DE2914181A1 - Vakuumtrockenverfahren und -vorrichtung fuer stueck- oder schuettgut - Google Patents

Vakuumtrockenverfahren und -vorrichtung fuer stueck- oder schuettgut

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DE2914181A1 DE19792914181 DE2914181A DE2914181A1 DE 2914181 A1 DE2914181 A1 DE 2914181A1 DE 19792914181 DE19792914181 DE 19792914181 DE 2914181 A DE2914181 A DE 2914181A DE 2914181 A1 DE2914181 A1 DE 2914181A1
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    • F26B5/04Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A23FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
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    • A23L3/40Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs by drying or kilning; Subsequent reconstitution

Description

Kernforschungsanlage Jülich
Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Amtl. Aktenzeichen P 29 14 181.9-16
Vakuumtrockenverfahren und - vorrichtung für Stück- oder Schüttgut
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen von verdampfbarer Flüssigkeit aus ausgebreitetem Stück- oder Schüttgut im Vakuum durch Verdampfung und Kondensation bei zwei unterschiedlichen Temperaturen sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Vakuumtrocknung von Stück- oder Schüttgütern unterscheidet man grundsätzlich Verfahren, bei denen die Trockenguttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt (Gefriertrocknung) von solchen, bei denen sich das Trockengut auf einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes befindet. Im ersten Falle erfolgt die Trocknung durch Sublimation, im zweiten durch Verdampfung.
Bei den Gefriertrockenverfahren kann das Sublimat außerhalb des Trockenraumes an einem Kondensator vor der Vakuumpumpe niedergeschlagen werden (Ulimann, Enzyklopädie der Technischen Chemie Bd. 2, p. 698 ff: "Trocknung fester
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Stoffe"; Krauss-Maffei, DE-OS 1 6o4 964, 1966) oder aber zur Erzielung eines hohen Massentransportes, das heißt einer großen Trockengeschwindigkeit, an Kondensatorplatten ausgefroren werden, die sich im Trockenraum selbst befinden und möglichst nahe der Oberfläche des Trockengutes angeordnet sind (Hills Bros. Coffee Inc., DE-OS 1 6o4 844, 1966; H. Togashi, J.L. Mercer, US-PS 3 247 6oo, 1964). In beiden Fällen ist es jedoch unerläßlich, während des gesamten Trockenvorganges mit laufender Vakuumpumpe zu arbeiten, da der Dampfdruck von Flüssigkeiten unterhalb ihres Gefrierpunktes normalerweise gering ist. Er beträgt zum Beispiel für Wasser bei O0C 6,o9 mbar, bei -32°C o,3o2 mbar und -6o°C o,oo9 mbar. Es lassen sich also nur dann relativ hohe Trockengeschwindigkeiten erzielen, wenn wegen des niedrigen Sublimationsdruckes bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes dafür gesorgt wird, daß der Druck im Trockenraum möglichst klein ist. Dies kann nur durch laufendes Abpumpen mit Vakuumpumpen erreicht werden, die wegen der bei niedrigen Drücken großen Gasvolumina leistungsstark sein müssen. Außerdem ist die Aufrechterhaltung eines guten Vakuums auch sehr wichtig im Hinblick auf eine möglichst große freie Weglänge der sublimierenden gasförmigen Substanz. Der Abstand zwischen Trockengutoberfläche und Kondensatoroberfläche sollte dagegen möglichst klein sein (Hills Bros. Coffee Inc., DE-OS 1 6o4 844, 1966).
Bei den mit Verdampfung der Flüssigkeit arbeitenden Vakuumtrockenverfahren wird die verdampfte Flüssigkeit normalerweise während des gesamten Trockenvorganges mittels einer Vakuumpumpe abgepumpt, wobei Dämpfe an einem außerhalb
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des Trockenraumes vor der Pumpe angeordneten Kondensator kondensiert werden (üllmann, Enzyklopädie der Technischen Chemie Bd. 2, S. 698 ff: "Trocknung fester Stoffe"). Das Festgut kann dabei ruhen oder bewegt werden. Ferner wurden auch Vakuumtrockner entwickelt, bei denen ein Teil des entstehenden Dampfes im Trockenraum umgepumpt wird und zum Heizen des Festgutes dient, wobei der Druck pulsiert (L. Gil, L. Gontier, M. Rougie, DE-PS 6o3 918; 1932). Auch bei diesem Verfahren wird während des gesamten Trockenvorganges Vakuum gezogen und der aus dem Trockenraum austretende Dampf in einem Kondensator vor der Vakuumpumpe kondensiert. Bei einem weiteren Trockenverfahren wird außerhalb des Trockenraumes zunächst kontinuierlich unter überdruck stehendes heißes Waser verdampft und dann in einem ebenfalls außerhalb des Trockenraumes angeordneten Kondensator wieder kondensiert. Diese Anordnung wirkt als Vakuumpumpe mit vorgeschaltetem Kondensator, in dem auch die aus dem Trockengut stammenden und aus dem Trockenraum herausgesaugten Dämpfe kondensiert werden (Magma Power Co., US-PS 3 2o6 866, 1963).
