Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten in dünnen Schichten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten in dünnen Schichten, insbesondere Dünnschichtverdampfer.
In derartigen Vorrichtungen, insbesondere in horizontal oder geneigt angeordneten Dünnschichtverdampfern ist es sehr häufig erwünscht, die Strömung, die Strömungsrichtungen und/oder die Verweildauer des zu behandelnden Materials im Dünnschichtverdampfer zu steuern. Beispielsweise ist für weniger zähes Material häufig ein längerer Strömungsweg erwünscht, während für zähes Material üblicherweise ein kürzerer Strömungsweg erforderlich ist, um die passende Verweildauer zu erzielen und die Bearbeitung mit einem minimalen Wärmezerfall des Materials zu beenden. Ferner zeigt das zugeführte flüssige Material die Neigung, sich in horizontal angeordneten Verdampfern unterhalb der Einlass öffnung anzusammeln, wodurch dieses Material einer längeren Wärmebehandlung unterzogen wird.
Ausserdem kann sich bei geneigt angeordneten Verdampfern das flüssige Material in der Verdampfungskammer oder unterhalb der Auslassöffnung des Verdampfers ansammeln.
Bisher wurden zur Lösung eines oder mehrerer dieser Probleme verschiedene Einrichtungen benutzt. So wurde zur Steuerung der Verweilzeit des zu bearbeitenden Materials ein konischer Verdampfer verwendet, dessen grösster Durchmesser sich nahe der Einlassöffnung befand. Eine Änderung der Verweilzeit wurde durch Abgleich der Zentrifugalkraft des Materials im Verdampfer erzielt, z. B. wirkte der Neigung des Materials, wegen der konischen Form des Verdampfers zum Einlassbereich zurückzukehren, die Pumpenkraft entgegen, durch die das Material in den Verdampfer gebracht und von einem zum anderen Ende gedrückt wurde (siehe US-Patentschrift Nr. 2 927 634). Ferner wurden zur Vergrösserung der Verweilzeit des zu behandelnden Materials im Verdampfer nahe dem Ausgleichsbereich Sperreinrichtungen vorgesehen (siehe US-Patentschrift Nr. 2 927 634).
Derartige Sperreinrichtungen können auch dazu dienen, das Eintreten von Material in die Verdampfungskammer zu verhindern (siehe US-Patent schrift Nr.3 261 391).
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten in dünnen Schichten, insbesondere einen Dünnschichtverdampfer zu schaffen, in dem der Materialstrom und/oder die Verweilzeit des zu behandelnden Materials gesteuert werden kann.
Ferner soll die Materiaiansammlung im Einlassbereich und in die Verdampfungskammer ohne zusätzliche Sperreinrichtungen verhindert werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt diese Aufgaben zu lösen und die Vorrichtung, Gegenstand der Erfindung, bestehendtaus einem Einlass- und Auslass öffnungen aufweisenden geschlossenen Gehäuse, in dem ein angetriebener Rotor angeordnet ist, dessen Rotorblätter sich radial nach aussen bis dicht an die Innenwand des Gehäuses erstrecken, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rotorblatt ganz oder teilweise aus seiner durch die Rotorachse verlaufenden Befestigungsebene herausgedreht ist.
Es hat sich gezeigt, dass sich besonders günstige Betriebsverhältnisse ergeben, wenn die schraubenför- migen Rotorblattenden jeweils innerhalb eines Zylinderausschnittes geführt sind, dessen Querschnitt die Form eines von der Rotorachse ausgehenden Kreissektors mit einem Öffnungswinkel zwischen 0,5 und 900 hat.
Die beiliegende Zeichnung stellt eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dar.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen zylindrischen Rotationsdünnschichtverdampfer gemäss dieser Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 auf Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen gegenüber Fig. 1 dadurch abgewandelten Dünnschichtverdampfer, dass nur einige der Rotorblätter aus der Befestigungsebene herausgedreht sind.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen zylindrischen Rotationsdünnschichtverdampfer gemäss einer Variante, bei der nur die Kanten der Rotorblattenden abgeknickt sind.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 5-5 aus Fig. 4.
In den dargestellten horizontal angeordneten Dünnschichtverdampfern strömt der erzeugte Dampf während des Bearbeitungsvorganges in der gleichen Richtung wie das Material, d. h. in Gleichstrom mit dem Material. Die Erfindung ist jedoch auch auf solche Dünnschichtverdampfer anwendbar, in denen der Dampf in Gegenstrom zur Flüssigkeit geführt ist, d. h. bei denen die Verdampfungskammer nahe dem Eingangsbereich angeordnet ist.
