DE1272884B - Vorrichtung zur Verlaengerung der Verweilzeit von Fluessigkeit in Duennschichtverdampfern bzw. Durchlauf-Waermeaustauschern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOId

Deutsche KL: 12 a - 2

1 272 884
P 12 72 884.6-43 (L 413,49)
27. Februar 1962 '

18. Juli 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünnschichtverdampfern bzw. Durchlauf-Wärmeaustauschern.

Bei Dünnschichtverdampfern und dergleichen Durchlauf-Wärmeaustauschern 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 ζ. Β. ίο 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 eintauchen. Die Folge ist eine stellenweise Ent- netzung der Wärmeaustauschfläche und eine erhebliche Verminderung der für eine gleichmäßige Erwärmung und einen guten Wärmeübergang wichtigen Turbulenz der Flüssigkeit.

Dies trifft insbesondere für solche Wärmeaus- ao tauscher 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 gegeneinander verschobenen Wärmedehnungen eine gewisse Spaltbreite zwischen Rotorflügel und der von ihnen bestrichenen Behälterwand nicht unterschritten werden kann. Aber auch bei Wärmeaustauschern, deren Rotor bewegliche, sich an die Behälterwand, ζ. 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 Flüssigkeitsfilms erfolgen, wodurch sich ebenfalls eine schlechte Ausnutzung der verfügbaren Wärmeaustauschfläche und möglicherweise ein stellenweises Anbacken der Flüssigkeit ergibt.

Es ist auf verschiedene Arten versucht worden, diese Nachteile zu vermeiden. So sind Wärmeaustauschflächen, die sich gegen die Entnahmestelle der Flüssigkeit konisch verjüngen, bekanntgeworden, wodurch das Volumen zwischen der konischen Behälterwand und dem von den Rotorflügelkanten beschriebenen Konus stetig verringert wird. 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 Vorrichtung zur Verlängerung der Verweilzeit
von Flüssigkeit in Dünnschichtverdampfern
bzw. Durchlauf-Wärmeaustauschern

Anmelder:

Luwa A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann

und Dipl.-Ing. W. Eitle, Patentanwälte,

8000 München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 25. Januar 1962 (916)

aber gerade in der ungünstigsten Zone ebenfalls eine Entnetzung der Wand bewirkt.

Ferner ist es bereits bekannt, die Flüssigkeit von unten unter Druck in den Wärmeaustauscher einzuleiten und sie unter dem Einfluß des umlaufenden Rotors längs einer konischen oder zylindrischen Wärmeaustauscherfläche hochzutreiben, um sie dann oben zu entnehmen. Auch hiermit 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.

Gemäß der Erfindung wird nun zur Vermeidung dieser Nachteile die Aufgabe gestellt, die Verweilzeit der Flüssigkeit im Behandlungsapparat dadurch zu beeinflussen, daß an der Innenwand der Behandlungskammer ein dynamischer Stau in der Flüssigkeit erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Lösung dieser

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Aufgabe sieht eine Vorrichtung vor, die dadurch ge- lieh durchgewirbelt, so daß eine Überhitzung einzelkennzeichnet ist, daß zum dynamischen Anstauen ner Flüssigkeitsteilchen innerhalb des gestauten der zu behandelnden Flüssigkeit zwischen den Mün- Flüssigkeitsfihns viel weniger leicht eintreten kann, düngen der Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeits- als wenn der Film auf dem betreffenden Teilstück ableitung in der Behandlungskammer an die Innen- 5 ohne unmittelbare Einwirkung des Rotors mit weniwand anschließende Einschnürungselemente ange- ger Turbulenz frei abfließen würde. Durch die geringe ordnet sind, in deren Bereich die Rotorflügel ab- Verlängerung der Aufenthaltszeit sind daher schädgesetzt sind. liehe Auswirkungen auf temperaturempfindliche

Die Vorrichtung kann zur Behandlung von Flüssig- Flüssigkeiten nicht zu erwarten. Nötigenfalls kann keiten aller Art, wie z. B. Lösungen, Emulsionen, io auch durch Reduktion der Temperaturdifferenz der Aufschwemmungen, durch Erwärmung flüssig ge- Wärmeübertragungsmittel in der betreffenden Zone wordener Feststoffe sowie von durch Trocknungs- eine Schonung erzielt werden.

