AT234123B - Verfahren und Einrichtung zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünnschichtbehandlungsapparaten - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünnschichtbehandlungsapparaten

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AT234123B
AT234123B AT983662A AT983662A AT234123B AT 234123 B AT234123 B AT 234123B AT 983662 A AT983662 A AT 983662A AT 983662 A AT983662 A AT 983662A AT 234123 B AT234123 B AT 234123B
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  Verfahren und Einrichtung zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünn- schichtbehandlungsapparaten 
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verlängerung der Verweil- zeit von Flüssigkeit in einem Dünnschichtbehandlungsapparat. 



   Bei Dünnschichtverdampfern u. dgl. Durchlaufwärmetauschern für Flüssigkeiten, bei denen die zu behandelnde Flüssigkeit durch einen Rotor zu einer dünnen Schicht auf der dem Wärmeaustausch dienenden Behälterwand ausgebreitet wird, kann es vorkommen, dass die Flüssigkeitsmenge, z. B. infolge
Ausdampfung einer Komponente, bei ihrem Vorrücken gegen die tiefer als   die Flüssigkeitszuführungsstelle   liegende Entnahmestelle derart abnimmt, dass die Rotorflügel nicht mehr in den Flüssigkeitsfilm ein- tauchen. Die Folge ist eine stellenweise Entnetzung der Wärmeaustauschfläche und eine erhebliche Ver- minderung der für eine gleichmässige Erwärmung und einen guten Wärmeübergang wichtigen Turbulenz der Flüssigkeit. 



   Dies trifft insbesondere für solche Wärmetauscher zu, deren Rotor starre Flügel für die Verteilung der Flüssigkeit auf der Behälterwand aufweist und bei denen schon mit Rücksicht auf die Herstellungstoleranzen und die unterschiedlichen, insbesondere beim Anfahren und nach dem Abstellen zeitlich gegen- einander verschobenen Wärmedehnungen eine gewisse Spaltbreite zwischen Rotorflügel und der von ihnen bestrichenen Behälterwand nicht unterschritten werden kann. Aber auch bei Wärmetauschern, deren Rotor bewegliche, sich an die Behälterwand, z.

   B. infolge der Zentrifugalkraft bei umlaufendem Rotor oder der Elastizität des Materials an die Behälterwand anschmiegende Flügelteile (Wischer, Bürsten od. dgl.) aufweist, kann in der Zone abnehmender Flüssigkeitsmenge ein Aufreissen des Flüssigkeitsfilmes erfolgen, wodurch sich ebenfalls eine schlechte Ausnützung der verfügbaren Wärmeaustauschfläche und möglicherweise ein stellenweises Anbacken der Flüssigkeit ergibt. 



   Es ist auf verschiedene Arten versucht worden, diese Nachteile zu vermeiden. So sind sich gegen die Entnahmestelle der Flüssigkeit konisch verjüngende Wärmeaustauschflächen vorgeschlagen worden, um dadurch das Volumen zwischen der konischen Behälterwand und dem von den Rotorflügelkanten beschriebenen Konus stetig zu verringern. Diese Verringerung kann aber nur z. B. auf ein ganz bestimmtes Eindampfverhältnis abgestimmt werden. Bei einer Änderung des Eindampfverhältnisses wird entweder eine übermässig grosse Flüssigkeitsbugwelle vor den Rotorflügeln (in der unbehandelte Flüssigkeit auf direktestem Weg der Entnahmestelle zufliesst) oder aber gerade in der ungünstigsten Zone ebenfalls eine Entnetzung der Wand bewirkt. 



   Ferner ist vorgeschlagen worden, die Flüssigkeit von unten unter Druck in den Wärmetauscher einzuleiten und sie unter dem Einfluss des umlaufenden Rotors längs einer konischen oder zylindrischen Wärmetauscherfläche hochzutreiben, um sie dann oben zu entnehmen. Auch hiemit sind jedoch erhebliche Nachteile verbunden, hauptsächlich deswegen, weil sich eine wesentliche Erhöhung der gleichzeitig im Apparat vorhandenen Flüssigkeitsmenge und des hydrostatischen Druckes sowie eine erhebliche und kaum beeinflussbare Verlängerung der Verweilzeit ergibt. Ferner ist für das Umwälzen und Hochtreiben der verhältnismässig grossen Flüssigkeitsmenge und die Zuführung der Flüssigkeit unter Druck ein grösserer Energieaufwand nötig.

   Es kann auch nicht alle zugeführte Flüssigkeit aufgearbeitet werden, sondern beim Stillsetzen des Apparates verbleibt eine erhebliche Menge von Flüssigkeit, welche verschiedenartige Beeinflussungszeiten hinter sich hat, im Apparat. 



   Endlich können die Flüssigkeit und die gegebenenfalls aus ihr ausgetretenen Dämpfe nur im Gleichstrom abgeleitet werden, was in vielen Fällen infolge der daraus resultierenden Gleichgewichtsverhältnisses zwischen Flüssigkeit und Dampf unerwünscht ist. 



   Durch die vorliegende Erfindung können alle diese Nachteile vermieden werden. Sie bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeiten in einem Dünnschichtbehandlungsapparat, das sich dadurch auszeichnet, dass die Flüssigkeit vor ihrem Austritt aus dem Behandlungsraum durch Umlenkung einer der Schwerkraft entgegenwirkenden, durch die Zentrifugalkraft verursachten Kraftkomponente unterstellt wird, die die Abströmung gegen den Austritt behindert. 



