DE3332679A1

DE3332679A1 - Duennschichtverdampfer

Info

Publication number: DE3332679A1
Application number: DE19833332679
Authority: DE
Inventors: Vaclav Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Feres
Original assignee: Individual
Current assignee: FERES, VACLAV, DIPL.-ING., LAS CRUCES, N. MEX., US
Priority date: 1983-09-10
Filing date: 1983-09-10
Publication date: 1985-03-28
Anticipated expiration: 2003-09-11
Also published as: JPH0256921B2; JPS6061001A; US4545853A; DE3332679C2

Description

Dünnschichtverdampfer

Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtverdampfer, bestehend aus einer zentralen rotierenden Antriebswelle, daran mit Abstand voneinander befestigten konischen Flächen, die einen Verdampfungsraum begrenzen, und einem diesen außenseitig umgebenden Wärmeträgerraum, wobei das Produkt am inneren Umfang der konischen Flächen aufgegeben wird, sich von dort aus filmartig ausbreitet und nach Beheizen mit dem Wärmeträger außen als Konzentrat anfällt.

Dünnschichtverdampfer dieses Aufbaus mit rotierenden konischen Verdampferflächen sind in mehreren Ausführungsformen bekannt (DE-OS 25 10 206, 26 03 480, 29 51 689). Der Vorteil dieser Verdampfer gegenüber anderen Konstruktionen besteht darin, daß sich das Produkt aufgrund des Zentrifugal fei des in einer dünnen, filmartigen Schicht ausbreitet, so daß ,vor allem bei Anwendung von Vakuum, thermisch empfindliche Produkte der chemischen, pharmazeutischen und lebensmittel technischen Industrie in schonender Weise bei kurzer Verweil zeit aufkonzentriert doch abdestilliert werden können. Bei den bekannten Konstruktionen ist entweder eine einzige konische Verdampferfläche von entsprechender Größe

vorgesehen, oder es sind mehrere Verdampferflächen hintereinander an der Antriebswelle befestigt, so daß auf diese Weise auch eine Steigerung der Verdampfungsleistung möglich ist.

Bei diesen Verdampfern müssen Drehzahl, Produktaufgabe und Temperaturgradient an der Verdampferfläche so aufeinander abgestimmt sein, daß der Produktfilm auf der.gesamten Verdampferfläche geschlossen bleibt. Dies bedeutet, daß die Schichtdicke im Bereich der Produktaufgabe am Innenumfang der Verdampferfläche wesentlich größer sein muß als außen, damit aufgrund der nach außen mit dem Quadrat des Durchmessers größer werderden Fläche sichergestellt ist, daß die Verdampferfläche auch im äußeren Bereich benetzt ist. Diese Forderung läßt sich im praktischen Betrieb häufig nicht einhalten, zumal hier auch die Viskosität und Oberflächenspannung des Produktes sowie das Konzentrationsverhältnis (Eindickungsverhältnis) eingehen. Reißt die Dünnschicht auf, so kommt es an diesen Stellen der Verdampferfläche zu Überhitzungen, die wiederum das Produkt gefährden und zu Anbackungen, Verkrustungen sowie zur Abnahme der Verdampferleistung führen können. Diese Gefahr ist besonders groß bei starkem Aufkonzentrieren schwacher Lösungen wie auch beim Destillieren nur wenig verunreinigter Lösungen von organischen Substanzen synthetischer oder natürlicher Provenienz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Dünnschichtverdampfer des vorgenannten Aufbaus dahingehend zu verbessern, daß die Gefahr des Aufreißens der Produktschicht auch bei sehr geringer Schichtdicke vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am äußeren Umfang jeder konischen Fläche mit Abstand voneinander Röhrchen

