DE3873725T2

DE3873725T2 - Verfahren und einrichtung zur kontinuierlichen waermebehandlung eines gemisches aus feststoffen enthaltender fluessigkeit.

Info

Publication number: DE3873725T2
Application number: DE8888202645T
Authority: DE
Inventors: Willem Frederik Hermans
Original assignee: Stork Amsterdam NV
Current assignee: Stork Amsterdam NV
Priority date: 1987-11-24
Filing date: 1988-11-23
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2008-11-24
Also published as: JP2781572B2; US5080164A; NZ227061A; EP0323654A1; DE3873725D1; AU619508B2; JPH01187073A; NL8802714A; AU2589888A; EP0323654B1; ES2035252T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Prozeß zur Wärmebehandlung bei kontinuierlichem Fluß eines Produktgemisches, welches aus einer Flüssigkeit besteht, die feste Partikel enthält, wobei die Mischung auf eine bestimmte gewünschte Temperatur in einem oder mehreren Wärmetauschern erwärmt wird, wobei es auf dieser Temperatur in einer Wärmehaltevorrichtung für eine bestimmte Zeit gehalten wird und dann auf die gewünschte Endtemperatur in einem oder mehreren Wärmetauschern abgekühlt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Durchführen des obigen Prozesses.
Ein derartiger Prozeß und eine derartige Apparatur sind in der lebensmittelverarbeitenden Industrie allgemein bekannt.
Während der Wärmebehandlung eines Produktgemisches, welches aus einer Flüssigkeit besteht, die feste Partikel enthält, z.B. ein Sterilisations- oder Pasteurisationsprozeß für pumpbare Nahrungsmittel, ist es allgemein nötig, daß jeder Bruchteil bzw. jede Fraktion des Gemisches zumindest einen festgelegten minimalen Verarbeitungswert annimmt. Wenn es während der Wärmebehandlung sichergestellt ist, daß die Fraktion der größten festen Partikel den minimalen Verarbeitungswert annimmt, nehmen die Fraktionen kleinerer fester Partikel und die Flüssigkeit als ein Ergebnis unterschiedlicher Erwärmungsdurchlaufzeiten der verschiedenen Fraktionen einen beachtlich höheren Verarbeitungswert an als den minimalen benötigten Verarbeitungswert, bei dem man in einer Anzahl von Fällen findet, daß er eine abträgliche Auswirkung auf die Qualität des gesamten Produkts hat nach Vollendung der Wärmebehandlung. Zum Beispiel können ungewünschte Farb- und Geschmacksänderungen aufgetreten sein.
Ein Beispiel einer solchen Wärmebehandlung ist der Sterilisierungsprozeß, der an einer Suppe durchgeführt wird, die aus einer Flüssigkeit geringer bis mittlerer Viskosität hergestellt ist und feste Gemüse- und Fleischteilchen enthält. Nachdem die Suppe in Dosen geschüttet worden ist und die Dosen hermetisch abgedichtet worden sind, werden die Dosen dann mit ihrem Inhalt der Wärmebehandlung in einer Sterilisiervorrichtung unterworfen. Insbesondere, wenn die Dosen während dem Sterilisierprozeß rotiert werden, wird die Flüssigkeit in einer kurzen Zeit erwärmt und erreicht sehr schnell die Temperatur des Erwärmungsmediums (Dampf oder heißes Wasser bei, sagen wir; 121º C) in der Sterilisiervorrichtung. Die Außenseite der festen Partikel folgt auch schnell der Temperatur der Flüssigkeit. Die Wärmeübertragung zu dem thermischen Zentrum der festen Partikel kann jedoch nur durch Wärmeleitung stattfinden. Die Temperatur des thermischen Zentrums steigt folglichermaßen beträchtlich langsamer an, und es dauert ziemlich lang bis dieses thermische Zentrum den minimalen benötigten Verarbeitungswert erreicht. Je größer die festen Teilchen sind, desto länger muß die Wärmebehandlung dauern. In einer solchen Wärmebehandlung wird den kleineren festen Teilchen und insbesondere der Flüssigkeit ein viel höherer Verarbeitungswert gegeben als tatsächlich nötig wäre, um den gewünschten Effekt zu erzielen, z.B. eine angemessene mikrobiologische Inaktivierung.
