WO2005036080A1 - Verfahren und vorrichtung zum durchführen beschleunigter trocknung poröser stoffsysteme - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F26—DRYING
- F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
- F26B7/00—Drying solid materials or objects by processes using a combination of processes not covered by a single one of groups F26B3/00 and F26B5/00
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- F26B21/00—Arrangements or duct systems, e.g. in combination with pallet boxes, for supplying and controlling air or gases for drying solid materials or objects
- F26B21/06—Controlling, e.g. regulating, parameters of gas supply
- F26B21/10—Temperature; Pressure
Definitions
- the invention relates to a method for carrying out accelerated thermal drying of porous solid systems by applying permanent pressure changes to a drying gas, a pulsating outflow of the fluid phase in the drying material taking place in pores of the drying material and a periodic compression of the gas portion then located in the pores for the purpose of accelerated drying Micro convection currents is used.
- the invention relates to a device for performing the method according to the invention.
- Thermal drying is the removal of liquid which is evaporated and removed by the application of heat.
- the heat can be supplied by conduction, convection or radiation.
- the drying process depends on external conditions such as temperature, gas, air speed and vapor pressure of the drying gas and not least also on the material to be dried. If the mechanical drying is preceded by mechanical dehumidification in the form of a solid-liquid separation, the energy consumption can be considerably reduced. Possible methods of mechanical dehumidification are vacuum, pressure and press filtration, as well as centrifugation.
- the advantage of mechanical solid-liquid separation lies in the lower initial moisture content of the drying material for the subsequent drying.
- mechanical dewatering which is usually carried out in batch processes, requires more equipment and longer service lives, thus reducing energy savings.
- Thermal drying processes can be divided into contact drying, convection drying, radiation drying and the special case of freeze drying according to the type of heat supply. In drying technology, a distinction is also made between evaporation and evaporation drying.
- the partial pressure of the resulting steam corresponds to the total pressure.
- the liquid is therefore removed from the material to be dried at boiling temperature.
- the moisture is removed from the material to be dried at a lower temperature, the partial pressure of the resulting steam being less than the total pressure.
- a vapor pressure gradient is a prerequisite for drying. With the heating of the material to be dried, the vapor pressure of the liquid increases and thus accelerates the drying process. Applying a vacuum or applying a dry air flow lowers the vapor pressure outside the material to be dried. This also causes accelerated drying.
- the material to be dried is flowed over or through. Through-flow results in more efficient drying, since drying air in the pores of the material to be dried improves heat and material exchange can be achieved. This leads to an increased drying speed and gentler treatment of the material to be dried.
- the drying is also influenced by the surface of the porous material to be dried and, if this consists of porous particles, also by its possible mixing during the drying process. Particle size and layer thickness of the material to be dried play an additional role.
- the heat required for drying first causes the goods to heat up. The majority of the heat energy supplied is used for fluid evaporation / evaporation. There is also heat loss to the environment.
- the liquid in the material to be dried can: 1. be present on the surface (adhesive liquid), 2. in capillaries (capillary liquid) or 3. as crystal water (chemically bound liquid).
- adhering liquid 1. be present on the surface (adhesive liquid), 2. in capillaries (capillary liquid) or 3. as crystal water (chemically bound liquid).
- the energy expenditure for dehumidification increases from 1st to 3rd. adhering liquid
- Adhesive liquid is present as a thin fluid film on the surface and in large pores of the material to be dried.
- the vapor pressure of the adhesive fluid over the film corresponds to the saturation vapor pressure at any temperature.
- the water of crystallization is covalently bound to molecules of the material to be dried or fixed in complexes.
- the crystal water can only be removed after a crystal-specific decomposition temperature has been exceeded
- the drying process depends on the drying process, the drying conditions, the type of moisture binding and the properties of the material to be dried.
- the functional relationships shown in FIGS. 1 a) to 1 c) are referred to as drying curves.
- the dependence of the material moisture X or its time derivative dX / dt, which corresponds to the drying speed, on the drying time t is shown differently in the three drying curves.
- Various drying sections can be identified from the course of the drying curves.
- the first drying section (2 -> 3) is characterized by a more or less linearly decreasing moisture content (FIG. 1 a).
- the linear course X (t) corresponds to constant drying speed (Fig. 1 b and 1 c).
- the adhesive liquid evaporates / evaporates on the surface of the material to be dried.
- the liquid that is removed is conveyed from the inside of the gut to the surface by a liquid line driven by capillary force.
- the heat supplied is used in the 1st drying section to evaporate the liquid and keep the temperature of the product constant.
- the good properties play no or only a minor role.
- the external heat transfer coefficient ⁇ but also the thermal conductivity of the dried good layer above the drying level.
- the increasing diffusion resistance of the dry layer causes an increase in the vapor partial pressure and thus the temperature in the material to be dried.
- the drying curve of hygroscopic materials (3-> 4-> 5) approaches in the second drying section asymptotically to a final equilibrium moisture value (Fig. 1 a-c, item 5), which is substance-specific and also depends on the humidity of the drying air. This equilibrium moisture value is only reached after a long drying time (4 -> 5).
- the object of the invention is to accelerate porous, fluid-laden solid systems compared to conventional, thermal drying processes and / or with a reduced amount of drying gas and / or temperature conditions that are improved under specific material system conditions in the case of non-hygroscopic material systems, in hygroscopic systems until an equilibrium final moisture content is reached to dry.
- the invention is also based on the object of providing a device for carrying out the method according to the invention.
- porous solid systems e.g. filter cakes, solid granules, tissue
- thermal drying of porous solid systems takes place with the impression of periodic pressure changes, which is compared to conventional overflow / throughflow drying processes, which operate under approximately constant pressure conditions or resulting stationary flow conditions operated, leads to a significant acceleration of the drying process.
- a drying that is more efficient and faster with regard to thermal energy input compared to conventional convection drying, in which the energy input via the drying air and the goods only takes place through conduction (heat conduction) and the fluid is transported from the inside of the goods to the surface of the goods only by diffusion of the fluid molecules.
- highly temperature-sensitive material systems e.g. B. Food / feed systems containing native proteins even at low temperatures, such as. B. ⁇ 60 ° C more efficiently than with previously known drying processes.
- Material systems to be dried according to the invention are porous filter cakes and piles, porous agglomerates / granules consisting of individual particles as well as individual porous particles. If such porous solid systems were previously in contact with liquids, their pores are largely liquid-filled. If the solid is wetted by the liquid, capillary forces act to hold back the liquid in the pores. These holding forces (capillary forces) are inversely proportional to the pore diameter. This means that the liquid is increasingly retained in narrow pores.
- the invention relates to the thermal drying process.
- the porous material to be dried is energy in the form of heat, generally via the drying gas or alternatively via contact with heated surfaces or z. B. supplied by means of microwave radiation.
- the drying gas brought into contact with the material to be dried must be able to absorb solvent molecules, ie have a relative humidity below 100% (preferably below 20-30%). This ensures that mass transport of fluid or solvent molecules from the capillary liquid into the drying air takes place. The latter then takes over the convective (in the case of air flow) or diffusive (without the air in motion) removal of the solvent molecules. Convection of the drying air can improve the mass transfer and mass transfer of the solvent molecules the flow velocity or Reynolds number (dimensionless parameter for the flow form: eg laminar, turbulent) are higher.
