DE2603480C2 - Dünnschichtverdampfer, insbesondere für hochsiedende Produkte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtverdampfer, insbesondere für hochsiedende Produkte, mit einem Brüdenraum und einem darin umlaufenden Rotor, der einen Raum für einen Wärmeträger und eine diesen Raum gegen den Brüdenraum begrenzende Verdampferfläche aufweist.

Solche Dünnschichtverdampfer mit rotierenden Verdampferflächen sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Ihr wesentlicher Vorteil besteht darin, daß das auf die Verdampferfläche aufgegebene Rohprodukt in einer extrem dünnen Schicht bei extrem kurzer Verweilzeit destilliert werden kann. Solche Verdampfer sind deshalb insbesondere für thermisch empfindliche Produkte, z. B. in der chemischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Industrie im Einsatz. Diese schonende Behandlung des Produktes wird in aller Regel noch dadurch unterstützt, daß der Brüdenraum unter Vakuum gesetzt, die Verdampfungstemperatur also herunter gedrückt wird. Dabei wird der Wärmeträger entsprechend der erforderlichen Verdampfungstemperatur unter anorganischen oder organischen Flüssigkeiten ausgewählt.

Der im allgemeinen dampfförmige Wärmeträger muß von einer ortsfesten Erzeugeranlage in den rotierenden Wärmeträgerraum eingespeist und das anfallende Kondensat gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft ausgetragen werden. Dies bereitet insbesondere dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn der Wärmefäger wegen einer hohen Verdampfungstemperatur des zu verarbeitenden Produktes selbst eine entsprechend hohe Temperatur aufweisen muß. Die ortsfesten Teile der Wärmeträgeranlage müssen nämlich gegenüber den mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Teilen abgedichtet v, erden, wofür im allgemeinen nur elastische Dichtungen in Frage kommen. Diese haben aber den entscheidenden Nachteil, daß sie bei hohen Temperaturen des Wärmeträgers entweder nicht mehr beständig sind oder aber nach kurzer Zeit aus technologischen Gründen funktionsuntüchtig werden. Diese Dichtungsprobleme vergrößern sich noch dadurch, daß die Abdichtung bei großen Durchmessern erfolgen muß. Auch das gegebenenfalls vorhandene Hochvakuum wirft in dieser Hinsicht zusätzliche Schwierigkeiten auf. Undichtigkeiten sind deshalb besonders gravierend, weil sie zur Verunreinigung des oft hochwertigen Produktes durch den Wärmeträger führen können. In vielen Fällen scheidet deshalb die Anwendung von Dünnschichtverdampfern mit rotierenden Verdampferflächen aus.

Es sind weiterhin Dünnschichtverdampfer des geschilderten Aufbaus bekannt (US-PS 22 10 927), bei deiien ein flüssiger Wärmeträger direkt im Verdampferbehälter untergebracht ist und unter Zuhilfenahme der Zentrifugalkräfte aus einem Sumpf unter die Verdampferfläche transportiert wird. Mit der Anwendung eines flüssigen Wärmeträgers ergibt sich natürlich eine Begrenzung der Siedetemperatur nach oben. Andererseits treten auch hier Probleme auf, da sich der Produktraum gegenüber dem Wärmeträgerraum nicht oder nur unter großem Aufwand abdichten läßt

Schließlich sind Dünnschichtverdampfer bekannt (FR-PS 15 83 466), bei denen die Verdampferfläche gedoppelt ist und in den Zwischenraum elektrische Widerstandsheizkörper angeordnet sind, deren Anschlüsse zu einer zentralen Hohlwelle geführt sind und über einen umlaufenden Stromabnehmer versorgt werden. Eine solche direkte Beheizung der Verdampferfläche ermöglicht einerseits keine gleichmäßige Temperatur- und Wärmeverteilung über der Fläche, bringt ein unerwünscht großes Temperaturgefälle mit sich und führt leicht zu örtlichen Überhitzungen und damit zu Anbakkungen, die nur nach Öffnen des Verdampfers beseitigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschichtverdampfer des eingangs geschilderten Auf paus so auszubilden, daß er unter konstruktiver Vereinfachung für hochsiedende und schwierige Produkte eingesetzt werden kann.

Ausgehend von einem Dünnschichtverdampfer mit einem Wärmeträgerkreislauf wird diese Aufgabe erfirdungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor eine Heizung für den mit dieser in direktem Kontakt stehenden flüssigen Wärmeträger aufweist, die auf einem Durchmesserkreis, der etwa gleich oder größer ist als der größte Durchmesser der Verdampferfläche, angeordnet ist.

