DE1938749A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildung eines ringfoermigen Fluessigkeitsstromes,der entlang der Innenflaeche einer Rohrwand laeuft - Google Patents

Description

Dipl. Ing. F. Weickmann, Dipl.lng. H.Weickmann, DipKPhys.Dr.K.Ffnck» Dipl. Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Ghem. B. Huber

a München 27, Möhlstr. 22^

WIEGAND APPARATEBAU GMBH, 7500 Karlsruhe 21, Andr.-Hofer-StraJBe 3

Verfahren und Torrichtung zur Bildung eines ringförmigen Flüssigkeitsstromes, der entlang der Innenfläche einer

Rohrwand läuft

In Eindampfapparaten und häufig auch in Apparaten sur Durchführung chemischer Reaktionen treten gleichseitig "Strömungen von Flüssigkeiten und Dämpfen und/oder Gasen auf. (Nachstehend wird der Einfachheit halber oft nur das Wort "Gas" gebraucht, auch wenn es sich um Dampf oder Dampf-Gasgemisch handeln kann«) Flüssigkeits~ und Gasströmung können sowohl im Gegenstrom als auch im Gleichstrom verlaufen,, . ■

Z.B. sind sogenannte Rieselverdampfer bekannt, bei denen die flüssige Phase an den Innenwänden beheizter Rohre nach unten fließt, während der entstehende Brüden'im Gegenstrom nach oben steigt. Ähnlich arbeiten z.B. Absorptionsapparate, in- denen eine Flüssigkeit ein Gas zu absorbieren hat. Allerdings müssen hier die Rohre meistens gekühlt-werden, um die Absorptionswärme abzuführen. In "diesen beiden genannten Fällen bewegt sieh die Flüssigkeit'nur unter dem ' Einfluß der Schwerkraft. Da deren Wirkung'- insbesondere bei viskosen^ Flüssigkeiten unter Umständen nicht ausreichend ist, um einen für die erforderliche Wärmeübertragung genügend intensiven Bewegungszustand der Flüssigkeit zu bewir-

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ken, sind Dünnschichtverdampfer und Dünnschichtreaktoren entwickelt worden, "bei denen ein mechanisches Rührwerk die auf der Innenfläche eines vertikalen, von außen beheizten (bzw. gekühlten) Zylinders herabfließende Flüssigkeit gleichmäßig ringförmig verteilt und in Bewegung hält. ' . - .

Strömen die flüssige und die gasförmige Phase in derselben Richtung, so trägt di-e Bewegung der Gasphase dazu bei, die Flüssigkeit in Bewegung zu setzen<, Das Prinzip des Gleichstromes ist insoweit dem Prinzip des Gegenstromes überlegen. Z.B. sind Gleichstromverdampfer bekannt, bei denen die Rohre, in denen die einzudampfende Flüssigkeit strömt, horizontal liegen. Hier wird auf die Wirkung der Schwerkraft sogar ganz verzichtet, die Bewegung der Flüssigkeit beruht ausschließlich auf der treibenden Wirkung des gasförmigen Stromes. Im Gleichstrom arbeiten auch Fallstromapparate, die für Wärme- und/oder Materialübertragungsvorgänge bestimmt sind» und in welchen eine zu behandelnde Flüssigkeit auf der Innenfläche von vertikalen Wärmeaustausehrohren entlanglauft, und zwar in Gegenwart eines Gas- oder Dampfstromes, der axial verläuft_o Besonders zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang die Fallstromverdampfero Die einzudampfende Flüssigkeit bedeckt die Innenflächen der Heizrohre in einer dünnen Schicht, welche sich unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten bewegte Diese Bewegung wird unterstützt durch einen ebenfalls von oben nach unten gehenden gasförmigen Strom, bestehend aus dem sich entwickelnden Buden und aus gegebenenfalls zu— . gleich mit der Flüssigkeit zugeführtem Dampf oder Gas_o ■

In allen geschilderten-Fällen kommt es darauf an, einen in lebhafter Bewegung befindlichen Flussigkeitdstrom zu erzeugen, welcher die Wärmeaustauschflachen vollständig und gleichmäßig bedeckt. Im Inneren von Rohren soll die Flüssigkeitssohicht also ringförmig an der Wand gehalten wer-· *

