|
(11) | EP 1 249 181 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
| (54) | Prozessgasaufbereitung für Tabaktrockner |
| (57) Die Erfindung betrifft die Prozessgasaufbereitung für Tabaktrockner. Insbesondere
betrifft sie eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner,
insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner, mit einer Einrichtung zum Einbringen
und Verdampfen von dem Prozessgas zuzuführendem Wasser, bei der die Einrichtung eine
Verdampfungseinheit (1) aufweist, die im Prozessgasstrom vor dem Tabaktrockner und
vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas angeordnet ist. Ferner betrifft die
Erfindung eine Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasserdampf in den Prozessgasstrom
eines Tabaktrockners, mit einem durchströmten Kessel, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen
(6) eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird,
und ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere
einen Strom- bzw. Flugtrockner, bei welchem dem Prozessgas Dampf durch das Einbringen
und Verdampfen von Wasser zugeführt wird, wobei das Wasser im Prozessgasstrom vor
dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas in einer Verdampfungseinheit
(1) verdampft wird. |
[0001] Die Erfindung betrifft die Prozessgasaufbereitung für Tabaktrockner. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, eine Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasserdampf in den Prozessgasstrom eines Tabaktrockners sowie ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner.
[0002] In der Tabakindustrie sind verschiedene Verfahren zur Tabaktrocknung bekannt, wie zum Beispiel das Hindurchführen des Tabaks durch eine Trommel, wie dies aus der DE 22 40 682 C2 bekannt ist, oder das Hindurchführen durch einen Tunnelförderer, wie es beispielsweise in der DE 29 04 308 C2 beschrieben wird. In allen Fällen ist es sehr wichtig, dass der Tabak am Ausgang des Trockners eine bestimmte Feuchte aufweist, die nur in sehr geringen Bereichen schwanken darf. Um diese Tabakfeuchte immer einhalten zu können, wird beispielsweise in der DE 22 40 682 C2 die Zuführung von heißem Wasser bzw. Dampf direkt in die Feuchttrommel vorgeschlagen, während gemäß der DE 29 04 308 C2 direkt im Tunnelförderer Wasser zugeführt wird. Bei einer direkten Wasserzuführung besteht immer der Nachteil, dass die Verdampfung nicht optimal erfolgen kann, so dass Klumpenbildung entsteht. Wenn Dampf separat und direkt in einen Trockner eingebracht wird, beispielsweise in eine Feuchttrommel, wie in der DE 22 40 682 C2 beschrieben, so entsteht einerseits erhöhter Apparateaufwand und andererseits ist keine optimale Durchmischung des Dampfes mit dem eigentlichen heißen Prozessgas zu gewährleisten, wodurch möglicherweise ein inhomogener Feuchtigkeitsgrad innerhalb der Tabakschüttung entsteht.
[0003] Den obigen Verfahren gegenüber steht eine andere Art der Tabaktrocknung, bei der Schnitttabak durch pneumatischen Transport in einer "Rohrleitung" mit heißen, feuchten Gasen getrocknet wird. Diese Flug- oder auch Stromtrocknung ist eine Kurzzeittrocknung, und die vorliegende Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit solchen Trocknungssystemen.
[0004] Eine erfolgreiche Tabaktrocknung ist allgemein dadurch gekennzeichnet, dass die erreichte Tabakendfeuchte nach dem Verlassen des Trockners in einer sehr engen Bandbreite um die sogenannte Sollwertfeuchte liegen muss (zum Beispiel 13,5 % ± 0,5 %). Um dieses Ziel zu erreichen, sind aufwändige Regelstrategien mit hoher Regelgüte entwickelt worden, die ihre Leistungsfähigkeit allerdings nur im Zusammenhang mit geeigneten Stellgrößen/Stellgliedern unter Beweis stellen können.
[0005] Der Grad der Abtrocknung des Tabaks hängt vom Energiegehalt, zum Beispiel von der Temperatur des transportierenden Wasserdampf-Luftgemisches ab, da die Verweilzeit in der Trocknungsstrecke durch die Länge des Trockners bzw. die Größe des Tabakabscheiders festgelegt wird. Darum ist die Beeinflussung der Trocknungsgas-Temperatur eine geeignete Größe zur Einstellung der Tabakendfeuchte.
