DE1197056B - Wischer zur Fluessigkeitsverteilung in Duennschicht-Verdampfern bzw. -Waermeaustauschern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche Kl.: 12a-2

Nummer: 1197056

Aktenzeichen: L 33948IV c/12 a

Anmeldetag: 11. August 1959

Auslegetag: 22. Juli 1965

Apparate, die zum Erhitzen, Destillieren, Eindampfen oder aber vollständigen Austrocknen, Ausfrieren und Pulverisieren dünner Schichten aus Flüssigkeiten dienen, gelangen in der Verfahrenstechnik in stets steigendem Ausmaß zur Verwendung, Der im Verhältnis zur Heizfläche sehr geringe Flüssigkeitsinhalt und dessen äußerst kurze Verweilzeit im Bereich höherer Temperaturen gestatten in Verbindung mit den erzielbaren guten Wärmeübergängen und der leichten Evakuierbarkeit dieser Apparate die Behandlung von empfindlichen, hochsiedenden oder hochschmelzenden Stoffen unterschiedlicher Viskosität, welche sonst bei Wärmeprozessen in herkömmlichen Apparatetypen mit Sicherheit sich zersetzen oder zu Ausscheidungen, Verkrustungen führen würden. Voraussetzung ist jedoch, daß die Schichten in steter Bewegung gehalten und kontinuierlich erneuert werden.

Um dies zu gewährleisten, sehen bekannte Konstruktionen starre, sich radial erstreckende und um die Mittelachse rotierende Rührflügel vor, deren Blattspitzen in die Flüssigkeit tauchen, sie verteilen und am Heizflächenumfang in Rotation halten sollten. Bei Apparaten größeren Umfanges ist jedoch eine sehr schwierige und kostspielige Bearbeitung notwendig, um zwischen Heizfläche und Flügelspitzen so kleine Spalte genau einzuhalten, wie die Filmdicke dünnflüssiger Medien bereits bei freier Rieselung ist, nämlich einige zehntel Millimeter. Selbst die genaueste Bearbeitung kann aber im Betrieb durch unterschiedliche Wärmedehnungen illusorisch werden. Es besteht die Gefahr, daß der Film vom Rührer gar nicht oder nur örtlich erfaßt wird, wobei Flüssigkeitsschläge und -spritzer in die Brüdendämpfe entstehen können.

Bei zäheren Flüssigkeiten wieder wird ein örtliches Anbacken von Teilen nicht mit Sicherheit vermieden. Ferner verursachen die längs des Umfanges variablen Spaltbreiten unterschiedliche hydrodynamische Kräfte auf die Rührflügel, welche flattern, schlagen, Lagerschäden und erhöhte Rührleistung verursachen können.

Um einen sicheren Kontakt mit der Flüssigkeit zu gewährleisten, hauptsächlich aber um bis zu Trockensubstanz eingedampfte Lösungen schonend von der Heizwand abzuschaben, sehen andere Konstruktionen vor, in Angeln parallel zur Rotationsachse drehbar aufgehängte Schaber unter Einfluß der Zentrifugalkraft im spitzen Winkel zur Heizwand anzupressen. Diese Schaber sind an der auf der Heizwand gleitenden freien Kante mit Einschnitten versehen, die die Aufgabe haben, dem durch die Wischer zur Flüssigkeitsverteilung in
Dünnschicht-Verdampfern bzw.
-Wärmeaustauschern

Anmelder:

Luwa A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Stoepel, Patentanwalt,

Landau (Pfalz), Am Schützenhof

Als Erfinder benannt:

Donald Q. Kern, Cleveland, Ohio; <■

Harry J. Karakas, Orange, Mass. (V, St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. August 1958
(755332)

Wischer beim Umlauf verdrängten Gut den Durchtritt zur Hinterseite des Wischers zu gestatten. Der mechanische Kontakt zwischen den Wischerkanten und der Heizfläche ist selbstverständlich unerwünscht, da dabei ein Abrieb entsteht, welcher das behandelte Gut unbrauchbar machen kann. Die Schaber haben ' ferner den mechanischen Nachteil, daß eine Komponente ihrer Zentrifugalkraft radial an der Achse zerrt. Bei ungleichen Massen der einzelnen Wischer oder bei Ansatzbildung an einigen kann das zu ähnlichen Erscheinungen führen, wie bei den starren Rührern.

