NO176006B - Fremgangsmåte ved törking av materialer - Google Patents

Abstract

Prosess/metode for fjerning av væsker (tørking) fra forskjellige finfordelte organiske eller uorganiske stoff ved at en del væskene omformes til tåke som oppforer seg som damp eller gass, og dermed sparer fordampningsvarmen slik at energiforbruket blir dramatisk redusert i forhold til ren fordampning av de samme væskene.

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte ved tørking av organiske eller/og uorganiske materialer alene eller i blanding med hverandre, hvilke materialer inneholder en eller flere væsker eller kjemikalier, hvor tørking skjer ved at væske/væsker fjernes som finefordelte dråper fra faststoffene, som tåke, idet materialmassen utsettes for et kunstig gravitasjonsfelt.

Oppfinnelsen vedrører også en innretning for gjennomføring av tørking av organiske eller/og uorganiske materialer alene eller i blanding med hverandre, hvilke materialer inneholder en eller flere væsker eller kjemikalier, idet tørking skjer ved at væske/væsker fjernes som finfordelte dråper fra faststoffene, som tåke, innbefattende et prosesskammer med en innføringsåpning for materialet som skal tørkes, og en i prosesskammeret roterbart opplagret rotor, hvis omkrets sammen med en motstående innervegg i prosesskammeret bestemmer et ringrom i prosesskammeret.

I hovedsak er alle kjente teknikker eller prosesser for å fjerne væsker fra slike finfordelte stoff enten basert på mekanisk separering gjennom sentrifugering, sedimentering o.l., eller en eller annen form for fullstendig fordampning av væskene i stoffet. Denne oppfinnelsen tar sikte på å vise en ny måte til å fjerne væsker fra stoffene som i faglittera-turen omtales som tørking, etter at endel av væskene eventuelt er fjernet ved førstnevnte teknikker.

I litteraturen er det kjent en rekke med forskjellige tørke-systemer som i hovedsak omfatter forskjellige måter å til-føre energien til stoffene slik at væskene kan fordampes. Årsaken til behovet for forskjellige teknikker henger sammen med typer stoffer, finfordelingen av partiklene, væsketypene og ikke minst de termodynamiske verdiene av stoffene gjennom hele prosessen.

Den enkleste og mest hverdagslige form for tørking finner man i utendørs tørking av en klesvask. Her blir klærne tørket under påvirkning av sol og vind.

Fra teknikken kan nevnes følgende tørkemetoder og prosesser: Rotasjonstørker hvor energien enten kan bli tilført gjennom en flamme som blåses inn i tørken - såkalte gjennomfyr-ingstørker, eller gjennom forskjellige utformede varmeled-ningselement (rør, tallerkner o.l.) - såkalte olje- eller damptørker.

Fluidiserte tørker som normalt består av en vertikal sylinder med en duk, eller annen perforert plate i bunn, hvor det blåses en eller annen oppvarmet gass som varmer opp stoffet og driver av væskene med fordampning.

Videre har man infrarøde tørker hvor energien avleveres som infrarød stråling, forskjellige slags tunnelovner og såkalte "turbo-tørkere" hvor stoffet tørkes i en vertikal sylinder ved spinnende vifter og en motstrøm av varmluft eller annen oppvarmet gass.

Prosessene som er velkjente og er utførlig beskrevet i en rekke fagbøker slik som PERRY'S CHEMICAL ENGINEERING HANDBOOK, benyttes til en rekke forskjellige tørkeformål.

Problemet med alle metodene, er at fordampningen av væskene krever så mye energi at det ferdige produktet normalt må ha en så stor kommersiell verdi at den langt overstiger tørke-kostnadene.

Nå foreligger det imidlertid en rekke med forskjellige stoff/væskeblandinger hvor dette ikke er tilfelle, men som det av ulike grunner ville være en stor fordel å få tørket-ikke minst ut fra miljømessige hensyn. Slike stoff/vaske-blandinger kan være: Alle typer vannholdig slam fra kommunale anlegg. Vanlig kloakkavfall.

Husdyrgjødsel.

Alle typer filtrat fra sentrifuger som inneholder væsker.

Forskjellige biologiske og kjemiske slamsammenset-ninger fra raffinerier, treforedlings- og mat-vareindustrien m.fl.

