DE2625930A1

DE2625930A1 - Duennschichtverdampfer sowie verfahren zur behandlung von fluessigkeiten in duennen schichten

Info

Publication number: DE2625930A1
Application number: DE19762625930
Authority: DE
Inventors: James L Baird
Original assignee: Artisan Industries Inc
Current assignee: Artisan Industries Inc
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-10
Publication date: 1976-12-30
Also published as: FR2380803A1; JPS51151676A; FR2380803B3; US4093479A

Description

2625330

UEXKÜLL & STOLBERG PATENTANWÄLTE

2 HAMBURG 52

BESELERSTRASSE 4

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Artisan Industries Inc. _(priQ: ^ _Juni ^₇₅

US 587 995 - 13183) 73 Pond Street

Waltham, Mass./V.St.A. Hamburg, 8. Juni 1976

Dünnschichtverdampfer sowie Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten in dünnen Schichten

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnschichtverdampfer mit einer geschlossenen, eine Innenwand in Form einer Rotationsfläche aufweisenden Kammer, in der eine eine Anzahl Rotorwischer tragende drehbare Rotorachse angeordnet ist und die eine Produkteinlaß- und eine im Abstand davon stromabwärts liegende Produktauslaßöffnung sowie eine Dampfkammer mit einer Dampfauslaßöffnung aufweist, wobei sich die Rotorwischer axial und radial bezüglich der Rotorachse und zur Erzeugung einer dünnen Schicht bis dicht an die Innenwand erstrecken sowie von einer Stelle nahe oder im Bereich der Produkteinlaßöffnung zu einer Stelle nahe oder im Bereich der Produktauslaßöffnung verlaufen und über ihre Länge glatte Umfangskanten haben sowie in axialer Richtung wendelförmig gekrümmt sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten in dünnen Schichten.

609883/0955

Bei wischenden oder Turbulenzen erzeugenden Dünnschichtverdampfern, insbesondere bei solchen mit lotrecht angeordneter Achse, ist es besonders schwierig, eine gute, dünnschichtige Aufrührung auf der inneren Fläche der Innenwand der Kammer zu erreichen, da die Menge des zu behandelnden Fluids infolge der Verdampfung bei der Bewegung von der Produkteinlaßöffnung zur Produktauslaßöffnung abnimmt.

Man hat bereits versucht, in einem Dünnschichtverdampfer wendelförmig gekrümmte Rotorwischer einzusetzen (DT-OS 1 642 911), um den Strömungsweg und die Verweilzeit des zu behandelnden Materials durch bzw. im Verdampfer zu steuern. Bei diesem vorbekannten Dünnschichtverdampfer ist jedoch der Grad der Versetzung bzw. der Grad der wendeiförmigen Krümmung der Rotorwischer kritisch, da dieser nicht so groß gewählt werden darf, daß die erzeugten Vektorkräfte eine Behandlung des Materials verhindern oder dieses für eine zu lange Zeit im Dünnschichtverdampfer zurückhalten, was zu thermischen Zersetzungen des Materials führt. Gemäß DT-OS 1 642 911 soll eine wendeiförmige Krümmung der Rotorwischer von 180° oder mehr ungeeignet zur Erzielung einer Steuerwirkung sein, da die durch eine derart starke Krümmung erzeugten Gegenkräfte so groß sind, daß es extrem schwierig oder gar unmöglich wird, das zu behandelnde Material durch den Dünnschichtverdampfer hindurchzuführen. Daher wird in dieser Offenlegungs-

609853/0 9 55

schrift vorgeschlagen, die wendeiförmige Krümmung über die gesamte Länge nicht größer als etwa 0,5° bis 30° je linearer Länge des Rotorwischerblattes von 30,5 cm zu wählen. Dabei werden jedoch nicht die Probleme erwähnt, die sich mit der Abnahme der Schichtstärke ergeben, wenn sich die Schichtstarke vom Produkteinlaßende der Innenwand zum Produktauslaßende verringert.

Es hat sich auch gezeigt, daß bei den Dünnschichtverdampferη gemäß DT-OS 1 642 911 bei Zufuhr größerer Flüssigkeitsmengen eine Materialansammlung am Produkteinlaßende auftritt, insbesondere dann, wenn es sich um einen Dünnschichtverdampfer mit lotrechter Achse handelt.