[0006] Bei der Kurzzeit-Tabaktrocknung werden inzwischen die Prozessgase häufig indirekt beheizt, d. h. das Prozessgas wird in einem Wärmetauscher erhitzt. Dieses Beheizungssystem ist durch den Wärmetauscher jedoch sehr träge und kann nicht ausreichend schnell auf Änderungen der Tabakeingangsfeuchte und/oder der Tabakeingangsmenge reagieren um eine konstante Tabakausgangsfeuchte zu gewährleisten. Diese Problematik stellt sich besonders, wenn über eine gewisse Zeit kein Tabak geliefert werden kann, da dadurch der Trockner selbst überhitzen kann. Eine ähnliche Problematik stellt sich wenn zur Regelung der Prozessgastemperatur eine Bypass-Regelung verwendet wird und nur geringere Massenströme Prozessgas durch den Wärmetauscher fließen. Dabei steht der Wärmetauscher selbst unter hohen thermischen Belastungen und kann überhitzen.
[0007] Es könnte deshalb, analog zum Vorgehen bei Tunnel- oder Trommeltrocknern, auch im stabilen Gleichgewichtsfall (konstante Tabakeingangsrate und Tabakeingangsfeuchte) eine gewisse Wassermenge in die Kurzzeittrockner-Rohrleitung eingesprüht und mit verdampft werden. Sinkt die Tabakmenge oder die Tabakfeuchte, wird einfach mehr zusätzliches Wasser eingespritzt und mitverdampft (und damit das Prozessgas durch die hohe Verdampfungsenthalpie schnell abgekühlt), um die gewünschte Tabakausgangsfeuchte zu erhalten. Steigt dagegen die Tabakmenge oder -feuchte, wird weniger Wasser zugesetzt und auf diese Weise die Tabakausgangsfeuchte ebenfalls konstant gehalten.
[0008] Nachteilig ist eine solche Wassereinspritzung dann, wenn nicht gewährleistet ist, dass das Wasser vollständig verdampft und dadurch eine Verschmutzung (nasse Apparaturinnenwände) durch nasse Tabakpartikeln in der Apparatur entstehen kann. Dies kann unter Umständen bei Ablagerungen sogar zu einem Anbacken des Tabaks an der Rohrleitung führen.
[0009] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Prozessgashandling für die Tabaktrocknung bereitzustellen, welches die oben aufgeführten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein Weg aufgezeigt werden, wie die Temperatur bzw. der Feuchtigkeitsgehalt der Prozessgasströmung und damit auch die Endfeuchte des zu trocknenden Tabaks beeinflusst werden können, ohne dass der Schnitttabak Nassklumpen bildet, wobei unter anderem auch Wert auf die Umsetzung in kompakter Bauweise gelegt wird. Ferner soll eine Trägheit in der Einstellung auf schwankende Prozessparameter bevorzugt minimiert werden.
[0010] Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner gelöst, mit einer Einrichtung zum Einbringen und Verdampfen von dem Prozessgas zuzuführenden Wasser, wobei die Einrichtung eine Verdampfungseinheit aufweist, die im Prozessgasstrom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas angeordnet ist. Mit anderen Worten wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung das Prozessgas zu einem Zeitpunkt mit Feuchtigkeit beladen, wo es noch nicht mit dem Tabak in Berührung kommt, d. h. die Verdampfungseinheit sorgt dafür, dass beim Tabakeintrag schon ein Prozessgas vorhanden ist, welches die notwendige Prozessgasfeuchtigkeit, und damit auch Prozessgastemperatur aufweist. Die Verdampfungseinheit kann dabei im Prozessgasstrom einem indirekten Prozessgas-Erwärmungssystem, insbesondere einem Wärmetauschersystem nachgeordnet werden, wobei der oben schon angesprochene Nachteil der Trägheit solcher Wärmetauschersystem überwunden wird. Durch die Einstellung der Wasser- bzw. Dampfzufuhr im Verdampfer lässt sich nämlich sehr schnell auf Änderungen der Tabakeingangsfeuchte und/oder der Tabakeingangsmenge reagieren.
[0011] Die Verdampfungseinheit weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen durchströmten Kessel oder Behälter auf, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird.
