DE1444326A1

DE1444326A1 - Duennschichtapparat zum Verdampfen,Trennen oder Destillieren von Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1444326A1
Application number: DE19631444326
Authority: DE
Inventors: Walter Buechi; Janosfia Dr Paul
Original assignee: JANOSFIA DR PAUL
Current assignee: JANOSFIA DR PAUL
Priority date: 1962-10-14
Filing date: 1963-10-12
Publication date: 1968-12-12
Also published as: CH428666A; GB1060858A

Description

Kreisier Drying. SchSnwafd e^h. Meyer Dr. Fues A A A A O O ο

. JuHt968

Walter Büchl Flawil (Schweiz)

Dr. Paul Janosfia St. Gallen (Schweiz)

Mnnecliichtapparat zum Verdampfen, Trennen oder Destillieren von

Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft einen Dünnachichtapparat zum Verdampfen, !rennen oder Destillieren von Flüssigkeiten mit einer beheizten, zu einer vertikalen Achse rotationssymmetrischen Trägerfläche, auf welcher die Flüssigkeit in dünner Schicht nach unten zu fHessen hat.

Apparate der genannten Art sind bekannt und weisen mindestens ein Streichorgan zum Ausbreiten der flüssigkeitsscMcht auf der Trägerfläche auf, zu welchem Zwecke das Streichorgan in bezug auf die Trägerfläche um die erwähnte Achse drehbar ist.

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Bei den bisher am meisten verwendeten Dünnschiehtapparaten ist das Streichorgan ein zur Rotationsachse etwa paralleler Flügel. Es ist aber auch schon eine Ausführung bekannt ge- .-worden^ bei welcher das Streichorgan die Gestalt eines schraubenlinienförmig verlaufenden Winkelprofilstückee oder Bandes aufweist, das starr ausgebildet und auf seiner ganzen Länge mit einem Tragzylinder oder Käfig verbunden ist. (,Deutsche' Patentschrift 967.461).

Es wurde bereits erkannt, dass der Vorgang des Verdampfens, Trennens oder Destillierens umso rascher bzw» selektiver vor sich geht, je dünner die Flüssigkeitsschicht ist und jje- stärker die Turbulenz der Flüssigkeitsmoleküle innerhalb der Schicht ist. Mit Hilfe des erwähnten Streichorgans lässt sich nicht nur die Schichtdicke einstellen, sondern zugleich auch eine gewisse turbulenz innerhalb der Flüssigkeitsschicht erreichen. Die zweitgenannte Funktion des Streichorgans war bisher aber vernal tnismässig mangelhaft. Im wesentlichen verursachte das Streichorgan an seiner voranlaufenden Kante lediglich eine Bugwelle auf der Flüssigkeitsschicht und in der Bugwelle eine Rotations turbulenz c Auf der Rückseite des Streichorgans war die Flüssigkeit weitgehend in Ruhe, abgesehen von der gravitationBbeaingten Strömung nach unten. ITm die Turbulenz' erhöhen zu können, mussten mehrere Streichorgane in verhältnismässig geringen Abständen hintereinander angeordnet und mit höherer Geschwindigkeit in Drehung um die Rotationsachse versetzt werden. Der hierbei von der FlüssigkeitsBChieht hervorgerufene

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■Widerstand führte zu verhältnismäßig hohen mechanischen Beanspruchungen der Streichorgane, so dass diese kräftig dimensioniert werden mussten, was wegen der erhöhten Masse und der höheren Drehgeschwindigkeit eine sorgfältige dynamische Auswuchtung erforderlich machte, um die gewünschte -laufruhe des Apparates zu gewährleisten. Ferner war für den Antrieb der Streichorgane eine beträchtliche leistung nötig.

Man hat auch versucht, die erwähnten Nachteile durch die Verwendung elastisch nachgiebiger Streichorgane zu beseitigen, die federnd gegen die Trägerfläche der zu verdampfenden

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Flüssigkeit drücken (deutsche Patentschrift 947 461 und 1 037 413). Mach einem andern Vorschlag sind die der Trägerfläche der zu verdampfenden Flüssigkeit entlang laufenden Streich- oder Verteilorgane als gespannte Bänder ausgebildet, die in sich schwingungsfähig und in Schwingungen versetzbar sind, um in radialer Eiehtung gegen die Trägerfläche zu klopfen, damit die zu verdampfende Flüssigkeit besser verteilt und weiter gefördert wird, (deutsche Patentschrift 1 136 982).