Bekannt ist eine weitere Konstruktion, welche sich offenbar für sehr dickflüssige knetbare Medien eignet und durch die Zentrifugalkraft radial an die Heizfläche gepreßte und daran abrollende Zylinder vorsieht, welche dann nach Bedarf — offenbar zur Vermeidung von ihrer Verkrustung — beheizt werden können. Um dünnflüssige Medien verteilen zu können, ohne daß sie sieh in Strähnen auflösen, müssen jedoch relativ große Umfangsgeschwindigkeiten aufrechterhalten werden, bei denen die Lagerung und Lagerschmierung der Rollen innerhalb des geschlossenen Apparates nicht einfach sein dürfte.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, Wischer zu schaffen, durch welche sich die vorgenannten Nachteile beseitigen lassen.

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Das erfindungsgemäße Verteilgerät zeichnet sich die Wischerblätter mit ihren äußeren Kanten auf

dadurch aus, daß die Stirnfläche der in an sich be- die Flüssigkeitsschicht, welche die Innenseite der

kannter Weise radial beweglichen Wischer so aus- Wand bedeckt und verdampft werden soll, eine

gebildet ist, daß sie mit der Tangente an die Behänd- Verteilwirkung aus.

lungsfläche einen spitzen Winkel bildet. 5 Um nun die Wirkung einer an der Welle 30 an-

Die Dicke der so erzeugten Flüssigkeitsschicht greifenden Kraft Z zu vermeiden bzw. zu verminwird durch das Kräftegleichgewicht automatisch be- dem, welche unter Verhältnissen, wie sie in F i g. 3 stimmt und kann bei bekannten Verhältnissen mit dargestellt sind, in starkem Maße auftritt, sind die Hilfe der hydrodynamischen Lagerschmierungs- Wischer an ihren Vorderkanten so ausgebildet, daß theorie durch die Wahl von Tourenzahl, Masse und io ihre der Heizwand zugekehrte Fläche mit der Tan-Form der Wischer im voraus bestimmt werden. gentialfläche der Heizwand an der nächstliegenden

In der Zeichnung sind mehrere beispielsweise Mantellinie den spitzen Keilwinkel Θ einschließt, wie

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verteil- dies in F i g. 4 dargestellt ist. Zwischen diesen

gerätes dargestellt. Es zeigt Flächen schiebt nun der Wischer bei der Rotation

F i g. 1 einen Dünnschichtverdampfer schematisch 15 einen Flüssigkeitskeil vor sich, der auf ihn nach

im Axialschnitt dargestellt, den Grundsätzen der Lagertheorie als Schmiermittel-

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie2-2 in keil eine Auftriebskräfte ausübt, welche Kraft ihm Fig. 1, "die Berührung der Heizfläche verwehrt und ihn dazu

F i g. 3 eine schematische Darstellung der an der zwingt, über einen Film ganz bestimmter Dicke zu

Achse des Verteilerorgans angreifenden Kräfte, ao gleiten. Folgen die Wischer in der Konsistenz der

F i g. 4 die Kräfteverhältnisse bei einem mit Gleit- Flüssigkeit entsprechend in genügend rascher Folge

schuhen ausgerüsteten Verteilgerät und aufeinander, so kann die Aufrechterhaltung dieser

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform eines Ver- Filmdicke auf der ganzen Heizfläche gewährleistet

teilgerätes. . werden.

