Zerstäubungstrocknen und Anlage zur Durchführung des Verfahrens

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhitzung eines Konzentrats in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen, insbesondere für temperatursensible Konzentrate, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung des Erhitzens eines Konzentrats in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen. Unter temperatursensiblen Konzentraten sollen insbesondere solche Substrate verstanden werden, die einen hohen Gehalt an Proteinen und Trockenstoffen und wenig Wasser aufweisen, die leicht denaturieren und die im Verlauf des Zerstäubungstrock- nens unter aseptischen Bedingungen zu einem keimfreie Endprodukt verarbeitet werden.

STAND DER TECHNIK

Die Herstellung pulverförmiger Nahrungsmittelprodukte, insbesondere Milchprodukte, wie beispielsweise leicht lösliche Nahrungsmittel für Kleinkinder, erfolgt in vielen Fällen durch Zerstäubungs- oder Sprühtrocknung in einem sogenannten Trocknerturm. Dort wird ein zuvor auf einen bestimmten Gehalt an Trockensubstanz in einem Verdampfer bzw. einem Eindampfer aufkonzentriertes und anschließend in einem Erhitzer auf eine definierte Temperatur angewärmtes Produkt, nachfolgend als Konzentrat bezeichnet, in einen heißen Luftstrom entweder über Scheiben oder, wie im vorliegenden bevorzugten Fall, über Düsen, insbesondere Einstoffdüsen, zerstäubt. Diesen sog. Druckzerstäuber-Düsen wird das aus dem Erhitzer austretende Konzentrat mittels einer Hochdruck-Kolbenpumpe, einer sogenannten Düsenpumpe, mit einem Druck, der bis maximal 350 bar reichen kann, zugeführt.

Die Statik der Trocknertürme ist in der Regel nicht ausreichend, um die schwere Hochdruck-Kolbenpumpe zu tragen und um sie so in der unmittelbaren Nähe zu den Druckzerstäuber-Düsen, was aus technologischen und verfahrenstechnischen Gründen wünschenswert wäre, zu installieren. Eine in der Nähe der Druckzer- stäuber-Düsen angeordnete Hochdruck-Kolbenpumpe würde in diesem Bereich, dem sogenannten Heißraum im Kopfraum des Trocknerturms, bei Umgebungstemperaturen arbeiten, die 75 bis 80 °C erreichen können und eine aseptische Betriebsweise erfordern. Eine weitere thermische Inaktivierung von Mikroorganismen wäre darüber hinaus nicht möglich.

Aus den vorgenannten Gründen wird die Hochdruck-Kolbenpumpe bislang im unteren Bereich des Trocknerturms angeordnet. Ein signifikanter Höhenunterschied zwischen der Hochdruck-Kolbenpumpe und den Druckzerstäuber-Düsen wird über eine Steigleitung überbrückt, die planmäßig oder zwangsläufig auch als Heißhaltestrecke fungiert.

Um eine möglichst lange und hygienisch einwandfreie Lagerung des pulverförmi- gen Nahrungsmittelproduktes sicherzustellen, muss das Endprodukt eine gute Löslichkeit aufweisen und möglichst keimfrei sein. Die erforderliche Keimfreiheit ergibt sich durch das Abtöten von Mikroorganismen weitestgehend für das aus dem Erhitzer austretende Konzentrat, wenn dieses mit einem geeigneten Temperatur- und Haltezeitverlauf geführt und wenn in die Betrachtung die als Heißhaltestrecke fungierende Steigleitung zu den Druckzerstäuber-Düsen einbezogen wird. Für die Herstellung von sogenanntem„low heat pulver" ist eine Temperatur von max. 77 °C, von sogenanntem„high heat pulver" von ca. 85 °C und von sogenanntem„ultra high heat pulver" von bis zu 125 °C erforderlich.

Die zwangsläufige mittlere Verweilzeit des Konzentrats in der Steigleitung nach vorheriger Hochdruckbehandlung in Verbindung mit einer heißen Temperatur be- einflusst die Löslichkeit des Endprodukts in unerwünschter Weise. Darüber hinaus führt die lange Heißhaltung in der Steigleitung zu einer Denaturierung des Konzentrats. So beträgt beispielsweise die mittlere Verweilzeit des Konzentrats 42 Sekunden, wenn es in einer 30 m langen Steigleitung mit einem Durchmesser DN50 und mit einem Volumenstrom von 5.000 Liter/h gefördert wird. Dies bedeutet in der Regel auch Qualitätsminderung des Endprodukts. Eine diesbezügliche Denaturierung kann beispielsweise die Pulverqualität von Babyfood derart beeinflussen, dass dessen vollständige Löslichkeit nicht mehr sichergestellt ist und dadurch eine nicht hinnehmbare Klümpchenbildung in der zubereiteten Babynah- rung auftritt. Darüber hinaus führt die lange Verweilzeit bei hohen Temperaturen zu chemischen Reaktionen im Konzentrat und zur Ansatzbildung, dem sog. Pro- dukt-Fouling, an den Wänden der Steigleitung und in den Druckzerstäuber-Düsen, wodurch sich die Produktionszeit für eine vorgelegte Charge Konzentrat unerwünscht verlängert.

So darf beispielsweise bei Milchkonzentraten zur Vermeidung von Kristallisationsvorgängen in der Lactose die Temperatur in der Steigleitung und damit bis zu den Druckzerstäuber-Düsen nicht höher als 65 bis 68 °C sein. Daher begrenzt die lange Steigleitung die zulässige dortige Temperatur.