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kleinen Innendurchmessers radial verlaufend und den Wärmeträgerraum durchgreifend angesetzt sind, deren Innenraum an die konische Fläche anschließt und deren Abwicklung am Innenumfang etwa dem Umfang der konischen Fläche an der Ansatzstelle entspricht.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Dünnschichtverdampfer besteht demgemäß die Verdampferfläche aus einem bei herkömmlichen Verdampfern üblichen konischen Abschnitt und den daran anschliessenden kapillarartigen Röhrchen. Indem die Abwicklung des Innenumfangs sämtlicher Röhrchen etwa dem äußeren Umfang der konischen Fläche an der Ansatzstelle der Röhrchen entspricht, bleibt die für die Verdampfung zur Verfugung stehende Fläche von der Ansatzstelle der Röhrchen bis zu deren Enden praktisch konstant. Damit ist gewährleistet, daß der sich auf der konischen Fläche bildende Film innerhalb der Röhrchen bis zum Austritt erhalten bleibt, so daß es im praktischen Betrieb nicht zu Funktionsstörungen, die durch das Aufreißen des Films entstehen könnten, kommt. Desgleichen kann die Film- bzw. Schichtdicke im Bedarfsfall reduziert werden, so daß der Wärmeübergang verbessert, die Abdampfrate erhöht und die Verweil zeit des Produktes verringert werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die konischen Flächen vornehmlich der Verteilung des Produktes dienen und nicht oder nur teilweise in den Wärmeträgerraum hineinragen. Bei dieser Ausführungsform wird also der größere Teil der Verdampfungsfläche durch die Röhrchen erzeugt, während die konische Fläche in erster Linie das aufgegebene Produkt zu einer Dünnschicht verteilt. Daneben erfolgt natürlich auf dieser konischen Fläche eine Vorverdampfung, wobei die dort erzielte Abdampfrate davon abhängt, ob und gegebenenfalls inwieweit die konische Fläche in den Wärmeträger raum hineinragt und somit von dem Wärmeträger außenseitig umspült ist.

In bevorzugter Ausführung sind je zwei konische Flächen mit nach außen konvergierender Konizität zusammengesetzt und die Röhrchen an der Verbindungsstelle angesetzt, während benachbarten konischen Flächen mit nach außen divergierender Konizität am inneren Umfang die Produktaufgabe zugeordnet ist. Die beiden konisch konvergierenden Flächen werden also jeweils an ihrem inneren Umfang mit Produkt beaufschlagt, das von ihnen film- oder schichtartig verteilt und den Röhrchen zugeführt wird.

Die Röhrchen sind vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, können sich aber auch im Bedarfsfall von innen nach außen konisch verjüngen, so daß die innerhalb der Röhrchen zur Verfügung stehende Verdampferfläche von innen nach außen sogar etwas abnimmt, so daß auch bei hoher Abdampfrate innerhalb der Röhrchen ein geschlossener Produktfilm erhalten bleibt.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Verdampferfläche.läßt sich auf verschiedene Art herstellen. So kann beispielsweise von einem kreisförmigen Blechzuschnitt ausgegangen werden, der von außen her radial keilförmig eingeschnitten wird. Die zwischen den Einschnitten verbleibenden Blechstreifen werden dann zur Bildung der Röhrchen gebogen. Die andere, gegensinnig konische Fläche, deren Außendurchmesser um die Länge zweier Röhrchen kleiner ist als der vorgenannte Blechzuschnitt, wird dann auf die Verdampferfläche mit den Röhrchen aufgesetzt und am Umfang mit dieser verbunden.

Statt dessen können auch vorgefertigte zylindrische oder konische Röhrchen vorgesehen sein, die dann in Öffnungen zwischen den aufeinander gesetzten konischen Flächen an deren äußeren Umfang eingesetzt sind.

Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß die Röhrchen leicht ausgetauscht und gegebenenfalls in Abmessung und Werkstoff variiert werden können. So können sie beispielsweise aus einem wärmebeständigen Kunststoff, z. B. PTFE, gebildet sein. -Ferner gibt diese Ausführungsform die Möglichkeit, daß die Röhrchen eine geringere Wandstärke aufweisen als der konische Teil der Verdampferfläche. Damit steigt die Wärmedurchgangszahl im Bereich der Röhrchen. Die geringere Wandstärke ist auch deshalb möglich, weil das Röhrchen selbst druckstabiler ist als die konische Fläche. Hiermit lassen sich Wärmeübergangszahlen zwischen 6.000 und 10.000 kcal/m h C ohne Schwierigkeiten erreichen. Da schon auf der konischen Verdampferfläche eine Verdampfung stattfindet, wird dieser Dampf aufgrund der Zentrifugalwirkung teilweise auch durch die Röhrchen getrieben, während an deren Wandungen das Produkt sich filmartig verteilt, so daß dort schon von Anfang eine Zweiphasenströmung gewährleistet ist. Schließlich kann ein Verdampfer dieses Aufbaus im Bereich der Aufgabestelle des Produktes am Innenumfang des konischen Abschnittes der Verdampferfläche mit einer geringeren Schichtdicke betrieben werden als dies bei ejner bis nach außen reichenden konischen Verdampferfläche möglich ist.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Röhrchen geben weiterhin die Möglichkeit, die Verweilzeit zu vergrößern, indem entweder in die Röhrchen Schraubenfedern eingesetzt sind, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Röhrchen entspricht, oder aber die Röhrchen zumindest an ihrer Innenseite eine schraubenförmige Kontur aufweisen. Der Produktfilm wird auf diese Weise in eine Schraubenbewegung gezwungen, so daß sich die Verweilzeit vergrößert. Außerdem läßt sich dadurch die auf der Verdampferfläche sich bildende Filmdicke einstellen und einhalten, und zwar nach dem Innendurchmesser der Schraube.

In praktischen Versuchen haben sich für die Röhrchen folgende Abmessungen als besonders günstig erwiesen: Innendurchmesser ca. 5mm, Wandstärke ca. 0,3 bis 0,5mm und Länge ca. 12.0 bis 150mm.

In weiterer bevorzugter Ausführung sind die den Wärmeträgerraum durchgreifenden Röhrchen mit ihren freien Enden in dessen zylindrischer Außenwandung eingesetzt und münden in einen den Wärmeträgerraum außenseitig umgebenden Konzentrat-Sammler aus. Dieser Konzentrat-Sammelraum kann als einfacher konischer Mantel an dem Wärmeträgerraum befestigt sein, also zusammen mit diesem und den Verdampferflächen umlaufen. An der Stelle größten Durchmessers dieses Mantels wird dann das Produkt mittels Schöpfrohr abgezogen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind je zwei konische Flächen mit nach außen divergierender Konizität innenseitig an einem Tragring befestigt, der die Antriebswelle mit Abstand umgibt und eine nach innen offene U-förmige Rinne bildet, in die das Produkt aufgegeben wird, das über den Rinnenrand auf die Verdampferflächen übertritt. Im Raum zwischen den Tragringen und der Antriebswelle, wie auch im Konzentrat-Sammelraum können die Brüden abgezogen werden. Die Tragringe selbst stabilisieren die konischen Flächen an ihrem inneren Umfang, so daß trotz deren geringerer Wandstärke eine ausreichende Stabilität gegeben ist und insbesondere mehrere konische Flächen hintereinander angeordnet werden können.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigen: ·

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Dünnschichtverdampfers, wobei in der unteren Hälfte der Darstellung eine einstufige, in der oberen Hälfte eine zweistufige Arbeitsweise angedeutet ist und

Figur 2 eine Abwicklung der Verdampferfläche.

Der Dünnschichtverdampfer gemäß Figur 1 weist ein Gehäuse 1 auf, an dessen einer Stirnseite ein Hydromotor 2 angeordnet ist, der eine Welle antreibt. An der Antriebswelle 3 sind über einen Tragflansch 4 mehrere konische Flächen 5 hintereinander befestigt. Die Flächen 5 sind außenseitig von einem mitumlaufenden Zylinder 6 umgeben, dessen Boden 7 über einen Dichtungskopf 8 im Gehäuse 1· abgedichtet ist. Der zwischen der Außenseite der Flächen 5 und dem Zylinder 6 gebildete Raum dient zur Führung eines dampfförmigen Wärmeträgers, der entsprechend dem Richtungspfeil 9 durch den Dichtungskopf in den Zylinder eintritt, während das Kondensat aus dem Boden 7 im Bereich seines äußeren Umfangs mittels eines Schöpfrohrs 10 abgezogen wird.

