DE3738992A1 - Verfahren und vorrichtung zur strahlungs-vakuum-kondensations-trocknung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strahlungs- Vakuum-Kondensations-Trocknung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Basierend auf dem in der Patentschrift DE 29 14 181 C2 beschrie­ benen Verfahren - einer Trocknung des Gutes auf beheizten Gutträgern, bei von einer Vakuumpumpe abgesperrtem Vakuumbe­ hälter und Drücken von 5 bis 30 mbar, sowie Kondensation des entstehenden Wasserdampfes an in unmittelbarer Nähe zum Gut installierten Kühlflächen - ist ein Verfahren entwickelt wor­ den, bei dem der Energieeintrag in das Gut anstatt durch beheizte Gutträger durch Strahlung elektromagnetischer Wellen aus dem Frequenzbereich 50 bis 7,5 × 10¹⁴ Hz erfolgt. Damit werden einerseits eine Erhöhung des flächenspezifischen Ener­ gieeintrags in das Gut ermöglicht und andererseits eine ver­ gleichmäßigende Trocknung bezogen auf die Feuchteverteilung im Gut beispielsweise beim Einsatz hochfrequenter elektromagneti­ scher Wechselfelder, den Mikrowellen, erreicht.

In der Fachliteratur ist eine Reihe von Vakuum-Strahlungs- Trocknern bekannt, die aber gemäß herrschender Meinung, siehe

• Kröll, K. Trockner und Trocknungsverfahren, Bd. 2 Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1978

bei laufender Vakuumpumpe zur Absaugung nicht kondensierbarer Gase arbeiten.

Insbesondere die in der Literatur beschriebenen Mikrowellenva­ kuumtrockner arbeiten nach diesem Prinzip.

Meisel, N. Microwave Applications to Food Processing and Food Systems in Europe J. of Microwave Power, 8, 1973, Nr. 2.

Wear, F. C. Economic Analysis of a Microwave-Vacuum Grain Drying System Final Report EY-76-C-02-2918, 30. 03. 1977.

Elias, S. Microwave Vacuum Dring: quick, quiet, clean, efficient Food Engineering Int' L., 1979, Nr. 1.

Stanley Anthony, W. Vacuum Microwave Drying of Cotton, Effekt on Cottonseed Transactions of the ASAE, 1983.

Vosteen, B.; Braun, B.; Steimel, J. Trockner Chemie Ingenieur Technik, 51, 1979, Nr. 11.

Sobiech, W. Microwave Vacuum Drying of sliced Parsley Root J. of Microwave Power, 15, 1980, Nr. 3.

Metaxas, A. C.; Meridith, R. J. Industrial Microwave Heating Peter Peregrinus Ltd., Stevenage, Herts. 1983.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzusehen, nach dem disperse Schütt- und/oder Stückgüter oder Lösungen bei erhöhtem flächenspezifischem Energieeintrag schneller, die Feuchte vergleichsmäßigend und mit zumindest gleichwertiger Qualität wie durch das bislang gekannte Trocknungsverfahren gemäß der Patentschrift DE 29 14 181 C2 getrocknet werden kön­ nen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Strahlungstrockner überführen die im zu trocknenden Gut gebun­ dene Feuchte in Dampf durch das Einwirken von Strahlungsener­ gie. Zu ihnen gehören trotz unterschiedlicher Wirkprinzipien sowohl die Wärme- als auch die sogenannten elektromagnetischen Strahlungstrockner. Bei letzteren wird die Feuchte im Gut durch hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder im Di­ elektrikum erwärmt. Dabei kommen bei wasserhaltigen Gütern, die einen großen Anteil der zu trocknenden Güter bilden, den natürlichen Eigenschaften des Wassers zentrale Bedeutung zu. Die wasserhaltigen Güter werden an den feuchten Stellen er­ wärmt, so daß es überraschenderweise zu einer vergleichsmäßi­ genden Trocknung kommt. Bei Frequenzen von 2,45 × 10⁹ Hz spricht man von Mikrowellenstrahlung. Beim Bereitstellen leistungsfähiger Generatoren werden hohe Verdampfungsleistun­ gen erreicht. Im Vakuum angewendet, verläuft die Trocknung außerdem schonend für das Gut. Darüber hinaus ist das erfin­ dungsgemäße Strahlungs-Vakuum-Kondensations-Trocknungsverfah­ ren in der Lage, die auftretenden erhöhten Dampfvolumenströme bei geringen Strömungsverlusten, bedingt durch große Ström­ ungsquerschnitte und kurze Transportwege, schnell zu konden­ sieren und abzuführen.