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den, so daß die Flüssigkeit.-am Ende der Rohre auf deren . gesamtem Umfang austritt» Dies ist nicht nur wichtig im Hinblick auf möglichst günstige Bedingungen für die Wärmeübertragung, sondern auch im Hinblick darauf, daß alle Teile der Flüssigkeit gleichmäßig behandelt werden und die gleiche Aufenthaltszeit erreichen. Sowohl beim Eindampfen als auch bei chemischen Reaktionen hängt hiervon die Qualität des Endproduktes ab«,

Die bekannten Verfahren und üblichen Apparate erreichen das beschriebene Ziel nur unvollkommen oder mit großem technischen Aufwand. Letzteres trifft besonders für Dünnschichtapparate mit mechanischem Rührwerk zu. Das Fallstromverfahren ist verhältnismäßig vorteilhaft infolge des Zusammenwirkens von Schwerkraft und der treibenden Wirkung der Gasphase* Die gewünschte Art der Flüssigkeitsströmung ist aber in vielen Fällen nicht zu erreichen. Die Parameter, welche den Charakter einer Zweiphasenströmung bestimmen, sind sehr zahlreich und ihre .-Wirkung ist so wenig bekannt,, daß bislang im wesentlichen empirisch vorgegangen werden muß, um festzustellen, wie sich irgendeine Kombination von Gas und Flüssigkeit unter bestimmten Betriebsbedingungen verhalte

Es-ist jedoch bekannt, daß Flüssigkeit, welche in dünner Schicht an einer senkrechten oder wehigstens stark geneigten Wand herunterfließt , quer zur Strömungsrichtung Wellen bildet. Diese Wellen wandern mit der Flüssigkeitnach unten, und zwar mit zunehmender Amplitude. Die Flüssigkeitssehicht wird infolgedessen zunehmend ungleichmäßiger. Fließt die Flüssigkeit auf der Innen- oder Außenseite eines vertikalen Rohres hinunter, so bilden die Wellen ringformige Ansammlungen von Flüssigkeit, sogenannte Fallringe, zwischen denen die Dicke der Flüssigkeitsschicht außerordentlich gering werden kann, abhängig von .der Länge des senkrecht nach unten zurückzulegenden Weges und der Visko-

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sität der Flüssigkeit. Diese Wellenbildung führt dazu', daß trotz gleichmäßiger Flüssigkeitszufuhr zu einem Fallstromrohr der Abfluß periodisch wechselt, und zwar unter bestimmten Umständen so stark, daß der Abfluß sekundenlang vollständig unterbrochen wird. Eine andere störende Erscheinung besteht darin, daß die'abfließende Flüssigkeitsschicht sich zu Strähnen zusammenzieht, wodurch die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsbedeckung in der Weise gestört wird, daß sich Zonen bilden können, welche überhaupt nicht mehr bespült werden·

Während sich jedoch die letztgenannte Erscheinung, das Zusammenziehen der Flüssigkeitsschicht zu einzelnen Strähnen, bei Fallstromapparaten durch passende Wahl der Rohrabmessungen usw. verhältnismäßig leicht vermeiden läßt,-ist dies nicht der Fall, soweit es sich um die beschriebene Bildung von Wellen bzw. Fallringen handelt.

Das periodische Wechseln des Flüssigkeitsstromes hat vier' Nachteile beim Betrieb von Fallstroniapparatenj

a) Senkung des Wärmeübergangskoeffizienten an den jeweils minimal mit Flüssigkeit bedeckten Stellen, da dort im Extremfall nur noch die ruhende Grenzschicht vorhanden ist ο

b) Überhitzung der Flüssigkeitsteile, welche sich an der Wand befinden, dadurch Qualitätseinbuße einerseits und gegebenenfalls Verkrustung der Heizfläche andererseits O

c) Überkonzentration von Flüssigkeitsteilen beim Eindampfen, was besonders bei wärmeempfindlichen Produkten schädlich ist und zur Bildung unlöslicher Rückstände führte :.

