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Vorrichtung zur schonenden Verdampfung
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von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schonenden
Verdampfung von Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgemischen im Durchlauf.
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Es gibt Produkte, welche nur innerhalb eines kleinen Siedebereiches
verdampft werden dürfen, da bereits geringe Temperaturüberschreitungen zu Produktschädigungen
führen. Insbesondere sind Wärmestauungen gefährlich, deshalb ist eine Verdampfung
nur in dünnen Flüssigkeitsschichten möglich.
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Für solche Verdampfungen können Etagenverdampfer eingesetzt werden,
bei denen die Flüssigkeit in einer dünnen Schicht auf geneigten zickzackartig untereinander
angeordneten Blechen nach unten fließt, um nach dem Hochpumpen bei gleichzeitiger
Erwärmung in einem
gesondert aufgestellten Wärmeaustauscher wieder
oben zugegeben zu werden.
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Eine Wärmezufuhr während der Verdampfung ist nicht gegeben.
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Die Wärme wird durch Überhitzung durch den außerhalb liegenden Wärmeaustauscher
eingebracht. Eine Verkrustung ist nur bei gleichmäßiger Benetzung zu vermeiden,
was wiederum große Durchsatzmengen erfordert.
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Auch der Fallfilmverdampfer kann bei solchen Produkten verwendet werden.
Er besteht aus einem Bündel senkrecht angeordneter Rohre, in denen die Flüssigkeit
nach Verteilung auf dem oberen Rohrboden entlang der Wandung der Rohre abwärts fließt,
während der Dampf die Rohre im freien Innenraum verläßt.
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Um Verkrustungen und damit Produktschädigungen zu vermeiden, muß die
innere Rohrwandung durch die abwärts fließende Flüssigkeit ständig benetzt sein.
Das ist aber nur mit einer aufwendigen Verteilung bei ausreichendem Durchsatz möglich.
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Bei Unterschreiten dieser Menge muß entweder bei weitgehender Eindampfung
im Durchlauf ein kleinerer Fallfimverdampfer nachgeschaltet werden, was einen sehr
teuren Apparateaufwand erfordert, oder die Flüssigkeit unter dosierter Zugabe von
Ausgangsprodukt wieder oben zugeführt werden, was wegen der dann langen Verweilzeiten
eines Teiles der Produkte lin hohen Siedebereich zu Produktschädigungen führen kann,
Weiter erfordern die hohen Dampfgeschwindigkeiten die Nachschaltung eines Abscheiders,
um die mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen abzutrennen. Wegen der vielen Schweißnähte
können bei hohen Dampfdrucken auch eher Undichtigkeiten und erhebliche Reparaturen
anfallen.
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Weiter sind Dünnschichtverdampfer bekannt, die aus einem von außen
geheizten Rohr bestehen, an dessen Innenwand Fliissigkeit entlang fließt, welche
durch rotierende Wischblätter über die Heizfläche gleichmäßig verteilt wird, während
der Dampf im freien Raum abfließt.
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Der spezifische Investitionsaufwand pro Heizfläche ist sehr hoch.
Die drehenden Teile erfordern große Herstellungsgenauigkeiten, hohe Betriebskosten
und aufwendige Instandhaltungen. Die Gefahr von Störungen während des Betriebes
ist groß.
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Es ist eine Vorrichtung zu finden, die auch noch bei sehr kleinen
Durchsatzmengen eine intensive, kontinuierliche Verdampfung im Durchlauf bei geringem
hydrostatischen Druck ermöglicht, wobei der erzeugte Dampf, der einen möglichst
geringen Feuchtigkeitsanteil haben soll, erforderlichenfalls bei sehr geringem Druckverlust
zu einem Kondensator gelangen können muß.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu verdampfende
Flüssigkeit auf der einen Seite einer annähernd horizontal liegenden Schale mit
ebenenem Boden aufgegeben wird, um nach teilweiser Verdampfung unter indirekter
Wärmezufuhr als Restflüssigkeit die Schale auf der anderen Seite über ein die Flüssigkeitschichtdicke
bestimmendes Stauwehr abzulaufen, wobei 1 bis 5 mm Flüssigkeit über der Heizung
ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mit Hilfe eines Stau wehres eine dünn strömende Flüssigkeitsschicht zu erzielen
ist, die trotz spezifisch hoher Wärmebelastung bei der Verdampfung nicht zu Trockenlauf
und damit zu Produktschädigungen führt. Weiter können die entstehenden Dampfblasen
bei der geringen Flüssigkeitshöhe schnell entweichen, so daß keine Qualitätseinbußen
durch Überhitzungen infolge von Wärmestauungen eintreten. Außerdem werden kaum Flüssigkeitströpfchen
mitgerissen, was das Nachschalten eines druckverzehrenden Naßabscheiders erspart.
Der Durchsatz ist in weiten Grenzen variabel, solange die Durchflußmenge über der
Verdampfungsrate und die Durchfließzeit unter der vom Produkt her zulässigen Verweilzeit
liegt.
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Durch ein verstellbares Stauwehr kann den verschiedenen Betriebserfordernissen
leicht entsprochen werden. Durch Hintereinanderschaltung von Schalen kann das Produkt
im Durchlauf weitgehend eingedampft werden.