Dasselbe Phänomen tritt auf, wenn eine pumpbare Trägerflüssigkeit, welche größere und kleinere feste Teilchen enthält, in einem kontinuierlichen Strom aufeinanderfolgend befördert wird durch: eine Anzahl erster Wärmetauscher, in welchen zumindest die Trägerflüssigkeit auf eine gewünschte Endtemperatur erwärmt wird, eine Wärmehaltevorrichtung, und eine Anzahl zweiter Wärmetauscher, welche daran angeschlossen sind, und in welchen das Produkt auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird. Zwischen den Erwärmungs- und Kühlvorrichtungen wird die Trägerflüssigkeit in der Wärmehaltevorrichtung auf dem Temperaturniveau gehalten, welches in den Erwärmungsvorrichtungen erreicht worden ist, und zwar so lang, daß die Temperatur des thermischen Zentrums der mitbeförderten festen Partikel sich so entwickelt, daß der minimale benötigte Verarbeitungswert auch in dem thermischen Zentrum der festen Partikel erreicht wird. Das Kühlen der Trägerflüssigkeit sollte bis dahin nicht begonnen werden. Das Kühlen könnte möglicherweise geringfügig früher begonnen werden, wenn die Trägheit der Wärmeübertragung auf das thermische Zentrum der festen Partikel im voraus berücksichtigt wird, in dem Sinn, daß die Außenseite eines festen Teils schon gekühlt werden kann, da die Temperatur in dem thermischen Zentrum für eine kurze Zeit weiterhin ansteigt. Ein zusätzlicher Faktor in der oben beschriebenen Wärmebehandlung besteht darin, daß die Förderung fester Teilchen in einer Trägerflüssigkeit stark von der Reynolds-Zahl der Trägerflüssigkeit und der Dimensionierung der ausgewählten Wärmetauschertypen abhängt (z.B. Plattentyp-, Röhren- oder Votatorwärmetauscher). Darüberhinaus ist es schwierig, die Förderung der festen Teilchen vorherzusagen, so daß ein Erstellen der Erwärmungs- und Kühlkurven des thermischen Zentrums der festen Teilchen und damit des erreichten Verarbeitungswertes extrem unzuverlässig ist. Um in der Lage zu sein, den Wärmebehandlungsprozeß sicher durchzuführen, müssen die notwendigen Sicherheitsbereiche in der Wärmebehandlung berücksichtigt werden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Nachteile der Behandlung bei kontinuierlichem Fluß eines Produktgemisches zu eliminieren, welches aus einer Flüssigkeit besteht, welche große und kleine feste Partikel enthält.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß für die Wärmebehandlung eines Produktgemisches, welches feste Partikel verschiedener Größen enthält, welche in eine Zahl von Größenfraktionen aufgeteilt werden können, die Verweilzeit der Fraktionen unterschiedlicher Größe von festen Partikeln in der Wärmehaltevorrichtung getrennt geregelt wird in Abhängigkeit von der Größe der festen Partikel in einer bestimmten Fraktion und unabhängig von der Verweilzeit der Flüssigkeit in der Wärmehaltevorrichtung, während die festen Teilchen andauernd durch die Flüssigkeit umgewälzt werden.
Dies bedeutet einerseits, daß die Trägerflüssigkeit keinen höheren Verarbeitungswert als gewünscht annimmt und andererseits, daß das thermische Zentrum der verschiedenen festen Partikel auch im wesentlichen den gleichen benötigten Verarbeitungswert annimmt.
Dieser Prozeß kann durch den Begriff "fraktionsspezifische Wärmebehandlung" beschrieben werden.
Es ist förderlich, wenn die Verweilzeit einer bestimmten Größenfraktion von festen Partikeln in dem Wärmehalteabschnitt erhöht wird in dem Maße wie die Dimensionen der festen Partikel in dieser Fraktion größer sind.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel des Prozesses gemäß der Erfindung werden die Flüssigkeit und jede der unterschiedlichen Größenfraktionen fester Partikel, welche in der Flüssigkeit enthalten sind, einer unterschiedlichen Wärmebehandlung unterworfen.
Die Vorrichtung zum Durchführen des oben erwähnten Prozesses einschließlich eines oder mehrerer Wärmetauscher, in welchen die Mischung aus Flüssigkeit und festen Partikeln auf eine bestimmte gewünschte Temperatur erwärmt werden kann, eine Wärmehaltevorrichtung, in welcher die Flüssigkeit und die festen Teilchen auf dieser Temperatur für eine gewisse Zeit gehalten werden kann, und einem oder mehrerer Wärmetauscher, in welchen die Mischung auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt werden kann, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmehaltevorrichtung eine Rückhalteeinrichtung hat, mit welcher die Verweilzeit der festen Partikel der Wärmehaltevorrichtung reguliert werden kann, und zwar getrennt und unabhängig von der Verweilzeit der Flüssigkeit in der Wärmehaltevorrichtung, während die festen Partikel andauernd durch die Flüssigkeit umgewälzt werden.
Die Rückhalteeinrichtung weist vorzugsweise mehrere Rückhaltevorrichtungen auf, welche der Reihenfolge nach zum Rückhalten von festen Partikeln angeordnet sind und Rückhalteelemente enthalten, die mit Durchgangsöffnungen versehen sind, wobei die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhalteelementen einer besonderen Rückhaltevorrichtung im wesentlichen gleich ist, während die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhaltelementen unterschiedlicher Rückhaltevorrichtungen unterschiedlich ist für jede Rückhaltevorrichtung, wobei es für die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhaltelementen der aufeinanderfolgenden Rückhaltevorrichtungen förderlich ist, wenn sie in Richtung von den Wärmetauschern zum Erwärmen des Produktgemisches zu den Wärmetauschern zum Kühlen des Produktgemisches abnehmen.
Dies ermöglicht es, die Fraktion fester Partikel mit den größten Dimensionen schon von einem ersten Rückhalteelement zurückzuhalten, während die kleineren festen Partikel mit der Flüssigkeit durch die Durchgangsöffnungen in dem ersten Rückhalteelement direkt zu dem nächsten Rückhalteelement fließen können, wobei von diesem Punkt die nächste Größenfraktion fester Partikel zurückgehalten werden kann.
Um eine optimale Wärmebehandlung zu gestatten, kann die Zeit, während der die verschiedenen Rückhaltevorrichtungen die festen Partikel zurückhalten können, getrennt eingestellt werden für jede der Rückhaltevorrichtungen.