Alle diese bekannten bzw. vorgeschlagenen lösungen sind nicht ausreichend, um den Vorgang des Verdampf ens, Brennens oder Destillierens wesentlich wirkungsvoller bzw. selektiver zu machen, da die Flüssigkeitsschicht zwischen den. aufeinanderfolgenden Streich-!- oder Verteilorganen weiterhin ohne nennenswerte Turbulenz ei^nfach nach unten fliesst.

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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und die Schaffung eines Dünnschichtapparates zu ermöglichen, der bei einfacher Ausbildung und verhältnismässig geringem Leistungsaufwand- einen höheren Wirkungsgrad infolge gesteigerter Turbulenz der Moleküle innerhalb der gesamten Flüssigkeitsschicht zeigt.

Diese Aufgabe lässt sich bei einem Dünnschichtapparat der eingangs genannten Art und mit mindestens einem schraubenlinienförmig verlaufenden, in bezug auf die Trägerfläche um deren Rotatiönssymmetrieachse drehbaren Streichorgan erfindüngsgemäss dadurch lösen, dass das schraubenlinienförmig ver- * . laufende Streichorgan zumindest partiell in-achsialer Richtung in bezug auf die Trägerfläche beweglich ist und während der Rotationsbewegung in achsiale Schwingungen versetzt wird, die in der Flüssigkeitssehicht Interferenzwellen erzeugen.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch diese erfindungsgemässe Ausbildung des Dünnschichtapparates wegen der entstehenden Interferenzwellen in der ganzen Flüssigkeitsschicht eine Turbulenz der Moleküle auftritt, was eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades der Verdampfung und eine viel schärfere Trennung der in der Flüssigkeit enthaltenen verschiedenen Stoffe zur Folge hat. Praktisch durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass sogar eine Dreistofftrennung in einem einzigen Durchlauf mit guter Wirkung möglich ist.

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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans ' . in axialer Richtung federnd ausgebildet sein, so dass sie durch den wechselnden Widerstand der Flüssigkeitsschicht selbst zu den axialen Schwingungen anregbar sind. Die gewünschten Schwingungen brauchen dann nicht von aussen mit Hilfe eines Vibrators angefacht zu werden, sondern ergeben sich beim Betrieb des Apparates von selbst. Hierfür ist es zweckmässig, die Ausbildung so zu treffen, dass das Streichorgan nur an seinem einen Ende achsial festgehalten ist.

Zweckmässig können die Abstände der Windungen voneinander und/oder der Durchmesser der Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans durch Verschieben bzw. Verdrehen seines einen Endes gegenüber dem andern veränderbar sein, um die Eigenschwingung der Windungen und deren Abstand von der beheizten Trägerfläche an die Stoffeigenschaften der Flüssigkeitsschicht anpassen zu können.

Weitere Merkmale und Einzelheiten von vorteilhaften Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Ansprüchen und der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird.

Fig. 1 zeigt einen achsialen Vertikalschnitt durch einen Dünnschichtapparat gemäss der Erfindüngf

Fig. 2 veranschaulicht eine Einzelheit von Fig. 1 in grösserem Masstab und mit eingezeichneter. Flüssigkeitsschicht *_v mit Interferenzwellen.

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Der dargestellte Dünnschichtapparat weist eine vertikale Antriebswelle 1 auf, die mit einer veränderbaren Drehzahl von etwa 500 bis 700 TJ/Min. durch einen nicht dargestellten Motor antreibbar ist. Die Welle 1 ist in einem Lager 2 drehbar gelagert, aber gegen achsiale Verschiebung gesichert.· Αία unteren Ende der Welle ist eine Glocke 3 ausgebildet, an welcher das obere Ende eines Trägerrohres 5 befestigt ist. Letzteres weist an seinem ganzen Umfang verteilt eine Vielzahl von Durchbrechungen 6 auf und ist von einem schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgan 4 umgeben, das durch ein Band mit rechteckiger Querschnittsform gebildet ist. Das obere Ende des Streichorgans 4 ist am Trägerrohr 5 befestigt, wogegen das ganze übrige Streichorgan 4 frei hängt. Die Windungen des schraubenlinienförmigen Streichorgans 4 sind daher in achsialer Sichtung, d.h. in Richtung der Achse der Welle 1 und des Trägerrohres 5 federnd verschiebbar, wobei das Trägerrohr 5 eine gewisse !Führung gewährleistet. Die Neigung der Schraubenwindungen des Streichorgans 4 gegenüber der Vertikalen beträgt mindestens 70°.

