EP3553437B1

EP3553437B1 - Vorrichtung und verfahren zum trocknen, zerkleinern und abscheiden von trocknungsgut

Info

Publication number: EP3553437B1
Application number: EP19167853.1A
Authority: EP
Inventors: Shukhrat Balabekov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: DE102018205677A1; EP3553437A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von organischen und anorganischen Stoffen. Genauer betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7.
Das Abscheiden von Wasser ist oft die letzte Stufe bei der Herstellung einer großen Anzahl von Produkten.
Dies ist meist die energieintensivste Stufe, die wesentlich die Herstellungskosten des Endprodukts bestimmt.
Um die Effizienz der technologischen Prozesse zu steigern, wird oft die Flüssigkeit so fein wie möglich versprüht und zwar in mechanischen, thermischen und kombinierten Verfahren der Zerkleinerung der FlüssigkeitsTropfen bzw. Partikel.
Bei jedem dieser Verfahren werden jeweilige Energieformen in die Oberflächenenergie der Flüssigkeitstropfen/Partikel transferiert.
Es ist bekannt, dass beim Versprühen einer Leitflüssigkeit, das Aerosol immer kurzzeitig unipolar elektrisiert wird, was als Balloelektrizität und auch als Lenard-Effekt bezeichnet wird.
Bei spontaner kurzzeitiger Aufladung sind die entstandenen Ladungen einzelner Tröpfchen relativ gering, weshalb eine vollständige unipolare Aufladung des gesamten Aerosolvolumens nicht möglich ist.
Durch elektrostatische Induktion ermöglicht die erfinderische Vorrichtung schon während des Sprühvorgangs die stabile unipolare Aufladung der dispergierten Aerosolphase, also der kleinsten Flüssigkeitstropfen, über das gesamte Volumen.
Bei erfindungsgemäßen Verfahren entsteht diese Eigenschaft direkt während des mechanischen Ausschlagens von Flüssigkeitstropfen aus dem nassen Material.
Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zur Entfernung von einer oder mehreren Flüssigkeiten (Trocknung) aus verschiedenen organischen und anorganischen Stoffen während der Zerkleinerung der jeweiligen Partikel durch Umwandlung des größten Teils einer oder mehreren Flüssigkeiten in Aerosol, Dampf oder Nebel (weiter als Aerosol benannt).
Dabei wird der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, insbesondere gegenüber der herkömmlichen thermischen Verdampfung derselben Flüssigkeiten, erheblich reduziert.
Nach bisherigem Stand der Technik liegen allen bisher üblichen technischen Verfahren oder Prozessen zur Entfernung von Flüssigkeiten aus vorzerkleinerten Stoffen

die mechanische Entfernung durch Zentrifugieren, Fällung, Abpressen
oder/und
Formen der thermischen Flüssigkeitsverdampfung aus diesem Stoff zugrunde.

Die Erfindung hat zum Ziel, ein neues Verfahren der Entfernung von Flüssigkeiten aus den in den zitierten Fachquellen beschriebenen Stoffen aufzuzeigen und zugleich eine technische Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzubieten.
Es handelt sich hierbei um Stoffe, die spezifisch auf die beschriebene Weise getrocknet werden, nachdem ein Teil der Flüssigkeit auf vorn beschriebene, herkömmliche Weise bereits teilweise entfernt worden ist.
In der Fachliteratur wird eine Anzahl verschiedener traditioneller Trocknungssysteme beschrieben, die in erster Linie verschiedene Arten der Zufuhr von Energie zum Stoff, aus dem die Flüssigkeit verdampft werden soll, enthalten.
Die Vielzahl der anzuwendenden Methoden wird durch Stoff- und Flüssigkeitsarten, Partikelgrößen sowie durch die thermodynamischen Bewertungen des Stoffverhaltens während des Prozesses begründet.
Der bisherige Stand der Technik beschreibt unter anderem folgende Verfahren, Prozesse und Anlagen:

Infrarottrockner, wo die Energie in Form von Infrarotstrahlung hinzugefügt wird;
verschiedene Arten von Tunnelöfen;
Trockner, wo das Material in einem vertikalen Zylinder durch rotierende Gebläse und den Gegenstrom aus heißer Luft oder aus einem anderen erhitzten Gas getrocknet wird;
Rotationstrocknung, wo die Energie mittels Flamme in den Trockner eingeblasen wird oder Heißblasverfahren, bei dem die Energie mittels verschiedener wärmeleitender Elemente (Rohre, Platten, etc.), in die sogenannten Öl- oder Dampftrockner eingebracht wird;
Wirbelschichttrockner, die üblicherweise aus einem vertikalen Zylinder mit einem Gitter oder mit einer Lochplatte am Boden bestehen, durch die das erhitzte Gas eingeblasen wird, um das Material zu erhitzen und die Flüssigkeiten zu verdampfen.