Neben der Erwärmung und Trocknung durch Mikrowellenenergie sind jedoch auch Modifikationen zur Strahlungs-Vakuum- Kondensations-Trocknung denkbar, bei denen der Energieeintrag in das Gut durch Infrarotstrahler innerhalb des Behälters erfolgt oder bei denen die Sonnenenergie von außen eine Erwärmung des Gutes innerhalb des Behälters bewirkt.

Der Trocknungsprozeß läuft am Beispiel eines diskontinuierlich arbeitenden Strahlungs-Vakuum-Kondensations-Trockners wie folgt ab:

Nachdem der mit feuchtem Gut versehene Gutträger in den Vaku­ umbehälter eingebracht worden ist, wird zu Beginn des Trock­ nungsprozesses der Vakuumbehälter mit Hilfe einer Vakuumpumpe entlüftet. Dabei werden die nicht kondensierbaren Gase bei zunehmend sinkendem Systemdruck durch den entstehenden Dampf der Feuchte aus dem Vakuumbehälter verdrängt, so daß zum Ende des Pumpvorganges der mit der Umgebungs- bzw. Siedetemperatur korrelierende Partialdruck der Feuchte im Behälter herrscht. Die Vakuumpumpe kann daraufhin von dem Behälter abgeklemmt werden. Die geringe Leckrate des Vakuumbehälters verhindert das Eindringen größerer Mengen an Luft, so daß die Diffusion des Dampfes der Feuchte an die Kondensationsflächen nicht behindert wird. Durch das Inbetriebnehmen des Oberflächenkon­ densators, der mit seinen Kühlflächen in unmittelbarer Nähe des Gutes innerhalb des Vakuumbehälters installiert sein muß, und der Strahlungsquelle wird der Trocknungsprozeß in Gang gesetzt. Dabei ist die Oberflächentemperatur der gekühlten Flächen des Kondensators die Führungsgröße, da Systemdruck und -temperatur, sowie der Feuchtedurchsatz hauptsächlich von der Leistungsfähigkeit des Kondensators abhängig sind, vorausge­ setzt, daß der Energieeintrag in das Gut hoch genug ist. Wird ein Wärmestrahler verwendet, verdampft die Feuchte aus dem Gut ausgehend von der dem Strahler zugewandten Seite. Wird das Gut einem elektromagnetischen Wechselfeld als Dielektrikum ausge­ setzt, verdampft die Feuchte gleichzeitig an allen Stellen des Gutes. Der Dampf der Feuchte kondensiert an den Kühlflächen des Kondensators, rinnt auf Grund der Schwerkraft zum Boden des Vakuumbehälters und kann daraus abgezogen werden. Der Trocknungsprozeß kann jederzeit beendet werden, ist aber end­ gültig abgeschlossen, wenn trotz Energiezufuhr keine Konden­ sation von Dampf mehr festgestellt werden kann.

Ganz allgemein bietet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bisher bekannten eine Reihe von Vorteilen:

Es stellt sich während der Trocknung ein hoher Dampfstrom der Feuchte zwischen Gut und Kondensationsflächen ein, der auf Grund der Größe der installierten Flächen über den gesamten Prozeß ohne Beeinflussung der Diffusion durch nichtkondensier­ bare Gase, die sich gewöhnlich vor gekühlten Flächen anrei­ chern, erhalten bleibt.

Die für das Aufheizen des feuchten Gutes auf Betriebstempera­ tur notwendige Energie wird gespart, da bei Temperaturen ge­ trocknet wird, die im Bereich der Umgebungstemperatur liegen. Dadurch sind ebenfalls die Wärmeverluste an die Umwelt sehr gering.

Der Einsatz der Vakuumpumpe ist auf die Dauer der Entlüftung beschränkt, so daß entweder kleinere Einheiten oder bei mehre­ ren Trocknereinheiten geringere Stückzahlen benötigt werden.

Außerdem werden an die Qualität der Pumpen, soweit der Trock­ ner im Grobvakuum betrieben wird, keine erhöhten Anforderungen gestellt.

Die Umwelt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bezogen auf Luft und Wasser nicht geschädigt.

Bezogen auf das zu trocknende Gut besteht der entscheidende Vorteil darin, daß auf geringem Temperaturniveau getrocknet werden kann, so daß insbesondere temperaturempfindliche Güter, Lebensmittel, Pharmazeutika und Chemieerzeugnisse (temperatur­ empfindliche Farbpigmente), dem Prozeß zugeführt werden kön­ nen. Außerdem gibt es keine örtlichen Schädigungen des Zellma­ terials bei Lebensmitteln wie bei der Gefriertrocknung, da ein Auskristallieren der Feuchte nicht stattgefunden hat.