oder Kristallisationsprozesse im Wärmeaustauscher Besonders vorteilhaft ist es, durch ausreichend

selbst entstandenen fließfähigen Feststoffen dienen. dimensionierte zentrale Abflußöffnungen der Flüssig-

Vorausgesetzt ist, daß der Durchlauf-Wärme- 15 keit unter allen Betriebsbedingungen einen ungeaustauscher wenigstens annähernd unter den für hemmten Ablauf aus der Stauzone zu verschaffen, Apparate dieser Gattung (wie Dünnschichtverdamp- so daß jede Flüssigkeitsmenge, die im betreffenden fer, Dünnschichtrektifikatoren, Dünnschichttrockner, Apparat praktisch überhaupt zur Verarbeitung kom-Dünnschichtreaktoren usw.) bereits üblichen Be- men kann, überlaufartig frei aus der Stauzone wegtriebsbedingungen, insbesondere bezüglich der 20 fließen kann, ohne daß z. B. die restliche Rotations-Rotordrehzahlen, gefahren wird. Gleichzeitig mit bewegung der Flüssigkeit hemmend wirken kann, der Wärmebeeinflussung (Wärmezu- oder -abfuhr) Dadurch läßt sich erreichen, daß am Auslauf keine können andere Beeinflussungen der Flüssigkeit er- Reguliermanipulationen vorgenommen werden müsfolgen, wie z. B. Inberührungbringen mit einem sen und die Speisemenge der Flüssigkeit sowie die kontinuierlich zugeführten Gas oder Dampf u. dgl. 25 Temperaturdifferenzen bzw. das Eindampfverhältnis Durch die radiale Umlenkung des Flüssigkeits- frei wählbar sind, was die Bedienung des Apparates films gegen die Achse hin im Wirkbereich des erheblich vereinfacht und die Betriebssicherheit Rotors soll ein mehr oder weniger ausgeprägtes Auf- erhöht.

stauen des Flüssigkeitsfilms an der betreffenden Durch differenzierte Heizung bzw. Kühlung im

Stelle auf seinem ganzen Umfang erzielt werden, 30 Bereich einer oder mehrerer hintereinandergeschalwobei die freie Begrenzungsfläche der Flüssigkeit teter Stauzonen ist es z. B. auch möglich, die durcheinen Teil eines Flüssigkeitsrotationsparaboloids bil- laufende Flüssigkeit in einer ersten Zone rasch auf det. Die Stauhöhe hängt dabei außer von der durch eine bestimmte Temperatur aufzuwärmen, sie in der den Rotor erzeugten Zentrifugalkraft im wesentlichen nächsten Zone während einer genau definierten von der radialen Erstreckung des Absatzes ab. 35 Aufenthaltszeit durch Inberührungbringen mit einer Außerdem wird sie durch die Viskosität der Flüssig- anderen Substanz, gegebenenfalls unter Wärmezukeit beeinflußt sowie durch die Achsrichtung des oder -abfuhr, einer chemischen Reaktion zu unterApparates und damit die Größe der Schwerkraft- werfen und die so entstandene Flüssigkeit in einer komponente sowie gegebenenfalls auch durch den weiteren Zone rasch abzukühlen. Grad der Konizität des dem Absatz vorangehenden 40 Versuche haben gezeigt, daß überraschend gute Teils der Wärmeaustauscherwand. Wirkungen erreichbar sind. Wie an Beispielen ge-

Bei entsprechender konstruktiver Gestaltung, z. B. zeigt werden wird, läßt sich bei Flüssigkeiten niedbei Verwendung von elastischen gespaltenen Spann- rigen oder mittleren Viskositätsgrades z. B. in einem ringen, die auf geeigneter axialer Höhe eingesetzt Dünnschichtverdampfer mit starren Rotorflügeln werden und auf der Behälterwand festsitzen, kann 45 durch Einsetzen eines Stauringes eine ganz erhebdie radiale Erstreckung des Absatzes durch Aus- liehe Steigerung der Wärmeübergangszahlen und des wechseln der Ringe leicht und rasch den jeweiligen Eindampfungsverhältnisses in einem Durchlauf und Betriebserfordernissen angepaßt werden. Ebenso ist damit eine überraschend große Leistungssteigerung es mit geringem technischem Kosten- und Zeit- bei gleichbleibenden Abmessungen der Heizfläche aufwand möglich, die Drehzahl des Rotors zu ver- 50 ohne Schädigung der Produkte erzielen, ändern. Durch diese einfachen Vorkehrungen lassen Um die Stauwirkung voll wirksam werden zu