Innerhalb des Trägerrohres 5 sind mehrere vertikal verlaufende Kühlrohre 7 und 8. vorhanden, die oben in einer Haube 9 und unten in einer Platte 10 befestigt sind. Ein in der Haube 9 befestigter Lagerzapfen 11 ist in einer koaxialen Bohrung der Antriebswelle 1 geführt. Die Platte 10 weist eine schiefe Oberseite auf und ist an einem Gehäuseteil 12 befestigt. Die Kühlrohre 7 und 8, die Haube 9 und die Platte 10 sind somit

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nicht drehbar. An den Gehäuseteil 12 schliessen drei Rohrstutzen 13, 14 und 15 in verschiedenen Höhenlagen an. Ferner ist int Gehäuseteil 12 ein Kasten 16 dicht eingesetzt, in welchen dae Kühlrohr 8 und der eine Stutzen 15 einmünden. Der Gehäuseteil 12 ist mit Abstand von einem äusseren Gehäuseteil 17 umgeben, der trichterförmig in ein Abflussrohr 18 übergeht.

Das schraubenlinienförmig verlaufende Streichorgan 4 ist innerhalb eines vertikalen Heizrohres 19 angeordnet, dessen zylindrische Innenfläche als Trägerfläche für die zu verdampfende Flüssigkeit vorgesehen ist. Das Heizrohr 19 ist von einem Mantel 20 zur Aufnahme eines Heizmediums, z.B. Wasserdampf umgeben. Das Heizmedium wird durch einen Rohrstutzen 21 in den Raum 25 zwischen dem Heizrohr 19 und dem Mantel 20 eingeleitet und durch einen zweiten Rohrstutzen 22 weggeführt. Zweckmässig ist das Heizrohr 19 ein flanschloses Präzisionsrohr, das in nicht dargestellten Dichtungsringen an den beiden Enden dee kürzer ausgebildeten Heizmantels 20 sitzt und daher verhältnismässig leicht ausgewechselt werden kann. Das untere Ende des Heizrohres 19 steckt ferner im Gehäuseteil 17. Das obere Ende dee öohres 19 hingegen sitzt in einem oberen Gehäuseteil 54» der mit zwei Rohrstutzen 23 und 24 versehen ist. In den Gehäuseteil 34 ist ein Ring 26 eingesetzt, der die beiden Stutzen 23 und 24 voneinander trennt bis auf einen Ringspalt 27. Zwi-Bchen dem Ring 26 und dem Gehäuseteil 34 befindet sich ein Nassraum 28, in den die zu verdampfende Flüssigkeit durch den Stutzen 23 eingelassen wird. Zwischen der Antriebswelle 1 und

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dem Ring 26 sowie dem Gehäuse 34 liegt ein Dampfraum 29, von dem der Stutzen 24 nach aussen führt.

Die Gebrauchs- und Wirkungsweise des beschriebenen Dünnschichtapparates ist wie folgt;

Die zu verdampfende Flüssigkeit strömt durch den Rohrstutzen 23 in den Hassraum 28 und läuft von dort durch den Ringspalt hindurch auf die innere Mantelfläche des Heizrohres 19» wo die Flüssigkeit eine dünne Schicht 30 bildet (Fig. 2). Die innere Mantelfläche des Heisrohres 19 bildet somit eine Trägerfläche für die Flüssigkeitsschicht 30. Die Dicke der Schicht 30 ist im wesentlichen durch den Abstand des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans 4 von der Innenfläche des Heizrohres 19 bestimmt und beträgt in der Regel weniger als 1/10 mm. Durch den erwähnten, nicht dargestellten Antriebsmotor wird die Welle 1 samt dem Trägerrohr § und dem schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgan 4 mit etwa 500 bis 700 U/Min, gedreht, wobei die Schraubenwindungen des Streichorgane 4 über die Innenfläche des Heizrohres 19 streichen und dabei die Flüssigkeitsschicht 30 über die ganze Innenfläche des Rohres 19 weitgehend gleichmäesig ausbreiten. Die Streichrichtung des Streichorgans 4 steht rechtwinklig zu seinen Schraubenwindungen und parallel zur Innenfläche des ^fiohres 19. Gleichzeitig wandert die Flüssigkeitsschicht unter dem Einfluss der Schwerkraft vertikal nach unten.·

