[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Zentrifuge.
[0002] Zentrifugen sind in der Technik allgemein bekannt. Sie dienen vorwiegend in der chemischen,
der pharmazeutischen und der Lebensmittelindustrie dazu, bei Suspensionen, d.h. Stoffen
mit einem Flüssigkeits- und einem Feststoffanteil, die feste Phase von der flüssigen
Phase zu trennen und zu trocknen.
[0003] Im allgemeinen umfassen herkömmliche Zentrifugen eine Trommel mit einem in der Trommel
angeordneten Filter. Der Filter kann als starrer Metallfilter ausgebildet sein. Der
Zwischenraum zwischen Filter und Trommelwand wird auch als Ringraum bezeichnet. Der
Bereich im Inneren des Filters wird als Arbeitsraum bezeichnet.
[0004] Bei herkömmlichen Zentrifugen wird zuerst die Suspension in dem Arbeitsraum eingefüllt.
Dies geschieht herkömmlicherweise durch die Antriebswelle, die hohl ausgeführt ist,
so dass sie als Füllwelle genutzt werden kann. Die Antriebswelle ist des weiteren
mit dem Trommelboden fest verbunden und dient zum Antrieb der Trommel. Üblicherweise
ist die Antriebswelle horizontal gelagert.
[0005] Die Suspension wird bei drehender Trommel in den Arbeitsraum eingefüllt. Durch die
auf die Suspension wirkenden Kräfte in radialer Richtung, etwa die Zentripetalkraft,
bzw. die daraus resultierenden Trägheitskräfte, etwa wie Zentrifugalkraft, wird die
Suspension nach außen an den Filter gedrückt. Bei entsprechend hoher Zentrifugalkraft
entsteht ein stabiler Flüssigkeitsring. Dabei entsteht ein Suspensionsring am Filter.
Die flüssige Phase tritt nun durch den Filter in den Ringraum und wird abgeleitet,
während die feste Phase in dem Arbeitsraum verbleibt.
[0006] Bei herkömmlichen Zentrifugen haftet die feste Phase des Produkts nach dem Entweichen
der flüssigen Phase fest an dem Filter. Die feste Phase kann dabei einen Restflüssigkeitsanteil
von bis zu 30 % aufweisen. Das fest an dem Filter haftende Produkt wird in diesem
Zustand auch Kuchen bzw. Ringkuchen, Produktkuchen oder Filterkuchen genannt.
[0007] Das zentrifugierte Produkt mit einem hohen Restflüssigkeitsanteil ist in der nach
dem Zentrifugieren vorliegenden Form in der Regel nicht optimal zum Weitertransport
für einen weiteren Prozeßschritt "Trocknen" geeignet. Als besonders vorteilhaft hat
sich erwiesen, das Produkt direkt im Arbeitsraum zu trocknen. Auf diese Weise wird
verhindert, das noch feuchte und nur umständlich transportierbare Produkt über eine
Transfereinheit in einen Trocknungsraum verbringen zu müssen. Bei toxischen Produkten
vermindert sich zusätzlich das Risiko für das beteiligte Personal. Zentrifugen, bei
denen ein Produkt in demselben Arbeitsraum zentrifugiert und getrocknet wird, bezeichnet
man auch als Zentrifugentrockner.
[0008] Bei herkömmlichen Zentrifugentrocknern muss der Kuchen vor dem Trocknen von dem Filter
abgesprengt werden. Dazu sind Schussdüsen und Trommelbodenöffnungen vorgesehen, die
in den Ringraum münden. Der Ringraum selbst ist durch Stege in mehrere Sektionen aufgeteilt,
wobei jede Sektion eine Trommelbodenöffnung aufweist. Des weiteren ist herkömmlicherweise
vorgesehen, dass die Schussdüsen an die Trommelbodenöffnungen von außen heranfahrbar
sind. Durch die Schussdüsen wird nun ein in der Regel gasförmiges Fluid mit hohem
Druck in den Ringraum eingespritzt. Das Fluid bewegt sich nun in entgegengesetzter
Richtung durch den Filter und löst die durch die Zentrifugalkräfte in den Filter gepresste
feste Phase des Produkts von dem Filter. Dieser Vorgang wird auch Absprengen des Filterkuchens
genannt. Wahlweise können dabei mehrere Schussdüsen vorgesehen sein, so dass diese
das Fluid gleichzeitig in den Ringraum einspritzen, oder es kann auch nur eine Schussdüse
vorgesehen sein, die sukzessive das Fluid in die einzelnen Sektionen einspritzt und
den Filterkuchen so Stück für Stück absprengt.
[0009] Nach dem Absprengen des Filterkuchens erfolgt das Trocknen des Produkts. Das Trocknen
erfolgt herkömmlicherweise entweder mittels einer Wirbelschichttrocknung oder einer
Festbetttrocknung.
[0010] Bei der Wirbelschichttrocknung wird typischerweise entweder ein Stop-And-Go-Verfahren
oder ein kontinuierliches Verfahrens angewendet. Beim Stop-And-Go-Verfahren wird ein
heißes Trocknungsfluid mittels der Schussdüsen durch die Trommelbodenöffnungen in
den Arbeitsraum eingeschossen. Dann wird die Trommel um ein bestimmtes Maß weitergedreht
und erneut ein Schuss mit dem Trocknungsfluid in den Arbeitsraum abgegeben. So wird
das Produkt durch das heiße Gas getrocknet und durch die sukzessive Drehung der Trommel
so durcheinander gewirbelt, dass das Produkt möglichst gleichmäßig trocknet.
