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Die Erfindung betrifft einen Kurzwegverdampfer, umfassend ein beheizbares und einen inneren Zwischenraum aufweisendes doppelwandiges Verdampferrohr mit einem innerhalb des Verdampferrohres angeordneten drehbaren Rotorsystem und mit einem zentral im Verdampferrohr angeordneten Kondensator sowie mit einem in das Verdampferrohr einmündenden Zulauf für ein Produkt, einem aus dem Verdampferrohr herausführenden Ablauf für ein Konzentrat des Produkts und einem Ablauf für am Kondensator anfallendes Destillat und einen Zulauf und einem Ablauf für die Zu- und Abführung von Heizmedium in den bzw. aus dem Zwischenraum des Verdampferrohrs.
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Kurzwegverdampfer der eingangs genannten Art sind bekannt und werden in verschiedensten Größen verwendet, um temperaturempfindliche und hochsiedende Produkte ohne Schädigung zu trennen, beispielsweise im Zuge der Entflüchtigung von Silikonölen, -harzen und -polymeren sowie der Konzentrierung von Omega-3-Fettsäuren oder Vitamin E. In jüngerer Zeit haben Kurzwegverdampfer darüber hinaus eine besondere Bedeutung im Zuge der verstärkten medizinischen Nutzung von Cannabis als effektive Vorrichtung zur Gewinnung beispielsweise des Wirkstoffes Cannabidiol (CBD) erlangt, wozu u.a. auf die
EP 3 150 264 A1 verwiesen wird.
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In dem üblicherweise vertikal angeordneten doppelwandigen und mit einem Heizmedium, beispielsweise mit Öl beheizten Verdampferrohr trägt das drehbare Rotorsystem mittels an der Innenoberfläche des Verdampferrohrs vorbeistreichenden Wischern das zugeführte flüssige Produkt in Form eines dünnen Films großer Turbulenz auf die Innenoberfläche des Verdampferrohrs auf. Aufgrund der nur geringen Filmschichtdicke sowie der großen Oberfläche fließt das Produkt unter Wirkung der Schwerkraft nach unten, wobei der flüchtige Produktanteil verdampft und sich am innenliegenden Kondensator niederschlägt. Der nicht verdampfte Produktanteil, das Konzentrat, welches häufig auch als Rückstand oder Sumpf bezeichnet wird, erreicht in kurzer Zeit den unteren Bereich des Verdampferrohrs und tritt dort über einen Ablauf für das Konzentrat aus. Da die Kurzwegverdampfer üblicherweise unter einem Vakuum von 300 bis 0,003 mbar abs. im Verdampferrohr betrieben werden, wird die Verdampfungstemperatur so weit abgesenkt, dass temperaturempfindliche und hochsiedende Stoffe ohne Schädigung getrennt werden können. Ein solcher Kurzwegverdampfer ist beispielsweise aus der
DE 103 09 392 A1 bekannt.
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Die
DE 195 35817 A1 offenbart einen Reaktor, der ein doppelwanddig ausgebildetes Verdampferrohr umfasst, welches als Schweißkonstruktion mit die Mantelfläche des Außenrohrs durchdringenden Rohranschlussstutzen sowie an den Enden der Rohrabschnitte angeschweißten Flanschringen ausgebildet ist.
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Die
DE 100 24 418 A1 und die
DE 100 24 420 A1 beschreiben Kurzwegverdampfer mit einwandigem Verdampferrohr und im Bereich der freien Enden angeschweißten Flanschringen.
