DD266276A5 - Duennschichtverdampfer fuer hochviskose fluessigkeiten - Google Patents

Abstract

Duennschichtverdampfer, der besonders zur Behandlung hochviskoser Fluessigkeiten geeignet ist, bestehend aus einer Behandlungskammer, die von einem Heiz- oder Kuehlmantel umgeben ist, und einem Rotor mit einer Zufuhr- und Transportvorrichtung. Die genannte Zufuhr- und Transporteinrichtung besteht aus mindestens zwei axialen, gestaffelten Reihen blattfoermiger Vorspruenge in gleichmaessigen Abstaenden, mit der gleichen Steigung und sowohl gegenueber der Rotorachse als auch der axialen Ebene, die durch ihre Verbindungslinie geht, geneigt, wobei jeder Vorsprung gegenueber den Vorspruengen der Nebenreihen um den halben Betrag der Steigung versetzt ist. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtverdampfer für hochviskose Flüssigkeiten, bestehend aus einer Behandlungskammer mit einem Heiz- oder Kühlmantel und einem im Inneren der genannten Kammer koaxial angeordneten Rotor. Dererfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer ist besonders fürdie Behandlung hochviskoser Flüssigkeiten geeignet, bei dem die Entfernung der flüchtigen Bestandteile durch Verdampfung unter Bedingungen erfolgt, bei denen die Zersetzung des Materials und der Verlust seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften verhindert wird.

Wenn der Begriff »hochviskose Flüssigkeiten" in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, umfaßt er Produkte mit einer Viskosität von über 50 000 Poise unter den Behandlungsbedingungen, wie z. B. Produkte aus Polymerisationsprozessen, speziell aus Polymerisation in Masse oder aus Polymerisation ethylenisch ungesättigter Monomerer in Lösung und aus Polymerisation durch Polykondensation. Solche Produkte enthalten außer den Polymeren große Mengen flüchtiger Stoffe, wie Monomer-Restmengen, organische Lösungsmittel usw.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Industrie werden verschiedene Typen von Apparaten zur Verdampfung flüchtiger Stoffe mitteis Dünnschichttechnik beschrieben und verwendet. Solche Apparate bestehen allgemein aus einem zylindrischen Körper oder einer Behandlungskammer, die von einem Heiz- oder Kühlmantel umgeben ist, und aus einem Rotor innerhalb des genannten zylindrischen Körpers, der mit diesem koaxial ist.

Der Rotor ist im allgemeinen mit Verteileinrichtungen, die die viskose Rüssigkeit in einer dünnen Schicht auf der Innenwand der genannten Behandlungskammer verteilen, und mit Vorschubeinrichtungen ausgerüstet, die das Material zum Auslaß schieben.

So wird beispielsweise in der GB-PS 940655 ein Rotor beschrieben, der aus einer zylindrischen Welle besteht, auf den Reihen geneigter Blätter befestigt sind, deren freie Kanten der Innenfläche der Behandlungskammer sehr nahe kommen, wobei der Abstand von dieser Fläche in der Größenordnung von 1 mm liegt und von den Eigenschaften der behandelten Flüssigkeit abhängt.

Bei solchen Verdampfertypen beträgt das praktische Füllvolumen der Behandlungskammer 10-30% des geometrischen Volumens.

Im italienischen Patent Nr. 898 633 wird ein Rotor beschrieben, der aus einer zylindrischen Welle besteht, auf welcher zwei Arten von Blättern befestigt sind: axial ausgerichtete Blätter, die als Verteiler dienen, und zur Rotorachse geneigte Blätter, die der Drehbewegung und einer gedachten Schraubenlinie folgen, wobei diese Blätter als Vorschubmittel für das zu behandelnde Material dienen. Bei der Funktion eines solchen Verdampfers werden die viskosen Flüssigkeiten nach Einleitung in die Behandlungskammer von den axial ausgerichteten Blättern aufgenommen und als dünne Schicht auf die Innenfläche der Behandlungskammer gebracht. Die nachfolgenden Blättertreiben die Flüssigkeit an der Behandlungsfläche vorwärts, bis sie den Auslaß erreicht Das gleichzeitige Vorhandensein der zwei Arten von Blättern ist eine wesentliche Bedingung zur Behandlung hochviskoser Materialien.