d) Ungleiche Aufenthaltszeiten der Flüssigkeitsteile auf der Heiz- bzw«, Kühlfläche, da die in den Fallringen

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enthaltene Flüssigkeit viel schneller strömt, als die an der Wand haftenden Flüssigkeitsteile. Diese ungleichen Aufenthaltszeiten können wiederum zu Qualität seinbußen führen·

Die vorliegende Erfindung verfolgt den Zweck, diese Nach-? teile zu vermeiden«, Sie geht von der Beobachtung aus,' daß sich eine gleichmäßig fließende Flüssigkeitsschicht erzielen läßt, wenn die Flüssigkeit zu ununterbrochenen Richtungsänderungen gezwungen wird. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines ringförmigen Flüssigkeitsstromes, der entlang der Innenfläche einer Rohrwand läuft. Da» Verfahren.charakterisiert sich dadurch, daß die zu behandelnde Flüssigkeit durch einen röhrenförmigen Kanal geleitet wird, der sich um mindestens eine Achse herumwindet. Der Flüssigkeitsstrom wird dabei so gewählt, daß er höchstens so groß ist wie der durch die Gleichung I= 0,046 d²- 0,16 d + 0,8 erhaltene Wert. Dabei ist L der Flüssigkeitsstrom in Li-. ter pro Minute und d der hydraulische Durchmesser des Kanals in mm; d beträgt mindestens 6 mm. Das Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger Strom gebildet wird, der diesen Kanal durchläuft und die Flüssigkeit in ringförmiger Schicht an der Innenfläche des Kanals hält, dergestalt, daß sie auf dem ganzen. Umfang des Kanals aus diesem Kanal austritt. Um diesen Zweck zu erreichen, muß der gasförmige Strom eine bestimmte Mindeststärke erreichen, und zwar abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit. Versuche haben ergeben, daß bei einem Druck von 1 Bar die Mindeststärke des. gasförmigen Stromes bei einer Viskosität der Flüssigkeit von mindestens 1 Oentipoise V =0,05 (d - 6), bei einer Viskosität der Flüssigkeit von mindestens 250 Centipoise V = 0,02 (d - 6) Itformalkubikmeter pro- Minute betragen muß_o Aufgrund der physikalischen Zusammenhänge zwischen Druck, spezifischem

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Volumen, Geschwindigkeit und Treibwirkung das gasförmigen Stromes ergibt sich, daß bei irgendeinem anderen Druck p, gemessen in Bar, die dann erforderlichen Mindestmengen V (Normalkubikmeter pro Minute) sich aus den oben angegebenen Vierten durch Multiplikation mit der Quadratwurzel aus diesem anderen Druck ρ ergeben«

Auf der beigefügten Zeichnung sind erläuternde Diagramme sowie ein Verdampfer-dargestellt, der dazu bestimmt ist, das Verfahren gemäß der Erfindung durchzuführen«

Das Diagramm 1 zeigt den maximalen Flüssigkeitsstrom L in Liter pro Minute in Abhängigkeit vom hydraulischen Durchmesser d (mm) des Strömungskanals, das Diagramm 2 die minimale Stärke des gasförmigen Stromes in Formalkubikmeter pro Minute, ebenfalls in Abhängigkeit vom hydraulischen Durchmesser des Kanals. (Hydraulischer Durchmesser = dem Vierfachen des lichten Querschnittes geteilt durch den Umfang des Kanals.)

■Die in den Diagrammen dargestellten Kurven entsprechen den oben angegebenen Formeln« Diese Kurven sind das Ergebnis zahlreicher Versuche, bei denen die Strömung3verhäitnisse in transparenten Bohren beobachtet wurden, welche wendelförmig um eine senkrechte Achse gewunden waren, und durch welche gleichzeitig Flüssigkeit und luft von oben nach unten hindurchgeleitet wurden. Zahlreiche, für die Stabilität der Strömung wichtige Parameter wurden verändert. Als Flüssigkeit wurde Wasser mit einer Viskosität von 1 Cerytipoise und Glukoselösung mit einer Viskosität von 250 Gentipoise benutzt. Diesen beiden Werten der Viskosität entsprechen die Kurven V.. und Vp in Fig.2. Wie die Linie L in Fig.1 zeigt, hängt die maximale Stärke des Flüssigkeitsstromes, bei welcher die Strömung noch stationär ist, ausschließlich vom hydraulischen Durchmesser d des Strömungs- kanals ab«, Weder die Viskosität noch die geometrische Form

