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Verfahren und Vorrichtung zum Eindampfen von Lösungen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindampfen von Lösungen mit
unterschiedlichem Trockensubstanzgehalt zu Konzentraten, wobei die Lösung in dünner
Schicht rotierend und gleichzeitig translatorisch auf einem rotationssymmetrischen
Mantel bewegt, dabei beheizt und einem Vakuum ausgesetzt wird, und die durch die
Verdampfung entstehenden Brüden abgesaugt werden.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird die Lösung in statischen
Turmeindampfern eingedickt. Diese hohen, unter Vakuum stehenden vertikalen Behälter
haben einen doppelwandigen, in der Regel dampfbeheizten, zylindrischen, stillstehenden
Mantel, auf dessen innere Oberfläche die Lösung oben gleichmäßig über dem Umfang
verteilt in Dünnschichtform aufgegeben wird. Durch Schwerkrafteinwirkung fließt
die über dem Fließweg sich mehr und mehr eindickende Lösung langsam nach unten in
den Sumpf, aus dem sie als Konzentrat abgepumpt wird. Die durch Verdampfung des
Lösungsmittels entstehenden Brüden werden über Abführstutzen und -leitung von der
Vakuumpumpe abgesaugt.
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Die entscheidenden Nachteile des apparativ voluminösen und aufwendigen
Verfahrens sind seine geringe Leistungsfähigkeit
und schlechte
Kontrollierbarkeit, da die über dem Fließweg stetig zunehmende Viskosität der Lösung
eine entsprechende Reduzierung der a priori sehr niedrigen, weil durch die Schwerkraft
erzeugten Fließgeschwindigkeit und Vergrößerung der Schichtdicke verursacht.
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Diesbezüglich wesentlich günstigere Verhältnisse bestehen bei einem
anderen bekannten, apparativ sehr kompakten Verfahren, das nach dem Prinzip der
zentrifugalen Dünnschichteindampfung arbeitet. Bei diesem Verfahren wird die Lösung
auf die Unterseite eines vertikalen, rotierenden, doppelwandigen Blechmantels von
Kegelstumpfform (Doppelwandkonus) geleitet, über die die Lösung aufgrund der auf
sie wirkenden, über dem Fließweg zunehmenden Zentrifugalbeschleunigung als Dünnschicht
von sehr niedriger Dicke in einem Bruchteil einer Sekunde fließt. Der Doppelwandkonus
wird von innen her mit kondensierendem Dampf beheizt. Infolgedessen wird die Wärme
auf die fließende Dünnschicht indirekt übertragen. Aufgrund dieses Effekts und durch
die gleichzeitige Dampfdruckabsenkung an der freien Oberfläche der stromenden Dünnschicht
infolge Vakuum bedingt, setzt eine Verdampfung des Lösungsmittels und damit eine
der Verweilzeit der Lösung auf dem Doppelwandkonus entsprechende Eindickung derselben
ein. Das Konzentrat wird vom Konusende (Stelle des größten Durchmessers) in einen
an diesen sich nach unten hin anschließenden, mitrotierenden Sammelraum getrieben,
aus dem es mittels Schälrohr abgezogen
wird. Die durch Verdampfung
des Lösungsmittels entstehenden Brüden werden von der Vakuumpumpe durch die Offnung
im Zentrum des Doppelwandkonus nach oben in das Rotorgehäuse und aus diesem nach
außen hin abgesaugt und kondensiert.
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Der dem Innenraum des Doppelwandkonus zugeführte Heizdampf kondensiert
in diesem infolge der indirekten Abgabe seiner Wärme an die Dünnschicht. Das Kondensat
wird durch die Fliehkraft gegen die obere Wand des Doppelwandkonus und aus diesem
nach außen hin in einen Sammelraum geschleudert, aus dem es abgeführt wird-.
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Zur Erhöhung der Eindampfleistung ist der Zentrifugalauch eindampfermehrstufig
parallel aufgebaut, d.h. mehrere zu einer Dreheinheit zusammengefaßte Doppelwandkonen
sind in bestimmtem vertikalem Abstand parallel zueinander angeordnet (Fig. 1). Uber
ein mit Spritzdüsen entsprechend bestücktes Zulaufrohr wird die Lösung gleichzeitig
jeweils auf die Unterseite der Doppelwandkonen an der Stelle ihres kleinsten Durchmessers
aufgegeben. Parallel fließt die Lösung als Dünnschicht über die Doppelwandkonen,
wird dabei gleichzeitig in gleich starkem Maße eingedickt und das Konzentrat parallel
von allen Konusenden abgeschleudert. Dieses sammelt sich in dem die Konen umgebenden
zylindrischen Sammelraum und wird aus diesem über Schälrohr ausgeschält. Die Abführung
der gesammelten Brüden und die Beheizung der übereinander liegenden, alle im Zentrum
offenen Konen erfolgt ebenfalls nebeneinander jeweils in der eben beschriebenen
Weise.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend
genannten Art zu schaffen, das entweder mit der Zielsetzung einer besonders hohen
Eindampfleistung bei temperaturunempfindlichen Produkten oder mit der Zielsetzung
einer hinsichtlich Temperaturbelastung besonders produktschonenden Eindampfung bei
noch ausreichend hoher Eindampfleistung zu betreiben ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lösung
am Anfang eines inneren rotationssymmetrischen Mantels auf diesen aufgegeben wird
und sich rotierend in dünner Schicht zum Ende dieses Mantels hin bewegt, von dessen
Ende auf den Anfang des radial nächstfolgenden koaxialen ~rotationssymmetrischen
Mantels geschleudert wird, auf diesem rotierend zu dessen Ende hin entlang fließt
, wiederum auf den inneren Anfang des radial nächstfolgenden koaxialen, rotationssymmetrischen
Mantel abgeschleudert wird u.s.w. und nach zickzackförmigem, nacheinander erfolgendem
Überfließen weiterer radial folgender koaxialerlrotationssymmetrischer Mäntel vom
äußersten Mantel abgeschleudert und in einem Gehäuse gesammelt wird.