Die Dünnschichtverdampfer der obengenannten Typen haben sich als ungeeignet zur Verdampfung hochviskoser Flüssigkeiten erwiesen, insbesondere wenn eine sehr starke Entfernung des flüchtigen Materials gefordert wird. Das ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß auf Grund der hohen viskosen Zerstreuung und/oder der langen Verweilzeit der zu behandelnden Flüssigkeit im Verdampfer Erscheinungen von Materialzersetzung auftreten.

Die verschiedenen Versuche des Anmelders der vorliegenden Erfindung, solche Nachteile durch Erhöhung oder Erniedrigung der Behandlungstemperatur zu umgehen, führten nicht zu befriedigenden Ergebnissen, da die Temperaturerhöhung in der Behandlungskammer zu einer merklich stärkeren thermischen Zersetzung des Materials führt; andererseits verursacht eine Temperaturerniedrigung eine Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit und demzufolge eine stärkere mechanische Zerstörung.

Bekanntlich hängt die Zersetzung hitzeempfindlicher Materialien von der Verweilzeit in der Behandlungskammer, den viskosen Verlusten und der Behandlungstemperatur ab, wie in Polymer Engineering and Science, Mid. August 1978,18, Nr. 10,812-816 beschrieben.

Eine weitere Stelle, an der bei den bekannten Verdampfern die thermische Materialzersetzung in höherem Maße stattfindet, speziell bei hochviskosen Flüssigkeiten, ist der Auslaßbereich. Tatsächlich hat dieser Bereich im allgemeinen die Form eines Kegelstumpfes, worin Austragvorrichtungen angeordnet sind, die aus Schaufeln bestehen, welche so angeordnet sind, daß sie das Produkt beim Austrag mischen und dem Auslaßstutzen zuführen. Das Vorhandensein eines Füllmaterialvolumens führt zwar zu niedrigen Konzentrationen flüchtigen Materials, aber auch zu einer erhöhten Materialzersetzung. Man kann auch eine Schneckenvorrichtung im kegeistumpfförmigen Auslaßbereich anbringen. In diesem Fall verursachen jedoch die hohen Drücke, denen das Material ausgesetzt ist, eine Energiemenge, die durch viskose Verluste Erscheinungen von Materialzersetzung verursachen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Vermeidung der Materialzersetzung bei der Dünnschichtverdampfung hochviskoser Flüssigkeiten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, die Verdampfung flüchtiger Stoffe aus einer viskosen Flüssigkeit unter geringer Übertragung von thermischer und mechanischer Energie durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rotor nur mit einer Art von schaufeiförmigen Vorsprüngen versehen ist, welche die Zufuhr, die Verteilung und den Vorschub bewirken und die sowohl gegenüber der Rotorachse als auch gegenüber der axialen Ebene, die durch ihre Verbindungslinie läuft, geneigt sind und in mindestens zwei axialen, gestaffelten Reihen, die sich im gleichen Abstand befinden, angeordnet sind, und daß die schaufeiförmigen Vorsprünge die gleiche Neigung haben und daß jeder Vorsprung jeder Reihe— in axialer Richtung gesehen — bezüglich der entsprechenden Vorsprünge der Nachbarreihen um einen Zwischenraum versetzt ist, der gJeich der halben Neigung der Vorsprünge ist.

Vorzugsweise sind die schaufeiförmigen Vorsprünge um den gleichen Winkel gegenüber der Rotorachse geneigt, wobei jeder Vorsprung gegenüber der axialen Ebene, die durch ihre Verbindungslinie geht, um einen Winkel geneigt ist, der längs der Höhe jedes Vorsprungs variabel ist.