Die Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik sind in einer Reihe von Handbüchern, wie z.B. Perry's Chemical Engineering Handbook, ausführlich beschrieben.
Weitere Informationen zum technischen Hintergrund sind beispielsweise zu finden in US 6 135 370 A , KR 2012 0122989 A , US 2016/023126 A1 , WO 95/18946 A1 und JP 2000 213863 A .
Aus dem bisherigen Stand der Technik ist eine Vorrichtung gemäß dem Patent «A kinetic energy drying device and drying method for sludge», (Patent number: US 20,150,308,742 A1 . Date of patent: Okt. 29, 2015) bekannt.
Sie besteht aus einem Gehäuse, einer rotierenden Welle, auf der die Messer und eine perforierte beheizte Prallplatte befestigt sind.
Die Nachteile dieser technischen Lösung sind: erhöhter Energieverbrauch aufgrund der Verwendung von Heizelementen und das Fehlen der Möglichkeit, während der Verarbeitung dichtere und/oder schwerere Partikel nach ihrem spezifischen Gewicht abzutrennen.
Der hier vorgeschlagenen, erfinderischen Lösung kommt die Vorrichtung gemäß Patent "Device and method for comminution " (Patent number: US 6,024,307 . Date of patent: Feb. 15, 2000) am nächsten, wo die vorzerkleinerten Stoffe mittels eines Bogenabweisers in die Mahlkammer zurückgeführt und die Feinpartikel durch den Luftstrom fortgetragen werden. US 6,024,307 A beschreibt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 7.
Die Nachteile dieser technischen Lösung bestehen in einer geringeren Trocknungsleistung und im Fehlen der Möglichkeit, die im Ergebnis erhaltenen Stoffe nach deren spezifischem Gewicht zu trennen.
Das grundsätzliche Problem der benannten, traditionellen Methoden ist jedoch, dass durch den enormen Energieverbrauch beim Verdampfen von Flüssigkeiten das Endprodukt in der Regel preislich sehr hoch angesetzt werden muss, damit sich die Kosten der Trocknung amortisieren können.
So existiert eine Reihe von verschiedenen Feststoff-Flüssigkeits-Gemischen, für die das Trocknen bislang völlig unwirtschaftlich ist. Aber auch für diese Gemische wäre die Trocknung schon allein aus Gründen des Umweltschutzes von Nutzen.
Solche Stoff-Flüssigkeits-Gemische sind beispielsweise:

bewässerte und herkömmliche Torfe und Kohlen, einschließlich Braunkohle, im Prozess ihrer Vorbereitung zur Verbrennung einschließlich der Staubverbrennung,
alle Flüssigkeit enthaltenden Filtrate aus Zentrifugen,
verschiedene industrielle, biologische und chemische Abfälle und Schlämme, die bei der Ölraffination, Holzverarbeitung, in der Papier-, Lebensmittel- und Lederindustrie entstehen,
erz- und nicht erzhaltige Mineralien, einschließlich solche Gemische mit hohem Feuchtigkeitsgehalt,
Schlamm aus kommunalen oder industriellen Abwassersystemen und Kläranlagen,
Abfälle aus Biogasanlagen,
Gülle und Mist von Nutztieren und Vögeln.

Die meisten dieser Stoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie als Abfall gelten und deshalb für traditionelle, teure Trocknungsverfahren mittels Verdampfung oft ökonomisch noch ungeeignet sind.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet demnach ein Verfahren zum Trocknen, Mahlen und Abscheiden solcher und ähnlicher Stoffe mittels Trocknungsvorgängen, die weit weniger energieintensiv als herkömmliche Verfahren sind und bei denen die Flüssigkeit nicht verdampft, sondern durch Umwandlung in Aerosol entfernt wird.
Genauer besteht vor dem Hintergrund der US 6,024,307 A als nächstliegendem Stand der Technik die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trocknen und Zerkleinern von Trocknungsgut bereitzustellen, welche eine energiesparendere Trockung sowie eine kontrollierte konduktive und konvektive Erwärmung des dispergierten Mediums und der Dispersionphase bei gleichzeitiger Wichescheidung und Abtrennung erlauben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7.
So beträgt z.B. der theoretische Energieverbrauch (bei Effizienzkoeffizient 100%) für das Aufheizen von 1 Liter Wasser von 20°C bis 100°C konkret 335 kJ = 0,093 kWh.

(1) Der theoretische Energiebedarf bei Flüssigkeitsverdampfung wird durch folgende Gleichung beschreiben: $Q = m \cdot C \cdot Δ t [J],$
wobei
- Q - durch Flüssigkeit aufgenommene Wärme, J;
- m - Masse der Flüssigkeit, kg;
- C - spezifische Wärme der Flüssigkeit, J/cal°;
- At - Differenz zwischen der Verdampfungstemperatur und der Anfangstemperatur der Flüssigkeit.
Bei der Flüssigkeitsverdampfung wird die Gleichung wie folgt dargestellt: $Q = m \cdot Δ t = m (h_{2} - h_{1}) + k [J],$
wobei:
- h₂- Dampfenthalpie bei der Verdampfungstemperatur;
- h₁ - Wasserenthalpie bei der Vorlauftemperatur, d.h. die Temperatur des Wassers bei der das Wasser und die Feststoffe in den Prozess eingeleitet werden,
- k - Prozessverluste.
(2) Der theoretische Energieverbrauch (bei einem Effizienzgrad von 100%) für die Verdampfung von 1 Liter Wasser mit Temperatur 100°C beträgt 2300 kJ = 0,639 kWh.
Der gesamte Energieverbrauch für thermische Trocknung und Verdampfung ergibt sich aus der Addition beider Verbräuche.
Der praktische Prozessverlustkoeffizient bei der Verdampfung von Wasser in Industrieanlagen, unter Berücksichtigung der unvermeidlichen Verluste, beträgt meist 1,5; sodass für die Verdampfung von 1 Liter Wasser mit einer Bezugstemperatur von 20 °C - demnach 1,1 kWh/1 Elektrizität benötigt werden.

Bei der Verdampfung des Wassers z.B. aus Schlämmen mit in Wasser gelösten Feststoffen wird die Gleichung so dargestellt: $Q = m \cdot x_{s} \cdot c_{s} \cdot Δ t + m \cdot x_{v} (h_{2} - h_{1}) + k = m [x_{s} \cdot c_{s} \cdot Δ t + x_{v} (h_{2} - h_{1})] + k [J],$
wobei gilt:

X_s - Gewichtsverhältnis von Feststoffen;
C_s - spezifische Wärme von Feststoffen;
X_v - Gewichtsverhältnis von Wasser.