De fleste av disse stoffene kjennetegnes ved at de normalt blir betraktet som avfall, og som det dermed normalt sett blir for kostbart å tørke ved fordampning.

Målsettingen med herværende oppfinnelse er å vise en prosess eller en metode til å kunne tørke slike stoffer med mindre energi enn dagens tørkeprosesser ved at væskene ikke fordampes, men fjernes ved å omdanne en betydelig del av disse til tåke.

Ved fordampningen av en væske, uttrykkes energibehovet av ligningen:

Her er Q energibehovet i Joule, m massen av væsken i kg, c væskens spesifikke varme i J/kg°C og dt er temperaturdifferensen mellom fordampningstemperaturen og begynnelsestemperaturen på væsken.

Ved fordampning av vann uttrykkes ofte ligningen gjennom:

Her er h2 dampens enthalpi ved fordampningstemperaturen og hi vannets enthalpi ved fødens temperatur, dvs. temperaturen på vannet når det sammen med faststoffet mates inn i prosessen og k er lik tapet i prosessen.

Dersom vi ser på en slammengde med vann, utvides ligningen til:

Her er xs vektandel av faststoff, cs spesifikk varme for faststoffet og xv vektandel av vannet. Dersom det er flere forskjellige faste stoffer i stoffet, blir ligningen utvidet for hver faststoffdel med hver sine vektandeler og spesifikke varme.

Betrakter man et typisk slam fra treforedlingsindustrien som inneholder 30% trefiber og 70% vann, blir energiforbruket pr. kg om vi forutsetter at dt = 100 - 20 = 80° C, cs = 1500 J/kg°C = 1,5 kJ/kg°C, h2 = 2.676.000 J/kg°C = 2.676 kJ/kg°C og h-L = 83.900 J/kg°C = 83,9 kJ/kg°C.

Q = 1[0,3-1,5*80+0,7(2676-83,9)] = 1.850 kJ/kg = 1.850.000 kJ/tonn = 514 kWh/tonn netto.

I tillegg til dette kommer de termiske tapene fra prosessen som kan variere fra 10% og oppover til flere hundre prosent. Et energiforbruk på tre ganger nettobeløpet er ikke uvanlig.

Dersom man nå ser på energibehovet for omdannelse av vann til tåke, må man ta utgangspunkt i tåkedråpenes størrelser, som er mellom 0,01-lOum. Velger man å bruke (0,01+10)/2 = 5 um som et slags gjennomsnitt, vil en liter vann kunne danne antall tåkedråper uttrykt med: N = V/dV hvor V er volumet av en liter vann = 100.0003 pm<3> og dV er volumet av hver dråpe = d^/6. Herav: N = 100.000<3->6/53n = 1.53-1013

Energibehovet til å skape disse dråpene, kan man anta må tilsvare energien i den totale overflatespenningen mellom vann og luft. Overflatespenningen for rent vann er av = 71,4 dyn/cm = 7140 dyn/m = 7140 dyn'm/m<2> = 7140•10~<5>Nm/m<2> = 7145 • 10_5J/m2 .

Den totale overflate på tåkedråpene er:

Den totale energien er:

Dette er i størrelsesorden ca. 20.000 ganger mindre energi enn ved ren fordampning av vann.

Dette fenomenet blir bl.a. idag benyttet i såkalte luft-fuktere. Tidligere modeller var basert på ren fordampning ved at det i en beholder var anordnet en elektrisk varmekolbe som varmet opp vannet til det kokte og fordampet. I dag benyttes det istedenfor en elektrisk varmekolbe et pizoelektrisk krystall som svinger med ca. 20 kHz. Når en dråpe vann treffer krystallet, kaviterer det i millioner av ørsmå vanndråper som sammen danner en tåke, som fukter rommet ved værelsestemperatur.

Frekvensen av den soniske kraften som skal til for å oppnå dette er gitt av F.D. Smith som

hvor r er radiusen av dråpene, u er spesifikk varme av gassen i dråpene, PG er utvendig hydrostatisk trykk, o er egenvekten (tettheten) av væsken og a er overflatespenningen mellom væske og gass.