Darüber hinaus ist der Rotor vorzugsweise mit schaufeiförmigen Vorsprüngen auch in dem Bereich ausgerüstet, der dem Bereich um den Einlaßstutzen für die zu behandelnde Flüssigkeit entspricht, um zu verhindern, daß die Flüssigkeit mitgerissen wird oder ausfließt.

Die Neigung der schaufeiförmigen Vorsprünge kann jeden gewünschten Wert haben, obwohl die bevorzugte Neigung gleich der halben Höhe der Projektion der schaufeiförmigen Erhöhung auf die Rotationsachse ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darüber hinaus die Auslaßzone aus einer kegelstumpfförmigen Kammer, die einen Rotor mit schaufeiförmigen Vorsprüngen enthält, die vorzugsweise die gleiche Neigung, Anordnung und Merkmale haben wie diejenigen in der Behandlungskammer.

Die Tatsache, daß alle Schaufeln geneigt sind und daß die Neigung immer den gleichen Wert gegenüber der Rotorachse hat, ermöglicht es, daß die zu behandelnde Flüssigkeit kontinuierlich von den Wänden entfernt wird, erneuert und zum Auslaß transportiert wird, wodurch die Verweilzeit minimiert wird und folglich jeder Materialstau vermieden wird. Darüber hinaus erlaubt die Anordnung jeder Schaufel gegenüber den entsprechenden Schaufeln der Nachbarreihen, möglichst schnell das am hinteren Ende jeder Schaufel angesammelte Material zu entfernen, auszubreiten und vorwärtszuschieben. Folglich wirken die Schaufeln auf die gesamte zu behandelnde Masse, speziell und intensiv auf die Masse des angehäufelten Materials, indem sie die genannte Masse an den Wänden verteilen und kontinuierlich entfernen, um ein langes Verweilen und Stocken derselben zu verhindern.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In den dazugehörigen Zeichnungen, die eine bevorzugte, illustrative, jedoch nicht einschränkende Verkörperung der Erfindung darstellen, zeigt:

Fig. 1: eine schematische Ansicht eines axialen Schnitts des Dünnschichtverdampfers gemäß der Erfindung; Fig. 2: einen Schnitt entlang der Linie 1-1 der Fig. 1; Fig. 3: einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 ; Fig. 4: einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 1.

Entsprechend der Rg. 1 besteht der Dünnschichtverdampfer, der im ganzen mit 1 bezeichnet wird, aus einer Behandlungskammer 2, die rotationssymetrisch ist und im wesentlichen senkrecht angeordnet ist und über einen Einlaßstutzen 3 im oberen Teil und einen Auslaßstutzen 4 am Ende des unteren Teils koaxial zur Kammer 2 verfügt. Der Auslaßstutzen ist mit Behandlungskammer 2 durch einen kegelstumpfförmigen Körper 5 verbunden. Die Behandlungskammer 2 ist mit einem Mantel 6 mit Einlaßstutzen 7 und Auslaßstutzen 8 für die Heiz- oder Kühlflüssigkeit, z. B. Öl, Wasser usw., umkleidet.

Auch der kegelstumpfförmige Körper 5 ist mit einem Heiz- oder Kühlmantel mit entsprechenden Einlaß- und Auslaßstutzen für das Heiz- und Kühlmittel versehen.

Am oberen Ende der Behandlungskammer 2 befindet sich eine Kammer 9 für das Sammeln der Dämpfe, die bei der Verdampfung entstehen. Diese Kammer 9 hat den gleichen Durchmesser wie die Behandlungskammer 2 und ist mit dieser кпяуіяі nie Oberseite der Kammer 9 ist mit einem Deckel 10 verschlossen, und die Kammer 9 verfügt über einen Stutzen 11 zum Ableiten der Dämpfe.

Koaxial zur Behandlungskammer 2 und zur Kammer 9 ist im Innern ein Rotor 12 angeordnet, der sich fast durch die gesamte Länge der genannten Kammer 9 erstreckt.

