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Wärmeaustauschapparat zur Durchführung von physikalisch-chemischen
Prozessen, insbesondere Dünnschichtverdampfer Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauschapparat
zur Durchführung von physikalisch-chemischen Prozessen, insbessondere einen Dünnschichtverdampfer.
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Der Apparat kann mit besonderem Vorteil in der chemischen, der pharmazeutischen
sowie in der Nahrungsmittelindustrie zur Anwendung kommen.
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Es ist an sich ein Dünnschichtverdampfer bekannt (deutsche Patentschrift
1 029 642, K1. 12a, Gruppe 2, ausgegeben 30.4.1958), der ein senkrecht stehendes
Gehäuse enthält, an dessen 'Nandung die Flüssigkeit mittels eines sich im Gehäuseinneren
um eine vertikale Achse drehenden Rotors verteilt wird. Der Rotor weist einen in
Form eines Zentrifugalringes ausgeführten Flüssigkeitsverteiler auf. Der Zentrifugalring
ist in gleicher Höhe mit einer Bohrung im Gehäuse angeordnet, durch welche ein Ausgangsprodukt
dem Verdampfer
zugeführt wird. Die Verteilung der Flüssigkeit an
der Wandung erfolgt mit Hilfe starr an der Rotorwelle befew stigter. Radialschaufeln,
die bis auf 1 bis 2 mm an die Gehäusewandung heranreichen.
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Die wesentlichen Nachteile des bekannten Verdampfers sind: beschränkte
Wärmeaust.auschfläche sowie schwierige Herstellung und schwieriger Zusammenbau,
weil ein kleiner Spalt zwischen Gehäuse und Rotor gefordert ist und dazu noch diese
Teile zueinander koaxial angeordnet sein müssen, ferner schwer durchzuführender
Betrieb, denn durch eine unwesentliche Störung im technologischen Prozeßablauf,
z.B. wenn eine Änderung der Dampfdaten in einem der Mantelräume erfolöt, wird eine
.temperatur.,bedingte Verformung des Rotors hervorgerufen, wodurch unter anderem
eine Beeinträchtigung der Rotorauswuchtung erfolgt usw. Größte Wirksamkeit des Verdampfers
wird durch erhöhte Belastung mit Flüssigkeit erreicht' d.h. wenn 25 bis 50 öder
Ausgangsrohstoffe aus dem Apparat abgeführt werden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten
Nachteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ifärmeaus.-tauschapparat
zur Durchführung von physikalisch-chemischen Prozessen, insbesondere einen Dünnschichtverdampfer
zu entwickeln, der es ermöglicht, die Wärme bzw. Stoffübergangszahlen
des
Apparates zu erhöhen, bei dem die Intensität des Wärmeüberganges weniger davon abhängt,
daß die Belas. stung mit Flüssigkeit minimal ist, der vom verfahrenstechnischen
Standpunkt gesehen einfach und billig in der Herstellung ist und die Möglichkeit
bietet, einen Verdampfer mit einer größeren Wärmeaustauschfläche im Vergleich zu
den bekannten Verdampfern der gleichen Art zu erhalten.
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Die Aufgabe wird durch einen Wärmeaustauschapparat zur Durchführung
von physikalisch-chemiscuen Prozessen, insbe-
| sondere durch einen Dünnschichtverdampfer gelöst, der erfin#- |
| .der Rotor |
| dungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß%wenigstens ein |
verteilendes Organ enthält,das eine Hohltrommel darstellt, deren ,ifandung in Längsrichtung
gewellt und mit Mitteln zum Herausschleudern der Flüssigkeit aus der Trommel geien
die Innenfläche des Gehäuses versehen ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß als Mittel@zum
Herausschleudern der Flässigkeit Bohrungen vorgesehen sind, die an den Bergen der
Wellen der Trommel angeordnet sind.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß als Mittel zum Herausschleudern
der Flüssigkeit Schlitze vorgesehen sind, die an den Bergen der Wellen der Trommel
angeordnet sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn als Mittel zum Herausschleu#-dern
der
Flüssigkeit in der Wand der Trommel ein schraubenlinienförmiger Spaltvorgesehen
ist.