Schließlich wird noch in der FR-PS 71. 14289 ein Verfahren beschrieben, bei dem der Trockenraum nur zu Beginn der Trocknung mittels einer Vakuumpumpe evakuiert und dann abgeschlossen wird, wonach die Flüssigkeit innerhalb des Trockenraumes verdampft und mit einem Kondensator wieder kondensiert wird, der durch eine Membranwand vom Trockengut getrennt ist.
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Bei einer von der Anmelderin entwickelten Trockenvorrichtung (GM 77 3o 681) sind auch bereits Gutträger und Kondensator ohne zwischengeschaltete Trennmembran innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Als Beispiel für die Arbeitsweise dieser Vorrichtung wird in dem Gbm die Trocknung von Kohlepulvermaterial· bei Heizmitte^emperaturen von etwa 15o°C und wassergekühltem Kondensator angegeben.
Es wurde nun gefunden, daß diese Vorrichtung mit besonderem Erfolg für die Trocknung empfindlicher Güter eingesetzt werden kann, wenn man spezielle Bedingungen einhält, unter denen aber auch eine Trocknung (oder Abtrennung verdampfbarer Flüssigkeit) von beliebigem Stückoder Schüttgut besonders elegant, schnell mit verringerter Leistung und ohne Belastung der Pumpen erreicht werden kann.
Das demgemäß entwickelte erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß man die Verdampfung und unmittelbare Kondensation innerhalb eines hochvakuumdichten Behälters vornimmt, der mit einer ins Freie arbeitenden Vakuumpumpe mit einem .Enddruck von etwa 1o~ mbar oder mehr evakuiert und abgeschlossen und gegebenenfalls intermittierend nachevakuiert wird.
Bei der Verdampfungstrocknung im Vakuum wurde bislang davon ausgegangen, daß die Trockengeschwindigkeit umso größer ist, je besser das Vakuum ist. Aus diesem Grund
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wurde die Vakuumpumpe während der gesamten Trocknung in Betrieb gehalten und der Dampf außerhalb des Trockenraumes nach Möglichkeit bei tiefen Temperaturen, das heißt oft in fester Form auskondensiert. Die im allgemeinen befürchtete Rückverdampfung vom Kondensator in den Trockenraum war damit ausgeschlossen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses Konzept bewußt verlassen und lediglich zu Beginn des Trockenvorgangens der Trockenraum mit einer einfachen Vakuumpumpe abgepumpt und dann abgeschlossen, wonach die Pumpe abgestellt werden kann.
Diese erfindungsgemäße Arbeitsweise hat insbesondere bezüglich der Trocknung von empfindlichen Gütern der Pharma- ode Nahrungsmittelindustrie besondere Vorteile: bei der herkömmlichen Trocknung durch Verdampfung wird die Flüssigkeit zu Anfang an der Oberfläche des Trockengutes sehr schnell verdampft, weil der Druck im Gasraum sehr klein gehalten wird. Dadurch entsteht sehr schnell eine trockene Oberflächenschicht, die einen Transport der Feuchte in flüssiger Form aus den tiefergelegenen Schichten des Gutes verhindert und offensichtlich veränderungsanfällig ist und zu Aromaverlusten bei den Nahrungsmitteln führt.