   Die erfindungsgemässe Einrichtung an einem Dünnschichtbehandlungsapparat, insbesondere Dünnschichtverdampfer, mit einer rotationssymmetrischen, mit Wärmetauschmitteln versehenen Behandlungskammer und einem mit Flügeln ausgestatteten, in der Behandlungskammer koaxial angeordneten Rotor, 

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 wobei die Flügel in unmittelbarer Nähe der Innenwand der Behandlungskammer enden, und mit mindestens je einer Flüssigkeitszuleitung und einer Ableitung, wobei die Mündung der Ableitung in die Behandlungs- kammer tiefer liegt als diejenige der Zuleitung, zeichnet sich aus durch eine zwischen den Mündungen der
Zuleitung und Ableitung in der Behandlungskammer angeordnete, an die Innenwand anschliessende ring- förmige, ununterbrochene Schulter, welche einwärts verläuft, dem die Mündung der Zuleitung aufweisendes
Ende der Behandlungskammer zugekehrt ist,

   und eine zum Rotor konzentrische Durchtrittsöffnung einen mit der Ableitung verbundenen Teil der Behandlungskammer bildet, wobei die Rotorflügel im Bereich der
Schulter abgesetzt sind, derart, dass sie mit der Schulter zur Bildung einer die Abströmung der Flüssigkeit in die Durchtrittsöffnung hemmenden Zentrifugalkraftkomponente zusammenwirken. 



   Die Vorrichtung kann zur Behandlung von Flüssigkeiten aller Art, wie z. B. Lösungen, Emulsionen,
Aufschwemmungen, durch Erwärmung flüssig gewordene Feststoffe sowie von durch Trocknungs- oder
Kristallisationsprozesse im Wärmetaucher selbst entstandenen, fliessfähigen Feststoffen, dienen. 



   Vorausgesetzt ist, dass der Durchlauf-Wärmetauscher wenigstens annähernd unter den für Apparate dieser Gattung (wie Dünnschichtverdampfer, Dünnschichtrektifikatoren, Dünnschichttrockner, Dünn- schichtreaktoren usw. ) bereits üblichen Betriebsbedingungen, insbesondere bezüglich der Rotordrehzahlen, gefahren wird. Gleichzeitig mit der Wärmebeeinflussung   (Wärmezu- oder -abfuhr),   können andere
Beeinflussungen der Flüssigkeit erfolgen, wie z. B. Inberührungbringen mit einem kontinuierlich zuge- führten Gas oder Dampf u. dgl. 



   Durch die radiale Umlenkung des Flüssigkeitsfilms gegen die Achse hin im Wirkbereich des Rotors soll ein mehr oder weniger ausgeprägtes Aufstauen des Flüssigkeitsfilms an der betreffenden Stelle auf seinem ganzen Umfang erzielt werden, wobei die freie Begrenzungsfläche der Flüssigkeit einen Teil eines
Flüssigkeitsrotationsparaboloids bildet. Die Stauhöhe hängt dabei ausser von der durch den Rotor erzeugten
Zentrifugalkraft im wesentlichen von der radialen Erstreckung des Absatzes ab. Ausserdem wird sie durch die Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst sowie durch die Achsrichtung des Apparates und damit die Grösse der Schwerkraftkomponente sowie gegebenenfalls auch durch den Grad der Konizität des dem Absatz vorangehenden Teils der Wärmetauscherwand. 



   Bei entsprechender konstruktiver Gestaltung, z. B. bei Verwendung von elastischen gespaltenen Spannringen, die auf geeigneter axialer Höhe eingesetzt werden und auf der Behälterwand festsitzen, kann die radiale Erstreckung des Absatzes durch Auswechseln der Ringe leicht und rasch den jeweiligen Betriebserfordernissen angepasst werden. Ebenso ist es mit geringem technischem Kosten- und Zeitaufwand möglich, die Drehzahl des Rotors zu verändern. Durch diese einfachen Vorkehrungen lassen sich Stauhöhe und - breite leicht den jeweiligen Erfordernissen anpassen, etwa in der Weise, dass die Stauhöhe bis zu jenem Punkt getrieben wird, von dem an die Rotorflügel ohne das Stauen der Flüssigkeit infolge Abdampfens einer Komponente nicht mehr in den Flüssigkeitsfilm eintauchen würden. 



   Durch die Stauung wird die gesamte mittlere Aufenthaltszeit der Flüssigkeit im Wärmetauscher um einen genau bestimmbaren Wert verlängert. Die für ein bestimmtes Produkt unter den herrschenden Betriebsbedingungen zulässige Verlängerung der Aufenthaltszeit kann als Regelgrösse für die Bestimmung des Ausmasses des Staues durch die vorgenannten Mittel verwendet werden. 



   Da die Rotorflügel in die gestaute Flüssigkeit eintauchen, wird die Flüssigkeit gerade auch an dieser besonders wichtigen Stelle ständig und sehr gründlich durchgewirbelt, so dass eine Überhitzung einzelner Flüssigkeitsteilchen innerhalb des gestauten Flüssigkeitsfilms viel weniger leicht eintreten kann, als wenn der Film auf dem betreffenden Teilstück ohne unmittelbare Einwirkung des Rotors mit weniger Turbulenz frei abfliessen würde. Durch die geringe Verlängerung der Aufenthaltszeit sind daher schädliche Auswirkungen auf temperaturempfindliche Flüssigkeiten nicht zu erwarten. Nötigenfalls kann auch durch Reduktion der Temperaturdifferenz der Wärmeübertragungsmittel in der betreffenden Zone eine Schonung erzielt werden. 



   Besonders vorteilhaft ist es, durch ausreichend dimensionierte zentrale Abflussöffnungen der Flüssigkeit unter allen Betriebsbedingungen einen ungehemmte Ablauf aus der Stauzone zu verschaffen, so dass jede   Flüssigkeitsmenge, die im betreffenden Apparat praktisch überhaupt zur Verarbeitung kommen kann, überlaufartig frei aus der Stauzone wegfliessen kann, ohne dass z. B. die restliche Rotationsbewegung der   Flüssigkeit hemmend wirken kann. Dadurch lässt sich erreichen, dass am Auslauf keine Reguliermanipulationen vorgenommen werden müssen, und die Speisemenge der Flüssigkeit sowie die Temperaturdifferenzen bzw. das Eindampfverhältnis frei wählbar sind, was die Bedienung des Apparates erheblich vereinfacht und die Betriebssicherheit erhöht. 