Der Rotor 12 besteht aus einer zentralen Welle 13, die im oberen Teil im Deckel 10 und im unteren Teil an der Innenseite der Behandlungskammer 2 mit einer Zentriermuffe 14 und einer Führungsgleitrolle 15 drehbar gelagert ist. Ein oben an der Außenseite des Deckels 10 angebrachter Motor 16 bewirkt die Rotation der Welle 13.

Der Teil der Welle 13, der von oberhalb des Einlaßstutzens 3 bis zur Zentriermuffe 14 reicht, ist mit schaufeiförmigen Vorsprüngen 17 versehen, die in mindestens 2, vorzugsweise 8 gestaffelten Reihen im gleichen Abstand angeordnet sind, die sich längs der Achse der Behandlungskammer 2 erstrecken.

Jeder der schaufeiförmigen Vorsprünge 17 ist sowohl gegen die Rotorachse als auch gegen die axiale Ebene geneigt, welche durch ihre Verbindungslinie mit der Welle 13 geht. Im einzelnen beträgt der Winkel α welcher mit der Rotorachse gebildet wird zwischen 10° und 75°, während der Winkel ß, welcher mit der genannten axialen Ebene gebildet wird, vorzugsweise zwischen 10 und 60°. Vorzugsweise ist der Winkel β im obengenannten Bereich längs der freien Kante des schaufeiförmigen Vorsprungs 17 variabel. Speziell sinkt dieser Wert in der oberen Hälfte beim Fortschreiten vom Zulaufbereich zum Auslaßbereich, während er in der unteren Hälfte steigt.

Die schaufeiförmigen Vorsprünge 17 sind mit der gleichen Neigung in jeder Reihe befestigt, und jeder schaufeiförmige Vorsprung jeder Reihe ist bezüglich der entsprechenden schaufeiförmigen Vorsprünge der Nachbarreihen um einen Abstand gestaffelt, der der halben Neigung der Vorsprünge entspricht und vorzugsweise der halben Höhe der Projektion der schaufeiförmigen Vorsprünge auf die Rotationsachse.

Die Lage der schaufeiförmigen Vorsprünge 17 ist so gewählt, daß die zu behandelnde Flüssigkeit kontinuierlich vom Einlaßstutzen 3 zum Auslaßstutzen 4 geschoben wird und gleichzeitig in einem dünnen Film an der Innenwand der Behandlungskammer 2 ausgebreitet wird. So wird die zu behandelnde viskose Flüssigkeit kontinuierlich erneuert und zum Auslaßstutzen 4 transportiert, wodurch jedes Verweilen und jeder Stau der Flüssigkeit in irgendeinem Bereich der Behandlungskammer 2 verhindert wird.

Die schaufeiförmigen Vorsprünge 17 erstrecken sich bis oberhalb des Einlaßstutzens 3, um zu verhindern, daß die eingeleitete viskose Flüssigkeit über den genannten Einlaßstutzen 3 in Form von Schaum, Tröpfchen oder irgendeiner anderen Form je nach der Theologischen Beschaffenheit der zu behandelnden Flüssigkeit über den genannten Einlaßstutzen 3 hinaussteigt.

Die Führungsgleitrolle 15 hat an ihrem äußeren Umfang mindestens 3 schaufeiförmige Führungsvorsprünge 18, die vorzugsweise die gleiche Gestalt und die gleiche Neigung wie die Vorsprünge 17 des Rotors haben, jedoch eine zum Gleiten auf

dem Materialfilm geeignete Oberfläche, die vorzugsweise zweimal größer ist als die der Vorsprünge 17. Darüber hinaus ist der Abstand der Gleitfläche jeder der Führungsvorsprünge 18 von der Innenseite der Zentriermuffe 14 geringer als der Abstand der Vorsprünge 17 von der Innenseite der Behandlungskammer 2, um eine Führungswirkung gegenüber der Welle 13 bei der Rotation zu erreichen. Der seitliche Abstand zwischen den Führungsschaufeln 18 ist so gewählt, daß ein freier Fluß des Materials zum Auslaßstutzen 4 möglich ist.

