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Dünnschicht-Ve rdainpfe r
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Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht-Verdampfer, bestehend aus
einem zylindrischen Gefäß, an dessen als Heizfläche dienender zylindrischer Innenwand
Wischerelemente aus Polytetrafluoräthylen oder dergleichen Material angreifen, die
an von einer axial angeordneten Rotorwelle radial vorragenden Armen befestigt sind,
so daß im Bereich der Heizfläche bei sich drehender Rotoreinheit durch einen Wischeffekt
ein Flüssigkeitsfilm aus der zu verdampfenden Flüssigkeit ausbildbar ist.
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Bekannte Dünnschicht-Verdampfer dieser Art besitzen einen ausgewuchteten
Rotor, dessen oberes Wellenende durch eine Gleitringdichtung abgedichtet wird und
in einem Wälzlager geführt ist, während als Bodenlager beiç ielsweise ein leicht
auswechselbares Patronen-Trockenlager vorgesehen ist. Dabei wird als nachteilig
angesehen, daß in vielen Fällen nichtrostender Stahl
oder sonstige
metallische Werkstoffe entweder nicht ausreichend korrosionsbeständig oder zu teuer
sind. Außerdem erfordert das Auswechseln der Wischerelemente und des Bodenlagers
einen verhältnismäßig großen Arbeitsaufwand.
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Schwierigkeiten dieser Art werden bei einem Dünnschicht-Verdampfer
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß sowohl die Innenwand
des Gefäßes als auch die Rotoreinheit mit Ausnahme der Wischerelemente korrosionsbeständig
emailliert sind.
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Vorzugsweise werden mehrere Wischerelemente an einer parallel zu
der Welle, zwischen den Enden übereinanderliegender Arme angeordneten emaillierten
Stange um deren Achse verschwenkbar als Wischereinheit derart gelagert, daß die
radial vorragenden freien Enden der Wischerelemente durch Zentrifugalkraft beim
Umlauf der Rotoreinheit gegen die emaillierte Innenwand angedrückt werden. Zweckmäßigerweise
wird an dem freien Ende jedes emaillierten Arms eine Öffnung vorgesehen, in die
ein Endhalter aus Polytetrafluoräthylen oder dergleichen Material mit einer Blindbohrung
zur Halterung des betreffenden Endes der emaillierten Stange eingesetzt ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß durch
die Verwendung derartiger Wischereinheiten nicht nur Montage- und Reparaturarbeiten
vereinfacht werden, sondern daß auch ein sehr guter Wischeffekt erzielbar ist, weil
die beim Einbrennen der Emaillierung unvermeidbar auftretenden Deformationen der
zylindrischen Wand und die Änderungen der effektiven Längen der emaillierten Arme
beim Umlauf der Rotoreinheit zwangsläufig aufgenommen werden. Die Verwendung derartiger
Wischereinheiten ermöglicht auch eine emailliertechnisch vorteilhafte Konstruktion
der Rotoreinheit, weil im Vergleich zu bekannten Konstruktionen nur eine verhältnismäßig
geringe Anzahl von Armen zur Halterung der Wischereinheit erforderlich ist. Insbesondere
ermöglichen die zu Wischereinheiten zusammengefaßten fingerförmigen Wischerelemente,
daß die Ausbildung eines geeigneten Flüssigkeitsfilms auch im Bereich der Heizfläche
gewährleistet ist,
selbst wenn durch Tantalstopfen verursachte Oberflächenunregelmäßigkeiten
vorhanden sind.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert
werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Dünnschicht-Verdampfer
gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine Schnittansicht entsprechend der Linie A-A in Fig.
1; Fig. 3 eine Schnittansicht entsprechend der Linie B-B in Fig. 1 Fig. 4 eine Seitenansicht
einer Wischereinheit; Fig. 5 eine Draufsicht auf die Wischereinheit in Fig. 4; Fig.
6-9 Schnittansichten durch unterschiedliche Ausführungsformen von Flanschverbindungen
des Gefäßes in Fig. 1; und Fig. 10 eine schematische Querschnittsansicht durch den
Verdampfer in Fig. 1 zur Erläuterung des Wischeffekts.