[0011] Bei dem kontinuierlichen Trocknen werden die Schussdüsen nicht ganz an den Trommelboden
herangefahren, sondern es verbleibt ein minimaler Spalt zwischen den Düsen und dem
Trommelboden. Die Trommel rotiert nun kontinuierlich mit langsamer Geschwindigkeit
und ein entsprechendes Regelungssystem des Zentrifugentrockners bewirkt, dass die
Schussdüsen immer dann das Trocknungsfluid einspritzen, wenn sich eine Trommelbodenöffnung
vor dem Schussdüsenausgang befindet. Um die Regelung zu vereinfachen, werden die Trommelbodenöffnungen
herkömmlicherweise als Langlöcher ausgebildet. Auf diese Art wird auch bei der kontinuierlichen
Trocknung das Produkt durch das Trocknungsfluid getrocknet und durch die kontinuierliche
Rotation der Trommel immer wieder durcheinandergewirbelt, so dass die Trocknung möglichst
gleichmäßig erfolgt.
[0012] Bei der Festbetttrocknung wird der Produktkuchen zunächst nicht abgesprengt. Vielmehr
wird ein heißes Trocknungsgas in den Arbeitsraum eingeführt, das den Produktkuchen
von innen nach außen, d.h. aus dem Arbeitsraum in Richtung des Ringraums, durchströmt
und dem Produktkuchen dabei Feuchtigkeit entzieht. So wird der Produktkuchen in seiner
Ringform getrocknet und erst anschließend vom Filter gelöst. Dies kann beispielsweise
ebenfalls durch Absprengen oder durch Umstülpen des Filters im Fall einer Stülpfilterzentrifuge.
[0013] Im Anschluss an das Trocknen kann das getrocknete Produkt, das nun in der Regel die
Form eines Pulvers einnimmt, aus dem Arbeitsraum entfernt und weiterverarbeitet werden.
[0014] Bei den voranstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren treten jedoch bei der
Verarbeitung bestimmter Produkte Probleme auf. Insbesondere bei Produkten mit einem
breiten Korngrößenspektrum und einem hohen Feinkornanteil wird das Zentrifugieren
erheblich erschwert.
[0015] Schon während des Einfüllens findet eine Sedimentation der größeren Produktanteile
statt. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Verhältnisse von Masse zu Oberfläche bewegen
sich die größeren Produktanteile schnell radial nach außen an den Filter. Der Feinanteil
schwebt jedoch zunächst in der Flüssigkeit und setzt sich langsamer nach außen an
den Filter ab. Dabei verstopfen die feinen Produktanteile die Zwischenräume zwischen
den größeren Produktteilen, so dass ein Abfließen der flüssigen Phase durch die Kapillare
zwischen den größeren Produktanteilen häufig nicht möglich ist. Die flüssige Phase
fließt dann beim Zentrifugieren nur äußerst langsam oder sogar gar nicht ab. Auch
eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel bringt bei diesem Problem keine
Lösung. Bei den problematischen Produkten ergibt sich so nach dem Zentrifugieren ein
Restflüssigkeitsanteil des Produkts von bis zu 70 %.
[0016] Beim Trocknen mittels der Wirbelschichttrocknung von oben genannten Produkten mit
breitem Kornspektrum und hohem Feuchtegrad tritt zudem schnell eine Verklumpung des
Produkts auf. Bei der herkömmlichen Wirbelschichttrocknung rollen Produktanteile,
die durch die Drehung der Trommel nach oben bewegt werden, immer wieder entlang der
übrigen Produktanteile herab auf den Trommelboden. So wird die Verklumpung des Produkts
stark gefördert, da während des Herabrollens kleinere Produktteilchen an größeren
Produktteilchen anhaften und sich so immer größere Klumpen bilden. Die Verklumpung
des Produkts während des Trocknens bringt jedoch wesentliche Nachteile mit sich. So
können die größeren Klumpen zum einen nicht zufriedenstellend getrocknet werden, da
sie in ihrem Inneren sehr feucht bleiben, zum anderen eignet sich das verklumpte Produkt
nur sehr schlecht zur Weiterverarbeitung.
[0017] Bei der herkömmlichen Festbetttrocknung bilden sich während des Trocknens häufig
sogenannte Trocknungsrisse in dem Produktkuchen. Durch diese Risse entweicht das Trocknungsgas
aufgrund des geringeren Widerstands naturgemäß bevorzugt, so dass ein Großteil des
Trocknungsgases durch die Trocknungsrisse entweicht, ohne das Produkt an sich zu durchqueren
und eine Trocknungswirkung zu entfalten. Zum einen wird das Trocknungsgas so nicht
effizient genutzt, zum anderen kann der Kuchen nicht gleichmäßig getrocknet werden.
In der Umgebung der Trocknungsrisse entstehen zudem häufig Bereiche hoher Hitze, in
denen das Produkt geschädigt werden kann oder unerwünschte chemische Reaktionen auftreten.
[0018] So kann eine zusätzliche und im Grunde überflüssige Nachbearbeitung des Produkts
notwendig sein, um eine weiterverarbeitbare Produktkonsistenz zu erlangen.
[0019] Die Filter, insbesondere Metallfilter, können des weiteren nicht mit einer beliebig
kleinen Maschengröße gefertigt werden. Die minimale Maschengröße liegt gegenwärtig
bei etwa 10 µm. Bei Produkten mit einem hohen Feinanteil, d.h. etwa 20 % des Produkts
weisen eine Korngroße von weniger als 10 µm auf, geht während der herkömmlichen Trocknungsverfahren
ein Großteil des Produkts verloren. Speziell während der Wirbelschichttrocknung wird
der Feinanteil ständig zerstäubt und entweicht zusammen mit dem Trocknungsgas durch
den Filter in den Ringraum. So geht bei den herkömmlichen Verarbeitungsverfahren häufig
ein wesentlicher Anteil des Produkts verloren.
[0020] Letztlich gibt es bei bestimmten Produkten strenge Vorgaben zur Art und Weise der
Verarbeitung. So kann bspw. eine Maximaltemperatur des Trocknungsgases vorgegeben
sein, da eine höhere Temperatur Schädigungen des Produkts bzw. ungewünschte chemische
Reaktionen zur Folge hätte. Da häufig auch ein sehr niedriger maximaler Restflüssigkeitsanteil
um etwa 1 % vorgegeben ist, wird ein Einhalten der Bedingungen mit den herkömmlichen
Verfahren nahezu unmöglich. Dies ist insbesondere bei Produkten im Nahrungsmittelbereich
und aus dem chemischen und pharmazeutischen Bereich der Fall.