Eine Verbesserung des mikrobakteriellen Status des Konzentrats vor dem Eindampfen beispielsweise durch Entkeimung mittels Mikrofiltration, ist bekannt, sie ist aufwändig, aber verbessert den mikrobakteriellen Status des Endprodukts. Die notwendige Keimfreiheit bis zum Eintritt in die Drückzerstäuber-Düsen kann auch durch die Hochdruck-Kolbenpumpe gefährdet werden, da diese das Konzentrat mit vertretbarem technischem Aufwand nicht unter aseptischen Bedingungen fördern kann. Aseptische Förderbedingungen erfordern hingegen einen erheblichen technischen Aufwand, der in der Praxis in der Regel nicht betrieben wird oder betrieben werden kann. Über die Kolben der Hochdruck-Kolbenpumpe können Keime aus der Umgebungsluft in das Konzentrat eingetragen werden, sodass dort eine Reinfektion stattfindet. Das pulverförmige Endprodukt kann dann verkeimt sein und die Verkeimung wird unter der Einwirkung der im Endprodukt notorisch verbleibenden Restfeuchte zeitabhängig zunehmen.

Eine aseptische Förderung des aus dem Erhitzer austretenden flüssigen Ausgangsprodukts ist nach dem Stand der Technik in der stromabwärts angeordneten Hochdruck-Kolbenpumpe nur mit erhöhtem technischem Aufwand möglich. Die bekannten Anlagen zum Sprühtrocknen, bei denen ein Niederdruck-Erhitzen und anschließendes Druckerhöhen im Fußbereich des Trocknerturms auf maximal 350 bar und eine Förderung des Konzentrats über eine Steigleitung bis zu den Druckzerstäuber-Düsen erfolgt, weisen folgende Nachteile auf:

• die Steigleitung wirkt wie eine technologisch an sich unerwünschte Verweilzeit- strecke und ein Heißhalter; • die Verweilzeit verringert zwangsläufig die Eintrittstemperatur in die Druckzerstäuber-Düsen;

• durch die Verweilzeit ergibt sich ein unerwünschter Viskositätsanstieg

(Geliereffekt);

· der Zustand des temperatursensiblen Konzentrats ist vor den Druckzerstäuber- Düsen nicht klar definiert, weil die Verweilzeit in der Steigleitung nicht klar definiert werden kann;

• durch die Verweilzeit in Verbindung mit der Heißhaltung kommt es zur Denaturierung des Konzentrats, die mit verstärkten Konzentrat-Ablagerungen einher- geht;

• es ergibt sich eine geringere Standzeit der Anlage, die dadurch öfter zu reinigen ist;

• die Hochdruck-Kolbenpumpe müsste steril arbeiten, d.h. das Konzentrat muss durch die Pumpe aseptisch behandelt werden, was mit hohen Kosten verbun- den ist;

• Hochdruck-Kolbenpumpen, die nicht aseptisch arbeiten, führen zu einem stark verkeimten Endprodukt;

• durch die relativ niedrige Temperatur vor den Druckzerstäuber-Düsen ergibt sich eine reduzierte Mengenleistung des Trocknerturms.

Zum Erreichen der notwendigen Sterilität des unter hohem Druck aus der Hochdruck-Kolbenpumpe austretenden flüssigen Konzentrats könnte ein geeignetes Hochdruck- Erhitzen dieses Konzentrats auf dem Weg zu den Druckzerstäuber- Düsen vorgesehen werden. Dieses Hochdruck-Erhitzen könnte unmittelbar vor den Druckzerstäuber-Düsen erfolgen, wodurch die Temperatur in der Steigleitung auf eine unkritische Höhe reduziert werden könnte. Diese Anordnung würde auch weiterhin den Betrieb einer nicht aseptisch fördernden Hochdruck-Kolbenpumpe am Fuße des Trocknerturms erlauben. In diesem Zusammenhang wurde bereits vorgeschlagen, das Hochdruck-Erhitzen in einem hinreichend druckfesten, ge- wendelten Monorohr vorzunehmen, das zur Beheizung von außen mit Dampf beaufschlagt wird. Dieser Vorschlag ist jedoch nicht zielführend, da kein gleichmäßiger Wärmeeintrag über die Außenseite und über die gesamte Länge des Mo- norohres und damit keine gleiche Verweilzeit für alle Teilchen des im Monorohr strömenden Konzentrats sichergestellt ist. Ein Wärmeaustauscher in Gestalt eines Monorohres ist auch aus der US 3,072,486 A bekannt. Diese Druckschrift beschreibt die Zubereitung von löslichem Milchpulver in einer Anlage zur Zerstäubungstrocknung. Ein Konzentrat aus Magermilch oder Vollmilch wird in einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur zwischen ca. 40 °C und 49 °C vorgewärmt, anschließend mittels einer Verdrängerpumpe einem Mischer zugeführt und dort unter Zufuhr eines Gases in einen stabilen Schaum aufgeschäumt. Der Schaum wird über eine Rohrleitung aus dem Mischer abgeführt, einer Hochdruckpumpe zugeführt, erfährt dort eine Druckerhö- hung auf beispielsweise ca. 103 bar und tritt an einem Sprühkopf, der über die Rohrleitung mit der Hochdruckpumpe verbunden ist, in einen Sprühtrockner aus. Ein in den Sprühkopf einmündender Endabschnitt der Rohrleitung ist von einem Rohr größeren Durchmessers umgeben, das in einem Ofen auf eine Temperatur von ca. 232 °C erhitztes Gas dem Sprühkopf mit einer Temperatur zwischen ca. 82 °C und 84 °C zuführt. Der Endabschnitt der den Schaum transportierenden Rohrleitung stellt somit ein von außen mit einem Gas beheiztes Monorohr dar.