[0012] In kompakter Bauweise lässt sich die Verdampfungseinheit konstruieren und in ein Prozessgas-Rohrleitungssystem einbauen, wenn sie so ausgestaltet wird, dass sie einen Gaseinlass, eine daran anschließende, erweiterte Dampferzeugungskammer und einen Gasauslass aufweist, wobei das Wasser in die Dampferzeugungskammer über mehrere Zweistoffdüsen eingebracht wird, die ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt bzw. Diffusor zwischen dem Gaseinlass und der Dampferzeugungskammer angeordnet sind. Vorzugsweise werden Düsen verwendet, welche Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit und einer Tröpfchengröße einbringen, die eine vollständige Verdampfung über eine kurze Weglänge sicherstellen. Hierzu ist es möglich die Lage der Düsen so einzustellen, dass die aus den Düsen austretenden Wassertröpfchen nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen wie die Prozessgasströmung. Wenn der Prozessgasstrom beispielsweise am Gaseinlass eine Geschwindigkeit von 15 bis 45 m/s aufweist, wird vorzugsweise ein Diffusorwinkel von 10° bis 40°, insbesondere 25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt. Im Kessel sollte eine Prozessgasgeschwindigkeit von 2-10 m/s vorliegen, um die Apparaturlänge zu minimieren. Der aus den Düsen austretende Wassersprüh sollte eine Tröpfchengröße < 250 um, insbesondere < 100 µm aufweisen. Bevorzugt werden die Zerstäubungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen so angeordnet, dass sich ihre Sprühbereiche im Wesentlichen nicht überschneiden, um die Bildung wiederum größerer Tröpfchen zu verhindern sowie der Apparatequerschnitt optimal ausgenutzt wird, ohne dass Tröpfchen die Apparatewand berühren.
[0013] Die Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases kann für Tabaktrockner mit unterschiedlichen Querschnitten verwendet werden. Der Querschnitt der Vorrichtung kann mit dem Querschnitt des Tabaktrockners identisch sein oder sich von dem unterscheiden. Mögliche Querschnitte der Vorrichtung oder des Tabaktrockners mit dem die Vorrichtung verwendet wird, sind dabei rechteckig, insbesondere quadratisch, kreisrund, oder alle Formen dazwischen wie etwa oval, elliptisch oder auch in der Form eines Langlochs.
[0014] Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung vier bis zwölf, insbesondere sechs bis zehn und bevorzugt acht Düsen auf, die ringförmig im Wesentlichen zwischen dem Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, wobei die Düsen vorzugsweise einen Sprühmantelwinkel von 15° bis 30°, insbesondere 20° bis 25° und bevorzugt 22° aufweisen. Der Wasserdurchsatz der Düsen kann 150 bis 500 kg/h, bevorzugt 200 bis 300 kg/h betragen.
[0015] Die Erfindung betrifft ferner eine Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasser in den Prozessgasstrom eines Tabaktrockners, mit einem durchströmten Kessel, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird. Natürlich können die oben schon für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Parameter auch speziell im Falle der erfindungsgemäßen Verdampfungseinheit realisiert werden. Dies betrifft insbesondere die Gestalt des durchströmten Kessels bzw. der Verdampfungseinheit und die Anordnung und Durchströmung der Düsen. Außerdem ist noch anzumerken, dass diese Verdampfungseinheit bzw. ganz allgemein der durchströmte Kessel und insbesondere die Dampferzeugungskammer in modularen Längsabschnitten aufgebaut sein kann, die bevorzugt über Flansche miteinander verbunden werden können. Dadurch kann die Länge der Verdampfungseinheit angepasst werden, so dass immer sichergestellt ist, dass die Tröpfchen im heißen Prozessgas verdampfen bevor sie die Verdampfungseinheit verlassen. Natürlich kann dies auch durch eine grundlegende Einstellung der Baulänge für die Verdampfungseinheit erzielt werden, jedoch bevorzugt über entsprechende mit Flanschen einzubauende Zwischenstücke, so dass auch eine Anpassung an einen möglicherweise gewünschten Düsenwechsel möglich ist.
[0016] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere einen Strom- bzw. Flugtrockner, wird dem Prozessgas Dampf durch das Einbringen und Verdampfen von Wasser zugeführt, wobei das Wasser im Prozessgasstrom vor dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas in einer Verdampfungseinheit verdampft wird. Auch hierbei ist es möglich alle oben schon angesprochenen Konstruktionsmerkmale für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die erfindungsgemäße Verdampfungseinheit verfahrensmäßig umzusetzen.
[0017] Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die beiliegenden unabhängigen Patentansprüche für die Vorrichtung, die Verdampfungseinheit und das Verfahren definiert, und die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
[0018] Die Erfindung wird im Weiteren anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Figuren 1 und 2
- eine erfindungsgemäße Verdampfungseinheit in einer schematischen Querschnittsansicht (Figur 1) und in einem Längsschnitt (Figur 2); und
- Figuren 3 und 4
- Diagramme für die Tröpfchen-Flugbahnen für Tröpfchen mit einer Größe von 100 µm bzw. 50 µm.