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Auf diese Weise gelangt man zu einem Verfahren der einleitend genannten
Art, mit dem es möglich ist, solche Lösungen, die gegen Wärmeeinwirkung unempfindlich
sind, mit besonders hoher Eindampfleistung zu Konzentraten einzudampfen, während
dieses Verfahren andererseits die Möglichkeit bietet, auch empfindliche Produkte
in der gleichen Weise zu Konzentraten einzudampfen, wobei das
Verfahren
produktschonend und dennoch mzt ausreichend hoher Eindampfleistung durchgeführt
werden kann.
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Durch das zickzackförmige nacheinander erfolgende Überfließen mehrerer
Mäntel ist gewährleistet, daß die einzudampfende rotierende Lösung während einer
langen Verweilzeit in Dünnschichtform den Eindampftemperaturen und dem Vakuum ausgesetzt
ist, so daß hierdurch besonders günstige Voraussetzungen dafür geschaffen sind,
daß das Eindampfen der Lösungen entweder mit ausreichend hoher Eindampfleistung
bei empfindlichen Produkten oder aber mit besonders hoher Eindampfleistung bei unempfindlichen
Produkten durchgeführt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäß ausgebildeten
Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 11 hervor: Die im stationären Betriebszustand
des Zentrifugaleindampfers kontinuierlich und zentral in ein Paket rotierender,
koaxialer Mäntel (Rotor, Fig. 2,3) eingespeiste Lösung wandert rotierend und in
axialem Zickzack senkrecht zur Radialebene von innen nach außen durch die von den
Mänteln abgeteilten, radial hintereinander liegenden Kammern, wobei sie unter Einwirkung
der Fliehkräfte und der Wandreibung auf den inneren Oberflächen der Mäntel in Abhängigkeit
von Drehzahl und Zulaufmenge mehr oder weniger dünne, rotierende, axial abwechselnd
nach
oben und unten fließende Schichten oder Filme bildet. Außer von letztgenannten Parametern
ist die Verweilzeit der Lösung als Dünnschicht in der Beheizungszone, im Fliehkraftfeld
und Vakuum in entscheidendem Maße von der Länge des Fließweges im Rotor und damit
von der Anzahl der koaxial angeordnetensrotationssymmetrischen Mäntel abhängig.
Aber auch die Mantelform ist von großem Einfluß auf die Verweilzeit. Während die
auf einem konisch divergierenden Mantel fließende Lösungsschicht infolge der wandparallelen
Fliehkraftkomponente eine aber den Fließweg linear zunehmende Beschleunigung und
damit exponentiell ansteigende Geschwindigkeitszunahme erfährt, fließt sie auf einem
zylindrischen#rotierenden Mantel mit konstanter Geschwindigkeit, da als treibende
Kraft nur die Reaktion auf den über dem Fließweg konstanten, da von der Flie-hbescl:'euniglng
bestimmten, hydrostatischen Zentrifugaldruck auf die Flüssigkeitsschicht wirkt.
Infolgedessen# liegt die Verweilzeit der Dunnschicht auf dem zylindrischen Mantel
um ein Mehrfaches höher als beim konischen, gleiche Fließweglängen, Zulaufmengen,
Drehzahlen und mittlere Manteldurchmesser vorausgesetzt. Demzufolge sind unter gleichen
Voraussetzungen die Verweilzeiten beim erfindungsgemäßen Zentrifugaleindampfverfahren
um mehrere Größenordnungen höher als bei dem bekannten -eindampfverfahren. Mit steigender
Verweilzeit nimmt auch die Eindampfleistung proportional zu.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die schonende thermische
Behandlung temperaturempfindlicher Produkte bei ausreichend hoher Eindampfleistung.
Bekanntlich ist die Schädigung S solcher Produkte eine Funktion der Temperaturhöhe
@ des beheizten Mantels und der Expositionszeit £' , die das Produkt dieser Temperatur
ausgesetzt ist: S5 =#(#~iffi). Andererseits kann ein solches Produkt einer Heiztemperatur
dann beliebig lange, ohne Schaden zu nehmen, ausgesetzt sein, wenn diese unterhalb
eines kritischen Werts bleibt.
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Diesen Umstand kann man sich beim erfindungsgemäßen Verfahren im Sinne
hoher Eindampfleistungen dadurch zunutze machen, indem man die Heiztemperatur der
Mäntel unterhalb des kritischen Werts hält, dafür aber die Anzahl der Mäntel und
damit die Verweilzeit entsprechend erhöht. Eine solche Möglichkeit ist bei dem bekannten
Zentrifugaleindampfer der eingangs diskutierten Art nicht gegeben. Da also bei diesem
die Verweilzeit konstant ist, muß immer ein Kompromiß aus Produktschädigung und
ausreichend hoher Eindampfleistung geschlossen werden.