Andere Versuche zur Steuerung der Strömung und/oder Verweilzeit des zu behandelnden Materials in Dünnschichtverdampfern sowohl mit horizontaler als auch mit vertikaler Achse, insbesondere für Flüssigkeiten mit sehr niedriger Viskosität, bei denen häufig ein längerer Strömungsweg bzw. eine längere Verweilzeit erwünscht ist, während für Materialien hoher Viskosität typischerweise ein kürzerer Strömungsweg oder eine kürzere Verweilzeit vorgesehen wird, benutzten beispielsweise Änderungen an den Rotorwischern in Form von Vorsprüngen (DT-PS 1 619 681) oder sich verjüngende Dünnschichtverdampfer (US-PS 2 927 634).

6098 5 3/09 5

-A-

Bei den Dünnschichtverdampfern mit geraden, mit VorSprüngen versehenen Rotorwischern, die sich geringfügig über die Blattenden hinaus erstrecken, ergibt sich ein nicht vollständig zufriedenstellendes Betriebsverhalten, wenn die Flüssigkeitsschicht auf der Wandfläche sehr dünn wird, d.h. wenn sich die behandelte Flüssigkeitsschicht dem Produktauslaßende des Verdampfers nähert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Dünnschichtverdampfer zu schaffen, der ein gutes Aufrühren des zu behandelnden Materials auf der Wandfläche des Dünnschichtverdampfers ermöglicht, selbst wenn die dünne Schicht ihre Stärke ändert, etwa bei Bewegung vom Produkteinlaß- zum Produktauslaßende, wobei ein derartiger Dünnschichtverdampfer eine lotrechte Achse aufweisen und ein zylindrischer Dünnschichtrotationsverdampfer sein kann, jedoch auch aus einem Dünnschichtverdampfer mit horizontaler Achse bestehen kann und sowohl im Gleichstrom- als auch im Gegenstromprinzip betreibbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Dünnschichtverdampfer der eingangs erwähnten Art die Rotorwischer derart wendelförmig gekrümmt, daß sie eine sich kontinuierlich ändernde Steigung haben, die an einem Ende, etwa dem Produkteinlaßende des Dünnschichtverdampfers null oder sehr klein ist und zum anderen Ende hin kontinuierlich zunimmt.

809853/0955

Diese kontinuierliche Zunahme der Steigung der Rotorwischer wirkt der Abnahme des Dünnschichtmaterials entgegen, so daß die maximale Krümmung der Rotorwischer vorzugsweise an oder im Bereich der Produktauslaßöffnung auftritt.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Rotorwischer derart gekrümmt, daß sich bei Drehung der Rotorachse eine Gegenkraft ergibt, die die Verweilzeit des Materials zunehmend mit dessen Bewegung durch den Dünnschichtverdampfer vergrößert. Gegebenenfalls kann jedoch die Steigung der Rotorwischer oder die Drehung der Rotorachse auch umgekehrt werden. Die Wahl der speziellen, sich kontinuierlich ändernden Steigung der Rotorwischer, die Drehrichtung der Rotorachse und die Steigungsrichtung werden selbstverständlich in Abhängigkeit von dem zu behandelnden Material, der gewünschten Strömung und der gewünschten Verweilzeit sowie anderer Faktoren gewählt. Vorzugsweise beträgt die gesamte wendeiförmige Krümmung oder Steigung der Rotorwischer von der Produkteinlaßöffnung zur Produktauslaßöffnung etwa 90 bis 180°; sie kann jedoch gegebenenfalls auch größer oder kleiner sein. Somit kann die sich kontinuierlich ändernde Steigung der wendeiförmigen Rotorwischer von der Produkteinlaßöffnung zur Produktauslaßöffnung beispielsweise zwischen 0° und 180° betragen. Dadurch, daß sich die Steigung der Rotorwischer kontinuierlich ändert, also nicht konstant oder gleichförmig

609853/0955

ist, wird es möglich, den Rotorwischern eine Krümmung zu geben, die größer ist, als die bisher als kritische Grenze angesehene Größe der wendeiförmigen Krümmung, so daß ein Materialstau am Produkteinlaßende vermieden wird und sich eine gute Durchmischung der dünnen Schicht an der Innenwand der Rotationsfläche von der Produkteinlaßöffnung zur Produktauslaßöffnung erreichen läßt, selbst wenn die Schichtstärke sich bei Annäherung an die Produktauslaßöffnung verändert, insbesondere verringert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematisch ein Ausführungsbeispiel zeigenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen zylindrischen Dünnschichtrotationsverdampfer gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig.