   Durch differenzierte Heizung bzw. Kühlung im Bereich einer oder mehrerer hintereinander geschalteten Stauzonen ist es z. B. auch möglich, die durchlaufende Flüssigkeit in einer ersten Zone rasch auf eine bestimmte Temperatur aufzuwärmen, sie in der nächsten Zone während einer genau definierten Aufenthaltszeit durch Inberührungbringen mit einer andern Substanz, gegebenenfalls unter   Wärmezu- oder -abfuhr   einer chemischen Reaktion zu unterwerfen und die so entstandene Flüssigkeit in einer weiteren Zone rasch abzukühlen. 



   Versuche haben gezeigt, dass überraschend gute Wirkungen erreichbar sind. Wie an Beispielen gezeigt werden wird, lässt sich bei Flüssigkeiten niedrigen oder mittleren Viskositätsgrades, z. B. in einem Dünn-   schichtverdampfer mit starren Rotorflügeln, durch Einsetzen eines Stauringes eine ganz erhebliche Steigerung der Wärmeübergangszahlen und des Eindampfungsverhältnisses in einem Durchlauf und damit eine   

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 überraschend grosse Leistungssteigerung bei gleichbleibenden Abmessungen der Heizfläche ohne Schädigung der Produkte erzielen. 



   Um die Stauwirkung voll wirksam werden zu lassen, muss die Flüssigkeit im Bereiche des Absatzes von den Rotorflügeln erfasst werden, damit ihr eine Zentrifugalkraft aufgedrückt werden kann, die wirksamer ist als die in Achsrichtung wirksamen Kräfte, zu denen u. a. der hydrostatische Druck gehört. Wie Versuche gezeigt haben, sollte der Rotor mit einer solchen Drehzahl rotieren, dass die Flügelkanten eine Umfang- geschwindigkeit von vorzugsweise über 10 m/sec, mindestens aber 6 m/sec, erreichen. 



   Um das Erfassen der Flüssigkeit durch die Rotorflügel zu erleichtern, soll der zwischen ihnen und dem
Absatz während der Betriebszeit in Achsrichtung bestehende Spalt möglichst eng sein. Infolge unter- schiedlicher Wärmedehnungen kann es einige Schwierigkeiten bieten, dies zu verwirklichen. Beim Anfahren der Anlage erwärmt sich z. B. der Rotor langsamer und in geringerem Ausmass als der Behälter. Dadurch kann sich die genannte Spaltbreite in erheblichem Ausmass verändern. Je nachdem in welchem Lager die
Rotorwelle in Axialrichtung abgestützt ist, wird der Spalt zu weit oder können die Flügel bei der Rotation zum Streifen kommen. Dem kann auf verschiedene Weise abgeholfen werden, z.

   B. dadurch, dass der den
Absatz bildende Ring in Abhängigkeit von der Axialverschiebung im gleichen Ausmass ebenfalls verschoben wird, was durch vom Rotor geführte Verbindungsmittel zum Ring bewirkbar ist, oder indem auf den Rotorflügeln bewegliche, sich selbsttätig einstellende Organe angebracht werden oder indem dem Absatz und dem ihm gegenüberliegenden Teil der Flügelkante eine Form gegeben wird, die ein Eintauchen in die Flüssigkeit auch bei vergrösserter Spaltbreite gewährleistet. 



   Die   Behälter- und   damit Rotorachse ist vorzugsweise vertikal gestellt, um über den ganzen Umfang eine gleichmässige Stauhöhe zu bekommen. Sie kann aber auch geneigt zur Horizontalen sein, was dann notwendig sein kann, wenn es wichtig ist, die Aufenthaltszeit noch mehr zu verlängern oder wenn geringe Bauhöhe verlangt wird. 



   An Hand der Zeichnung werden einige Ausführungsbeispiele des Wärmetauschers nach der Erfindung in der Anwendung auf Dünnschichtverdampfer verschiedener, an sich bekannter Bauarten beschrieben. 



   Es zeigen : Fig. 1 einen Dünnschichtverdampfer, dessen Rotor starre Flügel besitzt, teils in Ansicht und teils im Längsschnitt, Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Dünnschichtverdampfers in einer andern Ausführungsart, Fig. 3 einen Querschnitt von Fig. 2 nach III-III, Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Dünnschichtverdampfer einer weiteren Ausführungsart, Fig. 5-8 je einen Längsschnitt durch Teile von Dünnschichtverdampfern weiterer Ausführungsarten, wobei in den Fig. 2-8 der Einfachheit halber die an sich bekannten Mittel zum Beheizen oder Kühlen der Wärmetauscherwand nicht eingezeichnet sind. 



   In Fig. 1 bedeutet 1 ein von einem Heizmantel 2 umgebenes, zylindrisches Rohr, das oben mit einem das Rotorlager 4 tragenden Deckel 3 und unten mit dem konischen Teil 5 abgeschlossen ist. Die Welle 6 des koaxial mit dem Zylinderrohr 1 angeordneten Rotors ist unten in dem mittels Stellschraube 8 in axialer Richtung verschiebbaren Lager 7 geführt und gestützt. Die Rotorwelle 6 trägt starre, sternförmig angeordnete, sich in Achsrichtung erstreckende Flügel 9, deren Kanten bis nahe an die Zylinderwand 1 reichen und die mindestens so lang sind wie der Heizmantel. Der Rotor wird von einem nicht dargestellten Motor über den Keilriemen 10 und die Riemenscheibe 11 angetrieben. An den Heizmantel 2 sind eine Dampfzufuhrleitung 12 und eine Kondensableitung 13 angeschlossen. 14 stellt die Speiseleitung für die zu behandelnde Flüssigkeit dar und 19 die Ableitung für den Rückstand.