Ligningen er relatert til kavitasjonen i en væske når den utsettes for sonisk energi. Beregninger for forskjellige dråpestørrelser viser at frekvensen vil ligge i størrelses-området IO<4> til IO<6> Hz.

Nå er imidlertid de stoffene som ønskes tørket langt fra noen homogen masse. De kan bestå av en rekke forskjellige stoffer i tillegg til både en og flere forskjellige typer væsker, men hvor den altoverveiende del som oftest er vann.

Det er en kjent sak at væskene i slike blandinger kan fore-ligge som fri bevegelig væske og væske bundet av fysiske krefter i stoffene og som for den altoverveiende del utgjøres av kapillare krefter. For å overvinne disse kreftene i en vanlig tørkeprosess, må damptrykket overvinne kapillartrykket som øker med minkende porestruktur. I en vanlig tørkeprosess oppnår en dette ved å tørke stoffet med en slik temperatur at damptrykket overvinner kapillartrykket. Svært ofte må en da benytte temperaturer som ligger langt over den strengt tatt nødvendige fordampningstemperaturen. Et annet forhold som griper inn ved en ren termisk tørking, er at de termodynamiske verdiene i stoffet forandres under prosessen. De blir verre. Dette må igjen kompenseres med høyere temperatur og større heteflater, som igjen fører til høyere kostnader gjennom utstyr og drift.

For å oppnå det som denne oppfinnelsen tar sikte på - tørking av en kombinasjon av tåkedannelse og fordampning, må element-ene som skal tilføre den soniske og termiske energien til stoffet, kunne tilføre disse i en slik turbulent tilstand at alle deler av stoffet blir behandlet. Å sette stoffet i en sterk turbulent tilstand, vil foruten at man får en tilstand med tilnærmet konstante termodynamiske data, forhindre at massen gror fast i prosessens kammer og de delene dette består av - noe som er et stort problem ved alle andre kjente tørkeprosesser.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en fremgangsmåte som nevnt innledningsvis, kjennetegnet ved at det i det kunstige gravitasjonsfelt induseres vibrasjonskrefter egnet til å rive opp væske for dannelse av tåke.

Fordelaktig kan varm gass tilføres som tilleggsenergi for tørkingen.

Det foreslås også ifølge oppfinnelsen en innretning som nevnt innledningsvis, kjennetegnet ved at rotoren på sin omkrets bærer svingedykt ige rotorblader, og ved at det på nevnte innervegg i prosesskammeret er anordnet i hovedsaken aksialt orienterte ribber.

I en vertikal eller horisontal sylindrisk beholder, er det anordnet et røreverk som drives av en roterende energikilde, - elektrisk motor eller en forbrenningsmotor. På røreverket er det anordnet en rekke med blader som når rotoren roterer, slynges ut av sentrifugalkraften.

På selve prosesskammeret er det anordnet en innmatingsåpning for stoffet som skal tørkes, en utmatningsåpning for det tørkede stoffet og en åpning for evakuering av damp og tåke.

For å tilføre den turbulente massen den soniske energien, så kan dette gjøres på følgende måter: På innsiden av prosesskammeret anordnes det langsgående ribber over hele den innvendige periferien av kammeret. Ribbene har en slik form at de er omtrent parallelle med bladene når disse passerer ribbene. Når rotoren roterer med n omdreininger/min. og har N blader/arm, vil det ved hver omdreining dannes n*N trykkimpulser mellom ribben og bladet som overføres til den turbulente massen i kammeret. Med f.eks. en diameter på 2 m og 179 ribber med 35 mm mellomrom, 12 blader rundt rotoren som løper med 2500 o/min. vil det fra hvert blad bli dannet trykkbølger med en frekvens 179*2500/60 = 7458 pulser pr. sek. Disse trykkbølgene vil rive opp væsken og få en god del av denne til å kavitere og danne tåke. I tillegg til dette, vil det utvikles varme fra bladene på grunn av intern friksjon i massen og ved at det i tillegg kan tilføres oppvarmet luft eller en annen gass, f.eks. CO2 fra en forbrenningsmotor. Sammen med disse tilførte gassene, vil tåken føre til det det dannes et uhyre lavt partialtrykk i prosesskammeret for den del av væsken som fordampes. I forsøk har det vist seg at partialtrykkes for dampene blir så lavt at fordampningen kan ligge fra 40 - 75°C.