Wenn im Material mehrere unterschiedliche Feststoffe vorhanden sind, wird die Gleichung für jeden festen Bestandteil mit seinem geeigneten Gewichtsverhältnis und spezifischer Wärme angewendet.
Als Beispiel kann man Berechnungen bezüglich des Kommunalschlamms nehmen, der im Standardverfahren mittels Zentrifugieren im Dekanter oder/und mittels Abpressen auf einer Bandpresse zum Teil entwässert wurde.
Der Kommunalschlamm hat z.B. eine Temperatur von 20°C und enthält in der Regel bis zu 25% Trockensubstanz und 75% Wasser.
Vorausgesetzt, dass bei thermischer Trocknung gilt:

Δt = 100-20 = 80°C,
cs = 1500 J / kg °C = 1,5 kJ / kg °C,
h₂ = 2676000 J / kg °C = 2676 kJ / kg °C und
h₁ = 83900 J / kg °C = 83,9 kJ / kg °C,

Hinzu kommen Prozessverluste, die in der Größenordnung von mehreren Zehner-Prozenten oder mehreren Hunderten-Prozenten liegen können.
Dabei kann der tatsächliche Energieverbrauch den Rechenwert um das Dreifache und mehr übersteigen.
Wenn der Bedarf an Energie zur Umwandlung von Wasser in Aerosol-Partikel in Betracht gezogen werden soll, so ist die entstehende Tropfengröße, die im Bereich zwischen 0,01 µm und 10 µm liegt, entscheidend.
Bei einer Durchschnittsgröße von (0,01 + 10) / 2 = 5 µm, kann ein Liter Wasser eine Tropfenmenge bilden, die die Gleichung N = V / dV beschreibt, wobei V das Volumen von einem Liter Wasser = 100.000³ µm³ und dV das Volumen von jedem Tropfen = d³π / 6 sind.
Dabei gilt: N = 100.000³ • 6/5³ µm = 1,53 • 10¹³.
Die zur Tropfenbildung erforderliche Energie, kann gleich der Energie der Oberflächenspannung der gesamten Oberfläche zwischen Wasser und Luft angenommen werden.
Die Oberflächenspannung des reinen Wassers beträgt:
Qv = 71,4 Dyn/cm = 7140 Dyn/m = 7140 Dyn • m/m² = 7140 · 10^-5 Nm/m² = 7145 • 10^-5 J/m².
Die Gesamtoberfläche der Tropfen ist: $A_{gesamt} = N \cdot d^{2} π = 1,53 \cdot 10^{13} \cdot {(5 \cdot 10^{- 6})}^{2} π = 1200 m^{2} .$
Die Gesamtenergie beträgt: $Q_{gesamt} = A_{gesamt} \cdot Qv = 1200 \cdot 7145 \cdot 10^{- 5} = 85,74 J / kg .$
Dies ist bezüglich der Größenordnung etwa 34.000 Mal weniger als der Energieverbrauch bei einer einfachen Wasserverdampfung.
Die oben genannten trocknenden Stoffe sind fast immer eine heterogene Masse, die aus einer Anzahl verschiedener Stoffe sowie aus einer Art oder mehreren verschiedenen Arten von Flüssigkeiten bestehen kann, obwohl üblicherweise diese Masse überwiegend aus Wasser besteht.
Es ist allgemein bekannt, dass die Flüssigkeiten in solchen Gemischen sowohl aus freibeweglicher Flüssigkeit als auch aus der durch physikalische Verbindungen in Substanzen gebundenen Flüssigkeit bestehen können, wobei sich diese Verbindungen hauptsächlich durch die Kapillarkräfte äußern.
Um diese Kräfte in einem gewöhnlichen Trocknungsprozess zu überwinden, muss der Dampfdruck den Kapillardruck überwinden, der gegenüber der Reduzierung der porösen Struktur proportional ansteigt.
Bei einem herkömmlichen Trocknungsverfahren wird dies erreicht, indem die Stoffe bei einer bestimmten Temperatur getrocknet werden, die die Überwindung des Kapillardrucks durch den Dampfdruck ermöglicht.
Dabei werden in der Regel solche Temperaturen benötigt, welche die zur Verdampfung erforderliche Temperatur deutlich übersteigen.
Ein weiterer Aspekt, der die rein thermische Trocknung beeinflusst, besteht darin, dass sich die thermodynamischen Werte der Stoffe während des Prozesses verschlechtern.
Dies sollte wiederum durch die höheren Temperaturen und durch eine größere Heizfläche ausgeglichen werden, was zum thermischen Abbau und gegebenenfalls zu einer entsprechenden Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften sowie zu höheren Anlagen- und Betriebskosten führt.
Um das technische Ergebnis der Erfindung: Trocknen, Mahlen und Abscheiden in einem geschlossenen Prozess erreichen zu können, erfolgt erfindungsgemäß anfänglich eine kinetische und elektromagnetische Beeinflussung des z.T. porösen Input-Materials durch eine intensive Wirbelbildung, die lokal im erforderlichen Umfang schnell erreicht wird.
Dadurch wird sofort ein großes Spannungsgefälle der kinetischen Potentiale der daran beteiligten Teilchen erzeugt, die signifikante Wechselbeanspruchungen bis zu Hunderten von g erreichen.
Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist es, in einer einzigen Vorrichtung das Trocknen, Mahlen, und die wichteabhängige Trennung und Klassifizierung gleichzeitig zu ermöglichen.
Dies wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, bestehend unter anderem aus einem Gehäuse 3, 19 und einer rotierenden Welle 14 mit einer darauf befestigten Scheibe aus para- oder diamagnetischem Material 11 und kinetische Energie zur Dispersion des Materials in einem elektrischen oder elektromagnetischen Feld mit einer regulierbaren Stärke im Bereich von 10³ V/m bis 10⁶ V/m, bei gleichzeitiger Induktionserwärmung des Dispersionsmediums und die Dispersionsphase in einem magnetischen Wechselfeld mit einer Frequenz von 500 bis 12000 Hz bei gleichzeitiger Abtrennung von Partikeln mit höherem spezifischen Gewicht verwendet.
Eine Induktionsheizung durch Wirbelströme wird durch die Verwendung von Permanentmagneten 16 wechselnder Polarität sichergestellt, die an dem unteren Gehäuseteil 19 unter der rotierenden Scheibe aus diamagnetischem Stoff befestigt sind und unterschiedliche geometrische Formen, zum Beispiel ein Prisma, haben können.
Das technische Resultat, das durch die obige Gesamtheit der Merkmale gewährleistet wird, besteht in der Möglichkeit einer kontrollierten konduktiven und konvektiven Erwärmung des dispergierten Mediums und der Dispersionsphase bei gleichzeitiger Wichtescheidung und Abtrennung.
Das nasse Input-Material mit einzelnen Elementen in einer Größe bis zu 100 mm wird mittels einer Vorschubvorrichtung und Schleusenverschluss 25 in die Mahlkammer 24 befördert, wo es durch die kinetische Stoßenergie der rotierenden und unbeweglichen Mahlbauteile 7, 9, 20, 21 zermahlen und durch die konvektive und konduktive elektrostatische Trocknung entwässert wird.
Eine unipolare Induktionsladung des Aerosols erfolgt durch ein elektrisches oder elektromagnetisches Wechselfeld.
Ein unipolar geladenes Aerosol mit einem einstellbaren Grad elektrostatischer Aufladung wird durch induktives Elektrisieren erzeugt.
Bei einem starken unipolaren Grad elektrischer Ladung des Aerosols ist eine drastische Abnahme der mittleren Tropfengröße zu beobachten, was zu einer Zunahme der gesamten Verdampfungsoberfläche führt.
Für einen Wasser-Aerosol-Phasenübergang beträgt daher die erforderliche Energiemenge 300 bis 400 kJ/Liter.
Das technische Ergebnis besteht in der Vergrößerung der gesamten Verdampfungsoberfläche und dem entsprechenden Abtrennen und Abscheiden von Flüssigkeit oder Flüssigkeitsgemisch, die dann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum kombinierten Trocknen, Mahlen und Abscheiden von organischen und/oder anorganischen Stoffen und deren Gemische durchgeführt wird, wobei die genannten Vorgänge infolge eines Zermahlens unter gleichzeitiger Abtrennung einer oder mehrerer Flüssigkeiten aus festen Stoffen in Form von Aerosol zustande kommen.
Die Erfindung wird näher anhand der beigefügten Figuren beschreiben, wobei