   Das Rohr 15 dient für die Ableitung von Dämpfen und Gasen und führt zu dem nicht dargestellten Kondensator und gegebenenfalls zur Vakuumpumpe. Der Flansch 16 bildet gegenüber dem Rohr 1 einen ringförmigen, rundherumführenden, sich im rechten Winkel zur Rotorachse erstreckenden, bis zur Kante 18 reichenden Absatz 17. 



  Die über die Speiseleitung 14 kontinuierlich zugeführte Flüssigkeit wird in bekannter Weise von den Rotorflügeln 9 auf dem zylindrischen Rohr 1 zu einem dünnen   Flüssigkeitsfilm   ausgebreitet, der sich unter der Einwirkung der Zentrifugal- und Schwerkraft in axialer Richtung nach unten bewegt, wobei an der von aussen beheizten oder gekühlten Rohrwand 1 der Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeit und Wand stattfindet. 



  Durch den Absatz 17 wird der Flüssigkeitsfilm in radialer Richtung gegen die Achse umgelenkt, um nachher auf dem ganzen Umfang frei über die Kante 18 in das darunterliegende, durch den Konus 5 gebildete Sammel- und Beruhigungsbecken zu fliessen, aus dem die Flüssigkeit über die Leitung 19 abgezogen wird. 



  Um die Breite des Spaltes zwischen dem Absatz 17 und den Rotorflügeln 9 auf das zweckmässige Mass einzustellen, ist das untere Rotorlager 7 und damit die Rotorwelle mittels der Schraube 8 axial verschiebbar. 



  DieBreite des genannten Spaltes ist bei der vorliegenden Anordnung vorteilhafterweise geringer als die Breite des Spaltes zwischen Rotorflügel 9 und Rohrwand 1. 



   In den Fig. 2 und 3 ist ein Teilstück eines Rotors, bestehend aus Welle 22 und den Flügeln 21 dargestellt, der koaxial mit den aufeinandergesetzten, zylindrischen Rohren 23 a,   23 bund 23 c,   welche dem Wärmeaustausch dienen, angeordnet ist. Hiebei ist der Durchmesser des Rohres 23 c geringer als jener des vorangehenden Rohres   23 b,   welches seinerseits eine geringere Weite als das darüber befindliche Rohr   23 a   besitzt. Durch die Flansche dieser Rohrstücke werden die Absätze 24, 25 gebildet, in deren Bereich die Breite der Rotorflügel entsprechend geringer wird. 



   Der längs den Rohrwandungen herabfliessende Flüssigkeitsfilm trifft also in bestimmten Abständen auf mehrere, einander folgende Absätze (ringförmige), von denen er durch weite Zentralöffnungen unmittelbar zum nachfolgenden Wandabschnitt überfliesst. 

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   Die einzelnen Absätze können verschiedene Breiten aufweisen. Breitere Absätze ergeben grössere Aufenthaltszeiten der Flüssigkeit im vorangehenden Rohrteil. Die einzelnen Rohrteile können in verschiedenem Mass beheizt oder gekühlt sein, so dass sich nicht nur die Aufenthaltszeit, sondern auch die Temperaturbeeinflussung der gleichen Flüssigkeit innerhalb des gleichen Apparates in sich unmittelbar folgenden Rohrabschnitten in verhältnismässig weiten Grenzen verändern und einstellen lässt. Dazu kommt noch die Möglichkeit, den Rotor ganz oder abschnittsweise in an sich bekannter Weise durch entsprechende Mittel ebenfalls auf bestimmten Temperaturen zu halten und das sich gegebenenfalls auf ihm niederschlagende Kondensat entweder abzuführen oder auf annähernd gleicher axialer Höhe wieder zum Flüssigkeitsfilm auf der Rohrwand zurückzuleiten. 



   Aus diesen Hinweisen ergibt sich, welche mannigfaltigen Möglichkeiten zur Vornahme von Reaktionen, Rektifikationen und andern Operationen in dünner Schicht durch die Erfindung eröffnet werden. 



   Fig. 4 zeigt einen Wärmetauscher mit horizontaler Achse, bei dem das dem Wärmeaustausch dienende Rohrstück 26 konisch ausgebildet ist. Die koaxial zu demselben angeordnete, durch nicht dargestellte Mittel angetriebene Rotorwelle 27 trägt wiederum starre, sternförmig angeordnete Flügel 28, deren Breite im Bereich des Rohrstückes 26 derart gehalten ist, dass zwischen den Flügelkanten und dem Rohrstück 26 ein schmaler Spalt bleibt. Dem konischen Rohrstück 26 ist auf der engeren Seite ein zylindrisches Rohrstück 29 vorgeschaltet, das durch den Deckel 30 abgeschlossen ist. Am weiteren Ende des konischen Rohrstückes 26 ist ein Flansch 31 angebracht, der in einer entsprechenden Nute den sich in das Rohrinnere erstreckenden Ring 32 in Stellung hält.

