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Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer,
bei dem eine Welle, auf der mehrere Rührblätter angeordnet sind, in einer Trommel
umläuft, die Rührblätter eine in die Trommel eingebrachte zu verdampfende Flüssigkeit
in Umlaufbewegung versetzen und in ihr eine Flieh- oder Zentrifugalkraft erzeugen,
so daß die Flüssigkeit als Dünnschicht über die Innenumfangsfläche der Trommel verteilt
und verdampft wird.
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Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer werden vielseitig zum Verdampfen,
Destillieren und Kondensieren von Flüssigkeiten od.
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dgl. verwendet, und zwar wegen ihrer im Vergleich zu anderen Verdampfern
hohen Wärmeleitfähigkeit; diese resultiert aus
der Anordnung mehrerer
Rührblätter auf einer Welle, wodurch der in eine Trommel eingebrachten Flüssigkeit
eine Drehbewegung erteilt und sie infolge der in ihr erzeugten Fliehkraft als Dünnschicht
verteilt und verdampft wird. Dabei gibt es zylindrische Dünnschichtverdampfer, bei
denen der Innendurchmesser der Trommel zwischen Flüssigkeitsein- und -austritt konstant
ist, und konische Dünnschichtverdampfer, bei denen der Innendurchmesser der Trommel
von der Eintritt zur Austrittseite allmählich zu- oder abnimmt.
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Beim zylindrischen Dünnschichtverdampfer erfolgt die Flüssigkeitsbewegung
vom Eintritt zum Austritt ausschließlich aufgrund einer auf sie wirkenden Fliehkraft,
so daß im Fall einer hochviskosen Flüssigkeit, bei der eine gleichmäßige Flüssigkeitsbewegung
nicht erzielbar ist, weil in die Trommel nur eine begrenzte Flüssigkeitsmenge eingebracht
wird, eine Diskontinuität oder Unterbrechung in der gebildeten Dünnschicht auftritt,
da nach dem Verdampfen eines bestimmten Dünnschichtteils die nachfolgende Flüssigkeit
eine Unterbrechung in der Dünnschicht nicht ausfüllt. Um das Problem einer unbefriedigenden
Flüssigkeitsbewegung oder -strömung zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, Rührblätter
auf einer Welle anzuordnen, deren Achsen zur Trommelachse geneigt verlaufen, so
daß der Flüssigkeit durch die umlaufenden Rührblätter eine Schubkraft in Richtung
zu einem Trommelaustritt erteilt wird.
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Dieser Vorschlag ist jedoch bei der Entnahme von hochviskosen Flüssigkeiten
aus der Trommel nur teilweise befriedigend, denn Diskontinuitäten der Dünnschicht
werden dadurch nicht vermieden, sondern eher gefördert.
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Der konische Dünnschichtverdampfer umfaßt eine Trommel, die eintrittsseitig
ein geschlossenes Ende mit großem Durchmesser und austrittsseitig ein geschlossenes
Ende mit kleinem Durchmesser hat. Dabei bewirkt die Neigung der Innenumfangsfläche
der
Trommel zu ihrer Achse eine zum Flüssigkeitseintritt gerichtete Schubkraft infolge
einer Komponente der erzeugten Fliehkraft' so daß die Flüssigkeit danach strebt,
nahe dem Eintritt in die Trommel zu verweilen, wodurch die Ausbreitung und Verteilung
der Flüssigkeit zur Austrittsseite der Trommel gefördert wird. Infolgedessen ist
es unwahrscheinlich, daß in der Dünnschicht eine Diskontinuität auftritt. Im Fall
einer hochviskosen Flüssigkeit bewirkt jedoch ein Viskositätswiderstand von nahe
dem Eintritt in die Trommel verweilender Flüssigkeit Schwingungen in den Rührblättern.