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der Wendel konnten einen wesentlichen Einfluß auf diesen Grenzwert für L ausüben, obwohl diese Parameter in weiten Grenzen verändert wurden. Die geometrische Form eines Rohres in Gestalt einer Wendel ist bestimmt durch den Rohrdurchmesser d, den Radius der Wendel R und die Steigung der Wendel P. Es wurden Rohre von 10 bis 50 mm. Durchmesser, Wendelradien zwischen 5 und 140 mm und Steigungen von 500 bis 1500 mm benutzt. Das Verhältnis von Steigung zu Wendelradius (P/R) wurde zwischen 3»5 und 300 geändert, ohne daß sich der Grenzwert der Flüssigkeitsströmung L wesentlich geändert hätte.

Es ist eine für die vorliegende Erfindung wichtige und neue Erkenntnis, daß es genügt, Strömungskanäle in Wendelform mit sehr kleinem Wendelradius und großer Steigung ' zu benützen, um stabile und stationäre Zweiphasenströmungen zu erhalten. Diese. Erkenntnis bedeutet nämlich, daß man bei größeren Apparaten eine größere Ansah! derartiger Wendelrohre parallel nebeneinander anordnen kann, ohne übermäßigen Platzbedarf, und daß es möglich ist, solche Wendelrohre z.B. gegebenenfalls mechanisch zu reinigen, insbesondere, wenn der Wendelradius kleiner als der Rohrdurchmesser ist«

Wie sich aus Fig.1 ergibt, läßt sich der Flüssigkeitsstrom praktisch beliebig, jedenfalls bis zu kleinen Bruchteilen eines Liters pro Minute und cm Rohrumfang verringern. Die unterhalb ^ei' Linie für den Maximalwert L eingezeichnete gestrichelte Linie LV bedeutet die obere Grenze, bis zu der der ringföx-mige Flüssigkeitsstrom nicht nur stabil ist, sondern auch eine in jedem Querschnitt des Kanals gleichbleibende Stärke aufweist". Bei. höheren Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der die Kanalwand bedeckenden Flüssigkeitsschicht ist es daher zweckmäßig, mit Mengen "-" zu arbeiten, die unter denen liegen, die mit der gestrichelten Linie"-L'■ angegeben sind ο

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Was den gasförmigen Strom betrifft, so ist es möglich, mit größeren Mengen zu arbeiten, als die Linie VV in Pig.2 angibt. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es aber zweckmäßig, möglichst nahe der unteren Grenze zu arbeiten, jeweils abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit. Um die untere Grenze zu bestimmen, genügt es, einfach die Flüssigkeit am Austritt des Strömungskanals zu beobachten. Erfolgt nämlich der Austritt auf dem gesamten Umfang, so ist die gewünschte ringförmige Schicht auf der gesamten Innenfläche des Kanals vorhanden. Dies konnte durch Beobachten des Plüssigkeitsstromes durch die transparenten Wände der bei den Versuchen benutzten Rohre festgestellt werden«

Wenn das Verfahren.nach der Erfindung bei Eindampfvorgangen benutzt wird, so ist zu berücksichtigen, daß der Flüssigkeitsstrom sich während des Durchganges durch den von aussen beheizten Strömungskanal infolge von Verdampfung eines Teiles der Flüssigkeit verringert, wohingegen der gasförmige Strom aufgrund desselben Vorganges zunehmend stärker wird. Ss ist aber wichtig, daß der gasförmige Strom bereits beim Eintritt der Flüssigkeit in den gewundenen Strömungskanal die erforderliche Starke zur Bildung einer die Kanalwand ringförmig bedeckenden Flüssigkeitsschicht besitzt» Andernfalls würde nämlich die Flüssigkeit sich nur im-Unterteil des Rohrquerschnitts bewegen, und nur ein kleiner /Teil der Wäraeaustauschflache würde wirksam werden können* Iii■ Weiterentwicklung .des .Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung soll caher wenigstens ein Teil des gasförmigen Stromeszusannen mit der Flüssigkeit in das eine Ende de» Kanals eingeleitet v/erden· Grundsätslich kann der gasförmig« .Sti'öa ein. Inertgas, z_oB« Luft oder■ !Dampf seine Bmim- Eincampfen wird zweck^äßigerweise -Dampf, benutzt-, wel- ' eher inbellebiicer. Weiee erzeugt werden kann, vorsugcweiee aber durch Überhitzung und nächfolgeriäe _:3ηΐ spannung : der; einzudanpf.erid-en ■ !flüssigkeit zu .gewinnen "ist-.. /Is letzt- '..