sich Stauhöhe und -breite leicht den jeweiligen Er- lassen, muß die Flüssigkeit im Bereich des Absatzes fordernissen anpassen, etwa in der Weise, daß die von den Rotorflügeln erfaßt werden, damit ihr eine Stauhöhe bis zu jenem Punkt getrieben wird, von Zentrifugalkraft aufgedrückt werden kann, die wirkdem an die Rotorflügel ohne das Stauen der Flüssig- 55 samer ist als die in Achsrichtung wirksamen Kräfte, keit infolge Abdampfens einer Komponente nicht zu denen unter anderem der hydrostatische Druck mehr in den Flüssigkeitsfilm eintauchen würden. gehört Wie Versuche gezeigt haben, sollte der Rotor

Durch die Stauung wird die gesamte mittlere mit einer solchen Drehzahl rotieren, daß die Flügel-Aufenthaltszeit der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher -kanten eine Umfanggeschwindigkeit von vorzugsum einen genau bestimmbaren Wert verlängert. Die 60 weise 10 m/Sek. mindestens aber 6 m/Sek. erreichen, für ein bestimmtes Produkt unter den herrschenden Um das Erfassen der Flüssigkeit durch die Rotor-

Betriebsbedingungen zulässige Verlängerung der flügel zu erleichtern, soll der zwischen ihnen und Aufenthaltszeit kann als Regelgröße für die Bestim- dem Absatz während der Betriebszeit in Achsrichtung mung des Ausmaßes des Staues durch die vorgenann- bestehende Spalt möglichst eng sein. Infolge unterten Mittel verwendet werden. 65 schiedlicher Wärmedehnungen kann es einige Schwie-

Da die Rotorflügel in die gestaute Flüssigkeit ein- rigkeiten bieten, dies zu verwirklichen. Beim Anfahtauchen, wird die Flüssigkeit gerade auch an dieser ren der Anlage z. B. erwärmt sich der Rotor langbesonders wichtigen Stelle ständig und sehr gründ- samer und in geringerem Ausmaß als der Behälter.

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Dadurch kann sich die genannte Spaltbreite in erheb- Die über die Speiseleitung 14 kontinuierlich zulichem Ausmaß verändern. Je nachdem, in welchem geführte Flüssigkeit wird in bekannter Weise von den Lager die Rotorwelle in Axialrichtung abgestützt ist, Rotorflügeln 9 auf dem zylindrischen Rohr 1 zu wird der Spalt zu weit oder können die Flügel bei einem dünnen Flüssigkeitsfilm ausgebreitet, der sich der Rotation zum Streifen kommen. Dem kann auf 5 unter der Einwirkung der Zentrifugal- und Schwerverschiedene Weise abgeholfen werden, z. B. da- kraft in axialer Richtung nach unten bewegt, wobei durch, daß der den Absatz bildende Ring in Ab- an der von außen beheizten oder gekühlten Rohrhängigkeit von der Axialverschiebung im gleichen wand 1 der Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeit Ausmaß ebenfalls verschoben wird, was durch vom und Wand stattfindet. Durch den Absatz 17 wird der Rotor geführte Verbindungsmittel zum Ring bewirk- io Flüssigkeitsfilm in radialer Richtung gegen die Achse bar ist, oder indem auf den Rotorflügeln bewegliche, umgelenkt, um nachher auf dem ganzen Umfang frei sich selbsttätig einstellende Organe angebracht wer- über die Kante 18 in das darunterliegende Sammeiden oder indem dem Absatz und dem ihm gegen- und Beruhigungsbecken 5 zu fließen, aus dem die überliegenden Teil der Flügelkante eine Form ge- Flüssigkeit über die Leitung 19 abgezogen wird. Um geben wird, die ein Eintauchen in die Flüssigkeit 15 die Breite des Spaltes zwischen dem Absatz 17 und auch bei vergrößerter Spaltbreite gewährleistet. den Rotorflügeln 9 auf das zweckmäßige Maß ein-