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Der in Fig. 1 dargestellte Dünnschicht-Verdampfer 1 dient zum Verdampfen
korrodierender Flüssigkeiten bei chemischen Verfahren und besteht aus einem zylindrischen
Stahlgefäß 2, einer Rotoreinheit 3, einer Antriebseinrichtung 8 für die Rotoreinheit
3, an der Rotoreinheit 3 angeordneten Wischereinheiten 4 zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms
auf einer emaillierten Innenwand 5 des Gefäßes 2, einer Einlaßeinrichtung 6 für
die Zufuhr von zu verdampfender Flüssigkeit auf die Oberfläche der emaillierten
In nenwand 5, einem Auslaß 7 für Dampf, einem Heizmantel 9 sowie einem Auslaß 10
für nicht verdampfte Flüssigkeit. Die Wischereinheiten 4 sind axial und in Umfangsrichtung
gestaffelt angeordnet, damit ein gleichmäßiger Wischeffekt entlang der Innenwand
5 im Bereich des Heizmantels 9 erzielt werden kann. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist,
erstrecken sich die Wischereinheiten 4 am oberen Ende etwas über den Heizmantel
9 hinaus, so daß der Flüssigkeitsfilm bereits über der Heizzone gebildet wird.
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Das vertikal angeordnete Gefäß 2 besteht aus einem länglichen zylindrischen
Teil 2A, einem gewölbten Oberteil 2B und einem konischen Boden 2C. Das Gefäß 2 ist
für einen Vakuumbetrieb von beispielsweise 1 mm Hg ausgelegt und der Oberteil 2B
und der Boden 2C sind mit dem zylindrischen Teil 2A durch luftdichte Flanschverbindungen
11 verbunden, von denen in Fig. 6-9 unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt
sind. Es sind Ringflansche 12, 13 mit vorspringenden bzw. zurückspringenden Flanschoberflächenbereichen
vorgesehen, sowie eine Dichtung 14 und eine oder mehrere abdichtende O-Ringe 15.
Die Flanschoberflächen werden durch nicht dargestellte Klemmeinrichtungen wie Klammerschrauben
aneinandergepreßt. Der Außenumfang der Flanschverbindungsstelle ist zweckmäßigerweise
durch einen Dichtring 16 umgeben, durch den O-Ringe 15 (Fig. 8 und 9) angepreßt
werden.
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Die Innenwand 5 ist mit einem korrosionsbeständigen Glasemail emailliert.
Angrenzend an den Dampfauslaß 7 ist eine Abscheiderplatte 7A angeordnet. Ein unterer
Heizmantel 9B ist für den Produktabflußraum vorgesehen.
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Die Rotoreinheit 3 hat eine Welle 17, die sich durch einen Behälterstutzen
18 erstreckt. Eine Wellenkupplung 21 verbindet die Welle 17 mit der Antriebseinrichtung
8, die mit einem Bock 8A auf dem Oberteil 2B abgestützt ist. Stützlager 19A, 19B
in der Antriebseinrichtung 8 dienen zur axialen Abstützung der Welle 17, wovon mindestens
ein Lager ein radiales Drucklager 19B ist. Die Welle 17 ragt bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel mit einem freien unteren Ende 23 bis unterhalb der unteren Umrandung
des Heizmantels 9 vor. Das obere Ende der Welle 17 ist mit einem Radiallager 19C
in einem Gehäuse 20 einer Gleitringdichtung gelagert.
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Wegen des beträchtlichen axialen Abstands der Lager 19A, 19B und
19C und aufgrund einer geeigneten Dimensionierung der Rotoreinheit 3 ist eine ausreichende
Steifigkeit unter Vermeidung zu großer seitlicher Ausbiegungen gewährleistet, damit
eine zufriedenstellende Arbeitsweise der Wischereinheiten 4 erzielt werden kann.