Gassene, tåken og dampen som forlater prosesskammeret gjennom utløpsåpningen fra disse, kan enten kondenseres eller føres til luft - alt etter hva gassene består av.

En annen måte til å øke frekvensen og dermed den mekaniske påvirkningen av væskene, er å utforme bladene som stemmegafler, slik at når disse passerer en ribbe, så blir de satt i egensvingninger og bidrar til å øke den soniske energien. Som et alternativ til den rene mekaniske påvirkningen av stemmegaflene, kan disse bli elektromagnetisk påvirket ved en på utsiden anordnet magnetisk oscillator. Denne er slik anordnet at det magnetiske feltet tillates å gå gjennom veggen på prosesskammeret ved å lage dette i et ikke magnetisk materiale (f.eks. rustfritt stål). Magnetfeltet vil påvirke hvert av bladene utformet som et svingende element med samme frekvens som magnetfeltet. En ytterligere måte å forsterke denne effekten, er å anordne på bladene et magnetostriktivt materiale som f.eks. Terfonol^ som er laget av grunnstoffene Ferrum, Terbium og Dysprosium. Ved påvirkning av et magnetfelt, vil legeringen utvide seg med ca. 1-2 0/00. Denne utvidelsen kan påvirke bladene direkte og dermed massen som skal behandles.

Nok en mulighet til å etablere et kraftig sonisk felt i prosesskammeret, er å montere ribbene på pizo-elektriske keramer eller magnetostriktive materialer. Ved etablering av den rette impedans mellom massen i ribbene vil en med en frekvensmodulator på utsiden, kunne få ribbene til å svinge med hvilken som helst valgt frekvens innenfor det praktiske området man her snakker om. I frekvensområdet 20.000 Hz, vil en ikke kunne se bevegelsene av ribbene, idet disse vil svinge om sitt elastisitetsområde.

Vibrasjonene kan ellers også tenkes tilført på andre måter, f.eks. ved å utforme bladene slik at disse ved bevegelse i massen gir fra seg lyd analogt med en fløyte. Dette kan enkelt og praktisk oppnås ved at baksiden av bladene utformes på en slik måte at det dannes en enorm turbulens bak disse. Turbulensen vil foruten å gi fra seg vibrasjoner, også danne et etterslepende vakuum som vil effektivisere tåkedannelsen og fordampningen ved en lav temperatur.

Gjennom forsøk er det påvist at det er mulig å redusere energiforbruket til under det halve av det teoretiske energiforbruket for uttørking av f.eks. trefiberslam.

Prosessen styres automatisk av følgende parametre:

Prosesstemperatur.

Belastning på motoren.

Fuktighet i det tørkede stoffet.

Dette vil si at utmatingen av det tørkede stoffet starter ved valgt driftstemperatur og fuktighet. Den reduserte be last-ningen som dermed oppstår på motoren, fører til at innmatingen starter til belastningen igjen er kommet på topp. Ved innmatingen synker temperaturen og utmatingen starter. Ved korrekt innstilt anlegg, skjer dette kontinuerlig slik at innmatingen balanserer med utmatningen, dvs. utmating og innmating skjer kontinuerlig.

Oppfinnelsen er nærmere vist i etterfølgende tegninger, hvor

Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av prosessen, fig. 2 viser en detalj av prosesskammeret og bladet i

passeringsøyeblikket,

fig. 3 viser en detalj av et av bladene utformet som en

stemmegaffel,

fig. 4 viser samme gaffel forspent med det magnetostriktive materialet Terfonol<R> med en oscillerende magnetgenerator,

fig. 5 viser en detalj av en ribbe festet til et

pizoelektrisk eller magnetostriktivt materiale, fig. 6 viser et sideriss av et utførelseseksempel for

et apparat på 450 kWQ,

fig. 7 viser et oppriss av samme utførelseseksempel, fig. 8 viser utførelseseksemplet sett fra den ene

enden,

I fig. 1 er et prosesskammer med rotor 2 og blader 3 som drives av motoren 4. Massen blir matet inn i prosesskammeret av mateskruen 5 fra hopperen 6. Mateskruen drives av motoren 7. I prosesskammeret blir massen pisket av bladene 3 og påført sonisk energi eller vibrasjoner fra disse og ribbene