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Zweckmäßigerweise ist ein 'färmeaustauschapparat dadurch gekennzeichnete
daß der eine Einrichuvng enthält, die zur gleichmäßigen Zuführung der Flüssigkeit
in die Trommel dient und aus einem über der oberen Trommel angeordneten, starr im
Gehäuse befestigten Zylinder mit verzahnter unterer Kante besteht sowie den Speiser
aufweist, der in Form eines am Rotor festsitzenden Bechers ausgeführt ist, dessen
Boden sich im Zylinder befindet und dessen zylindrische Fläche mit einem Separator
vereint ist und daß der Speiser radial gerichtete Rohre in seinem unteren Teil aufweist.
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Es ist auch noch zweckmäßig, daß zwischen den Hohltrommeln des Rotors,
die übereinander lieäen, zur Zuführung der Flüssiökeit in die Trommeln ein Ringsammler
eingebaut ist, der im Gehäuse des Verdampfers befestigt, durch radiale Zwischenwände
aufgeteilt und mit Rinnen mit einer Neigung zur senkrechten Achse hin versehen ist.
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Zur Vereinfachung des Zusammenbaues des Wärmeaustausch#-apparates
ist es vorteilhaft, daß die Rinnen abnehmbar aus.-geführ-t sind.
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Nachfolend wird die Erfindung anhand der Beschreibung besonderer Auslührungsbeispiele
und der beigelegten Zeichnungen näher erläutert.
| Es zeigt |
| Fig. 1 eine Gesamtansicht des Dünnschichtverdampfers im |
| Längsschnitt; |
| Fig. 2 eine Kammer des Dünnschichtverdampfers im Längs- |
| schnitt; |
| Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 2; |
| Fig. 4 den Teil "A" der Fig. 1 im Längsschnitt; |
| Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie II-II der Figo 4; |
| Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2; |
| Fig. 7 eine Ausführungsvariante der Hohltrommel im Längs- |
| schnitt; |
| Fit;. 8 eine weitere Ausführungsvariante der Hohltrommel |
| im Länösschnitt. |
| Der in Fig. 1 dargestellte Dünnsichtverdampfer enthält ein |
| außenbeheiztes senkrecht stehendes Gehäuse 1, in dessen In- |
| nerem die mit der senkrechten Achse des Gehäuses 1 zusam- |
| menfallende Rotorwelle 2 drehbar angeordnet ist, welche von |
| einem in der Fig. 1 nicht aneaeuteten Elektromotor in Be- |
| wegung gesetzt wird. |
| Das Gehäuse 1 des Apparates besteht aus einem oberen erwei- |
| terten Teil 3, einem mittleren, aem.Wärmeaustausch dienen- |
| den Teil 4 und einem unteren konischen Teil 5. Im 2Tärmeaus- |
| tauschmittelteil 4, der in mehrere, z.B. in vier mit |
Heizmänteln 7 versehene Kammern 6 aufgeteilt ist, sind an der Rotorwelle
2 sektionsweise übereinander Verteilungsorgane 8 befestigt, welche zur gleichmäßigen
Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Oberfläche des wärmeübertragenden Teiles
4 das Gehäuses 1 erforderlich sind. Die Anzahl der Kammern im Apparat kann je nach
den Produktionsforderungen kleiner bzw. gröer gewählt werden.
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Der Wärmeaustauschteil 4 des Gehäuses 1 und die Trommeln 9 des vorliegenden
Verdampfers können sowohl in zylindrischer als auch in konischer Form ausgebildet
sein.
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In Fig. 2 ist ein verteilendes Organ 8 dargestellt, das als eine Hohltrommel
9 ausgeführt ist und einen auf der Rotorwelle 2 festsitzenden, dem Überfließen der
Flüssigkeit in den Raum 9a (Fig. 3) der Trommel 9 vorbeugenden Zylinder 10 sowie
die auf bzw. unter der Trommel angeordneten Ringe 11 bzw. 12 (Fig. 2) aufweist,
die der Befestigung der der Trommel 9 an Rotorwelle 2 dienen. Der obere Ring 11
ist zugleich auch ein Verteiler der Flüssigkeit über die Innenfläche 9b (Fig. 3)
der Trommel 9.
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Die Wandung 13 der Trommel 9 ist in Längsrichtung gewellt, damit die
die Innenfläche 9 b der Trommel 9 erreichende Flüssigkeit in einzelne, auf der Wandung
13 der Trommel 9 frei niederfließende Flüsäigkeitsströme zerlegt wird.
Die
iVanäung 13 der Trommel 9 ist derart ausgeführt, daß die Möglichkeit besteht, die
Flüssigkeitsströme aus der Trommel 9 gegen die Oberfläche des Wärmeaustauschteijes
4 des Gehäuses 1 herauszuschleudern.