[0021] Zur Lösung der voranstehenden Probleme, wird ein Verfahren für den Betrieb eines
Zentrifugentrockners nach Anspruch 1 vorgeschlagen.
[0022] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bereits während des Zentrifugierens ein
Fluid mittels der Schussdüsen durch den Ringraum in die Trommel eingespritzt. Dadurch
wird das Produkt schon während des Zentrifugierens aufgelockert und es wird verhindert,
dass das Produkt fest an den Filter anhaftet. Dadurch wird nicht nur verhindert, dass
sich ein Produkt mit breitem Korngrößenspektrum zusetzt, sondern auch, dass das Produkt
in der Ringform an dem Filter klebt. So wird die Dauer des Zentrifugierens wesentlich
verkürzt, da die flüssige Phase aufgrund des poröseren Produkts schneller abfließen
kann.
[0023] Der erfindungsgemäße Schritt des Zentrifugierens unter ständiger Auflockerung des
Produktkuchens kann natürlich auch separat in einem beliebigem Verfahren für den Betrieb
einer Zentrifuge zur Anwendung kommen. So kann der Schritt des Zentrifugierens insbesondere
auch vor jedem herkömmlichen Trocknungsschritt, wie etwa einer herkömmlichen Festbetttrocknung
oder einer herkömmlichen Wirbelschichttrocknung auf einer beliebigen Zentrifugenart
zur Anwendung kommen.
[0024] Selbstverständlich kann auch bereits während des Zentrifugierens durch Einpumpen
eines geeigneten Gases durch die Füllwelle der Innendruck der Trommel erhöht werden,
um das Entweichen der flüssigen Phase zu beschleunigen.
[0025] Des weiteren kann die Drehzahl der Trommel während des Trocknens so hoch gewählt
sein, dass der Produktkuchen nicht in sich zusammenfällt. Dies bedeutet, dass zwar
ein Trocknungsfluid mittels mindestens einer Schussdüse in entgegengesetzter Richtung
durch den Filter in den Arbeitsraum eingespritzt wird und der Produktkuchen so immer
wieder aufgelockert, verwirbelt und getrocknet wird, die durch die Trommeldrehung
auf das Produkt wirkenden Radialkräfte jedoch verhindern, dass der Produktkuchen in
sich zusammenfällt. So bleibt der Produktkuchen während des Trocknens permanent stationär
erhalten.
[0026] Daraus ergibt sich zunächst der Vorteil, dass der Produktkuchen während des Trocknens
selbst als Filter wirkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Feinstoffanteil
während des Trocknens verloren geht. Das resultiert in einer wesentlich höheren Produktausbeute
und einer erhöhten Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
[0027] Während des Trocknens wird das heiße Trocknungsgas mittels der Schussdüsen in den
Arbeitsraum eingespritzt. Wie bereits beschrieben wurde, bleibt durch die Kräfte in
radialer Richtung, die durch die Trommeldrehung hervorgerufen werden, die Ringform
des Produkts auch während des Trocknens permanent erhalten. Durch das Einspritzen
des Trocknungsgases durch den Ringraum in den Arbeitsraum, d.h. von außen nach innen,
wird zudem ein bedeutender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik erreicht.
[0028] Bei herkömmlichen Trocknungsverfahren durchströmt das heiße Trocknungsgas im Fall
der Festbettrocknung den Produktkuchen nur einmal von innen nach außen, d.h. von dem
Arbeitsraum aus in Richtung des Ringraums. Bei der Wirbelschichttrocknung durchströmt
das Trocknungsgas den Kuchen einmal von außen nach innen im unteren Trommelbereich
und entweicht in einem oberen Bereich aus der Trommel, ohne das Produkt erneut zu
durchqueren.
[0029] Beim vorgeschlagenen Verfahren durchströmt das heiße Trocknungsgas den Produktkuchen
jedoch zunächst von außen nach innen. Da das heiße Trocknungsgas wieder aus dem Arbeitsraum
entweichen muss, durchströmt es den Produktkuchen an einer anderen Stelle auch wieder
von innen nach außen und entweicht in den Ringraum. Das Trocknungsgas durchquert den
Produktkuchen also zweimal, was in einer wesentlich effektiveren Ausnutzung der Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit
des Trocknungsgases und einem schnelleren Trocknen des Produktkuchens resultiert.
Durch das permanente Aufwirbeln des Produkts erhöht sich zudem die Porosität des Produkt,
so dass das Trocknungsgas das Produkt leichter und gleichmäßiger durchdringen kann.
Um die Bewegung des Trocknungsfluids von innen nach außen zu unterstützen, kann der
Druck in der Trommel erhöht werden. Dies kann durch zusätzliches Einpumpen von Trocknungsgas
durch die Füllwelle erfolgen.
[0030] Durch das Einführen eines Trocknungsgases durch die Füllwelle in den Arbeitsraum
wird zudem die beidseitige Trocknung des Produktrings verbessert. Durch die gleichmäßige
Trocknung von beiden Seiten ist eine homogenere Trocknung des Produkts möglich, bei
der unerwünschte lokale Überhitzungen vermieden werden.
[0031] Durch das permanente Auflockern des Produktkuchens wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Bildung von Trocknungsrissen vermieden. Zum einen werden die Trocknungsrisse
durch das mittels der Schussdüsen in den Arbeitsraum eingespritzte Trocknungsgas direkt
zerstört, oder aber die Trocknungsrisse werden durch aufgewirbelte feinere Produktanteile
sofort wieder zugesetzt. So ist auch das durch die Füllwelle in den Arbeitsraum geleitete
Trocknungsgas gezwungen, vollständig das Produkt von innen nach außen zu durchqueren
und trocknet das Produkt somit effektiver.