Außenseitig ist der den Wärmeträgerraum begrenzende Zylinder 6 von einem sich konisch erweiternden Mantel 11 (untere Hälfte der Darstellung) umgeben, im Bereich dessen größten Durchmessers wiederum ein Schöpfröhr 12 zum Abziehen des Konzentrates angeordnet ist. Auch der Mantel 11 rotiert mit der Antriebswelle 3. In einer anderen Ausführungform (obere Hälfte der Figur 1) ist zwischen der letzten und der vorletzten Verdampferfläche der konische Mantel 11 bei 13 eingezogen und an der Außenseite des Zylinders 6 befestigt. Von dort erstreckt sich ein umgekehrt konischer Mantel 14, an dessen größtem Durchmesser wiederum ein Sbhöpfrohr 15 angesetzt ist.

Wie Figur 1 erkennen läßt, sind jeweils zwei konische Verdampferflachen 5 gegeneinandergesetzt. Sie sind an ihrem inneren Umfang an je einem Tragring 16 befestigt, der ein nach innen offenes U-Profil aufweist. Die konischen Verdampferflächen laufen dann aufeinander zu und gehen an ihrem äußeren Umfang in kapillarartige Röhrchen 17 über. Die Röhren 17 sind mit ihren freien Enden in die Wandungen des den Wärmeträgerraum begrenzenden Zylinders 6 eingesetzt und dort gehalten. Sie münden im Raum zwischen dem Zylinder 6 und dem Mantel 11 bzw. 14 aus. Das aufzukonzentrierende Produkt wird über eine Pumpe 18 eingespeist, von der aus eine Leitung 19 in den Raum zwischen der Antriebswelle 3 und die Tragringe 16 hineingeführt ist. Die Leitung 19 weist im Bereich jedes rinnenförmigen Tragrings 16 einen Austritt auf, über die das Produkt in die Rinne eingedüst wird. Von dort tritt es über den Rinnenrand nach beiden Seiten über und gelangt auf die Innenseite benachbarter Verdampferflächen 5, wird aufgrund derben Rotation schichtartig ausgebreitet und dringt schließlich in die Röhrchen 17 ein. Das aufkonzentrierte Produkt verläßt die Röhrchen 17 und wird aufgrund der Zentrifugalwirkung an den Mantel 11 gespritzt, läuft aufgrund dessen Konizität in den Bereich seines größten Durchmessers ab und wird dort von dem Schöpfrohr 12 abgeschält. Das aufkonzentrierte Produkt gelangt in einen Abscheider 20, in welchem es von den Brüden getrennt und - bei einstufiger Ausführung (untere Hälfte der Figur 1)-über eine Pumpe 21 und ein geöffnetes Ventil weggeführt wird. Bei einer zweistufigen Ausführung (obere Hälfte der Figur 1) wird das einmal aufkonzentrierte Produkt mittels der Pumpe 21 bei geschlossenem Ventil 22 über das geöffnete Ventil 23 in den Bereich der äußeren Verdampferfläche gefördert und auf die Tragringe 16" und 16' ' aufgegeben und schließlich über die äußeren Röhrchen 17 (in der Zeichnung am weitesten links) ausgetragen. Bei einer kontinuierlichen zweistufigen Arbeitsweise wird das Endkonzentrat über das Schöpfrohr 15 am Mantel 14 abgeschält und mittels der Pumpe 24 abgepumpt. Die Brüden verlassen den Verdampfer über den Stutzen 25.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung der Verdampferflächen angedeutet. Es werden dort aus einem kreisförmigen Blechzuschnitt radial verlaufende, keilförmige Einschnitte 26 ausgestanzt,so daß zwischen diesen Blechstreifen 27 stehen bleiben. Diese Blechstreifen werden dann zu den zylindrischen oder konischen Röhrchen 17 gebogen. Ferner wird der innere Abschnitt 28 konisch verformt. Auf diesen konischen Abschnitt 25 wird ein entsprechend gegensinnig konischer Abschnitt aufgesetzt und randseitig, d. h. um und zwischen den Röhrchen an deren Ansatzstelle mit dem Abschnitt 28 der zuvor beschriebenen Verdampferfläche verbunden. Statt dessen ist es auch möglich, nur zwei konische Abschnitte 28 gegeneinanderzusetzen und an ihrem äußeren Umfang Öffnungen zu belassen, in die fertige Röhrchen 17 eingesteckt werden.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die konischen Flächen 5 vollständig vom Wärmeträger umspült, so daß sie eine vollwertige Verdampferfläche bilden_cSie können statt dessen aber auch nur teilweise oder gar nicht dem Wärmeträger ausgesetzt sein, so daß nur eine Vorverdampfung stattfindet. Dabei dienen die konischen Flächen 5 in erster Linie der Verteilung des Produktes und der Film- bzw. Schichtbildung.