   Anschliessend ist ein zylindrischer Rohrteil 33 mit Deckel 34 angeflanscht, von dem die Flüssigkeitsableitung 36 und das   Brüdenrohr   37 abzweigen. Unter Umständen ist noch ein zweiter Brüdenstutzen 37 a vorgesehen, in welchem Fall jeder dieser Stutzen eine nicht dar- 
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   Die bei 38 kontinuierlich eingespiesene Flüssigkeit kann sich frei in den zylindrischen Rohrteil 29 ergiessen, gelangt dann infolge des Gefälles in den Bereich der Rotorflügel 28, durch welche sie zu einem Flüssigkeitsfilm ausgebreitet wird, der das Dreieck ausfüllt, das durch die Konizität des Rohres 26 und des Ringes 32 gebildet wird. Nach Massgabe des Zutrittes weiterer Flüssigkeit aus der Leitung 38 fliesst die behandelte Flüssigkeit dann frei und ungehindert über die Schwelle des Ringes 32 in den durch den zylindrischen Rohrteil 33 gebildeten Sammelraum, aus dem sie über die Leitung 36 entnommen wird. Im Bereich des Rohrteiles 26 unterliegt die Flüssigkeit der Wärmebeeinflussung durch nicht weiter dargestellte   Heiz-und/oder   Kühlmittel, die auf die betreffende Rohrwandung einwirken. 



   In Fig. 5 ist der untere Teil eines Dünnschichtverdampfers mit vertikaler Achse dargestellt. Das zylindrische Rohr 40 endigt in einem Flansch 41 und ist von einem nicht dargestellten Heiz- oder Kühlmantel umgeben. Den unteren Abschluss bildet ein steiler Konus 42, der einen Flansch 43 und eine Abflussleitung 44 aufweist. Durch die Flansche   41,   43 werden die Ringe 48 und 45 in Stellung gehalten, wobei der letztere über die Arme 46 das untere Lager 47 für die Rotorwelle 49 trägt. Die Rotorwelle 49 weist Tragarme 50 auf, in denen um die Stifte 51 schwenkbare   Rotornügel J ,   die unter der Bezeichnung Wischer in die Fachsprache eingegangen sind, gelagert sind.

   Unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft des drehenden Rotors haben diese Wischer das Bestreben, sich radial einzustellen, wobei sie je nach ihrer Breite in einem   stumpfen Winkel auf der Rohrwand 40 schleifen oder dieser mit der äusseren Kante in einem sehr geringen Abstand folgen. Ähnlich wie beim Beispiel nach Fig. l bildet sich auch hier unter dem Einfluss des Rotors   ein Flüssigkeitsfilm aus, der längs der Innenwand des Rohres 40 herunterläuft und dabei durch nicht weiter dargestellte Mittel einer Wärmebehandlung unterliegt. Wenn dieser   Flüssigkeitsfilm,   oder was von ihm übriggeblieben ist, in den Bereich des Ringes 48 gelangt, wird er brüsk nach innen umgelenkt.

   Unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft, die von den Rotorflügeln auf den   Flüssigkeitsfilm   übertragen wird, staut sich die Flüssigkeit an dieser Stelle auf, u. zw. derartig, dass die innere Begrenzungsfläche 53 annähernd einem Ausschnitt eines Flüssigkeitsrotationsparaboloids entspricht. Die Steilheit der Begrenzungsfläche 53 ist in bekannter Weise vom Überwiegen der Zentrifugalkraft gegenüber der Schwerkraft und damit vom Radius und der Drehzahl des Rotors abhängig und beeinflusst die Stauhöhe. Letztere wird ausserdem durch die Schulterbreite des Stauringes 48 bestimmt. Natürlich sind auch die Reibungskräfte und die Viskosität entsprechend zu berücksichtigen.

   Durch das Nachfliessen von oben tritt eine gewisse Flüssigkeitsmenge über den inneren Rand des Ringes 48 durch die weite Ringöffnung 55 überlaufartig in den darunterbefindlichen, durch den Konus 42 gebildeten Sammelraum, aus dem sie über den Rohrstutzen 44 abfliesst oder z. B. durch Pumpen weggefördert wird. 



   Um kontrollierbare Verhältnisse zu bekommen und von der Abflussseite her bei Änderung der Speisemenge, des Eindampfverhältnisses, des Produktes oder anderer Betriebsbedingungen keine Regulierungen vornehmen zu müssen, ist der freie Querschnitt des oder der durch die Ringöffnung 55 gebildeten Durchlässe so gross zu halten, dass jegliche Flüssigkeitsmenge, die im betreffenden Apparat praktisch überhaupt   anfallen kann, auch dann ungehindert abfliessen kann, wenn die Flüssigkeit noch eine erhebliche Zentrifugalkomponente aufweist. Es ist daher auch zweckmässig, eine einzige Ringöffnung oder doch zum mindesten   

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 mehrere entsprechend gebogene, lange und ausreichend breite, im Kreis aufeinanderfolgende Öffnungen vorzusehen, so dass von der oder den Öffnungen 55 her kein Rückstau erfolgen kann. 



   Im Idealfall wird die gestaute Flüssigkeit auf ihrem ganzen Umfang den Ausschnitt eines gleichmässigen
Paraboloids darstellen. In der Ecke, wo der Ring 48 und das zylindrische Rohr 40 zusammentreffen, bilden sich in der Flüssigkeit Sekundärströme aus, die das ständige Vermischen der Fülssigkeitsteile fördert. 



   Diesem Idealfall kommt man dann nahe, wenn Flüssigkeiten geringer Viskosität und eine hohe Umfangs- geschwindigkeit verwendet werden. Bei grösseren Viskositäten bildet sich vor den Rotorflügeln eine mehr oder weniger ausgeprägte Bugwelle aus, der hinter dem Rotorflügel eine Einbuchtung in der Flüssigkeitsschicht entspricht. Um die Bugwelle zu unterbrechen, werden an den Kanten eines oder mehrerer Rotorflügel vorteilhafterweise Ausnehmungen 54 angebracht ; die Ausnehmungen aufeinanderfolgender Flügel sind dabei zweckmässigerweise in Achsrichtung gegeneinander versetzt. 