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Die Hüesigkeitsschicht 30 setzt der Drehbewegung des Streichorgane 4 einen gewissen Widerstand entgegen, der nicht «konstant ist. dadurch geraten die Windungen des Streichorgans· 4 in achaiale Schwingungen, die ihrerseits auf die Flüssigkeits-Bchicht einwirken und in derselben unterschiedliche Drücke hervorrufen, die wiederum auf die Windungen des Streichorgans 4 einwirken. Durch diese Wechselwirkungen zwischen den Streichorganwindungen und der Flüssigkeitsschicht 30 werden die Windungen des Streichorgans 4 zu Resonanzschwingungen angeregt

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un<P entstehen auf der ganzen freien Fläche der Flüssigkeitsschicht Interferenzwellen 31, die nicht nur in der unmittelbaren Nähe der Streichorganwindungen, sondern ebenso auch im freien Baum zwischen den aufeinander folgenden Windungen des Streichorgane 4 auftreten. Die Interferenzwellen 31 können im Versuch stroboskopisch nachgewiesen werden. Sie haben eine bisher ungekannt intensive Turbulenzbewegung der Flüssigkeitsmoleküle in der ganzen Flüssigkeitsschicht zur Folge, so dass die Moleküle innerhalb der Schicht ständig ihren Platz wechseln. Weil das Heizrohr 19 durch das den Eaum 25 durchströmende Heizmedium beheizt ist, erfährt auch die Flüssigkeitsschicht 30 eine entsprechende Erwärmung, die zur Verdampfung der Flüssigkeit fuhrt* Die erwähnte Turbulenz innerhalb der Flüssigkeitsschicht gewährleistet einen gesteigerten Wärmeübergang vom Heizrohr 19 zur Flüssigkeit und begünstigt das Austreten der Flüssigkeitsmoleküle aus der freien Oberfläche der Schicht 30. Ils Ergebnis ist eine ungewöhnlich rasche Abdampfung der flüchtigen Stoffe flüssigkeit feststellbar.

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Die leichtflüchtigen Bestandteile der Flüssigkeit steigen in der Form von Dampf als Dästallat in den Dampfraum 29 und werden von dort durch den Rohrstutzen 24 zu einem nicht dargestellten Kühlkreislauf geleitet. Die mittelschweren Stoffe gelangen durch die Durchbrechungen 6 des Trägerrohres" 5 hindurch zu den Kühlrohren 7 und 8, werden dort kondensiert und. dann durch den Rohrstutzen 14 weggeführt. Das beim Verdampfüngsvorgang übrig bleibende Konzentrat wird von dem schraubenlinienförmig verlaufenden und rotierenden Streichorgan 4 in den unteren Gehäuseteil 17 ge^fordert und dann durch das Rohr 18 abgeführt. Auf die beschriebene Weise lässt sich eine Dreistofftrennung durchführen.

Völlig analog kann man natürlich auch eine Zweikomponenten-Flüssigkeit trennen oder eine aus einheitlichem Stoff bestehende Flüssigkeit verdampfen.

Die Amplitude und die Anzahl der zwischen den aufeinander folgenden Windungen des Streichorgans 4 entstehenden Interferenzwellen variieren Je nach dem Stoff und der Konzentration der Flüssigkeitsschicht 30, wobei die Viskosität ausschlaggebend ist, sowie in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Streichorgans 4 und dem Verhältnis des Windungsdurchmessers zur Windungszahl, d.h. von der Neigung der Schraubenwindungen. Für eine optimale Wirkung müssen auch die Federeijarg «schäften des Streichorgans 4 an den Stoff der Flüssigkeitsschicht angepasst sein. Wenn die Streichorganwindungen nur einen geringen Vorschubdruck auszuüben vermögen, wird die Amplitude ihrer

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Eigenschwingungen grosser. Sind Stoffe mit verhältnismässig hoher Viskosität oder solche, die zur Erstarrung neigen, zu behandeln, so muss ein Streichorgan 4 mit höherem Vorschubdruck verwendet werden.