- porous solid systems have continuous pore channels and non-continuous "pore pores".
- a further mass transfer of fluid molecules is only possible by means of diffusion, since the drying gas flow does not reach the fluid in these sack pores.
- dynamic pressure changes are impressed according to the invention, the gas located in the pocket pores is compressed / expanded synchronously. As a result, a periodic inflow / outflow of drying gas is forced.
- the “microconvection flow” thus generated according to the invention improves the transition of fluid molecules into the drying gas and thus increases the drying efficiency (FIG. 2).
- a micro-convection flow is generated in the gas-filled parts of the sack pores by periodic compression / expansion, which also allows an improved convection-based mass transfer to be achieved there.
- the volume flow of the drying gas generated when the pressure is applied is reduced by approx. 50% compared to the pure flow case, provided that the pressure changes between the nominal pressure (identical to the constant nominal pressure when flowing through) and atmospheric pressure.
- the disadvantage must be due to reduced drying gas volume flow can be compensated by an improved efficient pressure change induced micro convection. As can be seen from FIG.
- this second drying section which for the model system shown (porous polyethylene matrix with a 10 micron average pore diameter) is in a saturation range of approximately less than 25-30%, shows one as shown in FIG. 7 (in particular enlarged image section in FIG 7) increased drying speed with reduced saturation in the case of the pressure swing-induced drying according to the invention compared to drying with constant overflow.
- the comparison of the loading of the drying air with solvent vapor removed from the material to be dried can also be used.
- the advantage of this representation lies in the assignment of the loading values of the drying gas with solvent vapor to mass transfer or mass transport mechanisms.
- Model material system porous polyethylene matrix with an average pore diameter of 10 microns / water
- Three areas on the saturation scale can be clearly distinguished:
- BV values are measured due to a mechanical dehumidification effect. This is attributed to the accelerating effect of the gas pressure waves during drying, which is induced by pressure changes, on the liquid columns or liquid films in the pores of the material to be dried. As can be seen in Fig. 8, the BV values are around 2.5 - 17.8. On the one hand, this underlines the strong support of the pressure swing for mechanical dehumidification effects, on the other hand, the wide range of BV values indicates the dependence of the mechanical dehumidification effects on the homogeneity of the dehumidification across the cross-section of the material to be dried.
- the first thermal drying section lies in this area, characterized by a largely constant drying speed.
- the BV values are largely constant for constant temperature between 2-2.5 (25 - 60 ° C) and 4 (80 ° C), i.e. Between 2-4 times more fluid per volume of drying gas is transported out of the material to be dried. An increased temperature dependency is only shown in the experiment at temperatures above 60 ° C.
- a drying gas is supplied to the compressed gas containers 7, 8 via the feed lines 26, 27.
- the drying gas is kept compressed in the compressed gas containers 7, 8 at a defined, generally identical pressure P1.
- the compressed gas containers 7, 8, which are designed as drying gas containers are periodically alternately switched to passage to the drying section 12 when the valve 13 or 14 is closed when the valve 11 is open.
- the valve 11 is closed and the valve 13 or 14 is opened after a defined holding time and thus the compressed drying gas in the drying section 12 is expanded to ambient pressure (atmospheric pressure) or to another modified pressure, if one Pressure ⁇ / akuumbehalter 15 is connected, realized with the valve 16 closed.
- the alternate connection of the pressurized gas containers 7 and 8 allows, compared to the use of only one pressurized gas container, the improved constant maintenance of the pressure starting conditions (drying gas) up to high pressure change frequencies and high drying gas volumes of z. B. 1-10 standard m 3 , preferably from about 1-5 standard m 3 .
- the drying air which is subjected to periodic pressure changes in this way, is guided in the drying section 12 either in the direction 17 via the porous material to be dried 18 or in the direction 19 through this and optionally through a filter medium or a corresponding porous base 20 to the outside or into the downstream container 15 and relaxed or partially relaxed.
- a control device 21 is used to:
- the pressures in the pressure gas containers 7 and 8 measured by means of pressure measuring devices 22, 23 are set in a controlled manner via the pressure control valves 24, 25, b) the inflowing drying gas volume flows 26 and 27 via the valves 24 and 25 in coordination with the gas volume flows withdrawn via the 2/3 directional valve 28 from the pressure gas containers 7, 8 are regulated while keeping the maximum pressures in the pressure gas containers 7 and 8 constant, and
- valves 11, 28 and 13 or 14 and, if appropriate, 16 switched in such a way that first valve 28 is set to pass to compressed gas container 7 or 8 when valve 13 or 14 is closed and valve 11 is open, which is in the drying section 12 and thus in the porous material to be dried 18 leads to pressure build-up to the pressure preset in the compressed gas container 7, 8 and then after closing valve 1, valve 13 or 14 after a defined “holding time” for the drying section 12, which can be set by means of the control / regulating device 21 built-up pressure is opened, which leads to a relaxation of the moisture-laden drying gas outlet stream 30 or 31 into the atmospheric environment via lines 30 or 31 and thus to lower the pressure in the drying section 12 to ambient pressure, or in the case of relaxation to a downstream Container 15 preset pressure level (or vacuum level) and for removal of the vo in the drying gas Atmosphere or into the container 15 (drainage of condensate via the condensate valve 32).
- All valves 11, 13, 14, 16, 24, 25 and 28 as well as the pressure measuring devices 22 and 23 are connected to the control device 21 via data lines 33 - 38.
- the procedure described under c) can be repeated periodically, with the control / regulating device 31 having the period duration or its frequency set.
- B. a maximum frequency of 10 Hertz is provided.
- the drying gas When the drying gas is guided in the direction 17, the drying gas flows over the porous material system to be dried and the valve 13 relaxes into the environment. When the drying gas is guided in the direction 19, the drying gas flows through the porous material system to be dried and is released into the environment via the valve 14.
- FIG. 10 and 11 show the device according to the invention in special embodiments of the drying section / drying chamber.
- this corresponds to a pressure filtration device
- FIG. 11 a centrifugal filtration device (filter centrifuge) installed in a pressure housing.
- the designations additionally included in FIG. 11 stand for: supply of the drying air via a rotating supply pipe 39 sealed with a dynamic seal, drive motor 40, drive shaft 41.
- a connecting line is designated by 42.
- Drying line drying chamber
Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur beschleunigten mechanischen und thermischen Trocknung von porösen Feststoffsystemen. Das Trocknungsgut wird mit Trocknungsgas über- und/oder durchströmt, wobei das Trocknungsgas definiert mit pulsierenden Druckwechseln zur beschleunigten Trocknung beaufschlagt wird.
