DE3332679C2 - Dünnschichtverdampfer - Google Patents
DünnschichtverdampferInfo
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- Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtverdampfer, be
stehend aus einer zentralen rotierenden Antriebswelle,
daran mit Abstand voneinander befestigten konischen Flä
chen, 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 ko
nischen Verdampferflächen sind in mehreren Ausführungs
formen bekannt (DE-OS 25 10 206, 26 03 480, 29 51 689,
US-PS 2 894 879). Der Vorteil dieser Verdampfer gegenüber
anderen Konstruktionen besteht darin, daß sich das Pro
dukt aufgrund des Zentrifugalfeldes in einer dünnen, film
artigen Schicht ausbreitet, so daß, vor allem bei Anwen
dung von Vakuum, thermisch empfindliche Produkte der
chemischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen
Industrie in schonender Weise bei kurzer Verweilzeit auf
konzentriert oder abdestilliert werden können. Bei den
bekannten Konstruktionen ist entweder eine einzige Ver
dampferfläche von entsprechender Größe vorgesehen
(DE-OS 25 10 206, 26 03 480), oder es sind mehrere Ver
dampferflächen hintereinander an der Antriebswelle be
festigt (DE-OS 29 51 689, US-PS 2 894 879), so daß durch
eine mehrstufige Verdampfung auch eine Steigerung der
Verdampfungsleistung möglich ist.
Bei diesen Verdampfern müssen Drehzahl, Produktaufgabe
und Temperaturgradient an der Verdampferfläche so auf
einander abgestimmt sein, daß der Produktfilm auf der
gesamten Verdampferfläche geschlossen bleibt. Dies be
deutet, daß die Schichtdicke im Bereich der Produktauf
gabe am Innenumfang der Verdampferfläche wesentlich größer
sein muß als außen, damit aufgrund der nach außen mit
dem Quadrat des Durchmessers größer werdenden Fläche sicher
gestellt ist, daß die Verdampferfläche auch im äußeren
Bereich benetzt ist. Diese Forderung läßt sich im prak
tischen Betrieb häufig nicht einhalten, zumal hier auch
die Viskosität und Oberflächenspannung des Produktes sowie
das Konzentrationsverhältnis (Eindickungsverhältnis) ein
gehen. 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 Aufkonzen
trieren schwacher Lösungen wie auch beim Destillieren
nur wenig verunreinigter Lösungen von organischen Sub
stanzen synthetischer oder natürlicher Provenienz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Dünnschicht
verdampfer des vorgenannten Aufbaus dahingehend zu ver
bessern, 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 vonein
ander Röhrchen
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 be
steht demgemäß die Verdampferfläche aus einem bei herkömmlichen
Verdampfern üblichen konischen Abschnitt und den daran anschlies
senden kapillarartigen Röhrchen. Indem die Abwicklung des Innen
umfangs sämtlicher Röhrchen etwa dem äußeren Umfang der konischen
Fläche an der Ansatzstelle der Röhrchen entspricht, bleibt die für die
Verdampfung zur Verfügung stehende Fläche von der Ansatzstelle der
Röhrchen bis zu deren Enden praktisch konstant. Damit ist gewähr
leistet, 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. Schicht
dicke im Bedarfsfall reduziert werden, so daß der Wärmeübergang ver
bessert, die Abdampfrate erhöht und die Verweilzeit 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 Verdampfungs
fläche 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, wo
bei die dort erzielte Abdampfrate davon abhängt, ob und gegebenen
falls inwieweit die konische Fläche in den Wärmeträgerraum 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 Produkt
aufgabe 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 zuge
führt 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 Abdampf
rate innerhalb der Röhrchen ein geschlossener Produktfilm erhalten bleibt.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Verdampferfläche läßt sich auf ver
schiedene Art herstellen. So kann beispielsweise von einem kreis
förmigen Blechzuschnitt ausgegangen werden, der von außen her radial
keilförmig eingeschnitten wird. Die zwischen den Einschnitten ver
bleibenden 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 Blechzu
schnitt, wird dann auf die Verdampferfläche mit den Röhrchen aufgesetzt
und am Umfang mit dieser verbunden.
Statt dessen können auch vorgefertigte zylindrische oder konische Röhr
chen 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 vari
iert werden können. So können sie beispielsweise aus einem wärme
beständigen 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 6000 und 10 000 kcal/m2 h°C ohne
Schwierigkeiten erreichen. Da schon auf der konischen Verdampfer
fläche 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. Schließ
lich kann ein Verdampfer dieses Aufbaus im Bereich der Aufgabestelle
des Produktes am Innenumfang des konischen Abschnittes der Ver
dampferfläche mit einer geringeren Schichtdicke betrieben werden als
dies bei einer bis nach außen reichenden konischen Verdampferfläche
möglich ist.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Röhrchen geben weiterhin die Mög
lichkeit, die Verweilzeit zu vergrößern, indem entweder in die Röhrchen
Schraubenfedern eingesetzt sind, deren Außendurchmesser dem Innen
durchmesser der Röhrchen entspricht, oder aber die Röhrchen zumin
dest 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 ein
halten, und zwar nach dem Innendurchmesser der Schraube.