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genannten Falle ergibt es sieh von selbst, daß die Flüs- -sigkeit miridestens mit derjenigen iemperatur in den Kanal 'eintritt, die der Siedetemperatur bei- dem Druck am Eintritt in den. Kanal entspricht. Auch bei Zuführung von. : Dampf aus einer anderen Quelle ist es -Wichtig, daß die Flüssigkeit wenigstens mit, dieser Siedetemperatur zugeführt/wird, weil sonst ein Teil des zugeführten Dampfes an der kälteren Flüssigkeit kondensieren würde, entgegen dem angestrebten Zwecke

Wie die genannten Formeln und die Kurven von Fig.2 erkennen lassen, muß der gasförmige Strom ziemlich stark sein, um. das Entstehen einer ringförmigen Schicht von Flüssigkeit auf der Innenfläche des Kanäleβ zu bewirken. Es kann daher die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens übermäßig belasten, wenn zur Erzeugung des gasförmigen Stromes Dampf von außen her zugeführt werden solle Die Mpg~ " lichkeit, Dampf aus der einzudampfenden Flüssigkeit selbst durch vorgehende ,Überhitzung mit nachfolgender Entspannung zu gewinnen, ist im allgemeinen begrenzt, insbesondere auch durch die Wärmeempfindlichkeit-----der einzudampfenden Iiösungeno Fach einem weiteren Erfindungsgedanken soll daher beim Eindampfen mindestens ein von.außen heizbarer, vorzugsweise im Querschnitt kreisförmiger Strömungskanal benutzt werden, welcher aus einem oberen, senkrecht stehenden, geraden Teil und einem unteren, um mindestens eine senkrechte Achse gewundenen Teil besteht, wobei die Flüssigkeit dem.oberen Ende des geraden Teiles zuzuführen istb In einem geraden, senkrechten Rohr ist es nämlich im Gegensatz zu einem gewundenen, Z₀Bv wendeiförmigen Rohr möglich, auch ohne das Vorhandensein eines gasförmigen Stromes die gesamte Innenfläche mit Flüssigkeit benetzt zu halten,, Der senkrecht stehende, gerade obere Teil wirkt also in derselben Weise, wie das Heizrohr eines gewöhnlichen Fallstromverdampfers* Beim Durchgang der Flüssigkeit durch diesen oberen Teil muß nur soviel Dampf erzeugt werden,

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wie notwendig ist, um beim Eintritt in den gewundenen Teil die ringförmige Strömung aufrecht zu erkaljten* -!Die--." erforderliche länge des geraden ieiles läßt sich berechnen, sie liegt z.Bo zwischen 1/4 und t/12 der insgesamt ex forderlichen Rohrlänge. Da die Länge des geraden !Teiles verhältnismäßig gering bleibt, besteht auch nicht die eingangs beschriebene Gefahr der Wellenbildung und eines periodisch wechselnden Flüssigkeitsstromeso