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen beschleunigter Trocknung poröser Stoffsysteme
Beschreibung
Gattung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen beschleunigter thermischer Trocknung poröser Feststoffsysteme unter Aufprägung von permanenten Druckwechseln auf ein Trocknungsgas, wobei in Poren des Trocknungsgutes eine pulsierende Abströmung der in diesen befindlichen Fluidphase erfolgt und eine periodische Kompression des dann in den Poren befindlichen Gasanteils zur beschleunigten Trocknung mittels Mikrokonvektionsströmungen eingesetzt wird.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
Unter thermischer Trocknung versteht man das Abtrennen von Flüssigkeit, welche durch Wärmezufuhr verdampft und abgeführt wird. Die Wärmezufuhr kann durch Konduktion, Konvektion oder Strahlung erfolgen. Der Trocknungsverlauf ist von äußeren Bedingungen wie Temperatur, Gas-, Luftgeschwindigkeit und Dampfdruck des Trocknungsgases und nicht zuletzt auch vom Trocknungsgut selbst abhängig. Wird der thermischen Trocknung eine mechanische Entfeuchtung in Form einer Fest-Flüssig-Trennung vorgeschaltet, kann der Energieaufwand beträchtlich verringert werden. Mögliche Verfahren der mechanischen Entfeuchtung sind Vakuum-, Druck- und Pressfiltration, als auch die Zentrifugation. Der Vorteil der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung liegt im tieferen Anfangsfeuchtegehalt des Trocknungsmaterials für die anschließende Trocknung. Die meist in Batchverfahren durchgeführte mechanische Entwässerung erfordert jedoch einen höheren apparativen Aufwand sowie längere Standzeiten und vermindert so die Energieeinsparung.
Erst die Zusammenführung der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung mit der thermischen Trocknung in einem einzelnen Prozessschritt ermöglicht eine weitere Optimierung der Trocknung.
Thermische Trocknungsverfahren lassen sich nach Art der Wärmezufuhr in Kontakttrocknung, Konvektionstrocknung, Strahlungstrocknung und den Spe- zialfall der Gefriertrocknung unterteilen. Ferner wird in der Trocknungstechnik zwischen Verdunstungs- und Verdampfungstrocknung unterschieden.
Bei der Verdampfungstrocknung entspricht der Partialdruck des entstehenden Dampfes dem Gesamtdruck. Die Flüssigkeit wird also bei Siedetemperatur aus dem Trocknungsgut entfernt. Bei der Verdunstungstrocknung wird die Feuchte bei niedrigerer Temperatur aus dem Trocknungsgut entfernt, wobei der Partialdruck des entstehenden Dampfes kleiner als der Gesamtdruck ist. Die Flüssigkeit entweicht aus dem Trocknungsgut um so schneller, je geringer die Dampfkonzentration in der Umgebung ist. Voraussetzung für die Trocknung ist ein Dampfdruckgefälle. Mit der Erwärmung des Trocknungsgutes steigt der Dampfdruck der Flüssigkeit und beschleunigt so den Trocknungsprozess. Das Anlegen von Vakuum oder die Aufprägung eines trockenen Luftstroms senkt den Dampfdruck außerhalb des Trocknungsgutes. Dies bewirkt ebenfalls eine beschleunigte Trocknung.
Bei der Konvektionstrocknung wird das Trocknungsgut über- oder durchströmt. Durchströmung bewirkt die effizientere Trocknung, da Trocknungsluft in den Poren des Trocknungsgutes einen verbesserten Wärme- und Stoffaustausch
erreichen lässt. Dies führt zu einer erhöhten Trocknungsgeschwindigkeit und einer schonenderen Behandlung des Trocknungsgutes.
Die Trocknung wird außerdem von der Oberfläche des porösen Trocknungsgutes, und sofern dieses aus porösen Partikeln besteht, auch von dessen gegebenenfalls erfolgender Durchmischung während des Trocknungsvorganges beeinflusst. Partikelgröße und Schichtdicke des zu trocknenden Materials spielen dabei eine zusätzliche Rolle. Die für die Trocknung erforderliche Wärme bewirkt zunächst ein Aufheizen des Gutes. Der Großteil der zugeführten Wärmeenergie wird zur FluidverdampfungΛ/erdunstung verbraucht. Ferner entstehen Wärmeverluste an die Umgebung.
Fluidbindung im Trocknungsgut
Die Flüssigkeit im Trocknungsgut kann: 1. an der Oberfläche (Haftflüssigkeit), 2. in Kapillaren (Kapillarflüssigkeit) oder 3. als Kristallwasser (chemisch gebundene Flüssigkeit) gebunden vorliegen. Der Energieaufwand für die Entfeuchtung nimmt von 1. nach 3. zu.
Haftflüssigkeit
Haftflüssigkeit liegt als dünner Fluidfilm an der Oberfläche sowie in großen Poren des Trocknungsgutes vor. Der Dampfdruck des Haftfluids über dem Film entspricht bei jeder Temperatur dem Sättigungsdampfdruck.
Kapillarflüssigkeit
Diese benetzt die Poren des porösen Festkörpers und muss bei konventionellen Trocknungsverfahren während des Trocknungsprozesses durch Kapillarkräfte an die Oberfläche des Trocknungsgutes transportiert werden. Bei Stoffen
mit Makrokapillaren (Porendurchmesser > ca. 7 - 10 μm) entspricht der Dampf¬
druck noch angenähert dem Sättigungsdruck. Bei mikroporösen Stoffen mit Kapillardurchmessern < 7 - 10 μm liegt der Dampfdruck unter dem Sättigungs¬
druck. Er sinkt während des Trocknungsvorganges weiter, sofern das Fluid in den Mikrokapillaren durch Kapillarkräfte mit abnehmender Fluidmenge verstärkt fixiert wird. Derartige Stoffe werden als hygroskopisch bezeichnet. Bei nicht hygroskopischen Stoffsystemen resultiert keine solche Verstärkung der Fluid- bindung mit fortschreitender Trocknung.
Kristallwasser
Das Kristallwasser ist kovalent an Moleküle des Trocknungsgutes gebunden oder in Komplexen fixiert. Die Entfernung des Kristallwassers kann erst nach Überschreiten einer kristallspezifischen Zersetzungstemperatur erfolgen, die
bei der thermischen Trocknung im allgemeinen nicht erreicht wird [Satδδ].
Trocknungskurven
Der Trocknungsverlauf ist vom Trocknungsverfahren, den Trocknungsbedingungen, der Art der Feuchtigkeitsbindung und den Eigenschaften des Trocknungsgutes abhängig. Die in den Fig. 1 a) bis 1 c) dargestellten funktionalen Zusammenhänge werden als Trocknungskurven bezeichnet. Die Abhängigkeit der Gutsfeuchte X bzw. deren zeitliche Ableitung dX/dt, welche der Trocknungsgeschwindigkeit entspricht, von der Trocknungszeit t wird in den drei Trocknungskurven unterschiedlich dargestellt. Aus dem Verlauf der Trocknungskurven lassen sich verschiedene Trocknungsabschnitte identifizieren.
Im folgenden werden mittels der in Fig. 1 aufgezeigten Trocknungskurvendarstellungen typische Trocknungsverläufe erläutert.
Während eines Anlaufprozesses der Trocknung, welcher noch nicht als eigentlicher Trocknungsabschnitt zählt, wird die zugeführte Energie zur Erwärmung des Trocknungsgutes umgesetzt und nur wenig Feuchtigkeit verlässt das
Trocknungsgut (1→2).
Der erste Trocknungsabschnitt (2 -> 3) ist gekennzeichnet durch einen mehr oder weniger stark linear abnehmende Gutsfeuchte (Fig. 1 a). Der lineare Verlauf X(t) entspricht konstanter Trocknungsgeschwindigkeit (Fig. 1 b und 1 c) Während dieser Phase verdunstet/verdampft die Haftflüssigkeit an der Oberfläche des Trocknungsgutes. Die abgeführte Flüssigkeit wird durch Kapillarkraft getriebene Flüssigkeitsleitung aus dem Gutsinnern an die Oberfläche nachgefördert. Die zugeführte Wärme wird im 1. Trocknungsabschnitt für die Verdampfung der Flüssigkeit und die Konstanthaltung der Guttemperatur aufgewendet. Die Gutseigenschaften spielen im Hinblick auf die Trocknungsgeschwindigkeit keine bzw. eine deutlich untergeordnete Rolle.