Figur 1. in zeichnerischer Abfolge die Zerkleinerung eines Tropfens in einem Strom beim Elektrisieren verdeutlicht, die sich das erfinderische Verfahren zu eigen macht;
Figur 2. das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbart; und
Figur 3. eine Hohlplatte zeigt.

Figur 1. verdeutlicht in zeichnerischer Abfolge die Zerkleinerung eines Tropfens in einem Strom beim Elektrisieren, die sich das erfinderische Verfahren zu eigen macht.
Der Prozess der Wasser-Aerosol-Phasenübergang erfolgt innerhalb von ca. 10 Millisekunden.
Die Fragmentierung eines Wassertropfens in einem elektromagnetischen Feld erfolgt aufgrund der Tatsache, dass die Abweichung der Tropfenform von der Kugelform ihren instabilen Zustand und die Abnahme der Oberflächenspannungskraft verursacht, was zu einer Zunahme der Verformung beiträgt und den Tropfen zum Zerfall bringt.

Nach 1 ms. der anfängliche Tropfen hat eine sphärische Form.
Nach 2 ms. unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes nimmt die Oberflächenspannungskraft stark ab, der Tropfen beginnt sich zu verformen und nimmt eine halbkugelförmige Gestalt an.
Nach 3 ms. ein Ring mit einem Film in der Mitte wird gebildet.
Nach 4 ms. der Film wird zu einer Blase verformt.
Nach 5 ms. die Blase platzt nahe der Spitze.
Nach 6 und 7 ms. gerissene Kanten des Films unter dem Einfluss von Restoberflächenspannungskräften werden an den Ring angezogen.
Nach 8 und 9 ms. die Kanten des Films treffen den Ring.
Nach 10 ms. der Ring zerfällt in eine Reihe von extrem kleinen Tröpfchen.