Der in Fig. 1 dargestellte horizontal angeordnete zylindrische Rotationsdünnschichtverdampfer 10 besteht aus einer zylindrischen Kammer 12, die über einen Teil ihrer Länge von einer Ummantelung 14 zur Temperatursteuerung umgeben ist. Dieser Ummantelung können Heiz- oder Kühlmittel, beispielsweise Dampf oder kaltes Wasser, zugeführt werden. In der Kammer 12 ist eine Einlassöffnung 16, eine Auslassöffnung 18 an dem der Einlassöffnung gegenüberliegenden Ende und eine Dampfauslassöffnung 20 vorgesehen, durch die der Dampf aus der Verdampfungskammer 22 nahe dem Endbereich des Dünnschichtverdampfers entweichen kann. An den Enden der Kammer -12 sind die den rohrförmigen Rotor 28 tragenden Verschlüsse 24 und 26 befestigt. Der Rotor erstreckt sich durch die gesamte Kammer 12 und durch die Verdampfungskammer 22.
Er wird von einem Motor oder anderen Einrichtungen (nicht gezeigt) angetrieben und reicht im allgemeinen über die Enden der Kammer hinaus, wo er in den Lagern 30 und 32 gelagert und durch die Dichtungsbuchsen 34 und 36 abgedichtet ist. Der Rotor 28 ist axial verschiebbar oder einstellbar angeordnet, wozu irgendwelche geeigneten Einrichtungen vorgesehen sein können, die beispielsweise Kerben und Schrauben aufweisen, um den Rotor in eine bestimmte Lage bezüglich der Verschlüsse 24 und 26 zu bringen.
Am Rotor 28 ist eine Mehrzahl von im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Rotorblättern 38 angeordnet, die gleichmässig gewölbt sind und sich von einem Ende zum anderen Ende der Kammer erstrecken. Sie sind jedoch nicht in einer durch die Rotorachse verlaufenden Ebene angeordnet, vielmehr sind die Kanten in entgegengesetzter Richtung aus der durch die Rotorachse verlaufenden Befestigungsebene um einen bestimmten Betrag herausgedreht. Die Blattenden erstrecken sich bis dicht an die Innenwand der Kammer 12, so dass bei Drehung des Rotors 28 von den Rotorblättern 38 eine dünne, aufgestrichene oder turbulente Materialschicht an der Innenwand der Kammer 12 erzeugt wird. Die Verweilzeit des zu behandelnden Materials hängt von dessen Viskosität und von dem Grad der Herausdrehung der Rotorblätter aus der Befestigungsebene ab.
Im Betrieb wird dem Dünnschichtverdampfer 10 die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Einiassöff- nung 16 mit Hilfe einer Pumpe, durch Schwerkraft oder unter Vakuum zugeführt und der nicht flüchtige Anteil des Materials wird durch die Auslassöffnung 18 entnommen, während das verdampfte Material aus der Dampfauslassöffnung 20 entweicht. Selbstverständlich können auch andere Ein- und Auslassöffnungen benutzt werden. Der Rotor 28 und die Rotorblätter 38 werden während der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit gedreht, um eine dünne Materialschicht auf der Innenwand der Kammer 12 zu erzeugen, wobei der Ummantelung 14 beispielsweise ein Heizmittel, etwa Dampf, zugeführt wird. Dadurch erfolgt eine Verdampfung der flüchtigen Komponente aus dem Material der dünnen Schicht.
Bei Drehung der Rotorblätter (im Uhrzeigersinn wie in Fig. 1 dargestellt) übt die Hinterkante der Ro torblätter 38 eine Kraft auf das Material aus, die entgegengesetzt der Bewegung des Materialstroms durch den Verdampfer 10 gerichtet ist. Der Grad der Herausdrehung der Vorder- und Hinterkante aus der Befestigungsebene beeinflusst die Verweilzeit des zu bearbeitenden Materials im Verdampfer 10. Eine Abweichung aus der Befestigungsebene von I/a Grad pro 2,54 cm Rotorblattlänge vergrössert die Verweilzeit lange nicht so sehr wie eine Abweichung von 45 Grad pro 2,54 cm Rotorblattlänge.
Die in beschriebener Weise geformten Rotorblätter hemmen den Materialfluss, da beim Auftreffen des Materials auf die schrägen Flächen eine dem Materialstrom entgegengesetzte Kraft auf dieses ausgeübt wird, so dass der Materialstrom behindert und die Verweilzeit vergrössert wird. Wie dargestellt, erstrecken sich die Rotorblätter 38 etwas über die Auslassöffnung 18 hinaus. In diesem Bereich nahe der Auslassöffnung haben die Rotorblätter drei Aufgaben. Erstens verzögern sie den Strom des im Verdampfer zu bearbeitenden Materials; zweitens wirken sie als Sperre und verringern die in die Verdampfungskammer 22 eintretende Menge der Flüssigkeit und drittens wirken die Rotorblätter 38 als Flügefradpumpe und nehmen das in der Verdampfungskammer 22 angesammelte flüssige Material auf und befördern es zur Auslassöffnung 18 zurück.
Wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Drehrichtung des Rotors 28 und damit der Rotorblätter 38 während des Betriebes umgekehrt, so wird auf das auf die schrägen Flächen der Rotorblätter gelan gende Material eine Kraft in Richtung des Materialstromes ausgeübt und die Verweilzeit verringert. Ferner verhindern die Rotorblätter in diesem Fall eine Ansammlung von Material an der Innenwand des Gehäuses 12 links von der Einlassöffnung 16.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind nur zwei Rotorblätter 40 und 42 aus der Befestigungsebene herausgedreht, wäh- rend die Rotorblätter 44 und 46 in üblicher Weise in der Befestigungsebene angeorndet sind. Die herausgedrehten Rotorblätter 40 und 42 sind einander gegenüber angeordnet, um Vibrationen zu verhindern.
Diese Rotorblätter 40 und 42 dienen in gleicher Weise, wie anhand der vier heraus gedrehten Rotorblätter beschrieben, zu Steuerung der Verweilzeit des zu behandelnden Materials im Dünnschichtverdampfer.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei diesem sind nur bestimmte Teile der Rotorblätter herausgedreht bzw.
abgeknickt. Diese Abkuickungen sind in diesem Fall an beiden Kanten des Rotorblattes vorgesehen. Die Hinterkante 48 ist in Rotordrehrichtung abgeknickt, so dass auf das auf die Hinterkante fallende Material eine entgegen dem Materialstrom gerichtete Kraft ausgeübt wird, wodurch die Verweilzeit vergrössert wird.
Ferner wirkt diese abgeknickte Hinterkante als Sperre und verhindert das Eindringen von Material in die Verdampfungskammer. Der abgeknickte Bereich der Hin terkante 48 erstreckt sich bis über die Auslassöffnung 18 hinaus und wirkt als Flügelradpumpe, die das in der Verdampfungskammer 22 angesammelte flüssige Material aufnimmt und in den Bearbeitungsbereich zurückbefördert. Die Vorderkante 50 des Rotorbiattes 38 ist entgegen der Rotordrehrichtung abgeknickt. Gelangt Material auf diese Vorderkante, so wird es einer Kraft ausgesetzt, die in gleicher Richtung wie der Materialstrom durch den Verdampfer wirkt, so dass die Ansammlung von Material am Verschluss 24 verhindert wird.
Ist bei der dargestellten Anordung eine grössere Verweilzeit erwünscht, so kann ein grösserer Teil des Rotorblattes an der Hinterkante abgeknickt und dessen Abknickwinkel vergrössert werden. Soll die Verweilzeit verringert werden, so kann ein grösserer Teil des Rotorblattes an der Vorderkante abgeknickt werden. Beispielsweise kann ein kleiner Bereich der Rotorblätter in kurzem Abstand von der Einlassöffnung zur Behinderung des Materialstromes und zur Vergrösserung der Verweilzeit in Richtung der Rotordrehrichtung gewölbt sein, während der folgende Bereich der Rotorblätter eben ist und die Förderung des Materials, dessen Viskosität sich vergrössert, zur Auslassöffnung ermöglicht. Der dann folgende Bereich kann entgegen der Rotordrehrichtung abgeknickt sein, damit durch die dadurch entstehende Kraft das zähe Material der Auslassöffnung zugeleitet wird.
Der über die Auslass öffnung hin ausreichende Teil der Rotorblätter kann in Rotordrehrichtung abgeknickt sein, um das Einfliessen von zähem Material in die Verdampfungskammer zu verhindern.
In mechanisch arbeitenden Dünnschichtverdampfern berühren die Rotorblattenden üblicherweise die Innenwand der Kammer nicht und erzeugen dadurch eine turbulente dünne Schicht aus Material. Ist das zu bearbeitende Material jedoch besonders zäh oder wird es während der Bearbeitung sehr zäh, so wird die dünne Schicht an der Innenwand nicht durch die rotierenden Rotorblattenden aufgerührt oder turbulent gemacht. In diesem Fall ist die dem Material zugeführte Wärmemenge geringer, so dass zum Ausgleich die Rotorgeschwindigkeit erhöht werden muss, um die Zentrifugalkraft zu vergrössern, so dass die dünne Schicht stärker aufgerührt und bewegt wird. Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung wird unter der Bezeichnung Dünnschicht sowohl eine aufgestrichene als auch eine durch rotierende Rotorblätter erzeugte turbulente dünne Schicht verstanden.
Die Erfindung wurde in Zusammenhang mit einem zylindrischen horizontal angeordneten Dünnschichtverdampfer beschrieben. Die dargestellten Anordnungen zur Steuerung der Verweilzeit des Materials in derartigen Vorrichtungen kann jedoch vorteilhafterweise auch in konischen Dünnschichtverdampfern benutzt werden, in denen diese Anordnungen zusammen mit oder zur Unterstützung der Neigung der Kammerinnenwand dienen können, um den Materialstrom zu verlangsamen oder zu verbessern.
Die beschriebene Vorrichtung eignet sich ebenfalls zum Behandeln von Suspensionen, Breien, Emulsionen, Lösungen, Schmelzen und ähnlichen flüssigen Medien.