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Problematisch bei diesen Kurzwegverdampfern ist es jedoch, dass sie aufgrund der für den Betrieb im Vakuum erforderlichen Dichtigkeit häufig entweder als geschweißte Edelstahlkonstruktion oder aber in Form eines komplexen Glasbauteils hergestellt werden, wobei zumindest das doppelwandige Verdampferrohr nebst den Anschlussstutzen für den Zu- und Ablauf des Produkts, Konzentrat, Destillats sowie des Heizmediums einstückig hergestellt wird, was im Falle einer Edelstahlkonstruktion eine aufwändige Schweißfertigung und im Falle einer Glaskonstruktion eine nicht minder aufwändige Glasblasfertigung nach sich zieht, die erhebliche Arbeitszeit und -kosten erfordert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kurzwegverdampfer der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der sich durch einen besonders einfachen und leicht zu fertigenden sowie zu montierenden Aufbau auszeichnet.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung eines Kurzwegverdampfers gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass das Verdampferrohr von einem zylindrischen Außenrohr und einem konzentrisch innerhalb des zylindrischen Außenrohrs unter Belassung des Zwischenraumes angeordneten zylinrischen Innenrohr gebildet ist, die jeweils als zylindrische Rohrabschnitte ausgebildet sind und endseitig zwischen zwei miteinander verspannten Flanschplatten abdichtend fixiert sind, wobei in den Flanschplatten ein Zulaufkanal für den Zulauf des Produkts und ein Ablaufkanal für den Ablauf des Kondensats ausgebildet sind, die mit dem Innenraum des Innenrohrs kommunizieren sowie Zulauf- und Ablaufkanäle für die Zuführung und Abführung des Heizmediums, die mit dem Zwischenraum kommunizieren.
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Die Erfindung verwendet somit zur Herstellung des doppelwandiges Verdampferrohres zwei passend zueinander dimensionierte einfache Rohrabschnitte, die zur Ausbildung von Innen- und Außenrohr ineinander gestellt werden und durch an den beiden Enden vorgesehene Flanschplatten, die miteinander verspannt werden, fixiert und abgedichtet werden. Innerhalb der Flanschplatten können die Kanäle für die Zu- und Abführung des Produkts bzw. der daraus hervorgehenden Fraktionen (Konzentrat und Destillat) sowie des Heizmediums zum Beispiel durch Bohrungen auf einfache Weise eingebracht werden.
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Bei Verwendung von Rohrabschnitten für das Innenrohr und Außenrohr aus Glas kann somit ein in Glasausführung hergestellter Kurzwegverdampfer auf einfachste Weise hergestellt werden, der aufgrund der Transparenz des Verdampferrohrs eine gute optische Überwachung des Destillationsvorgangs ermöglicht.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung umfasst eine Flanschplatte den Zulaufkanal für den Zulauf des Produkts und den Ablaufkanal für die Abführung des Heizmediums und die andere Flanschplatte den Ablaufkanal für den Ablauf des Konzentrats und den Zulaufkanal für die Zuführung des Heizmediums. Hierbei ist bevorzugt die Flanschplatte, die den Zulaufkanal für den Zulauf des Produkts aufweist, als obere Flanschplatte oberhalb des Verdampferrohrs angeordnet und die andere Flanschplatte, die den Ablaufkanal für den Ablauf des Konzentrats aufweist, als untere Flanschplatte unterhalb des Verdampferrohrs angeordnet.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die Flanschplatten auf ihrer dem Innen- und Außenrohr zugewandten Oberfläche mit Nuten ausgebildet, in die ein Dichtring eingelegt ist, der beispielsweise von entsprechenden O-Ringen gebildet sein kann. In diese mit einem Dichtring versehenen Nuten werden die entsprechenden Enden des Innen- und Außenrohrs eingesetzt, sodass sie formschlüssig beim Verspannen der beiden Flanschplatten aufgenommen werden und den Dichtring komprimieren, um eine zuverlässige Abdichtung zu erreichen. Diese Abdichtung ermöglicht sowohl die leckagefreie Beaufschlagung des Verdampferrohrs mit Produkt und Heizmedium wie auch die für die Verfahrensführung innerhalb des Kurzwegverdampfer erforderliche Evakuierung des Innenraums des Innenrohrs, in welchem der Rotor sowie der Kondensator angeordnet sind.
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Die in den Flanschplatten ausgebildeten Zu- und Ablaufkanäle sind nach einem Vorschlag der Erfindung parallel zueinander in den Flanschplatten verlaufend angeordnet, sodass eine besonders homogene Temperierung der Zu- und Ablaufkanäle des Produkts bewirkt werden kann.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung sind das Innen- und Außenrohr jeweils zylindrisch ausgebildet und das Innenrohr wird konzentrisch im Außenrohr angeordnet.