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Dem Umstand, daß die gemäß Anspruch 3 axial über einen Mantel strömende,
rotierende Dünnschicht beim Übergang von diesem auf den hächstfolgenden Mantel zunächst
auf Null abgebremst und anschließend in der zur ursprünglichen entgegengesetzten
Richtung beschleunigt wird,
ist eine weitere erhebliche Erhöhung
der Verweilzeit und damit Steigerung der Verdampfungsleistung zuzuschreiben.
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Weitere, sich aufgrund der Merkmale des Anspruchs 4 einstellende verdampfungstechnische
Vorteile resultieren daraus, daß die Lösung beim Übergang von einer zur nächsten
Stufe (Abschleudern von einem auf nächsten Mantel) einerseits in feinste Tröpfchen
zerrissen wird, andererseits diese mit hoher Energie auf den nächsten Mantel schlagen,
dabei wiederum zerrissen werden und intensive Turbulenzen in der Grenzschicht auslösen.
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Nach den Gesetzen der Wärmeübertragung und des Stoffaustauschs ist
die Verdampfung einer Flüssigkeit unter bestimmten Zustandsdaten u.a. von der Größe
der freien spezifischen Oberfläche der Flüssigkeit abhängig. Wird nun eine Dünnschicht
mit bereits hoher spezifischer Oberfläche in feinste Tröpfchen zerrissen, so wird
diese nochmals erheblich vergrößert. Die Folge ist eine weitere Steigerung der Verdampfung
und damit der Eindampfleistung. Ferner ist der Wärmeübergang von einer Heizfläche
an ein darüber fließendes zu verdampfendes Medium vom Strömungszustand der Grenzschicht
abhängig: Je stärker die Turbulenz in der Grenzschicht ist, umso höher ist der Wärmeübergang
und damit die Verdampfung.
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Der Umstand, daß die auf die rotierende Dünnschicht wirkende Fliehbeschleunigung
gemäß Anspruch 5 von Stufe
zu Stufe dem Radiuszuwachs entsprechend
steigt, führt zu einer weiteren Steigerung der Eindampfleistung: Von Stufe zu Stufe
sinkt zwar die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit der Dünnschicht (bei 8 Stufen
um ca.
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30 %), ein den Wärmeübergang reduzierender Effekt, steigt Jedoch gleichzeitig
die Verweilzeit in gleichem Maße an. Darüber hinaus aber sinkt zusätzlich noch sowohl
die Dicke der Dünnschicht insgesamt (Erhöhung der spezifischen Oberfläche) als auch
die der Grenzschicht (höherer Wärmeübergang) beträchtlich.
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Leicht konische Mäntel sind dann angebracht, wenn die Lösung oder
das Konzentrat höchstviskos ist. Dann ist die wandparallele Fliehkraftkomponente
zur Erzielung einer ausreichenden Fließgeschwindigkeit und damit Durchsatzleistung
erforderlich. U. U. brauchen nur die äußeren der koaxialen Mäntel konisch ausgebildet
zu sein, da das Konzentrat erst mit steigender Verweilzeit höhere, u.U. kritische
Viskositätswerte erreicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Beheizung der Doppelwandmäntel
sowohl mit kondensierendem Dampf als auch mit einem flüssigen Wärmeträger möglich.
Die erste Beheizungsàrt ist wegen des hohen ärmeübergangs von kondensierendem Dampf
intensiver; der dieser im Sinne schonender Produktbehandlung bei niedriger Dampftemperatur
anhaftende#relativ hohe apparative und verfahrenstechnische Aufwand kann aber durchaus
auch die
wenig aufwendige Beheizung mit flüssigem Wärmeträger sinnvoll
machen.
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Desweiteren kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zentral in
den aus Rotor und Stator (rotierende bzw. stillstehende koaxiale Mäntel) bestehenden
Zentrifugaleindampfer aufgegebene Lösung in axialem Zickzack radial von innen nach
außen über viele mit radialem Abstand voneinander koaxial angeordnete, im Durchmesser
abgestuft größer werdende, doppelwandigeybeheizte Mäntel fließen, die abwechselnd
rotieren und stillstehen (Fig. 4).
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Die durch die Mäntel abgeteilten, radial hintereinander liegenden
Kammern kommunizieren miteinander jeweils über einen Ringspalt alternierend am Fuß-
und Kopfende der Mäntel und mit dem unter Vakuum stehenden Gehäuse innern über entsprechend
positionierte stegförmige Verbindungsrohrstücke im doppelwandigen Boden des Stators.
Die auf die innere Oberfläche des innersten rotierenden Mantels oben aufgegebene
Lösung bildet auf diesem infolge Wandreibung eine rotierende Dünnschicht, die von
dessen unterem Ende auf den radial nächstfolgenden, zum Stator gehörenden, d.h.
stillstehenden Mantel abgeschleudert wird. Die der Lösung dabei mitgegebene Rotationsenergie
ist so hoch, daß erstere auf diesem ebenfalls eine rotierende Dünnschicht bildet,
die vertikal nach oben fließt. Dabei verlangsamt sich infolge wandreibung die Strömungsgeschwindigkeit
zunehmend ein wenig und steigt die Schichtdicke entsprechend an. Vom oberen Ende
des
innersten Statormantels fliegt die Lösung radial auf den nächstfolgenden
, wiederum rotierenden Mantel, der sie wieder beschleunigt u.s.w. Der besondere
Effekt bei diesem Verfahren beruht darauf, daß die Lösung als Dünnschicht auf den
beheizten Flächen der Statormäntel verzögert fließt, d.h. die Verweilzeit und damit
die Eindampfleistung entsprechend erhöht wird. Bei dieser Verfahrensvariante kommt
den Rotormänteln zusätzlich die Aufgabe zu, eine dünne Lösungsschicht auf den Statormänteln
zu erzeugen.