Fig. 3 zeigt die Endansicht eines einzelnen wendeiförmigen Rotorwischers, wobei die sich kontinuierlich ändernde Steigung durch Winkelangaben angedeutet ist.

Der dargestellte, im Gegenstrom arbeitende Dünnschichtrotationsverdampfer 10 mit lotrechter Achse hat eine geschlossene, zylindrische Bearbeitungskammer 12 mit einer Innenwand 14, die über einen großen Teil ihrer Länge von

609853/0955

einem Temperaturmantel 16 umgeben ist, durch den ein Wärmeaustauschmittel wie Dampf, kaltes Wasser u.a. geleitet werden kann. Die Kammer 12 hat eine Produkteinlaßöffnung 18 und
eine im Abstand davon an dem gegenüberliegenden Ende angeordnete Produktauslaßöffnung 20 sowie eine Dampfauslaßöffnung 24, die von einer Dampfkammer 22 ausgeht, die benachbart zum Produkteinlaßende des Verdampfers angeordnet ist. Mit der Dampfauslaßöffnung 24 kann eine nicht dargestellte Kondensator- und Unterdruckeinrichtung verbunden werden,
um den Dampf zu kondensieren und einen Betrieb des Dünnschichtverdampfers bei Unterdruckbedingungen zu ermöglichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet der Verdampfer im Gegenstromverfahren, doch kann die Erfindung
selbstverständlich auch bei solchen Verdampfern angewendet werden, die im Gleichstrombetrieb arbeiten, d.h. bei denen die Dampfkammer sich benachbart zum Produktauslaßende befindet. Die Kammer ist mittels Lagerplatten 26 und 28 verschlossen, die einen rohrförmigen Rotor 30 tragen, der sich durch die gesamte Kammer 12 sowie durch die Dampfkammer 22 erstreckt. Der Rotor 30 wird von einem nicht dargestellten Motor mit umschaltbarer Drehrichtung o.a. angetrieben, der an einem Ende angeordnet sein kann. Der Rotor erstreckt
sich im allgemeinen aus jeder der Lagerplatten heraus und
durch entsprechende Lager und Dichtungen an jedem Ende des Verdampfers. Vorzugsweise ist der Rotor 30 axial verschiebbar

609853/09KR

gelagert, d.h. es können beispielsweise eine Anzahl von Gewindenuten vorhanden sein, mit denen der Rotor 30 bezüglich den Rotorwischern positioniert werden kann.

Am Rotor 30 ist eine Anzahl von sich radial erstreckender, axial verlaufender Rotorwischer 32 angeordnet, die unsymmetrisch und ohne Absätze gekrümmt sind. Sie erstrecken sich zwischen der Produkteinlaßöffnung 18 und der Produktauslaßöffnung 20 von einem Ende der Kammer zum anderen Ende. Die radialen Kanten der wendelförmig gekrümmten, sich ändernde Steigung aufweisenden Rotorwischer sind glatt und erstrecken sich bis dicht an die Innenwand 14 der Kammer 12, von der sie im allgemeinen einen gleichförmigen, gefingen Abstand haben, um bei Drehung des Rotors 30 eine dünne, aufgewischte oder turbulente Schicht des zu behandelnden Materials auf der Innenwand 14 der Kammer 12 zu erzeugen. Dabei ergibt sich durch die dargestellte Drehrichtung eine Vektorkraft, die zurück zur Produktexnlaßoffnung 18 gerichtet ist, um die Verweilzeit des zu behandelnden Materials im Verdampfer 10 zu vergrößern.