[0032] Letztlich wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch ein Verklumpen des Produkts
aufgrund von Agglomeration verhindert. Indem der Produktkuchen während des Trocknens
stationär erhalten bleibt, wird dem voranstehend beschriebenen Mechanismus der Klumpenbildung
vorgebeugt, da ein Abrollen und Anhaften der feuchten Produktanteile nicht mehr möglich
ist. Auch eine nach dem Absprengen auftretende Anhäufung des Produktes am Trommelboden,
die häufig den Beginn der Verklumpung darstellt, tritt nicht mehr auf.
[0033] Zum Einspritzen des Fluids in den Ringraum ist dazu mindestens eine Schussdüse vorgesehen.
In einer Ausführungsform werden zwei Schussdüsen verwendet. Die Schussdüsen sind dabei
zum einen an der sogenannten 6-Uhr-Position, d. h. etwa am Tiefpunkt der Trommel und
an der 7-Uhr-Position, d. h. etwas seitlich gegenüber dem Tiefpunkt versetzt, angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung, ist die Schussdüse an der 7-Uhr-Position relativ
zu der Schussdüse in der 6-Uhr-Position um einen Winkel von etwa 30° versetzt.
[0034] Die 6-Uhr-Position ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sich zu der radial nach
außen auftretenden Beschleunigung aufgrund der Kreisbewegung des Produkts noch die
Erdbeschleunigung addiert. Die nach außen wirkenden Kräfte sind also an der 6-Uhr-Position
am größten. Daher kann an dieser Stelle mit dem höchsten Druck beim Einschießen des
Fluids zum Auflockern des Kuchens gearbeitet und die beste Erhöhung der Porosität
erreicht werden.
[0035] In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Ringraum in 12 Sektionen unterteilt,
die jeweils eine Trommelbodenöffnung in Form eines Langlochs aufweisen. Während einer
Umdrehung der Trommel können die beiden Schussdüsen das Fluid in dieselbe Trommelbodenöffnung
einspritzen oder aber auch in verschiedene Trommelbodenöffnungen. Wenn die Schussdüsen
das Fluid in dieselbe Trommelbodenöffnung einspritzen, bedeutet dies, dass während
einer Rotation der Trommel im Uhrzeigersinn zunächst die Schussdüse in der 6-Uhr-Position
das Fluid in die bestimmte Trommelbodenöffnung einspritzt, und danach, wenn sich die
Trommel weiterbewegt hat und sich die bestimmte Trommelbodenöffnung vor der Schussdüse
in der 7-Uhr-Position befindet, die Schussdüse auf der 7-Uhr-Position das Fluid in
die bestimmte Trommelbodenöffnung einspritzt. Auf diese Weise kann sichergestellt
werden, dass genügend Fluid in die Trommel eingespritzt wird und ein angemessener
Verwirbelungseffekt auftritt.
[0036] An dieser Stelle wird angemerkt, dass die Drehrichtung der Trommel und die Darstellung
der Schussdüsenpositionen anhand von Uhrzeiten lediglich zum Zweck einer einfachen
Erläuterung gewählt wurde und nicht als einschränkend zu verstehen ist. Die Drehrichtung
der Trommel und die genaue Position der Schussdüsen kann variieren und hängt zudem
immer von der Blickrichtung ab.
[0037] Bei einer Ausführungsverfahren des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Schussdüsen
bei jeder Umdrehung der Trommel jeweils in versetzte Trommelbodenöffnungen einspritzen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid bei jeder Trommelbewegung jeweils um eine
Trommelbodenöffnung versetzt eingespritzt wird. Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass das Produkt über den gesamten Trommelumfang aufgewirbelt wird.
[0038] In einer Ausgestaltung des Verfahrens rotiert die Trommel während des Einfüllens
der Produktsuspension in die Trommel. Das Einspritzen von Fluid mittels der Schussdüsen
kann dann schon zu Beginn Einfüllen erfolgen.
[0039] Wie nachstehend noch genauer ausgeführt wird, rotiert die Trommel während des Einspritzens
von Fluid erfindungsgemäß mit einer geringeren Drehzahl, als dies bei herkömmlichen
Zentrifugen in den entsprechenden Prozeßschritten normalerweise der Fall ist. Bei
einem Trommeldurchmesser von 400 mm liegt die Drehzahl während des Einspritzens bei
etwa 150 Umdrehungen pro Minute. Bei dieser Drehzahl kann sich jedoch kein stabiler
Flüssigkeitsring aufbauen.
[0040] Aufgrund der geringeren Viskosität des flüssigen Suspensionsanteils können die Scherkräfte
von dem schlammigen Feststoffanteil, der sich während des Einfüllens schnell zu einem
Ring aufbaut, schlecht auf den flüssigen Anteil übertragen werden. Innerhalb des bereits
aufgebauten Feststoffrings bildet sich daher eine Art See aus der eingefüllten Suspension.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der aufgelockerte Feststoffring dazu in der
Lage eine dicke Schicht des flüssigen Anteils über eine bestimmte Winkelstrecke mitzureißen,
bevor diese wieder von dem Feststoffring abreißt. Eine etwa 1 mm dünne Suspensionsschicht
verbleibt aber über dem kompletten Feststoffring.
[0041] Durch die Aufwirbelung des Suspensionssees aufgrund der Rotation der Trommel wird
eine Sedimentation der Suspension und eine Separation der Produktanteile mit größeren
Korngrößen von den Feinanteilen verhindert. Diese Schichtbildung der verschiedenen
Korngrößen erfolgt bei herkömmlichem Verfahren bereits während des Einfüllens und
setzt sich während des Zentrifugierens fort. Bei dem erfindungsgemäßen verfahren wird
dies jedoch von Beginn an verhindert.
[0042] Durch die permanente Aufwirbelung des Feststoffrings mittels des eingespritzten Fluids
wird der Feststoffring wesentlich durchlässiger für den darüber liegenden Suspensionsring.
Da der darüberliegende Suspensionsring lediglich eine Dicke von etwa 1 mm aufweist
und der Feststoffring ständig aufgewirbelt wird, filtriert der Suspensionsring sehr
schnell ab. Dadurch kann in dem Flüssigkeitsring keine Sedimentation auftreten.