Ein Wärmeaustauscher, der die Forderungen nach einem hinreichend gleichmäßigen Wärmeeintrag und nach einer für alle Teilchen des Konzentrats annähernd gleichen Verweilzeit auf niedrigem Druckniveau erfüllt, wäre grundsätzlich ein sogenannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher, der prinzipiell an die Stelle des vorgenannten Monorohres treten könnte. Die grundsätzliche Bauweise eines diesbezüglichen Rohrbündel-Wärmeaustauschers ist beispielsweise in der DE 94 03 913 U1 beschrieben. Die DE 10 2005 059 463 A1 offenbart ebenfalls einen derartigen Rohrbündel-Wärmeaustauscher für ein niedriges Druckniveau und zeigt darüber hinaus auf, wie eine Anzahl von Rohrbündeln in diesem Wärmeaustauscher parallel angeordnet und fluiddurchgängig mittels Verbindungsbogen oder Verbindungsarmaturen in Reihe geschaltet werden können. Eine diesbezügliche Anordnung zeigt Figur 1 dieses Dokuments (Stand der Technik).

Obgleich zwischenzeitlich ein Krümmer bzw. eine Verbindungsarmatur für Produktdrücke bis 350 bar zur Verbindung der Rohrbündel in einem diesbezüglichen Rohrbündel-Wärmeaustauscher zur Verfügung steht (DE 10 2014 012 279 A1), wobei der bekannte Rohrbündel-Wärmeaustauscher (DE 94 03 913 U1 ; DE 10 2005 059 463 A1 ) für dieses hohe Druckniveau nicht geeignet ist, ist auch das verfahrenstechnische Problem nicht gelöst, das darin besteht, ein Konzentrat für das Zerstäubungstrocknen vor den Druckzerstäuber-Düsen einer Behandlung zu unterziehen, bei der eine Denaturierung des Konzentrats und Produktablagerungen vermieden und ein keimfreies, d.h. mikrobiologisch einwandfreies Endpro- dukt sichergestellt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zum Erhitzen eines Konzentrats in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen der gattungsgemäßen Art und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, die bei einer wirtschaftlichen Steigerung der Mengenleistung des Trocknerturms die Neigung zur Denaturierung des Konzentrats und zu Ablagerungen desselben vermindern und dabei ein mikrobiologisch einwandfreies Endprodukt sicherstellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens wird mit den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlagen sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche. Ein Verfahren zur Steuerung des Erhitzens eines Konzentrats in einer Anlage zum Sprühtrocknen ist Gegenstand des Anspruchs 7. Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von dem bekannten Verfahren,

• bei dem auf einem Niederdruck-Niveau ein Niederdruck-Erhitzen des Konzentrats von einer Vorlauf-Temperatur auf eine für ein Druckzerstäuben des Konzentrats erforderliche Zulauf-Temperatur, die auch die Zerstäubungs-Temperatur darstellt, durchgeführt wird und

· bei dem anschließend ein Druckerhöhen des Konzentrats auf ein Hochdruck- Niveau erfolgt.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Nachrüstung einer bestehenden Anlage, in der eine aseptisch arbeitende oder auch nicht aseptisch arbeitende Hochdruck-Kolbenpumpe angeordnet ist, und es ist durch die Abfolge der folgenden Schritte (a) bis (c) gekennzeichnet:

(a) zusätzliches Hochdruck-Erhitzen (H2) des Konzentrats (K) auf dem Hochdruck-Niveau (p2) auf eine erhöhte Zerstäubungs-Temperatur (T3), die im Bereich von 75 bis 80 °C liegt, mittels eines Hochdruck-Wärmeaustauschers (16), der sekundärseitig mit einem Wärmeträgermittel (W) beaufschlagt und der als Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von vom Konzentrat (K) parallel durchströmten Innenrohren ausgebildet ist, die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordnet sind und in Summe einen Innenkanal ausbilden,

(b) definiertes Scherbeanspruchen (S) des Konzentrats (K) im Verlauf oder im unmittelbaren Nachgang zur Behandlung nach Schritt (a) mit Mitteln, die in einem ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal bestehen, der sich, in Strömungsrichtung gesehen, an den Innenkanal anschließt und der eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte aufweist und

(c) anschließend unverzügliches Überführen (Ü) des nach Schritt (b) behandelten Konzentrats (K) an den Ort seines Druckzerstäubens (DZ), wobei eine Überführungszeit (At) für das unverzügliche Überführen (Ü) durch einen minimal möglichen strömungstechnisch wirksamen Abstand zwischen den Mitteln zur Durchführung des Schrittes (b) und dem Ort des Druckzerstäubens (DZ) bestimmt ist.

Beim Verfahren erfolgt das Erhitzen des Konzentrats auf die erhöhte Zerstäubungs-Temperatur in zwei Schritten, und zwar mit einem Druckerhöhen von einem Niederdruck-Niveau auf ein Hochdruck-Niveau zwischen den beiden Schritten.

