DE19539886C1 - Zentrifugalverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalverdampfer mit wenigstens einer rotierenden, beheizten Verdampfungsflä­ che, die von der Rotationsachse nach außen ansteigt, einer Flüssigkeitseinspeisung im Bereich des tiefsten Punktes der Verdampfungsfläche nahe der Drehachse und einer Konzentratentnahme an der Peripherie der Verdamp­ fungsfläche.

Zentrifugalverdampfer des vorgenannten Aufbaus weisen glatte, konische bzw. kegelige Verdampfungsflächen auf und arbeiten nach dem Dünnschichtprinzip. Das im Zentrum aufgegebene Ausgangsprodukt breitet sich aufgrund der Zentrifugalwirkung auf der Verdampfungsfläche filmartig aus und wird während des dabei stattfindenden Wärme- und Stoffaustauschs allmählich zu einem Konzentrat einge­ dickt, das an der Peripherie der Verdampfungsfläche abge­ nommen wird. Die Schichtdicke auf der Verdampfungsfläche läßt sich bei vorgegebener Einspeismenge im wesentlichen durch die Drehzahl der Verdampfungsfläche bestimmen bzw. durch Änderung der Einspeisemenge variieren.

Die Verdampfungsleistung eines solchen Zentrifugalver­ dampfers wird durch die Wärmedurchgangszahl, die Verdamp­ fungsfläche und die Temperaturdifferenz zwischen Heizme­ dium und Verdampfungstemperatur des Produktfilms be­ stimmt. Läßt sich die geforderte Endkonzentration mit einer einzelnen Verdampfungsfläche bei einem Durchlauf nicht erreichen, werden entweder mehrere Verdampfungsflä­ chen axial übereinander angeordnet und wird das an der Peripherie der einen Verdampfungsfläche abgegebene Kon­ zentrat auf die nächste Verdampfungsfläche aufgegeben (US 4 683 026). Die Aufkonzentrierung erfolgt also in mehre­ ren hintereinander geschalteten Stufen. Ein solcher mehrstufiger Verdampfer ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb.

Eine andere Möglichkeit der Konzentrationssteigerung bietet der Umlaufverdampfer (US 5 254 219, GB 2 134 803). Bei diesem Verdampfertyp wird das an der Peripherie abgenommene Konzentrat gesammelt und wiederum im Zentrum der Verdampfungsfläche aufgegeben. Die Aufkonzentrierung erfolgt also in mehreren Umläufen. Solche Verdampfer arbeiten diskontinuierlich.

Die Leistung solcher Zentrifugal-Dünnschichtverdampfer ist weiterhin durch folgende Phänomene beschränkt: Die Flüssigkeit wird in laminarer Strömung über die Verdamp­ fungsfläche geführt. Der Wärmeaustausch zwischen der beheizten Verdampfungsfläche und der Flüssigkeit be­ schränkt sich im wesentlichen auf die Wärmeleitung und hängt damit von der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit ab, während sich der Stoffaustausch auf die molekulare Diffusion beschränkt. Auch das bei vielen Produkten gewünschte bzw. notwendige Entgasen, Entschäumen, Desodo­ rieren und Desorbieren ist bei laminarer Strömung nur unzureichend möglich.

Aufgrund der Flächenvergrößerung von innen nach außen nimmt die Schichtdicke der Flüssigkeit nach außen ab. Dabei besteht die Gefahr, daß der Flüssigkeitsfilm in den äußeren Bereichen aufreißt und die Flüssigkeit in Schlie­ ren über die Fläche läuft. Dadurch kommt es zu Überhit­ zungen des Produktes. Dies wiederum kann zur Schädigung oder Zerstörung des Produktes sowie zu Anbackungen und damit zur Verunreinigung der Verdampfungsfläche führen. Diese Nachteile treten insbesondere bei starker Ein­ dickung, d. h. starkem Konzentrationsanstieg nach außen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zentrifu­ galverdampfer derart auszubilden, daß bei erhöhter Flächenleistung ein Eindicken bzw. Aufkonzentrieren in nur einer Stufe und ferner bei Bedarf ein wirksames Entgasen oder Entschäumen des Produkts möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verdampfungsfläche zumindest auf einem Teil ihrer axialen Länge treppenförmig ausgebildet ist und jede Stufe einen Stufenwinkel im Bereich von 90° aufweist.

