-
Die Erfindung betrifft einen Apparat
zum Behandeln von flüssigen
Produkten in einem Zentrifugalfeld, bestehend aus einem um eine
Achse umlaufenden Rotor mit einem Boden, einer vom Boden nach außen ansteigenden,
eine Behandlungsfläche bildenden
Wandung, wenigstens einer nahe dem Boden mündenden Produkt-Einspeisung
und einer nahe der Peripherie des Rotors angeordneten Produkt-Entnahme.
-
Apparate des vorgenannten Aufbaus
werden zum Mischen, Emulgieren, Suspendieren und Dispergieren von
feinen Partikeln in Flüssigkeiten
sowie zum Entschäumen
oder Entgasen von Flüssigkeiten und
schließlich
zum Verdampfen und Destillieren eingesetzt. Weite Verbreitung haben
sie insbesondere als Zentrifugalverdampfer, weshalb nachfolgend
auf diese Bauart exemplarisch eingegangen wird.
-
Zentrifugalverdampfer weisen glatte,
konische bzw. kegelige Verdampfungsflächen auf und arbeiten nach
dem Dünn schichtprinzip.
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 eingedickt, das an der Peripherie der Verdampfungsfläche abgenommen
wird. Die Schichtdicke auf der Verdampfungsfläche läßt sich bei vorgegebener Einspeisemenge
im wesentlichen durch die Drehzahl der Verdampfungsfläche bestimmen
bzw. durch Änderung
der Einspeisemenge variieren.
-
Die Verdampfungsleistung eines solchen Zentrifugalverdampfers
wird durch die Wärmedurchgangzahl,
die Verdampfungsfläche
und die Temperaturdifferenz zwischen Heizmedium und Verdampfungstemperatur
des Produktfilms bestimmt. Läßt sich
die geforderte Endkonzentration mit einer einzelnen Verdampfungsfläche bei
einem Durchlauf nicht erreichen, werden entweder mehrere Verdampfungsflächen axial übereinander
angeordnet und wird das an der Peripherie der einen Verdampfungsfläche abgegebene
Konzentrat auf die nächste
Verdampfungsfläche
aufgegeben (
US 4 683 026 ).
Die Aufkonzentrierung erfolgt also in mehreren 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
Verdampfungsfläche
geführt.
Der Wärmeaustausch
zwischen der beheizten Verdampfungsfläche und der Flüssigkeit
beschränkt
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, Desodorieren
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 Schlieren über
die Fläche läuft. Dadurch
kommt es zu Überhitzungen
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 Eindickung, d.h.
starkem Konzentrationsanstieg nach außen auf.
-
Werden solche Apparate mit rotierenden
konischen Flächen
zum Mischen, Emulgieren, Suspendieren oder Dispergieren eingesetzt,
so hängt
auch bei diesen Verfahren der Wirkungsgrad maßgeblich davon ab, daß auf der
gesamten Behandlungsfläche eine
geschlossene Produktschicht vorhanden ist, um den Stoffaustausch
zu gewährleisten.
Zudem führt eine
nur laminare Strömung
der Produktschicht zu einem unzulänglichen Wirkungsgrad. Dies
gilt insbesondere dann, wenn die Komponenten der Mischung stark
unter schiedliche Dichte aufweisen, da der Rotor dann nach Art eines
Separators arbeitet und die Komponenten in übereinanderliegenden Schichten über die
Behandlungsfläche
laufen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Apparat mit umlaufendem Rotor derart auszubilden, daß ein größerer Wirkungsgrad
erreicht wird, bei Mischvorgängen
also eine wirksamere Durchmischung bei gleicher Leistung, bei Verdampfern
eine erhöhte
Flächenleistung
und ferner bei Bedarf ein wirksames Entgasen oder Entschäumen des
Produkts erreicht wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Behandlungsfläche
zumindest auf einem Teil ihrer axialen Länge treppenförmig ausgebildet
ist und jede Stufe einen Stufenwinkel im Bereich von etwa 90° aufweist.
