmenge abgegeben. Nach dem Stoß rutscht das Partikel oder die Faser aufgrund der Schräge der Behälterwand 33 entweder nach unten -- wobei zusätzlich Flüssigkeit abgegeben werden kann -- oder es/sie bleibt aufgrund von Flüssigkeitshaftkräften zunächst an der Behälterwand 33 hängen. Der übergebene Flüssigkeitsbetrag, ausgebildet als lokal begrenzter Film, ist instabil, da geschlossene Oberflächenspannkräfte nicht aufgebracht werden können. Unter der Einwirkung eines angelegten Vakuums und/oder der lokal überhitzten Behälterwand 33 erfolgt eine rasche Überführung der Flüssigkeit in den Dampfzustand. Dieser Dampf wird über Leitung 48 schnell nach außen abgezogen.
• Bei zunächst anhaftenden Partikeln wird die Flüssigkeitsbrücke (Zwickelflüssigkeit) ebenfalls schnell verdampft, so daß die Haftkraft unterhalb des Betrages fällt, der zur Haltung des Partikels oder der Faser erforderlich ist. Zusätzlich kann ein bei 50 angedeuteter umlaufender Schaber angebracht werden, der eine Zwangsförderung der Partikel nach unten bewirkt. Durch Einwirkung der allseitigen Beheizung und eines Vakuums wird der sich im unteren Teil des Trockners 10 ansammelnde Feststoff weiter getrocknet. Der Vorgang kann durch eine permanente Umförderung beliebig oft wiederholt werden.
• Die Trocknungszeit ist keine starre, fest eingestellte Größe, sondern variabel zu halten: Der Trocknungsbehälter 10 kann so lange befüllt werden, bis ein -- innerhalb technischer Grenzen einstellbares -- Maximalgewicht erreicht ist. Der Füllvorgang wird dann durch Schließen z.B. des Schiebers 20 beendet. Der einsetzende Trocknungsvorgang bewirkt durch den Abzug verdampftender Flüssigkeit eine Reduzierung des Gewichtes.
• Ein typischer Verlauf des abnehmenden Gewichts in Abhängigkeit von der Trocknungszeit wird in Fig. 2 dargestellt. Dort ist über der Trocknungszeit t in Sekunden das Feststoffgewicht F in Kg aufgetragen, wobei die Linie G das Gewicht des trockenen Feststoffes zeigt und Linie M das maximale Füllgewicht. Das maximale Gewicht ist bei begrenzt verfügbaren Trocknervolumen abhängig von der spezifischen Stoffdichte und vom Schüttgewicht des Materials. Es ist frei bestimmbar innerhalb der technischen Grenzen. Mit t_F ist die Füllzeit (variabel durch Gewichts-Messung) bezeichnet, mit t* die Abbruchzeit für die Trocknung.
• Während üblicherweise nach einer fest eingestellten Trocknungszeit der Trocknungsvorgang beendet wird, kann bei Anwendung des gravimetrischen Prinzips durch die Messung eines Gradienten G/ t die Trocknungszeit variabel gehalten werden. Durch den Vergleich mehrerer, aufeinander folgenden Gradienten kann der Trocknungsvorgang automatisch abgebrochen werden, wenn gilt G/ t < y, wobei y ein festzulegender Wert ist.
• Bei gleichem wirtschaftlichem oder verfahrenstechnischem Ergebnis können unterschiedliche Füllmengen verarbeitet werden. Entsprechend Fig. 3 wird das Trocknungsergebnis gleich gehalten, wenn von Charge zu Charge unterschiedliche Einfüllmengen anfallen. Wäre im Fall der Kurven (a) und (b) die gleiche fest eingestellte Zeit vereinbart, so wäre dies im Falle (b) unwirtschaftlich, da zu lange uneffektiv getrocknet werden würde. Durch die Vereinbarung eines Abbruch-Gradienten wird die Trocknungszeit im Fall (b) automatisch auf t*_b verkürzt; es sind in dem Schaubild zur variablen Trocknungszeit bei unterschiedlichen Füllgewichten