Figur 2. offenbart das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Materialeingabe erfolgt durch das Anschlussstück für Materialaufgabe 26 und weiter durch den Schleusenverschluss 25 in die Trocknungs- und Mahlkammer 24.
Das Material wird dann mittels Hammerplatten 21 zermahlen und die Partikel des heterogenen Gemisches werden von dem Rotor 23 unipolar geladen.
Während des Zermahlens wird das Material gegen die Hohlplatte 8 durch die Hammerplatten 21 wiederholt geschlagen, danach fließt es durch das auf der Hohlplatte 8 stationär befestigte Prallgitter 20 hindurch, und prallt hinter dem Prallgitter gegen die an der rotierenden Scheibe 11 befestigten Einschlagstifte 9 erneut auf.
Durch die Drehzahl der Scheibe 11 und durch die Anzahl der Luftblasplatten 10 sowie derer Neigungswinkel können die durch Wirbelströme erzeugte Induktionsheizung und mit ihr entsprechend auch die benötigte Temperatur sowie die durch die Luftöffnung 17 einströmenden Luftmengen gesteuert werden.
Die einströmende Luft bläst auf die aufgeheizte Scheibe 11, erwärmt sich und fördert über den Luftkanal 18 das durch die Hammerplatten 21 zerkleinerte Material.
Das zerkleinerte Material wird durch den steuerbaren Luftstrom zuerst gegen den Hohlkegel 8 und dann über den Bogenabweiser 22 geschleudert und in die Mahlkammer zurückgeführt.
Das zerkleinerte Material wird teilweise mittels Luftstroms separiert und die leichteren Teilchen werden davon durch das Tangentialgebläse 2, und schwere Teilchen werden durch die Austragsöffnung 5 nach außen befördert.
Das Tangentialgebläse 2 dreht sich in die gleiche Richtung wie der Rotor 23 und erzeugt einen steuerbaren Luftdruck.
Der Hohlplatte 8 ist gegenüber der Prallplatte 7 an unterem Gehäuseteil 19 befestigt und weist Öffnungen zur Wärmeträgerzufuhr auf.
Die Einstellschrauben 4 ermöglichen die Regulierung des Volumens des Verfahrensraumes 24 zum Trocknen und Zermahlen, und zwar durch das Anheben und Absenken des oberen Gehäuseteils 3.
Ein Verfahren zur kombinierten Entfernung einer oder mehrerer Flüssigkeiten (Trocknung), zum Mahlen und Abscheiden von organischen und anorganischen Stoffen basiert insbesondere auf der Verwendung kinetischer Energie zum Mahlen von Stoffen bei gleichzeitiger konduktiver und konvektiver Erwärmung des im Ergebnis erhaltenen Dispersionsmediums und der anschließenden Abscheidung dehydrierter Produkte, die dann je nach spezifischem Gewicht verarbeitet werden.
Dabei erfolgt eine solche Weiterverarbeitung nicht durch Wärmezufuhr aus externer Quelle, sondern mittels kinetischer und elektromagnetischer Energie, die gleichzeitig das Trocknen, Mahlen und Abscheiden von verschiedenen organischen und anorganischen Stoffen, einschließlich Abfällen, bewirkt.
Dies geschieht durch Verwandlung von einer oder mehreren Flüssigkeiten in Aerosol.
Dieses Verfahren ermöglicht als Spezifik eine gleichzeitige Trennung und Trocknung von Stoffen mit einem stark reduzierten Energieverbrauch, verglichen mit den bisher bekannten herkömmlichen Verfahren zum Zerkleinern, Abpressen oder/und Verdampfen von Flüssigkeiten und anschließendem Abscheiden dieser Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
Eine Vorrichtung zum kombinierten Trocknen, Mahlen und Abscheiden von Stoffen bestehend aus einem Gehäuse und einer rotierenden Welle mit darauf befestigter rotierender Scheibe, die aus einem para- oder diamagnetischem Material besteht. Durch die kinetische und elektromagnetische Energie werden in dieser Vorrichtung verschiedene organische und anorganische Stoffe in einem elektromagnetischen Feld dispergiert, wobei die Dispersion durch die Wirbelströme in einem magnetischen Wechselfeld gleichzeitig induktiv erhitzt wird.
Dadurch werden eine oder mehrere sich abscheidende Flüssigkeiten in Aerosol verwandelt, wobei jeweils dichtere und/oder schwerere Partikel nach ihrem spezifischen Gewicht daraus abgetrennt und entfernt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert insbesondere auf der Verwendung kinetischer Energie zum Mahlen von Stoffen bei gleichzeitiger konduktiver und konvektiver Erwärmung des im Ergebnis erhaltenen Dispersionsmediums und der anschließenden Abscheidung dehydrierter Produkte.
Dabei erfolgt eine Weiterverarbeitung insbesondere nicht durch Wärmezufuhr aus externer Quelle, sondern mittels kinetischer und elektromagnetischer Energie, die gleichzeitig das Trocknen, Mahlen und Abscheiden von verschiedenen organischen und anorganischen Stoffen bewirkt.
Verfahrenstechnisch werden dabei eine oder mehrere Flüssigkeiten im zu trocknenden Medium in Aerosol verwandelt.
Verglichen mit bekannten Verfahren zum Zerkleinern, Abpressen oder/und Verdampfen von Flüssigkeiten und anschließendem Abscheiden dieser Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen ermöglicht das erfinderische Verfahren eine gleichzeitige Trennung und Trocknung bei stark reduziertem Energieverbrauch.
Die erfinderische Vorrichtung zum kombinierten Trocknen, Mahlen und Abscheiden ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung, mit welcher das vorbenannte Verfahren durchgeführt werden kann.
Sie kann aus einem Gehäuse und einer rotierenden Welle mit darauf befestigter, rotierender Scheibe, die aus einem para- oder diamagnetischem Material gefertigt ist, bestehen, das Vorsehen weiterer Teile ist jedoch auch alternativ möglich.