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Claims

Patentansprüche

1. Dünnschichtverdampfer, bestehend aus einer zentralen, rotierenden Antriebswelle, daran mit Abstand voneinander befestigten konischen Flächen, die einen Verdampfungsraum begrenzen, und einem diesen außenseitig umgebenden Wärmeträgerraum, wobei das Produkt am i nneren Umfang der konischen Flächen aufgegeben wird, sich von dort aus filmartig ausbreitet und nach Beheizen mit dem Wärmeträger außen als Konzentrat anfällt,
dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Umfang jeder konischen Fläche (5) mit Abstand voneinander Röhrchen (17) kleinen Innendurchmessers radial verlaufend und den Wärmeträgerraum (16) durchgreifend angesetzt sind, deren Innenraum an die konische Fläche (5) anschließt und deren Abwicklung am Innenumfang etwa dem Umfang der konischen Fläche (5) an der Ansatzstelle entspricht.

2. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Flächen (5) vornehmlich der Verteilung des Produktes dienen und nicht oder nur teilweise in den Wärmeträgerraum (6) hineinragen.

3. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei konische Flächen (5) mit nach außen konvergierender Konizität zusammengesetzt und die Röhrchen (17) an der Verbindungsstelle angesetzt sind, während benachbarten konischen Flächen (5) mit nach außen divergierender Konizität am inneren Umfang die Produktaufgabe (16) zugeordnet ist.

4. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (17) sich von innen nach außen konisch verjüngen.

5. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die konische Fläche (5) mit den Röhrchen (17) aus einem kreisförmigen Blechzuschnitt durch radiales keilförmiges Einschneiden bzw. Stanzen und durch Biegen der zwischen den Ausschnitten (23) verbleibenden Blechstreifen (24) zu den Röhrchen (17) hergestellt wird.

6. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (17) vorgefertigt und in Öffnungen zwischen den auf einander gesetzten konischen Flächen (5) an deren äußeren Umfang eingesetzt sind.

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7. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (17) aus einem wärmebeständigen Kunststoff, z. B. PTFE, gebildet sind.

8. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Röhrchen (17) Schraubenfedern eingesetzt sind, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Röhrchen (17) entspricht.

9. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (17) zumindest an ihrer Innenseite eine schraubenförmige Kontur aufweisen.

10. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (17) eine geringere Wandstärke aufweisen als die konische Fläche (5).

11. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen einen Innendurchmesser von ca. 5 mm, eine Wandstärke von ca. 0,3 bis 0,5 mm und eine Länge von ca. 120 bis 150mm aufweisen.

12. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmeträgerraum (6) durchgreifenden Röhrchen in dessen zylindrischen Außenwandung eingesetzt sind und in einen den Wärmeträgerraum (6) außenseitig umgebenden Konzentrat-Sammler (11, 14) ausmünden.

13. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei konische Flächen (5) mit divergierender Konizität innenseitig an einem Tragring (16) befestigt sind, der die Antriebswelle (3) mit Abstand umgibt und eine nach innen offene U-förmige Rinne bildet, in die das Produkt aufgegeben wird, das über den Rinnenrand auf die Verdampferflächen (5) übertritt.