   Um das freie Abfliessen der sich in der Bugwelle sammelnden Flüssigkeit zu erschweren und eine bessere Vermischung mit der übrigen Flüssigkeit zu erzwingen, können die Rotorflügel an der dem Ring 48 folgenden Kante in Drehrichtung nach vorn umgebogen sein. 



   Je nach den gewählten Abmessungen und Betriebsbedingungen kann der Fall eintreten, dass die Stauhöhe der Flüssigkeit für eine bestimmte Aufenthaltszeit das durch die Gestaltung des Apparates zulässige Ausmass übersteigt und z. B. die Flüssigkeit in einen nicht dargestellten Abscheiderteil, der in bekannter Weise auf das Rohr 40 aufgesetzt ist, hinaufgedrückt würde. Um eine Begrenzung der Stauhöhe auf das gewünschte Mass zu erreichen, wird an der Stelle, bis zu der die Stauhöhe höchstens reichen soll, also z. B. zwischen Abscheiderteil und der Mündung der Flüssigkeitszuleitung 14 in das Rohr 1 (Fig. 1) eine in der Zeichnung nicht dargestellte Verengung des Rohres 40 angebracht. Die Erstreckung dieser Verengung in radialer Richtung muss mindestens der Dicke des Flüssigkeitsfilms an der betreffenden Stelle entsprechen. 



   Durch diese Massnahme kann auch bei verhältnismässig geringer Erstreckung des Rohres 1 bzw. 40 in axialer Richtung eine weitere Erhöhung der Verweilzeit der Flüssigkeit in der für den Wärmeaustausch bestimmten Zone des Dünnschichtbehandlungsapparates erreicht werden, ohne dass dadurch Nachteile, wie z. B. Rückvermischen der Flüssigkeit und dadurch bedingte Verbreiterung des Verweilzeitspektrums der einzelnen Flüssigkeitsteilchen in Kauf nehmen zu müssen. 



   Die Fig. 6,7 und 8 zeigen Vorkehrungen, um trotz verschiedenartiger Wärmedehnungen von Behälter und Rotor im praktischen Betrieb ein ausreichendes Eintauchen der Rotorflügel in den gestauten bzw. zu stauenden Flüssigkeitsfilm zu erreichen, ohne dass der Rotor anderseits durch Reibung jäh blockiert werden kann. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 liegt die Schwelle 57 des Stauringes 56 wesentlich höher als die Basis 58 an der Behälterwand, so dass im Gegensatz zu den Fig. 1, 2 und 5 die Verlängerung der Schulterlinie des Absatzes die Rotationsachse in der Bewegungsrichtung der Flüssigkeit gesehen, unter 
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   versetzen, wenn der Behälter sich um eine Strecke a mehr ausgedehnt hat als der Rotor.

   Um die Entleerung der Rinne nach Stillsetzung des Apparates zu erleichtern, sind von dessen tiefster Stelle nach unten   führende, feine Kanäle 61 vorgesehen. 



   In Fig. 7 tragen die unteren Flügelenden 62 in Nuten 63 vertikal verschiebbare Plättchen 64 aus Kohle, Teflon od. dgl. Material, die unter der Einwirkung ihres Eigengewichtes leicht auf der Schulter 65 des Absatzes aufliegen und damit die ungünstige Wirkung unterschiedlicher Wärmedehnungen aufheben. 



   Bei Fig. 8 ist die Schulterlinie 66 des durch den Ring 67 gebildeten Absatzes leicht nach unten geneigt, so dass sie in ihrer Verlängerung, in der Bewegungsrichtung der Flüssigkeit gesehen, mit der Rotationsachse einen Winkel B von weniger als   90 0 einschliesst.   Durch diese Abschrägung wird bezweckt, dass unter Beibehaltung einer praktisch genügenden Stauwirkung nach der Unterbrechung der Flüssigkeitseinspeisung auch der letzte Rest der dem Wärmetauscher vorher zugeleiteten Flüssigkeit aufgearbeitet werden kann und 
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 bewegbare Plättchen 70. Ein Anschlag 71 verhindert, dass diese Plättchen, z. B. beim Ein- und Ausbau des Rotors, aus ihren Führungen fallen können.

   Bei dieser Anordnung werden die Plättchen nicht nur durch ihr Eigengewicht gegen die Schulter 66 des Absatzes gedrückt, sondern es wirkt auch noch die Zentrifugalkraft im gleichen Sinn. Um zu erreichen, dass diese Plättchen nicht unmittelbar auf dem Absatz schleifen und damit einen unerwünschten Materialabrieb bewirken, kann ihre Stirnseite 72 etwa nach den Regeln der hydrodynamischen Lagerschmierungstheorie leicht angeschrägt sein, so dass die Plättchen mittels dieser Flächen auf einem dünnen Schmierfilm aus Flüssigkeit gleiten. 



   Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Rotorflügel im Bereich der Stauzone im wesentlichen sternförmig angeordnet und voll ausgebildet. Nach der Erfindung können sie aber auch jede andere an sich bekannte Gestaltung haben, die ermöglicht, auf die Flüssigkeit in der Stauzone eine Zentrifugalkraft zu übertragen, die der Schwerkraft entgegenwirkt und die Abströmung der Flüssigkeit gegen den Austritt behindert. 



   So können die Rotorflügel in radialer Richtung nach rückwärts abgekröpft oder gebogen sein ; sie können eine Breite besitzen, die wenig mehr als der Eintauchtiefe in die Flüssigkeit entspricht, wogegen der übrige   Raum zwischen derartigen Blättern und der Rotorwelle frei ist, soweit er nicht durch die Stützelemente für die genannten Rotorflügel abgedeckt ist.   