Bei einem Dünnschichtverdampfer mit konischer Trommel, die eintrittsseitig ein geschlossenes
Ende mit kleinem Durchmesser und austrittsseitig ein geschlossenes Ende mit großem
Durchmesser hat, wirkt dagegen eine Komponente der in der Flüssigkeit erzeugten
Fliehkraft als zur Austrittsseite der Trommel gerichtete Schubkraft, wodurch ein
Verweilen der Flüssigkeit vermieden wird und eine gleichmäßige Flüssigkeitsbewegung
erzielbar ist. Dabei bleibt jedoch das Problem von Diskontinuitäten in der Dünnschicht
weiterhin ungelöst. Wenn nämlich die Rührblätter'zur Trommelachse geneigt angeordnet
sind, um dadurch eine austrittsseitig gerichtete Schubkraft zu erhöhen, wird die
Gefahr einer Diskontinuität der Dünnschicht weiter erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Fliehkraft-Dünnschichtverdampfers,
bei dem Diskontinuitäten der über die Innenumfangsfläche der Trommel verteilten
Dünnschicht nicht auftreten.
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Der Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer nach der Erfindung ist gekennzeichnet
durch eine Trommel mit einem geschlossenen axialen Ende mit kleinem Durchmesser
und einem geschlossenen axialen Ende mit großem Durchmesser, und mit einer Innenumfangsfläche,
die vom Ende mit großem Durchmesser zum Ende mit kleinem Durchmesser in axialer
Richtung geneigt ist, durch
eine in der Trommel drehbar gelagerte
Welle, die sich koaxial zur Trommel erstreckt und zwischen ihrer Außenumfangsfläche
und der Innenumfangsfläche der Trommel einen Ringraum definiert, und durch mehrere
auf der Welle angeordnete Rührblätter, deren Längsachsen zur Wellenachse geneigt
sind, wobei die Trommel einen Eintritt für zu verdampfende Flüssigkeit nahe einem
geschlossenen Trommelende sowie einen Flüssigkeitsaustritt und einen Dampfaustritt
nahe dem anderen geschlossenen Trommelende aufweist und der Flüssigkeitseintritt
sowie der Flüssigkeitsaustritt und der Dampfaustritt mit dem Ringraum verbunden
sind, und bei umlaufender Welle die Rührblätter der Flüssigkeit eine Fliehkraft
erteilen und sie als Dünnschicht über die gesamte Innenumfangsfläche der Trommel
verteilen, so daß die Flüssigkeit verdampft, und durch die Neigung der Innenumfangsfläche
der Trommel die Flüssigkeit mit einer zum geschlossenen Ende mit großem Durchmesser
gerichteten Schubkraft und durch die Neigung der Rührblätter mit einer zum geschlossenen
Ende mit kleinem Durchmesser gerichteten Schubkraft beaufschlagbar ist.
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Durch die Erfindung werden also Diskontinuitäten oder Unterbrechungen
in der an der Innenumfangsfläche der Trommel verteilten Dünnschicht vermieden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1-3 Querschnittsansichten längs den Mittenlinien
bekannter Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer; Fig. 4 einen Querschnitt längs der Mittenlinie
durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fig. 5 einen Querschnitt längs
der Mittenlinie durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zuerst Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer
nach dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 erläutert.
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Fliehkraft-Dünnschichtverdampfer sind in zwei Arten unterteilt, nämlich
zylindrische Verdampfer, bei denen der Innendurchmesser einer Trommel von der Eintritts-
zur Austrittsseite konstant ist, und konische Verdampfer, bei denen der Innendurchmesser
einer Trommel von der Eintritts- zur Austrittsseite allmählich zu- oder abnimmt.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines bekannten zylindrischen Fliehkraft-Dünnschichtverdampfers.
Er umfaßt eine zylindrische Trommel 1 mit geschlossenen axialen Enden 11 und 12,
ferner eine koaxial zur Trommel verlaufende umlaufende Welle 6 sowie auf der Welle
6 angeordnete Rührblätter 5. Zwischen der äußeren Umfangsfläche der Welle 6 und
der Innenumfangsfläche der Trommel 1 liegt ein Ringraum 9. Die Trommel 1 umfaßt
eine im Trommelgehäuse nahe dem geschlossenen Ende 11 befindliche Eintrittsöffnung
2, durch die zu verdampfende Flüssigkeit in den Ringraum 9 einführbar ist, ferner
eine Austrittsöffnung 3 nahe dem geschlossenen Ende 12 zum Abführen unverdampfter
Flüssigkeit sowie eine Austrittsöffnung 4 zum Abführen von Dampf.