[0043] Des weiteren kann es vorgesehen sein, dass das Produkt während des gesamten Verfahrens,
d.h. dass das Produkt während des Einfüllens, des Zentrifugierens und des Trocknens,
mittels des durch die Schussdüsen in den Arbeitsraum eingespritzten Fluids aufgelockert
wird. Der Schritt des Einfüllens kann dann fließend in den Schritt des Zentrifugierens
übergehen, der Schritt des Zentrifugierens kann dann fließend in den Schritt des Trocknens
übergehen.
[0044] In einer Ausführungsform des Verfahrens kann nach dem Trocknen des weiteren ein sogenannter
Homogenisierungsschritt vorgesehen sein. Bei dem Homogenisierungsschritt rotiert die
Trommel zwar ebenfalls kontinuierlich, jedoch mit so herabgesetzter Geschwindigkeit,
dass der Produktkuchen in sich zusammenfällt. Wie bereits voranstehend ausgeführt
wurde, ist aufgrund des permanenten Auflockerns des Produktkuchens kein Absprengen
nötig und bei entsprechender Herabsetzung der Trommeldrehzahlen fällt der Produktkuchen
automatisch in sich zusammen und das Produkt rieselt an den Trommelboden. Das Produkt
hat nun die Form eines trockenen feinen Pulvers das sich zusammen mit der Trommel
immer wieder nach oben bewegt, jedoch vor erreichen des Scheitelpunkts wieder an den
Trommelboden herabfällt. Da das Produkt bereits wie gewünscht getrocknet wurde, tritt
nun jedoch keine Verklumpung des Produkts mehr ein. Vielmehr wird das Produkt gleichmäßig
vermengt, so dass sich die Korngrößen der Produktpartikel gleichmäßig über das gesamte
Produkt verteilen und auch die verbliebenen Feuchteanteile homogen über das Produkt
verteilt werden.
[0045] Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Trommeldrehzahl während des Einfüllens, während
des Zentrifugierens und während des Trocknens so gewählt, dass der Produktkuchen erhalten
bleibt und auch trotz des mittels der Schussdüsen eingespritzten Fluids nicht in sich
zusammenfällt. Lediglich beim Homogenisieren wird eine geringere Drehzahl gewählt,
so dass das Produkt vor Erreichen des Scheitelpunkts der Trommel herabfällt.
[0046] Des weiteren sind die möglichen Drehzahlen nach oben dadurch beschränkt, dass bei
steigender Drehzahl die Verweildauer der Trommelbodenöffnungen vor den Schussdüsen
irgendwann zu kurz wird, um eine zum Auflockern notwendige Fluidmenge einzuspritzen.
Die Fluidmenge ist dann zu gering, um den Produktkuchen in gewünschter Weise durcheinander
zu wirbeln.
[0047] Eine minimale Drehzahl ergibt sich also stets aus dem Punkt, an dem die Ringform
des Produktkuchens nicht mehr erhalten bleibt und der Produktkuchen in sich zusammenfällt,
um eine maximale Drehzahl ergibt sich aus der Fluidmenge, die die Schussdüsen in einem
bestimmten Zeitraum abgeben können, sowie der Form der Trommelbodenöffnungen und der
damit verbundenen Verweildauer der Trommelbodenöffnungen vor den Schussdüsen.
[0048] Für eine Trommel mit einem Durchmesser von 400 Millimetern und einer Unterteilung
des Ringraums in zwölf Sektionen, wobei jede Sektion eine Trommelbodenöffnung in Form
eines Langlochs aufweist, konnten die folgenden möglichen Trommeldrehzahlen für die
entsprechenden Verfahrensschritte bestimmt werden.
[0049] Es sei an dieser Stelle jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die ermittelten
Drehzahlen mittels mechanischer Gesetzmäßigkeiten auch auf jegliche andere Trommelgrößen
übertragbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich auf Zentrifugentrockner
aller Größen und mit beliebiger Unterteilung des Ringraums anwenden.
[0050] Für die Zentripetalbeschleunigung a bei der Kreisbewegung gilt:

wobei v die Umfangsgeschwindigkeit und r der Radius der Kreisbewegung ist. Für v gilt
des weiteren

[0051] Somit ergibt sich für die Zentripetalbeschleunigung

[0052] Mit den hier angegebenen Drehzahlen und dem Trommelradius von 200 Millimetern kann
die auf das Produkt wirkende Beschleunigung somit näherungsweise bestimmt werden und
so auf die notwendigen Drehzahlen bei anderen Trommelradien zumindest näherungsweise
zurückgerechnet werden. Die notwendige Drehgeschwindigkeit ω
2 bei einem Trommelradius von r
2 ergibt sich bei einem Trommelradius von r
1 gleich 200 mm und den hier nachfolgend angegebenen Drehzahlen ω
1 zu

[0053] Die hier für einen Trommeldurchmesser von 400 mm angegebenen Drehzahlen sind somit
mittels der Gleichung (4) zumindest näherungsweise problemlos auf andere Trommelgrößen
übertragbar.
[0054] Als Alternative werden zudem die auf den Produktkuchen wirkenden Beschleunigungen
in g angegeben.
[0055] Für die Rotation der Trommel bei permanenter Auflockerung des Produktkuchens durch
Einspritzen eines geeigneten Fluids mittels der Schussdüsen durch den Ringraum in
den Arbeitsraum wurde eine geeignete Drehzahl von 120 bis 150 Umdrehungen pro Minute
bei einem Trommeldurchmesser von 400 mm ermittelt. Dies entspricht einer auf den Produktkuchen
wirkenden Beschleunigung von 5 g.
[0056] Die Drehzahl von 150 Umdrehungen pro Minute bzw. die Beschleunigung von 5g kann während
des Einfüllens, während des Zentrifugierens und während des Trocknens angewendet werden.
Insbesondere während des Trocknens führt eine Drehzahl von etwa 150 Umdrehungen pro
Minute zu einem besonders gut weiterzuverarbeitenden Produkt. Der beschriebene erfindungsgemäße
Trocknungsschritt führt nicht nur bei den beschriebenen problematischen Produkten
sondern generell bei allen Arten von Produkten zu einer verbesserten und effektiveren
Trocknung und einem qualitativ verbesserten Endprodukt.