In Punkt 3 (Fig. 1 a-c) geht der erste in den zweiten Trocknungsabschnitt (3 -> 4 -> 5 oder 3 -> 4 -> 6) über. Der Fluidgehalt X(t) ändert sich in diesem Bereich über die Zeit nicht mehr linear, sondern nimmt näherungsweise hyperbolisch ab, d.h. dass die Trocknungsgeschwindigkeit dX/dt abnimmt. Im zweiten
Trocknungsabschnitt erfolgt die Verdampfung/Verdunstung der Flüssigkeit in den Kapillarräumen, da der Trocknungsspiegel (= Fluidfront bzw. Phasenumwandlungsfront) soweit in das Trocknungsgut abgesunken ist, dass keine Haftflüssigkeit mehr vorliegt. Die Energie, die zur Verdunstung benötigt wird, muss durch die bereits ausgetrocknete Schicht zum Trocknungsspiegel transportiert werden. Maßgebend für den Energietransport ist nicht mehr allein
der äußere Wärmeübergangskoeffizient α, sondern zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit der ausgetrockneten Gutsschicht über dem Trockenspiegel. Der wachsende Diffusionswiderstand der trockenen Schicht verursacht ein Ansteigen des Dampfpartialdrucks und damit der Temperatur im Trocknungsgut.
Die Trocknungskurve hygroskopischer Materialien (3->4->5) nähert sich im zweiten Trocknungsabschnitt asymptotisch einem Gleichgewichts-Feuchteend- wert (Fig. 1 a-c, Pos. 5), der stoffspezifisch ist und ferner von der Feuchte der Trocknungsluft abhängt. Dieser Gleichgewichtsfeuchtewert wird erst nach langer Trocknungszeit erreicht (4 ->5).
Bei nicht hygroskopischen Gütern (3->4->6) kann hingegen zu minimalsten Feuchtegehalten bzw. vollständig getrocknet werden, ohne dass die
Trocknungsluft absolut trocken, sondern nur entsprechend beladungsfähig mit Fluid sein muss (4 -> 6).
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, poröse, mit Fluid beladene Fest- stoffsysteme gegenüber herkömmlichen, thermischen Trocknungsverfahren beschleunigt und/oder mit reduzierter Trocknungsgasmenge und/oder unter stoffsystemspezifisch verbessert schonenden Temperaturbedingungen im Falle nicht hygroskopischer Stoffsysteme vollständig, bei hygroskopischen Systemen bis zur Erreichung einer Gleichgewichtsendfeuchte, zu trocknen.
Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Lösung der Aufgaben
Die Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen 1 und 8 wiedergegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausführungsformen
Weitere erfinderische Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahrensweise sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 und 9 bis 15 beschrieben
Einige Vorteile
In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die thermische Trocknung poröser Feststoffsysteme (z. B. Filterkuchen, Feststoffgranulate, Gewebe...) unter Aufprägung von periodischen Druckwechseln, was gegenüber herkömmlichen Überströmungs-/Durchströmungs-Trocknungsverfahren, welche unter näherungsweise konstanten Druckverhältnissen bzw. resultierenden stationären Strömungsverhältnissen betrieben werden, zu einer deutlichen Beschleunigung des Trocknungsvorganges führt.
Bei der drucküberlagerten Trocknung werden durch die periodische Kompression und Expansion des Trocknungsgases in den teilweise mit Gas/Luft erfüllten Poren des zu trocknenden Gutes Mikrokonvektionsströmungen erzeugt. Dadurch werden sowohl der Trocknungsenergieeintrag (Wärmeübergang von der strömenden Trocknungsluft an das Gut) als auch die Fluidabfuhr (Stoffübergang von Fluidreservoir in den Poren des Gutes an die Trocknungsluft)
deutlich verbessert. Damit resultieren folgende Vorteile gegenüber konventionellen Konvektions- und Vakuumtrocknungsverfahren:
1. Eine hinsichtlich thermischen Energieeintrag effizientere sowie schnellere Trocknung gegenüber der konventionellen Konvektionstrocknung, bei welcher der Energieeintrag über die Trocknungsluft und das Gut nur durch Konduktion (Wärmeleitung) der Fluidtransport vom Gutsinneren an die Gutsoberfläche nur durch Diffusion der Fluidmoleküle erfolgt.
2. Die Vergleichmäßigung der thermischen Beanspruchung im zu trocknenden Gut. Damit kann weitgehend vermieden werden, dass wie bei der herkömmlichen Konvektionstrocknung eine äußere Gutsschicht deutlich länger thermisch beansprucht wird als der Gutskern.
3. Die Nutzbarkeit deutlich erniedrigter Trocknungstemperaturen bei vergleichbarer schneller Trocknung im Falle herkömmlicher Konvektions- trocknungsverfahren, was bei temperaturempfindlichen Gütern hinsichtlich des Qualitätserhaltes von besonderem Interesse ist.
4. Bei Anwendung der Druckwechsel zwischen Über- und Atmosphärendruck und Unterdruck wird periodisch bei Druckabsenkung ein zusätzlicher Vakuumtrocknungseffekt ausgelöst, welcher einen weitgehend verstärkten Stoffübergang von Fluid in den Gasraum bewirkt. Beim nachfolgenden Druckwechsel erfolgt der Abtransport des mit Fluid angereicherten Gases in der druckwechsel-induzierten Gasströmung. Gegenüber einer herkömmlichen Vakuumtrocknung wird damit ein zusätzlicher Austausch von Trocknungsgas im Porensystem des Gutes realisiert, was die Aufnahmefähigkeit von Fluid in den Porengasraum und ebenso den Trocknungsenergieeintrag verbessert.
5. Durch die Anwendung großer Druckamplituden und hoher Druckwechselfrequenzen wird die Mikrokonvektionsströmung intensiviert und die einhergehenden unter 1. bis 4. beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen verstärkt. Bei hinreichend großen Druckamplituden (> 0.5 bar) ist die Frequenz frnax durch die für den Stoffübergang Fluid→Gas minimal notwendige Zeit (tmin ~1 /frnax), nach oben begrenzt.
6. Bei möglichst abrupter zeitlicher Druckänderung („Rechteckprofil" für P(t)) wird ein mechanischer Entfeuchtungseffekt zusätzlich bzw. verstärkt aktiviert. Dabei erzeugt die Druckwelle des Trocknungsgases Wellenbildung
in der Fluidschichtung, welche die Gutsporen erfüllen bzw. auskleiden. Es resultieren die Entfeuchtung beschleunigende Spritzeffekte bzw. wellenförmig abströmende Fluidfilme.
Die vorab beschriebenen Vorteile 1., 4., 5. und 6. führen zur Beschleunigung des Trocknungsvorganges und reduzieren die Trocknungskosten.
Die in den Punkten 2. und 3. dargestellten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessern durch schonendere Trocknung die Produktqualität.
Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der entsprechenden erfindungsgemäßen Vorrichtung stark temperaturempfindliche Stoffsysteme, z. B. native Proteine beinhaltende Lebensmittel- /Futtermittel Systeme auch bei niedrigen Temperaturen, wie z. B. < 60° C effizienter als mit bisher bekannten Trocknungsverfahren, getrocknet werden.
Erfindungsgemäß zu trocknende Stoffsysteme sind poröse Filterkuchen und Haufwerke, aus Einzelpartikeln bestehende poröse Agglomerate/Granulate ebenso wie poröse Einzelpartikel. Sofern sich derartige poröse Feststoffsysteme vorab im Kontakt zu Flüssigkeiten befanden, sind deren Poren weitgehend flüssig keitserf üllt. Wenn der Feststoff durch die Flüssigkeit benetzt wird,
wirken Kapillarkräfte, welche die Flüssigkeit in den Poren zurückhalten. Diese Haltekräfte (Kapillarkräfte) sind umgekehrt proportional zum Porendurchmesser. Somit wird die Flüssigkeit verstärkt in engen Poren zurückgehalten.
Bei der Entfeuchtung von porösen Feststoffsystemen wird aus Wirtschaftlichkeitsgründen in der Regel zunächst eine mechanische Fluidabtrennung vorgenommen und eine thermische Trocknung in einem getrennten Verfahrensschritt angeschlossen.
Die Erfindung bezieht sich auf den thermischen Trocknungsvorgang. Dabei wird dem porösen Trocknungsgut Energie in Form von Wärme, im allgemeinen über das Trocknungsgas bzw. alternativ über den Kontakt zu beheizten Flächen oder z. B. mittels Mikrowellenbestrahlung zugeführt. Das mit dem Trocknungsgut in Kontakt gebrachte Trocknungsgas muss aufnahmefähig für Lösungsmittelmoleküle sein, d.h. eine relative Feuchte unter 100% (bevorzugterweise unter 20-30%) besitzen. Damit ist gewährleistet, dass ein Massetransport von Fluid- oder Lösungsmittelmolekülen aus der Kapillarflüssigkeit in die Trocknungsluft erfolgt. Letztere übernimmt dann den konvektiven (bei Strömungsbewegung der Luft) oder diffusiven (ohne Strömungsbewegung der Luft) Abtransport der Lösungsmittelmoleküle. Konvektion der Trocknungsluft lässt den Stoffübergang und Massetransport der Lösungsmittelmoleküle verbessern je
höher die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Reynoldszahl (dimensionslose Kenngröße für die Strömungsform: z.B. laminar, turbulent) sind.
Poröse Feststoffsysteme besitzen in aller Regel durchgängige Porenkanäle sowie nicht durchgängige "Sackporen". In Sackporen wird in herkömmlichen Trocknungsverfahren nach deren Teilentfeuchtung ein weiterer Stofftransport von Fluidmolekülen nur mittels Diffusion möglich, da die Trocknungsgasströmung das Fluid in diesen Sackporen nicht erreicht. Wenn erfindungsgemäß dynamische Druckwechsel aufgeprägt werden, erfolgt eine synchrone Kompression/Expansion des in den Sackporen befindlichen Gases. In der Folge wird eine periodische Ein-/Ausströmung von Trocknungsgas forciert. Die damit erfindungsgemäß erzeugte "Mikrokonvektionsströmung" verbessert den Übergang von Fluidmolekülen in das Trocknungsgas und erhöht damit die Trocknungseffizienz (Fig. 2).
Erfindungsgemäß werden Druckwechselfrequenzen von 0.5-10 Hertz bei Druckwechselamplituden von 0.5 bis 10 bar realisiert. In diesen erfindungsgemäß fixierten Bereichen zeigte sich eine ausgeprägt positive Wirkung auf die Erhöhung der Beladung der Trocknungsluft mit Fluidmolekülen bzw. eine Erhöhung der Trocknungsgeschwindigkeit.
Die Figuren 3 und 4 zeigen für ein poröses Modellsystem, bestehend aus ge¬
sinterten Polyethylenkugeln, mit einer mittleren Porengröße von 10 μm bei des¬
sen Überströmung die zeitliche Abnahme der Sättigung S(t) für verschiedene Druckoszillationsfrequenzen (Fig. 4: 0 - 2.5 Hz) und Druckwechselamplituden (Fig. 5: 0.5 - 2 bar). Die signifikante Verbesserung bei Aufprägung von Druckwechseln wird bei Vergleich der in Fig. 4 dargestellten, für 0 Hz ermittelten Funktion (reine Überströmung ohne Druckoszillation) mit den für 0.5, 1.0 und 2.5 Hz Druckwechselfrequenz bestimmten Funktionen deutlich. Fig. 5 unterstreicht die zusätzliche Verbesserung mit Erhöhung der Druckwechselamplitude.
Auch bei einer anderen Art der Trocknungsführung unter Durchströmung des porösen Stoffsystems mit Trocknungsluft werden die Vorteile der Druckwechselbeaufschlagung deutlich. In den Fig. 5 und 6 sind in Analogie zu den Fig. 3 und 4 für die Durchströmung mit Trocknungsluft die Einflüsse der Druckwechselfrequenz (Fig. 5) und der Druckwechselamplitude (Fig. 6) dargestellt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, bedarf es bei einer Druckamplitude von 2 bar einer Druckwechselfrequenz von mindestens 2.5 Hz um eine schnellere Entfeuchtung als bei reiner nicht druckwechselbeaufschlagter Versuchsführung zu erzielen.
Der Unterschied in der Entfeuchtungseffizienz bei Überströmung des zu entfeuchtenden porösen Stoffsystems im Vergleich zu dessen Durchströmung kann anhand von Fig. 7 wie folgt erklärt werden. Bei der Durchströmung wird ein Grossteil der Poren (alle Durchgangsporen) des zu trocknenden porösen Stoffsystems vom Trocknungsgas auch ohne Druckpulsation bereits aktiv durchströmt. In diesen Poren erfolgt eine mechanische Entfeuchtung durch "Ausschieben" der Flüssigkeitssäule und "Fluidfilmabströmung" gefolgt von einer thermischen Konvektionstrocknung durch erzwungene Konvektion (Durchströmung mit Trocknungsgas). Der Anteil an Poren, welche keinen Gasdurchtritt ermöglichen (Sackporen) trocknet deutlich verzögert, da nur durch Diffusion ein Transport von Fluidmolekülen aus den Sackporen in durchströmte Poren erfolgt. Bei überlagerten Druckwechseln wird in den gaserfüllten Teilen der Sackporen durch periodische Kompression/Expansion eine Mikrokonvektionsströmung erzeugt, welche auch dort einen verbesserten konvektions- basierten Stoffübergang erzielen lässt. Grundsätzlich ist der bei Druckwechselbeaufschlagung erzeugte Volumenstrom des Trocknungsgases gegenüber dem reinen Durchströmungsfall um ca. 50% reduziert, sofern die Druckwechsel zwischen Nenndruck (identisch zum konstanten Nenndruck bei Durchströmung) und Atmosphärendruck erfolgen. Zur Erzielung einer schnelleren Abnahme der Fluidsättigung im porösen Trocknungsgut bei Durchströmung mit Druckwechsel gegenüber Durchströmung ohne Druckwechsel muss der Nachteil aufgrund
reduziertem Trocknungsgas Volumenstrom durch eine verbessert effiziente druckwechsel induzierte Mikrokonvektion kompensiert werden. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, wird dies bei einer Druckwechselfrequenz von 2.5 Hertz vollständig erreicht. In allen Phasen des Trocknungsprozesses liegt dann die Entfeuchtungskurve für Druckwechselbeaufschlagung, bei vergleichbarer Druckdifferenz von 2 bar (= Druckamplitude), unterhalb der Entfeuchtungskurve für die reine Durchströmung.