t_{F( )} =

Füllzeit für Produkt / Gewicht (a)

t_F(b) =

Füllzeit für Produkt / Gewicht (b)

t*_(b) =

Abbruchzeit Abbruchzeit für Material (b)
da: G/ t < y

t*_(a) =

Abbruchzeit für Material (a)
da: G/ t < y

• Es können unterschiedliche Feststoffkonzentrationen/Flüssigkeitsgehalte verarbeitet werden: ist ein Trockner auf eine feste Trocknungszeit eingestellt und schwankt der Eingangsflüssigkeitsgehalt erheblich, so ist das Trocknungsergebnis nicht ausreichend. Entsprechend Fig. 4 kann durch den Einsatz der gravimetrischen Messung die Trocknungszeit automatisch verlängert werden, wenn bei gleichem Eingangsgewicht eine niedrigere Feststoffkonzentration vorlag und mehr Flüssigkeit verdampft.
• In Fig. 4 sind

I =

Kurve der anfänglich höheren Feststoffkonzentration;

II =

Kurve der anfänglich niedrigeren Feststoffkonzentration;

t_F =

Füllzeit;

t*_H =

Abbruchzeit bei höher konzentriertem Einlauf;

t*_N =

Abbruchzeit bei niedrig konzentriertem Einlauf.

• In einer Anlage können Flüssigkeiten unterschiedlicher Konsistenz variabel verdampft werden. In Fig. 5 wird eine Abbruchzeit t*_s für eine schwer zu verdampfende Flüssigkeit (Kurve III) eingestellt. Ändert sich die Flüssigkeit oder nur ein Teil der Flüssigkeits-Eigenschaften, kann durch das gravimetrische Prinzip die Trocknungszeit automatisch auf t*_L verkürzt (oder auch verlängert) werden, wobei t*_L die Abbruchzeit für leicht zu verdampfende Flüssigkeiten (Kurve IV) ist.
• Das Ergebnis bzw. der Nutzen ist in allen Fällen das Erreichen eines konstanten verfahrenstechnischen Ergebnisses sowie die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit einer Anlage, da vor allem unnötig lange Belegzeiten für eine Charge vermieden werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Trocknen von feuchten Substanzen, insbesondere von Filterkuchen, beispielsweise Preßkuchen aus Filterpressen, Zentrifugen od.dgl., unter Temperatureinfluß, bei dem die zu trocknende Substanz mit hoher Geschwindigkeit durch Zentrifugalkräfte gegen eine überhitzte Prallfläche geschleudert und ein Teil der am Partikel oder an der Faser anhaftenden Flüssigkeit von diesem/dieser unter Bildung eines dünnen Films auf der Prallfläche getrennt wird, wonach der Flüssigkeitsfilm verdampft, der Dampf ausgetragen und die entstehende Trockensubstanz von der Prallfläche nach unten geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu trocknende Substanz gegen eine schräge Prallfläche geschleudert und an dieser gleitend abwärts geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es unter Vakuum durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entstandene Trockensubstanz unterhalb der Prallfläche weitergetrocknet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Trocknen feuchter Substanzen in einem Trocknungsbehälter (10) zwischen einem Zulauf (Rohrstutzen 42) und einem Ablauf (Balgrohr 22) eine beheizte Prallfläche (36) vorgesehen und dieser ein Drehteller (34) für die zu trocknende Substanz zugeordnet ist, wobei sich die ringförmige Prallfläche (36) zumindest in ihrem unteren Bereich abwärts verjüngt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche (36) in einem Vakuum angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich (35) des Drehtellers (34) abwärts geneigt ist.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zum Drehteller (34) hin mit einer axialen Förderschnecke (26) versehene Trocknungsbehälter (10) von der Prallfläche (36) weg konisch verjüngt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbar angetriebene Förderschnecke (26) in einem beheizten Förderkanal (28) verläuft.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trocknungsbehälter (10) auf Druckmessdosen (16) lagert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmessdosen (16) miteinander gekoppelt sind.

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