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Mit dem Ziel, eine aufbaumäßig einfache und verfahrenstechnisch doch
effiziente Vorrichtung zu schaffen, können in Abwandlung der diskutierten Verfahrensvariante
die Rotormäntel auch einwandig unbeheizt sein. In diesem Fall kommt letzteren lediglich
die Aufgabe zu, die dünnen rotierenden, axial verzögert fließenden Lösungsschichten
auf den beheizten doppelwandigen Statormänteln zu erzeugen. - Bei beiden Verfahrensvarianten
kann als Heizmedium nur kondensierender Dampf verwendet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die eingespeiste Lösung über
eine Schleuderscheibe oder den Rotordeckel (Fig. 4) form- oder kraftschlüssig beschleunigt
und rotationssymmetrisch auf den Umfang des innersten Mantels in gleichmäßiger Verteilung
aufgeschleudert.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einem Mantelpaket innerhalb eines evakuierten
Gehäuses, wobei dieses Paket aus koaxial angeordneten Mänteln besteht, auf deren
jeweils innerer Oberfläche die einzudampf ende Lösung in dünner Schicht fließt.
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Bei einem bekannten einstufigen Zentrifugaleindampfer besteht der
Rotor aus einem einwandigen, oben im zentralen Teil offenen Konus, der in einem
ebenfalls konischen, unter Heizdampf stehenden Gehäuse rotiert, fliegend unten gelagert
und zu letzterem oben und unten abgedichtet ist.
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Durch die obere große Kreisöffnung und die sich daran anschließende
Drehdurchführung im Gehäuse mit Abführstutzen und -leitung strömen die Brüden aus
dem Rotorinnern zur Vakuumpumpe. Ebenfalls durch die Drehdurchführung und die zentrale
Kreisöffnung führen exzentrisch von außen her in das Rotorinnere das Zulaufrohr
für die einzudampfende Lösung und das Schälrohr für das zu entnehmende Konzentrat.
Letzteres reicht bis in die Peripherie des Konzentrat-Sammelraums am Ende des Kegelmantels
oberhalb des Rotorbodens. Das am Auslaufende tangential zur Rotorwandung abgekröpfte
Zulaufrohr endet unmittelbar über der inneren Oberfläche der konischen Wand des
Rotors an dessen oberem Ende. Das auf der äußeren Oberfläche des konischen Rotors
durch Kondensation des Heizdampfs sich bildende Kondensat wird gegen die Gehäusewandung
abgeschleudert, läuft nach unten, sammelt sich unten im Gehäuseaußenraum und fließt
aus diesem and der Maschine.
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Bei einem bekannten parallel mehrstufigen Zentrifugaleindampfer (Fig.
1) besteht der ebenfalls fliegend unten gelagerte Rotor aus mehreren Zylinderkonen
(doppelwandige Kegelstumpfmäntel jeweils mit einwandigem zylindrischem Kragen an
ihrem Fußende), dem auf der Antriebswelle sitzenden zylindrischen Rotorkopf mit
Boden und der Überwurfringmutter mit aufgesetztem Leitkonus. Die ebenfalls oben
im zentralen Teil offenen Zylinderkonen sind aufeinander gesetzt (Höhe der Kragen
definiert axialen Abstand der Konen voneinander und damit Höhe des freien Raums
jeweils zwischen diesen) und als kompaktes Paket im Rotortopf koaxial eingesetzt.
Aufnahmeformteile in diesem fixieren den Einsatz in der richtigen Lage. Mittels
der Überwurfringmutter werden Rotortopf und Einsatz zu einer festen Dreheinheit
verspannt. Die nach außen hin eine Zylinderwandung bildenden Kragen der Zylinderkonen
haben einen bestimmten radialen Abstand zur Rotortopfwandung und definieren so einen
hohlzylindrischen Raum, der mit dem zentralen Raum unterhalb des Einsatzes in Verbindung
steht. Dieser Raum kommuniziert seinerseits mit der hohlen Antriebswelle, durch
die der Heizdampf zugeführt wird. Durch gleichmäßig über dem Umfang verteilte radiale
Bohrungen im Kragen der Zylinderkonen kommunizieren jeweils die Innenräume der doppelwandigen
Konen mit dem hohlzylindrischen Dampfraum zwischen Kragen und Rotortopfwandung.
Aus denselben Bohrungen wird das in den Innenräumen der doppelwandigen Konen entstehende
Kondensat nach außen hin gegen die Rotortopfwandung abgeschleudert
(nur
sehr kleiner oberer Teil der Bohrungsquerschnitte mit Kondensat gefüllt, überwiegender
querschnittsteil frei für hochsteigenden Dampf). Das Kondensatfliet in dünner Schicht
an der Rotortopfwandung entlang nach unten in den peripheren Sammelraum oberhalb
des Bodens, wird aus diesem über ein durch die Hohlwelle geführtes Schälrohr entnommen
und abgeleitet. Das Zulaufrohr für die einzudampfende Lösung führt exzentrisch von
außen her durch die zentralen Öffnungen der Konen in deren Innenraum. Entsprechend
der Stufenzahl weist das Zulaufrohr Austrittsstutzen auf#, die, tangential zum Konusumfang
abgekröpft , unmittelbar oben am Kopf der Konen über deren unterer Oberfläche enden.