Im Verfahren besteht ein wesentlicher erfinderischer Grundgedanke darin, dass das Konzentrat im Verlauf des zusätzlichen Hochdruck-Erhitzens oder im unmit- telbaren Nachgang zum zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen auf die erhöhte Zerstäubungs-Temperatur einer definierten Scherbeanspruchung unterzogen wird. Unter definierter Scherbeanspruchung soll eine strömungsmechanische Beanspruchung des Konzentrats verstanden werden, die Scherkräfte auf das Konzentrat ausübt. Diese Scherkräfte sind durch eine definierte Erstreckungslänge und ei- nen definierten längenabhängigen Verlauf eines ringraumförmigen austrittsseitigen Kanals, den das Konzentrat durchströmen muss, bestimmt und können durch die geometrische Ausgestaltung diese Kanals den jeweiligen Erfordernissen des Konzentrats (Rezeptur) angepasst werden. Danach erfolgt ein unverzügliches Überführen des Konzentrats an den Ort seines Druckzerstäubens. Die Überführungszeit für dieses unverzügliche Überführen wird so kurz, wie dies möglich ist, eingerichtet. So kurz, wie möglich, bedeutet konkret, dass die Mittel zum zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen, die die Mittel zur Scherbeanspruchung vorzugsweise einschließen, einen minimal möglichen strömungs- technisch wirksamen Abstand zum Ort des Druckzerstäubens, den Druckzerstäuber-Düsen, erhalten. Vorzugsweise münden die Mittel zur Scherbeanspruchung unmittelbar in die Druckzerstäuber-Düsen ein. Unter einem strömungstechnisch wirksamen Abstand ist in diesem Zusammenhang der tatsächlich vom Konzentrat zurückgelegte Strömungsweg zu verstehen.

Mit dem erfindungsgemäßen zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen wird die bislang im Stand der Technik hinzunehmende nachteilige Heißhaltung quasi gekappt und es gelingt, unmittelbar vor den Druckzerstäuber-Düsen, die Erhitzung zu definieren bzw. die Wärmebehandlung reproduzierbar einzurichten. Es können gewünschte Wärmebelastungen, abhängig und angepasst an das Konzentrat, den Massenstrom und die Inhaltsstoffe, definiert eingestellt werden. Darüber hinaus ist auch eine kontrollierte Denaturierung des Konzentrats mit Blick auf das gewünschte Endprodukt möglich, indem Temperatur und Verweilzeit beim zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen eingestellt werden. Dadurch wird beispielsweise eine effektive mik- robiologische Verbesserung des Endproduktes oder eine definierte Eiweiß- oder Stärkequellung erreicht.

Durch die geringere Temperatur in der Steigleitung und die geringere Verweilzeit bei hoher Temperatur im Zuge des zusätzlichen Hochdruck-Erhitzens ist der Vis- kositätsanstieg im Konzentrat, der sog. Geliereffekt, bedingt durch Kristallisationsvorgänge und/oder produktspezifische Eigenschaften, geringer als bei bekannten Verfahren. Dieser Geliereffekt wird durch die definierte Scherbeanspruchung einerseits tendenziell reduziert und andererseits wird der Geliereffekt standardisiert, wodurch die Druckzerstäuber-Düsen erst viel später durch Ansatzbildung verkle- ben. Damit werden Reinigungs- und Rüstzeiten reduziert. Ein weiterer Vorteil durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, dass das Konzentrat mit einer höheren Trockenstoff-Konzentration zugeführt werden kann. Eine Trockenstoffanhebung ist in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Konzentrats von 55 auf maximal 65 Mengenprozent möglich. Unter Mengenprozent des Konzentrats soll das Verhältnis in Prozent, gebildet aus der Masse des Konzentrats, die in einer Masse Flüssigkeit enthalten ist, verstanden werden. Die Leistung der Druckzerstäubungs-Anlage bzw. der Trocknungsanlage steigt bekanntermaßen mit einer höheren Trockenstoff-Konzentration und höherer Zer- stäubungs-Temperatur an den Druckzerstäuber-Düsen, wobei die Zerstäubungs- Temperatur gegenüber bekannten Verfahren bei gleicher Pulverqualität um 1 bis max. 5 °C erhöht werden kann.

• Eine Erhöhung der Temperatur des an der Druckzerstäuber-Düse austretenden Konzentrats um 1 °C hat eine Effizienzsteigerung, d.h. eine Steigerung der

(2 5— 3)%

Mengenleistung des Trocknerturms von 2,5 bis 3 % zur Folge (^- ^L -^— )■

• Das erfindungsgemäße Verfahren senkt somit die erforderliche spezifische Energie zum Trocknen und vorhandene Trocknungskapazitäten können erweitert werden.

• Es besteht die Aussicht, das hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren auch für eine UHT-Behandlung des Konzentrats bis in den aseptischen Bereich zu verwenden mit dem Ziel der Herstellung von sogenanntem„ultra-high heat pulver".