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Um die Drehung des Rotorsystems zwecks Ausbildung eines dünnen Films des Produkts auf der Innenoberfläche des Innenrohrs bewirken zu können, ist nach einem Vorschlag der Erfindung die vorzugsweise obere Flanschplatte mit einer Durchgangsbohrung für einen Drehantrieb des Rotorsystems ausgebildet.
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Die demgegenüber verbleibende Flanschplatte, vorzugsweise die untere Flanschplatte, kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ebenfalls mit einer Durchgangsbohrung ausgebildet sein, durch die der Kondensator hindurchtritt.
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Auf ihrer dem Verdampferrohr abgewandten Seite kann die Flanschplatte darüber hinaus auf ihrer dem Verdampferrohr abgewandten Seite mit einem Bodenstutzen abdichtend verbunden sein, aus dem der Kondensator hervorsteht und über die Durchgangsbohrung in den Innenraum des Innenrohrs hineinragt.
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Der Bodenstutzen kann einen Vakuumanschluss zum Evakuieren des Verdampferrohrs und/oder einen Ablauf für das anfallende Destillat aufweisen.
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Neben der Herstellung des Innen- und Außenrohrs aus Glas können diese auch aus anderen geeigneten Werkstoffen, insbesondere Edelstahl, aber auch anderen Metallen oder Kunststoffen hergestellt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung weiter erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kurzwegverdampfer;
- 2 den Kurzwegverdampfer gemäß 1 in einer Explosionsdarstellung;
- 3 die Aufsicht auf die obere Flanschplatte gemäß 2 vom Verdampferrohr her betrachtet;
- 4 die Aufsicht auf die untere Flanschplatte gemäß 2 vom Verdampferrohr her betrachtet.
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Aus der 1 ist in einer Teilschnittdarstellung ein Kurzwegverdampfer 1 ersichtlich, der zur schonenden Destillation organischer Produkte Verwendung finden kann.
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Wie auch in weiteren Einzelheiten aus den 2-4 ersichtlich, umfasst der Kurzwegverdampfer 1 als wesentliches Bauteil ein vertikal ausgerichtetes Verdampferrohr 10, welches in nachfolgend noch näher beschriebener Weise beheizt werden kann, sowie ein innerhalb des Verdampferrohrs 10 angeordnetes Rotorsystem 11, welches mit einem nicht dargestellten Drehantrieb um die Hochachse rotierend angetrieben werden kann sowie einen zentral innerhalb des Verdampferrohrs 10 und innerhalb des Rotorsystems 11 angeordneten Kondensator 12, der in nicht näher dargestellter Weise gekühlt werden kann.
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Ein solcher Kurzwegverdampfer 1 beruht darauf, dass ein zugeführtes flüssiges Produkt, welches zu destillieren ist, mittels des rotierend angetriebenen Rotors 11 in einer dünnen Schicht auf der Innenwandung des beheizten Verdampferrohrs 10 aufgestrichen wird, wobei infolge der dünnen Schicht und der großen Oberfläche auf der beheizten Innenwandung des Verdampferrohrs 10 die leicht flüchtigen Bestandteile des Produkts verdampfen und sich auf der Oberfläche des gekühlten Kondensators 12 niederschlagen, während die verbleibenden höher siedenden Anteile des Produkts an der Innenwandung des Verdampferrohrs 10 der Schwerkraft folgend herunterlaufen und als Konzentrat ausgetragen werden. Das anfallende Destillat am Kondensator 12 läuft ebenfalls an diesem herab und wird separat ausgetragen. Zur Unterstützung dieser Destillation wird der Innenraum des Verdampferrohrs 10, in welchem der Rotor 11 und der Kondensator 12 angeordnet sind, mit einem Unterdruck von beispielsweise 300 bis 1 mbar abs. (sogenanntes Grobvakuum) oder etwa 1 bis 0,003 mbar abs. (sogenanntes Feinvakuum) beaufschlagt, wodurch die Verdampfungstemperatur soweit abgesenkt wird, dass auch temperaturempfindliche und hochsiedende Stoffe ohne Schädigung durch Destillation getrennt werden können.