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Die Kanten 8 der Rührblätter 5 haben geringes Spiel zu der Innenumfangsfläche
7 der Trommel 1. Die Trommel 1 wird von außen mit Dampf oder durch eine elektrische
Heizvorrichtung od. dgl. (nicht gezeigt) beheizt, so daß an der Innenumfangsfläche
7 der Trommel 1 haftende und über diese verteilte Flüssigkeit verdampft wird. Wenn
Flüssigkeit durch den Eintritt 2 in den Ringraum 9 eingegeben wird und die Welle
6 umläuft, läuft die Flüssigkeit zusammen mit den Rührblättern 5 mit hoher Umlaufgeschwindigkeit
um, wird aufgrund der Fliehkraft über die Innenumfangsfläche der Trommel verteilt
und verdampft. Wenn die Flüssigkeit ununterbrochen eingegeben wird,
nimmt
die Dicke der Flüssigkeitsschicht nahe dem Eintritt 2 zu, so daß die Flüssigkeit
allmählich zum Austritt 3 fließt. Somit erfolgt die Flüssigkeitsbewegung vom Eintritt
2 zum Austritt 3, und während dieser Bewegung wird die Flüssigkeit verdampft. Während
dieser Bewegungsphase der Flüssigkeit wird erzeugter Dampf durch den Dampfaustritt
4 nach außen abgeleitet. Bei dem zylindrischen Dünnschichtverdampfer erfolgt die
Flüssigkeitsbewegung nur aufgrund einer auf die Flüssigkeit wirkenden Fliehkraft.
Wenn im Fall einer hochviskosen Flüssigkeit eine erwünschte Fluidität der Flüssigkeit
nicht erzielbar ist, da nur eine begrenzte Flüssigkeitsmenge eingegeben wird, und
ein bestimmter Teil der Flüssigkeit in Form einer Dünnschicht verdampft ist, füllt
die diesem bestimmten Teil folgende Flüssigkeit den Zwischenraum oder die Unterbrechung
in der Dünnschicht nicht aus, so daß die erzeugte Dünnschicht nicht kontinuierlich
ist. Bei einem Versuch zur Lösung des Problems, wenn eine erwünschte Fluidität der
Flüssigkeit nicht erzielbar ist, wurde bereits ein Verdampfer nach Fig. 2 vorgeschlagen,
bei dem die Rührblätter 25 zur Achse der Welle geneigt sind, so daß in der Flüssigkeit
in Richtung zum Austritt 23 aufgrund der Umlaufbewegung der Rührblätter 25 eine
Schubkraft erzeugt wird. Obwohl bei diesem Dünnschichtverdampfer eine hochviskose
Flüssigkeit in befriedigender Weise entnommen werden kann, tritt das Problem von
Diskontinuitäten in der Dünnschicht weiterhin auf. Fig. 3 zeigt eine konische Trommel,
bei der der Durchmesser der Innenumfangsfläche 37 der Trommel 31 auf der Seite eines
Eintritts 33 groß ist und zur Seite eines Austritts 33 hin abnimmt. Dabei ist die
Innenumfangsfläche 37 zur Wellenachse geneigt, so daß eine Komponente der Fliehkraft
als zum Eintritt 32 gerichtete Schubkraft wirkt, wodurch die Flüssigkeit dazu tendiert,
nahe dem Eintritt 32 zu verweilen. Die Flüssigkeitszunahme erzeugt eine Fliehkraft,
durch die die Flüssigkeit allmählich zum Austritt 33 gerichtet wird. Infolgedessen
kann die Gefahr einer Diskontinuität der gebildeten
Dünnschicht
vermieden werden. Bei einer hochviskosen Flüssigkeit besteht Jedoch die Gefahr1
daß ein Viskositätswiderstand der so angestauten Flüssigkeit Schwingungen in den
Rührblättern 35 verursachte Bei einem Dünnschichtverdampfer dagegen, bei dem der
Durchmesser der Innenumfangsfläche der Trommel eintrittsseitig klein ist und allmählich
zum Austritt hin zunimmt, dient eine Komponente der Fliehkraft als zum Austritt
gerichtete Schubkraft, so daß eine gleichmäßige Flüssigkeitsströmung ohne Verweilzeiten
erzielt wird. Dabei tritt Jedoch wiederum wie im Fall von Fig. 2 eine Diskontinuität
in der erzeugten Dünnschicht auf. Wenn die Rührblätter bei einem solchen Dünnschichtverdampfer
zur Achse der Welle geneigt sind1 um eine zum Austritt gerichtete Schubkraft zuerhöhen,
wird die Tendenz zu Diskontinuitäten derFlüssigkeitsdünnschicht noch unterstützt.