Auch bei Verwirklichung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung besteht, je nach dem Fließverhalten der zu behandelnden Flüssigkeiten, die Möglichkeit ungleicher Aufenthaltszeiten der verschiedenen Flüssigkeitsteile dadurch, daß sich an der Wand des Strömungskanals eine ruhende bzwo nur langsam bewegte Grenzschicht befindet. Auch bleibt die Möglichkeit bestehen, daß die die Wand benetzenden Flüssigkeitsteile unerwünschte Veränderungen erfahren und die Wand, verkrusten. "Nach einem weiteren Erfindungsgedanken soll daher die Innenfläche des gewundenen Kanals aus einem von der zu behandelnden Flüssigkeit nicht be^- netzbaren Material bestehen. Dies läßt sich beispielsweise. durch einen Überzug des Rohr-Inneren mit Teflon erreichen. Die Verwendung nicht benetzbarer Überzüge von Wärmeaustauschflächen ist an sich bekannt. Versuche haben aber gezeigt, daß senkrecht stehende, nicht benetzbare Flächen nur sehr geringe Werte der Wärmeübertragung an siedende Flüssigkeiten ergeben, weil in diesem Falle keine hinreichenden Kräfte vorhanden sind, die die Flüssigkeit an der Viand-.halten.. Bei einem gemäß der vorliegenden Erfindung gewundenen Kanal, ZoBo einem Rohr in Gestalt einer Yfendel, werden trotz der nicht benetzbaren Innenfläche hohe Werte der Wärmeübertragung erzielt, da die besonderen Strömungsverhältnisse einen genügend engen Kontakt zwischen der Wand und der Flüssigkeit bewirken» ■· '

Ein zylindrisches Rohr in Gestalt, einer Wendel mit senk·-

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rechter Achse ist im allgemeinen als die nächstliegende · und zweckmäßigste Form eines Strömungskanals zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung anzusehen. Pur gewisse Anwendungsbereiche könnte aber auch ein in Spiralform gewundenes Rohr eingesetzt werden, ebenso wie der Strömungskanal auch als Aussparung in einem Block aus geeignetem Material vorgesehen werden konnte» Außer der Windung um eine einzige Achse ist es ebenfalls möglichj einen Kanal vorzusehen,-der sich um zwei oder sogar mehr Achsen herumwindet₉ je nach dem RaUm₉ der zur Verfügung steht. So kann man z₀B» die Verwendung eines Kanals vorsehfen₉ der sich in G-estalt einer "Acht" um zwei parallele Achsen windet» Obwohl ein kreisförmiger Querschnitt des röhrenförmigen Kanals für die meisten Zwecke geeignet ist, kann der Kanal auch einen anderen, Z₀Bo ovalen Querschnitt besitzen*

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdampf ex,, wie-er beispielsweise sur Durchführung des Verfahrens gemäß Erfindung eiageset3>;'-tferien Iz&sm und su Yer« suchsawecken benutzt worden ist= Der Verdampfer enthält ein Rohr 1 j das sich in Form einer Wendel um eine senkrechte Achse 'windet und zwischen zwei Rohrplatten 2 und 3 in der Heizkammer 4 befindet» Oberhalb der Rohrplatte 2 befindet sich eine Kammer 5₅ durch welche das Rohr mit Flüssigkeit \ιηά Dampf gespeist werden kann*

Die au konzentrierende Flüssigkeit, die aus einer Quelle koßirit und auf Verdampfungstenperatur vorgewärmt wurde, wird durch eine Leitung 7, die Kit" eint-π Ventil 8 versehen ioi , dem Rohr 1 "in regelbarer Menge zugeführt _:„ Gleichseitig ""wird aus einer Quelle 9 kommender Sattdampf durch eine Leitung 10, die cit einen Ventil 11 versehen ist, in dia Kammer 5 .eingeführt*

Die i;.'.%:-.rer 4 vdrd durch eine Leitung 12, die mit einer

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zweiten Dampf quelle 13 verbund en""ist-, "mit Heizdampf 'beschickt, und eine Leitung 14 dient dazu,' diese Kammer zu entwässern und zu entlüften»

Durch entsprechende Bemessung des Flüssigkeitsstromes L (Lösung) und des gasförmigen Stromes V (Dampf) ist es möglich, auf der gesamten Länge des Rohres 1 eine stationäre Strömung .in zwei Phasen zu erzielen, Die einzudampfende Lösung fließt dabei als ringförmige Schicht auf der Innenseite des beheizten Rohres 1 siedend herab, und der Dampf, der durch das Sieden entsteht, bildet zusammen mit dem von der Quelle 6 her zugeführten Dampf-den gasförmigen Strom, welcher ebenfalls nach unten strömt und die Flüssigkeit an der .Wand" hält.»