[0057] Bei unproblematischeren Produkten, die sich während des Zentrifugierens nicht zusetzen,
kann während des Einfüllens und des Zentrifugierens selbstverständlich auch mit einer
höheren Drehzahl von etwa 500 Umdrehungen pro Minute bei einem Trommeldurchmesser
von etwa 400 mm gearbeitet werden, um das Zentrifugieren zu beschleunigen. Die auf
den Produktkuchen wirkende Beschleunigung kann beim Einfüllen bis zu 55g, beim Zentrifugieren
bis zu 600g betragen. Bei besonders grobkörnigen Produkten ist auf geeigneten Zentrifugen
sogar eine Beschleunigung von bis zu 2000g möglich. Während des Trocknens wird die
Drehzahl dann wieder auf etwa 150 Umdrehungen pro Minute abgesenkt.
[0058] Bei problematischen Produkten, die sich schnell zusetzen und das Zentrifugieren erheblich
verlangsamen, konnte die Abflussrate während des Zentrifugierens mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens verdoppelt werden. Somit ist eine beschleunigte und daher betriebswirtschaftlich
vorteilhafte Verarbeitung des Produkts möglich.
[0059] Während des Homogenisierens liegt eine geeignete Drehzahl bei etwa 50 bis 80 Umdrehungen
pro Minute bei einem Trommeldurchmesser von etwa 400 mm. Betrachtet man die auf den
Produktkuchen wirkenden Beschleunigungen, ist die Drehzahl entsprechend so zu wählen,
dass die aufgrund der Kreisbewegung radial nach außen wirkende Beschleunigung kleiner
als 1g ist, damit das Produkt im oberen Bereich der Trommel aufgrund der Erdbeschleunigung
herabfällt.
[0060] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
und der beiliegenden Zeichnung.
[0061] Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuterten
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
[0062] Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch
dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
- Figur 1
- zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Zentrifugentrockners, auf dem das erfindungsgemäße
Verfahren ausgeführt werden kann.
- Figur 2
- zeigt eine schematische Frontalansicht einer Trommel mit möglichen Positionen der
Schussdüsen und der Trommelbodenöffnungen, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
- Figur 3
- zeigt das Korngrößenspektrum eines lediglich als Beispiels aufgeführten problematischen
Produkts, das durch das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zentrifugiert
und getrocknet werden kann.
[0063] Figur 1 zeigt einen Zentrifugentrockner, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt
werden kann. Der Zentrifugentrockner weist eine Trommel 10 auf, die einen Trommelmantel
11 und einen Trommelboden 12 umfasst, der fest mit einer zum Füllen verwendeten Antriebswelle
20 verbunden ist. Der Trommelboden 12 weist des weiteren Trommelbodenöffnungen 14
auf. Innerhalb der Trommel 10 ist ein Metallfilter 16 angeordnet. Zwischen dem Metallfilter
16 und dem Trommelmantel 11 befindet sich ein Ringraum 18, in den die Trommelbodenöffnungen
14 münden. Der Ringraum 18 ist in der dargestellten Ausführungsform in zwölf Sektionen
aufgeteilt, die jeweils eine als Langloch ausgebildete Trommelbodenöffnung 14 aufweisen.
[0064] Innerhalb des Filters 16 befindet sich der Arbeitsbereich 60, in dem das Produkt
verarbeitet, d.h. zentrifugiert und getrocknet, wird. Gegenüber dem Trommelboden 12
wird der Arbeitsbereich 60 von einer Stauscheibe 40 verschlossen, die geöffnet werden
kann. Bei geöffneter Stauscheibe 40 kann das Produkt aus dem Arbeitsraum 60 in den
Bereich 80 überführt und entnommen werden.
[0065] Des weiteren sind ein Abfluss 52, durch den die flüssige Phase des Produkt abfließen
kann, und ein Ausgang 54 vorgesehen, durch den in den Arbeitsbereich eingeführte Gase
entweichen können.
[0066] Figur 2 zeigt eine schematische Frontalansicht der Trommel 10. Die Drehrichtung der
Trommel 10 ist im vorliegenden Beispiel mit dem Uhrzeigersinn. Dargestellt sind des
weiteren der Scheitelpunkt 70 der Trommel 10 sowie eine erste Schussdüse 31 und eine
zweite Schussdüse 32. Die erste Schussdüse 31 befindet sich in der sogenannten 6-Uhr-Position
und die zweite Schussdüse 32 befindet sich in der sogenannten 7-Uhr-Position. Die
erste Schussdüse 31 ist zu der zweiten Schussdüse 32 um etwa 30° versetzt. Des weiteren
können weitere Schussdüsen vorgesehen sein, wie etwa die dritte Schussdüse 33, die
auf der Elf-Uhr-Position angeordnet ist. Die Schussdüsen spritzen ein geeignetes Fluid,
das vorzugsweise gasförmig ist, durch die als Langlöcher 90 ausgebildeten Trommelbodenöffnungen
durch den Ringraum 18 und den Filter 16 in den Arbeitsbereich 60 ein.
[0067] Als weitere Voraussetzungen sollte der verwendete Zentrifugentrockner als Antrieb
ein Einmotorenkonzept aufweisen. Dies ermöglicht es, kontinuierlich sämtliche Drehzahlen
zwischen einem Stillstand und einer Maximaldrehzahl der Trommel anzufahren. Dies ist
insofern wichtig, da bei herkömmlichen Zentrifugentrocknern häufig ein Zweimotorenkonzept
verwendet wird, das einen Haupt- und einen Getriebemotor aufweist. Diese sind über
eine Fliehkraftkupplung verbunden, die sich jedoch erst bei einer Drehzahl von etwa
160 Umdrehungen pro Minute vollständig öffnet. Der Getriebemotor selbst läuft dabei
nur bis zu 5 Umdrehungen pro Minute mit. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch
gerade der Drehzahlbereich zwischen 0 und 150 Umdrehungen pro Minute verwendet wird,
ist dieses Zweimotorenkonzept für das vorliegende Verfahren nicht geeignet.