Der in F i g. 1 dargestellte Dünnschichtverdampfer, 25 In stabilem Gleichgewicht befindet sich der Wischer

der mit einem Verteilgerät ausgerüstet ist, besteht nach F i g. 4, wenn

aus einem unteren Verdampferteil 12 und einem dar- _ . _u/ _ . , _m

über angeordneten Abscheiderteil 14. Der Ab- Z-A + w_A- A-r w-Xgoc (L)

scheiderteil kann mit rotierenden, axial verlaufenden ist, worin

Flügeln 15 und horizontalen Schikanen 13 versehen 30 _{z =} Zentrifugalkraft des Wischers,
sem. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird durch

Leitung 16 zugeführt,, die zwischen Verdampferteil Λ = Auftriebskraft der Flüssigkeit auf den

12 und Abscheiderteil ,14 angeschlossen ist, wobei Wischer,

die zugeführte Flüssigkeit unter dem Einfluß der w = Widerstand, den der Wischer bei seiner UmSchwerkraft im Verdampferteil abwärts fließt. Das 35 fangsbewegung erfährt.
Konzentrat wird durch eine Leitung 18 abgeführt,

während die Brüden durch eine am oberen Ende Auftrieb und Widerstand sind einerseits von der

des Abscheiders angeschlossene Leitung 20 ab- Geometrie des Wischers abhängig, andererseits neh-

strömen. men sie mit der Zähigkeit der Flüssigkeit und der

Das zylindrische Gehäuse 22 ist durch einen Man- 40 Umfangsgeschwindigkeit zu, mit etwa dem Quadrat

tel 24 umgeben, der sich praktisch über die Länge der Filmdicke ab. Die Zentrifugalkraft dagegen

des Verdampferteiles erstreckt, wobei in den inner- hängt vom Wischergewicht, von der Umfangsge-

halb des Mantels gebildeten Ringraum z. B. Dampf schwindigkeit und vom Wischerbahnradius ab.

übex die Leitung 26 zugeführt und über die Leitung Währenddem also Z bei festen Betriebsbedin-

25 abgeführt wird. Durch diesen Dampf wird die 45 gungen konstant bleibt, wird sich die Filmdicke

Wand des Gehäuses 22 beheizt. automatisch so einstellen, daß die hydrodynamischen

In einem Antriebsgehäuse 28 ist eine vertikale Kräfte mit der Zentrifugalkraft Gleichgewicht nach Antriebswelle 30 an ihrem oberen Ende drehbar ge- GIg. 1 ergeben. Bei Aufgabe dünnflüssiger Medien lagert, während das untere Ende 32 derselben in wird die Filmdicke automatisch kleiner, bei zäheren einem Lager 34 abgestützt ist, welches im Boden 36 50 größer. Da ferner die hydrodynamischen Kräfte A des Gehäuses 22 befestigt ist. Ein Antriebsmotor 38, und W in einem festen (von der Geometrie beder auf einen Bügel 40 abgestützt ist, steht mit der stimmten) Verhältnis stehen:
Welle 30 über eine schematisch dargestellte Kupplung 43 in Drehverbindung. _ W—ε-Α, (2)

Wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht, sind an der 55 ^so && ^auch

Rotorwelle mehrere feste Arme 42, z. B. durch ψ fj_ 4. tg «\ = Z (IaI
Schweißverbindungen 44, befestigt, die gleichmäßig \ ε J
über den Umfang verteilt und in Axialrichtung voneinander distanziert angeordnet sind. Jeder der Arme Dieser Zusammenhang besagt, daß der Wischerist an seinem freien Ende über einen Stift 46 mit 60 widerstand und damit die Rührleistung vom aufgegeeinem Arm 48 verbunden, von denen je zwei starr an benen Produkt unabhängig in einem bestimmten einem Wischerblatt 54 befestigt sind, z. B. durch Apparat bei konstanter Tourenzahl konstant bleibt. Schweißverbindungen 52. Die Wischerblätter sind Dies ist wieder darauf zurückzuführen, daß die FiImsomit relativ zur Rotorwelle schwenkbar gelagert. dicke sich automatisch so einstellt, daß die hydro-

