DE20001749U1 - Reaktor zum kontinuierlichen Auflösen von kristallinem Zucker in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser - Google Patents
Reaktor zum kontinuierlichen Auflösen von kristallinem Zucker in einem Lösungsmittel, vorzugsweise WasserInfo
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Description
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26.01.2000
Reaktor zum kontinuierlichen Auflösen von kristallinem Zucker in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser
Die Neuerung betrifft einen Reaktor zum kontinuierlichen Auflösen von kristallinem Zucker in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, bestehend aus wenigstens einem Behälter, der eine Zuführeinrichtung für den Zucker, eine Zuführleitung für Wasser, eine Abführleitung für den erzeugten Zuckersirup und eine Meß- und Regeleinrichtung zur Einstellung der Zuckerkonzentration im Zuckersirup aufweist.
In der Getränkeindustrie, vornehmlich im Bereich der Herstellung alkoholfreier Erfrischungsgetränke, wird Zucker in kristalliner Ausgangsform aufgelöst und als hochkonzentrierte wäßrige Lösung verarbeitet. Dieser sogenannte Einfachsirup weist üblicherweise einen sogenannten Trockensubstanzgehalt der Lösung von mindestens wTs,u = 60 % (entsprechend auch mit 60 °Brix bezeichnet) auf, wodurch diese Lösung ohne die Gefahr mikrobiologischen Wachstums gelagert werden kann.
Zur Herstellung eines derartigen Zuckersirups sind zum einen diskontinuierlich und zum andern kontinuierlich arbeitende Verfahren zur Auflösung des kristallinen Zuckers in Wasser bekannt. Zentrale Bedeutung kommt hierbei jeweils den Auflöseapparaturen zu, und hier insbesondere dem sogenannten Lösereaktor.
Im Rahmen der diskontinuierlich arbeitenden Verfahren sei an dieser Stelle der sogenannte „batch"-Löser genannt. Der aufzulösende Zucker wird zunächst in einem Silo gelagert. Ein Lösetank, ausgestattet mit einer geeigneten Misch- und Wiegeeinrichtung, dient zum Auflösen des Zuckers für eine Produktionscharge. In den Lösetank wird zunächst Wasser eingewogen, dann Zucker gewichtsmäßjg zugegeben, und anschließend wird der Zucker durch intensives Mischen, in der Regel mit einer geeigneten Rührwerkseinrichtung, im Wasser gelöst. Diese so erhaltene Zuckerlösung wird ffltriert und ggf. kurzzeiterhitzt. Die Transportleitung,
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der Filter und eventuell vorhandene Wärmeübertrager werden mit zurückbehaltenem Rezepturwasser „ausgesüßt".
Wirtschaftliche und technologische Vorteile bieten diskontinuierlich arbeitende Verfahren, bei denen die Gesamtmenge des angelieferten losen Zuckers in einer Charge gelöst und weiter aufbereitet wird. Dieser sogenannte Großraumiöser ist ein Rührbehälter, in dem eine Silozuglädung Zucker in einer Flüssigkeitsvorlage (Wasser) durch intensives Mischen direkt gelöst wird, um dann, je nach Aufgabenstellung bzw. Verwendungszweck, weiterverarbeitet zu werden.
Während bei der diskontinuierlichen Arbeitsweise das gesamte Lösegut für eine vorgegebene Zeitdauer zur Auflösung im Lösegefäß verbleibt, werden kontinuierlich arbeitende Systeme stetig durchflossen. Das Lösegut hat somit keine einheitliche Aufenthaltsdauer im System, sondern unterliegt einer Verweilzeitverteilung.
Die bekannten diesbezüglichen Apparaturen gleichen sich in ihrer Verfahrensweise und variieren nur hinsichtlich der Lösetemperatur, der Prozeßsteuerung sowie der Meß- und Regertechnik für die Konzentrationseinstellung. Anschließend erfolgt auch die Nachbehandlung entsprechend den Erfordernissen des Betriebes oder des Produktes. In der Regel wird die hergestellte Zuckerlösung kontinuierlich filtriert und ggf. kurzzeiterhitzt.