[0068] Des weiteren sollte der Zentrifugentrockner, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren
ausgeführt wird, ein geeignetes Regelungssystem aufweisen. Insbesondere muss der Zentrifugentrockner
dazu in der Lage sein, die Einspritzungen durch die Schussdüsen 30 im Millisekundenbereich
zu steuern. Die Lage der Trommel 10 muss im Minutenbereich (bezogen auf die Winkellage)
erfasst werden können. Dazu ist insbesondere eine spielfreie und steife Kupplung zwischen
der Antriebswelle 20 und dem Motor nötig. Durch ein Einmotorenkonzept kann dies geeignet
bereitgestellt werden.
[0069] Figur 3 zeigt das Korngrößenspektrum eines typischen Produkts, das mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren verarbeitet werden kann. Wie Figur 3 zeigt, hat das Produkt einen Feinanteil
von etwa 20 %. Etwa 20 % des Produkts weisen eine Korngröße von 10 µm oder weniger
auf. Das dargestellte Produkt ist jedoch nicht als einschränkend für die Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt vielmehr
bei allen Arten von Produkten ein verbessertes Zentrifugieren und Trocknen bereit.
[0070] Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Produktsuspension zunächst
in einem ersten Schritt des Einfüllens durch die als Füllwelle ausgebildete Antriebswelle
20 in den Arbeitsbereich 60 eingefüllt. Die Trommel 10 rotiert während des Einfüllens
kontinuierlich. Die Drehzahl der Trommel ist dabei so gewählt, dass die Kräfte in
radialer Richtung so hoch sind, dass sich an dem Filter 16 ein Ring aus der Produktsuspension
bildet.
[0071] Bereits während des Einfüllens kann mittels der allgemeinen mit 30 bezeichneten Schussdüsen
ein geeignetes Fluid in den Arbeitsraum eingespritzt werden. Dabei sind die Schussdüsen
30 nahe an den Trommelboden heranbewegt, so dass sich nur ein minimaler Spalt zwischen
dem Düsenkopf 38 und dem Trommelboden 12 befindet. Zu beachten ist, dass die Schussdüsen
30 jederzeit feststehen, während die Trommel 10 rotiert. Um die Schussdüsen 30 wie
gewünscht an den Trommelboden 12 heranbewegen zu können, können die Schussdüsen axial
bewegbar ausgeführt sein. Ein Zuleitungskanal 34 ist dabei von einem Balg 36 umgeben
und die Schussdüsen 30 können mittels einer geeigneten Vorrichtung axial bewegt werden.
[0072] Unter einem geeigneten Fluid ist grundsätzlich ein solches Fluid zu verstehen, das
in dem Produkt keinerlei chemische Reaktionen hervorruft und das Produkt nicht in
einer sonstigen Weise schädigt. Das verwendete Fluid ist in der Regel gasförmig.
[0073] Die Schussdüsen 30 schießen das Fluid durch die Langlöcher zunächst in dem Ringraum
18 ein, von dem aus sich das Fluid durch den Filter 16 in den Arbeitsraum 60 bewegt.
Das Fluid verlässt den Arbeitsraum 60 an einer anderen Stelle in entgegengesetzter
Richtung erneut durch den Filter 16 und entweicht durch die Trommelbodenöffnungen
14 und den Auslass 54.
[0074] Eine erste Düse 31 und eine zweite Düse 32 spritzen während einer ersten Umdrehung
in dasselbe Langloch 14' ein. Während der nächsten Trommelumdrehung spritzen sie das
Fluid in das nächste, d.h. um eins versetzte, Langloch 14" ein, usw. So wird gewährleistet,
dass das Produkt über den gesamten Trommelumfang aufgewirbelt wird. Das Aufwirbeln
erfolgt somit stets dann, wenn der entsprechende Trommelabschnitt den Bereich zwischen
6 und 7 Uhr passiert.
[0075] Während des Einfüllens bildet sich am Filter ein zunächst dünner, aus Feststoffen
bestehender Ring aus. Im Inneren dieses Rings befindet sich eine Suspension, die aus
dem Flüssigkeitsanteil und den restlichen Feststoffen besteht, wobei kontinuierlich
bis zu einem Höchstmaß weiter Suspension eingefüllt wird. Aufgrund der geringen Viskosität
des Flüssigkeitsanteils und die damit verbundene schlechte Übertragung der Scherkräfte
in der Suspension, kann sich die Suspension jedoch nicht zu einem stabilen Ring aufbauen.
Die Suspension bildet innerhalb des Feststoffrings dadurch einen Suspensionssee. Die
Scherkräfte sind jedoch groß genug, dass sich an der Innenseite des Feststoffrings
eine etwa 1 mm dünne Suspensionsschicht ausbildet.
[0076] Durch die Aufwirbelung des Suspensionssees aufgrund der Rotation der Trommel wird
jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Sedimentation der Suspension und eine
Separation der Produktanteile mit größeren Korngrößen von den Feinanteilen während
des Einfüllens verhindert.
[0077] Des weiteren wird durch die Erhöhung der Porosität des Feststoffrings aufgrund des
Einspritzens von Fluid mittels der Schussdüsen und das daraus resultierende schnelle
Abfiltrieren der Flüssigkeit eine Sedimentation des Feststoffanteils in dem etwa 1
mm dünnen Suspensionsring verhindert.
[0078] Ist die gesamte Suspensionsmenge eingefüllt, geht der Schritt des Einfüllens anschließend
in den Schritt des Zentrifugierens über. Die Trommel 10 rotiert während des Zentrifugierens
mit einer geeigneten Drehzahl, bei einem Trommeldurchmesser von 400 mm bspw. 150 U/min
bzw. so schnell, dass 5g auf den Kuchen wirken, und die Suspension wird ständig durch
Einspritzen von Fluid mittels der Schussdüsen 30 aufgelockert. So wird verhindert,
dass sich die Produktanteile mit kleinerer Korngröße zwischen die Produktanteile mit
größerer Korngröße setzen und die zum Abschluss der flüssigen Phase benötigten Kapillare
verstopfen. Auch der Filter selbst wird nicht durch die feinen Produktanteile verstopft,
da er regelmäßig in entgegengesetzter Richtung von dem Fluidgas durchströmt wird.