Deshalb ist kein Bodenlager für das untere Ende der Welle 17 erforderlich, was einen
wesentlichen Vorteil
beim Verdampfen korrodierender Flüssigkeiten
bedeutet, weil ein innenliegendes Bodenlager durch Korrosionseffekte verhältnismäßig
schnell abgenutzt wird.
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In axialer Richtung versetzt sind an der Rotoreinheit 3 radiale Arme
22 angeordnet, die ebenso wie die Welle 17 vollständig durch eine Emailschicht 3A
überzogen sind, indem eine emaillierfähige Stahlkonstruktion mit geeigneten Krümmungsradien
an den Enden 23 vorgesehen wird. Die Emaillierung 3A der Welle 17 erstreckt sich
im wesentlichen bis zu deren oberem Ende, so daß alle im Produktraum liegenden Teile
der Rotoreinheit 3 korrosionsbeständig sind.
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An jedem radial verlaufenden Arm 22 ist eine sich in radialer Richtung
erstreckende Platte 24 (Fig. 4 und 5) angeschweißt, in der eine axiale Bohrung 33
vorgesehen ist. Die Bohrung 33 besitzt geeignet abgerundete Kanten, so daß auch
in diesem Bereich eine korrosionsfeste Emaillierung 3A vorgesehen werden kann. In
die Bohrungen 33 sind Endhalter 25 eingesetzt, die aus einem rohrförmigen Teil 35
bestehen, der durch die Bohrung 33 vorragt, und eine Schulter 26 aufweisen, die
an einer Oberflache der Platte 24 anliegt. Die Endhalter 25 bestehen aus glasfaserverstärktem
Polytetrafluoräthylen. In einer Blindbohrung 37 jedes Endhalters 25 sitzt das betreffende
Ende einer Wischerstange 28 der betreffenden Wischereinheit.
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Jede Wischereinheit 4 enthält eine Wischerstange 28 mit einer Emaillierung
28A sowie eine Anzahl von fingerförmigen Wischerelementen 29 aus Polytetrafluoräthylen,
die drehbar an der Wischerstange 28 angeordnet sind. Ringscheiben 30 dienen zur
Ausbildung eines Spalts von beispielsweise 1 mm Breite zwischen den freien Enden
aufeinanderfolgender Wischerelemente 29. Die Enden der Wischerelemente 29 sind abgerundet
und an den Seitenflächen jedes Wischerelements 29 können Aussparungen 31 vorgesehen
sein, um in deren mittlerem Bereich einen größeren Abstand von etwa 4-5 mm vorzusehen,
so daß ein Verklemmen der Wischerelemente durch Krustenbildung vermieden wird. Zum
Zusammenbau einer Wischereinheit 4 wird die Wischerstange 28 in die Bohrung des
oberen Endhalters eingesetzt, wonach die Bohrung 37 durch einen
Stopfen
27 verschlossen wird. Die Wischerelemente 29 und die Ringscheiben 30 und 30A werden
auf die Wischerstange 28 vor deren Einsetzen in den unteren Endhalter 25 aufgeschoben.
Die Bohrung 37 des oberen Endhalters 25 kann durch Einsetzen des Stopfens 27 mit
einem Preßsitz oder wahlweise durch Verschmelzung verschlossen werden. Wie am besten
aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Wischereinheiten 4 in axialer Richtung und
in Umfangsrichtung gestaffelt angeordnet, so daß der an den Heizmantel 9 angrenzende
Bereich der Innenwand 5 vollständig durch die Wischerelemente überstrichen wird.
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Durch die Einbrennvorgänge beim Emaillieren der Innenwand 5 des Gefäßes
werden Abweichungen von der Geometrie der zylindrischen Behälterwand verursacht.
Es können sich deshalb Deformationen gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt
und dem in Fig. 3 dargestellten Querschnitt der geometrischen Form des Gefäßes 2
ergeben. Diese Deformationen können jedoch durch-die Wischereinheiten 4 gemäß der
Erfindung aufgenommen werden. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, werden die Wischereinheiten
4 derart angeordnet, daß die Wischerelemente 29 immer in Berührung mit der Innenwand
5 wegen ihrer drehbaren Lagerung durch Zentrifugalkräfte in Berührung gehalten werden.