Aufgrund der bei Dünnschichtverdampfern üblichen, hohen Drehzahl des Rotors bildet sich der flüssige Wärmeträger in Form eines zylindrischen Rings an der Außenwand des Rotors aus und wird, da er dort in direktem Kontakt mit der Heizung steht, bis auf Siedetemperatur erhitzt. Der Dampf gelangt an die Verdampferfläche und kondensiert dort in Tropfen, wodurch sich eine besonders günstige Wärmedurchgangszahl und damit ein geringes Temperaturgefälle an der Verdampferfläche ergibt. Zugleich stellt sich wegen der konstanten Kondensationstemperatur eine konstante Heiztemperatur ein. Die sich an der Verdampferfläche bildenden Tropfen werden aufgrund der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft abgeschleudert, und zwar in Richtung auf die außenliegende Heizung, bis sie in den dort vorhandenen Flüssigkeitsring eintauchen. Damit ist ein in sich geschlossener Transportkreislauf für den Wärmeträger mit einer Phasenänderung zwischen der Heiz- und der Kondensationszone gegeben. Es müssen also keine Pumpen, Leitungen, Dichtungen oder dgl. für einen Zwangsumlauf des Wärmeträgers vorgesehen werden. Da praktisch keine thermischen Verluste auftreten, wird ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht. Die benötigte Menge an Wärmeträger ist wesentlich geringer als bei herkömmlichen Anlagen mit dampfförmigem Wärmeträger. Dadurch und durch die direkte Wirkung der Heizung kann der Wärmeträger schneller aufgeheizt und abgekühlt werden, so daß die Anlauf- und Stillsetzungszeit verkürzt wird.

Dieser Dünnschichtverdampfer ist für jede Art von Rohprodukt unabhängig von dessen Verdampfungstemperatur anwendbar, da der Wärmeträger aufgrund der in den Rotor integrierten Heizung auf jede beliebige Siedetemperatur eingestellt oder danach ausgewählt werden kann. Die Anschaffungskosten eines solchen Dünnschichtverdampfers sind gegenüber den bisher für solche Anwendungszwecke bekannten Anlagen außerordentlich niedrig.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Heizung in einer die Verdampferfläche mit Abstand umgebenden Zylinderebene. Damit ist auch die Heizung rotationssymmetrisch ausgebildet so daß ein absolut gleichmäßiger Wärmetransport innerhalb stattfindet.

Es sind Dünnschichtverdampfer mit einer konischen Verdampferfläche und einem deren Boden bildenden konzentrischen Verteilerteller für das Ausgangsprodukt bekannt Gemäß der Erfindung ist der Rotor eines solchen Verdampfers aus einem Zylinder mit Boden gebildet, nahe dessen Wandung die Heizung angeordnet ist und in den die sich konisch nach innen verjüngende Verdampferfläche mit dem Verteilerteller eingesetzt ist Damit ergibt sich eine in festigkeitstechnischer Hinsicht günstige geschlossene, topfartige Form für den Rotor. Gegebenenfalls kann die Verdampfungsfläche noch zusätzlich abgestützt sein.

Die Heizung ist zweckmäßigerweise aus elektrischen Rohrheizkörpern gebildet die einerseits im Boden des Rotorzylinders eingelötet, andererseits mit ihrem oberen Ende nahe der oberen Stirnkante des Rotorzylinders fixiert sind und deren elektrische Anschlüsse durch die hohl ausgebildete Antriebswelle des Rotors zu einem Schleifringkörper geführt sind. Solche Rohrheizkörper zeichnen sich durch geringe Gestehungskosten aus. Ferner kann das metallische Mantelrohr aus einem an die chemischen Eigenschaften des Wärmeträgers anpaßbaren Werkstoff hergestellt sein. Statt dessen kann natürlich auch eine Induktionsheizung eingebaut sein.

Es sind Dünnschichtverdampfer mit einem den Brüdenraum einschließenden Behälter bekannt, der die Verdampferfläche haubenförmig übergreift, wobei der Destillationsrückstand mittels eines Schöpfrohrs von der Verdampferfläche abgenommen wird, während das .Destillat an den kühlen Wänden des haubenförmigen Behälters kondensiert und nach unten abfließt. Da die untere Wandung des Behälters nahe der Außenwand des Rotors und damit in der Nähe der Heizung liegt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen dem Rotorzylinder und der ihm nahen Wandung des Behälters eine thermische Abschirmung angeordnet ist, um ein Rückverdampfen zu vermeiden.