Ein weiterer Rotor 19 befindet sich in dem kegelstumpfförmigen Körper 5 und ist mit schaufeiförmigen Vorsprüngen 20 ausgerüstet, die den Vorsprüngen 17 des Rotors 12 in der Behandlungskammer 2 ähneln, sich jedoch am freien Ende verkürzen, so daß sie vorzugsweise dem Oberflächenprofil des kegelstumpfförmigen Körpers 5 folgen.

Die Funktion dieses Rotors 19 besteht darin, das viskose Material in Form einer dünnen Schicht zum Auslaß, d. h., zu dem Auslaßstutzen 4 zu befördern, um ein Anfüllen des Verdampferbodens oder die Übertragung mechanischer Energie auf das Material mit daraus folgender Zerstörung desselben zu verhindern.

Der Rotor 19 kann mit dem oberen Rotor 12 verbunden werden und demzufolge durch denselben Motor 16 angetrieben werden oder auch mit der Führungsgleitrolle 15 verkeilt werden und durch einen separaten Motor angetrieben werden.

Der Dünnschichtverdampfer 1 funktioniert folgendermaßen:

Die zu behandelnde viskose Flüssigkeit wird durch den Einlaßstutzen 3 in die Behandlungskammer 2 eingeleitet, durch den Mantel 6 geheizt oder gekühlt und von den schaufeiförmigen Vorsprüngen 17 ergriffen. Die genannten schaufeiförmigen Vorsprünge 17 verteilen die Flüssigkeit in Form einer dünnen Schicht längs der Innenwand der Behandlungskammer 2 und schieben sie gleichzeitig in Richtung des Auslaßstutzens 4. Sowie die schaufeiförmigen Vorsprünge 17 an ihren Kanten die Flüssigkeit erfassen, schieben sie sie vorwärts und verteilen sie in Form einer Schicht auf der Wand der Behandlungskammer 2.

Die Flüssigkeit, die sich an den Unterkanten der genannten Vorsprünge 17 sammelt, wird unmittelbar von den schaufeiförmigen Vorsprüngen der nächstfolgenden Reihe aufgenommen und nun wiederum transportiert und in einer dünnen Schicht auf den Wänden der Behandlungskammer 2 verteilt. Diese Operation wiederholt sich an der gesamten Innenfläche des Verdampfers, bis die Flüssigkeit das untere Ende des Rotors 12 erreicht Die behandelte Flüssigkeit läßt man dann auf die schaufeiförmigen Führungsvorsprünge 18 der Führungsgleitrolle 15 fließen. Der Rotor 19 schiebt das behandelte Material in dünner Schicht zum Auslaßstutzen 4 zur weiteren Behandlung. Die während der Behandlung der Flüssigkeit erzeugten Dämpfe steigen im Gegenstrom zur Flüssigkeit zur Kammer 9 auf und werden, gegebenenfalls nach Abtrennung flüssigen oder festen Materials, durch den Stutzen 11 in einen Kondensator oder eine andere geeignete Vorrichtung geleitet.

Der Dünnschichtverdampfer der vorliegenden Erfindung erlaubt es, im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Kammer auszunutzen, wobei verhindert wird, daß die Rüssigkeit sich in irgendeinem Teil der genannten Kammer anhäuft oder stockt.

Das ist darauf zurückzuführen, daß alle schaufeiförmigen Vorsprünge 17 gleichzeitig als Verteiler und als Transportmittel für die Flüssigkeit dienen.

Auf Grund der Eigenschaften des Dünnschichtverdampfers der vorliegenden Erfindung ist es möglich, hitzeempfindliche und thermisch zersetzliche Flüssigkeiten mit hohen Viskositäten, z.B. zwischen 50000 und 100000 Poise, befriedigend zu behandeln, wie z. B. die Produkte, die durch Polymerisation in Masse von Polystyren, Polycarbonat, ABS, SAN, Polymethylmethacrylat, Styrencopolymeren usw. erhalten werden.