Bei der Rotation der Welle 30 werden die Wischer- 65 dynamischen Kräfte gleich, mit der gleichbleibenden

blätter 54 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft Zentrifugalkraft in Gleichgewicht, bleiben. Anderer-

gegen die Wände 22 bewegt, und zwar im wesent- seits kann für Medien bestimmter Zähigkeit die Zen-

lichen in radialer Richtung. Unter dieser Kraft üben trifugalkraft so gewählt werden, daß eine bestimmte

Filmdicke entsteht. — Durch die besondere Aufhängung der Wischer ist ferner die konstant bleibende Filmdicke gewährleistet, auch wenn die Heizfläche geometrische Ungenauigkeiten aufweisen sollte. Zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes wird der Wischer solchen Ungenauigkeiten nachfahren, so daß zur gleichen Zentrifugalkraft auch überall die gleiche Filmdicke gehört. — Damit werden »tote Stellen« am Umfang ebenso vermieden wie zu enge Spalte, die zur mechanischen Beanspruchung der Konstruktion führen könnten. Wie Fig. 4 veranschaulicht, kann durch geschickte Wahl der Geometrie, wenn der Linienzug MPB in P einen rechten Winkel bildet, jegliche Zerrkraft auf die Rührerwelle vermieden werden. Nur das von W_M herrührende Drehmoment greift sie an, alle anderen Kräfte halten sich stets im Gleichgewicht.

Die Filmdicke kann nun für verschieden zähe Flüssigkeiten über die Größe der Zentrifugalkraft entweder durch die Wahl der Tourenzahl oder die der Wischermasse reguliert werden. Die Tourenzahl ihrerseits muß aber der Konsistenz der Flüssigkeit und der Wischerzahl so angepaßt werden, daß jede Stelle der Heizwand in genügend rascher Folge überstrichen wird, um den Film in kontinuierlicher Bewegung zu halten, d. h. gerade dünnflüssige Medien verlangen höhere Tourenzahl und damit besonders kleine Wischergewichte. Diese können durch leichte Wischermaterialien, wie Kunststoffe, oder durch Aussparungen in der von der Wand weggekehrten Seite längs des Wischers realisiert werden.

Wie Gleichung (1) zeigt, kann in extremen Fällen auch durch die Wahl großer Winkel α Kompensation erreicht werden, wodurch die Wischergewichte wieder vergrößert werden müßten. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, durch Gegenbalancen, wie F i g. 5 zeigt, die zu hohe Zentrifugalkraft der Wischer auszugleichen.

Bei Apparaten, die für Produkte hoher Zähigkeit mit großen Wischergewichten ausgestattet werden, können dagegen die Wischerspitzen aus geeigneten Materialien eingesetzt werden, welche mit der Heizwand kleine Reibungskoeffizienten ergeben, um bei eventuellem Trockenlauf des Apparates zu hohe Reibung oder gar Beschädigung der Flächen zu vermeiden. Bei dünnflüssigen Medien wird man allgemein kleine Keilwinkel Θ, bei zäheren größere anwenden (tg 0 = 0,05 bis 0,5). Dieser Winkel muß nicht allzugenau eingehalten werden. Sein Einfluß auf die Filmdicke ist bei kleineren Abweichungen nicht sehr groß.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wischer, die um eine vertikale Achse kreisen und an den Spitzen in die Flüssigkeit tauchen zur Flüssigkeitsverteilung in Dünnschicht-Verdampfern bzw. -Wärmeaustauschern, mit aufrecht stehender Behandlungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der in an sich bekannter Weise radial beweglichen Wischer so ausgebildet ist, daß sie mit der Tangente an die Behandlungsfläche einen spitzen Winkel bildet.

2. Wischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselben als Gleitschuhe ausgebildet sind.

3. Wischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Welle fest verbundene Wischerarm mit dem beweglichen Wischerarm im Betrieb angenähert einen rechten Winkel einschließt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 681 394;
USA.-Patentschrift Nr. 1 576 838;
»Chemiker-Zeitung«, 1955, S. 504;
»Chemie-Ingenieur-Technik«, 1955, S. 258.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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