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Um dem Kurzwegverdampfer 1 einen besonders einfach herzustellenden sowie leicht zu montierenden Aufbau zu verleihen, wird das Verdampferrohr 10 von einem zylindrischen Außenrohr 102 sowie einem konzentrisch darin angeordneten und ebenfalls zylindrischen Innenrohr 100 gebildet, zwischen denen ein zylindrischer Zwischenraum 101 ausgebildet ist. Das Innenrohr 100 und das Außenrohr 102 können beispielsweise aus transparentem Glas gefertigt sein, um die Destillation gut beobachten zu können.
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Unterhalb des solchermaßen gebildeten Verdampferrohrs 10 ist eine untere Flanschplatte 15 vorgesehen, die in weiteren Details aus der 4 ersichtlich ist. Zur Aufnahme der unteren Enden von Außenrohr 102 und Innenrohr 100 weist die Flanschplatte 15 auf ihrer aus der 4 ersichtlichen, dem Verdampferrohr 10 zugewandten Oberseite zwei entsprechend dimensionierte konzentrische Nuten 153, 154 auf, in die jeweils ein komprimierbarer Dichtring eingelegt ist. Die mit geringeren Durchmesser ausgebildete Nut 154 nimmt dabei das untere Ende des Innenrohrs 100 und die mit demgegenüber größerem Durchmesser ausgebildete Nut 153 das untere Ende des Außenrohrs 102 formschlüssig und abdichtend auf. Die Nut 154 umgrenzt ferner eine konzentrisch innerhalb angeordnete Sammelrinne 157 sowie eine radial nach innen anschließende zentrale Durchgangsbohrung 155 in der Flanschplatte 15.
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Gleichermaßen ist oberhalb des Verdampferrohrs 10 eine obere Flanschplatte 14 vorgesehen, die in weiteren Details aus der 3 ersichtlich ist. Auch diese Flanschplatte 14 weist auf ihrer aus der 3 ersichtlichen, dem Verdampferrohr 10 zugewandten Unterseite ebenfalls entsprechende mit abgestuftem Durchmesser ausgebildete konzentrische Nuten 144, 143 mit eingelegten Dichtringen auf, wobei die Nut 144 das obere Ende des Innenrohrs 100 und die Nut 143 das obere Ende des Außenrohrs 102 formschlüssig und abdichtend aufnimmt. Die Nut 144 umgrenzt umgrenzt darüber hinaus eine mit dem Innenraum des Innenrohrs 100 kommunizierende Durchgangsbohrung 145 in der Flanschplatte 14
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Beide Flanschplatten 14,15 weisen die zuvor erläuterten Nuten 143, 144, 153, 154 außermittig auf, diese sind in der Darstellung gemäß 3 und 4 zur rechten Seite hin aus der Mitte verlagert.
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Ferner sind beide Flanschplatten 14, 15 unter Zwischenlage des Innen- und Außenrohrs 100, 102 über außerhalb des Außenrohrs 102 achsparallel zu diesem verlaufende Spannhülsen 16 sowie nicht dargestellte, durch Bohrungen 140, 150 in den Flanschplatten 14, 15 in die Spannhülsen 16 eingeschraubte Schrauben miteinander verspannt, sodass das Innenrohr 100 und das Außenrohr 102 fest und abgedichtet zwischen beiden Flanschplatten 14, 15 gehalten werden.
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Innerhalb der Flanschplatten 14,15 sind mehrere Kanäle angeordnet, die der Zu- und Ableitung des Heizmediums sowie des Produkts und des daraus gewonnenen Konzentrats dienen.