In Fig. 10 befindet sich das Wischerelement 29A in der Normallage, während die Elemente
29B und 29C aus dieser Normallage heraus verschwenkt sind, so daß sie auch bei positiven
oder negativen Abweichungen des Behälterradius vom Nennwert in Anlage mit der Innenwand
bleiben. Durch diese Anordnung können auch Unterschiede bei Abweichungen der Länge
der Arme 22 vom Nennwert aufgenommen werden, wenn beispielsweise der minimale Radius
eines Arms 22 487 mm oder der maximale Radius 500 mm beträgt. Die Deformation der
geometrischen Querschnittsform kann bis zu etwa 3% des Gefäßdurchmessers betragen.
Deformationen entlang der Länge desGefäßes werden durch die verschwenkbare Lagerung
der Wischerelemente jeder Wischereinheit 4 relativ zueinander aufgenommen. Die Anzahl
der Wischerelemente 29 in jeder Wischereinheit 4 kann unterschiedlich sein und hängt
von dem besonderen Anwendungszweck des Verdampfers ab, insbesondere davon, welcher
Wischeffekt bei dem betreffenden Produkt eine gute Verdampfung ermöglicht. Deshalb
können
durch die beschriebene Anordnung geeignete Andrucke der Wischerelemente an die Innenwand
selbst an den Stellen erzielt werden, an denen durch Einbrennvorgänge bedingte maximale
und/ oder minimale Herstellungstoleranzen hinsichtlich der effektiven Länge der
Arme 22 und unterschiedlicher Durchmesser und sonstiger Deformationen der Gefäßwand
zusammenfallen.
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Besondere Vorteile der Erfindung sind deshalb darin zu sehen, daß
die Einlaßeinrichtung 6 und ebenso die Rotoreinheit und die Wischereinheiten 4 aus
dem Gefäß entfernt werden können, um gegebenenfalls erforderliche Reparaturarbeiten
oder Reemaillierungen zu ermöglichen, wozu es jedoch auch möglich ist, die Wischereinheiten
in dem Behälter selbst zu reparieren oder auszutauschen.
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Bei einer derartigen Ausbildung der Elemente des Verdampfers ist
es deshalb ohne weiteres möglich, die betreffenden Einzelteile zu emaillieren, so
daß ein Einsatz derartiger Verdampfer auch dann möglich ist, wenn nichtrostender
Stahl gegebenen Betriebsanforderungen nicht genügt. Vorzugsweise findet für die
Emaillierung säure- und laugebeständiges Borsilikatglas Verwendung und die Emaillierung
besitzt vorzugsweise eine minimale Dicke von beispielsweise 1 mm. Emaillierte Verdampfer
der beschriebenen Art finden vorzugsweise in der chemischen Industrie in Verbindung
mit korrodierenden Flüssigkeiten Verwendung, obwohl sie auch bei strengen hygienischen
Anforderungen wie in der Nahrungsmittelindustrie einsetzbar sind, da keine Metallaufnahme
erfolgt, weil die Wischerelemente aus Polytetrafluoräthylen über die glatte Glasoberfläche
gleiten. Im Vergleich zu bekannten Dünnschicht-Verdampfe rn für korrodierende Flüssigke
iten ist ferner bei der Verwendung der beschriebenen emaillierten Verdampfer eine
verlängerte Standzeit erzielbar. Ferner müssen die in dem Verdampfer anzuordnenden
Strukturelemente nicht aus kostspieligem korrostionsbeständigem Metall hergestellt
werden und die Anzahl der radialen Trägerarme kann gegenüber bekannten Anordnungen
beträchtlich verringert werden.
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Anstelle der dargestellten emaillierten Konstruktionselemente können
auch andere emailliertechnisch geeignete Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise
ist es in gewissen Fällen zweckmäßiger, einen sich allmählich verjüngenden Übergang
der Arme 22 zu den Platten 24 vorzusehen.