Die treppenförmige Ausbildung der Verdampfungsfläche zumindest auf einem Teil ihrer axialen Länge führt zu einer erheblichen Steigerung der Flächenleistung, die darauf beruht, daß sich an jeder Stufe folgender Vorgang abspielt: Die Flüssigkeit läuft im wesentlichen laminar auf den etwa vertikalen Abschnitt jeder Stufe auf, wird reflektiert und bildet einen Wirbel, der zum Aufbau einer turbulenten Strömung führt. Die innerhalb der Stufe befindliche Flüssigkeit bildet eine etwa parabolische Oberfläche mit einer turbulenten Kernströmung aus und läuft am oberen Ende der Stufe annähernd laminar über die nächsthöhere Stufenkante ab. Aufgrund der turbulenten Strömung innerhalb der Teilvolumina der Flüssigkeit in jeder Stufe wird der Wärme- und Stoffaustausch gegenüber einer rein laminaren Strömung erheblich verbessert. Ferner wird durch die turbulente Strömung das Entgasen, Entschäumen und Desodorieren begünstigt.

Die Art der Strömung auf jeder Stufe läßt sich durch die Drehzahl maßgeblich beeinflussen. Während in kleineren Drehzahlbereichen die Flüssigkeit die Stufe im wesent­ lichen ausfüllt und dabei die genannte parabolische Oberfläche bei nur mäßiger Turbulenz im Flüssigkeitskern annimmt, nimmt mit zunehmender Drehzahl das Flüssigkeits­ volumen innerhalb jeder Stufe ab, die Turbulenz aber gleichzeitig zu.

Es ist zwar bei Dünnschichtverdampfern bekannt (US 4 153 500 = DE 24 09 502), die aus Gründen eines guten Wärme­ übergangs sehr dünne Verdampfungsfläche abzustufen oder wellenförmig auszubilden, um ihr eine höhere Tragfestig­ keit zu verleihen. Die Profilierung ist jedoch bewußt sehr flach gewählt, um eine laminare Dünnschichtströmung zu gewährleisten.

Die Stufen können in üblicher Weise ausgebildet sein, d. h. aus einem Abschnitt, der im wesentlichen senkrecht zur Drehachse, also im wesentlichen horizontal verläuft, und einem weiteren Abschnitt der sich im wesentlichen parallel zur Drehachse und damit im wesentlichen vertikal erstreckt, bestehen.

Die Verweilzeit der Flüssigkeit auf jeder Stufe und die sich dort einstellende Strömung lassen sich ferner durch die konstruktive Ausbildung der Stufen beeinflussen. So kann beispielsweise der eine Abschnitt der Stufe unter einem Winkel α gegenüber der Normalen zur Drehachse verlaufen. Ist der Winkel α positiv, d. h. steigt die Stufe von innen nach außen leicht an, strömt die Flüssig­ keit schneller ab. Dies geschieht in einer eher laminaren Strömung. Ist der Winkel α hingegen negativ, fällt also die Stufenfläche nach außen ab, wird die Verweilzeit der Flüssigkeit auf jeder Stufe vergrößert, da die Stufe eine Art Flüssigkeitssack bildet.

Ähnliche Effekte lassen sich dadurch erreichen, daß die im wesentlichen vertikalen Abschnitte jeder Stufe oder einzelner Stufen gegenüber der Drehachse unter einem Winkel β geneigt sind. Ist der Winkel β negativ, erhöht sich das Flüssigkeitsvolumen und die Verweilzeit der Flüssigkeit in der Stufe, wohingegen bei positivem Winkel β die Flüssigkeit schneller abströmt.

Schließlich läßt sich die Verweilzeit der Flüssigkeit und damit der Stoff- und Wärmeaustausch im turbulenten Be­ reich durch die geometrische Abmessung der Stufen beein­ flussen, nämlich einerseits durch deren radiale Länge ΔR und deren axiale Höhe ΔL. Je kleiner das Verhältnis ΔR/ΔL ist, umso größer ist die Verweilzeit der Flüssigkeit auf jeder Stufe.

