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Beschreibung des Rotationsplattenverdampfers
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Die Erfindung betrifft dampfbeheizte langsam rotierende Rotationsverdampfer
zur schonenden Verdampfung von Flüssigkeiten. In der pharmazeutischen Industrie
und der Nahrungsmitteltechnik werden zur schonenden Destillation oder Rektifikation
temperaturempfindlicher Substanzen oder zum Eindicken von Milch, Fruchtsäften und
dgl. rotierende Verdampfungsapparate eingesetzt. Zum Teil werden Dünnschichtverdampfer
mit schnell rotierenden konischen oder scheibenförmigen Heizflächen verwendet, bei
denen die Zentrifugalkraft zur Erzeugung von sehr dünnen Flüssigkeitsfilmen und
damit hohen Wärmeübergangskoeffizienten ausgenutzt wird.
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Bei anderen Konstruktionen werden mechanisch durch schnell rotierende
Wischer u.ä. dünne Filme erzeugt. Solche Apparate sind aufwendig und teuer und werden
deshalb nur in Sonderfällen angewendet, wenn etwa die Zähigkeit des Produktes sehr
hoch ist oder andere Stoffwerte keine einfachere Lösung erlauben. In vielen Fällen
lassen sich jedoch einfachere, langsam rotierende Apparate mit Vorteil anwenden,
bei denen entweder mechanische Vorrichtungen oder die Schwerkraft auf der Heizfläche
einen dünnen Flüssigkeitsfilm erzeugen, durch den die Wärme geleitet werden muß.
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Hierzu gehören die von innen mit Dampf beheizten Walzentrockner und
die meist kugelförmigen Rotationsverdampfer aus Glas, die üblicherweise durch ein
Flüssigkeitsbad von außen im unteren Teil beheizt werden. Die Beheizung mit
Flüssigkeitsbad
hat den Nachteil, daß die Filmoberflächenverdampfung im oberen Teil des Verdampfungsgefäßes
an der Oberfläche des mit der rotierenden Heizfläche aus der Produktflüssigkeit
heraus sich mitbewegenden Films nur teilweise ausgenutzt wird, weil das Gefäß nur
im unteren Teil beheizt wird, und die Wärme für die Filmoberflächenverdampfung vorübergehend
in der rotierenden Behälterwand gespeichert werden muß. Aber gerade die Filmoberflächenverdampfung
an dem bei langsamer Rotation sehr dünnen Film zeichnet sich durch einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten
aus.
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Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, indem man das langsam rotierende
Verdampfungsgefäß von allen Seiten oder vorwiegend von oben und seitlich mit kondensierendem
Dampf beheizt, wie das beim Walzentrockner von innen her geschieht.
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Der noch verbleibende Nachteil besteht darin, daß im Verhältnis zum
Bauvolumen die Wärmeübertragungsflächen sehr klein sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen langsam rotierenden,
mit Dampf beheizten Verdampfer zu entwickeln, der durch besonders kompakte Bauweise
eine große Heizfläche pro Volumeneinheit bei einem hohen Wärmedurchgangskoeffizlenten
liefert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das langsam
um eine horizontale Achse rotierende Verdampfungsgefäß
von innen
und von außen gesehen die Form eines Rippenrohres hat, wie es in Bild 1 schematisch
dargestellt ist.
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Diese rippenrohrförmige Gestalt wird durch eine Plattenkonstruktion
nach Bild 2 verwirklicht, die große Ähnlichkeit mit den herkömmlichen Plattenwärmeaustauschern
hat. Die Stirn- und Grundflächen der hohlen Rippen, die einen rechteckigen, trapezförmigen
oder dreieckigen Querschnitt haben können, sind abwechselnd Dichtungen d und Abstandshalter
a.
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Anstelle der Dichtungen können auch Metallringe zwischen die Platten
gelötet oder geschweißt werden, oder die Platten werden am Rand direkt miteinander
verschweißt oder verlötet (Dreiecksrippen). Die Abstandshalter a können Teile eines
Ringes, ein Ring mit Bohrungen oder anderen Aussparungen sein oder auch z.B. als
Stifte zwischen zwei "Verstärkungsringen ausgeführt sein. Sie haben die Aufgabe,
die Platten abzustützen und müssen im Ringraum öffnungen zum Hindurchströmen von
Dampf und Flüssigkeit aufweisen. Der Abstand zwischen den Platten kann auf der Verdampfungs-
und Kondensationsseite verschieden groß sein. Dies ist z.B. angebracht wenn sich
das Kondensat und die zu verdampfenden Flüssigkeiten in der Zähigkeit stark unterscheiden.