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Diese Diskontinuitäten einer Dünnschicht sind dadurch bedingt, daß,
wenn ein bestimmter Teil einer Dünnschicht verdampft ist oder zum Austritt gefördert
wurde, die folgende Flüssigkeit einen Zwischenraum oder eine Unterbrechung in der
Dünnschicht aufgrund einer teilweisen Verdampfung derselben nicht ausfüllen kann
oder nicht darüber verteilt werden kann. Dies gilt insbesondere für Dünnschichtverdampfer,
bei denen eine von der Eintrittsseite zur Austrittsseite gerichtete Schubkraft erzeugt
wird, da die Flüssigkeit unabhängig vom Vorhandensein nachfolgender Flüssigkeit
in der genannten Richtung aufgrund der Schubkraft bewegt wird, so daß er der Dönnschicht
Diskontinuitäten auftreten. Wenn also nachfolgende Flüssigkeit sehr schnell zu einem
Teil der gerade verdampften Dünnschicht bewegt wird, die Flüssigkeit Jedoch aufhört,
sich weiter zum Austritt zu bewegen, wenn die folgende Flüssigkeit eine solche Diskontinuität
nicht ausfüllt, kann in der Dünnschicht keine solche Diskontinuität auftreteine
Die Erfindung beruht auf diesem Grundsatz. Dabei wird insbesondere der als Dännschicht
über die Innenumfangsfläche
der Trommel verteilten Flüssigkeit
eine Schubkraft in Richtung zu einem der geschlossenen Trommelenden erteilt, und
zwar aufgrund der zur Achse der Welle geneigten Innenumfangsfläche der Trommel,
während der Flüssigkeit durch die zur Achse der Welle geneigten oder schräg verlaufenden
Rührblätter eine Schubkraft in Gegenrichtung erteilt wird, so daß die Flüssigkeft
aufgrund eines Unterschieds zwischen beiden Schubkräften vom Eintritt zum Austritt
gefördert wird.
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Aufgrund des Unterschieds zwischen beiden Schubkräften wirkt ein von
den geneigten Führblättern ausgehender verminderter Schub sowie ein als eine Komponente
der Fliehkraft erzeugter verminderter Schub auf einen Teil der Flüssigkeitsschicht,
deren Dicke vermindert ist und die somit die Gefahr einer Diskontinuität mit sich
bringt, und infolgedessen neigt dieser Teil der Flüssigkeit dazu, in der momentanen
Lage zu verweilen. Andererseits erfährt die diesem Flüssigkeitsteil benachbarte
Flüssigkeit keine dadurch bedingte Rückwirkung, sondern auf sie wirkt eine von den
geneigten Rührblättern und eine von der schräg zur Achse der Trommel verlaufenden
Innenumfangsfläche erzeugte Schubkraft, so daß die folgende Flüssigkeit sich schnell
zu dem Dännschichtteil verminderter Dicke bewegen kann, wodurch dessen Dicke wieder
auf einen vorbestimmten Wert erhöht wird.
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Diese Wiederherstellung der Dicke der Flüssigkeitsschicht kann über
die gesamte Innenumfangsfläche der Trommel erfolgen, da die geneigten Rührblätter
und die geneigte Innenumfangsfläche der Trommel sich über die Gesamtlänge der Trommel
erstrecken.
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Der Fliehkraft-Dnnnschichtverdampfer nach Fig. 4 umfaßt eine Trommel
101, deren eines geschlossenes axiales Ende 111 großen Durchmesser und deren anderes
geschlossenes axiales Ende 112 kleinen Durchmesser hat; ferner umfaßt sie eine Innenumfangsfläche
107, die vom Ende 111 zum Ende k12 geneigt zur
zur Trommelachse
verläuft. Ferner weist der Dünnschicbtverdampfer eine Welle 106 auf, die relativ
zur Trommel drehbar ist und flüssigkeitsdicht und koaxial zur Trommel 101 durch
die Enden 111 und 112 geführt ist. Zwischen der Außenfläche der Welle 106 und der
Innenumfangsfläche der Trommel 101 ist ein Ringraum 109 vorhanden. Die Trommel 101
hat einen Eintritt 102 am geschlossenen Ende 112 mit kleinem Durchmesser zum Aufgeben
von zu verdampfender Flüssigkeit in den Ringraum#l09, einen Austritt 103 zum Abführen
unverdampfter Flüssigkeit und einen Austritt 104 zum Abführen von Dampf.