Wie dargestellt, haben die Rotorwischer 32 eine kontinuierliche, unsymmetrische, wendeiförmige Steigung in axialer Richtung, also von einem Ende des Rotorwischers zu dessen anderem Ende, d.h. zwischen der Produkteinlaßöffnung 18 und

9853/095S

der Produktauslaßöffnung 22. Ein kurzer Abschnitt des Rotorwischers fluchtet am Produkteinlaßende mit dem Rotor, und an der Produktauslaßöffnung 20 ist der Rotorwischer um 180° gegenüber der Lage an der Produkteinlaßöffnung 18 versetzt. Gegebenenfalls kann in den Rotorwischern im Bereich der Produkteinlaßöffnung 18 eine sich über diese Produkteinlaßöffnung erstreckende Nut 34 vorgesehen sein, die ein schnelles Aufbringen einer dünnen Schicht aus zugeführtem Material an der Innenwand der Kammer ermöglicht und den Materialeintritt in die Kammer erleichtert.

Wie Fig. 3 zeigt, ändern die Rotorwischer ihre Steigung bzw. ihre wendeiförmige Krümmung insgesamt um 180 , wobei eine Krümmung von etwa 90 in der Mitte der Behandlungskammer erreicht ist. Die Steigung nimmt allmählich und schnell von der Produkteinlaßöffnung 18 zur Produktauslaßöffnung 20 zu, wie dies im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist. Gegebenenfalls kann die Rotorwischersteigung auch mathematisch der sich ändernden Schichtstärke in der Behandlungskammer angepaßt werden.

Wie Fig. 3 zeigt, haben die Rotorwischer eine sich kontinuierlich ändernde Steigung oder Krümmung, die an der Produkteinlaßöffnung 18 null oder sehr klein ist und sich dann über

0 9 3 5 3/0955

180° ändert. Ein Rotor mit derartigen Rotorwischern eignet sich für Dünnschichtverdampfer sowohl mit horizontaler als auch vertikaler Achse, und in Abhängigkeit von den speziellen Problemen bei der Behandlung bestimmter Materialien läßt sich die Kombination von Steigung oder Krümmung sowie deren Änderung in der gewünschten Weise wählen.

Im Betrieb wird die zu behandelnde Flüssigkeit, etwa eine Flüssigkeit mit geringer Viskosität mittels einer Pumpe oder durch Schwerkraft durch die Produkteinlaßöffnung 18 zugeführt. Dabei kann der Verdampfer unter Über- oder Unterdruck arbeiten. Die Flüssigkeit kann sich nach unten bewegen und wird durch die sich drehenden Rotorwischer 32 in einer dünnen Schicht auf die Innenwand 14 der Kammer 12 aufgetragen, und durch die Produktauslaßöffnung 20 wird ein verhältnismäßig geringfügig flüchtiges Material mit erhöhter Viskosität oder ein Pulver oder ein Schlamm abgezogen, während der verdampfte flüchtige Bestandteil durch die Dampfaustrxttsöffnung 24 aus der Dampfkammer abgezogen wird. Ein Wärmeaustausch^luid, etwa Dampf wird in den Temperaturmantel 16 eingeführt, so daß die dünne Schicht auf der Innenwand 14 erwärmt und damit ihr verhältnismäßig flüchtiger Bestandteil verdampft wird, wenn sich das Material durch den Verdampfer bewegt. Die wendelförmig gekrümmten Rotorwischer mit sich kontinuierlich ändernder Steigung oder Krümmung drehen sich in dem darge-

609853/09 SR

stellten Ausführungsbexspiel so, daß sie auf das Material eine rückwärts gerichtete Kraft ausüben, die infolge der sich ändernden Steigung oder Krümmung zunimmt, bzw. eine größere Turbulenz erzeugt, wenn die dünne Schicht auf der Wand 14 bei Annäherung an die Produktaustrittsöffnung ihre Schichtstärke verringert. Durch die wendelförmig gekrümmten Rotorwischer mit sich kontinuierlich ändernder Steigung ergibt sich über die gesamte Länge der Bearbeitungskammer eine besonders gute Durchmischung bzw. Aufrührung der dünnen Schicht auf der Wand.