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So weist die aus der 3 ersichtliche obere Flanschplatte 14 ausgehend von einem sich vertikal erstreckenden Anschlussstutzen 142 eine auf der Mittelachse verlaufende innere Kanalbohrung zur Ausbildung eines Zulaufkanals 141 für den Zulauf des Produkts in das Verdampferrohr 10 auf. Die von der linken Stirnseite her erfolgende Bohrung wird später durch eine aus der 2 ersichtliche Abdeckung 149 verschlossen. Der vom Anschlussstutzen 142 ausgehende Zulaufkanal 141 mündet radial in die Durchgangsbohrung 145 ein. In dem aus der 1 ersichtlichen zusammengebauten Zustand gelangt von daher über den Anschlussstutzen 142 und den Zulaufkanal 141 zugeführtes Produkt unmittelbar über die Durchgangsbohrung 145 in den Innenraum des Innenrohrs 100 und wird dort vom rotierenden Rotorsystem 11 zur Ausbildung einer Dünnschicht auf der Innenoberfläche des Innenrohrs 100 erfasst.
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Für den Antrieb des Rotorsystems 11 ist die Durchgangsbohrung 145 oberseitig mittels eines aufgeschraubten Deckels 17 verschlossen, der jedoch über eine zentrale Durchgangsbohrung für den Eingriff eines hier nicht dargestellten Antriebsmotors des Rotorsystems 11 verfügt. Die Durchgangsbohrung ist dabei als vakuumfeste abgedichtete Wellendurchführung ausgestaltet. Es kommen alternativ auch Ausführungen des Deckels 17 ohne Durchgangsbohrung in Betracht, beispielsweise bei Verwendung einer Magnetkupplung für den Antrieb des Rotorsystems 11. Das Rotorsystem 11 besteht seinerseits aus einer oberen Rotorscheibe 110 mit oberseitig angeformter Kupplung 114 für den Antriebsmotor sowie einer unteren Rotorscheibe 113, zwischen denen achsparallel zum Innenrohr 100 z.B. die hier dargestellten drei Rotorachsen 111 verlaufen, die eine Vielzahl von Wischerelementen 112 tragen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel zum Beispiel aus Polymer- oder Graphitrollen gebildet sind. Diese Wischerelemente 112 überstreichen bei Rotation des Rotorsystems 11 um die aus der 1 ersichtliche Mittelachse die Innenoberfläche des Innenrohrs 100 und tragen kontinuierlich einen dünnen Film des zugeführten Produkts auf dieser Innenoberfläche auf.
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Parallel zu dem vorangehend erläuterten Zulaufkanal 141 für das Produkt verläuft innerhalb der Flanschplatte 14 ein weiterer Kanal 146, der in der Darstellung gemäß 3 an der linken Stirnseite aus der Flanschplatte 14 herausführt und an seinem anderen Ende 147 im ringförmigen Bereich zwischen den beiden Nuten 143, 144 in Richtung auf den Zwischenraum 101 zwischen dem Innenrohr 100 und dem Außenrohr 102 vertikal nach unten aus der Flanschplatte 14 herausgeführt ist und mit dem Zwischenraum 101 kommuniziert. Dieser Kanal 146 dient in nachfolgend noch näher erläuterter Weise der Abführung eines Heizmediums.
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Analog zur Ausgestaltung der oberen Flanschplatte 14 weist auch die untere Flanschplatte 15 gemäß der Darstellung in 4 einen auf der Mittelachse verlaufenden und über einen Anschlussstutzen 152 nach außen geführten Ablaufkanal 151 auf, der an seinem dem Anschlussstutzen 152 abgewandten Ende über eine entsprechende Öffnung in die Sammelrinne 157 der unteren Flanschplatte 15 einmündet. Auch der als geradlinige Bohrung ausgeführte Ablaufkanal 151 wird im zusammengebauten Zustand von einer Abdeckplatte 159 an der Stirnseite der Flanschplatte 15 verschlossen.
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Parallel zum Ablaufkanal 151 verläuft ein weiterer Kanal 156 innerhalb der Flanschplatte 15, der in der Darstellung gemäß 4 aus der linken Stirnseite der Flanschplatte 15 herausgeführt ist und an seinem anderen Ende 158 im ringförmigen Bereich zwischen den beiden Nuten 153, 154 in Richtung auf den Zwischenraum 101 zwischen dem Innenrohr 100 und dem Außenrohr 102 vertikal nach oben aus der Flanschplatte 15 herausgeführt ist und mit dem Zwischenraum 101 kommuniziert.