In praktischen Versuchen haben sich für die Röhrchen folgende Ab
messungen als besonders günstig erwiesen: Innendurchmesser ca.
5 mm, Wandstärke ca. 0,3 bis 0,5 mm und Länge ca. 120 bis 150 mm.
In weiterer bevorzugter Ausführung sind die den Wärmeträgerraum
durchgreifenden Röhrchen mit ihren freien Enden in dessen zylind
rischer Außenwandung eingesetzt und münden in einen den Wärme
trägerraum 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 Konzen
trat-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 darge
stellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 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
Fig. 2 eine Abwicklung der Verdampferfläche.
Der Dünnschichtverdampfer gemäß Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 auf, an
dessen einer Stirnseite ein Hydromotor 2 angeordnet ist, der eine Welle 3
antreibt. An der Antriebswelle 3 sind über einen Tragflansch 4 mehrere
konische Flächen 5 hintereinander befestigt. Die Flächen 5 sind außen
seitig 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, wäh
rend 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 Darstel
lung) umgeben, im Bereich dessen größten Durchmessers wiederum ein
Schöpfrohr 12 zum Abziehen des Konzentrates angeordnet ist. Auch der
Mantel 11 rotiert mit der Antriebswelle 3. In einer anderen Ausführungs
form (obere Hälfte der Fig. 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 umge
kehrt konischer Mantel 14, an dessen größtem Durchmesser wiederum ein
Schöpfrohr 15 angesetzt ist.
Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind jeweils zwei konische Verdampfer
flächen 5 gegeneinandergesetzt. Sie sind an ihrem inneren Umfang an je
einem Tragring 16 befestigt, der ein nach innen offenes U-Profil auf
weist. 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 Wärme
trägerraum 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 einge
speist, von der aus eine Leitung 19 in den Raum zwischen der Antriebs
welle 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 Rinnen
rand nach beiden Seiten über und gelangt auf die Innenseite benachbarter
Verdampferflächen 5, wird aufgrund deren Rotation schichtartig ausge
breitet 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 ab
geschält. Das aufkonzentrierte Produkt gelangt in einen Abscheider 20,
in welchem es von den Brüden getrennt und - bei einstufiger Ausführung
(untere Hälfte der Fig. 1) - über eine Pumpe 21 und ein geöffnetes Ventil 22
weggeführt wird. Bei einer zweistufigen Ausführung (obere Hälfte der
Fig. 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 Zeich
nung am weitesten links) ausgetragen. Bei einer kontinuierlichen zwei
stufigen 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 Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung der Verdampfer
flächen angedeutet. Es werden dort aus einem kreisförmigen Blechzu
schnitt 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 koni
schen Abschnitt 28 wird ein entsprechend gegensinnig konischer Ab
schnitt aufgesetzt und randseitig, d. h. um und zwischen den Röhrchen 17
an deren Ansatzstelle mit dem Abschnitt 28 der zuvor beschriebenen Ver
dampferfläche 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 Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die konischen
Flächen 5 vollständig vom Wärmeträger umspült, so daß sie eine voll
wertige Verdampferfläche bilden. Sie 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. Schicht
bildung.
Claims (14)
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
inneren Umfang der konischen Flächen aufgegeben wird, sich von
dort aus filmartig ausbreitet und nach Beheizen mit dem Wärme
träger außen als Konzentrat anfällt,
dadurch gekennzeichnet,
daß am äußeren Umfang jeder konischen Fläche (5) mit Abstand
voneinander Röhrchen (17) kleinen Innendurchmessers radial ver
laufend 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 gekenn
zeichnet, 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 ange
setzt 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,
dadurch gekennzeichnet, daß die konische Fläche (5)
mit den Röhrchen (17) aus einem kreisförmigen Blech
zuschnitt durch radiales keilförmiges Einschneiden
und/oder 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) vor
gefertigt und in Öffnungen zwischen den aufeinander
gesetzten konischen Flächen (5) an deren äußeren Um
fang eingesetzt sind.
7. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Röhrchen (17) aus einem wärmebe
ständigen Kunststoff gebildet sind.
8. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Röhrchen (17) aus PTFE gebildet
sind.
9. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß in die Röhrchen (17)
Schraubenfedern eingesetzt sind, deren Außendurchmesser
dem Innendurchmesser der Röhrchen (17) entspricht.
10. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (17) zu
mindest an ihrer Innenseite eine schraubenförmige
Kontur aufweisen.
11. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis
4 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhr
chen (17) eine geringere Wandstärke aufweisen als die
konische Fläche (5).
12. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis
11, 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
150 mm aufweisen.
13. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmeträger
raum (6) durchgreifenden Röhrchen in dessen zylin
drischen Außenwandung eingesetzt sind und in einen
den Wärmeträgerraum (6) außenseitig umgebenden Kon
zentrat-Sammler (11, 14) ausmünden.
14. Dünnschichtverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13 da
durch gekennzeichnet, daß je zwei konische Flächen (5) mit diver
gierender 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 Verdampfer
flächen (5) übertritt.
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Legal Events
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8170 | Reinstatement of the former position | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: FERES, VACLAV, DIPL.-ING., LAS CRUCES, N. MEX., US |
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