Durch kinetische und elektromagnetische Energie werden in der Vorrichtung verschiedene organische und anorganische Stoffe in einem elektromagnetischen Feld dispergiert, wobei die Dispersion durch die Wirbelströme in einem magnetischen Wechselfeld gleichzeitig induktiv erhitzt wird.
Dadurch werden sich abscheidende Flüssigkeiten in Aerosol verwandelt, wobei jeweils dichtere und/oder schwerere Partikel nach ihrem spezifischen Gewicht daraus abgetrennt und entfernt werden.
Die Vorrichtung besteht aus unbeweglichen und beweglichen Teilen. Der unbewegliche Teil besteht, unter anderem, aus einem Gehäuse mit daran befestigten Elementen 3, 4, 5, 6, 8, 16, 17, 19, 22, 26, 27, 28.
Der bewegliche Teil besteht, unter anderem, aus einer Welle mit allen darauf befestigten Elementen 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 20, 21, 23.
Der bewegliche Teil ist vom unbeweglichen Teil durch die dielektrische Scheibe 13 isoliert.
Die Ladung wird über den Kontaktstecker 15 an dem gesamten rotierenden Teil zugeführt.
Die Ladung fließt schließlich in den Körper.
Abstand für den Durchgang einer Ladung ist überall von 2 bis 4 mm.
Die elektromagnetische Feldstärke wird durch Anlegen einer Spannung in der Größenordnung von 1 bis 50 kV und ausgehend von elektromagnetischen Eigenschaften von verarbeiteten Medien, automatisch oder im manuellen Modus reguliert.
Der Erfinder hat herausgefunden, dass die beschriebenen Effekte auftreten können, und die gewünschten Feldstärken eingestellt werden können, wenn zwischen den beweglichen Teilen, welche während des Betriebs der Vorrichtung rotieren, und an welchen eine Hochspannung im Bereich von 1 bis 50 kV angelegt wird, und dem Gehäuse der Vorrichtung, welches geerdet sein kann, ein Minimalabstand im Bereich von 1 bis 50 mm vorliegt, vorzugsweise ein Minimalabstand von 2 - 4 mm vorliegt.
Für die Verarbeitung von feuchter Braunkohle als Trocknungsgut in der Vorrichtung zum Trocknen und Zerkleinern von Trocknungsgut hat der Erfinder bei Vorliegen des oben beschriebenen Minimalabstandes von 2 - 4 mm einen optimalen Arbeitspunkt der Spannung, welche wie oben beschrieben an rotierenden Teilen der Vorrichtung angelegt wird, in einem Bereich von ca. 24 kV bis ca. 26 kV gefunden.
Für die Verarbeitung von feuchtem Klärschlamm als Trocknungsgut in der Vorrichtung zum Trocknen und Zerkleinern von Trocknungsgut hat der Erfinder bei Vorliegen des oben beschriebenen Minimalabstandes von 2 - 4 mm einen optimalen Arbeitspunkt der Spannung, welche wie oben beschrieben an rotierenden Teilen der Vorrichtung angelegt wird, in einem Bereich von ca. 11 kV bis ca. 15 kV gefunden.
Diese Beispiele für die Bestimmung des Arbeitspunkts der Spannung bei gegebenem Trocknungsgut und bei gegebenem Minimalabstand sollen nicht den Gegenstand der Erfindung beschränken sondern zeigen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann.
Wenn in der Anmeldung von einem elektromagnetischen Feld gesprochen wird, jedoch nur die elektrische Feldstärke angegeben wird, so ergibt sich die weitere Charakterisierung des elektromagnetischen Feldes bei bekanntem elektrischen Feld aus den Maxwellgleichungen, wobei die angegebene elektrische Feldstärke eine maximale elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes angeben kann.
Eine Feldapplizierungsvorrichtung kann mindestens ein, eine Mehrzahl oder alle auf der Welle befestigten Elemente 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 20, 21, 23 (siehe Bezugszeichenliste und Figuren) und gegebenen falls zusätzlich oder alternativ die Welle 14 umfassen.
Ein Fluidtropfen, welcher in dem Trocknungsgut vorliegt kann ein Fluid umfassen, welches eine Suspension aus Flüssigkeiten und Feststoffen umfasst. Bei Klärschlamm kann ein Fluidtropfen z.B. in Abwasser schwebende nicht lösliche oder noch nicht gelöste Teilchen, beispielsweise typische Schwebestoffe, welche in Abwasser vorkommen (z.B. Kot, Essensreste, Papier und ähnliche Stoffe) umfassen.
Ebenso kann ein Fluidtropfen, welcher in dem Trocknungsgut vorliegt, eine Suspension von durch die Zerkleinerungsvorrichtung 21 zerkleinerten Festkörperanteilen des Trocknungsguts (oder von Teilen des Trocknungsguts, welche bereits eine geeignete Größe aufweisen, um eine Suspension in einer Flüssigkeit auszubilden) in einem Flüssigkeitsanteil des Trocknungsguts umfassen.
Ein Fluidtropfen, welcher in dem Trocknungsgut vorliegt, kann jedoch auch nur Flüssigkeitsanteile des Trocknungsguts umfassen.
Ein Bereich des Trocknungsguts kann ein Fluidtropfen, ein Partikel oder ähnliches umfassen (oder sein), es kann sich aber auch bei dem Bereich des Trocknungsguts um ein Volumenabschnitt handeln, in dem sich Trocknungsgut befindet, wobei vorzugsweise der Volumenabschnitt sich mit einer mittleren Geschwindigkeit des darin befindenden Trocknungsguts mitbewegt. Ein Volumenabschnitt als ein Bereich des Trocknungsguts wird vorzugsweise dadurch in Bewegung gesetzt, dass das darin befindliche Trocknungsgut in Bewegung gesetzt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum kombinierten Trocknen oder/und Mahlen oder/und Trennen von organischen oder/und anorganischen Materialien und deren Mischungen kann sich durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale, Parameter und Eigenschaften auszeichnen:

eine hohe Dispersion,
eine Intensivierung der Trocknung,
Änderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften,
innere - und Oberflächenenergie von Materialien.

So kann eine Trennung der organischen oder/und anorganischen Materialien und deren Mischungen nach mechanischen, elektrophysikalischen und magnetischen Eigenschaften erhalten werden.
Die Behandlung der Materialien kann gemäß diesem Verfahren mit der kombinierten und vorzugsweise gleichzeitigen Wirkung von kinetischer Energie und thermischer Energie erfolgen und kann im elektrischen oder magnetischen oder elektromagnetischen Feld unter der kinetischen Energieumwandlung des Rotors durchgeführt werden.
Vorteilhaft kann eine Umwandlung der Energie elektrischer und magnetischer Felder in thermische Energie zur Kontaktierung und konvektiven Erwärmung des zu bearbeitenden Materials erfolgen, vorzugsweise mit dem Einsatz und der Wirkung statischer Felder von Permanentmagneten mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 1,4 T. Je nach Verfahrensführung können Hochfrequenzströme bis in den Bereich von 1 KA bis 100 KA auftreten und es werden magnetische Wechselfelder mit einer Frequenz von 500 bis 12000 Hz, vorzugweise mit einer Frequenz von 500 bis 2000 Hz, eingesetzt. Hierzu werden magnetische Flussdichten im Bereich von 1 bis 10 T vorgeschlagen.

Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle für Tangentialgebläse
2: Tangentialgebläse
3: Oberer Gehäuseteil
4: Einstellschrauben
5: Abtrennungsmechanismus für schwerere Partikel
6: Austragsöffnung für schwerere Partikel
7: Prallplatten
8: Hohlplatte mit einem Einlass für Materialaufgabe
9: Einschlagstifte
10: Luftblasplatten
11: Scheibe aus Para- oder Diamagnetikum
12: Luftöffnungen
13: Dielektrische Scheibe
14: Rotierende Welle
15: Kontaktstecker
16: Permanentmagnet
17: Luftöffnung
18: Luftkanal
19: Unterer Gehäuseteil
20: Prallgitter
21: Hammerplatten
22: Bogenabweiser
23: Rotor
24: Verfahrensraum
25: Schleusenverschluss
26: Materialaufgabe
27: Dampfluftgemisch-Auslassöffnung
28: Gehäuse der Lagerungseinheit des Tangentialgebläses
29: Befestigungsloch

Claims

Vorrichtung zum Trocknen und Zerkleinern von Trocknungsgut, vorzugsweise von organischen oder/und anorganischen Stoffen oder/und deren Gemischen, umfassend:
ein Gehäuse (19),

einen Verfahrensraum (24), welcher durch das Gehäuse (19) definiert sein kann;

und eine in dem Verfahrensraum (24) angeordnete Zerkleinerungsvorrichtung (21), welche dafür eingerichtet ist, in den Verfahrensraum (24) eingebrachtes Trocknungsgut unter Anwendung von kinetischer Energie zu zerkleinern;

wobei die Vorrichtung eine in Rotation versetzbare Welle (14) umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Zerkleinerungsvorrichtung (21) anzutreiben;

eine Feldapplizierungsvorrichtung für ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld, welche dafür eingerichtet ist, ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld zumindest lokal innerhalb des Verfahrensraums (24) mit einer regulierbaren elektrischen Feldstärke im Bereich von 10³ V/m bis 10⁶ V/m zu erzeugen, welche geeignet ist, um eine Abweichung einer Tropfenform von einer Kugelform eines in dem Trocknungsgut vorliegenden Fluidtropfens zu induzieren, wobei die Abweichung einer Tropfenform von einer Kugelform geeignet ist, eine Fragmentierung des Fluidtropfens auszulösen, um eine oder mehrere Flüssigkeiten in der Form von Aerosol abzutrennen,

wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, dass zumindest jeweilige Abschnitte des Trocknungsguts gleichzeitig eine Wechselwirkung mit der Zerkleinerungsvorrichtung (21) und dem elektrischen oder elektromagnetischen Feld erfahren,
wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, das Trocknungsgut in dem Verfahrensraum (24) zu dispergieren,

wobei die Vorrichtung ferner eine Feldapplizierungsvorrichtung für ein Magnetfeld umfasst, welche dafür eingerichtet ist, dass ein Bereich des Trocknungsguts einem Magnetfeld ausgesetzt wird, welches von dem Bereich des Trocknungsguts aus betrachtet ein lokales magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz im Bereich von 500 Hz bis 12.000 Hz ist, und durch welches sich der Bereich des Trocknungsguts bewegt,

wobei der Bereich des Trocknungsguts dem magnetischen Feld ausgesetzt wird, um in dem Abschnitt des Trocknungsguts durch Erzeugung von Wirbelströmen eine Induktionserwärmung zu erzeugen,
wobei die Feldapplizierungsvorrichtung für ein Magnetfeld ortsfest bezüglich des Gehäuses (19) angeordnet ist, und dafür eingerichtet ist, ein statisches Magnetfeld in dem Verfahrensraum (24) zu erzeugen, wobei das Magnetfeld vorzugsweise inhomogen ist;

wobei die Zerkleinerungsvorrichtung (21) dafür eingerichtet ist, den Bereich des Trocknungsguts in eine Relativbewegung in Form einer Rotation relativ zu der Feldapplizierungsvorrichtung für ein Magnetfeld zu versetzen, sodass die Induktionserwärmung durch die Relativbewegung des Bereichs des Trocknungsguts durch das Magnetfeld erzeugt wird;

wobei die Welle (14) weiter dazu eingerichtet ist, die Feldapplizierungsvorrichtung für ein elektrisches oder elektromagnetisches Feld zu tragen, welche drehfest mit der Welle (14) verbunden ist,