Die konzentrierte Lösung und der am Ende des Rohres 1 aus-" tretende Dampf gehen in einen Abscheider 15. Eine Trennwand 16 mit einem Verbindungsrohr 17 teilt den Abscheider in zwei Kammern 18 und 19. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird die konzentrierte Lösung vom Dampf getrennt und aus dem Raum 19 durch die Leitung 20 mit Hilfe der Pumpe 21 abgesaugte ■

Der Dampf wird mittels der Leitung 22 dem Oberflächenkondensator 23 zugeführt. Die Leitungen 24 und 25 dienen der Kühlwasserzufuhr und Kühlwasserableitung. Der Kondensator ist mit einer Vakuumpumpe 26 ausgerüstet, welche zur Entlüftung dient. Das Kondensat wird schließlich durch die Leitung 27 abgesaugt.

Der oben beschriebene Verdampfer war für Versuchszwecke bestimmt, er ist aus diesem Grunde nur mit einem einzigen Heizrohr ausgerüstet. Selbstverständlich kann ein solcher Verdampfer eine beliebige Anzahl von Heizrohren enthalten, welche parallel miteinander arbeiten. Im. vorliegenden PaI-Ie handelte es sich um ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem äußeren Durchmesser von 42 mm und einem inneren Durchmesser von 36 πα, welches inn si-1 mit einer ?ef lon-.

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schicht, Lebensmittelqualität S 954-100^ 0,03 mm stark, ausgekleidet war.

Der Wendelradius R war gleich dem inneren Durchmesser des Rohres, 36 mm, die Steighöhe der Wendel P =600*mm.. Das Verhältnis P/R betrug also ungefähr 17. Die aufgerollte Länge dieses Rohres betrug 6,8 m, während die Höhe der Wendel* "d.h.. der Abstand zwischen den Röhrpl-atten 2 und 3, 6,44 m betrug*

Bei Versuchen mit dem Verdampfer wurden wässrige Glükoselösungen konzentriert. Die Ausgangskonzentraijionen lagen etwa zwischen 35 und 62 °ß>, die Bndkonzentrationen schwankten zwischen 62 und 83 $, was einem beachtlichen Viskositätsumfang entspricht, der von 20 bis 800 Centipoise geht.

Der schraffierte Streifen des Diagramms Fig»4 umgrenzt die bei den Versuchen erreichten Wärmeübertragungszahlen in 'Abhängigkeit von der Viskosität der eingedampften Flüssigkeit, Diese Resultate zeigen, daß das Verfahren nach der Erfindung die Konzentration von Lösungen mit sehr hohen Viskositäten ermöglicht, und daß dabei Wärmeübertragungszahlen erreicht werden, die den in Dünnschichtverdampfern mit mechanischem Rührwerk erreichten gleichkommen, jedoch ohne Einsatz mechanischer Mittel zur Bewegung der Flüssigkeit O

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aber nicht nur zum Eindampfen, sondern auch zur Durchführung chemischer Reaktionen,,

Genannt seien beispielsweise- Verfahren der Flüssigkeits-Gas-'Absorption, welche mit stark exothermen Reaktionen Verbunden sind. Hier kommt es auf rasche Abführung der entstehenden Wärme an, wofür die rasche, ringförmige Strömung entlang der Kanalwand besonders günstig ist. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang die Sulfonationvon Olefinen durch

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SO,, die Fitration oder Halogenation von aromatischen Ver~ bindungen und die¹ Halogenation von Alkanen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich überdies auch zur Polymerisation in flüssigem Zustand, denn die Polymerisationensreaktionen sind im allgemeinen so stark exotherm, daß sie nicht in einer großen Masse durchgeführt werden können.' Man muß auf Lösungen oder Emulsionen zurückgreifen, die dazu bestimmt sind, den Vorgang thermisch beherrschen zu können<> Die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführte dünnschichtige Polymerisation bietet hinsichtlich der SuIfonation die gleichen Vorteile, wie bereits oben erwähnt. Da ^Temperaturunterschiede und unterschiedliche Aufenthaltszeiten weitgehend vermieden werden können, läßt sich ein Endpolymer erzeugen, dessen Molekulargewicht sich innerhalb erwünschter, verhältnismäßig enger Grenzen halte.