Obwohl die Erfindung vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist es klar, daß sie nicht auf dieses beschränkt ist, sondern daß weitere Abwandlungen, Änderungen und Anwendungen möglich sind, die alle unter die Erfindung fallen.

609853/0955

Claims

Ansprüche

1. Dünnschichtverdampfer mit einer geschlossenen, eine Innenwand in Form einer Rotationsfläche aufweisenden Kammer, in der eine eine Anzahl Rotorwischer tragende, drehbare, vorzugsweise lotrechte Rotorachse angeordnet ist und die eine Produkteinlaß- und eine im Abstand davon stromabwärts liegende Produktauslaßöffnung sowie eine Dampfkammer mit einer Dampfauslaßöffnung aufweist, wobei sich die Rotorwischer axial und radial bezüglich der Rotorachse und zur Erzeugung einer dünnen Schicht bis dicht an die Innenwand erstrecken sowie von einer Stelle nahe oder im Bereich der Produkteinlaßöffnung zu einer Stelle nahe oder im Bereich der Produktauslaßöffnung verlaufen und über ihre Länge glatte Umfangskanten haben sowie in axialer Richtung wendelförmig gekrümmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der wendeiförmigen, von einem Ende des Rotorwischers zu dessen anderen Ende verlaufende Krümmung kontinuierlich zunimmt und an einem der Enden des Dünnschichtverdampfers ein Maximum hat, wobei die Rotorwischer über ihre axiale Längserstreckung unsymmetrisch sind.

2. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwischer an mindestens einem ihrer

609853/0955

Enden axial mit der Rotorachse fluchten.

3. Dünnschichtverdamper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axial fluchtende Teil der Rotorwischer im Bereich der Produkteinlaß- oder der Produktauslaßöffnung liegt.

4. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte wendeiförmige Krümmung der Rotorwischer von einem zum anderen Ende bis zu 180° beträgt.

5. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die wendeiförmige Krümmung bzw. Steigung der Rotorwischer von etwa 0,5 bis etwa 30° pro 30,5 cm linearer Erstreckung der Rotorblätter ändert.

6. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Krümmung der Rotorwischer von der Produkteinlaßöffnung zur Produktauslaßöffnung in Abhängigkeit von der Schichtstärke des zu behandelnden Materials auf der Innenwand der Kammer erfolgt.

609853/0955

7. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit sich in den Bereich der Produkteinlaßöffnung erstreckenden Rotorwischern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwischer im Bereich der Produkteinlaßöffnung eine Nut bzw. einen ausgeklinkten Bereich aufweisen.

8. Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten in einem Dünnschichtverdampfer mit einer geschlossenen Kammer in Form einer Rotationsfläche, die an einem Ende eine Produkteinlaßöffnung und am anderen Ende eine Produktauslaßöffnung sowie sich zwischen diesen erstreckende Rotorwischer innerhalb der Kammer aufweist, bei der zu behandelndes Material durch die Produkteinlaßöffnung zugeführt und mittels der Rotorwischer in Form einer dünnen Schicht auf die Innenwand der Kammer verteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Rotorwischer mit einer sich kontinuierlich und allmählich von einem Ende zum anderen Ende der Kammer ändernden wendeiförmigen Krümmung verwendet werden, um die Bewegung der dünnen Schicht zu beschleunigen oder zu verlangsamen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Rotorwischer verwendet werden, die entweder in der Nähe der Produkteinlaßöffnung oder in der Nähe der Produktauslaßöffnung axial mit der Rotorachse fluchten.

609853/0955

262593Q

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkrümmung der Rotorblätter von einem zum anderen Ende der Kammer etwa 180 beträgt.

11. Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, in einem Dünnschichtverdampfer mit lotrecht angeordneter Achse, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Material im oberen Bereich des Dünnschichtverdampfers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die sich kontinuierlich ändernde Krümmung der Rotorwischer sowie die Drehrichtung des Rotors so gewählt werden, daß die Rotorwischer eine der Bewegung des Materials zur Produktauslaßöffnung entgegenwirkende Vektorkraft erzeugen.

su:kö

609853/0955

ti

Leerseite