Die Behälter- und damit Rotorachse ist Vorzugs- zustellen, ist das untere Rotorlager 7 und damit die

weise vertikal gestellt, um über den ganzen Umfang Rotorwelle mittels der Schraube 8 axial verschiebbar,

eine gleichmäßige Stauhöhe zu bekommen. Sie kann Die Breite des genannten Spaltes ist bei der vor-

aber auch geneigt bis horizontal sein, was dann not- 20 liegenden Anordnung vorteilhafterweise geringer als

wendig sein kann, wenn es wichtiger ist, die Aufent- die Breite des Spaltes zwischen Rotorflügel 9 und

haltszeit noch mehr zu verlängern oder wenn geringe Rohrwand 1.

Bauhöhe verlangt wird. In den Fig. 2 und 3 ist ein Teilstück eines Rotors,

An Hand der Zeichnung werden einige Ausfüh- bestehend aus der Welle 22 und den Flügeln 21, dar-

rungsbeispiele der Vorrichtung nach der Erfindung 25 gestellt, der koaxial mit den aufeinandergesetzten

in der Anwendung auf Dünnschichtverdampfer ver- zylindrischen Rohren 23 a, 23 b und 23 c, welche dem

schiedener an sich bekannter Bauarten beschrieben. Wärmeaustausch dienen, angeordnet ist. Hierbei ist

Es zeigt der Durchmesser des Rohres 23 c geringer als jener

F i g. 1 einen Dünnschichtverdampfer, dessen Ro- des vorangehenden Rohres 23 b, welches seinerseits

tor starre Flügel besitzt, teils in Ansicht und teils 30 eine geringere Weite als das darüber befindliche Rohr

im Längsschnitt, 23 α besitzt. Durch die Flansche dieser Rohrstücke

F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines werden die Absätze 24, 25 gebildet, in deren Bereich

Dünnschichtverdampfers in einer anderen Aus- die Breite der Rotorflügel entsprechend geringer

führungsart, wird.

F i g. 3 einen Querschnitt von F i g. 2 nach IH-III, 35 Der längs den Rohrwandungen herabfließende

F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen Dünn- Flüssigkeitsfilm trifft also in bestimmten Abständen

schichtverdampfer einer weiteren Ausführungsart, auf mehrere einander folgende Absätze (ringförmige),

F ig. 5 bis 8 je einen Längsschnitt durch Teile von denen er durch weite Zentralöffnungen unmittelvon Dünnschichtverdampfern weiterer Ausführungs- bar zum nachfolgenden Wandabschnitt überfließt,
arten, wobei in den F i g. 2 bis 8 der Einfachheit 40 Die einzelnen Absätze können verschiedene Breihalber die an sich bekannten Mittel zum Beheizen ten aufweisen. Breitere Absätze ergeben größere oder Kühlen der Wärmeaustauscherwand nicht ein- Aufenthaltszeiten der Flüssigkeit im vorangehenden gezeichnet sind. Rohrteil. Die einzelnen Rohrteile können in verschie-

In F i g. 1 bedeutet 1 ein von einem Heizmantel 2 denem Maß beheizt oder gekühlt sein, so daß sich umgebenes zylindrisches Rohr, das oben mit einem 45 nicht nur die Aufenthaltszeit, sondern auch die Temdas Rotorlager 4 tragenden Deckel 3 und unten mit peraturbeeinflussung der gleichen Flüssigkeit innerdem konischen Teil 5 abgeschlossen ist. Die Welle 6 halb des gleichen Apparates in sich unmittelbar des koaxial mit dem Zylinderrohr 1 angeordneten folgenden Rohrabschnitten in verhältnismäßig weiten Rotors ist unten in dem mittels Stellschraube 8 in Grenzen verändern und einstellen läßt. Dazu kommt axialer Richtung verschiebbaren Lager 7 geführt und 50 noch die Möglichkeit, den Rotor ganz oder abgestützt. Die Rotorwelle 6 trägt starre sternförmig schnittsweise in an sich bekannter Weise durch entangeordnete, sich in Achsrichtung erstreckende Flü- sprechende Mittel ebenfalls auf bestimmten Tempegel 9, deren Kanten bis nahe an die Zylinderwand 1 raturen zu halten und das sich gegebenenfalls auf reichen und die mindestens so lang sind wie der ihm niederschlagende Kondensat entweder abzufüh-Heizmantel. Der Rotor wird von einem nicht dar- 55 ren oder auf annähernd gleicher axialer Höhe wieder gestellten Motor über den Keilriemen 10 und die zum Flüssigkeitsfilm auf der Rohrwand zurückzu-Riemenscheibe 11 angetrieben. An den Heizmantel 2 leiten.