-
Die treppenförmige Ausbildung der Behandlungsfläche 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 wesentlichen
ausfüllt
und dabei die genannte parabolische Oberfläche bei nur mäßiger Turbulenz
im Flüssigkeitskern
annimmt, nimmt mit zunehmender Drehzahl das Flüssigkeitsvolumen 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 Wärmeübergangs
sehr dünne
Verdampfungsfläche
abzustufen oder wellenförmig
auszubilden, um ihr eine höhere
Tragfestigkeit 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 gegenüber
der Normalen zur Drehachse verlaufen. Ist der Winkel 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 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 Bereich durch die geometrische Abmessung der Stufen
beeinflussen, 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
zwischen 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
Wirkung kann es von Vorteil sein, wenn die Behandlungsfläche auf
einem Teil ihrer axialen Länge
stufenförmig
profiliert, im übrigen
Bereich glattwandig ausgebildet ist.
-
Der glattwandige Teil kann sich im
oberen Bereich befinden. Bei dieser Ausbildung erfolgt im Falle
eines Verdampfers im unteren Bereich 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 wesentlichen laminare Strömung
vorliegt, die zu einer schonenden Behandlung des zuvor aufkonzentrierten
Produktes bis zum Erreichen der Endkonzentration führt. Eine
umgekehrte Anordnung, also unten glattwandig und oben treppenförmig, kann
sich beim Strippen empfehlen.
-
Die Stufen der treppenförmig ausgebildeten Behandlungsfläche 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.
-
In bevorzugter Ausführung ist
der Rotor in einem geschlossenen Behälter untergebracht und die Drehachse
durch den Behälter
nach außen
geführt, so
daß die
Behandlung der Flüssigkeit
unter kontrollierten Umgebungsbedingungen erfolgt.
-
Der erfindungsgemäß ausgebildete Apparat kann,
wie schon gesagt zum Mischen (Emulgieren, Suspendieren und Dispergieren)
sowie zum Entgasen und Entschäumen
eingesetzt werden. Im Falle des Mischens können die die Mischung bildenden Komponenten
gemeinsam über
die Produkt-Einspeisung zugeführt
werden. Stattdessen können
die Komponenten auch über
je eine getrennte Produkt-Einspeisung zugeführt werden. In diesem Fall kann
es vorteilhaft sein, wenn die Produkt-Einspeisungen in unterschiedlichem
axialen Abstand zum Boden münden.
-
Für
Verdampfungsvorgänge
aber auch zur Behandlung von Produkten, die eine höhere Viskosität aufweisen
oder erst bei erhöhter
Temperatur in die flüssige
Phase übergehen,
ist der Apparat vorzugsweise so ausgebildet, daß die die Behandlungsfläche bildende
Wandung beheizt ist.
-
Bei Verwendung des Apparates als
Zentrifugalverdampfer ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Rotor
ein etwa zylindrisches Gehäuse
aufweist, in das die eine Verdampferfläche bildende Wandung eingesetzt
ist, und daß der
Raum zwischen dem Gehäuse
und der Verdampferfläche
einen Heizraum bildet. In den Heizraum wird vorzugsweise ein dampfförmiger Wärmeträger eingespeist.
-
Der an der treppenförmigen Außenseite
der Verdampfungsfläche
in Form von Tropfen kondensierende Wärmeträger wird aufgrund des Umlaufs
des Rotors zentrifugal beschleunigt und abgeschleudert und prallt
auf die gegenüberliegende
Innenseite der Außenwand
des Rotors und läuft
dort nach unten ab. Aufgrund der treppenförmigen Ausbildung setzt die Tropfenkondensation
schon bei wesentlich niedrigerer Drehzahl ein als bei einer glattwandigen
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:
-
1 einen
schematischen Schnitt des Rotors eines Zentrifugalverdampfers;
-
2 einen
vergrößerten Teilschnitt
der Verdampfungsfläche
gemäß 2;
-
3 einen
der 2 entsprechenden
Teilschnitt einer anderen Ausführungsform
der Verdampfungsfläche
und
-
4 eine
schematische Ansicht des Rotors eines Mischers.