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   In der Längsrichtung kommen vorzugsweise Rotorblätter mit rein axialer Erstreckung zur Anwendung ; sie können aber auch vor-oder rückwärts leicht schraubenlinienförmig ausgestaltet sein, um der Flüssigkeit nebst der Zentrifugalkraft in Axialrichtung eine beschleunigte oder verzögerte Vorwärtsbewegung zu erteilen. Im Bereich der Stauzone dürfen die Rotorflügel in ihrer Axialerstreckung höchstens so weit nach hinten (in Laufrichtung) abgekröpft oder abgebogen sein, dass die Zentrifugalkraft in der Flüssigkeit gegenüber der Förderkraft in Achsrichtung wesentlich überwiegt. 



   Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass Stauringe der in Fig. 8 dargestellten Art, d. h. mit einer nach einwärts Erzeugenden der Schulter selbst mit einem sehr kleinen Winkel B noch wirksam sind. 



  Beispielsweise wurde bei einem Winkel B von   20   noch   eine erhebliche Stauwirkung festgestellt. Voraussetzung hiefür ist selbstverständlich, dass die Flügel derart intensiv mit der Schulter zusammenwirken, dass mit Ausnahme einer Grenzschicht von sehr geringer Dicke sämtliche Flüssigkeit erfasst bzw. in Umlauf gehalten werden kann. 



   Mit einer Vorrichtung der in Fig. 6 dargestellten Art wurden in einem Verdampfer Versuche durchgeführt, u. zw. in bezug auf das Eindampfverhältnis, welches in diesem bestimmten Verdampfer mit und ohne Vorrichtung der beschriebenen Art erreicht werden kann. Bei dem Verdampfer handelt es sich um einen solchen mit einer Heizfläche von   0, 13 m2.   Der Innendurchmesser des Verdampfers betrug 82 mm, der eingesetzte Stauring hatte einen Innendurchmesser von 72 mm, währenddem sein Aussendurchmesser dem Innendurchmesser des Verdampfers angepasst war. Der Rotor des Verdampfers hatte starre Flügel, die im Mittel einen Spaltabstand von 0, 8 mm zur Verdampferwand aufweisen. An ihren mit dem Stauring zusammenwirkenden Kantenteil tauchten sie in die zwischen Stauring und Verdampferwand gebildeten Hohlkehle ein. 



   Die Vergleichsversuche wurden für zwei Produkte durchgeführt, nämlich einerseits Wasser und anderseits Monoäthylenglykol. 



   Vergleichsversuche mit und ohne Stauring : 
Versuch I : 
 EMI6.1 
 
<tb> 
<tb> Produkt <SEP> Wasser
<tb> Eindampfdruck........................................... <SEP> 100 <SEP> Torr <SEP> 
<tb> Heizdampfdruck.......................................... <SEP> 7, <SEP> 6-7, <SEP> 8 <SEP> atü
<tb> Heizdampftemperatur <SEP> 170-172 <SEP>   <SEP> C <SEP> 
<tb> Brüdentemperatur <SEP> 540 <SEP> C
<tb> Temperaturdifferenz <SEP> 116--1180 <SEP> C <SEP> 
<tb> Rührerdrehzahl <SEP> 1950 <SEP> T/min
<tb> 
 
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<tb> 
<tb> Speisung <SEP> Konzentrat <SEP> DestiUat...,. <SEP> 
<tb> 



  Stauring <SEP> kg/h <SEP> kg/h <SEP> Eindampfverhältnis
<tb> mit <SEP> 72, <SEP> 5 <SEP> 33 <SEP> 18, <SEP> 4 <SEP> 54, <SEP> 1 <SEP> 3, <SEP> 94 <SEP> 
<tb> ohne <SEP> 72, <SEP> 5 <SEP> 36 <SEP> 22, <SEP> 9 <SEP> 48, <SEP> 6 <SEP> 3, <SEP> 13 <SEP> 
<tb> mit............ <SEP> 61, <SEP> 9 <SEP> 29 <SEP> 9, <SEP> 0 <SEP> 52, <SEP> 9 <SEP> 6, <SEP> 88 <SEP> 
<tb> ohne <SEP> 63, <SEP> 2 <SEP> 35 <SEP> 15, <SEP> 2 <SEP> 48, <SEP> 0 <SEP> 4, <SEP> 16 <SEP> 
<tb> mit <SEP> 50, <SEP> 24 <SEP> 29 <SEP> 0, <SEP> 14 <SEP> 50, <SEP> 1 <SEP> 359
<tb> ohne........... <SEP> 51, <SEP> 0 <SEP> 36 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 48, <SEP> 0 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> 
 Versuch   II :

     
 EMI6.3 
 
<tb> 
<tb> Produkt <SEP> Monoäthylglykol
<tb> Eindampfdruck <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> Torr
<tb> Heizdampfdruck <SEP> ......................................... <SEP> 3, <SEP> 6-3, <SEP> 8 <SEP> atü
<tb> Heizdampftemperatur...................................... <SEP> 146-148 <SEP>   <SEP> C <SEP> 
<tb> Brüdentemperatur <SEP> 76-77 <SEP>   <SEP> C
<tb> Temperaturdifferenz <SEP> 71+10 <SEP> C <SEP> 
<tb> Rührerdrehzahl <SEP> ......................................... <SEP> 1950 <SEP> T/min
<tb> 
 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 
 EMI7.1 
 
<tb> 
<tb> I <SEP> Speisung <SEP> I <SEP> Konzentrat <SEP> I <SEP> Destillat <SEP> I <SEP> 
<tb> Stauring <SEP> Eindampfverhältnis
<tb> kg/h"C"
<tb> mit............ <SEP> 42, <SEP> 0 <SEP> 20 <SEP> 12, <SEP> 4 <SEP> 29, <SEP> 6 <SEP> 3, <SEP> 39 <SEP> 
<tb> ohne...........