[0019] In den Figuren 1 und 2 ist im schematischen Querschnitt sowie in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Verdampfungseinheit dargestellt. An ihrem Gaseinlass 2 strömt in die Verdampfungseinheit 1 heißes Prozessgas ein, das beispielsweise aus einem Wärmetauschersystem kommt. In diesen Wärmetauschersystemen wird über einen Rauchgas-Wärmetauscher, der mit Heißgas aus einem Brenner versorgt wird, das Prozessgas indirekt erwärmt.
[0020] Ein Prozessgasstrom 24 (Figur 2) tritt nach dem Erhitzen im Wärmetauschersystem in den Gaseinlass 2 der erfindungsgemäßen Verdampfungseinheit ein. An den Gaseinlass 2 schließt sich ein Diffusor 4 an, an dessen Umfang ringförmig Zweistoffdüsen 6 angeordnet sind, mit denen Wasser in die Verdampfungseinheit 1 eingespritzt werden kann. Die Verteilung der Düsen 6 ist in Figur 1 zu sehen, es sind acht Düsen mit jeweils einem Winkelabstand von 45° vorgesehen. In der Figur 1 ist auch mit dem Bezugszeichen 7 jeweils die Sprüh-Projektionsfläche jeder Düse eingezeichnet, und man sieht hier, dass sich diese Projektionsflächen nicht überschneiden.
[0021] An den Diffusor 4 mit den Düsen 6 schließt die Dampferzeugungskammer 8 an, die hier so bezeichnet wird, weil sich das aus den Düsen 6 eingespritzte Wasser in diesem Bereich zu Dampf umwandelt, der dann einen Teil des Prozessgases bildet. Die Kammer 8 ist modular aufgebaut, und es sind in Figur 2 die Längsabschnitte 8a und 8b gezeigt, die über die Flansche 12 und 14 integriert sind. Durch diesen modularen Aufbau lässt sich die Kammer 8 wie gewünscht verlängern oder verkürzen, wenn dies - möglicherweise bei der Verwendung anderer Düsen - erforderlich sein sollte.
[0023] Grundsätzlich durchströmt also das im Wärmetauschersystem erhitzte Prozessgas die Verdampfungseinheit 1 und wird über die Düsen 6 mit verdampfendem Wasser angereichert, so dass es am Auslass 18 als Homogenströmung ohne Tröpfchen vorliegt, in die der Schnitttabak eingebracht werden kann, ohne dass die Gefahr von Verklumpungen durch Wasseransammlungen besteht. Durch erhöhte oder verminderte Wasser- bzw. Dampfzufuhr über die Düsen 6 lässt sich die Prozessgastemperatur regulieren und somit auch die Tabakendfeuchte einstellen, und zwar sehr schnell und unmittelbar. Ferner kann eine sogenannte "Dummy Load" also eine Last für den Trockner durch Wasser- bzw. Dampfzufuhr in das Prozessgas eingestellt werden, die eine Trocknerüberhitzung auch dann verhindert, wenn bei Produktionsunterbrechungen zeitweise kein Tabakeintrag erfolgt.
[0024] Im Weiteren sollen nun nach einigen theoretischen Überlegungen zur Verdampfung und Verdunstung von durch Düsen in ein erfindungsgemäßes System eingespritzten Wassertröpfchen Versuche erläutert werden, welche die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Prozessgasaufbereitung bestätigen.
[0025] Wie bei allen gekoppelten Wärme- und Stoffaustauschvorgängen ist die erzeugte Oberfläche bis letztendlich zur Erreichung des thermodynamischen Gleichgewichtes von entscheidender Bedeutung für einen schnellen Ablauf des Verdampfungsprozesses. Deshalb ist die Erzeugung eines feinen Sprühs eine wichtige Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Verdampfen. Für die Lösung dieser Aufgabe kommt deshalb die sogenannte Zweistoffdüse besonders in Frage, weil diese Art im Gegensatz zu den einfacheren Einstoffdüsen Vernebelungen mit mittleren Durchmessern von unter 100 µm erreicht. Zweistoffdüsen haben grundsätzlich einen begrenzten Durchsatz mit ungefähr 500 kg/h bei den geforderten Tröpfchengrößen von < 100 µm. Für erforderliche größere Wasserdurchsatze sind deshalb mehrere Düsen von Vorteil.