Der gravierende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ge­ genüber dem in Patent DE 29 14 181 C2 beschriebenen Verfahren besteht bei der Erwärmung des Gutes durch elektromagnetische hochfrequente Wechselfelder darin, daß das Gut bevorzugt an den feuchten Stellen erwärmt wird, so daß eine vergleichmäßi­ gende Trocknung erreicht wird. Damit wird verhindert, daß sich ein Temperaturgradient wie bei der Kontakttrocknung ergibt. Infolgedessen werden die Energiebeträge eingespart, die für Wärmetransportvorgänge durch getrocknete Gutschichten aufge­ wendet werden müssen. Außerdem kann bei leistungsfähigen Gene­ ratoren der pro Flächeneinheit eintragbare Energiebetrag er­ heblich gegenüber demjenigen erhöht werden, der bei Erwärmung des Gutes durch beheizte Flächen erreicht werden kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden beschrieben. Selbstverständlich sind auch andere Vorrichtungen möglich, sofern sie nur die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen:

Strahlungs-Vakuum-Kondensations-Trockner, bei dem sich in einem Vakuumbehälter mit geringer Leckrate ein Oberflächenkon­ densator in unmittelbarer Nähe eines Gutträgers befindet, der keine Membran zwischen Trocknungsgut und Kondensatorflächen aufweist, bei dem mittels einer Vakuumpumpe, die ins Freie arbeitet, der Betriebsdruck erzeugt wird, bevor er von der Pumpe angeschlossen wird und bei dem der Energieeintrag entwe­ der durch Strahler, die mittels Elektrovakuumdurchführungen innerhalb des Behälters installiert sind, oder durch außerhalb gelegene Energiestrahler erfolgt.

Abb. 1 zeigt eine schematische Zeichnung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Strahlungs-Vakuum- Kondensations-Trockner.

Der Vakuumbehälter c besteht aus einem Rohr und zwei Deckel­ flanschen. Er ist auf einem Gestell gelagert, das eine Neigung von etwa 7 Grad aufweist. Am unteren Flansch kann der Vakuum­ behälter zum Beschicken der Anlage geöffnet werden. Im oberen Festflansch sind die Vakuumdurchführungen zum Strahler h, zur Waage a, zum Vakuummeter d und zur absperrbaren Vakuumpumpe f installiert. Der Kondensator ist als dreilagiger Rohrschlan­ gen-Oberflächenkondensator ausgeführt, reicht über die gesamte Länge des Behälters und schmiegt sich schalenförmig an das Mantelrohr des Behälters an. Durch ein System von Hahnen können neun einzelne Kupfer-Kühlschlangen innerhalb des Vaku­ umbehälters von außen über Durchführungen im Rohr aus einem Kühlmittelnetz angeströmt werden, so daß die aktive Kühlober­ fläche variiert werden kann. Zur Kontrolle des Trocknungspro­ zesses kann im Kühlkreislauf eine Wärmemengenmeßeinrichtung g installiert werden. Der Kondensator läßt in der Mitte des Mantelrohres genügend Platz für Gutträger, mechanische Um­ schichtvorrichtungen oder Transportsysteme. Das bei der Trocknung anfallende Kondensat läuft auf Grund der Schwerkraft an den Rohren des Kondensators entlang und tropft unten ab, so daß es an drei Stellen der Anlage gesammelt und in den Konden­ satsammelbehälter e abgezogen werden kann. Die Energie wird in diesem Beispiel durch ein System aus Mikrowellengenerator und -strahler in den Behälter eingespeist. Das auf einer Waage lagernde Gut wird auf diese Weise erwärmt, so daß die Feuchte anschließend aus dem Gut verdampft werden kann.

Anwendungsbeispiel 1 Trocknung von Quarzsand

600 g Quarzsand der Körnung W8, 100%<0,15 mm, mit einem Feuchtegehalt von 16,8% ist in eine Schale gefüllt worden, die eine Grundfläche von 0,025 m² aufwies. Dabei hat sich eine Schichthöhe des Quarzes von etwa 16 mm ergeben. Die Schale ist in den Vakuumbehälter gestellt worden. An­ schließend ist der Behälter in etwa 5 min auf einen Druck von 40 mbar entlüftet worden. Die Vakuumpumpe ist danach abge­ sperrt und außer Betrieb genommen worden. Gleichzeitig mit dem Entlüften begann das Kühlen des Rohrschlangen-Kondensators mit Wasser einer Temperatur von 13°C. Der Energieeintrag durch den Mikrowellengenerator, der etwa 1 kW Leistung abgegeben hat, erfolgte direkt nach dem Entlüften. Nach 40 min ist der Trocknungsversuch beendet worden. Die Gewichtsabnahme hat 91,7 g, der verbliebene Feuchtegehalt hat 1,8% betragen. Der Feuchtedurchsatz ergab sich somit zu 5,5 kg m^-2h^-1.