Im folgenden wird die Erfindung mittels einer Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines besonderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt die Kurve der Temperatur der Flüssigkeit und des thermischen Zentrums gewisser fester Partikel in verschiedenen Größenfraktionen fester Partikel während der Wärmebehandlung eines Produktgemisches in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2a zeigt die Kurve der Temperatur der Flüssigkeit und des thermischen Zentrums gewisser fester Partikel in verschiedenen Größenfraktionen fester Partikel während der Wärmebehandlung eines Produktgemisches in einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einer herkömmlichen Wärmehaltevorrichtung ohne Rückhaltevorrichtungen;
Fig. 3 zeigt schematisch ein besonderes Ausführungsbeispiel einer verwendeten Rückhaltevorrichtung in einem Querschnitt unter rechten Winkeln zu der Rotationsachse des Rückhaltelements;
Fig.4 ist ein Querschnitt der Rückhaltevorrichtung von Fig. 3 entlang der Linie IV-IV;
Fig. 5 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Rückhaltevorrichtung in einem Querschnitt gemäß Fig. 3;
Fig. 6 ist ein Querschnitt der Vorrichtung von Fig. 5 entlang der Linie VI-VI;
Fig. 7 zeigt schematisch und perspektivisch ein Rückhalteelement, welches an einer Welle angeordnet ist und Stifte aufweist und welches ein Greifelement hat, welches zwischen ihnen eingreift, zum Entfernen der festen Partikel; und
Fig 8 bis 10 zeigen zwei Verarbeitungswerte für feste Partikel unterschiedlicher Größe, welche während der Wärmebehandlung eines Produktgemisches erzielt werden jeweils in einer Anlage ohne Rückhaltevorrichtungen (Fig. 8), in einer Anlage mit drei Rückhaltevorrichtungen oder einer Dreistufenrückhaltevorrichtung (Fig. 9) und einer Anlage mit einer großen Anzahl an Rückhaltevorrichtungen oder einer Mehrstufen- (mehr als drei)-Rückhaltevorrichtung (Fig. 10).
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung bei kontinuierlichem Fluß eines Produktgemisches, welches aus einer Flüssigkeit besteht, die feste Partikel enthält. Das zu behandelnde Produktgemisch wird über eine Produktzuführung 1 und ein Zwischenspeichergefäß 2 mit Rührelementen 3 zu einer Pumpe 4 mit positiver Verdrängung zugeführt. Die Pumpe 4 pumpt das Produktgemisch nacheinander durch zwei regenerative Wärmetauscher 5 und 6, eine Erwärmungseinheit 7, eine Wärmehaltevorrichtung 8, zwei regenerative Wärmetauscher 9 und 10, eine Kühleinheit 11 und eine Gegendruckvorrichtung 12, 13 zu einem Produktausstoß 14, welcher zu aseptischen Dosiervorrichtungen führt, welche hier nicht gezeigt sind. In den regenerativen Wärmetauschern 5 und 6 wird das zu behandelnde Produktgemisch vorgewärmt mittels Wärme, die von dem schon behandelten Produktgemisch kommt. Diese Wärme wird aus dem schon behandelten Produktgemisch in den regenerativen Wärmetauschern 9 und 10 extrahiert und über den Zwischenschaltkreis 15 durch eine Pumpe 16 zu den Wärmetauschern 5 und 6 gepumpt. In der Erwärmungseinheit 7 wird das zu behandelnde Produktgemisch indirekt auf die gewünschte Temperatur mittels Dampf oder heißem Wassers erwärmt, welches bei 18 eingespeist wird. Diese Temperatur wird mittels eines Temperaturreglers 19 reguliert.
In der weiter unten genauer beschriebenen Wärmehaltevorrichtung wird die Flüssigkeit, welche die festen Teilchen enthält, dann für eine Zeit auf der gewünschten Temperatur gehalten, um die Flüssigkeit und die darin enthaltenen festen Partikel den benötigten Verarbeitungswert annehmen zu lassen.
In den regenerativen Wärmetauschern 9 und 10 wird das behandelte Produktgemisch vorgekühlt und in der Kühlvorrichtung 11 auf die benötigte Endtemperatur gekühlt mittels Wasser, welches bei 20 eingespeist wird. Die Endtemperatur wird mittels eines Temperaturreglers 21 geregelt.
Die Gegendruckvorrichtung weist zwei Tanks 12 und 13 auf. Das gekühlte Produktgemisch wird einem der beiden Tanks eingespeist, und der Druck in dem Tank wird mittels steriler Luft, die bei 22 eingespeist wird, auf einem derartigen Wert gehalten, daß in dem vorhergehenden Durchlaufabschnitt eine Dampfbildung durch Kochen nirgends stattfinden kann. Wenn der bestimmte Tank voll ist, wird der Produktfluß zu dem anderen Tank geführt, und der erste Tank wird auf den benötigten Zufuhrdruck für die Dosiervorrichtung gebracht, so daß das in dem Tank vorliegende Produktgemisch über den Produktausstoß 14 zu einer aseptischen Dosiervorrichtung befördert werden kann.
Der Einfachheit zuliebe sind verschiedene Ventile in den sterilen Luftleitungen und in den Förderrohren nicht gezeigt.
Abgesehen von der Wärmehaltevorrichtung 8 ist die oben beschriebene Wärmebehandlungsvorrichtung bekannt.
Die Wärmehaltevorrichtung 8 hat eine Rückhalteeinrichtung, mittels derer die Verweilzeit der festen Partikel in der Wärmehaltevorrichtung 8 getrennt und unabhängig von der Verweilzeit der Flüssigkeit in der Wärmehaltevorrichtung 8 reguliert werden kann, während die festen Partikel andauernd durch die Flüssigkeit umgewälzt werden. Die Rückhalteeinrichtung weist eine Rückhaltevorrichtung oder mehrere, in diesem Beispiel drei, Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 auf, welche der Reihenfolge nach angeordnet sind, um feste Partikel zurückzuhalten und welche Rückhalteelemente 26 beinhalten, welche mit Durchgangsöffnungen versehen sind. Die Durchgangsöffnungen in den Rückhalteelementen einer bestimmten Rückhaltevorrichtung haben im wesentlichen die gleiche Größe. Die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhalteelementen unterschiedlicher Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 ist unterschiedlich für jede der Rückhaltevorrichtungen. In dem Beispiel eines hier gezeigten Ausführungsbeispiels sind die Durchgangsöffnungen am größten in den Rückhalteelementen 26 in der Rückhaltevorrichtung 23 und am kleinsten in der Rückhaltevorrichtung 25.