Gleichzeitig fließt die Lösung auf die Konen, und wird gleichzeitig das Kondensat
von deren Enden abgeschleudert. Es bildet auf der inneren Oberfläche der einen durchgehenden
Zylindermantel formenden Kragen eine Dünnschicht, die durch axiale Bohrungen in
den Kragen nach oben in den in die Ringmutter eingearbeiteten Sammelraum fließt.
Aus diesem wird das Konzentrat mittels eines exzentrisch von oben her durch die
zentrale Öffnung des Leitkonus führenden Schälrohrs entnommen und nach außen abgeführt.
Der Rotor ist in einem hermetischen Gehäuse untergebracht, das unter Vakuum steht.
Die Brüden strömen durch die oberen Kreisöffnungen der Eindampfkonen und des Leitkonus
in das Gehäuse und aus diesem durch einen seitlichen, im Querschnitt groben Stutzen
zur Vakuumpumpe.
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Die Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die
im Durchmesser abgestuft größer werdenden Mäntel mit radialem Abstand voneinander
koaxial angeordnet und hintereinander bzw. in Reihe geschaltet sind.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Lösung, die auf den Anfang des innersten
Mantels gegeben wird, diesen rotierend entlang fließt, von diesem an seinem Ende
auf den Anfang des nächstfolgenden Mantels abgeschleudert wird, entlang diesem rotierend
zu dessen Ende hin fließt, hier wiederum auf den Anfang des nächstfolgenden Mantels
abgeschleudert wird usw., bis die Lösung als Konzentrat vom letzten bzw. äußersten
Mantel gegen die Gehäusewandung geschleudert wird und entlang der Gehäusewandung
nach unten in den Sumpf fließt, um hier abgezogen zu werden. Dies hat zur Folge,
daß die Verweilzeit der einzudampfenden Lösung innerhalb des Mantelpakets sehr hoch
ist, d.h. sie in Dünnschichtform den Heiztemperaturen und dem Vakuum besonders lange
ausgesetzt ist. Aufgrund dessen ist entweder eine extrem hohe Konzentrierung der
Lösung oder die Konzentrierung großer Mengen von Lösung zu erreichen. Wegen der
hohen Verweilzeit besteht auch die Möglichkeit, temperaturempfindliche Produkte
in ausreichender Menge und schonend, d.h. bei relativ niedriger Heiztemperatur zu
konzentrieren.
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Die zu einem Rotor zusammengefaßten Mäntel, die synchron rotierend
angeordnet sind, können doppelwandig ausgebildet
und beheizt sein.
Desweiteren können die Mäntel zylindrisch ausgebildet sein. Es ist auch möglich,
dis Mäntel als alternierend nach unten und oben divergierende Konen auszubilden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gehen aus den Ansprüchen 17 bis 26 hervor: Die fest mit Deckel und Boden des Rotors
verbundenen Mäntel teilen somit koaxiale, hintereinander geschaltete Zylinder- oder
Konuskammern abs die jeweils über alternierend am Kopf- oder Fußende der Mäntel
durch diese führende, über dem Umfang gleichmäßig verteilte stegförmige Röhrchen
miteinander kommunizieren bzw. die äußerste Kammer mit dem Gehäuseinnern kommuniziert.
Durch die in den äußersten Mantel eingesetzten Röhrchen wird das Konzentrat gegen
die feststehende Gehäusewandung geschleudert. In oder durch die Hohlräume der doppelwandig
ausgebildeten Zylinder oder Konen kann je nach weiterer Ausbildung der Vorrichtung
als Heizmedium kondensierender Dampf oder ein flüssiger Wärmeträger geführt werden.
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Bei Beheizung mit kondensierendem Dampf schließt sich an das untere
Ende der Mäntel eine den Rotorboden bildende, daher mitrotierende Kammer an, die
mit den Innenräumen der doppelwandigen Mäntel kommuniziert. Bei dem Rotor mit zylindrischen
Mänteln wird das in deren Innenräumen entstehende Kondensat direkt nach unten in
die Kammer abgeschleudert, so daß die obere Stirnseite der Mäntel mit einem einwandigen
Deckel verschlossen werden kann. Bei einem Rotor mit konischen Mänteln muß auch
der
Deckel des Rotors doppelwandig als Kondensat-Sammelkammer ausgebildet sein, da das
Kondensat aus den Innenräumen der nach oben konisch divergierenden doppelwandigen
Mäntel nach oben hin abgeschleudert wird. Da obere und untere Kammer über einige
gleichmäßig über dem Rotorumfang verteilt angeordnete vertikale Röhrchen miteinander
kommunizieren, kann das Kondensat aus der oberen in die untere Kammer fließen.
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Das sich in deren peripherem Raum ansammelnde Kondensat wird mittels
Schälrohr ausgeschält und aus der Vorrichtung abgeführt. Das Schälrohr führt zentral
durch die untere Hohlwelle in die Bodenkammer. Diese erfüllt eine Doppelfunktion,
da sie nicht nur als Kondensat-Sammel-, sondern auch als Dampf-Verteilkammer fungiert.