Anwendungsbeispiel 2 Trocknung geschälter Bananen

Vier unzerkleinerte geschälte Bananen mit einer Masse von 325,4 g und einem Feuchtegehalt von 75,4% sind in eine Schale gelegt worden, die eine Grundfläche von 0,025 m² aufwies. Die Bananen bedeckten dabei eine Fläche von etwa 0,013 m². Danach ist die Schale in den Vakuumbehälter gestellt worden. An­ schließend ist der Behälter in etwa 5 min auf einen Druck von 40 mbar entlüftet worden. Die Vakuumpumpe ist danach abge­ sperrt und außer Betrieb genommen worden. Gleichzeitig mit dem Entlüften begann das Kühlen des Rohrschlangen-Kondensators mit Wasser einer Temperatur von 13°C. Der Energieeintrag durch den Mikrowellengenerator, der etwa 1 kW Leistung abgegeben hat, erfolgte direkt nach dem Entlüften. Nach 60 min ist der Trocknungsversuch beendet worden. Die Gewichtsabnahme hat 239,9 g, der verbliebene Feuchtegehalt hat 6,2% betragen. Der Feuchtedurchsatz ergab sich somit zu 18,45 kg m^-2h^-1.

Anwendungsbeispiel 3 Eindampfung von Salzwasser

500 ml einer wässerigen Salzlösung mit 20 g NaCl ist in eine Schale mit einer Grundfläche von 0,025 m² gefüllt worden. Danach ist die Schale in den Vakuumbehälter gestellt worden. Anschließend ist der Behälter in etwa 5 min auf einen Druck von 40 mbar entlüftet worden. Die Vakuumpumpe ist danach abge­ sperrt und außer Betrieb genommen worden. Gleichzeitig mit dem Entlüften begann das Kühlen des Rohrschlangen-Kondensators mit Wasser einer Temperatur von 13°C. Der Energieeintrag durch den Mikrowellengenerator, der etwa 1 kW Leistung abgegeben hat, erfolgte direkt nach dem Entlüften. Nach etwa 75 min war das Wasser verdampft und das Salz auskristallisiert. Dies entspricht einem Feuchtedurchsatz von 16 kg m^-2h^-1.

Claims (12)

1. Verfahren zur Strahlungs-Vakuum-Kondensations-Trocknung, das zur Verminderung der Feuchte in dispersen Gütern oder feuchtehaltigem Stückgut oder zur Eindampfung echter oder kolloid-disperser Lösungen die Feuchte bei im Vergleich zum Umgebungsdruck erniedrigtem Systemdruck durch das Einwirken von elektromagnetischer Strahlung aus dem Gut verdampft, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück- und/oder Schüttgut oder Lösungen in einem va­ kuumdichten, abgeschlossenen Behälter bei vermindertem System­ druck elektromagnetischer Strahlung von Frequenzen aus dem Bereich von 50 bis 7,5 × 10¹⁴ Hz ausgesetzt wird, wobei der entstehende Dampf an in unmittelbarer Nähe zum Gut gelegenen, gekühlten Flächen innerhalb des Vakuumbehälters kondensiert und das Kondensat abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchte im Gut beim Eintrag in den Behälter im flüssi­ gen Aggregatszustand vorliegt, wobei der Betriebsdruck nach dem Entfernen nichtkondensierbarer Gase aus dem Behälter von der Oberflächentemperatur der gekühlten Flächen abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchte im Gut beim Eintrag in den Behälter im festen Aggregatszustand vorliegt, wobei der Betriebsdruck nach dem Entfernen nichtkondensierbarer Gase aus dem Behälter von der Oberflächentemperatur der gekühlten Flächen abhängt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Energieeintrag durch Strahlung dem Gut Wärme durch den Kontakt an beheizten Flächen zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gut während des Trocknungsvorgangs umgeschichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren diskontinuierlich durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Betriebsweise durch Schleusungs- und Transportsysteme erfolgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, bestehend aus einem Vakuumbehälter geringer Leck­ rate, einer Vakuumpumpe, einem Oberflächenkondensator, einer Vorrichtung zur Aufnahme des zu trocknenden Gutes und aus Systemen zum Erzeugen und Einbringen der elektromagnetischen Strahlungsenergie in den Vakuumbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen des Kondensators in unmittelbarer Nähe zum zu trocknenden Gut installiert sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, bestehend aus Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung zur Aufnahme des zu trocknenden Gutes beheiz­ bar ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, bestehend aus Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trocknende Gut durch mechanische Vorrichtungen umgeschichtet wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, bestehend aus Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine diskontinuierliche Betriebsweise durch mechanische Vorrichtungen zum Auswechseln der Gutträger ermöglicht wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 und 7, bestehend aus Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung jeweils mit einer Ein- und Ausschleus-, sowie einer Transportvorrichtung ausgestattet ist, so daß eine kontinuierliche Betriebsweise möglich ist.