Schließlich läßt sich die Art der Strömung -laminar oder turbulent- durch den Krümmungsradius r am Übergang zwi­ schen dem horizontalen und dem vertikalen Abschnitt beeinflussen. Je größer der Krümmungsradius, umso eher stellt sich eine laminare Strömung am Übergang der Stufen ein, während ein kleiner Krümmungsradius eher zum Abreißen der Strömung an der Kante führt.

Je nach Art des Produktes und der gewünschten Eindickung kann es von Vorteil sein, wenn die Verdampfungsfläche auf einem Teil ihrer axialen Länge stufenförmig profiliert, im übrigen Bereich glattwandig ausgebildet ist.

Der glattwandige Teil kann sich im oberen Bereich befin­ den. Bei dieser Ausbildung erfolgt im unteren Bereich des Verdampfers eine starke Aufkonzentrierung bzw. Eindickung des Produktes aufgrund der turbulenten Strömung in den Stufenräumen, während im oberen Bereich des Verdampfers mit der glattwandigen Verdampfungsfläche eine im wesent­ lichen laminare Strömung vorliegt, die zu einer schonen­ den Behandlung bis zum Erreichen der Endkonzentration führt. Eine umgekehrte Anordnung, also unten glattwandig und oben treppenförmig, kann sich beim Strippen empfeh­ len.

Die Stufen der treppenförmig ausgebildeten Verdampfungs­ fläche können so gestaltet sein, daß die radial innen liegenden Kanten oder die radial außenliegenden Ecken der Stufen auf einem Paraboloid liegen, also eine von innen nach außen bzw. von unten nach oben zunehmende Steigung aufweisen.

Schließlich zeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform dadurch aus, daß die Verdampfungsfläche eine Wandung eines einen Wärmeträgerraum aufweisenden Rotors bildet und mit einem an der Außenfläche der treppenförmigen Verdampfungsfläche kondensierenden, dampfförmigen Wärme­ träger beheizt ist.

Der an der treppenförmigen Außenseite der Verdampfungs­ fläche in Form von Tropfen kondensierende Wärmeträger wird aufgrund des Umlaufs des Rotors zentrifugal be­ schleunigt und abgeschleudert und prallt auf die gegen­ überliegende Innenseite der Außenwand des Rotors und läuft dort nach unten ab. Aufgrund der treppenförmigen Ausbildung setzt die Tropfenkondensation schon bei we­ sentlich niedrigerer Drehzahl ein als bei einer glattwan­ digen Verdampfungsfläche.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verdampfungsfläche hat nicht nur die beschriebenen thermodynamischen und strömungsdynamischen Vorteile, sondern führt bei gleichem Durchmesser auch zu einer erheblichen Steigerung der bei der Verdampfung wirksamen Oberfläche.

Ein solchermaßen ausgebildeter Verdampfer läßt sich nicht nur zum Aufkonzentrieren bzw. Eindicken von beliebigen Flüssigkeiten, insbesondere organischen Flüssigkeiten verwenden, sondern beispielsweise auch zur Biosynthese von Polysacchariden, zur Polykondensation von Polyester etc.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt eines Zentrifugalverdampfers;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Verdampfungsfläche gemäß Fig. 2;

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Teilschnitt einer anderen Ausfüh­ rungsform der Verdampfungsfläche.

Fig. 1 zeigt einen Verdampfer 1 in einem schematischen Schnitt. Der Verdampfer 1 weist einen Rotor 2 auf. Der Rotor läuft entsprechend dem Pfeil 3 um eine Achse 10 in einem nicht gezeigten Behälter um.

Der Rotor 2 weist eine Verdampfungsfläche 4 auf, die einen Wärmeträgerraum 5 nach oben begrenzt. Das vorzugs­ weise dampfförmige Heizmedium wird beispielsweise über den Stutzen 6 in den Wärmeträgerraum eingespeist und das Kondensat verläßt diesen über ein Schälrohr 7.