In der ersten Rückhaltevorrichtung 23 wird nur die Fraktion der größten festen Partikel (z.B. mit einer Größe von mehr als 20 mm) für eine Zeit, welche für diese Vorrichtung eingestellt werden kann, zurückgehalten, während die Trägerflüssigkeit zusammen mit den kleineren festen Partikeln um diese Fraktion der größten festen Partikel fließt und ungehindert durch die erste Rückhaltevorrichtung 23 fließt.
In der zweiten Rückhaltevorrichtung 24 werden sowohl die Fraktion der größten festen Partikel, welche nach der Rückhaltedauer in der ersten Rückhaltevorrichtung 23 nunmehr wieder mit der Trägerflüssigkeit fließt, als auch eine darauffolgende Fraktion mittelgroßer fester Partikel (z.B. mit einer Größe von mehr als 10 mm und kleiner oder gleich 20 mm) zurückgehalten, und zwar für eine Zeitdauer, welche für diese Vorrichtung eingestellt werden kann, während die Trägerflüssigkeit zusammen mit den noch kleineren festen Partikeln um die zurückgehaltenen festen Partikel fließt und ungehindert durch diese Rückhaltevorrichtung 24 fließt.
In der dritten Rückhaltevorrichtung 25 werden sowohl die Fraktion, welche schon in der ersten 23 und zweiten 24 Rückhaltevorrichtung zurückgehalten worden sind, als auch die Fraktion, welche nur in der zweiten Rückhaltevorrichtung 24 zusammen mit der Fraktion kleiner fester Partikel (z.B. mit einer Größe von mehr als 3 mm und kleiner oder gleich 10 mm) zurückgehalten worden ist, zurückgehalten, und zwar fär eine Zeitdauer, welche für diese Rückhaltevorrichtung eingestellt werden kann, während die Trägerflüssigkeit zusammen mit den kleinsten festen Partikeln (mit einer Größe von weniger oder gleich 3 mm) um die zurückgehaltenen festen Partikel fließt und ungehindert durch die Rückhaltevorrichtung 25 fließt.
In diesem Beispiel wird bei dem Temperaturniveau der ungehindert strömenden Trägerflüssigkeit, deren Verweilzeit in der Wärmehaltevorrichtung 8 zum Beispiel tvl ist, die Verweilzeit der verschiedenen Größenfraktionen in der Wärmehaltevorrichtung 8 durch die für jede der Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 einzustellende Verweilzeit Δt&sub2;&sub3;, Δt&sub2;&sub4; und Δt&sub2;&sub5; bestimmt.
Wenn die Verweilzeit der Flüssigkeit in jeder der Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 auf δt eingestellt wird, erhält man das folgende Schema (in welchem d die Größe der festen Partikel darstellt) für die Verweilzeiten der Flüssigkeit und der festen Partikel in der Wärmehaltevorrichtung 8:
- die Verweilzeit von Flüssigkeit und kleinsten Partikeln (z.B. d ≤ 3 mm) : tvl
- Verweilzeit kleiner Partikel (z.B. 3 mm < d ≤ 10 mm) : tvl- ∂ t + Δ t25
- Verweilzeit mittelgroßer Partikel (z.B. 10 mm < d ≤ 20 mm) : tvl - 2 ∂ t +Δ t25 +Δ t24
- Verweilzeit der größten Partikel (z.B. d > 20 mm) : tvl - 3 ∂ t + Δ t25 + Δ t24 + Δ t23
Es ist klar, daß durch die richtige bzw. geeignete Auswahl der Anzahl von Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25, in welchen feste Partikel mit Dimensionen, die größer sind als ein bestimmter Wert, zurückgehalten werden, und der Zeit, während der die festen Partikel in den Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 zurückgehalten werden, es möglich ist, eine Wärmebehandlung zu erreichen, die dem Produkt angepaßt ist, wobei jede Fraktion fester Partikel und die Trägerflüssigkeit der optimalen Wärmebehandlung unterzogen werden.
Fig. 2 zeigt die Temperaturkurve der Trägerflüssigkeit und die Temperaturkurve in dem thermischen Zentrum fester Partikel unterschiedlicher Größe während des Wärmebehandlungsprozesses.
Die Linie A stellt die Temperaturkurve der Trägerflüssigkeit in den regenerativen Wärmetauschern 5 und 6, der Erwärmungseinheit 7, der Wärmehaltevorrichtung 8, den regenerativen Wärmetauschern 9 und 10 und der Kühleinheit 11 dar. Die Linie B stellt die Temperaturkurve des thermischen Zentrums der festen Partikel innerhalb der Fraktion der kleinsten festen Partikel dar, welche zusammen mit der Flüssigkeit ungehindert durch alle drei Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 fließt. Die Linie C stellt die Temperaturkurve des thermischen Zentrums der größten festen Partikel innerhalb der Fraktion der kleinen festen Partikel dar, welche zusammen mit der Trägerflüssigkeit und der Fraktion der kleinsten festen Partikel ungehindert durch die erste 23 und die zweite 24 Rückhaltevorrichtung fließt. Die Linie D stellt die Temperaturkurve des thermischen Zentrums der größten festen Partikel innerhalb der Fraktion mittelgroßer fester Partikel dar, welche zusammen mit der Trägerflüssigkeit, der Fraktion der kleinen festen Partikel und der Fraktion der kleinsten festen Partikel ungehindert durch nur die erste Rückhaltevorrichtung 23 fließt. Schließlich stellt die Linie E die Temperaturkurve in dem thermischen Zentrum der größten festen Partikel innerhalb der Fraktion der größten festen Partikel dar; welche durch jede der aufeinanderfolgenden Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 für eine Zeitdauer zurückgehalten wird, welche für jede Rückhaltevorrichtung eingestellt werden kann, während die Trägerflüssigkeit mit den anderen Fraktionen fester Partikel ungehindert durch diese erste Vorrichtung fließt, und die festen Partikel, welche von der Rückhaltevorrichtung 23 zurückgehalten werden, werden frei umgewälzt.