[0026] Die Verdampfungszeit ist unter vereinfachenden Annahmen eine quadratische Funktion des Tröpfchendurchmessers. Eine andere Größe, die Einfluss auf die notwendige Verdampfungszeit besitzt, ist die sogenannte Relativgeschwindigkeit Trocknungsgas/Tröpfchen. Bei kleinen Partikeldurchmessern wird die Relativgeschwindigkeit nach kurzem Partikelflug vernachlässigbar; so dass kein Einfluss dieser Größe zu beobachten ist.
[0027] Die Partikelbahnen (Flugbahnen) der Tröpfchen werden durch die Größe, den Sprühwinkel sowie durch die anfängliche Geschwindigkeit bestimmt. In den Figuren 3 und 4 sind die Bahnen für Teilchen mit 50 µm und 100 µm approximiert worden. Das Ende der Partikelspur bedeutet vollständige Verdampfung. Es ist leicht zu erkennen, dass kleinere Partikel schon nach kurzen Flugzeiten (Behälterlängen) vollständig in den gasförmigen Aggregatzustand wechseln. Weiterhin ist trotz eines Sprühmantelwinkels von 22° keine entsprechende Öffnung des Sprühkegels zu erkennen. Der Trocknungsgasstrom wirkt quasi als Brennglas. Durch die Reduktion der Raumausbreitung des Sprühmantels können aber große Partikel-Raumkonzentrationen, die zur unvollständigen Ausnutzung des Energieinhaltes des Trocknungsgasstromes führen. Auch aus diesem Grund ist es vorteilhaft, mehrere Düsen zur Vergleichmäßigung der Raumkonzentration über den Querschnitt zu benutzen. Bei entsprechend angepasster Konstruktion und Auslegung könnte aber auch eine einzige Düse genügen, zum Beispiel eine umlaufende Ringspaltdüse.
[0028] Wie oben schon beschrieben, ist in einem Stromtrockner für eine optimale Regelung der Tabakfeuchte/Trocknungsgastemperatur mittels einer Wasserdüse die vollständige Verdampfung des eingesprühten Wassers von großem Vorteil. Diese vollständige Verdampfung wird bei der hier vorliegenden Erfindung in einem kompakten Apparat durchgeführt, welcher in der minimal möglichen Baugröße ausgeführt ist, bei der auch große zu verdampfende Wassermengen vollständig verdampft werden. Die Baugröße der Verdampfungseinheit (Verdampfer) 1 ist aus Kosten- und Platzgründen nicht nur in der Tabakindustrie ein wichtiges Kriterium für den Einsatz.
[0029] Die optimale Verdampfung des Wassers ist, wie gesagt, von vielen Faktoren abhängig. Im Besonderen sind dies die Wassertröpfchengröße, die Gastemperatur sowie abhängig davon die Verweilzeit der Tröpfchen im heißen Gasstrom. Die Gastemperatur ist im hier vorliegenden Fall "Stromtrockner" im Prinzip festgelegt, da sie abhängig vom Tabaktrocknungsprozess ist. Es stellt sich damit - unter der Randbedingung der festen Gastemperatur - die Aufgabe, möglichst kleine Tröpfchen mittels geeigneter Düsen zu erzeugen und diesen Tröpfchen dann ausreichend Zeit zur Verdampfung zu geben.
[0030] Die Erzeugung von kleinen Tröpfchen ist mit den verfügbaren Düsen (Zweistoffdüsen) 6 ohne Probleme möglich. Wenn, wie im hier vorliegenden Fall bis zu ~2 t/h Wasser zu verdampfen sind, ist dies mittels mehrerer Düsen 6 möglich. Ein Problem beim Einsatz von mehreren Düsen 6 ist die Agglomeration von sich treffenden "Nebelvorhängen" im Arbeitsbehälter. Prinzipiell (thermodynamisch) möchten sich die Tröpfchen unter Gewinn von Oberflächenarbeit agglomerieren, was sich schädlich auf die notwendige Apparatgröße (Länge) auswirken würde. Es wird bei der Verwendung von mehreren Düsen 6 Sorge getragen, dass sich die Sprühs nicht treffen. Aus diesem Grund wird die Wassermenge auf mehrere kleinere Düsen 6 verteilt, die dann einzeln das nötige Tropfenspektrum erzeugen. Dies wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung - wie in Figur 1 dargestellt - durchgeführt.