Ein kontinuierlich arbeitender Zuckerlöser besteht aus einem Mischbehälter, der etwa ein Fassungsvermögen von 10 bis 20 % der stündlichen Löseleistung enthält. Der aus einem Vorratssilo in einen Vorbehälter geförderte Zucker wird mittels einer Dosierrinne, Dosierschnecke oder Zellenradschleuse kontinuierlich in den Mischbehälter dosiert. Bei konstantem Zuckermengenstrom wird die Wasserzufuhr entsprechend der gemessenen Zuckerkonzentration über ein Dosierventil geregelt. Der im Wasser suspendierte Zucker wird teilweise schon durch Umwälzung mit Hilfe einer Kreiselpumpe gelöst, wobei durch Einsatz bestimmter Einbauten wie Injektordüsen oder sogenannte Turbulenzrohre eine starke Turbulenz erzeugt wird. Durch eine geeignete Trenneinrichtung wird kontinuierlich ein Teil der Zuckerlösung von dem Gemisch aus Zucker und Zuckerlösung abge-
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trennt. Die kontinuierlich abgeführte Zuckerlösung durchströmt ggf. eine Nachlösekammer, in der die noch verbliebenen Zuckerkristalle restlos aufgelöst werden. Bei der Auflösung von Zucker unter Wärmezufuhr befindet sich in der Nachlösekammer ein Wärmetauscher, dessen Betriebstemperatur über einen Temperaturregler eingestellt wird.
Die Konzentration des gelösten Zuckers wird vorzugsweise im Bypass mit einem Refraktometer oder Dichtemeßgerät gemessen und über einen nachgeschalteten Regler, der die Wasserzufuhr über ein Regelventil steuert, konstant gehalten. Ein in der Abführleitung für Zuckersirup angeordnetes Ausgangsventil wird geöffnet, sobald die eingestellte Soll-Konzentration erreicht ist; die fertige Zuckerlösung verläßt dann die Löseanlage. Wird dagegen die eingestellte Soll-Konzentration unterschritten, bleibt das Ausgangsventil geschlossen und die Zuckerlösung wird so lange umgewälzt, bis durch Wassernachdosierung die Soll-Konzentration erreicht ist.
Durch den kontinuierlichen Prozeß können die Apparaturen zur Nach- oder Weiterbehandlung kleiner als bei den sogenannten „batch"-Prozessen ausgeführt werden. Insbesondere bei Großanlagen sind kontinuierlich arbeitende Zuckerlöser die zur Zeit wirtschaftlichste Lösung.
Die kontinuierlich arbeitenden Zuckerlöser sind relativ aufwendig in Bezug auf ihre Regelung, der Geräuschpegel ihrer Mischeinrichtungen ist relativ hoch, und sie haben einen relativ hohen spezifischen Energiebedarf von ca. 5 kWh pro Tonne gelösten Zuckers. Darüber hinaus ist die Regelmöglichkeit in Bezug auf ihre Ausbringleistung schlecht. Aus diesem Grunde befinden sich hinter dem kontinuierlich arbeitenden Zuckerlöser immer Einfachsirup-Lagertanks, damit eine hinreichend sichere Bereitstellung von Zuckersirup auch bei stark schwankenden Abnahmeleistungen sichergestellt ist.