sind eine Dampfzufuhrleitung 12 und eine Kondens- Aus diesen Hinweisen ergibt sich, welche mannig-

ableitung 13 angeschlossen. 14 stellt die Speiseleitung faltigen Möglichkeiten zur Vornahme von Reak-

für die zu behandelnde Flüssigkeit dar und 19 die 60 tionen, Rektifikationen und anderen Operationen in

Ableitung für den Rückstand. Das Rohr 15 dient für dünner Schicht durch die Erfindung eröffnet werden,

die Ableitung von Dämpfen und Gasen und führt zu F i g. 4 zeigt einen Wärmeaustauscher mit hori-

dem nicht dargestellten Kondensator und gegebenen- zontaler Achse, bei dem das dem Wärmeaustausch

falls zur Vakuumpumpe. Der Flansch 16 bildet dienende Rohrstück 26 konisch ausgebildet ist. Die

gegenüber dem Rohr 1 einen ringförmigen, rund- 65 koaxial zu demselben angeordnete, durch nicht dar-

herum führenden, sich im rechten Winkel zur Rotor- gestellte Mittel angetriebene Rotorwelle 27 trägt

achse erstreckenden, bis zur Kante 18 reichenden wiederum starre, sternförmig angeordnete Flügel 28,

Absatz 17. deren Breite im Bereich des Rohrstückes 26 derart

gehalten ist, daß zwischen den Flügelkanten und kraft, die von den Rotorflügeln auf den Flüssigkeitsdem Rohrstück 26 ein schmaler Spalt bleibt. Dem film übertragen wird, staut sich die Flüssigkeit an konischen Rohrstück 26 ist auf der engeren Seite dieser Stelle auf, und zwar derartig, daß die innere ein zylindrisches Rohrstück 29 vorgeschaltet, das Begrenzungsfläche 53 annähernd einem Ausschnitt durch den Deckel 30 abgeschlossen ist. Am weiteren 5 eines Flüssigkeitsrotationsparaboloids entspricht. Die Ende des konischen Rohrstückes 26 ist ein Flansch Steilheit der Begrenzungsfläche 53 ist in bekannter 31 angebracht, der in einer entsprechenden Nut den Weise vom Überwiegen der Zentrifugalkraft gegensich in das Rohrinnere erstreckenden Ring 32 in über der Schwerkraft und damit vom Radius und der Stellung hält. Anschließend ist ein zylindrischer Drehzahl des Rotors abhängig und beeinflußt die Rohrteil 33 mit Deckel 34 angeflanscht, von dem die io Stauhöhe. Letztere wird außerdem durch die Flüssigkeitsableitung 36 und das Brüdenrohr 37 ab- Schulterbreite des Stauringes 48 bestimmt. Natürlich zweigen. Unter Umständen ist noch ein zweiter sind auch die Reibungskräfte und die Viskosität ent-Brüdenstutzen37a vorgesehen, in welchem Fall jeder sprechend zu berücksichtigen. Durch das Nachdieser Stutzen eine nicht dargestellte Verschlußklappe fließen von oben tritt eine gewisse Flüssigkeitsmenge aufweist, damit je nach Erfordernis im Gleich- oder 15 über den inneren Rand des Ringes 48 durch die Gegenstrom gefahren werden kann. Die Speiseleitung weite Ringöffnung 55 überlaufartig in den darunter 38 dient für die Zuführung der zu behandelnden befindlichen, durch den Konus 42 gebildeten Sam-Flüssigkeit; ihre Mündung liegt höher als die Mün- melraum, aus dem sie über den Rohrstutzen 44 abdung der Abflußleitung 36. Der Ring 32 erstreckt fließt oder z. B. durch Pumpen weggefördert wird, sich radial gegen das Innere des Behälters, wobei 20 Um kontrollierbare Verhältnisse zu bekommen die dem konischen Rohr 26 zugewendete Flanke und von der Abflußseite her bei Änderung der einen steilen Konus bildet und die Schwellenhöhe Speisemenge, des Eindampfverhältnisses, des Prodes Ringes 32 tiefer liegt als der Punkt 39, in dem duktes oder anderer Betriebsbedingungen keine Reder konische Rohrteil 26 in den zylindrischen 29 gulierungen vornehmen zu müssen, ist der freie übergeht. 25 Querschnitt des oder der Durchlässe 55 so groß zu