Zur Zeit t = t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; werden die eine oder mehreren in den nacheinander durchströmten Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 zurückgehaltenen Fraktionen wieder freigegeben und durch die fließende Trägerflüssigkeit mitgenommen. Die Zeiten t&sub1;, t&sub2; und t&sub3; werden hier eingestellt mittels der Verweilzeit, welche für jede Rückhaltevorrichtung einstellbar ist, und zwar derartig, daß jede Fraktion einen Verarbeitungswert annimmt, welcher nicht höher ist als der gewünschte minimale benötigte Verarbeitungswert.
Mit dem oben beschriebenen System wird erreicht, daß innerhalb jeder Größenfraktion fester, auszuwählender Partikel und innerhalb der Trägerflüssigkeitsfraktion mit der freifließenden Fraktion kleinster fester Partikel die Wärmebehandlung für jede dieser Fraktionen in einer Art und Weise ausgewählt werden kann, daß keine dieser Fraktionen eine schwerwiegendere Wärmebehandlung durchgehen muß als das benötigte Minimum. Dadurch wird ein optimaler Prozeß erreicht, in welchem abträgliche Auswirkungen, wie z.B. Farb- und Geschmacksänderungen, auf einem Minimum gehalten werden können. Eine weitere Errungenschaft mit diesem System besteht darin, daß die Verweilzeit der verschiedenen Größenfraktionen fester Partikel für ein bestimmtes, gewünschtes Temperaturniveau der Trägerflüssigkeit berechnet werden kann mittels einer Dimensionierung der aufeinanderfolgenden Rückhaltevorrichtungen, und die Ungewißheit in bezug auf die Verweilzeitstreuung fester Partikel innerhalb einer freifließenden Trägerflüssigkeit kann eliminiert werden zumindest für den Entwurf und die Berechnung des thermischen Prozesses.
Zum Vergleich zeigt Fig. 2a (analog zu Fig. 2) die Temperaturkurve der Trägerflüssigkeit und die Temperaturkurve des thermischen Zentrums fester Partikel unterschiedlicher Größe während dem Wärmebehandlungsprozeß in einer Vorrichtung analog der Vorrichtung von Fig. 1, aber ohne Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25. An Stelle der in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendeten Wärmehaltevorrichtung wird eine allgemein übliche Wärmehaltevorrichtung verwendet (z.B. in der Form einer langen Leitung). Wiederum stellen die Linien A' bis E' die Temperaturkurve der Flüssigkeit und des thermischen Zentrums der festen Partikel der gleichen Größe dar wie im Fall von Fig. 2. Die Verweilzeit in der Wärmehaltevorrichtung ist die gleiche für alle festen Partikel und gleich der Verweilzeit der Flüssigkeit t'vl. Die Temperaturkurve der größten festen Partikel ist in Fig. 2a (Linie E') und in Fig. 2 (Linie E) dieselbe. Die Temperaturkurve der kleineren festen Partikel ist in Fig. 2a und Fig. 2 unterschiedlich. Wenn keine Rückhaltevorrichtungen verwendet werden (Fig. 2a), wird die Verweilzeit der festen Partikel und der Flüssigkeit durch die größten festen Partikel bestimmt. Die kleineren festen Partikel und die Flüssigkeit werden dabei auf einer hohen Temperatur für eine unnötig lange Zeit gehalten, was zu einer Verschlechterung ihrer Qualität führt, wie im weiteren genauer beschrieben.
Die Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 können auf unterschiedliche Arten entworfen werden. Hier ist es wichtig, daß eine Größenfraktion fester Partikel, welche in einer oder mehreren der aufeinanderfolgenden Rückhaltevorrichtungen während einer einstellbaren Zeitdauer zurückgehalten wird, in der Zwischenzeit nicht von der strömenden Flüssigkeit getrennt wird und während der Verweilzeit innerhalb der aufeinanderfolgenden Rückhaltevorrichtungen durch die Trägerflüssigkeit frei umgewäizt wird, welche die Fraktion fester Partikel enthält, welche kleiner sind als diejenigen, welche zeitweilig in der betreffenden Rückhaltevorrichtung zurückgehalten werden, so daß auf diese Art ausreichend thermische Energie von der freifließenden Trägerflüssigkeit an die bestimmte, zurückgehaltene Fraktion abgegeben wird.
Das Ausführungsbeispiel einer in Fig. 3 und 4 gezeigten Rückhaltevorrichtung wird in ihrer Gesamtheit durch 30 bezeichnet und weist einen im wesentlichen geschlossenen zylindrischen Tank 31 auf mit einer peripheren Wand 32 und zwei Endwänden 33 und 34. Eine Zufuhrleitung 35 und eine Ausstoßleitung 36 sind mit der peripheren Wand verbunden.