Da der vorgenannte Dünnschichtverdampfer bei erheblich höheren Temperaturen als die bekannten Verdampfer ähnlichen Aufbaus betrieben werden kann, müssen auch gesonderte Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Es ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Rotorzylinder zusammen mit der Verdampferfläche an einer den Brüdenraum axial durchsetzenden Hohlachse befestigt ist, die einerseits mit dem Raum für den Wärmeträger in Verbindung stent, andererseits mit ihrem oberen Ende über eine Wellendurchführung am Behälter an einen außerhalb des Behälters angeordneten Kondensator angeschlossen ist. Durch diese Hohlachse gelangt die Überschußwärme als Teil des dampfförmigen Wärmeträgers in den Kondensator, wird dort niedergeschlagen und fällt in den Wärmeträgerraum zurück. Dabei ist der Kondensator zweckmäßigerweise für hundert Prozent Überschußwärme ausgelegt. Es ergibt sich somit eine gute Betriebssicherheit.
Für kleinere Wärmeleistungen des Rotors kann man

die Kondensationsfläche auch direkt in der Hohlachse einbauen.

In dem zuvorgenannten Rohr kann ein Temperatur- und ein Füllstandsfühler für den Wärmeträger angeordnet sein. Der Füllstandsmelder gibt Auskunft darüber, zu welchem Anteil der Wärmeträger flüssig und zu welchem er dampfförmig vorliegt.

Eine weitere sicherheitstechnische Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß der Kondensator auf der Wärmeträgerseite unter einem regelbaren Druck eines Inertgases steht Dadurch können auch Wärmeträger eingesetzt werden, die bei hoher Temperatur bzw. in Dampfform vorsichtig zu handhaben sind. Durch Steuerung des Drucks läßt sich in einfacher Weise die Siedetemperatur des Wärmeträgers regeln.

Zwischen dem Wärmeträgerraum und der Verbindung zur Hohlwelle ist eine Oberströmblende angeordnet, die verhindert, daß der dampfförmige Wärmeträger in den Kondensator durchschlägt. Im Bereich der Überströmblende tritt an der Verdampferfläche Kondensation ein, die zugleich eine Drosselwirkung gegenüber dem zwischen dem Heizraum und dem Kondensator vorhandenen Druekgefälle ausübt.

Vorzugsweise ist die Hohlachse im Brüdenraum mit Abstand von einem mitrotierenden Rohr umgeben, das mit seiner Unterkante oberhalb des Verteilertellers endet in den zwischen der Hohlachse und dem Rohr vorhandenen Ringspalt innerhalb des Brüdenraums kann das Ausgangsprodukt aufgegeben werden. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß das Rohrprodukt an der Innenseite des Rohrs filmartig abläuft und dabei entgast wird, wobei der Entgasungseffekt aufgrund der turbulenten Dünnschicht besonders gut ist

Insgesamt bietet der beschriebene Dünnschichtverdampfer den weiteren Vorteil, daß er in außerordentlich kompakter Bauweise gefertigt werden kann, da Wärmeerzeuger und Wärmeverbraucher in einem einzigen Bauteil zusammengefaßt sind. Dadurch ergibt sich eine nicht unwesentliche konstruktive Vereinfachung bei geringem Raumbedarf. Der geschilderte Verdampfer läßt sich natürlich nicht nur zur Destillation, sondern beispielsweise auch zum Aufkonzentrieren für kurzzeitig ablaufende chemische Reaktionen etc. einsetzen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand einer in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellten Ausführungsform beschrieben.

Der Dünnschichtverdampfer besteht im wesentlichen aus einem Behälter 1, z. B. einem Vakuumgefäß, einem Rotor 2 und einem Antriebsaggregat 3. Der Behälter 1 ist aus einer Haube 4 und einer Wanne 5 gebildet wobei die Haube 4 einen Brüdenraum 6 umschließt Beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel weist die Haube 4 einen Kühlmantel 7 mit einem Kühlmittelzulauf 8 und einem Ablauf 9 auf. Ferner ist der Kühlmantel von einem Schauglas 10 durchbrochen.

Der Rotor 2 besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 11 mit einem Boden 12 und einer Verdampferfläche 13, die beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet und an ihrer Oberkante zu einem Rand 14 eingezogen ist Die Verdampferfläche 13 weist an ihrem Boden einem Verteilerteller 15 mit einer Überlaufkante 16 auf.