Im Gegensatz zum durchströmten System wird beim überströmten System (poröses Trocknungsgut) nur ein kleiner Porenvolumenanteil von der Trocknungsgas-Überströmung erreicht. Hierbei handelt es sich um die oberflächennahen äußeren Porenräume, welche im Rahmen eines ersten thermischen Trocknungsabschnittes mit vernachlässigbar kurzen Wegen zum überströmenden Hauptstrom des Trocknungsgases ausgetrocknet werden. Bereits nach geringer Absenkung des Trocknungsspiegels (= Fluidfront im Trocknungsgut) in das Gut, entstehen dort gaserfüllte Porenräume, in welchen dann eine druckwech- selinduzierte Mikrokonvektion den Stoffübergang verbessern lässt. Dies gilt um so mehr mit zunehmender "Absenkung" des Trocknungsspiegels und damit einhergehender Vergrößerung sowie "nach Innen" Verlagerung der gaserfüllten Porenräume. Sobald die Grobkapillaren ausgetrocknet sind, wird der sogenannte zweite thermische Trocknungsabschnitt erreicht. Hier gewinnt die
druckwechselinduzierte Mikrokonvektion verstärkte Bedeutung, da lange Transportwege bis zur Oberfläche des Trocknungsgutes vorliegen. In der Folge zeigt sich in diesem zweiten Trocknungsabschnitt, welcher für das dargestellte Modellsystem (poröse Polyethylenmatrix mit 10 Mikrometer mittlerem Porendurchmesser) in einem Sättigungsbereich von ca. kleiner 25 - 30 % vorliegt, eine wie in Fig. 7 aufzeigt (insbesondere vergrößerter Bildausschnitt in Fig. 7) erhöhte Trocknungsgeschwindigkeit bei reduzierter Sättigung im Falle der erfindungsgemäßen, druckwechselinduzierten Trocknung gegenüber Trocknung bei konstanter Überströmung.
Somit unterscheiden sich die Fälle der Überströmung (1) und der Durchströmung (2) poröser Feststoffe im Hinblick auf das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren im wesentlichen durch den Anteil nicht durchströmter Poren. Dieser Sachverhalt wird in Fig. 7 schematisch verdeutlicht.
Zur Darstellung der Trocknungseffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch der Vergleich der Beladung der Trocknungsluft mit aus dem Trocknungsgut abgeführtem Lösungsmitteldampf (hier beispielhaft Wasserdampf) herangezogen werden. Der Vorteil dieser Darstellung liegt in der Zuordnung der Beladungswerte des Trocknungsgases mit Lösungsmitteldampf zu Stoffübergangs- bzw. Massetransportmechanismen. Für das bereits eingeführte
Modellstoffsystem (poröse Polyethylenmatrix mit 10 Mikrometer mittlerem Porendurchmesser/Wasser) sind in Fig. 8 die Beladungsverhältniswerte BV (= Beladung bei Druckoszillation/Beladung bei reiner Überströmung der Trocknungsluft) für die druckwechselbeaufschlagte Trocknung bei 1 bar Druckamplitude und 1 Hz Druckoszillationsfrequenz für unterschiedliche Trocknungstemperaturen (25 - 80°C) dargestellt. Drei Bereiche auf der Sättigungsskala können deutlich unterschieden werden:
BEREICH I (0.65 < S < 1)
Im Bereich hoher Fluidsättigungswerte (ca. 0.65 < S < 1) können sehr große BV
- Werte gemessen werden, bedingt durch einen mechanischen Entfeuchtungseffekt. Dieser wird der beschleunigenden Wirkung der Gasdruckwellen bei der druckwechselinduzierten Trocknung auf die Flüssigkeitssäulen bzw. Flüssigkeitsfilme in den Poren des überströmten Trocknungsgutes zugeschrieben. Wie Fig. 8 zu entnehmen ist, liegen die BV-Werte bei ca. 2.5 - 17.8. Dies unterstreicht einerseits die starke Unterstützung der Druckwechselbeaufschlagung für mechanische Entfeuchtungseffekte, andererseits deutet die große Bandbreite der BV-Werte auf die Abhängigkeit der mechanischen Entfeuchtungseffekte von der Homogenität der Entfeuchtung über dem Querschnitt des Trocknungsgutes hin. Sofern zu Entfeuchtungsbeginn sehr schnell an einigen
Stellen im Trocknungsgut Durchgangsporen gebildet werden, wird der mechanische Effekt des Ausschiebens von Fluid weniger stark ausgeprägt, und es erfolgt ein "früherer" Eintritt (d.h. bereits bei hohen Sättigungswerten des Trocknungsgutes) in die thermische Trocknungsphase (1. thermischer Trocknungsabschnitt).
BEREICH II (0.3 < S < 0.65)
In diesem Bereich liegt der erste thermische Trocknungsabschnitt, charakterisiert durch eine weitgehend konstante Trocknungsgeschwindigkeit. Im gesamten Bereich II liegen die BV-Werte weitgehend konstant für konstante Temperatur zwischen 2-2.5 (25 - 60°C) und 4 (80°C), d.h. es wird zwischen 2- 4fach mehr Fluid pro Volumen Trocknungsgas aus dem Trocknungsgut transportiert. Eine verstärkte Temperaturabhängigkeit zeigt sich im Experiment erst bei Temperaturen größer 60°C.
BEREICH III (0 < S < 0.3)
In diesem Bereich erfolgt die Trocknung im sogenannten "Zweiten Thermischen Trocknungsabschnitt". Die BV-Werte erhöhen sich mit Abnahme der Sättigung auch bei niedrigen Trocknungstemperaturen (25-60°C) auf Werte zwischen 3 - 4, bei 80°C Trocknungstemperatur auf 5-5.5. Diese Effizienzsteigerung im Bereich niedriger Sättigung wird begründet mit der relativen Verbesserung der
Wirksamkeit der Druckwechselbeaufschlagung durch Erzeugung von Mikrokon- vektionsströmungseffekten, sofern Fluid aus feineren Poren, insbesondere Sackporen heraustransportiert werden muss (siehe Fig. 7).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand der Fig. 9 nachfolgend detailliert schematisch beschrieben:
Ein Trocknungsgas wird über die Zuleitungen 26, 27 den Druckgasbehältern 7, 8 zugeleitet. Das Trocknungsgas wird in den Druckgasbehältern 7, 8 auf einem definierten, in der Regel identischen Druck P1 , komprimiert gehalten. Über ein 2/3 Wegeventil 28 werden die als Trocknungsgasbehälter ausgebildeten Druckgasbehälter 7, 8 bei geöffnetem Ventil 11 periodisch abwechselnd auf Durchgang zur Trocknungsstrecke 12 bei geschlossenem Ventil 13 bzw. 14 geschaltet. Vor dem Umschalten von Druckgasbehälter 7 auf Druckgasbehälter 8 wird das Ventil 11 geschlossen und das Ventil 13 bzw. 14 nach definierter Haltezeit geöffnet und damit eine Entspannung des komprimierten Trocknungsgases in der Trocknungsstrecke 12 auf Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) oder auf einen anderen modifizierten Druck, falls ein Druck- Λ/akuumbehälter 15 nachgeschaltet ist, bei geschlossenem Ventil 16 realisiert.