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14 Hierzu sind Bohrungen vorgesehen, die auf einer absteigenden Schraubenlinie
liegen und an den Bergen 15 (Fig. 3) (an den nach außen gewölbten Teilen) der Wellung
16 der Trommel 9 angeordnet sind.
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Im oberen erweiterten Teil 3 des Apparates ist, wie in r'ig. 1 angedeutet,
eine Einrichtung 17 zur am Kreisumfang gleichmäßigen Zuführung der Flüssigkeit in
die Trommel 9 untergebracht.
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In Fig. 4 ist die Einrichtung 17 dargestellt, die einen im Gehäuse
1 des Apparates starr befestigten Zylinder 18 und einen in Form eines auf der Rotorwelle
2 befestigten Bechers 20 ausöeflihrten Speiser 19 enthält. Der Boden 21 des Bechers
20 befindet sich im Zylinder 18, während seine zylindrische Fläche 22 mit eY;.nem
S®parator 23 vereint ist. Um eine ;leichmäßigere Zuführung der Flüssigkeit am Kreisumfang
der Trommel 9 zu erzielen, ist die untere Kante 24 des Zylinders 18 gezackt
ausgeführt.
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Der Speiser 19 weist in seinem unteren Teil radial gerichtete Rohre
25 auf, durch welche die Flüssigkeit aus dem
Speiser auf die Innenfläche
26 des Zylinders 1d gelangt. Im Oberteil jeder Kammer 6 (Fig. 1) ist ein Ringsammler
27 montiert, der zur Abführung der von der Oberfläche des Wärmeaustauschteiles 4
einer höher liegenden Kammer 6 niederfließenden Flüssigkeit und deren nachfolgender
Zuführung zum verteilenden Organ 8 einer tieferliegenden Kammer 6 vorgesehen ist.
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Der Ringsammler 27 ist durch radiale Zwischenwände 28 in. einzelne
Kammern (in den Figuren nicht angedeutet) aufgeteilt und weist zur senkrechten Achse
des Apparates hin geneigte Rinnen 29 auf. Die Zwischenwände 28 sind erforderlich,
damit aus jeder Kammer in jede Rinne 29 die gleiche Flüssigkeitsmenge herabfließt.
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Zur Vereinfachung des Zusammenbaues des Apparates sind die Rinnen
29 abnehmbar ausgeführt.
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Am Becher 20 (Fig. 4 und5) ist außenseitig ein durch schräggestellte
Schaufeln 30 mit umgebogenen oberen Rändern gebildeter Separator 23 angeordnet,
der bei seiner Umdrehung eine Absonderung der Flüssigkeitstropfen aus dem aufsteigenden
Dampfstrom bewirkt und diese gegen die Fläche 31 des Gehäuses 1 in dessen erweiterten
Teil 3 schleudert. Ein gleichmäßiges Zufließen dieser abgesonderten Flüssigkeit
zu dem verteilenden Organ 8 (Fig..1) wird durch vertikale
Rippen
32 (Fiü. 4) gesichert, welche im erweiterten Teil 3 eingebaut sind und miteinander
mittels eines Ringes 33 (Fig. 5) in Verbindung stehen.
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Eine Vereinigung des Speisers 19 und des Separators 23 läßt die Gesamthähe
des Apparates verkleinern.
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Der Ringsammler 27 (Fig. 2 und 6) enthält Bohrungen 34, die am Kreisumfang
im Körper 27a des Sammlers 27 liegen und zur Befestigung der Rinnen 29 dienen.
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,Damit der Dampf sich über den gesamten Querschnitt des Apparates
gleichmäßig verteilt, weisen die Trommeln 9 zusätzliche Bohrungen 35 (Fig. 2) auf,
durch welche der im Gehäuse sich bildenäe Dampf aus dem Ringraum 36 (Fig. 3) zwischen
Trommel 9 und Gehäuse 1 in das Innere dieser Trommel 9 gelangt. Diese Bohrungen
35 (Fig. 2) sind in gleichen Abständen in Tälern 37 (in nach innen gewölbten Teilen)
der Wellen 16 (Fig. 3) gleichmäßig über, der ganzen Höhe der Trommel 9 angeordnet.
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In 11'i3. 7 ist eine andere Ausführungsform der Hohltrommel 38 dargestellt.