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Sie kommuniziert mit der Hohlwelle, durch die Dampf von außen her
zugeführt wird. Dieser steigt dann in die Innenräume der doppelwandigen Mäntel hoch
und kondensiert hier. Die von den Mänteln abgeteiltensradial hintereinander liegenden
Zylinder- oder Konuskammern kommunizieren jeweils mit dem unter Vakuum stehenden,
den Rotor umgebenden Gehäuseinnern über die in den Rotordeckel eingesetzten bzw.
stegförmig durch dessen Doppelwandung führenden Rohrstücke, die jeweils auf einem
Radius zwischen Innen- und Außenradius der Kammern liegen und über dem Umfang gleichmäßig
verteilt sind.
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Bei Beheizung mit einem flüssigen Wärmeträger schließen sich als Deckel
und Boden an das obere und untere Ende
der Mäntel jeweils eine
mitrotierende Kammer an, deren Kreisringquerschnitt in radialer Richtung stark konisch,
ideal gesehen überproportional abnimmt. Da die obere Kammer als Verteiler und die
untere als Sammler für den flüssigen Wärmeträger fungiert, ist diese Formgebung
der Kammern aus strömungstechnischen Gründen mit dem Ziel einer gleichmäßigen und
-hohen Beaufschlagung der einzelnen Innenräume der Doppelwandmäntel erforderlich.
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Der flüssige Wärmeträger wird der oberen Verteilerkammer über die
obere Hohlwelle zugeführt und aus der unteren Sammelkammer über die untere Hohlwelle
abgeführt. Somit werden die Innenräume der Doppelwandmäntel kontinuierlich von oben
nach unten vom Heizmedium durchströmt.
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Die von den Mänteln abgeteilten Kammern kommunizieren diesmal alternierend
oben und unten mit dem Gehäuse innern über jeweils auf einem Radius zwischen Innen-und
Außenradius der Kammern liegende, über dem Umfang gleichmäßig verteilte Rohrstücke,
die abwechselnd oben und unten stegförmig durch Verteiler- und Sammelkammer führen.
Bei Dampfbeheizung kann der Rotor unten fliegend, bei Beheizung mit flüssigem Wärmeträger
muß er beidseitig gelagert sein.
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Nach einem nebengeordneten Erfindungsgedanken ist die Vorrichtung
so ausgebildet, daß die zu einem Paket zusammengefaßten, im Durchmesser abgestuft
größer werdenden, mit radialem Abstand voneinander koaxial angeordneten und hintereinander
bzw. in Reihe geschalteten
Mäntel vom Paketinnern her nach außen
hin gesehen abwechselnd rotierend und stillstehend angeordnet sind.
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Mit diesem aus Rotor (rotierende Mäntel) und Stator (stillstehende
Mäntel) bestehenden Mantelpaket wird erreicht, daß die Dünnschicht jeweils auf den
stillstehenden Mänteln infolge der verzögernden Wandreibungskräfte verlangsamt axial
fließt und somit die Verweilzeit der Lösung im Mantelpaket in gewünschter Weise
weiter erhöht wird.
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Weitere Erfindungsmerkmale gehen aus den Ansprüchen 28 bis 42 hervor:
Der Stator besteht aus dem Boden und mehreren nach oben hin frei kragenden, doppelwandigen,
beheizten Mänteln. Der Boden ist doppelwandig ausgebildet und fungiert sowohl als
Dampf-Verteiler- als auch Kondensat-Sammelkammer für die mit ihr kommunizierenden
Innenräume der doppelwandigen Mäntel. In die Kammer hinein ragt von unten her exzentrisch
die Dampfzuführleitung. Der einströmende Dampf steigt in die Innenräume der doppelwandigen
Mäntel und kondensiert hier.
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Das Kondensat läuft durch Schwerkrafteinwirkung nach unten in die
Bodenkammer, über deren untere schräge-Wandung zum seitlichen Ablaufstutzen und
durch die Abflußleitung aus dem Stator. Dieser ist seitlich über Haltestege mit
dem Gehäuse verbunden. Zentral durch die Kammer führt von unten her die Produktzuführleitung
und endet zentral kurz unterhalb der unteren Wandung deroberen rotierenden Dampf-Verteilerkammer
des Rotors, die somit u.a. als Schleuder- und Verteilerscheibe für das Produkt fungiert.
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Der fliegend kopfgelagerte, d.h. hängende Rotor besteht aus Deckel
und mehreren nach unten hin frei kragenden doppelwandigen, beheizten Mänteln. Der
Deckel ist doppelwandig ausgebildet und fungiert wiederum gleichzeitig als Dampf-Verteiler-
und Kondensat-Sammelkammer für die mit ihr kommunizierenden Innenräume der doppelwandigen
Rotormäntei. Der periphere Bereich der Kammer ist als Sammelraum für das in diese
abgeschleuderte Kondensat ausgebildet, in den das Schälrohr hineinragt. Dieses ist
von oben her durch die hohle Rotorwelle geführt, die gleichzeitig die Zuführleitung
für den Heizdampf zu der mit ihr kommunizierenden oberen Verteilerkammer darstellt.
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Eine aufbaumäbig einfachere Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch möglich, daß man den Rotordeckel und die -mäntel einwandig und damit
unbeheizt ausbildet. Letztere haben dann lediglich die Aufgabe, rotierende, axial
fließende Dünnschichten auf den stillstehenden, #doppelwandigen, beheizten Statormänteln
zu erzeugen.