Die Wandung des Zylinders 11 und dessen Boden 12 sowie die Verdampferfläche 13 umschließen einen Raum 17 für einen Wärmeträgerkreislauf. Nahe der Wandung des Zylinders 11 ist eine Heizung 18 angeordnet, die beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel aus elektrischen Rohrheizkörpern 19 gebildet ist Diese Rohrheizkörper 19 sind auf einem Durchmesserkreis bzw. in einer Zylinderebene angeordnet, deren Durchmesser beim Ausführungsbeispiel größer ist als der größte Durchmesser der Verdampferfläche 13. Die Rohrheizkörper 19 sind durch den Boden 12 des Zylinders hindurchgeführt und in diesem bei 20 eingelötet. Mit ihrem oberen Ende sind die Rohrheizkörper 19 nahe der oberen Stirnkante 21 des Zylinders 11 fixiert, beispielsweise in Sackbohrungen eingesteckt. Die elektrischen Anschlüsse 22 der Rohrheizkörper führen durch einen Raum 45, der mittels eines Deckels 46 gegenüber dem Destillatraum 50 abgeschlossen ist, durch die Nabe 49 und durch die hohl ausgebildete Antriebswelle 23 des Rotors zu einem Schleifringkörper 24, an den das Versorgungskabel 25 angeschlossen ist.

Der Raum 17 für den Wärmelrägerkreislauf steht über eine konzentrisch zum Rotor 2 angeordnete Hohlachse 26 mit einer Wellendurchführung 51 und einem Dichtungskopf 52 mit einem außerhalb der Haube 4 angeordneten Kondensator 27 in Verbindung. In der Hohlachse 26 ist ein Füllstands- und ein Thermofühler 28 angeordnet. Die Wellendurchführung 51 und der Dichtungskopf 52 sitzen in einem Gehäuse, das über tinen Stutzen 53 zur Anzeige eventueller Leckagen evakuiert werden kann. Der Kondensator 27 ist über die Anschlüsse 29, 30 mit Kühlmedium versorgt und weist auf seiner Dampfseite ein Sicherheitsventil 31 sowie ein Druckausgleichs- und regelventil 32 auf. Über dieses Ventil kann ein Inertgas unter Druck eingeleitet werden.

In den Brüdenraum greift eine Zulaufleitung 33 ein, die zwischen die Hohlachse 26 und einem diese umgebendes Rohr 34 mündet Ferner ist am Übergang zwischen der konischen Verdampferfläche 13 und dem eingezogenen Rand 14 ein Schöpfrohr 35 für den Destillationsrückstand angeordnet das gleichfalls durch die Haube 4 nach außen geführt ist

Die Haube 4 des Verdampfers ist nach unten zu einer Schürze 36 verlängert die in eine nach oben offene Rinne 37 eingreift An der Rinne ist der Destillationsablauf 38 angeschlossen, während nahe der Rinne sich ein Anschlußstutzen 39 für eine Vakuumpumpe befindet Schließlich ist zwischen der äußeren Wandung des Zylinders 11 und der Haube 4 ein thermischer Schirm 40 vorgesehen, der konzentrisch zum Rotor ausgebildet und mit der Wanne 5 des Behälters 1 verbunden ist An diesem thermischen Schirm 40 befindet sich auch die beschriebene Rinne 37.

Bei Betrieb des Dünnschichtverdampfers befindet sich der flüssige Wärmeträger zunächst oberhalb des Bodens 12 des Zylinders 11. Sobald der Rotor 2 in Drehung versetzt wird, wandert diese Flüssigkeit zur Wand hin, steigt mit zunehmender Drehzahl an dieser hoch und bildet schließlich bei Erreichen der relativ hohen Nenndrehzahl einen in der Zeichnung angedeuteten Flüssigkeitsring 41, der die Rohrheizkörper 19 umschließt Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird über einen Drehzahlwächter 47 die Heizung 18 eingeschaltet, so daß die Flüssigkeit allmählich teilweise verdampft und in Dampfform den Wärmeträgerraum 17 ausfüllt Sobald über dem Temperaturfühler 28 die gewünschte Temperatur festgestellt ist, wird über das Zulaufrohr 33 das Ausgangsprodukt aufgegeben, das als Film an dem Zylindermantel 34 herunterläuft in den Verteilerteller 15 gelangt und über die Überlaufkante J6 gleichmäßig auf die Verdampferfläche 13 verteilt wird. Dort läuft es aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit in dünner Schicht nach außen, wobei die leichter siedenden Be-

standteile in den Brüdenraum 6 abdampfen, an dem gekühlten haubenförmigen Mantel 4 des Behälters 1 kondensieren und über die Schürze 36 in die Rinne 37 gelangen. Über den Ablaufstutzen 38 wird das Destillat kontinuierlich abgenommen. Der Destillatrückstand wird mittels des Schöpfrohrs 35 von der oberen Kante der Verdampferfläche abgeschält und nach außen transportiert.