Das definierte Scherbeanspruchen des Konzentrats im Verlauf oder im unmittelba- ren Nachgang zum zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen wird dergestalt durchgeführt, dass das Konzentrat definierte Durchtrittsquerschnitte mit definierten Erstre- ckungslängen mit definierten erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten durchströmt. Zur Steuerung des definierten Scherbeanspruchens sieht eine Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Konzentrats beim zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen gegenüber dessen Strömungsgeschwindigkeit im dem zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen vorgelagerten Behandlungsbereich um 20 bis 25 % erhöht ist. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit maximal 3 m/s beträgt. Da diese Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf Hochdruck-Niveau stattfindet, spielen die damit verbundenen zusätzlichen Druckverluste beim Hochdruck-Erhitzungsvorgang keine signifikante Rolle. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ergibt einen besseren Wärmeübergang auf der Konzentratseite, woraus folgende weitere Vorteile resultieren:

· es ist ein Wärmeaustausch mit geringerer Wärmeaustauscherfläche möglich;

• es ist ein Eiweißkonzentrat mit höherer Konzentration möglich;

• es sind ein höherer Volumenstrom und damit eine höhere Durchsatzleistung möglich;

• es sind, bedingt durch den besseren Wärmeübergang, eine höhere Erhitzung des Konzentrats und dadurch eine höhere Trocknungsleistung möglich;

• es erfolgt eine definierte, planmäßig gewünschte Denaturierung des Konzentrats.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass das Hochdruck-Niveau, auf das das Konzentrat durch Druckerhöhen gebracht wird, bis maximal 350 bar beträgt. Weiterhin sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die erhöhte Zerstäubungs-Temperatur im Bereich von 75 bis 80 °C liegt und hier bevorzugt auf 80 °C eingestellt wird. Das Verfahren sieht weiterhin vor, ein Konzentrat mit einer Trockenstoff-Konzentration bis maximal 65 Mengenprozent (65 m%) zu behandeln.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens, die auf einer Anlage nach dem Stand der Technik aufsetzt und diese im Sinne der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung weiterentwickelt, besteht in an sich bekannter Weise aus einem Trocknerturm mit Druckzerstäuber-Düsen, einem Vorlaufbe hälter, der über einen ersten Leitungsabschnitt einer Niederdruck-Leitung, in dem eine Vorlaufpumpe angeordnet ist, fluidgängig mit dem Eintritt eines Niederdruck-Wärmeaustauschers verbunden ist. Sie besteht weiterhin aus einer Hochdruck-Kolbenpumpe, die ein- gangsseitig über einen zweiten Leitungsabschnitt der Niederdruck-Leitung mit dem Ausgang des Niederdruck-Wärmeaustauschers und die ausgangsseitig über eine Hochdruck-Leitung mit den Druckzerstäuber-Düsen verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Hochdruck-Leitung über einen zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauscher geführt ist. Der Hochdruck-Wärmeau- stauscher ist als Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von vom Konzentrat parallel durchströmten Innenrohren ausgebildet, die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordnet sind und in Summe einen Innenkanal ausbilden. Der Innenkanal ist, in Strömungsrichtung gesehen, im Anschluss an die In- nenrohre in Form eines umlaufenden Ringraumes ausgeführt. Dabei verbindet ein erster Hochdruck-Leitungsabschnitt der Hochdruck-Leitung den Ausgang der Hochdruck-Kolbenpumpe mit dem Eingang des zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauschers, und ein zweiter Hochdruck-Leitungsabschnitt der Hochdruck- Leitung verbindet den Ausgang des zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauschers mit den Druckzerstäuber-Düsen.

Eine strömungstechnisch wirksame Länge des zweiten Hochdruck-Leitungsabschnitts ist dabei auf ein konstruktiv mögliches Mindestmaß reduziert, d.h. der Ausgang des zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauschers ist, bezogen auf den Strömungsweg des Konzentrats, so nah, wie dies konstruktiv möglich ist, an die Druckzerstäuber-Düsen herangeführt.

Der zusätzliche Hochdruck-Wärmeaustauscher weist ausgangsseitig Mittel zur definierten Scherbeanspruchung des geförderten Konzentrats auf, wobei diese Mittel ohne bewegliche Elemente und/oder Zufuhr von Fremdenergie rein strömungsmechanisch durch definierte Durchtrittsquerschnitte, definierte Längen der Strömungswege und definierte erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten wirksam sind.

Die Mittel zur definierten Scherbeanspruchung des Konzentrats bestehen in einem ringraumförmigen austrittsseitigen Kanal, der einerseits mit dem Ausgang des umlaufenden Ringraumes und andererseits mit dem zweiten Hochdruck-Leitungsabschnitt verbunden ist. Dabei weist der ringra umförmige austrittsseitige Kanal im allgemeinsten Falle eine definierte Erstreckungslänge und einen definierten, von der Erstreckungslänge abhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte auf.

Unter dem Merkmal hinsichtlich der Anordnung einer Vielzahl von parallel durchströmten Innenrohren ist eine Anordnung zu verstehen, die, unabhängig von der Anzahl der Innenrohre, nicht einen gesamten Kreisquerschnitt eines Rohrbündel- Wärmeaustauschers belegt. Vielmehr sind alle Innenrohre auf dem besagten ein- zigen Kreis angeordnet, der einen inneren Bereich, nicht nur ein begrenztes Zent- rum, von Innenrohren unbelegt lässt. Diese Anordnung macht es möglich, dass der Innenkanal, gebildet durch die kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis angeordneten Innenrohre, in Strömungsrichtung gesehen, im Anschluss an die Innenrohre in Form eines umlaufenden Ringraumes ausgeführt werden kann.