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Um ein Mantelpaket aus abwechselnd rotierenden und stillstehendentkoaxialen
Mänteln zu erhalten, greifen die Mäntel von Rotor und Stator kammartig berührungslos
so ineinander, daß sich jeweils zwischen rotierendem und stillstehendem Mantel Kammern
von gleich großer radialer Breite ergeben. Hierbei bilden die freien Kopfenden
der
frei kragenden Mäntel von Rotor und Stator jeweils mit dem Deckel des ersteren und
Boden des letzteren Ringspalte alternierend oben und unten, über die jeweils die
benachbarten Kammern zwischen den Mänteln kommunizieren.
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Für die Verarbeitung nicht zu viskoser Lösungen bzwt Konzentrate sind
die Mäntel von Rotor und Stator zylindrisch, für höchstviskose Medien bei ersterem
die inneren Oberflächen der Mäntel ausschließlich nach unten, bei letzterem ausschließlich
nach oben hin konisch divergierend ausgebildet.
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Bei Zuführung der Lösung zentral von oben her in den Rotor - und das
gilt für alle erfindungsgemäßen Vorrichtungen - trifft diese auf eine glatte, u.U.
leicht aufgerauhte oder mit Leitrippen bestückte Schleuderscheibe, die mit kurzem
axialem Abstand zum Rotordeckel an diesem von unten her befestigt ist.
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Ist der Rotordeckel einwandig oder als doppelwandige Kammer ausgebildet,
in die kein Schälrohr hineinragt (Fig. 2,5), so sind in diesen jeweils mehrere,
auf einem zwischen Außen- und Innenradius einer Zylinder- oder Konuskammer liegenden
Radius gleichmäßig über dem Umfang verteilte Öffnungen gebohrt oder Rohrstücke eingesetzt,
über die die Kammern jeweils mit dem das Mantelpaket umgebenden Gehäuseinnern kommunizieren.
Die gleiche Anordnung der Rohrstücke im doppelwandigen Statorboden
weist
jene erfindungsgemäße Vorrichtung auf, deren Rotordeckel doppelwandig als Kammer
ausgebildet ist, in die ein Schälrohr hineinragt (Fig, 4). Bei flüssigkeitsbeheizten
Mänteln führen durch den doppelwandigen Rotordeckel und -boden stegförmig Rohrstücke,
die jeweils gleichmäßig über dem Umfang verteilt auf einem Radius zwischen Innen-
und Außenradius einer Zylinder-oder Konuskammer alternierend oben oder unten liegen
und über die letztere mit dem Gehäuse innern alternierend oben und unten kommunizieren.
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In den Zeichnungen sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 2 eine Vorrichtung mit ausschließlich rotierenden, doppelwandlgen
Mänteln und Dampfheizung zum Eindampfen von Lösungen, Fig. 3 eine Vorrichtung mit
ausschließlich rotierenden, doppelwandigen Mänteln und Heizung mittels flüssigem
Wärmeträger zum Eindampfen von Lösungen Fig. 4 eine Vorrichtung mit abwechselnd
rotierenden und stillstehenden, doppelwandigen Mänteln und Dampfbeheizung zum'Eindampfen
von Lösungen, Fig. 5 eine Vorrichtung mit abwechselnd rotierenden, einwandigen und
stillstehenden, doppelwandigen Mänteln und Dampfbeheizung zum Eindampfen von Lösungen.
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In Fig. 2 sind Aufbau und Wirkungsweise der Vorrichtung folgende:
Kernstück ist der Rotor, bestehend aus den hier fetf doppelwandigen Zylinder- bzw.
Konusmänteln (4, 12), dem einwandigen bzw. doppelwandigen Deckel (5, 10), der Bodenkammer
(3), der antreibenden Hohlwelle (21), den Fußlagern (20) und (20'), der Keilriemenscheibe
(15) und der Schleuderscheibe (8). Den Rotor umgibt das doppelwandige, beheizte,
konisch-zylindrische Gehäuse (1) mit Produktabführstutzen (17) und Brüdenabführstutzen
(7).
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Von oben führt das Zulaufrohr (9) für die einzudampfende Lösung nach
unten in das Gehäuse (1) und ragt berührungslos in den Rotor bis kurz oberhalb der
Schleuderscheibe (8). Durch die untere Drehdurchführung (16) und Hohlwelle (21)
führt das um-90° abgekröpfte Schälrohr (22) in die Bodenkammer (3). Kurz vor der
Abkröpfung ist es in der Hohlwelle (21) gelagert.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Durch das Zulaufrohr
fließt in Richtung der Fließpfiele von oben die Lösung auf die Schleuderscheibe
(8), wird von dieser über dem Umfang gleichmäßig verteilt auf den innersten Mantel
(4, 12) aufgeschleudert, fließt als Dünnschicht an diesem vertikal nach unten, wird
durch die stegförmigen Röhrchen (13), die alternierend oben und unten jeweils zwei
benachbarte Zylinder- bzw. Konuskammern verbinden, auf den nächsten Mantel (4, 12)
abgeschleudert, fließt an diesem vertikal hoch usw. Die Lösung durchwandert somit
in radialem Zickzack die koaxialen
Mäntel (4, 12) radial von innen
nach außen und wird auf diesem Fließweg auf Endkonzentration eingedickt. Das Konzentrat
wird schließlich durch die Röhrchen (13) im äußersten Mantel aus dem Rotor gegen
die zylindrische Gehäusewandung abgeschleudert und fließt an dieser und der Konuswandung
entlang nach unten in den Sumpf, aus dem es abgepumpt wird. Die entstehenden Brüden
strömen aus den Kammern durch die Rohrstücke (6, 6') in den Gehäuseinnenraum und
aus diesem durch den Stutzen (7) zur Vakuumpumpe. Der Heizdampf wird über die Leitung
(19), die untere Drehdurchführung (16) und die Hohlwelle (21) in die Bodenkammer
(3) geleitet, steigt aus dieser in die Innenräume der Mäntel (4, 12) und kondensiert
hier. Das in die obere und untere Kammer (3, 10) abgeschleuderte Kondensat sammelt
sich in deren peripheren Außenräumen, die über die gleichmäßig über dem Rotorumfang
verteilt angeordneten Röhrchen (11) miteinander kommunizieren. Aus dem Sammelraum
(2) wird das Kondensat mittels Schälrohr (22) ausgeschält und nach außen hin über
die Leitung (18) abgeführt. Über die Keilriemenscheibe (15) wird der Rotor angetrieben.