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Es ist somit möglich, über den als Zulaufkanal dienenden Kanal 156 und die Austrittsöffnung 158 ein Heizmedium, beispielsweise beheiztes Öl aus der unteren Flanschplatte 15 in den Zwischenraum 101 zwischen dem Innenrohr 100 und dem Außenrohr 102 einzuleiten und bei einer entsprechenden Kreislaufführung über die Öffnung 147 und den als Ablaufkanal dienenden Kanal 146 in der oberen Flanschplatte 14 wieder aus dem Zwischenraum 101 des Verdampferrohrs 10 abzuleiten. Hierdurch kann der insbesondere das Innenrohr 100 mit seiner für die Destillation genutzten Innenoberfläche effektiv auf die gewünschte Temperatur beheizt werden.
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Das zu destillierende Produkt wird in der bereits beschriebenen Weise über den Anschlussstutzen 142 und den Zulaufkanal 141 in entgegengesetzter Richtung ausgehend vom der oberen Flanschplatte 14 in das Verdampferrohr 10 eingeleitet, wobei das nach dem Verdampfen der flüchtigen Bestandteile verbleibende Konzentrat, welches an der Innenoberfläche des Innenrohrs 10 der Schwerkraft folgend herabläuft, in der Sammelrinne 157 der unteren Flanschplatte 15 unterhalb des Innenrohrs 100 aufgefangen und von dort über die Ablaufleitung 151 und den Anschlussstutzen 152 in der Flanschplatte 15 abgeführt werden kann.
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Um die bei der Verdampfung der aufgebrachten dünnen Schicht verflüchtigten Bestandteile in an sich bekannter Weise auffangen zu können, ist durch die in der unteren Flanschplatte 15 ausgebildete Durchgangsbohrung 155 innerhalb der Sammelrinne 157 der Kondensator 12 von der Unterseite des Verdampferrohres 10 her in den zentralen Bereich desselben eingeführt, sodass er innerhalb des Rotorsystems 11 zum Liegen kommt.
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Der Kondensator 12 ist dabei vertikal nach oben vorstehend an einem Bodenstutzen 13 angeordnet, der auf der dem Verdampferrohr 10 abgewandten Unterseite der unteren Flanschplatte 15 abdichtend befestigt ist. Der Bodenstutzen 13 ist einerseits mit nicht näher dargestellten Anschlussstutzen für die Zuführung eines Kältemittels zum Kondensator 12 ausgeführt und verfügt darüber hinaus über einen seitlich herausgeführten Vakuumanschluss 131 zum Anschließen einer Unterdruckquelle, mittels derer der mit dem Anschlussstutzen 13 über die Durchgangsbohrung 155 kommunizierende Innenraum innerhalb des Innenrohrs 100 in der gewünschten Weise evakuiert werden kann.
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Ferner verbleibt im Bereich des Durchtritts des Kondensators 12 durch die Durchgangsbohrung 155 in der unteren Flanschplatte 15 ein ringförmiger Freiraum um den Kondensator 12, sodass die sich auf dem Kondensator 12 niederschlagenden und auskondensierenden Bestandteile des Produkts als Destillat der Schwerkraft folgend in den Bodenstutzen 13 abfließen und von dort über einen unterseitigen Destillatablauf 132 ausgetragen werden können.
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Der vorangehend erläuterte Kurzwegverdampfer 1 kann von daher aus einfach herzustellenden Standard-Bauteilen mit geringem Fertigungsaufwand und in hohen Stückzahlen hergestellt werden und gestattet die übliche an sich bekannte Verfahrensweise zur Destillation organischer Produkte mittels Filmverdampfung.
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Es versteht sich, dass das Innenrohr 100 und das Außenrohr 102 anstelle einer Herstellung aus Glas auch aus beliebigen anderen geeigneten Werkstoffen, beispielsweise Edelstahl oder Kunststoffen gefertigt sein kann.