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Ferner weist der Dünnschichtverdampfer mehrere auf der Welle 106 angeordnete
Rührblätter 105 auf, deren Längsachsen zur Wellenachse geneigt sind. Die Rührblätter
105 sind in gleichen Abständen um die Welle angeordnet. Kanten 108 der Phhrblätter
105 haben ein geringes Spiel zur Innenumfangsfläche 107 der Trommel 101. Die Trommel
101 wird mit Dampf oder durch eine elektrische Heizvorrichtung od. dgl. (nicht gezeigt)
beheizt, so daß die an der Innenumfangsfläche haftende und über sie verteilte Flüssigkeit
erwärmt und verdampft wird.
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Wenn durch den Eintritt 102 Flüssigkeit in den Ringraum 109 eintritt
und die Welle 106 umläuft, läuft die Flüssigkeit zusammen mit den Rührblättern 105
mit hoher Geschwindigkeit um und unterliegt dabei der Fliehkraft. Infolgedessen
wird die Flüssigkeit über die gesamte Innenumfangsfläche 107 verteilt und verdampft.
Die Innenumfangsfläche 107 verläuft vom geschlossenen Ende 111 mit großem Durchmesser
zum geschlossenen Ende 112 mit kleinem Durchmesser zur Trommelachse geneigt, so
daß in Richtung auf das Ende 111 eine Schubkraft erzeugt wird. Ferner erzeugen die
geneigten Führblätter 105 in der Flüssigkeit eine Schubkraft in Richtung zum Ende
112 mit kleinem Durchmesser.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 weist eine Trommel 201 an
einem axialen Ende ein geschlossenes Ende 212 mit kleinem Durchmesser nahe einem
Flüssigkeitseintritt 202 und am anderen axialen Ende ein geschlossenes Ende 211
mit großem Durchmesser nahe einem Flüssigkeitsaustritt 203 und einem Dampfaustritt
204 auf. Die Innenumfangsfläche 207 der Trommel verläuft geneigt zur Trommelachse
vom Ende 212 mit kleinem Durchmesser zum Ende 211 mit großem Durchmesser. Somit
wird durch die Neigung der Innenumfangsfläche 207 eine zum Flüssigkeitsaustritt
203 gerichtete Schubkraft erzeugt.
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Auf der Welle 206 angeordnete Rührblätter 205 haben zur Wellenachse
geneigte Längsachsen, so daß sie eine zum Flüssigkeitseintritt 202 gerichtete Schubkraft
erzeugen.
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Bei den Fliehkraft-Dünnschichtverdampfern nach den Fig. 4 und 5 sind
die Neigungen der Innenumfangsflächen 107, 207 sowie der Rührblätter 105, 205 über
die Gesamtlänge gleichmäßig.
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Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Es ist ersichtlich, daß
die Flüssigkeitsviskosität sich über einen von den Flüssigkeitseintritten 102, 202
zu den Flüssigkeitsaustritten 103, 203 verlaufenden Bereich ändert, und gleiches
gilt für die Menge bzw. Dicke der Dünnschicht. Erforderlichenfalls können also die
Neigungen der Innenumfangsfläche und der Rührblätter abschnittweise verschieden
sein.
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Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß eine von der
Fliehkraft erzeugte Schubkraft auf die Flüssigkeit in eine Richtung wirkt, die zur
Richtung der von den geneigten Rührblättern erzeugten Schubkraft entgegengesetzt
ist, so daß Flüssigkeit schnell zu einem Dünnschichtabschnitt gebracht wird, bei
dem die Gefahr einer Schichtunterbrechung oder -diskontinuität besteht, wodurch
diese Gefahr vermieden wird. Selbst wenn wie im Fall des Dünnschichtverdampfers
nach Fig. 2 Schwingungen auftreten, ist die Dicke der Dünnschicht,
die
auf der Seite eines geschlossenen Endes mit großem Durchmesser verweilt, dadurch
verringerbar, daß die genannten Schubkräfte auf vorgegebene Werte eingestellt werden,
so daß Schwingungen der Rührblätter vermieden werden.
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L e e r s e i t e