Mit dieser vorab beschriebenen Schaltfolge der Ventile/Trocknungsgasbehälter werden in der Trocknungsstrecke 12 definierte Druckwechsel mit variabler Druckamplitude, Frequenz bzw. Haltedauer in definierter Weise aufgeprägt.
Die wechselweise Zuschaltung der Druckgasbehälter 7 und 8 erlaubt gegenüber der Verwendung nur eines Druckgasbehälters die verbesserte Konstanthaltung der Druckausgangsbedingungen (Trocknungsgas) bis zu hohen Druckwechselfrequenzen und hohen, den Behältern entnommenen Trocknungsgasvolumina von z. B. 1 - 10 Norm m3, vorzugsweise von etwa 1 - 5 Norm m3.
Die derart periodischen Druckwechseln unterworfene Trocknungsluft wird in der Trocknungsstrecke 12 entweder in Richtung 17 über das poröse Trocknungsgut 18 oder in Richtung 19 durch dieses und gegebenenfalls durch ein Filtermedium oder eine entsprechende poröse Unterlage 20 nach außen in die Umgebung oder in den nachgeschalteten Behälter 15 geführt und entspannt bzw. teilentspannt. Mittels einer Steuer/Regelungsvorrichtung 21 werden:
a) die mittels Druckmessvorrichtungen 22, 23 gemessenen Drücke in den Druckgasbehältern 7 und 8 über die Druckregelventile 24, 25 kontrolliert eingestellt,
b) die nachströmenden Trocknungsgasmengenströme 26 und 27 über die Ventile 24 und 25 in Abstimmung mit den über das 2/3 Wegeventil 28 den Druckgasbehältern 7, 8 entnommenen Gasmengenströme unter Konstanthaltung der maximalen Drücke in den Druckgasbehältern 7 und 8 geregelt, sowie
c) bei der Druckwechseltrocknung die Ventile 11 , 28 und 13 bzw. 14 sowie gegebenenfalls 16 derart geschaltet, dass zunächst Ventil 28 bei geschlossenem Ventil 13 bzw. 14 und offenem Ventil 11 auf Durchgang zu Druckgasbehälter 7 oder 8 gestellt wird, was in der Trocknungsstrecke 12 und somit im porösen Trocknungsgut 18 zum Druckaufbau auf den in Druckgasbehälter 7, 8 voreingestellten Druck führt und danach nach Schließen von Ventil 1 Ventil 13 bzw. 14 nach definierter mittels der Steuer-/Regelvorrichtung 21 einstellbaren "Haltezeit" für den in der Trocknungsstrecke 12 aufgebauten Druck geöffnet wird, was zu einer Entspannung des mit Feuchte beladenen Trocknungsgasaustrittstromes 30 bzw. 31 in die atmosphärische Umgebung über Leitungen 30 bzw. 31 und damit zur Absenkung des Druckes in der Trocknungsstrecke 12 auf Umgebungsdruck, oder im Falle der Entspannung auf ein im nachgeschalteten Behälter 15 voreingestelltes Druckniveau (bzw. Unterdruckniveau) und zum Abtransport des vom Trocknungsgas aufgenommenen Fluides in die
Atmosphäre oder in den Behälter 15 (Ablass von Kondensat über das Kondensatventil 32) führt.
Alle Ventile 11 , 13, 14, 16, 24, 25 und 28 sowie die Druckmessvorrichtungen 22 und 23 sind über Datenleitungen 33 - 38 mit der Regelvorrichtung 21 verbunden.
Für die Druckwechseltrocknung kann das unter c) beschriebene Vorgehen periodisch wiederholt werden, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung 31 die Periodendauer bzw. deren Frequenz einstellen lässt, wobei z. B. eine maximale Frequenz von 10 Hertz vorgesehen ist.
Bei Führung des Trocknungsgases gemäss in Richtung 17 wird das zu trocknende poröse Stoffsystem vom Trocknungsgas überströmt und über das Ventil 13 in die Umgebung entspannt. Bei Führung des Trocknungsgases in Richtung 19 wird das zu trocknende poröse Stoffsystem vom Trocknungsgas durchströmt und über das Ventil 14 in die Umgebung entspannt.
Die Fig. 10 und 11 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung in besonderen Ausführungsformen der Trocknungsstrecke/Trocknungskammer.
In Fig. 10 entspricht dies einer Druckfiltrationsvorrichtung, in Fig. 11 einer in einem Druckgehäuse gekapselt eingebauten Zentrifugal-Filtrationsvorrichtung (Filterzentrifuge).
Die in Fig. 1 1 zusätzlich aufgenommenen Bezeichnungen stehen für: Zuleitung der Trocknungsluft über mitrotierendes mit dynamischer Dichtung abgedichtetes Zuleitungsrohr 39, Antriebsmotor 40, Antriebswelle 41. Mit 42 ist eine Verbindungsleitung bezeichnet.
Die in der Zusammenfassung, in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
Markierung auf Trocknungskurve
Druckgasbehälter, Trocknungsbehälter, Gasbehälter
Zuleitung
Ventil
Trocknungsstrecke, Trocknungskammer
Ventil
Druck-Λ/akuumbehälter, Behälter
Ventil
Richtung
Trocknungsgut, poröses
Richtung
Unterlage, poröse Steuer-/Regelvorrichtung Druckmessvorrichtung
Druckregelventil
Trocknungsmengenstrom
2/3 Wegeventil Leitung Trocknungsgasaustrittsstrom
Kondensatventil Datenleitung
Zuleitungsrohr Antriebsmotor Antriebswelle Verbindungsleitung
BV Belastungsverhältnis
Pi Druck
A Trocknungsgasstrom
B
X Gutsfeuchte
Claims
1. Verfahren zur beschleunigten mechanischen und thermischen Trocknung von porösen Feststoffsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsgut mit Trocknungsgas über- und/oder durchströmt wird, wobei das Trocknungsgas definiert mit pulsierenden Druckwechseln beaufschlagt und eine periodische Kompression des dann in den Poren befindlichen Gasanteils zur beschleunigten Trocknung mittels Mikrokonvektionsströmun- gen eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwechselbeaufschlagung der Trocknungsluft zwischen Überdruck und Atmosphärendruck, bevorzugt bis zu Überdrucken von 10 bar, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwechselbeaufschlagung der Trocknungsluft zwischen Überdruck und Unterdruck, bevorzugt in einem Druckbereich von 0Ä1<p< 10 bar, erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwechselbeaufschlagung der Trocknungsluft zwischen Atmosphärendruck und Unterdruck, bevorzugt bis zu Unterdrucken von 0 bar, erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwechselbeaufschlagung der Trocknungsluft periodisch, bevorzugt mit konstanter Frequenz in einem Frequenzbereich von 0,1 bis 10 Hz, erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwechselbeaufschlagung der Trocknungsluft nicht konstant periodisch, sondern materialspezifisch angepasst mit Druckbeaufschlagungs- und Druckentspannungszyklen unterschiedlicher zeitlicher Dauer und/oder unterschiedlicher Druck-/Unterdruckhöhe erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung und Druckentspannung gemäss bestimmten vorgegebenen zeitlichen Funktionen erfolgen.