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Claims (1)

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   Patent ansprüch e

   1· Verfahren zur Bildung eines ringförmigen Flüssigkeitsstromes, der entlang einer Kanalwand verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch einen sich um mindestens eine Achse herumwindenden Kanal geleitet wird und daß ein gasförmiger Strom durch den Kanal geschickt wird, der die Flüssigkeit als ringförmige Schicht an der Innenfläche des Kanals hält und sie auf dem ganzen Umfang des Kanals aus dem Kanal austreten läßt. *

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Kanal pro Zeiteinheit geleitete Flüssigkeitsmenge höchstens L = 0,046 d² - 0,16 d + 0»8 Liter pro Minute beträgt, wobei d der hydraulische Durchmesser des Kanals in mm ist und mindestens 6 mm beträgt,

   Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Strom zur Bildung eines ringförmigen Flüssigkeitsstromes bei einem Druck von 1 Bar und einer Viskosität der Flüssigkeit von mindestens 1 Ceiiti poise mindestens V = 0,05 (d - 6) Normalkubikmeter pro Minute und bei einem Druck von 1 Bar und einer Viskosität.-der Flüssigkeit von mindestens 250 Centipoise mindestens V = 0,02 (d - 6) Normalkubikmeter pro Minute beträgt, wobei d der hydraulische Durchmesser des Kanals in mm ist und mindestens 6 mm beträgto

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestmenge pro Zeiteinheit des gasförmigen Stromes bei einem vom Wert 1 Bar abweichenden Druck bei einer Viskosität der Flüssigkeit von mindestens 1 Centipoise V = 0,05 Cd - 6) V"t> bzw. bei einer

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   Viskosität der Flüssigkeit von mindestens250 Centipoise V = 0,02 (d - 6) V""p Normalkubikmeter pro Minute beträgt, wobei ρ der Druck in Bar ist. .

   5. Verfahren.nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und wenig-*' stens ein Teil des gasförmigen Stromes miteinander in das eine Ende des Kanals geleitetwerden,,

   6oiVerfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man.die entlang der Kanalwand laufend e_ Flüssigkeit verdampfen, vorzugsweise sieden läßt und daß wenigstens ein Teil des gasförmigen Stromes auf diese Weise- gebildet wird.

   7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit dem Kanal mit einer Temperatur.zugeführt wird, die mindestens gleich der Siedetemperatur der Flüssigkeit bei dem Druck am Eintritt· in den Ka.nal ist. -."■ / ^;. :

   8«, Apparat zur Durchführung des Verfahrens nach einem -vV der vorstehenden Ansprüche* gekennzeichnet durch mindestens einen Kanal, der sich um mindestens eine Achse herumv/indet und durch VOrriehtungen zur Speisung dieses Kanals mit Flüssigkeit und" Gas. "■■""".

   9· Apparat nach AnspruchV8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal durch ein Rohr gebildet isto

   10o Apparat nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal wendelförmig verlauf to '■'---;"

   1Ί. Apparat nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal spiralförmig verlaufto

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   Vt ί i.

   12. Apparat nach Anspruch 10 oder 11, dadurch, gekennzeichnet, daß die Achse des Wendeis oder der. Spirale senkrecht verläuft. ·

   13. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende dss Kanals mit einer Vorrichtung zum Einspeisen von Flüssigkeit " verbunden ist«

   14» Apparat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wendelradius zwischen dem 0,25- und dem 8-fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,8- und 2-fachen des Kanalradius liegt«,

   15« Apparat nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,/ daß das Verhältnis der Steigung der Wendel zum Wendelradius zwischen 3,5 ^un(3 300» vorzugsweise zwischen 10 und 30 liegt» .

   16. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal einen oberen senkrecht verlaufenden Abschnitt aufweist»

   17. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der gewundene- Abschnitt des- Kanals eine Wandung oder eine Wandbelegung aus einem von der zu behandelnden Flüssigkeit nicht benetzbaren Material aufweistc,

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