Es ist Aufgabe der Neuerung, einen Reaktor zum kontinuierlichen Auflösen von kristallinem Zucker in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, zu schaffen,
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der gegenüber bekannten Apparaturen einfacher in seinem Aufbau ist, Mischeinrichtungen überflüssig macht und einen geringeren spezifischen Energiebedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Reaktors gemäß der Neuerung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch Ausbildung des Reaktors als vertikal angeordnetes Strömungsrahr mit entsprechendem Verweilzeitverhalten werden Misch- und Rühreinrichtung^ überflüssig. Die erforderliche durchströmte Höhe und die daraus resultierende Reaktionslänge des Strömungsrohres ist an die vorliegenden bzw. anzustrebenden Stoffaustauschbedingungen leicht anpaßbar. Der aufzulösende Zucker wird über eine in die untere Hälfte des Strömungsrohres eingreifende Zuführeinrichtung in das Strömungsrohr eingebracht, wo der ungelöste Zucker sedimentiert. In das untere Ende des Strömungsrohres mündet die Zuführleitung für Wasser ein, und in diesem Bereich ist, unmittelbar anschließend an diese Einmündungsstelle, eine Zuführ- und Verteileinrichtung für dieses Wasser vorgesehen, so daß die sedimentierte Schicht ungelösten Zuckers, ähnlich einem sogenannten Festbett, gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche des Strömungsrohres von unten nach oben vom Lösungsmittel, dem Wasser, durchströmt wird. Oberhalb des sich im stationären Betrieb des Strömungsrohres sedimentierenden ungelösten Zuckers ist der verbleibende Teil des Strömungsrohres bestimmungsgemäß vollständig mit der erzeugten Zuckerlösung ausgefüllt, wobei sich zwischen dem ungelösten Zucker und der darüber befindlichen Zuckerlösung eine mehr oder weniger scharf begrenzte Trennschicht ausbildet.
Im stationären Betrieb des Strömungsrohres werden kontinuierlich Wasser über die Zuführleitung und Zucker über die Zuführeinrichtung im erforderlichen Mengenverhältnis zugeführt, während ein entsprechender Mengenstrom Zuckersirup, auch als Einfachsirup bezeichnet, das Strömungsrohr an dessen oberem Ende nahezu drucklos über die Abführleitung verläßt. Dabei werden das Volumen bzw.
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die Menge des zuströmenden Wassers sowie das Volumen bzw. die Menge und Konzentration des Einfachsirups kontinuierlich gemessen, und es wird anschließend durch nachträgliches kontinuierliches Hinzumischen von Wasser in der erforderlichen Menge die gewünschte Sollwert-Konzentration des dann als Fertigsirup bezeichneten Endproduktes erreicht.
Um den Auflösungsprozeß des kristallinen Zuckers hinsichtlich der relevanten Stoffaustauschbedingungen einerseits und der notwendigen Wirtschaftlichkeit andererseits optimal zu gestalten, wird weiterhin vorgeschlagen, das Strömungsrohr mit einer durchströmten Gesamtquerschnittsfläche auszustatten, die für jede stündlich aufgelöste Tonne Zucker einen Flächenanteil von etwa einem Quadratmeter bereitstellt. Dies bedeutet für die Auslegung eines derartigen Strömungsrohres^ daß eine spezifische Querschnittsfläche von q = 1m2 Querschnittsfläche/(1t/h Löseleistung) vorzusehen ist.
Um sicherzustellen, daß der kontinuierlich zugeführte Zucker innerhalb des vorstehend erwähnten Festbettes aus sedimentiertem, ungelöstem Zucker zugeführt wird, sieht eine weitere Ausgestattung des Reaktors gemäß der Neuerung vor, daß die Zuführeinrichtung für Zucker in einem Abstand h vom unteren Ende des Strömungsrohres in letzteres einmündet, der etwa einem Drittel einer durchströmten Höhe H des Strömungsrohres entspricht.
Untersuchungen haben ergeben, daß die durchströmte Höhe des Strömungsrohres mit ca. H = 3 m ausreichend bemessen ist. Dieses Ergebnis findet in einem entsprechenden Auslegungsvorschlag seinen Niederschlag. Diese Reaktorhöhe stellt sicher, daß der erforderliche Trockensubstanzgehalt von wenigstens wts.l = 60 % (entsprechend 60 °Brix) am Austritt des Strömungsrohres erreicht wird.