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In einer Ausführungsform ist in einem Behälter mindestens eine horizontal
liegende Schale mit flachem Boden und Heizung angeordnet, die an einer Stelle ein
Zuflußrohr und an einer entgegengesetzten Stelle ein Stauwehr besitzt,hinter dem
ein Abflußrohr angebracht ist.
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Die Konstruktion ist einfach und besitzt keine drehenden Teile. Für
die einzelnen Schalen bietet sich ein Baukastensystem an, welches den Einbau in
verschiedene Behälter erleichtert. Weiter ist die Bauart instandhaltungsfreundlich.
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In einer besonderen Ausführungsform sind als Heizung Heizungselemente
auf der Außenwand der Schale befestigt.
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Mit der indirekten Beheizung der Schale, die z.B. durch untergeschweißte
Dampf rohre oder auch elektrische Heizungselemente erfolgen kann, ist jede gewünschte
Temperatur an den Wärmeübergangsflächen einzustellen, was für eine schonende Verdampfung
sehr vorteilhaft ist.
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In einer Ausführungsform sind als Heizung Dampfrohre in der Schale
angeordnet.
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Durch die eingetauchten Heizelemente wird infolge einer entstehenden
Umlaufströmung der Wärmeaustausch innerhalb der Flüssigkeit intensiviert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Schale durch Strömungsleitbleche
in nacheinander verbundene Kanäle unterteilt.
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Die Strömungsleitbleche sorgen für den gleichmäßigen Durchfluß der
Flüssigkeit und damit ein enges Verweilzeitspektrum, was die Einhaltung einer kleinen
Temperaturdifferenz begünstigt.
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In einer ergänzten Ausführungsform sind über der Schale Kondensationselemente
angeordnet, unter denen sich entsprechende Kondensatablaufbleche befinden.
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Bei der Anordnung von Kondensationselementen mit angehängten Kondensatablaufblechen
auf der Schale wird ein weiterer Vorteil der Erfindung deutlich, nämlich, daß der
Dampf von der Verdampfung bis zur Kondensation nur einen kurzen Weg zurücklegen
muß, so daß kaum Druckverluste auftreten.
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In einer speziellen Ausführungsform sind mehrere übereinanderliegende
Schalen in Form eines Registers im oberen Teil einer Destillierblase angeordnet
Durch den Einbau des Registers erfolgt die Verdampfung des gesamten Blaseninhaltes
bei stets gleichbleibender Konzentration, wenn die Restflüssigkeit kontinuierlich
abgezogen wird, so daß sie thermisch geschont wird. Eine aufgesetzte Kolonne kann
daher mit ständig gleichbleibendem Rücklaufverhältnis betrieben werden, wobei der
Ablauf aus der Kolonne dem Heizregister wieder zugeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 Draufsicht auf Schale mit Heizung
durch schlangenförmige Rohre Fig. 2 Querschnitt durch Schale mit Heizung durch schlangenförmige
Rohre Fig. 3 Draufsicht auf Schale mit Heizung der Wand Fig. 4 Querschnitt durch
Schale mit Heizung der Wand #Fig. 5 Längsschnitt Kondensationsverdampfer Fig. 6
Längsschnitt Destillierblase mit Schalenregister In Figur 1 und 2 ist die flache
Schale 1 vom Zuflußrohr 2 bis zum Stauwehr 3 mit Spritzblech 4 durch gerade Strömungsleitbleche
5 in schmale fortlaufend untereinander verbundene Kanäle unterteilt. Die Restflüssigkeit
fließt über das Abflußrohr 6 ab. Zur Heizung ist in der Flüssigkeitsschicht ein
Heizrohr 7 mit Anschlüssen 8, 9 schlangenförmig zwischen denStrömungsleitblechen
5 angeordnet.
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In Figur 3 und 4 sind in einer Schale 10, die mit einem Heizungsmantelll
und entsprechenden Anschlüssen 12, 13 versehen ist, beginnend unter dem Zuflußrohr
14 senkrechte auf dem Boden befestigte Strömungsleitbleche 15so angeordnet, daß
sie einen Kanal bis zum in der Höhe einstellbaren Stauwehrl6 bilden, wobei-das dahinterliegende
Abflußrohr17 durch ein eingetauchtes Spritzblech geschützt ist.
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In Figur 5 ist oberhalb einer Schale 19 mit Strömungsleitblech 20,
Heizrohr 21 und Stauwehr 22 ein Kondensationselement 23 mit Kühlmittelstutzen 24,
25 angeordnet, unter dem ein für die aufsteigendeBrüden mit Durchbrüchen 26 versehenes,
nach außen geneigtes Kondensatablaufblech 27 mit Ablaufstutzen 28angeordnet ist.
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In Figur 6 ist ein Register 29 aus übereinander liegenden Schalen
30, 31, 32, in einem Destillierblasenbehälter 33 dargestellt, bei dem der Blaseninhalt
über Leitung 34 und evtl. Rücklaufleitunc 35 aus einer (nicht dargestellten) Kolonne
am Stutzen 36 kontinierlich der obersten Schale 30 zufließt und dann nach dem Verdampfungsprozeß
als Restflüssigkeit die unterste Schale 32 am Stutzen 37 verläßt.
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Der Dampf in den Heizrohren 38 wird über die Stutzen 39,40 zu- und
abgeführt.