Innerhalb des Tanks 31 ist für ein Rückhalteelement in der Form eines Drehblattrades 37 gesorgt, welches eine Welle 38 mit einer Anzahl von Blättern 39, in diesem Fall sechs, aufweist, welche daran angebracht sind. Die Rotationsachse des Blattrades fällt mit der Achse des zylindrischen Tanks 31 zusammen. Die freie periphere Kante jeder der Blätter 39 befindet sich neben der Innenseite der zylindrischen peripheren Wand 32 und den beiden Endwänden 33 und 34 des Tanks 31. Die Blätter 39 sind durchlässig und können zu diesem Zweck eine Siebstruktur, wie in Fig. 3 gezeigt, haben. Es ist jedoch möglich, die Blätter 39 mit Schlitzen bereitzustellen.
Das Blattrad 37 kann mit einer einstellbaren Rotationsgeschwindigkeit angetrieben werden durch eine Welle, welche durch eine oder beide Endwände 33 und 34 des Tanks 31 hindurchtritt. Die Antriebseinheit ist hier nicht weiter gezeigt.
Das Produktgemisch, welches für eine gewisse Zeit auf einer gewissen Temperatur gehalten werden muß, kann durch die Zuführleitung 35 eingespeist werden und durch die Ausstoßleitung 36 ausgestoßen werden. Die Trägerflüssigkeit kann frei in allen Richtungen durch den Tank fließen direkt von der Zufuhrleitung 35 durch die Öffnungen in den Blättern zu der Ausstoßleitung 36. Die Flüssigkeit wird hier den Weg geringsten Widerstands auswählen.
Die festen Partikel 40 der Flüssigkeit werden andererseits durch die Drehblätter 39 zurückgehalten und werden dadurch daran gehindert, dem kürzesten Weg von der Zufuhrleitung 35 zu der Ausstoßleitung 36 zu folgen. Die festen Partikel werden zwischen den Blättern 39 des angetriebenen Blattrades gesammelt und in der Rotationsrichtung des Blattrades mitgeführt, bis sie zu der Ausstoßleitung 36 gelangen. Dort verlassen die festen Partikel 40 den Raum zwischen den Blättern 39, weil sie durch die durch den Tank 31 fließende Trägerflüssigkeit mitgenommen werden, und kommen in der Ausstoßleitung 36 an. Die Verweilzeit der festen Partikel 40 in dem Tank 31 kann unabhängig von der Verweilzeit der Flüssigkeit in dem Tank bestimmt werden, indem man die Rotationsgeschwindigkeit des Blattrades 37 einstellt. Die Verweilzeit der festen Partikel 40 in dem Zank kann so eingestellt werden, daß die festen Partikel 40 ausreichend durchwärmt werden.
Fig. 5 und 6 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel einer Rückhaltevorrichtung, welche in ihrer Gesamtheit mit 41 bezeichnet ist. Die Vorrichtung hat auch einen im wesentlichen zylindrischen Tank 42 mit einer zylindrischen peripheren Wand 43 und Endwänden 44 und 45. Eine Zufuhrleitung 46 und eine Ausstoßleitung 47 sind auch an den Tank angeschlossen, wobei die Ausstoßleitung 47 geringfügig unterschiedlich angeordnet ist von der in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 und 4. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es auch ein Blattrad 48 mit einer Anzahl von Blättern 50 (in diesem Fall vier Blätter), welche an einer Welle 49 angeordnet sind.
Jedes Blatt 50 weist eine Anzahl von Stiften 51 auf, welche in der Richtung der Welle 49 beabstandet sind und sich nach außen rechtwinklig von der Welle 49 erstrecken, wobei sich die Enden dieser Stifte neben der inneren Seite der zylindrischen Wand 43 des Tanks 42 befinden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stifie 51 gekrümmt. Es ist jedoch möglich, die Stifte geradlinig zu machen.
Die Rückhaltevorrichtung gemäß Fig. 5 und 6 arbeitet genauso wie die der Fig. 3 und 4.
Zum Entfernen der festen Partikel 40 von den Blättern 50 enthält der Tank 42 in der Nähe der Ausstoßleitung 47 ein Element 52, welches eine Serie von Stiften 53 aufweist, welche nebeneinander und mit einem Abstand zueinander in der länglichen Richtung des Tanks angeordnet sind und die sich von der zylindrischen Wand 43 des Tanks 42 in die Richtung der Welle 49 erstrecken und zwischen den Stiften 51 der Blätter 50 eingreifen. Dies stellt sicher, daß keine festen Partikel an den Blättern zurückbleiben, welche sonst ein zweites Mal durch den Tank befördert werden könnten, was dazu führt, daß die Verweilzeit der festen Partikel in der Wärmehaltevorrichtung die maximale Verweilzeit überschreitet. Fig. 7 zeigt schematisch die Welle 49 mit einem daran angeordneten Blatt 50, welches aus Stiften 51 besteht, und auch das Element 52, welches aus den Stiften 53 besteht. Feste Partikel 40, die sich zwischen den Stiften 51 festgesetzt haben, werden, wie es der Fall war, durch die Stifte 53 in der Längsrichtung der Stifte 51 aus den Schlitzen herausgeschoben, welche zwischen den Stiften 51 vorhanden sind.
Fig. 8 bis 10 vermitteln eine Idee der Ergebnisse einer Wärmebehandlung eines Produktgemisches, welches aus einer Flüssigkeit besteht, die feste Partikel enthält, welches durchgeführt wird in:
- einer Anlage gemäß dem Stand der Technik mit einer Wärmehaltevorrichtung ohne Rückhaltevorrichtungen (Fig. 8),
- einer Anlage gemäß der Erfindung mit einer Wärmehaltevorrichtung mit drei Rückhaltevorrichtungen oder einer Dreistuferrückhaltevorrichtung (Fig. 9), und
- einer Anlage gemäß der Erfindung mit einer großen Anzahl von Rückhaltevorrichtungen oder einer Mehrstufen-(mehr als drei)-Rückhaltevorrichtung (Fig. 10).