8. Som tilleggsenergi kan det leveres en eller annenoppvarmet gass fra aggregatet 9. Gassene, tåken og dampene forlater prosesskammeret 1 via utløpsåpningen via en avtrekksvifte 11 og derfra enten til friluft og eller til en kondensator. Det tørkede stoffet ledes ut gjennom utmatningsåpningen 12 via den roterende slusen 13. Fig. 2 viser som nevnt en detalj av prosesskammeret og bladet i passeringsøyeblikket. Fig. 3 viser en detalj av et av bladene utformet som en stemmegaf fel. Fig. 4 viser samme stemmegaffel forspent med det magnetostriktive materiale Terfonol^ 14, med en oscillerende magnetgenerator 15. Fig. 5 viser en detalj av en ribbe 4 festet til et pizoelektrisk eller magnetostriktivt materiale 20 som får svingeenergier via kablene 21 og 22 fra generatoren 23.

I fig. 6 hvor tallhenvisningene har samme betydning som på figur 1, er i tillegg vist en skruetransportør 15 for tørr-stoffet og maskinskidden 16 som konstruksjonen står på. Videre ser man utblåsningsrøret 17 for avgassene og tåken som ledes til friluft. I enden av motoren er kontrollskapet 18 for prosessen lokalisert. Det hele er bygget inn i en 20 fot standard ISO container 19. Fig. 7 viser et oppriss av samme utførelseseksempel hvor en ser utblåsningsåpningen 10 for avgassene og tåken, avtrekks-viften 11 og innmatningsskruen 5 i hopperen 6. I hopperen er det 4 stk tverrmateskruer som bare har som funksjon å mate stoffet frem til innmaterskruen 5. Fig. 8 viser utførelseseksempelet sett fra den ene enden med samme henvisningsnummer som nevnt ovenfor.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte ved tørking av organiske eller/og uorganiske materialer alene eller i blanding med hverandre, hvilke materialer inneholder en eller flere væsker eller kjemikalier, hvor tørking skjer ved at væske/væsker fjernes som finfordelte dråper fra faststoffene, som tåke, idet materialmassen utsettes for et kunstig gravitasjonsfelt, karakterisert ved at det i det kunstige gravitasjonsfelt induseres vibrasjonskrefter egnet til å rive opp væske for dannelse av tåke.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at varm gass tilføres som tilleggsenergi for tørkingen.

3. Innretning for gjennomføring av tørking av organiske eller/og uorganiske materialer alene eller i blanding med hverandre, hvilke materialer inneholder en eller flere væsker eller kjemikalier, idet tørking skjer ved at væske/væsker fjernes som finfordelte dråper fra faststoffene, som tåke, innbefattende et prosesskammer (1) med en innføringsåpning (5) for materialet som skal tørkes, og en i prosesskammeret (1) roterbart opplagret rotor (2) hvis omkrets sammen med en motstående innervegg i prosesskammeret (1) bestemmer et ringrom i prosesskammeret, karakterisert ved at rotoren (2) på sin omkrets bærer svingedyktige rotorblader (3), og det på nevnte innervegg i prosesskammeret (1) er anordnet i hovedsaken aksialt orienterte ribber (8).

4 . Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at hvert rotorblad (3) er dreibart opplagret om en akse parallell med rotorens (2) rotasjonsakse.

5 . Innretning ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at rotorbladene (3) er utformet med sterkt turbulens-dannende baksider, sett i rotasjonsretningen.

6. Innretning ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at rotorbladene (3) er utformet som stemmegafler.

7. Innretning ifølge kravene 3-6, karakterisert ved at det utenfor ringrommet er anordnet en magnetisk oscillator (15) og at rotorbladene (3) er tilordnet et magnetostriktivt materiale (14).

8. Innretning ifølge et av de foregående krav 3-7, karakterisert ved at ribbene (8) er utformet som svingningsdyktige elementer.

9. Innretning ifølge krav 8, karakterisert ved at ribbene (8) er montert på pizo-elektriske keramer eller magnetostriktive materialer (20).