-
1 zeigt
einen Verdampfer 1 in einem schematischen Schnitt. Der
Verdampfer 1 weist einen Rotor 2 auf. Der Rotor
läuft entsprechend
dem Pfeil 3 in einem nicht gezeigten Behälter um.
-
Der Rotor 2 weist als Behandlungsfläche 4 eine
Verdampfungsfläche
auf, die einen Wärmeträgerraum 5 nach
oben begrenzt. Das vorzugsweise dampfförmige Heizmedium wird beispielsweise über den
Stutzen 6 in den Wärmeträgerraum
eingespeist und das Kondensat verläßt diesen über ein Schälrohr 7. Mit dem Stutzen 6 ist
der Rotor 2 im Boden des nicht gezeigten geschlossenen
Behälters
drehbar gelagert.
-
Das aufzukonzentrierende bzw. einzudickende
Produkt wird im Zentrum der rotationssymmetrischen Verdampfungsfläche entsprechend
dem Richtungspfeil 8 eingespeist und nahe der Drehachse
auf den Boden 9 der Verdampfungsfläche aufgegeben. Das Produkt
wird zentrifugal beschleunigt, strömt dann unter zunehmender Aufkonzentrierung
auf der Verdampfungsfläche
nach oben und wird an deren Peripherie entsprechend dem Richtungspfeil 11 als Konzentrat
abgegeben bzw. von einem Schälrohr
abgenommen, während
die Brüden
in dem Behälter aufgefangen
und abgeleitet werden.
-
Die Verdampfungsfläche 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 beliebige 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
ist.
-
Auf der Verdampfungsfläche bildet
sich eine Mischströmung
mit überwiegend
turbulentem Anteil. Dies ist in 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 anschließenden
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 Ausbildung der Stufen. So ist
die Verweilzeit auf jeder Stufe umso größer, je größer das Verhältnis ΔL/ΔR (siehe 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 3 gezeigt. Während die
oberste Stufe 14 in gleicher Weise ausgebildet ist wie
in 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 entsteht eine Art Sack, in dem sich eine größere Menge
an Flüssigkeit ansammeln
kann. Eine noch größere Verweilzeit der Flüssigkeit
auf jeder Stufe ergibt sich dann, wenn, 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 3 zu schließen, kann
die Verweilzeit der Flüssigkeit
auf jeder Stufe gegenüber
der Anordnung gemäß 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.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegen die Ecken der Stufen
auf einer Kegelfläche 15. Aus
der Darstellung der 1 ist
aber ohne weiteres ersichtlich, daß bei einer parabolischen Hüllfläche die Höhe ΔL der Stufen
und damit auch die Verweilzeit der Flüssigkeit von unten nach oben
zunimmt. 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 kondensiert
an der Außenseite
der treppenförmigen
Verdampfungsfläche
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 Schälröhr 7 aufgenommen und
durch den Stutzen 6 nach außen geleitet.
-
4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Mischers zum Mischen, Emulgieren oder Suspendieren von Flüssigkeiten
untereinander oder Dispergieren von Partikeln in Flüssigkeiten.
Der Rotor 2 weist auch hier einen Heizraum 5 auf,
um viskose oder bei Raumtemperatur pastöse Produkte, die erst bei erhöhter Temperatur
ausreichend fließfähig sind,
mischen zu können.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel
besteht die Mischung aus drei Komponenten. Zwei Komponenten werden,
wie mit den Pfeilen 24 und 25 angedeutet, auf
den Boden 9 der Behandlungsfläche 4 aufgegeben,
während
die dritte Komponente, wie mit dem Pfeil 26 angedeutet,
auf der ersten Stufe 14 zugeführt wird. Die fertige Mischung wird
an der Peripherie der treppenförmigen
Behandlungsfläche 4 mit
einem Schälrohr
abgenommen.
-
Die rotierende Behandlungsfläche kann
zusätzlich
oder ausschließlich
zum Entgasen bzw. Entschäumen
von flüssigen
Produkten verwendet werden, da aufgrund des Zentrifugalfeldes eine
Trennung von Flüssigkeit
und Gas stattfindet.