   <SEP> 41, <SEP> 1 <SEP> 18 <SEP> 15, <SEP> 0 <SEP> 26, <SEP> 1 <SEP> 2, <SEP> 74 <SEP> 
<tb> mit <SEP> 33, <SEP> 9 <SEP> 21 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 29, <SEP> 4 <SEP> 7, <SEP> 53 <SEP> 
<tb> ohne <SEP> 34, <SEP> 0 <SEP> 17, <SEP> 6 <SEP> 8, <SEP> 2 <SEP> 25, <SEP> 8 <SEP> 4, <SEP> 14 <SEP> 
<tb> mit <SEP> 27, <SEP> 8 <SEP> 21 <SEP> 0 <SEP> 27, <SEP> 8- <SEP> 
<tb> ohne <SEP> 26, <SEP> 9 <SEP> 17 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 17, <SEP> 95 <SEP> 
<tb> mit <SEP> 19, <SEP> 1 <SEP> 27 <SEP> 0 <SEP> 19, <SEP> 1 <SEP> 00 <SEP> 
<tb> ohne...........

   <SEP> 20, <SEP> 75 <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 15 <SEP> 20, <SEP> 6 <SEP> 138, <SEP> 5 <SEP> 
<tb> 
 
Wie sich aus den vorstehend beschriebenen Versuchen ergibt, wurden bei Verwendung eines Stauringes im Vergleich zur Verdampfung ohne Stauring schon im Bereiche der relativ grossen Speisemengen durchwegs höhere Eindampfverhältnisse erreicht. Es ist dabei bedeutungsvoll, dass sich die Verbesserung des Ein- dampfverhältnisses nicht nur mit relativ dickflüssigen Produkten erreichen lässt, wenn der Verdampfung- vorgang unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird, sondern auch bei äusserst dünnflüssigen Materialien. 



   Die Verbesserung der Eindampfverhältnisse unter genau gleichen Bedingungen im Falle der Ver- wendung der beschriebenen Vorrichtung lässt unmittelbar den Schluss zu bzw. stellt den Beweis dafür dar, dass die Verweilzeit des Produktes in einem mit der Vorrichtung ausgestatteten Behandlungsapparat verlängert werden kann. Die Verbesserung des Eindampfverhältnisses stellt dabei nur eine der vor- handenen wesentlichen und vorteilhaften Auswirkungen der Verwendung dieser Vorrichtung dar. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verfahren zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünnschichtbehandlungsapparaten, wobei die Flüssigkeit im Behandlungsraum der als Förderkraft wirksamen Schwerkraft und der Zentrifugal- kraft unterstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit vor ihrem Austritt aus dem Behandlungsraum durch Umlenkung einer der Schwerkraft entgegenwirkenden, durch die Zentrifugalkraft verursachten
Kraftkomponente unterstellt wird, die die Abströmung gegen den Austritt behindert.

Claims (1)

  1. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünnschichtbehandlungsapparaten, insbesondere Dünnschichtverdampfer mit einer rotationssymmetrischen, mit Wärmeaustauschmitteln versehenen Behandlungskammer und einem mit Flügeln ausgestatteten, in der Behandlungskammer koaxial angeordneten Rotor, wobei die Flügel in unmittelbarer Nähe der Innenwand der Behandlungskammer enden und mit mindestens je einer Flüssigkeitszuleitung und einer-ableitung, wobei die Mündung der Ableitung in die Behandlungskammer tiefer liegt als diejenige der Zuleitung, gekennzeichnet durch eine zwischen den Mündungen der Zuleitung (14) und Ableitung (19) in der Behandlungskammer angeordnete, an die Innenwand anschliessende, ringförmige, ununterbrochene Schulter (17),
    welche einwärts verläuft, dem die Mündung der Zuleitung (14) aufweisenden Ende der Behandlungskammer zugekehrt ist und eine zum Rotor (6, 9) konzentrische Durchtritts- öffnung in einen mit der Ableitung verbundenen Teil der Behandlungskammer bildet, wobei die Rotorflügel (9) im Bereich der Schulter (17) abgesetzt sind, derart, dass sie mit der Schulter zur Bildung einer die Abströmung der Flüssigkeit in die Durchtrittsöffnung hemmenden Zentrifugalkraftkomponente zusammenwirken.
    3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugende der Schulter (17) annähernd parallel zu den abgesetzten Kantenteilen der Rotorflügel (9) verläuft.
    4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung der Schulter (17) grösser als die Breite des Abstandes zwischen Schulter und abgesetzten Kantenteilen der Flügel ist.
    5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung der Schulter (17) höchstens das Zwölffache der Breite des Spaltes zwischen Innenwand und Flügel ausmacht, wobei diese Spaltbreite höchstens 3 mm beträgt.
    6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugende der Schulter bezüglich der Rotorachse nach auswärts und abwärts geneigt ist, wobei die Schulter mit der Innenwand eine Hohlkehle bildet, in welche die abgesetzten Kantenteile der Flügel hineinragen (Fig. 4).
    7. Einrichtung nach den Ansprüchen 3,4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (17) durch den Flansch (16) eines sich konisch verjüngenden, als Sammel-und Beruhigungsbecken dienenden <Desc/Clms Page number 8> Teiles für die Flüssigkeit gebildet ist, an den in an sich bekannter Weise die Flüssigkeitsableitung (19) angeschlossen ist (Fig. 1).
    8. Einrichtung nach den Ansprüchen 3,4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter durch einen EMI8.1 Wandabschnitten auswechselbar befestigt ist (Fig. 4).
    9. Einrichtung nach den Ansprüchen 3,4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter durch einen Tragring (45) eines Rotorlagers (47) gebildet ist (Fig. 5).
    10. Einrichtung nach den Ansprüchen 3,4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (24, 25) durch den Flansch eines in Strömungsrichtung nachfolgenden Wandabschnittes mit kleinerem Innendurchmesser gebildet ist (Fig. 2).
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