Voraussetzung für ein einwandfreies Funktionieren des erfindungsgemäßen Vakummtrockenverfahrens ist folgende Bedingung:
Obwohl der Trockenvorgang bei relativ hohem Druck abläuft (er liegt beispielsweise im Fall von Wasser bei etwa 5 mbar
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bis 3o mbar), muß der Trockner selbst hochvakuumdicht ausgelegt sein, das heißt für Drücke von etwa 1o mbar
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bis 1o mbar. Diese Bedingung hat ihren Grund darin, daß der eigentliche Trockenvorgang in dem von der Vakuumpumpe abgeschlossenen Trockner abläuft. Die Trockenzeiten betragen dabei Stunden und in dieser Zeit muß der Partialdruck der unkondensierbaren Gase, das heißt im Normalfall der Luft, so niedrig wie möglich gehalten werden. Anders ausgedrückt, das abgeschlossene Trocknergefäß darf nur eine ganz geringe Leckrate haben, obwohl der Druck im Trockenraum relativ hoch ist. Mit zunehmendem Partialdruck der unkondensierbaren Gase im Trocknerraum sinkt der Massentransport des Flüssigkeitsdampfes vom Trockengut zur Kondensatorflache stark ab und die Trockengeschwindigkeit verringert sich entsprechend.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß für die zu Beginn des Trockenprozesses notwendige Evakuierung des Trockners keine aufwendigen Hochvakuumpumpsysteme erforderlich sind. Es genügt vielmehr eine einfache Vakuumpumpe, deren Endvakuum bei etwa 1o~ mbar oder niedriger liegt, da die infolge des Evakuierens aus dem Trockengut verdampfende Flüssigkeit die zu Beginn vorhandene Luft in relativ kurzer Zeit verdrängt, der Partialdruck der Restluft im Trockner also nicht durch den Enddruck der Vakuumpumpe, sondern durch die Evakuierungsdauer bestimmt wird.
Bei üblichen Dimensionierungen von Trockner und Vakuumpumpe werden Zeiten in der Gegend von 5 Minuten bis 2o Min.
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je nach Trockengut benötigt. Eine nicht ausreichende Evakuierung zeigt sich im allgemeinen an einem ungenügenden Kondensatfluß.
Der sonst übliche Kondensator zwischen Trockner und Vakuumpumpe ist bei dem vorliegenden Verfahren überflüssig, es sei denn, die abzudampfende Flüssigkeit ist toxisch oder aggressiv. In diesem Falle werden die kondensierbaren Gase hinter dem Pumpenausgang aufgefangen.
Zweckmäßigerweise verwendet man zur Evakuierung eine Ringspaltpumpe anstelle der üblichen Ölpumpen, da bei mit öl arbeitenden Vakuumpumpen trotz Fahrens mit Gasballast infolge der hohen Flüssigkeitsdurchsätze häufige Ölwechsel notwendig sind.
Ganz allgemein bietet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bisher bekannten eine Reihe beachtlicher Vorteile:
Der Massenstrom zwischen dem Trockengut und dem Kondensator ist sehr hoch.
Das Verfahren zeichnet sich außerdem durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus, denn es wird weder Energie zum Gefrieren des Trockengutes noch zur Erreichung hoher Guttemperatüren, noch zum kontinuierlichen Betrieb einer Vakummpumpe benötigt. Es genügt vielmehr eine relativ kleine Wärmemenge zur
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Aufheizung des Trockengutes und auch die Kühlleistungen sind niedrig. Besonders wirtschaftlich wird das Verfahren jedoch durch den Einsatz einer Wärmepumpe. Auch für das Anlegen des Vakuums ist nur kurzzeitig Energie für die Pumpe notwendig. Es genügt normalerweise, wenn ein Vakuum von etwa 1o mbar erreicht ist. Die Luft ist dann durch die verdampfende Flüssigkeit entfernt, der Trockenraum kann abgeschlossen und die Pumpe abgestellt werden.
Gemäß der Erfindung kann das Trockengut in Schütthöhen bis zu 8 cm einwandfrei getrocknet werden, während bislang üblicherweise Schütthöhen von bis zu 4 cm angewandt werden.
Schon bei Trockenguttemperaturen, die nur relativ wenig über der Kondensatortemperatur liegen, ist eine gute Trocknungsgeschwindigkeit zu erzielen. Bei Gütern der Nahrungsmittelindustrie wird man das Trockengut zum Beispiel auf maximal 5o°G erwärmen, während die Kondensatortemperatur 1o°C bis 15°C beträgt.
Wegen des verglichen mit anderen Vakuumtrockenverfahren hohen Dampfdruckes im Trockenraum trocknet die oberflächennahe Schicht bei einer Bodenkontaktheizung zum Beispiel erst zum Schluß des Trockenprozesses aus, das heißt auch innerhalb des Trockengutes liegt ein optimaler Massentransport
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vor. Man erreicht ohne weiteres Restfeuchten im Trockengut von 1 Gew.-% und weniger.
Wegen der niedrigen Gutstemperaturen, die eingestellt werden können, ist das Verfahren sehr gut geeignet zum schnellen Trocknen temperaturempfindlicher Güter, insbesondere von Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten.