Das Auflösen von Zucker in Wasser ist ein endothermer Prozeß. Falls dieser Prozeß zwecks Erhöhung der Lösungsgeschwindigkeit jedoch isotherm geführt werden soll, sieht eine weitere Ausgestaltung des vorgeschlagenen Reaktors gemäß
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der Neuerung vor, daß in der oberen Hälfte des Strömungsrohres ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Neuerung ist in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend hinsichtlich seines Aufbaus und Betriebes beschrieben.
Ein Reaktor 1 ist als vertikal angeordnetes Strömungsrohr ausgebildet. In dieses mündet einerseits am unteren Ende die Zuführleitung für Wasser 4 ein, während eine Abführleitung für Zuckersirup 5 andererseits am oberen Ende ausmündet. Unmittelbar im Anschluß an die Eintrittsstelle der Zuführleitung 4 in das Strömungsrohr 1 ist in diesem eine Zuführ- und Verteileinrichtung für Wasser 2 angeordnet, über die das in das Strömungsrohr 1 von unten eintretende Wasser gleichmäßig über dessen durchströmte Gesamtquerschnittsfläche A verteilt wird.
In die untere Hälfte des Strömurigsrohres 1 greift von der Seite eine über einen Motor M angetriebene Zuführeinrichtung für Zucker 3 ein, die beispielsweise als . Dosierschnecke oder Zellenradschleuse ausgebildet ist und aus einem Vorratssilo 3a kristallinen Zucker Z in diesen Bereich des Strömungsrohres 1 kontinuierlich dosiert. Dabei mündet die Zuführeinrichtung 3 in einem Abstand h vom unteren Ende des Strömungsrohres 1 in letzteres ein, der etwa einem Drittel einer durchströmten Höhe H des Strömungsrohres 1 entspricht. Über eine Absperrklappe 3b ist die Zuführeinrichtung 3 vom Innenraum des Strömungsrohres 1 abzusperren. In die Abführleitung 5 mündet eine zweite Wasserleitung 6 ein, über die Wasser W dem das Strömungsrohr 1 verlassenden, auch als Einfachsirup ES bezeichneten Zuckersirup zugeführt werden kann. Auf diese Weise entsteht dann der sogenannte Fertigsirup FS mit der gewünschten Sollwert-Konzentration.
Zum Anfahren des Strömungsrohres 1 wird in diesem zunächst über die Zuführleitung 4 so viel Wasser W vorgelegt, daß der Eintrag des Zuckers Z aus der Zufülleinrichtung 3 unterhalb des sich einstellenden Flüssigkeitsspiegels erfolgt. Nach einer Wartezeit hat sich der ungelöste Zucker Z im Strömungsrohr 1 oberhalb der Zuführ- und Verteileinrichtung 2 über eine Ablagerungshöhe h* sedimen-
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tiert und zur darüber befindlichen Zuckerlösung ES eine Trennschicht T ausgebildet. Anschließend wird über die Zuführleitung 4 und die nachgeordnete Zuführ- und Verterieinrichtung 2 kontinuierlich Wasser W zugeführt, das das aus ungelöstem Zucker Z bestehende Festbett mit der Ablagerungshöhe h* über die gesamte Querschnittsfläche des Strömungsrohres 1 im wesentlichen gleichmäßig durchströmt. Entsprechend der Wasserzufuhr W über die Zuführleitung 4 wird im erforderlichen Mengenverhältnis kontinuierlich Zucker Z über die Zuführeinrichtung 3 zugeführt.