[0031] Ausgehend davon, dass ein bestimmter Tröpfchendurchmesser (der natürlich so klein als möglich sein sollte) und damit die Anzahl der Zweistoffdüsen 6 gewählt werden, ergibt sich für diese Tropfen eine bestimmte Verdampfungszeit. Diese Zeit muss den Tropfen minimal zur Verfügung gestellt werden, ohne dass sie die Wandung der Kammer 8, eventuelle Umlenkungen (Rohrkrümmer etc.), andere Tropfen oder gar den zugeführten Tabak kontaktieren. Andernfalls würde es sonst zu einem Ausfallen/Abscheiden der Tropfen kommen, mit der Gefahr der Wasseranreicherung im Rohrsystem. Die unter diesen Prämissen festgelegte minimale Verweilzeit der Tropfen im heißen Gasstrom führt zu der Aufgabe, einen geeigneten Verdampfer 1 (Länge, Durchmesser etc.) zu gestalten, der gewährleistet, dass sich die Tropfen innerhalb der notwendigen Verdampfungszeit auch noch im Verdampfer 1 befinden und nicht unverdampft durch das folgende Rohrsystem fliegen. Das wichtigste Kriterium für die Verweilzeit im Verdampfer 1 ist die Fluggeschwindigkeit der Tropfen. Um den Verdampfer 1 in seiner Baulänge möglichst kurz gestalten zu können, muss die Tropfengeschwindigkeit und dementsprechend die Gasgeschwindigkeit (bei sehr kleinen Tröpfchen annähernd gleiche Geschwindigkeit wie das Gas → geringer Schlupf) gering sein. Da in Heißgasrohren die Gasgeschwindigkeiten üblicherweise zwischen 20 bis 40 m/s liegen (im hier vorliegenden Fall zwischen 20 bis 30 m/s), heißt dies, dass der Verdampfer 1 im Durchmesser vergrößert werden muss (Diffusor 4), um eine Absenkung der Gasgeschwindigkeit zu erreichen. Anhand von durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die Gasgeschwindigkeit im Bereich zwischen ca. 2 bis 10 m/s liegen sollte, um eine in Bezug auf Verdampfung und Baugröße des Behälters optimale Gestaltung zu erreichen.
[0032] Untersuchungen wurden an einem wie in Figur 2 dargestellten Verdampfer mit folgenden Abmaßen durchgeführt:
| Durchmesser Gaseinlass 2 | 700 mm |
| Durchmesser Gasauslass 18 | 700 mm |
| Durchmesser Kammer 8 | 1500 mm |
| Länge Kammer | 800 bis 2000 mm |
| Diffusorwinkel α | 30° |
| Konfusorwinkel β | 30° |
| Anzahl der Düsen | 8 |
| Winkelabstand Düsen | 45° |
| Durchmesser Düsenanordnung | 900 mm |
[0033] Die zylindrische Länge der Kammer 8 konnte in dem Versuchsaufbau zwischen 0,8 bis 2 m variiert werden, um so den Einfluss der Verweilzeit der Tröpfchen im heißen Gasstrom zu untersuchen. Die Beurteilung der vollständigen Verdampfung der Tropfen wurde mittels eines apparate- und messtechnisch relativ einfachen Aufbaus durchgeführt. So wurde in Strömungsrichtung direkt nach der Kammer 8 im Gasauslass 18 (Durchmesser 700 mm) ein Prallblechpaket (nicht dargestellt) installiert, in dem die nicht verdampften Wassertropfen durch die an den scharfen Umlenkungen auftretenden Fliehkräfte abgeschieden werden. Die Prallblechpakete wurden dabei so gestaltet, dass das abgeschiedene Wasser in Richtung einer Auffangwanne läuft und dort angereichert wird. In dieser Wanne wurden an mehreren Stellen kleine Temperatursensoren (PT 100) installiert. Durch Messung der Temperaturen ist es möglich festzustellen, ob sich Wasser in der Wanne befindet. So entspricht für den Fall, dass die Temperatursensoren von Wasser bedeckt sind, die gemessene Temperatur durch die Kühlwirkung des Wassers (Verdampfungskühlung) ungefähr der sogenannten Kühlflächengrenztemperatur des Phasengemisches Wasser/Heißluft. Diese Temperatur liegt bei den hier untersuchten Fällen (Normaldruck und Wasserdampf/Luftgemisch) immer unter 100°C und unterscheidet sich dementsprechend deutlich von den Heißgastemperaturen, die im Bereich des Prallblechpakets zwischen ca. 120°C bis 200°C liegen. Für den Fall, dass sich kein Wasser in der Wanne angereichert hat, entspricht die dort gemessene Temperatur der Heißgastemperatur. Die Wanne ist im Versuchsaufbau so ausgeführt, dass bei Beginn eines Versuches diese mittels einer Schwenkvorrichtung einfach entleert werden kann.