Das aufzukonzentrierende bzw. einzudickende Produkt wird im Zentrum der rotationssymmetrischen Verdampfungsfläche 4 entsprechend dem Richtungspfeil 8 eingespeist und nahe der Drehachse auf den Boden 9 der Verdampfungsfläche 4 aufgegeben. Das Produkt wird zentrifugal beschleunigt, strömt dann unter zunehmender Aufkonzentrierung auf der Verdampfungsfläche 4 nach oben und wird an deren Periphe­ rie entsprechend dem Richtungspfeil 11 als Konzentrat abgegeben.

Die Verdampfungsfläche 4 ist treppenförmig ausgebildet und besteht aus mehreren Stufen 14, die mit zunehmendem Abstand R von der Drehachse ansteigend angeordnet sind. Die Innenkanten der Stufen 14 liegen auf einer Hüllfläche 15, die eine Kegelfläche, ein Paraboloid oder eine belie­ bige andere Fläche dritter Ordnung bildet. Die Tiefe der Stufen ist mit ΔR, die Höhe der Stufen mit ΔL bezeichnet, wobei L die axiale Höhe der Verdampfungsfläche 4 ist.

Auf der Verdampfungsfläche bildet sich eine Mischströmung mit überwiegend turbulentem Anteil. Dies ist in Fig. 2 näher gezeigt. Die bei 8 aufgegebene Flüssigkeit wird aufgrund des Umlaufs des Rotors 2 auf dem Boden 9 der Verdampfungsfläche zentrifugal beschleunigt und trifft auf den im wesentlichen vertikalen Abschnitt 16 der ersten Stufe 14 auf. Die Flüssigkeit wird dort abgebremst und reflektiert, so daß sich entlang des vertikalen Abschnittes eine Wirbelströmung ausbildet, die erst im oberen Bereich des vertikalen Abschnittes 16 im Bereich der innenliegenden Kante 17 der Stufe in eine laminare Strömung übergeht, die sich auf dem im wesentlichen horizontalen Abschnitt 18 der Stufe fortsetzt, um im Bereich der äußeren Ecke 19 bzw. dem vertikalen Abschnitt 16 der nächsten Stufe 14 wiederum abgebremst zu werden.

Es bildet sich somit am jeweils vertikalen Abschnitt 16 jeder Stufe 14 eine turbulente Strömung im Bereich 20 aus, die je nach Drehzahl des Rotors eine mehr oder weniger große radiale Dicke aufweist. Diese radiale Dicke der turbulenten Strömung nimmt zu den innenliegenden Kanten 17 der Stufen ab, geht dort unter Unständen in eine laminare Strömung über, die auch noch auf dem an­ schließenden horizontalen Abschnitt 18 vorliegt.

Die Verweilzeit der Flüssigkeit auf jeder einzelnen Stufe läßt sich nicht nur durch die Drehzahl des Rotors 2 beeinflussen, sondern auch durch die geometrische Ausbil­ dung der Stufen. So ist die Verweilzeit auf jeder Stufe umso größer, je größer das Verhältnis ΔL/∆R (siehe Fig. 1) der Stufen ist, wobei davon ausgegangen wird, daß die vertikalen Abschnitte 16 parallel zur Drehachse und die horizontalen Abschnitte 18 senkrecht zu ihr verlaufen.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung der Verweilzeit und der Strömungsverhältnisse ist in Fig. 3 gezeigt. Während die oberste Stufe 14 in gleicher Weise ausgebil­ det ist wie in Fig. 2, weist die darunter liegende Stufe 14 einen achsparallelen vertikalen Abschnitt 16, jedoch einen Abschnitt 21 auf, der gegenüber der Normalen zur Drehachse 10 um den Winkel -α geneigt ist. Dadurch ent­ steht eine Art Sack, in der sich eine größere Menge an Flüssigkeit ansammeln kann. Eine noch größere Verweilzeit der Flüssigkeit auf jeder Stufe ergibt sich dann, wie bei der untersten Stufe angedeutet, die Wange 22 der Stufe 14 unter einem Winkel -β gegenüber der Drehachse verläuft. Die in den Stufen 14 aufgestaute Flüssigkeit nimmt eine parabolische Oberfläche 23 ein.