Die bei 38 kontinuierlich eingespiesene Flüssigkeit halten, daß jegliche Flüssigkeitsmenge, die im bekann sich frei in den zylindrischen Rohrteil 29 er- treffenden Apparat praktisch überhaupt anfallen gießen, gelangt dann infolge des Gefälles in den kann, auch dann ungehindert abfließen kann, wenn Bereich der Rotorflügel 28, durch welche sie zu die Flüssigkeit noch eine erhebliche Zentrifugaleinem Flüssigkeitsfilm ausgebreitet wird, der das 30 komponente aufweist. Es ist daher auch zweckmäßig, Dreieck ausfüllt, das durch die Konizität des Rohres eine einzige Ringöffnung oder doch zum mindesten 26 und des Ringes 32 gebildet wird. Nach Maßgabe mehrere entsprechend gebogene, lange und ausdes Zutrittes weiterer Flüssigkeit aus der Leitung 38 reichend breite, im Kreis aufeinanderfolgende Öfffließt die Flüssigkeit dann frei und ungehindert über nungen vorzusehen, so daß von der oder den Öffdie Schwelle des Ringes 32 in den durch den zylin- 35 nungen 55 her kein Rückstau erfolgen kann,
drischen Rohrteil 33 gebildeten Sammelraum, aus Im Idealfall wird die gestaute Flüssigkeit auf

dem sie über die Leitung 36 entnommen wird. Im ihrem ganzen Umfang den Ausschnitt eines gleich-Bereich der Rohrteile 29 und 26 unterliegt die mäßigen Paraboloids darstellen. In der Ecke, wo Flüssigkeit der Wärmebeeinflussung durch nicht wei- der Ring 48 und das zylindrische Rohr 40 zusamter dargestellte Heiz- und/oder Kühlmittel, die auf 40 mentreffen, bilden sich in der Flüssigkeit Sekundärdie betreffenden Rohrwandungen einwirken. ströme aus, die das ständige Vermischen der

In Fig. 5 ist der untere Teil eines Dünnschicht- Flüssigkeitsteile fördert. Diesem Idealfall kommt Verdampfers mit vertikaler Achse dargestellt. Das man dann nahe, wenn Flüssigkeiten geringer Viszylindrische Rohr 40 endet in einem Flansch 41 und kosität und eine hohe Umfangsgeschwindigkeit verist von einem nicht dargestellten Heiz- oder Kühl- 45 wendet werden. Bei größeren Viskositäten bildet sich mantel umgeben. Den unteren Abschluß bildet ein vor den Rotorflügeln eine mehr oder weniger aussteiler Konus 42, der einen Flansch 43 und eine Ab- geprägte Bugwelle aus, der hinter dem Rotorflügel flußleitung 44 aufweist. Durch die Flansche 41, 43 eine Einbuchtung in der Flüssigkeitsschicht entwerden die Ringe 48 und 45 in Stellung gehalten, spricht. Um die Bugwelle zu unterbrechen, werden wobei der letztere über die Arme 46 das untere 50 an den Kanten eines oder mehrerer Rotorflügel vor-Lager 47 für die Rotorwelle 49 trägt. Die Rotorwelle teilhafterweise Ausnehmungen 54 angebracht; die 49 weist Tragarme 50 auf, in denen um die Stifte 51 Ausnehmungen aufeinanderfolgender Flügel sind schwenkbare Rotorflügel 52, die unter der Bezeich- dabei zweckmäßigerweise in Achsrichtung gegennung Wischer in die Fachsprache eingegangen sind, einander versetzt. Um das freie Abfließen der sich gelagert sind. Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft 55 in der Bugwelle sammelnden Flüssigkeit zu erschwedes drehenden Rotors haben diese Wischer das Be- ren und eine bessere Vermischung mit der übrigen streben, sich radial einzustellen, wobei sie je nach Flüssigkeit zu erzwingen, können die Rotorflügel an ihrer Breite in einem stumpfen Winkel auf der Rohr- der dem Ring 48 folgenden Kante in Drehrichtung wand 40 schleifen oder dieser mit der äußeren Kante nach vorn umgebogen sein.