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Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ist bis auf das Führungssystem
für das flüssige Heizmedium in Aufbau und Wirkungsweise identisch mit der in Fig.
2 gezeigten: Der flüssige Wärmeträger (24, 24'), z.B. Heißwasser, fließt über die
obere Drehdurchführung (25) und Hohlwelle (26) in die obere konische Verteilerkammer
(23),
vier aus dieser durch die;doppelwandigen Zylinder bzw. Konen
(4, 12) in die untere Sammelkammer (30), aus der er über die untere Hohlwelle (29)
und Drehdurchführung (29') aus der Vorrichtung läuft. Im Gegensatz zur Vorrichtung
in Fig. 2 kommunizieren bei dieser Vorrichtung die Zylinder- bzw. Konuskammern zwischen
den Mänteln (4, 12) mit dem Gehäuse innern über stegförmig alternierend (23,30)
oben und unten in die Sammel- und Verteilerkammeryeingesetzte Röhrchen (28). Der
Rotor ist beidseitig, d.h.
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kopf- (27') und fuß- (27) gelagert und wird über die Keilriemenscheibe
(15) von unten angetrieben.
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Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung hat folgenden Aufbau und folgende
Wirkungsweise: Den oben fliegend gelagerten (45), d.h. hängenden, kopfgetriebenen
44) Rotor bilden in diesem Fall fünf zylindriscne bzw. vier konische, frei nach
unten kragende, koaxiale, doppelwandige Mäntel (38, 46), der doppelwandige, als
Kammer ausgebildete Deckel (59 und die antreibende obere Hohlwelle (42). Über den
Stutzen (41) und die Drehdurchführung (43) wird der Heizdampf durch die Hohlwelle
(42) in die Kammer (5') geleitet, aus der er in die Innenräume der doppelwandigen
Mäntel (38, 46) strömt und hier kondensiert. Das in die Kammer (5) abgeschleuderte
Kondensat wird im sammelraum (2) gesammelt und mittels Schälrohr (40) ausgeschält
und nach außen hin abgeleitet. Den Stator bilden die Bodenkammer (35), hier vier
doppelwandige Zylinder bzw. drei doppelwandige Konen (37, 47), die Dampfzuführleitung
(32), die Kondensatabführleitung
(33) und die Halterung (36).
Der in die Bodenkammer (35) geleitete Dampf steigt in die Innenräume der doppelwandigen
Mäntel und kondensiert in diesen. Das Kondensat fließt zurück in die Kammer (35),
über deren schrägen Boden zum seitlichen Ablaufstutzen (34) und über die Ablaufleitung
(33) aus der Vorrichtung.
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Rotor und Stator, beide kammartig berührungslos ineinandergreifend,
sind vom Gehäuse (1) umgeben. Die Lösung wird über die zentral von unten durch die
Stator-Bodenkammer (35) bis unmittelbar unterhalb der unteren Wandung der Rotordeckelkammer
(3) führende Zulaufleitung (31) in den Rotor eingespeist und fließt den Pfeilen
entsprechend zickzacktörmig radial von innen nach außen durch die koaxialen Mäntel
von Rotor und Stator Die durch die Mäntel abgeteilten Zylinder- bzw. Konuskammern
kommunizieren jeweils mit der benachbarten über die alternierend oben und unten
am Kopfende der Mäntel bestehenden Ringspalte (39). Durch die stegförmigen Rohrstücke
(48) gelangen die Brüden aus den Zylinder- bzw Konuskammern ins Gehäuseinnere und
aus diesem in bekannter Weise zur Vakuumpumpe Bei der Fig. 5 dargestellten Vorrichtung
besteht der Rotor aus einem einwandigen Deckel (5) und fünf bzw.
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vier einwandigen zylindrischen bzw. konischen Mänteln (49, 50). Die
abgeteilten Zylinder- bzw. Konuskaamern kommunizieren mit dem Gehäuse innern über
die Rohrstücke (6). Die Lösung läuft wieder zentral von oben über die Zuführleitung
(9) auf die Schleuderscheibe (8) und auf
pfeilmarkiertem Wege in
bekannter Weise durch die Vorrichtung. In dem übrigen Aufbau und der Wirkungsweise
stimmt diese mit der in Fig. 4 dargestellten#über#in.