Für die Trocknung von empfindlichen Lebensmitteln oder Pharmazeutika hat das erfindungsmäße Verfahren noch den weiteren Vorteil, daß leichtverdampfbare Aromastoffe oder Wirkstoffe hierbei nur in geringem Maße mit der Feuchtigkeit verdampft werden, da der Gesamtdruck im Trockenraum wesentlich höher liegt als bei anderen Vakuumtrockenververfahren.
Liegt die Feuchte in Form von Lösungsmitteln oder aggressiven Medien (zum Beispiel Säuren) vor, so ist die Belastung der Vakuumpumpe durch diese Stoffe denkbar gering, da die Pumpe nur kurzfristig läuft.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden beschrieben. Selbstverständlich sind auch andere Vorrichtungen möglich, sofern sie nur die Kriterien der vorliegenden Erfindung haben: Vakuumtrockner nach dem Verdampfungsprinzip, bei denen sich der Kondensator im Trockenraum befindet, keine Trennwand zwischen Trockengut und Kondensator vorhanden ist, der
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Trockenraum nach Erreichen des Vakuums (das mittels einer ins Freie arbeitenden einfachen Vakuumpumpe erzeugt wird) während des Trockenprozesses von der Pumpe abgeschlossen werden kann und eine Leckrate, wie sie für Hochvakuumanlagen üblich ist, nicht übersteigt.
Figur 1 zeigt eine schematische Zeichnung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vakuumtrockners . Der Vakuumbehälter besteht aus einem festfestehenden Boden (1) und einer nach oben beweglichen Haube (2). Eine Dichtung (3) sorgt für einen hochvakuumdichten Verschluß der beiden Behälterteile. An der Innenwand der Haube ist der Kondensator (4) mit dem Kühlmittelzulauf (5) und -ablauf (6) angeordnet, von dem das gebildete Kondensat nach unten auf den Boden (1) abläuft. Im Innern der aufgesetzten Haube (2) befinden sich die auf dem Boden des Vakuumbehälters fest angebrachten Stützen (7), welche die Heizplatten (8) tragen. Diese werden mit einem bei (9) einlaufenden und bei (1o) austretenden Heizmedium erhitzt. Auf den Heizplatten (8) befinden sich die Schalen mit dem Trockengut (11). Das vom Kondensator (4) abtropfende. Kondensat gelangt in den Kondensatbehälter (12), wobei die Flüssigkeit das Schauglas (13) passiert. Das Kondensat kann über ein hochvakuumdichtes Ventil (14) zum Beispiel mittels einer Pumpe entnommen werden. Der Vakuumbehälter wird durch den Absaugstutzen (15), der mit einer Haube (16) versehen ist, über das Hochvakuumventil (17) von der Vakuumpumpe (18) evakuiert und durch das Hochvakuumventil (19)
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wieder belüftet.
Die Anordnung von Gutträger und Kondensator kann selbstverständlich auch abweichend gestaltet werden, wie zum Beispiel durch zwei ineinandergepaßte Spiral- bzw. Wendelflächen.
Anwendungsbeispiel 1 Trocknung von Kartoffelstückchen
25 kg Kartoffelstückchen mit einer Feuchte von 85 Gew.-% wurden in die Schalen des Vakuumtrockners mit einer Schütthöhe von etwa 2 cm eingefüllt. Die Oberfläche des Trocken-
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gutes betrug 1,6 m . Zunächst wurde etwa 1o min evakuiert, wobei ein Druck von etwa 14 mbar erreicht wurde. Die Kühlwassertemperatur betrug 14°C. Nach dem Evakuieren wurde der Hochvakuumbehälter von der Pumpe abgeschlossen und die Vakuumpumpe abgestellt. Die Heizböden wurden aufgeheizt, wobei im 1. Trockenabschnitt eine Gutstemperatur von 24°C erreicht wurde. Nach 3 h war der Druck im Vakuumbehülter durch ein Nachgasen des Trockengutes auf etwa 2o mbar gestiegen. Es wurde 1o Min. nachevakuiert und dann wieder der Vakuumtrockner abgeschlossen. Nach 6 h war die Trocknung der Kartoffelstückchen beendet. Die maximale Gutstemperatur betrug zum Schluß der Trocknung 46 C, die Restfeuchte des Trockenguts 1o,2 Gew.-% und die über die gesamte Trocknung gemittelte Trockengeschwindigkeit etwa 2 kg/ h χ m .