in einem sehr geringen Abstand folgen. Ähnlich wie 60 Die F i g. 6, 7 und 8 zeigen Vorkehrungen, um beim Beispiel nach F i g. 1 bildet sich auch hier unter trotz verschiedenartiger Wärmedehnungen von Bedem Einfluß des Rotors ein Flüssigkeitsfilm aus, der halter und Rotor im praktischen Betrieb ein auslängs der Innenwand des Rohres 40 herunterläuft reichendes Eintauchen der Rotorflügel in den ge- und dabei durch nicht weiter dargestellte Mittel einer stauten bzw. zu stauenden Flüssigkeitsfilm zu erWärmebehandlung unterliegt. Wenn dieser Flüssig- 65 reichen, ohne daß der Rotor andererseits durch Reikeitsfilm oder was von ihm übriggeblieben ist in den bung auf dem Absatz blockiert werden kann. Beim Bereich des Ringes 48 gelangt, wird er brüsk nach Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 liegt die Schwelle innen umgelenkt. Unter dem Einfluß der Zentrifugal- 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 einem Winkel A von wesentlich über 90° schneidet, vorzugsweise zwischen 120 und 135°. Die Stirnseite der Rotorflügel 60 ist etwa parallel zur Schulterlinie des Ringes 56 abgesetzt. Hierbei wird die Spitze der Rotorflügel auch dann noch in die sich in der Rinne sammelnde Flüssigkeit eintauchen und sie in Drehung versetzen, wenn der Behälter sich um eine Strecke α 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 F i g. 7 tragen die unteren Flügelenden 62 in Nuten 63 vertikal verschiebbare Plättchen 64 aus Kohle, Teflon oder dergleichen Material, die unter der Einwirkung ihres Eigengewichtes leicht auf der Schulter 65 des Absatzes aufliegen und damit die ungünstige Wirkung unterschiedlicher Wärmedehnungen aufheben.

Bei F i g. 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° einschließt. Durch diese Abschrägung wird bezweckt, daß unter Beibehaltung einer praktisch genügenden Stauwirkung nach der Unterbrechung der Flüssigkeitseinspeisung auch der letzte Rest der dem Wärmeaustauscher vorher zugeleiteten Flüssigkeit aufgearbeitet werden kann und hierauf selbsttätig ausfließt. Die Rotorflügel 68 tragen in Nuten 69 gegen die abgeschrägte Schulterlinie 66 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 bereits 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.

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

ίο 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 hierfür isf selbstverständlich, daß die Flügel derart intensiv mit der Schulter zusammenwirken, daß mit Ausnahme einer Grenzschicht von

ao sehr geringer Dicke sämtliche Flüssigkeit erfaßt bzw. in Umlauf gehalten werden kann.

Mit einer Vorrichtung der in F i g. 6 dargestellten Art wurden in einem Verdampfer Versuche durchgeführt, und zwar in bezug auf das Eindampfverhält-

a5 nis, 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 andererseits Monoäthylenglykol.