Dabei ist es im Sinne einer gleichen Verweilzeit für alle Teile des wärmebehandelten Konzentrats von Vorteil, wie dies auch vorgeschlagen wird, dass die Kanal- durchtrittsquerschnitte über die gesamte Erstreckungslänge konstant sind. Diese wünschenswerte Gleichbehandlung wird weiterhin dadurch befördert, dass die er- höhte Strömungsgeschwindigkeit durch den gesamten Rohrbündel-Wärmeaustauscher bis zum Ende des definierten Scherbeanspruchens des Konzentrats möglichst gleichförmig ist, wobei eine weitere Ausführungsform diesbezüglich vorsieht, dass der Kanaldurchtrittsquerschnitt dem Gesamtdurchtrittsquerschnitt aller parallel durchströmten Innenrohre entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anlage zu seiner Durchführung lassen sich in vorteilhafter Weise konzentratabhängig steuern. Hierzu schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Erhitzens eines Konzentrats in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen vor. Die Steuerungsparameter für das zusätzliche Hochdruck-Erhitzen sind durch die Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats und die physikalischen Randbedingungen bestimmt. Unter den Eigenschaften des zu erhitzenden Konzentrats wird dessen Volumenstrom, Viskosität, Druck, Temperatur und Trockenstoff-Konzentration und unter den physikalischen Randbedingungen wird Druck und Temperatur am Ort des Druckzerstäubens verstanden. Die Steuerungsparameter, jeweils bezogen auf das Konzentrat, sind das Hochdruck- Niveau, die erhöhte Zerstäubungs-Temperatur, die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit beim zusätzlichen Hochdruck-Erhitzen und die Intensität des Scherbeanspruchens. Die Steuerungsparameter werden mittels einer vor oder bei Inbetriebnahme der Anlage zum Sprühtrocknen erstellten oder hinterlegten Kalibrierfunktion eingestellt. Die Kalibrierfunktion wird gewonnen, indem

• beim An- und Einfahren der Anlage mit einem diskreten Konzentrat (Rezeptur) bis zur Gewinnung einer befriedigenden Produktqualität Steuerungsparameter der in Rede stehenden Art erhalten werden, • die registriert und in einer Steuerung in Form der„Kalibrierfunktion" (Steuerungsparameter = Funktion von (Konzentrat bzw. Rezeptur)) abgespeichert werden.

Bei einer späteren Behandlung des gleichen Konzentrats (Rezeptur) kann auf die- se Erfahrungswerte in Form dieser Kalibrierfunktion zugegriffen und die notwendigen Steuerungsparameter können entsprechend eingestellt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine eingehendere Darstellung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Während die Erfindung in den verschiedensten Ausgestaltungen eines Verfahrens und in den verschiedensten Ausführungsformen einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens realisiert ist, sind in der Zeichnung ein bekanntes Verfah- ren und, ausgehend von diesem bekannten Verfahren, eine bevorzugte Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens schematisch dargestellt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit einem als Rohrbündel-Wärmeaustauscher ausgebildeten Hochdruck-Wärmeaustauscher ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen

Figur 1 in Form eines vereinfachten Verfahrensschemas ein Verfahren zum

Erhitzen eines Konzentrats in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen nach dem Stand der Technik;

Figur 1a in Form eines vereinfachten Verfahrensschemas ein auf dem bekannten Verfahren gemäß Figur 1 aufbauendes erfindungsgemäßes

Verfahren zum Erhitzen eines Konzentrats in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen;

Figur 2 in schematischer Darstellung eine Anlage nach dem Stand der

Technik zur Durchführung des Verfahren nach dem Stand der Technik gemäß Figur 1 ;

Figur 3 in schematischer Darstellung eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Figur 1a und

Figur 4 im Meridianschnitt einen austrittsseitigen Bereich eines in Form eines

Rohrbü del-Wärmeaustauschers ausgebildeten Hochdruck-Wärmeaustauschers. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Stand der Technik (Figuren 1 und 2)

Ein Verfahren zum Erhitzen eines Konzentrats K in einer Anlage zum Sprühtrocknen 1 (Trocknungsanlage) nach dem Stand der Technik zeigt Figur 1 und eine Anlage 1 nach dem Stand der Technik zur Durchführung des bekannten Verfahrens zeigt Figur 2. Nachfolgend werden das Verfahren und die zugeordnete Anlage 1 anhand dieser beiden Figuren parallel abgehandelt. Die genannten Temperaturen, Drücke und die Trockenstoff-Konzentration sind beispielhaft gewählt und können in der Praxis nach oben oder unten abweichen.

Das in einem Trocknerturm 2 der Trocknungsanlage 1 durch ein Druckzerstäuben DZ über Druckzerstäuber-Düsen 2a versprühtes Konzentrat K erfährt ein Bevorraten B in einem Vorlaufbehälter 4 (Figuren 1, 2). Der Vorlaufbehälter 4 ist über einen ersten Leitungsabschnitt 12.1 einer Niederdruck-Leitung 12, in dem eine Vor- laufpumpe 6 angeordnet ist, fluidgängig mit dem primärseitigen Eintritt eines Niederdruck-Wärmeaustauschers 8, in dem ein Niederdruck-Erhitzen H1 des Konzentrats K von einer Vorlauf-Temperatur T1 = 58 °C auf eine Zulauf-Temperatur T2 = 65 bis 68 °C, die auch annähernd noch an den Druckzerstäuber-Düsen 2a vorliegt, durchgeführt wird, verbunden. Der Niederdruck-Wärmeaustauscher 8 ist sekundärseitig mittels eines Wärmeträgermediums W, vorzugsweise Heißwasser, beaufschlagt. Eine Hochdruck-Kolbenpumpe 10 ist eingangsseitig über einen zweiten Leitungsabschnitt 12.2 der Niederdruck-Leitung 12 mit dem primärseitigen Ausgang des Niederdruck-Wärmeaustauschers 8 und ausgangsseitig über eine Hochdruck-Leitung 14 mit den Druckzerstäuber-Düsen 2a verbunden.