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Anwendungsbeispiel 2 Trocknung von Zwiebelringen
36 kg Zwiebelringe mit einer Feuchte von 82 Gew.-% wurden in die Schale des Vakuumtrockners mit einer Schütthöhe von 4 cm eingefüllt. Die Oberfläche des Trockengutes betrug 3,2 m . Zunächst wurde etwa 1o min evakuiert, wobei ein Druck von etwa 14 mbar erreicht wurde. Die Kühlwassertemperatur betrug 13°C. Nach dem Evakuieren wurde der Vakuumbehälter von der Pumpe abgeschlossen und die Vakuumpumpe abgestellt. Die Heizböden wurden aufgeheizt, wobei eine Gutstemperatur von maximal 3o°C erreicht wurde. Nach 4,5 h war der Druck auf etwa 18 mbar durch das Nachgasen des Trockengutes gestiegen. Es wurde belüftet und das Trockengut von Hand gewendet. Danach wurde erneut etwa 1o min evakuiert. Nach 9 h war die Trocknung der Zwiebelringe beendet. Die maximale Gutstemperatur betrug zum Schluß der Trocknung 35 C, die Restfeuchte des Trockengutes 8 Gew.-% und die über die gesamte Trocknung gemittelte Trockengeschwindigkeit 1kg/h χ m .
Anwendungsbeispiel 3 Trocknung eines Pulvers aus binderumhüllten Kohlenstoffkörpern
64 kg eines Pulvers aus binderumhüllten Körnern mit einer Feuchte von etwa 5o Gew.-% wurden in die Schalen des Vakuumtrockners mit einer Schütthöhe von etwa 4 cm eingefüllt. Die
2 Oberfläche des Trockengutes betrug 3,2 m . Zunächst wurde etwa 1o min. evakuiert, wobei ein Druck von etwa 1o mbar erreicht wurde. Nach 13 h war die Trocknung des Pulvers beendet. Die maximale Gutstemperatur betrug zum Schluß der Trocknung 48°C, die Restfeuchte des Trockengutes 1 Gew.-% und die über die gesamte Trocknung gemittelte Trockengeschwin-
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digkeit etwa o,8 kg/ h χ m .
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Claims (9)

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung Amtl. Aktenzeichen P 29 14 181.9-16 Patentansprüche
1. Verfahren zum Abtrennen von verdampfbarer Flüssigkeit aus ausgebreitetem Stück- oder Schüttgut im Vakuum durch Verdampfung und Kondensation bei zwei unterschiedlichen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet , daß man die Verdampfung und unmittelbare Kondensation innerhalb eines hochvakummdichten Behälters vornimmt, der mit einer ins Freie arbeitenden Vakuumpumpe mit einem
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Enddruck von etwa 1o mbar oder mehr evakuiert und abgeschlossen und gegebenenfalls intermittierend nachevakuiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß für die Abtrennung von Wasser ein auf 1o~ mbar bis 1o mbar dichter Behälter mit einer auf etwa 5 mbar bis 3o mbar evakuierenden Vakuumpumpe, insbesondere mit einer Ringspaltpumpe, bis zu einem Partialdruck des nichtskon-
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densierbaren Gases von höchstens etwa 1o mbar evakuiert und dann abgeschlossen wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man als Trockengut empfindliches Stück- oder Schüttgut der Pharma- oder Nahrungsmittelindustrie verwendet, zur Trocknung auf maximal 5o°C erwärmt und den entwickelten Dampf an: einer kalten Fläche von etwa 1o°C bis 15°C abscheidet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Trockengut in einer Schütthöhe von nicht mehr als 6 cm bis 8 cm durch den Trockenraum geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß das Trockengut im Trockenraum gerüttelt oder gewendet wird.
6. Verfahren in Abwandlung von Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß man vom Trockengut abgegebene toxische oder agressive Medien hinter der Vakuumpumpe auffängt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit einer ins Freie arbeitenden Vakuumpumpe mit einem Enddruck von 1 ο mbar oder mehr evakuierte hochvakuumdichte Vakuumkammer (1,2), in der ein gekühlter Kondensator (4) in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem vorzugsweise heizbaren Trockengutträger (8) angeordnet ist.
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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine konzentrische Anordnung von Trockengutträger (8) und Kondensator (4).
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Trockengutträger (8) durch (gegebenenfalls geneigte) übereinander angeordnete Böden gebildet wird, die von einem zylindrischen Kondensator (4) umschlossen werden.
ο. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Trockengutträger und der Kondensator durch zwei ineinandergepaßte Spiral- bzw. Wendelflächen gebildet werden.
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