An den Bergen 39 der Wellen 40 der Trommel 38 sind durchgehende Längsöffnun;en 41
ausgeführt, deren obere Grenzen in hichtung der Höhe der Trommel 38 zusammen eine
Schraubenlinie bilden.
Das Herausschleudern der Flüssigkeit von
der Innenfläche der Trommel aus gegen die Fläche des Wärmeaustauschteils des Gehäuses
erfolgt über die unteren Kanten 42 der Berge 39 der Wellen 40, während der Dampf,
der sich an den Wärmeaustauschflächen des Apparates entwickelt, das Innere der Trommel
durch die durchgehenden Öffnungen 41 passiert.. Fis. 8 gibt eine weitere Ausführungsform
der Hohltrommel 43 wieder. Ein Teil der Wand 44 der Trommel 43 ist derart abgeschnitten,
daß die unteren Kanten 45 der Wellen 46 in Höhenrichtung der Trommel absteigende
Schraubenlinien festlegen. Damit bleibt zwischen diesen Schraubenlinien und der
unteren Grundfläche 47 der Trommel ein Dürchtritt 48 in den Innenraum der Trommel
43 frei.
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Das Herausschleudern der Flüssigkeit von der Innenfläche der Trommel
aus gegen die lfärmeaustauschfläche erfolgt über die unteren Kanten 45 der Berge
49 der Wellen 46, während der Dampf, der sich an der Wärmeaustauschfläche des Gehäuses
entwickelt, in das Innere der Trommel über äen herausgeschnittenen freien Durchtritt
48 in der Wand der Trommel gelangt.
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Der Dünnschichtverdampfer arbeitet folgendermaßen: Der Ausgangsrohstoff
wird über den Rohrstutzen 50 (FiG. 1) dem Speiser 19 zugeführt. Unter Einwirküng
der Rotordreh#-bewegung wird die Flüssigkeit aus den radial gerichteten
Rohren
25 des Speisers 19 gegen die Innenfläche 26 des Zylinders 18 strahlenweise herausgeschleudert,
wonach sie an dem letzteren in Form einer dünnen Schicht zum oberen Ring 11 hin
gleichmäßig niederfließt.
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Dann wird die Flüssigkeit unter Fliehkraftwirkung gegen die Innenfläche
9b der gewellten Hohltrommel 9 geschleudert und, die Berge 15 der Wellen 1ö ausfüllend,
in einzelne vertikale Ströme zerle-t. Durch die Bohrungen 14 an Bergen 15 der trdellen
16 werden diese Ströme gegen die innere Wärmeaustauschfläche 4 des Gehäuses 1 des
Verdampfers geschleudert und bilden dort eine niederfließende Dünnschicht, die durch
die auftreffenden Flüssigkeitsstranlen stets verwirbelt wird. An der Wärmeaustauschfläche
4 verdampft ein Teil der Flüssigkeit,und die übriggebliebene Flüssigkeit passiert
den Ringsammler 27, aus welchem sie durch die Rinnen 29 zu dem verteilenden Organ
8 einer tieferliegenden Kammer 6 weiterfließt. In dieser Kammer wiederholt sich
der Vorgang in derselben Reihenfolge. Die verbleibende (abgedampfte) Flüssigkeit
wird durch den Rohrstutzen 51 entfernt, während der Dampf im Ringspalt zwischen
dem Gehäuse 1 und der Trommel 9 sowie in deren Innerem, wohin dieser durch die Bohrunüen
35 gelangt, aufsteigt und den Separator 23 passierend aus dem Stutzen 52 herausströmt.
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Die durch die Schaufeln 30 (Fig. 5) abgesonderten Flüssigkeitstropfen
werden
mittels dieser gegen die Wandung des erweiterten Teils 3 (Fig. 1) geschleudert und
fließen an dieser in den Ringsammler 27 nieder. Aus dem Sammler 27 werden die Tropfen
mittels Rinnen 29 zu dem verteilenden Organ 8 des Rotors zurückgeführt.
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Die Verweilzeit des zu bearbeitenden Produktes im Apparat wird nach
Sekunden _zezählt.
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Der vorliegende Apparat kann zwecks der Verdampfung, Destillation
und Anreicherung von thermisch unbeständigen, stark schaumbildenden und sehr zähen
Stoffen angewandt werden.
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Ein Vorteil des vorliegenden Apparates besteht auch darin, daß dieser
unter unwesentlichen konstruktiven Veränderungen als Reaktor dienen kann.