Fig. 8a, 9a und 10a zeigen den Verarbeitungswert F&sub0; in dem thermischen Zentrum der festen Partikel als eine Funktion der thermischen Größe der festen Partikel sowie den Verarbeitungswert F&sub0; in der Flüssigkeit (Größe 0).
F&sub0; stellt die Lethalität dar und ist definiert als
wobei t die Zeit und T die Temperatur des thermischen Zentrums des festen Partikels oder die Temperatur der Flüssigkeit ist.
F&sub0; ist ein Maß für die biologische Inaktivierung des thermischen Zentrums der festen Partikel und der Flüssigkeit.
Fig. 8h, 9b und 10b zeigen den Verarbeitungswert C&sub0; der festen Partikel als eine Funktion der thermischen Größe der festen Partikel sowie den Verarbeitungswert C&sub0; der Flüssigkeit.
C&sub0; stellt den Kochwert dar und ist definiert als:
wobei t die Zeit und T die Temperatur integriert über das gesamte feste Partikel oder die Temperatur der Flüssigkeit ist.
C&sub0; ist ein Maß der thermischen Zersetzung der festen Partikel und der Flüssigkeit.
Fig. 8 bis 10 gelten für die Wärmebehandlung eines Produktgemisches, in welchem die größten festen Partikel eine thermische Größe von 30 mm haben.
Fig. 8a, 8b zeigt, welche F&sub0;- und C&sub0;-Werte erzielt werden mit einer Wärmebehandlung in einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einer Wärmehaltevorrichtung ohne Rückhaltevorrichtungen. Die Temperaturkurve der Flüssigkeit und des thermischen Zentrums der festen Partikel während einer solchen Wärmebehandlung ist in Fig. 2a gezeigt.
Fig. 8a zeigt, daß als ein Ergebnis der langen Verweilzeit des gesamten Produktgemisches in der Wärmehaltevorrichtung, wobei die Verweilzeit notwendig ist, um den minimalen F&sub0;-Wert (F0min) in dem thermischen Zentrum des größten festen Partikels zu erzielen, das thermische Zentrum der kleineren festen Partikel und insbesondere die Flüssigkeit einen sehr hohen F&sub0;-Wert erreichen. Es ist jedoch wichtiger, daß auch der C&sub0;-Wert, der ein Maß für die thermische Zersetzung ist, sehr hoch ist für die kleineren festen Partikel und für die Flüssigkeit, was für ihre Qualität nachteilig ist.
Fig. 9a, b zeigen, welche F&sub0;- und C&sub0;-Werte erzielt werden mit einer Wärmebehandlung in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, insbesondere einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einer Wärmehaltevorrichtung 8 mit drei Rückhaltevorrichtungen 23, 24, 25 oder einer Dreistufenräckhaltevorrichtung. Die Temperaturkurve der Flüssigkeit und des thermischen Zentrums der festen Partikel während dieser Wärmebehandlung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Rückhaltevorrichtungen werden so eingestellt, daß während der Wärmebehandlung das thermische Zentrum der größten festen Partikel in jeder Größenfraktion den minimalen F&sub0;-Wert erreicht.
Fig. 9a, b zeigt, daß die F&sub0;- und C&sub0;-Werte für die festen Partikel, deren thermische Größe zwischen 20 und 30 mm liegt, gleich denen in Fig. 8a, b sind. Dennoch sind die F&sub0; und C&sub0;-Werte für die kleineren festen Partikel mit einer thermischen Größe unter 20 mm und der Flüssigkeit beachtlich niedriger als in Fig. 8a, b. Insbesondere hat der geringere C&sub0;-Wert für die kleineren festen Partikel und die Flüssigkeit einen günstigen Einfluß auf die Qualität des Produktgemisches.
Schließlich zeigt Fig. 10a, 10b, welche F&sub0;- und C&sub0;-Werte erzielt werden, wenn anstatt der drei Rückhaltevorrichtungen, wie in Fig. 1 gezeigt, oder einer Dreistulenrückhaltevorrichtung, eine große Anznhl (in diesem Fall 7) von Rückhaltevorrichtungen oder eine Mehrstufen (sieben Stufen) Rückhaltevorrichtung verwendet wird. Der F&sub0;-Wert in dem thermischen Zentrum der festen Partikel liegt innerhalb ziemlich enger Grenzen knapp oberhalb des minimalen F&sub0;-Werts (Fig. 10a) für alle festen Partikel. Der C&sub0;-Wert nimmt schrittweise von dem C&sub0;-Wert für die größten festen Partikel zu dem C&sub0;-Wert für die kleinsten festen Partikel und die Flüssigkeit (Fig. 10b) ab.
Durch Verwendung einer Rückhaltevorrichtung mit Durchgangsöffnungen für die festen Partikel, die kontinuierlich von der Produktzuführung zu dem Produktausstoß abnehmen, konnte ein konstanter oder beinahe konstanter F0-Wert für die festen Partikel erzielt werden, während der C&sub0;Wert gleichförmig von dem C&sub0;-Wert für die größten festen Partikel zu dem C&sub0;-Wert für die kleinsten festen Partikel und die Flüssigkeit abnimmt.