Vergleichsversuche mit und ohne Stauring
Versuch I

Produkt Wasser

Eindampfdruck 100 Torr

Heizdampfdruck 7,6 bis 7,8 atü

Heizdampftemperatur 170 bis 172° C

Brüdentemperatur 54° C

Temperaturdifferenz 116 bis 118° C

Rührerdrehzahl 1950 T/min

Stauring

Mit..
Ohne
Mit..
Ohne

Mit..
Ohne
Mit..
Ohne

72,5

72,5

61,9

63,2

50,24

51,0

41,2

39,8

33
36
29
35
29
36
30
29

Konzentrat
kg/h

18,4
22,9

9,0
15,2

0,14

3,0

Destillat
kg/h

54,1
48,6
52,9
48,0
50,1
48,0
41,2
39,8

Eindampf verhältnis

3,94 3,13 6,88 4,16 359
17,0 oo

OO 809 570/460

Versuch II

Produkt Monoäthylglykol

Eindampfdruck 5,5 Torr

Heizdampfdruck 3,6 bis 3,8 atü

Heizdampftemperatur 146 bis 148° C

Brüdentemperatur 76 bis 77° C

Temperaturdifferenz 71 ± 1° C

Rührerdrehzahl 1950 T/min

IO

Stauring

Mit..
Ohne
Mit..
Ohne
Mit..
Ohne
Mit..
Ohne
Mit..
Ohne
Mit..
Ohne

Speisung	0C	Kon zentrat	Destil lat
kg/h	20	kg/h	kg/h
42,0	18	12,4	29,6
41,1	21	15,0	26,1
33,9	17,6	4,5	29,4
34,0	21	8,2	25,8
27,8	17	0	27,8
26,9	27	1,5	25,4
19,1	19	0	19,1
20,75	21	0,15	20,6
13,0	17	0	13,0
12,5	21	0,1	12,4
5,5	18	0	5,5
4,8	0	4,8

Eindampf verhältnis

3,39

2,74

7,53 4,14

17,95

oo 138,5

oo 125,0

OO

oo

Wie sich aus den vorstehend beschriebenen Versuchen ergibt, wurden bei Verwendung eines Stauringes im Vergleich zur Verdampfung ohne Stauring im Bereich der relativ großen Speisemengen durchwegs höhere Eindampfverhältnisse erreicht. Es ist dabei bedeutungsvoll, daß sich die Verbesserung des Eindampfverhältnisses nicht nur. mit relativ dickflüssigen Produkten erreichen laßt, wenn der Verdampfungsvorgang unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird, sondern auch bei äußerst dünnflüssigen Materialien.

Die Verbesserung der Eindampfverhältnisse unter genau, gleichen. Bedingungen im Fall der Verwendung 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 vorhandenen wesentlichen und vorteilhaften Auswirkungen der Verwendung dieser Vorrichtung dar.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verlängerung der Verweilzeit von Flüssigkeit in Dünnschichtverdampfern bzw. Durchlauf-Wärmeaustauschern mit einer rotationssymrnetrischen, 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 Flüssigkeitsableitung versehen sind, wobei die Mündung der Flüssigkeitsableitung in die Behandlungskammer tiefer liegt als diejenige der Flüssigkeitszuleitung, dadurch gekennzeichnet, daß zum dynamischen Anstauen der zu behandelnden Flüssigkeit zwischen den Mündungen der Flüssigkeitszuleitung und Flüssigkeitsableitung in der Behandlungskammer an die Innenwand anschließende Einschnürungselemente (17, 24, 25, 32, 48, 57, 65, 67) angeordnet sind, in deren Bereich die Rotorflügel abgesetzt sind. ·

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungselemente (17, 24, 25, 32, 48, 57, 65, 67) als ringförmige ununterbrochene.Schultern ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende der Schulter (17, 24, 25, 48, 65) annähernd parallel zu den abgesetzten Kantenteilen der Rotorflügel verläuft:

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Erstrekkung der Schulter größer als die Breite, des Abstandes zwischen Schulter und abgesetzter! Kantenteilen der Flügel ist und höchstens das^; 12fache der Breite des Spaltes zwischen Innenwand und Flügel ausmacht, wobei diese Spaltbreite höchstens 3 mm beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende der Schulter (32, 57, 67) bezüglich der Rotorachse geneigt ist und die Schulter (32) mit der Innenwand eine¹ Hohlkehle bildet, in welche die abgesetzten Kantenteile der Flügel (28) hineinragen. · ■ "

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschnürungselement (17) durch den Flansch (16) eines sich konisch verjüngenden Sammelteiles für die Flüssigkeit gebildet ist, an den in an sich bekannter Art die' Flüssigkeitsableitung angeschlossen ist. \

7. Vorrichtung nach.Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter (32, 48, 57, 67) durch einen Einsatzring gebildet ist, der in einer. Ausnehmung der Verbindungsflansche von aut·; einandergesetzten Wandabschnitten auswechseln bar befestigt ist. . . ^:

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge-' kennzeichnet, daß dieJSchulter (67) durch einen; Tragring eines Rptorlagers gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter (24, 25) durch', den Flansch eines in Strömungsrichtung nachfolgenden Wandabschnittes mit kleinerem Innen-' durchmesser gebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 S70/460 7.68 © Bundesdruckerei Berlin