8. Vorrichtung zur beschleunigten thermischen/mechanischen Trocknung von porösen Feststoffsystemen nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, mit einer Trocknungsstrecke (Trocknungskammer - 12), einem oder mehreren parallel der Trocknungsstrecke (12) vorgeschalteten Trocknungsgasbehältern (7, 8), gegebenenfalls einem der Trocknungsstrecke (12) nachgeschalteten Druck-/Vakuumbehälter (15), Verbindungsleitungen (36) zwischen Trocknungsgasbehältern (7, 8), Trocknungsstrecke (12), nachgeschaltetem Druck-Λ/akuumbehälter (15), Regelventilen in den Zu- (24, 25), Verbindungs- (11 , 28) und Ableitungen (13, 14, 16) sowie einer Steuer-/Regelvorrichtung (29), wobei eine definierte periodische Schaltmöglichkeit der Zufuhr von Trocknungsgas aus den Trocknungsgasbehältern (7, 8) in die Trocknungskammer realisierbar ist.
9. Vorrichtung zur beschleunigten thermischen/mechanischen Trocknung von porösen Feststoffsystemen nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, mit einer Trocknungsstrecke (Trocknungskammer - 12), einem oder mehreren parallel der Trocknungsstrecke (12) vorgeschalteten Trocknungsgasbehältern (7, 8), gegebenenfalls einem der Trocknungsstrecke (12) nachgeschalteten Druck-/Vakuumbehälter (15), Verbindungsleitungen (36) zwischen Trocknungsgasbehältern (7, 8), Trocknungsstrecke (12), nachgeschaltetem Druck-/Vakuumbehälter, Regelventilen in den Zu- (24, 25), Verbindungs- (11 , 28) und Ableitungen (13, 14, 16) sowie einer Steuer-/Regeleinrichtung (29), wobei eine periodische Schaltmöglichkeit der Zufuhr von Trocknungsgas aus den Trocknungsgasbehältern (7, 8) in die Trocknungskammer und eine Schaltung der zeitlich definiert versetzten periodischen Abfuhr von Trocknungsgas aus der Trocknungskammer in die atmosphärische Umgebung oder einen der Trocknungsstrecke nachgeschalteten Druck- Λ/akuumbehälter (bzw. Druck-Λ akuumraum) unter Durch- und/oder Überströmung des Trocknungsgutes realisierbar ist.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsstrecke (12) einer Druckfiltriervorrichtung entspricht, in welche die periodische Zufuhr von Trocknungsgas aus den Trocknungsgasbehältern (7, 8) und aus welcher eine zeitlich versetzte Abfuhr von Trocknungsgas in die atmosphärische Umgebung unter Durch- und/oder Überströmung des Trocknungsgutes ermöglicht wird.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einer von einem Druckbehältergehäuse umgebene Zentrifugal- Filtriervorrichtung entspricht, in welche die periodische Zufuhr von Trocknungsgas aus den Trocknungsgasbehältern (7, 8) und aus welcher eine zeitlich versetzte Abfuhr von Trocknungsgas in die atmosphärische Umgebung unter Durch- und/oder Überströmung des Trocknungsgutes realisierbar ist.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einer Zentrifugal-Filtriervorrichtung entspricht, welche eine an die rein mechanische Entfeuchtung angeschlossene mechanisch- /thermische Trocknung auf Basis der Durchströmung und/oder Überströmung des Filterkuchens mit / ohne gleichzeitiger Rotation des Filterkuchens erlaubt, wobei die Filterkuchenstruktur intakt bleibt oder durch gezielte mechanische Maßnahmen vor oder während des thermischen Trocknungsschrittes zu porösen Agglomeraten aufzubrechen ist.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, mit einer Zentrifugal- Filtriervorrichtung, welche eine an die rein mechanische Entfeuchtung angeschlossene mechanisch/thermische Trocknung auf Basis der Durchströmung und/oder Überströmung des Filterkuchens mit/ohne gleichzeitiger Rotation des Filterkuchens erlaubt, wobei der Filterkuchen durch gezielte mechanische Maßnahmen vor oder während des thermischen Trocknungsschrittes zu porösen Agglomeraten aufgebrochen und mit pulsierenden Druckwechseln beaufschlagbar ist bei moderaten Drehzahlen in definiert bewegter Schüttschicht thermisch trockenbar ist.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einer Zentrifugal-Filtriervorrichtung entspricht, welche eine an die rein mechanische Entfeuchtung angeschlossene mechanisch/thermische Trocknung auf Basis der Durchströmung und/oder Überströmung des Filterkuchens mit/ohne gleichzeitiger Rotation des Filterkuchens erlaubt, wobei der Filterkuchen durch gezielte mechanische Maßnahmen vor oder während des thermischen Trocknungsschrittes zu porösen Agglomeraten aufbrechbar ist und mit hinreichend starken hochfrequent pulsierenden Druckwechseln eine pulsierende Wirbelschicht erzeugbar ist und in dieser thermisch trockenbar ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Steuer-/Regeleinrichtung die mittels Druckmessvorrichtungen gemessenen Drücke in den Trocknungsgasbehältern (7, 8) über Druckregelventile kontrolliert einstellt, die in die Trocknungsgasbehälter (7, 8) nachströmenden Trocknungsgasmengenströme über die Regelventile in Abstimmung mit den den Gasbehältern in einem Trocknungsintervall entnommenen Gasmengenströmen unter Konstanthaltung der Drücke in den Trocknungsgasbehältern regelt sowie bei der Druckwechseltrocknung die Ventile (A) in der Zulaufleitung zur Trocknungs- strecke/Trocknungskammer, die Ventile (B) in der Gasaustrittsleitung aus der Trocknungsstrecke (12) sowie gegebenenfalls ein Austrittsventil (C) an einem der Trocknungsstrecke nachgeschalteten Druck- Λ/akuumbehälter derart schaltet, dass zunächst die Ventile (A) bei geschlossenen Ventilen (B) und (C) öffnen, was in der Trocknungsstrecke (Trocknungskammer - 12) und somit im porösen Trocknungsgut zum Druckaufbau auf den in Trocknungsgasbehältern (7, 8) voreingestellten Druck führt, danach die Ventile (A) schließt und nach definiert einstellbarer "Haltezeit" für den in der Trocknungsstrecke (12) aufgebauten Druck die Ventile (B) öffnet, was zu einer Entspannung des mit Feuchte belade- nen Trocknungsgases in die atmosphärische Umgebung und damit zur Absenkung des Druckes in der Trocknungsstrecke auf Umgebungsdruck, oder im Falle der Druckentspannung auf ein in einem nachgeschalteten Druck-Λ akuumbehälter voreingestelltes Druckniveau (bzw. Unterdruckniveau) zur Entspannung bzw. Teilentspannung in diesem Behälter führt, und dass diese Art der Ventilschaltfolge periodisch nach einstellbarer Totzeit ("Pausezeit") wiederholbar ist.
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