Claims (11)

1. Dünnschichtverdampferfür hochviskose Flüssigkeiten, bestehend aus einer Behandlungskammer mit einem Heiz- oder Kühlmantel und einem im Innern der genannten Kammer koaxial angeordneten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit nur einer Art schaufeiförmiger Vorsprünge versehen ist, welche die Zufuhr, die Verteilung und den Vorschub bewirken und die sowohl gegenüber der Rotorachse als auch gegenüber der axialen Ebene, die durch ihre Verbindungslinie geht, geneigt sind und in mindestens zwei axialen, gestaffelten Reihen, die sich im gleichen Abstand befinden, angeordnet sind, und daß die genannten schaufeiförmigen Vorsprünge die gleiche Neigung haben und daß jeder Vorsprung jeder Reihe—gesehen in axialer Richtung — bezüglich den entsprechenden Vorsprüngen der Nachbarreihen um einen Zwischenraum versetzt ist, der gleich der halben Steigung der Vorsprünge ist.

2. Dünnschichtverdampfer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit acht axialen Reihen schaufeiförmiger Vorsprünge versehen ist.

3. Dünnschichtverdampfer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufeiförmigen Vorsprünge um den gleichen Winkel gegenüber der Rotorachse geneigt sind und jeder Vorsprung bezüglich der axialen Ebene, die durch ihre Verbindungslinie geht, um einen Winkel geneigt ist, der längs ihrer Höhe variieren kann.

4. Dünnschichtverdampfer gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufeiförmigen Vorsprünge um einen Winkel von 10° bis 75° gegenüber der Rotorachse und um einen Winkel von 5° bis 90°, vorzugsweise von 10° bis 60° gegenüber der axialen Ebene, die durch ihre Verbindungslinie geht, geneigt sind.

5. Dünnschichtverdampfer gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der schaufeiförmigen Vorsprünge gegenüber der axialen Ebene längs der freien Kante jedes Vorsprungs variabel ist und seine Größe für jeden Vorsprung vom Einlaßbereich bis zum Auslaßbereich in der oberen Hälfte abnimmt und in der unteren Hälfte zunimmt.

6. Dünnschichtverdampfer gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auch in dem Bereich mit schaufeiförmigen Vorsprüngen versehen ist, der oberhalb des Einlaßstutzens für die zu behandelnde Flüssigkeit liegt.

7. Dünnschichtverdampfer gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schaufeiförmigen Vorsprünge gleich der halben Höhe der Projektion eines schaufeiförmigen Vorsprungs auf die Rotationsachse ist.

8. Dünnschichtverdampfer gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einer zentralen Welle ausgerüstet ist, die im oberen Teil am Deckel des Verdampfers und im unteren Teil an der Innenwand der Behandlungskammer mit Hilfe einer Zentriermuffe und einer Führungsgleitrolle drehbar angeordnet ist.

9. Dünnschichtverdampfer gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgleitrolle an ihrer äußeren Umfangsfläche mit mindestens vier schaufeiförmigen Führungsvorsprüngen versehen ist, die die gleiche Gestalt und die gleiche Neigung haben wie die Vorschläge des Rotors und mindestens die doppelte Gleitfläche wie diejenige eines jeden Vorsprungs des Rotors haben.

10. Dünnschichtverdampfer gemäß einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungskammer an ihrem oberen Ende mit einer Sammelkammer für Dämpfe und an ihrem unteren Ende mit einem koaxialen kegelstumpfförmigen Körper, der mit dem Auslaßstutzen verbunden ist, ausgerüstet ist.

11. Dünnschichtverdampfer gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem kegelstumpfförmigen Körper ein zweiter Rotor angeordnet ist, der mit schaufeiförmigen Vorsprüngen ähnlich denjenigen des Rotors in der Behandlungskammer versehen ist.