Wie ohne weiteres aus Fig. 3 zu schließen, kann die Verweilzeit der Flüssigkeit auf jeder Stufe gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 dadurch vermindert werden, daß die horizontalen Abschnitte unter einem Winkel +α und/oder die vertikalen Abschnitte unter einem Winkel +β angeordnet sind. Auch lassen sich beide konstruktiven Maßnahmen miteinander kombinieren.

Aus der Darstellung der Fig. 1 ist ferner ersichtlich, daß bei parabolischer Hüllfläche die Höhe ΔL der Stufen und damit auch die Verweilzeit der Flüssigkeit von unten nach oben zunimmt. Will man dies im Bedarfsfall vermei­ den, so kann die Hüllfläche der Stufen eine Kegelfläche sein. Auch kann es im Bedarfsfall angebracht sein, die Verdampfungsfläche bereichsweise glattwandig auszubilden.

Schließlich läßt sich die Art der Strömung am Übergang der im wesentlichen horizontalen Abschnitte 18 in die vertikalen Abschnitte 16 durch den Krümmungsradius r beeinflussen. Je größer dieser Krümmungsradius ist, umso eher stellt sich am Übergang eine laminare Strömung ein, während die Strömung eher abreißt bzw. turbulent wird, wenn der Krümmungsradius r sehr klein ist.

Das dampfförmige Heizmedium im Wärmeträgerraum 5 konden­ siert an der Außenseite der treppenförmigen Verdampfungs­ fläche in Tropfenform. Aufgrund des Umlaufs des Rotors 2 werden die Tröpfchen zentrifugal abgeschleudert, wie dies mit den Richtungspfeilen angedeutet ist, und prallen auf die Innenseite der Außenwand des Rotors 2. Dort laufen sie nach unten ab und das sich in Bodennähe des Rotors sammelnde Kondensat wird von dem Schälrohr 7 aufgenommen und durch den Stutzen 6 nach außen geleitet.

Claims (10)

1. Zentrifugalverdampfer mit wenigstens einer rotieren­ den, beheizten Verdampfungsfläche, die von der Rotationsachse nach außen ansteigt, einer Flüssig­ keitseinspeisung im Bereich des tiefsten Punktes der Verdampfungsfläche nahe der Drehachse und einer Konzentratentnahme an der Peripherie der Verdamp­ fungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ dampfungsfläche (4) zumindest auf einem Teil ihrer axialen Länge treppenförmig ausgebildet ist und jede Stufe (14) einen Stufenwinkel im Bereich von etwa 90° aufweist.

2. Zentrifugalverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Abschnitt (18) der Stufen (14) im wesentlichen senkrecht zur Drehachse (10) und der andere Abschnitt (16) im wesentlichen parallel zur Drehachse verläuft.

3. Zentrifugalverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der eine Abschnitt (18) der Stufen (14) unter einem Winkel gegenüber der Normalen zur Drehachse (10) geneigt ist.

4. Zentrifugalverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der andere Abschnitt (16) der Stufen (14) unter einem Winkel gegenüber der Drehachse (10) geneigt sind.

5. Zentrifugalverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Länge ΔR der Stufen (14) variabel ist.

6. Zentrifugalverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe ΔL der Stufen (14) variabel ist.

7. Zentrifugalverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius r am Übergang zwischen den beiden Abschnitten (16) und (18) der Stufen (14) variabel ist.

8. Zentrifugalverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsflä­ che (4) auf einem Teil ihrer axialen Länge stufen­ förmig profiliert, im übrigen Bereich glattwandig ausgebildet ist.

9. Zentrifugalverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis g, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innen liegenden Kanten (17) oder die radial außen liegen­ den Ecken (19) der Stufen (14) auf einem Paraboloid liegen.

10. Zentrifugalverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsflä­ che (4) eine Wandung eines einen Wärmeträgerraum (5) aufweisenden Rotors (2) bildet und mit einem an der Außenfläche der treppenförmigen Verdampfungsfläche kondensierenden, dampfförmigen Wärmeträger beheizt ist.