wobei die Welle (14) dafür eingerichtet ist, an der Feldapplizierungsvorrichtung eine Potentialdifferenz gegenüber dem Gehäuse (19) vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 kV anzulegen, wobei zwischen der Feldapplizierungsvorrichtung für ein Magnetfeld und dem Verfahrensraum (24) eine Scheibe (11) aus Para- oder Diamagnetikum drehfest an der Welle (14) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung weiter mindestens eine, bevorzugt eine Mehrzahl an Medium-Blasplatten oder an Luftblasplatten (10) umfasst, welche drehfest mit der Welle (14) angeordnet ist oder sind, insbesondere drehfest an der Scheibe (11) befestigt ist oder sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Feldapplizierungsvorrichtung für ein Magnetfeld eine Mehrzahl von Permanentmagneten (16) umfasst,
wobei vorzugsweise mindestens zwei, oder alle, benachbarten Permanentmagneten (16) mit jeweils wechselnder Polarität angeordnet sind, wobei vorzugsweise mindestens zwei Permanentmagnete (16) mit unterschiedlicher geometrische Form ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Scheibe gegenüber der Welle (14) isoliert ist, insbesondere durch eine dielektrische Scheibe (13) isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine räumliche Lage der Feldapplizierungsvorrichtung für ein Magnetfeld, bevorzugt eine räumliche Lage mindestens eines oder einer Mehrzahl oder aller Permanentmagneten (16), insbesondere in Bezug auf einen Abstand zur Scheibe (11), veränderbar oder/und einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Heizmediumzuführungsvorrichtung (17) umfasst, welche dafür eingerichtet ist, dem Verfahrensraum (24) ein Heizmedium, z.B. erhitzte Luft oder ein erhitztes Gas, zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Abgabevorrichtung umfasst, um getrocknetes Trocknungsgut abzugeben,
wobei die Abgabevorrichtung vorzugsweise eine Austragsöffnung (6) in einem Bogenabweiser (22) der Vorrichtung umfasst, um schwerere Partikel des Trocknungsguts abzugeben, wobei der Bogenabweiser (22) vorzugsweise dafür eingerichtet ist, Trocknungsgut in Richtung der Zerkleinerungsvorrichtung (21) zu lenken;
wobei vorzugsweise an der Austragsöffnung (6) ein Mechanismus (5) der Vorrichtung vorgesehen ist, um die schwereren Partikel des Trocknungsguts aus der Vorrichtung abzugeben.
Verfahren zum Trocknen und Zerkleinern von Trocknungsgut, vorzugsweise von organischen oder/und anorganischen Stoffen oder/und deren Gemischen, folgende Schritte umfassend:
- Einbringen des Trocknungsguts in einen Verfahrensraum (24);

- Zerkleinern des Trocknungsguts in dem Verfahrensraum (24) unter Anwendung von kinetischer Energie durch eine Zerkleinerungsvorrichtung (21), die durch eine Welle (14) angetrieben wird;

- Applizieren eines elektrischen oder elektromagnetischen Feldes mit regulierbarer elektrischer Feldstärke an dem Trocknungsgut durch eine Feldapplizierungsvorrichtung während des Schrittes des Zerkleinerns des Trocknungsguts, um eine oder mehrere Flüssigkeiten in der Form von Aerosol abzutrennen, wobei die Feldapplizierungsvorrichtung von der Welle (14) getragen wird und drehfest mit der Welle (14) verbunden ist,

- wobei das elektrische oder elektromagnetische Feld zumindest lokal innerhalb des Verfahrensraums (24) eine elektrische Feldstärke im Bereich von 10³ V/m bis 10⁶ V/m aufweist, welche geeignet ist, um eine Abweichung einer Tropfenform von einer Kugelform eines in dem Trocknungsgut vorliegenden Fluidtropfens zu induzieren,

- wobei die Abweichung einer Tropfenform von einer Kugelform geeignet ist, eine Fragmentierung des Fluidtropfens auszulösen, um eine oder mehrere Flüssigkeiten in der Form von Aerosol abzutrennen,
wobei zumindest jeweilige Abschnitte des Trocknungsguts gleichzeitig eine Wechselwirkung mit der Zerkleinerungsvorrichtung (21) und dem elektrischen oder elektromagnetischen Feld erfahren,
wobei das Verfahren einen Schritt eines Dispergierens des Trocknungsguts in dem Verfahrensraum (24) umfasst,
wobei das Verfahren ferner einen Schritt eines Applizierens eines magnetischen Feldes an einem Bereich des Trocknungsguts umfasst, um in diesem oder einem Abschnitt des Trocknungsguts durch Erzeugung von Wirbelströmen eine Induktionserwärmung zu erzeugen,
wobei das Magnetfeld von dem Bereich des Trocknungsguts aus betrachtet ein lokales magnetisches Wechselfeld ist, welches eine Frequenz im Bereich von 500 Hz bis 12.000 Hz aufweist; und
wobei der Bereich des Trocknungsguts unter Verwendung einer rotierenden Scheibe (11) aus einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material und wenigstens einer drehfest mit der rotierenden Scheibe (11) verbundenen Medium-Blasplatte oder Luftblasplatte in einer Relativbewegung in Form einer Rotation durch das Magnetfeld bewegt wird, sodass die Induktionserwärmung durch die Relativbewegung des Bereichs des Trocknungsguts durch das Magnetfeld erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Schritt eines Einbringens eines Heizmediums, z.B. erhitzter Luft oder eines erhitzten Gases, in den Verfahrensraum (24).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend einen Schritt eines Entfernens von Partikeln mit höherem spezifischem Gewicht, vorzugsweise während mindestens eines, vorzugsweise aller Schritte des Verfahrens.