[0079] Bei weniger problematischen Produkten, die sich nicht schnell zusetzen und auch auf
herkömmliche Weise zentrifugiert werden können, ist es natürlich auch möglich, den
Schritt des Einfüllens und des Zentrifugierens nach bisher bekannter Art und Weise
durchzuführen und erst beim Trocknen mit dem erfindungsgemäßen ständigen Einspritzen
eines geeigneten gasförmigen Fluids zu beginnen. Beispielsweise kann das Einfüllen
und Zentrifugieren bei einer Trommelgeschwindigkeit von 500 U/min. bzw. mit einer
Radialbeschleunigung von 55 g erfolgen ,und erst zum Trocknen die Trommelgeschwindigkeit
auf 150 U/min. herabgesetzt werden.
[0080] Der Schritt des Zentrifugierens geht fließend in den Schritt des Trocknens über.
Die Drehzahl der Trommel 10 beträgt bei einem Trommeldurchmesser von 400 mm während
des Trocknens etwa 150 U/min. Der ringförmige Aufbau des Produktkuchens bleibt dabei
erhalten und der Produktkuchen fällt nicht in sich zusammen. Die Schussdüsen 30 spritzen
nun ein heißes Trocknungsgas in den Arbeitsraum 60 ein. Wie bereits beschrieben wurde,
muss das heiße Trocknungsgas den Produktkuchen zweimal durchdringen. Dadurch wird
eine besonders hohe Trocknungseffektivität erreicht. Zudem wird der Produktkuchen
von zwei Seiten gleichmäßig getrocknet. Durch das ständige Auflockern des Produktkuchens
über den gesamten Umfang und die stationäre Erhaltung der Ringform des Produktkuchens
findet zudem keine Verklumpung des Produkts statt. Indem während des gesamten Trocknungsvorgangs
ein ringförmiger Kuchen erhalten bleibt, wirkt das Produkt selbst als zusätzlicher
Filter, der verhindert, dass der Feinanteil des Produkts durch den Filter 16 entweicht.
[0081] Zusätzlich kann durch die Antriebswelle 20 ebenfalls heißes Trocknungsgas in den
Arbeitsraum 60 eingeleitet werden. Dies kann die Trocknungsgeschwindigkeit des Produkts
zusätzlich erhöhen. Indem Trocknungsrisse im Produkt durch das ständige Auflockern
verhindert werden, kann das im Arbeitsraum 60 befindliche Trocknungsgas nicht einfach
durch die Trocknungsrisse entweichen, sondern passiert vollständig das Produkt, wodurch
die Trocknungseffektivität zusätzlich erhöht ist.
[0082] Nachdem das Produkt wie gewünscht getrocknet wurde, schließt sich an den Schritt
des Trocknens ein Homogenisierungsschritt an. Dabei wird die Trommeldrehzahl bei einer
Trommel mit einem Durchmesser von 400 mm von 150 U/min auf etwa 50 bis 80 U/min bzw.
auf eine Radialbeschleunigung von weniger als 1 g abgesenkt. Der Produktkuchen fällt
nun in sich zusammen. Das Produkt hat nun die Form eines feinen Pulvers, das sich
am Tiefpunkt der Trommel 10 sammelt und von der Trommel 10 in Richtung des Scheitelpunkts
70 der Trommel 10 mitgerissen wird. Vor Erreichen des Scheitelpunkts 70 rieselt das
Produkt jedoch wieder in Richtung des Tiefpunkts der Trommel 10 hinab. So wird eine
Durchmischung und Homogenisierung des Produkts erreicht, wodurch nach kurzer Zeit
die unterschiedlichen Korngrößen und restlichen Feuchtanteile gleichmäßig im Produkt
verteilt sind. Zusätzlich kann durch die Schussdüsen 30 wiederum ein Gas in den Arbeitsraum
60 eingeschossen werden, um das Produkt zusätzlich aufzulockern. Dies ist während
des Homogenisierungsschrittes jedoch nicht zwingend notwendig.
[0083] Im Anschluss an den Homogenisierungsschritt kann das getrocknete Produkt als feines
Pulver entnommen werden.
[0084] Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die voranstehend angegebenen Drehzahlen
lediglich als Beispiel für einen Zentrifugentrockner mit einem Trommeldurchmesser
von 400 mm zu verstehen sind. Bei anderen Trommeldurchmessern sind entsprechend andere
Drehzahlen zu wählen, die die gleichen Effekte hervorrufen. Insbesondere ist die Drehzahl
während des Trocknens so zu wählen, dass die Ringform des Produktkuchens stets erhalten
bleibt.
[0085] Mittels des voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein wirtschaftlich
sinnvolles Zentrifugieren und Trocknen von zu Verklumpung neigenden Produkten überhaupt
erst möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, die bei solchen problematischen
Produkten lediglich einen aus Klumpen bestehenden Schlamm mit hohem Flüssigkeitsanteil
hervorbrachten, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein trockenes feines Pulver
erlangt werden.
[0086] Darüber hinaus liefert das erfindungsgemäße Verfahren bei allen Arten von Produkten,
d.h. auch bei solchen Produkten, die bisher als nicht problematisch galten, eine kürzere
Trocknungszeit aufgrund der höheren Porosität des Produkts während der Verarbeitung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit nicht auf die bspw. in Figur 3 abgebildeten
problematischen Produkte beschränkt, sondern kann in vorteilhafterweise bei allen
Arten von Produkten im chemischen und im pharmazeutischen Bereich, sowie auf dem Gebiet
der Nahrungsmittel und in allen Zentrifugenarten vorteilhaft angewendet werden.