In der Hochdruck-Kolbenpumpe 10 erfolgt ein Druckerhöhen P des Konzentrats K von einem eingangsseitig vorliegenden Niederdruck-Niveau p1 auf ein ausgangsseitig erzeugtes Hochdruck-Niveau p2, das bis an p2 = maximal 350 bar heranreichen kann und mit dem abzüglich des Druckabfalls bis zu den Druckzerstäuber- Düsen 2a letztere betrieben werden. Das Konzentrat K weist eine Trockenstoff- Konzentration c auf, die beispielsweise bei 52 bis 57 Massenprozent (m%) Trockenstoff TS liegen kann.

Der Trocknerturm 2 weist bis in seinen Kopfbereich, in dem die Druckzerstäube- Düsen 2a angeordnet sind, eine Turmhöhe H auf. Die Hochdruck-Leitung 14 überwindet im Wesentlichen in Form einer Steigleitung diese Turmhöhe H. Bei einer Turmhöhe von beispielsweise H = 30 m ist die Hochdruck-Leitung 14 wegen der der Steigleitung vor- und nachgeordneten Anschlussleitungen mindestens auch 30 m lang. Bei einem Durchmesser DN50 der Hochdruck-Leitung 14 ergibt sich bei einem Volumenstrom von beispielsweise 5.000 Liter/Stunde für ein erstes Verweilen V1 des Konzentrats K mit der Zulauf-Temperatur T2 auf dem Hochdruck-Niveau p2 und mit der Trockenstoff-Konzentration c eine mittlere erste Verweilzeit t1 von 42 Sekunden. Die Probleme, die mit dem beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik einhergehen, wurden vorstehend thematisiert.

Erfindung

Verfahren und Trocknungsanlaqe (Figuren 1a, 3 und 4)

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erhitzen eines Konzentrats K in einer Anlage zum Zerstäubungstrocknen 100 zeigt Figur 1a und eine erfindungsgemäße Anlage 100 zur Durchführung dieses Verfahrens zeigt Figur 3. Nachfolgend werden das Verfahren und die zugeordnete Anlage anhand dieser beiden Figuren parallel abgehandelt. Die genannten Temperaturen, Drücke und die Trockenstoff- Konzentration sind beispielhaft gewählt und können in der Praxis nach oben oder unten abweichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren entwickelt, wie ein Vergleich der Figur 1 mit Figur 1a und der Figur 2 mit Figur 3 zeigt, das vorstehend beschriebene Verfahren nach dem Stand der Technik und die bekannte Anlage 1 zu seiner Durchführung weiter. Soweit eine Übereinstimmung gegeben ist, wurden gleiche Bezeichnungen verwendet. Es wird daher, um Wiederholungen zu vermeiden, diesbezüglich auf die vorstehende Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen.

Figur 1a zeigt augenfällig, durch breitere Linienführung hervorgehoben, die Unterschiede zwischen dem Verfahren nach dem Stand der Technik (Figur 1) und dem erfindungsgemäßen Verfahren auf, und Figur 3 zeigt anhand der Trocknungsanlage 100 auf, wie diese Unterschiede vorrichtungstechnisch realisiert werden.

Die Hochdruck-Leitung 14 (Figur 3) ist über die Primärseite eines zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauschers 16 geführt, wobei ein erster Hochdruck- Leitungsabschnitt 14.1 der Hochdruck-Leitung 14 den Ausgang der Hochdruck- Kolbenpumpe 10 mit dem Eingang des zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauschers 16 und ein zweiter Hochdruck-Leitungsabschnitt 14.2 der Hochdruck- Leitung 14 den Ausgang des zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauschers 6 mit den Druckzerstäuber-Düsen 2a verbindet. Der zusätzliche Hochdruck-Wärmeaus- tauscher 16 wird sekundärseitig mit einem Wärmeträgermittel W, vorzugsweise Heißwasser, beaufschlagt. Die in Figur 3 beispielhaft gewählten Werte für das Niederdruck-Niveau p1 , das Hochdruck-Niveau p2, die Vorlauf-Temperatur T1 , die Zulauf-Temperatur T2 bis zu dem zusätzlichen Hochdruck-Erhitzer 16 und die Trockenstoff-Konzentration c entsprechen weitestgehend jenen Werten, die bei Verfahren nach dem Stand der Technik und der Anlage 1 zu seiner Durchführung genannt wurden (siehe Figuren 1, 2).

In dem zusätzlichen Hochdruck-Wärmeaustauscher 16 erfolgt ein zusätzliches Hochdruck-Erhitzen H2 des Konzentrats K auf dem Hochdruck-Niveau p2 auf eine erhöhte Zerstäubungs-Temperatur T3, die im Bereich von 75 bis 80 °C liegen kann (Figur 3). Weiterhin ist ein definiertes Scherbeanspruchen S des Konzentrats K im Verlauf oder im unmittelbaren Nachgang zum zusätzlichen Hochdruck- Erhitzen H2 bei einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit v vorgesehen (Figuren 3, 1a). Hierzu weist der zusätzliche Hochdruck-Wärmeaustauscher 16 ausgangs- seitig Mittel zur definierten Scherbeanspruchung des geförderten Konzentrats K auf.