Jm stationären Betrieb ist das Strömungsrohr 1 oberhalb der Trennschicht T vollständig mit Zuckerlösung, dem Einfachsirup ES, befüllt. Letzterer tritt nahezu drucklos über die Abführleitung 5 aus dem Strömungsrohr 1 aus. Sowohl der Volumenstrom des über die Zuführleitung 4 zuströmenden Wassers W als auch der Volumenstrom und die Konzentration (Dichte) des in der Abführleitung 5 strömenden Einfachsirups ES werden kontinuierlich gemessen. Für den Volumenstrom in der Zuführleitung 4 und in der Abführleitung 5 sind jeweils ein Meßumformer FT und für die Dichte in der Abführfeitung 5 ist ein Meßumformer DT vorgesehen.
In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Menge des gelösten Zuckers Z im über die Abführleitung 5 das Strömungsrohr 1 verlassenden Einfachsirup ES geregelt. In diesem Falle ist die im Strömungsrohr 1 erreichte Zukkerkonzentration stets größer als die Sollwert-Konzentration im Fertigsirup FS. Diese gewünschte Sollwert-Konzentration wird durch kontinuierliches Hinzumischen von Wasser W auf dem Weg über die zweite Wasserleitung 6 in die Abfahrleitung 5 mittels eines Durchflußreglers FIC eingeregelt. Volumenstrom und Konzentration des das Strömungsrohr 1 verlassenden Einfachsirups ES bestimmen den Volumenstrom des Wassers W in der Zuführleitung 4 und die Menge des über die Zuführeinrichtung 3 dem Strömungsrohr 1 zugeführten Zuckers Z. Die Meß- und Regeleinrichtungen FT, DT und FtC sowie der Antrieb M der Zuführeinrichtung 3 sind über Signalverarbeitungsleitungen 7 miteinander verbunden.
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Ein anderes Regelverfahren sieht vor, die gewünschte Sollwert-Konzentration des Fertigsirups FS durch Regelung der Menge des zuzuführenden Zuckers Z einzustellen. In diesem Falle werden Volumenstrom und Konzentration des das Strömungsrohr 1 über die Abführleitung 5 verlassenden Einfachsirups ES gemessen und die Menge des über die Zuführeinrichtung 3 zugeführten Zuckers Z wird in Abhängigkeit vom Volumenstrom des Wassers W in der Zuführleitung 4, der gleichfalls gemessen wird, geregelt.
Claims (5)
1. Reaktor zum kontinuierlichen Auflösen von kristallinem Zucker in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, bestehend aus wenigstens einem Behälter, der eine Zuführeinrichtung für den Zucker, eine Zuführleitung für Wasser, eine Abführleitung für den erzeugten Zuckersirup und eine Meß- und Regeleinrichtung zur Einstellung der Zuckerkonzentration im Zuckersirup aufweist, dadurch gekennzeichnet,
1. daß der Reaktor (1) als vertikal angeordnetes Strömungsrohr ausgebildet ist,
2. in das am unteren Ende die Zuführleitung für Wasser (4) einmündet,
3. das unmittelbar anschließend eine Zuführ- und Verteileinrichtung für Wasser (2) aufweist,
4. das an seinem oberen Ende in die Abführleitung für Zuckersirup (5) ausmündet und
5. in dessen untere Hälfte die Zuführeinrichtung für Zucker (3) eingreift.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (1) mit einer durchströmten Gesamtquerschnittsfläche (A) ausgestattet ist, die für jede stündlich aufgelöste Tonne Zucker (Z) (Löseleistung 1 tlh) einen Flächenanteil von etwa einem Quadratmeter bereitstellt (spezifische Querschnittsfläche q = 1 m2 Querschnittsfläche/(1t/h Lösungsleistung)).
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung für Zucker (3) in einem Abstand (h) vom unteren Ende des Strömungsrohres (1) in letzteres einmündet, der etwa einem Drittel einer durchströmten Höhe (H) des Strömungsrohres (1) entspricht (h ≈ H/3).
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchströmte Höhe (H) des Strömungsrohres (1) ca. 3 m beträgt.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen Hälfte des Strömungsrohres (1) ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
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