Bei größerer Zähigkeit ist eine größere Spaltbreite erforderlich, damit sich bei
der Rotation nur ein Film an den Seitenflächen bildet und nicht die Flüssigkeit
im gesamten Zwischenraum mit hochsteigt. Bei vielen Flüssaekeiten braucht der Abstand
nur einige Millimeter zu betragen. Die Seitenflächen der Rippen sind die eigentlichen
Heizflächen. Sie werden
durch eine größere Zahl von ringförmigen,
dünnen Platten p gebildet, die z.B. auf ein zentrales Rohr r aufgeschoben und wie
bei einem Plattenwärmeaustauscher zwischen zwei stabilen Endplatten e mittels einer
Spannvorrichtung s eingespannt werden. Die Platten p können ebene Kreisringe sein,
oder sie können zur Erhöhung der Stabilität und zum gegenseitigen Abstützen mit
wellenförmigen Profilen versehen sein. Sie können auch leicht konisch verspannt
oder vorgeformt sein, so daß sich trapezförmige oder dreiecksförmige Rippenquerschnitte
ergeben. Der Rotationsplattenverdampfer ähnelt dann einer Tellerfeder. Das zentrale
Rohr oder ein ähnliches Gebilde muß Löcher oder besser Längsschlitze enthalten,
damit die Flüssigkeit zwischen die Platten gelangen und deren Dampf wieder hinausströmen
kann. Das rippenrohrförmige Verdampfungsgefäß rotiert langsam um seine horizontale
Mittelachse. Es ist teilweise, z.B. bis zum zentralen Rohr mit der zu verdampfenden
Flüssigkeit gefüllt und wird von außen mit Heizdampf beheizt.
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Das Verdampfungsgefäß sollte vorzugsweise bis etwa zum inneren Flüssigkeitsspiegel
in das Kondensat eintauchen, der Kondensatspiegel kann aber auch tiefer liegen.
Der Dampfraum außen wird durch ein feststehendes oder mitrotierendes Gehäuse g begrenzt.
Durch die Rotation wird von den aus den Flüssigkeitsspiegeln aufsteigenden Flächen
ein dünner Flüssigkeitsfilm mitgefördert. Auf der Verdampfungsseite verdampft dieser
Film ganz oder teilweise im Laufe der Umdrehung. Auf der Kondensationsseite nimmt
die Filmdicke
im Laufe der Umdrehung zu. Der Wärmeübergang vollzieht
sich daher im wesentlichen durch Film oder evtl.
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Tropfenkondensation und durch Filmoberflächenverdampfung im oberen
Teil des rippenrohrförmigen Verdampfungsgefäßes.
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Liegen die Flüssigkeitsspiegel beider Flüssigkeiten etwa auf gleicher
Höhe, so läßt sich bei nicht zu großen Temperaturdifferenzen die verdampfende Menge
gut durch Veränderung der Drehzahl steuern, ohne daß die treibende Temperaturdifferenz
verändert werden muß. Es kann nämlich im oberen Teil höchstens so viel verdampfen,
wie in Form des dünnen Films auf der Verdampfungsseite mit der Heizfläche nach oben
gefördert wird. Bei verschwindender Umdrehungsgeschwindigkeit geht auch die Fördermenge
und damit die verdampfende Menge gegen Null.
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Statt den Heizdampf dem Apparat von außen zuzuführen, kann man ihn
natürlich auch durch Einbau einer Heizvorrichtung unterhalb des Kondensatsspiegels
im Apparat selbst erzeugen. Bei dieser Art der Wärmezufuhr, z.B. durch eine elektrische
Heizung, braucht kein Kondensat aus dem Apparat abgeführt zu werden.
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Bei dem oben beschriebenen Verdampfer wurde im Verdampfungsgefäß verdampft
und von außen geheizt, Man kann aber auch im Verdampfungsgefäß heizen und an der
Außenfläche des Verdampfungsgefäßes verdampfen. Der Vorgang entspricht dann der
Verdampfung an der Außenfläche eines dampfteheizten Walzentrockners. Ob eine Verdampfung
an der Innenfläche
oder der Außenfläche des rippenrohrförmigen Gefäßes
günstiger ist, hängt hauptsächlich von konstruktiven Gesichtspunkten ab, so z.B.
von der Gestaltung der Zu- und Abführungsleitungen für Heizdampf und Kondensat auf
der einen Seite und von Produktflüssigkeit und Produktdampf auf der anderen Seite.
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Die Vorteile der beschriebenen Erfindung liegen in der großen Austauschfläche
pro Volumeneinheit, in der Steuerbarkeit durch die Drehzahl und in der Plattenkonstruktion,
die eine Variierbarkeit der Heizflächengröße ermöglicht.
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Es werden die Vorteile des guten Wärmeübergangs bei den herkömmlichen
dampfbeheizten Rotationsverdampfern mit den Vorteilen der herkömmlichen Plattenwärmeaustauscher
kombiniert.
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Leerse ite