Da der zusätzliche Hochdruck-Wärmeaustauscher 16 auf der Turmhöhe H angeordnet ist (Figur 3), ergibt sich nunmehr in der Steigleitung zwischen letzterem und dem Ausgang der Hochdruck-Kolbenpumpe 10, d.h. in dem ersten Hochdruck-Leitungsabschnitt 14.1 , ein zweites Verweilen V2 des Konzentrats K mit der Zulauf-Temperatur T2 auf dem Hochdruck-Niveau p2 und mit der Trockenstoff- Konzentration c mit einer mittleren zweiten Verweilzeit t2, die kleiner als die erste Verweilzeit t1 und bei sonst annähernd gleichen Prozessdaten damit unkritischer als diese ist.

Anschließend wird ein unverzügliches Überführen Ü des durch definiertes Scherbeanspruchen S behandelten Konzentrats K an den Ort seines Druckzerstäubens DZ durchgeführt (Figur 1a), wobei eine Überführungszeit Δί für das unverzügliche Überführen Ü durch einen minimal möglichen strömungstechnisch wirksamen Ab- stand zwischen den Mitteln zur Durchführung des definierten Scherbeanspruchens S und dem Ort des Druckzerstäubens DZ bestimmt ist. Das unverzügliche Überführen Ü findet in dem entsprechend bemessenen zweiten Hochdruck- Leitungsabschnitt 14.2 statt, der auf ein konstruktiv mögliches Mindestmaß redu- ziert ist (Figur 3).

Ein entscheidender Vorteil ergibt sich im Vergleich zum Verfahren nach dem Stand der Technik unter anderem dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren durch das zusätzliche Hochdruck-Erhitzen H2 das Konzentrat K den Druckzerstäuber-Düsen 2a mit einer höheren Zerstäubungs-Temperatur, nämlich der erhöhten Zerstäubungs-Temperatur T3 = 75-80 °C, zugeführt wird, wodurch eine Steigerung der Mengenleistung des Trocknerturms 2 ohne Qualitätseinbußen erreicht wird. Der zusätzliche Hochdruck-Wärmeaustauscher 16 ist als Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von vom Konzentrat K parallel durchströmten Innenrohren 20 ausgebildet (Figur 4). Die Innenrohre 20 sind kreisringförmig und auf einem einzigen Kreis 26 angeordnet und bilden in Summe einen Innenkanal 20 ^* aus, der, in Strömungsrichtung gesehen, im Anschluss an die Innenrohre (20) in Form eines umlaufenden Ringraumes (22) ausgeführt ist. Die Mittel zur definierten Scherbeanspruchung des geförderten Konzentrats K sind ausgangsseitig am Rohrbündel-Wärmeaustauscher 16 angeordnet und bestehen in einem ringraum- förmigen austrittsseitigen Kanal 24, der einerseits mit dem Ausgang des umlaufenden Ringraumes 22 und andererseits mit dem zweiten Hochdruck-Leitungs- abschnitt 14.2 verbunden ist. Der ringraumförmige austrittsseitige Kanal 24 weist eine definierte Erstreckungslänge L und einen definierten längenabhängigen Verlauf seiner Kanaldurchtrittsquerschnitte As auf und wird, ebenso wie die Innenrohre 20 von dem Konzentrat K mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit v durchströmt. BEZUGSZEICHENLISTE DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGEN

Figur 1, 2 (Stand der Technik))

1 Trocknungsanlage (Anlage zum Zerstäubungstrocknen) 2 Trocknerturm

2a Druckzerstäuber-Düse

4 Vorlaufbehälter

6 Vorlaufpumpe

8 Niederdruck-Wärmeaustauscher

10 Hochdruck-Kolbenpumpe (Homogenisator)

Niederdruck-Leitung

erster Leitungsabschnitt

zweiter Leitungsabschnitt

Hochdruck-Leitung

H Turmhöhe

c Trockenstoff-Konzentration (in Massenprozent (m%) Trockenstoff (TS)) t1 erste Verweilzeit

Temperaturen

T1 Vorlauf-Temperatur (ca. 58 °C)

T2 Zulauf-Temperatur (ca. 65-68 °C)

Drücke

p1 Niederdruck-Niveau

p2 Hochdruck-Niveau (< 350 bar)

Stoffe

K Konzentrat (Produkt)

TS Trockenstoff

W Wärmeträgermedium Verfahrensschritte

B Bevorraten

DZ Druckzerstäuben

H1 Niederdruck-Erhitzen

P Druckerhöhen

V1 erstes Verweilen

Figuren 1a, 3, 4 (Erfindung)

100 Trocknungsanlage (Anlage zum Zerstäubungstrocknen)

14.1 erster Hochdruck-Leitungsabschnitt

14.2 zweiter Hochdruck-Leitungsabschnitt

16 zusätzlicher Hochdruck-Wärmeaustauscher

(Rohrbündel-Wärmeaustauscher)

20 Innenrohr

20 ^* Innenkanal

22 umlaufender Ringraum

24 ringra umförmiger austrittsseitiger Kanal

26 Kreis

As Kanaldurchtrittsquerschnitt

L Erstreckungslänge t2 zweite Verweilzeit

At Überführungszeit

v erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (bei H2)

Temperatur

T3 erhöhte Zerstäubungs-Temperatur (75-80°C)

Verfahrensschritt

H2 zusätzliches Hochdruck-Erhitzen

S Scherbeanspruchen

Ü unverzügliches Überführen

V2 zweites Verweilen