[0034] Jede einzelne der insgesamt acht Düsen 6 hat einen Wasserdurchsatz von 250 kg/h. Das Treibmittel für die Düsen 6 ist Sattdampf: Die Verwendung von Druckluft ist prinzipiell auch möglich.
[0035] Folgender Versuch wurde durchgeführt:
| Randbedingungen (siehe Figuren 1 und 2) | |||
| Kammerdurchmesser | 1500 mm | Kammerlänge | 2000 mm |
| Massenstrom Gas | 10.000 kg/h | Gasgeschwindigkeit Kammer | 3 m/s |
| Feuchte Gas | 80 Mas% | Düse/Behälterachse | 30° |
| Massenstrom Düsen [kg/h] |
Temperatur vor Eindüsung gemessen [°C] |
Temperatur nach Eindüsung berechnet [°C] |
Temperatur nach Kammer 8 gemessen [°C] |
Verdampfung vollständig |
| 100 | 400 | 381 | 380 | ja |
| 200 | 400 | 363 | 365 | ja |
| 300 | 400 | 345 | 343 | ja |
| 400 | 400 | 328 | 330 | ja |
| 500 | 400 | 311 | 312 | ja |
[0036] Die Düsen werden mit dem Massenstrom gleichmäßig beaufschlagt. Laut Spezifikation des Herstellers besteht das Tropfenspektrum aus Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 µm.
1. Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere
einen Strom- bzw. Flugtrockner, mit einer Einrichtung zum Einbringen und Verdampfen
von dem Prozessgas zuzuführendem Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Verdampfungseinheit (1) aufweist, die im Prozessgasstrom vor
dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas angeordnet
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit (1) im Prozessgasstrom einem indirekten Prozessgas-Erwärmungssystem,
insbesondere einem Wärmetauschersystem nachgeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit einen durchströmten Kessel aufweist, in dem über mehrere
Zerstäubungsdüsen (6) eingebrachtes Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig
verdampft wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit (1) einen Gaseinlass (2), eine daran anschließende erweiterte
Dampferzeugungskammer (8) und einen Gasauslass (18) aufweist, wobei das Wasser in
die Dampferzeugungskammer (8) über mehrere Zweistoffdüsen (6) eingebracht wird, die
ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt bzw. Diffusor (4) zwischen dem Gaseinlass
(2) und der Dampferzeugungskammer (8) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen (6) verwendet werden, welche Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit und
einer Tröpfchengröße einbringen, die eine vollständige Verdampfung über eine kurze
Weglänge sicherstellen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Düsen (6) so eingestellt werden, dass die aus den Düsen austretenden
Wassertröpfchen nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen
wie die Prozessgasströmung.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Prozessgasstrom im Behälter eine Geschwindigkeit von 2 bis 10 m/s aufweist,
ein Diffusorwinkel von 10° bis 40°, insbesondere 25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt
wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den Düsen austretende Wassernebel eine Tröpfchengröße von < 250 µm, insbesondere
< 100 µm aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen (6) so angeordnet sind, dass sich ihre
Sprühbereiche im Wesentlichen nicht überschneiden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vier bis zwölf, insbesondere sechs bis zehn, bevorzugt acht Düsen (6) ringförmig
im Wesentlichen zwischen dem Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors (4)
im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, wobei die Düsen (4) einen Sprühmantelwinkel
von 15° bis 30°, insbesondere 20° bis 25°, bevorzugt 22° aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) einen Wasserdurchsatz von 150 bis 500 kg/h, bevorzugt etwa 200 bis
300 kg/h aufweisen.
12. Verdampfungseinheit zum Einbringen von Wasserdampf in den Prozessgasstrom eines Tabaktrockners,
mit einem durchströmten Kessel, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen (6) eingebrachtes
Wasser in Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird.
13. Verdampfungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinheit (1) einen Gaseinlass (2), eine daran anschließende erweiterte
Dampferzeugungskammer (8) und einen Gasauslass (18) aufweist, wobei das Wasser in
die Dampferzeugungskammer (8) über mehrere Zweistoffdüsen (6) eingebracht wird, die
ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt bzw. Diffusor (4) zwischen dem Gaseinlass
(2) und der Dampferzeugungskammer (8) angeordnet sind.
14. Verdampfungseinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen (6) verwendet werden, welche Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit und
einer Tröpfchengröße einbringen, die eine vollständige Verdampfung über eine kurze
Weglänge sicherstellen.
15. Verdampfungseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Düsen (6) so eingestellt werden, dass die aus dem Düsen austretenden
Wassertröpfchen nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen
wie die Prozessgasströmung.
16. Verdampfungseinheit nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Prozessgasstrom im Behälter eine Geschwindigkeit von 2 bis 10 m/s aufweist,
ein Diffusorwinkel von 20° bis 40°, insbesondere 25° bis 35 °, bevorzugt 30° gewählt
wird.
17. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der aus den Düsen austretende Wassernebel eine Tröpfchengröße von < 250 µm, insbesondere
< 100 µm aufweist.
18. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsdüsen bzw. Zweistoffdüsen (6) so angeordnet sind, dass sich ihre
Sprühbereiche im Wesentlichen nicht überschneiden.
19. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass vier bis zwölf, insbesondere sechs bis zehn, bevorzugt acht Düsen (6) ringförmig
im wesentlichen zwischen dem Mittelabschnitt und dem Endabschnitt des Diffusors (4)
im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, wobei die Düsen (4) einen Sprühmantelwinkel
von 15° bis 30°, insbesondere 20° bis 25°, bevorzugt 22° aufweisen.
20. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) einen Wasserdurchsatz von 150 bis 500 kg/h, bevorzugt etwa 200 bis
300 kg/h aufweisen.
21. Verdampfungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet dass der durchströmte Kessel, insbesondere die Dampferzeugungskammer (8) in modularen
Längsabschnitten (8a, 8b) aufgebaut ist, die bevorzugt über Flansche (12, 14) miteinander
verbunden werden können.
22. Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für einen Tabaktrockner, insbesondere
einen Strom- bzw. Flugtrockner, bei welchem dem Prozessgas Dampf durch das Einbringen
und Verdampfen von Wasser zugeführt wird, wobei das Wasser im Prozessgasstrom vor
dem Tabaktrockner und vor der Einbringung des Tabaks in das Prozessgas in einer Verdampfungseinheit
(1) verdampft wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Verdampfungseinheit (1) im Prozessgasstrom
einem indirekten Prozessgas-Erwärmungssystem, insbesondere einem Wärmetauschersystem
nachgeordnet ist.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Verdampfungseinheit einen durchströmten
Kessel aufweist, in dem über mehrere Zerstäubungsdüsen (6) eingebrachtes Wasser in
Kontakt mit dem Prozessgas vollständig verdampft wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem das Wasser in eine Dampferzeugungskammer
(8) der Verdampfungseinheit über mehrere Zweistoffdüsen (6) eingebracht wird, die
ringförmig an einem Erweiterungsabschnitt, bzw. Diffusor (4) zwischen dem Gaseinlass
(2) und der Dampferzeugungskammer (8) angeordnet sind.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem Wassertröpfchen mit einer Geschwindigkeit
und einer Tröpfchengröße eingebracht werden, die eine vollständige Verdampfung über
eine kurze Weglänge sicherstellen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die aus dem Düsen austretenden Wassertröpfchen
nach kurzer Wegstrecke im Wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit aufweisen wie die
Prozessgasströmung.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem der Prozessgasstrom im Behälter eine Geschwindigkeit
von 2 bis 10 m/s aufweist, wobei ein Diffusorwinkel von 20° bis 40°, insbesondere
25° bis 35°, bevorzugt 30° gewählt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei dem der aus den Düsen austretende
Wassernebel eine Tröpfchengröße von < 250 µm, insbesondere < 100 µm aufweist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem Sprühbereiche der Zerstäubungsdüsen
bzw. Zweistoffdüsen (6) so eingestellt werden, dass sie sich im wesentlichen nicht
überschneiden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, bei dem vier bis zwölf, insbesondere
sechs bis zehn, bevorzugt acht Düsen (6) ringförmig im wesentlichen zwischen dem Mittelabschnitt
und dem Endabschnitt des Diffusors (4) im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet
sind, wobei die Düsen (4) einen Sprühmantelwinkel von 15° bis 30°, insbesondere 20°
bis 25°, bevorzugt 22° aufweisen.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei dem die Düsen (6) einen Wasserdurchsatz
von 150 bis 500 kg/h, bevorzugt etwa 200 bis 300 kg/h aufweisen.