Um eine bequeme Anpassung des Apparates an unterschiedliche BehandlungBstoffe vornehmen zu können, ist es zweckmässig, das untere Ende des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgane 4 an einem Stellring zu befestigen, der gegenüber dem Trägerrohr 5 wahlweise in achsialer Richtung verschoben und/ oder gedreht und in der neuen Lage festgestellt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Abstände zwischen den Windungen und die Spannung des Streichorgans 4 bzw. der Durchmesser der Schraubenwindungen verändern. Eine Durchmesseränderung beebfluset die Dicke der Flüssigkeiteschicht 30.

Das Trägerrohr 5 verhütet Radialschwingungen des Streichorgana 4 und bewirkt gleichzeitig einen Wärmestrahlungsschutz zwischen dem Heizrohr 19 und der Flüssigkeitsschicht 30 einerseits und dem die Kühlrohre 7 und 8 enthaltenden Innenraum des Apparates andererseits. Unter Umständen kann das Trägerrohr 5 aber weggelassen werden, wenn das Streichorgan 4 durch seine Querschnittsform gegen radiale Schwingungen gesichert ist und der Apparat zur Behandlung nur einer bestimmten Flüssigkeit vorgesehen ist.

Obwohl die beschriebene Ausführungsform, bei welchem das schraubenlinienförmig verlaufende Streichorgan 4 in aeh-sialer Richtung federnde Windungen aufweist, wegen der im Betrieb auf-

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tretenden Selbsterregung der Schwingungen "besonders einfach ist, kann in gewissen Fällen auch eine andere Ausbildung mit einem an sich starren, aber als Ganzes achsial beweglichen, schrauben-; linienförmig verlaufenden Streichorgan in Frage kommen, das dann mit Hilfe eines Vibrators von aussen her zwangsweise in achsiale Schwingungen versetzt wird. Dabei muss die Schwingungsfrequenz auf den zu behandelnden Stoff abgestimmt werden, bis die gewünschten Interferenzwellen in der Flüssigkeitsschicht entstehen.

Da in beiden Ausführungsarten die Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans 4 gegenüber der Rotationsachse einen viel grösseren Neigungswinkel aufweisen als gegenüber der Umfangsrichtung der die Flüssigkeitsschicht tragenden Fläche, ist das Streichorgan bei seiner Drehung nur einem verhältnismässig geringen Widerstand unterworfen, verglichen mit radial angeordneten Streichflügeln. Daher wird für den Antrieb des Streichorgans und für die Anfachung der Turbulenz nur verhältnismässig wenig Leistung benötigt. Die Entstehung der Interferenzwellen in der Fltiseigkeitsschicht beruht weitgehend auf einer Resonanzerscheinung, bei welcher bekanntlich nur wenig Wirkleistung verzehrt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Dünnschichtapparat zum Verdampfen, Trennen oder Destillieren von Flüssigkeiten, mit einer beheizten, zu einer vertikalen Achse roiäbionssymmetrischen Trägerfläche, auf welcher die flüssigkeit in dünner Schicht nach unten zu fHessen hat, und mit mindestens einem schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgan zum Ausbreiten der Flüssigkeitsschicht auf der Trägerfläche, wobei das Streichorgan in bezug auf die Trägerfläche um die genannte Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das schraubenlinienförmig verlaufende Streichorgan (4) zumindest partiell in achsialer Richtung in bezug auf die Trägerflache (19) beweglich ist und während der Rotationsbewegung in acheiale Schwingungen versetzt wird, die in der Flüssigkeitaechicht (30) Interferenzwellen (31) erzeugen.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgane (4) in achöialer Richtung federnd ausgebildet und durch die FlüssigkeitSBchicht (30) selbst zu den achsialen Schwingungen anregbar sind.

3· Apparat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schraubenlinienförmig verlaufende Streichorgan (4) nur an seinem einen Ende achsial festgehalten ist.

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Hern Untertanen

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4. Apparat nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans (4) durch Verschieben seines einen Endes gegenüber dem andern veränderbar sind.

5. Apparat nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans (4) durch Verdrehen seines einen Endes gegenüber dem andern veränderbar ist.

6. Apparat nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schraubenlinienförmig verlaufende Streichorgan (4) mittels eines mit Durchbrechungen (6) versehenen
Trägerrohres"(5) geführt ist, welches zusammen mit dem Streichorgan (4) drehbar ist.

7. Apparat nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des schraubenlinienförmig verlaufenden Streichorgans mit einem elastisch deformierbaren
Mantel umgeben sind, und dass sich zwischen dem Mantel und der Windung ein Hohlraum befindet.-

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