Claims

1. Prozeß zur Wärmebehandlung bei kontinuierlichem Fluß eines Produktgemisches, welches aus einer Flüssigkeit besteht, die feste Partikel enthält, wobei das Gemisch In einem oder mehreren Wärmetauschern auf eine bestimmte gewünschte Temperatur erwärmt wird, wobei es auf dieser Temperatur in einer Wärmehaltevorrichtung für eine bestimmte Zeit gehalten wird und dann auf die gewünschte Endtemperatur in einem oder mehreren Wärmetauschern abgekäiiit wird, dadurch gekennzeichnet, daß

für die Wärmebehandlung eines Produktgemisches, welches feste Partikel verschiedener Größen enthält, die in eine Anzahl von Größenfraktionen unterteilt werden können, die Verweilzeit der unterschiediichen Größenfraktionen von festen Partikeln in der Wärmehaltevorrichtung getrennt reguliert wird je nach der Größe der festen Partikel in einer bestimmten Fraktion und unabhängig von der Verweilzeit der Flüssigkeit in der Wärmehaltevorrichtung, während die festen Partikel andauernd durch die Flüssigkeit umgewälzt werden.

2. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit einer bestimmten Größenfraktion von festen Partikeln in der Wärmehaltevorrichtung zunimmt, wenn die Dimensionen der festen Partikel in dieser Fraktion größer sind.

3. Prozeß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und jede der unterschiedlichen Größenfraktionen der in der Flüssigkeit enthaltenen festen Partikel einer unterschiedlichen Wärmebehandlung unterworfen werden.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Prozesses nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem oder mehreren Wärmetauschern (5, 6, 7), in welchem das Gemisch von Flüssigkeit und festen Partikeln auf eine bestimmte gewünschte Temperatur erwärmt werden kann, einer Wärmehaltevorrichtung (8), in welcher die Flüssigkeit und die festen Partikel auf dieser Temperatur für eine bestimmte Zeit gehalten werden können, und einem oder mehreren Wärmetauschern (9, 10, 11), in welchen das Gemisch auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmehaltevorrichtung (8) eine Rückhalteeinrichtung hat, mit der die Verweilzeit der festen Partikel in der Wärmehaltevorrichtung getrennt und unabhängig von der Verweilzeit der Flüssigkeit In der Wärmehaltevorrichtung reguliert werden kann, wahrend die festen Partikel andauernd durch die Flüssigkeit umgewälzt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückhalteeinrichtung eine Rücknaltevorrichtung oder mehrere Rückhaltevorrichtungen (23, 24, 25) aufweist, welche der Reihenfolge nach zum Rückhalten von festen Partikeln angeordnet sind, wobei jede Rückhaltevorrichtung (23, 24, 25) Rückhalteelemente (26) enthält, die mit Durchgangsöffnungen versehen sind, wobei die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhaltelementen einer besonderen Rückhaltevorrichtung im wesentlichen gleich ist, während die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhalteelementen unterschiedlicher Rückhaltevorrichtungen unterschiedlich ist für jede Rückhaltevorrichtung, wobei die Größe der Durchgangsöffnungen in den Rückhalteelementen aufeinanderfolgender Rückhaltevorrichtungen vorzugsweise abnimmt, und zwar in der Richtung von den Wärmetauschern (5, 6, 7) zum Erwärmen des Produktgernisches zu den Wärmetauschern (9, 10, 11) zum Kühlen des Produktgemisches, und die Vorrichtung vorzugsweise eine Einrichtung aufweist zum Einstellen der Zeit, während welcher die Rückhaltevorrichtung (23, 24, 25) die festen Partikel getrennt für jede Rückhaltevorrichtung zurückhalten kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rückhaltevorrichtung (23, 24, 25; 30, 41) zumindest einen Tank (31, 42) aufweist, in welchem das Produktgemisch für eine Zeit bleibt, und an welchem eine Versorgungsleitung und eine Entsorgungsleitung (35; 46, 36; 47) für das Produktgemisch angeschlossen sind, und ein Rückhalteelement (37; 48), welches in den Tank (31; 42) eingepaßt ist und selektiv auf feste Partikel (40) oberhalb einer bestimmten Größe einwirkt, wodurch die Fördergeschwindigkeit und folglich die Verweilzeit der festen Partikel in dem Tank reguliert werden kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (31; 42) im wesentlichen zylindrisch ist und das Rückhalteelement (37; 48) ein Rückhalteelement ist, welches mit variabler Geschwindigkeit rotiert, dessen Rotationsachse mit der Achse des zylindrischen Tanks (31; 42) übereinstimmt und welches mit zumindest einem für Flüssigkeit durchlässigen Rückhalteteil (39; 50) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der für Flüssigkeit durchlässige Rückhalteteil (39; 50) sich in einer Ebene befindet, die sich nach außen hin von der Welle (38; 49) des Rückhalteements (37; 48) und parallel zu der Welle (38; 49) erstreckt, und daß die freie periphere Kante jedes Rückhalteteils (39; 50) sich nahe an dem Innenraum der zylindrischen peripheren Wand (32, 43) und den Endwänden (33, 34; 44, 45) des Tanks (31; 42) befindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rückhaiteteil (50) eine Anzahl von Stiften (51) aufweist, weiche unter Abständen in der Richtung der Welle (49) des Rückhalteelements (48) angeordnet sind und sich nach außen hin rechtwinklig von dieser Welle (49) erstrecken, wobei die Enden der Stifte sich nahe der Innenseite der zylindrischen Wand (43) des Tanks befinden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (42) nahe an der Entsorgungsleitung (47) für das Produktgemisch ein Entfernungsteil (52) enthält zum Entfernen der festen Partikel (40) von dem Rückhalteteil (50), wobei dieses Entfernungsteil (52) eine Reihe von Stiften (53) aufweist, welche nebeneinander und unter einem Abstand zueinander in länglicher Richtung des Tanks (42) angeordnet sind und welche sich von der zylindrischen Wand (43) des Tanks in der Richtung der Welle (49) des Rückhalteelements (48) erstrecken und zwischen den Stiften (51) des Rückhalteteils (50) miteinander in Eingriff sind.