Innerhalb des Raums 17 für den Wärmeträger entsteht ein etwa radialer Wärmeträgerkreislauf 42,43 der von der Verdampferfläche 13 abgeschleuderten Tröpfchen, die aufgrund der Zentrifugalkraft wieder zur Heizung 18 gelangen. Schließlich gelangt auch ein Teil des Dampfs gemäß Richtungspfeil 44 über eine Überströmblende 48 in die Hohlachse 26 und damit zum Temperaturfühler und in den Kondensator 27. Zwischen der Überströmblende und der Verbindung zur Hohlachse 26 kondensiert zumindest ein Teil des Wärmeträgers an dem dort vorhandenen relativ kühlen Abschnitt der Verdampferfläche, so daß dieser kleine Raum eine Art Drossel bildet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (12)

Patentansprüche:

1. Dünnschichtverdampfer, insbesondere für hochsiedende Produkte, mit einem Brüdenraum und einem darin umlaufenden Rotor, der einen Raum für einen Wär/neträgerkreislauf und eine diesen Raum gegen den Brüdenraum begrenzende Verdampferfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) eine Heizung (18) für den mit dieser in direktem Kontakt stehenden flüssigen Wärmeträger aufweist, die auf einem Durchmesserkreis, der etwa gleich oder größer ist als der größte Durchmesser der Verdampferfläche (13) angeordnet ist

2. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (18) in einer die Verdampferfläche (13) mit Abstand umgebenden Zylinderebene liegt

3. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, mit einer konischen Verdampferfläche und einem deren Boden bildenden konzentrischen Verteilerteller für das Ausgangsprodukt dadurch gekennzeichnet daß der Rotor (2) aus einem Zylinder (11) mit Boden (12) gebildet ist, nahe dessen Wandung die Heizung (18) angeordnet und in den die sich konisch nach innen verjüngende Verdampferfläche (13) mit dem Verteilerteller (15) eingesetzt ist.

4. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (18) aus elektrischen Rohrheizkörpern (19) gebildet ist, die einerseits im Boden (12) des Rotorzylinders (11) eingelötet, andererseits mit ihrem oberen Ende nahe der oberen Stirnkante (21) des Rotorzylinders (11) fixiert sind und deren elektrische Anschlüsse (22) durch die hohl ausgebildete Antriebswelle (23) des Rotors (2) zu einem Schleifringkörper (24) geführt sind.

5. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Behälter, der die Verdampferfläche haubenförmig übergreift, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rotorzylinder (11) und der ihm nahen Wandung (4) des Behälters (1) eine thermische Abschirmung (40) angeordnet ist.

6. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorzylinder (11) zusammen mit der Verdampferfläche (13) an einer den Brüdenraum (6) axial durchsetzenden Hohlachse (26) befestigt ist, die einerseits mit dem Raum (17) für den Wärmeträger in Verbindung steht, andererseits mit ihrem oberen Ende an einen Kondensator (27) angeschlossen ist.

7. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (27) in der Hohlachse (26) innerhalb des Brüdenraums (6) angeordnet und über den Behälter (1) durchsetzende Leitungen mit Kühlmedium versorgt ist.

8. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (27) außerhalb des Verdampfers angeordnet und mit der Hohlachse (26) über eine Achsdurchführung (51) am Behälter verbunden ist.

9. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hohlachse (26) ein Temperatur- und ein Füllstandsfühler (28) für den Wärmeträger angeordnet ist.

10. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der

Kondensator (27) auf der Wärmeträgerseite unter einem regelbaren Druck eines Inertgases steht

11. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Raum (17) für den Wärmeträgerkreislauf und der Verbindung zur Hohlachse (26) eine Oberströmblende (48) angeordnet ist

12. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlachse (26) im Brüdenraum (6) mit Abstand von einem mitrotierenden Rohr (34) umgeben ist das mit seiner Unterkante oberhalb des Verteilertellers (15) endet, und daß in den zwischen der Hohlachse und dem Rohr vorhandenen Ringspalt innerhalb des Brüdenraums (6) das Ausgangsprodukt aufgegeben wird.