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Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtverdampfer
mit einem Brüdenraum,
einem in diesem umlaufenden Rotor, wenigstens einer sich von der Rotorachse
nach außen
erstreckenden Verdampfungsfläche
und einem mit dieser umlaufenden, gegenüber dem Brüdenraum geschlossenen Heizraum, wobei
das Ausgangsprodukt nahe der Rotorachse auf die Verdampfungsfläche aufgegeben
wird, sich aufgrund der Zentrifugalkraft auf der Verdampfungsfläche filmartig
nach außen
ausbereitet und das Konzentrat außen abgenommen wird.
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Dünnschichtdampfer
des vorgenannten Aufbaus sind in vielen Ausführungsformen bekannt (
DE 24 09 502 ,
DE 1 114 783 ,
US 3 430 690 ,
US 4 167 454 ). Sie werden insbesondere
in der Chemie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie zum Destillieren und
Aufkonzentrieren von thermisch empfindlichen Produkten verwendet.
Vielfach werden sie zur Siedepunkt absenkung mit Unterdruck betrieben.
Das Ausgangsprodukt, das nahe der Rotorachse auf die Verdampfungsfläche aufgegeben
wird, breitet sich aufgrund der Zentrifugalkraft in Form eines Films
nach außen
aus. Die siedende Komponente dampft in den Brüdenraum ab, während die
Konzentration im Film nach außen
zunimmt. Außen
wird das Konzentrat abgenommen, gegebenenfalls aber auch einer zweiten gleichartigen
Verdampfungstufe zugeführt.
Der Heizraum jeder Verdampfungsfläche ist an einen eigenen Heizkreislauf,
der beispielsweise mit Heizdampf arbeitet, angeschlossen.
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Der Wärmetransport im Flüssigkeitsfilm,
der sich in laminarer oder pseudolaminarer Strömung bewegt, geschieht im wesentlichen
durch reine Wärmeleitung
mit Oberflächenverdampfung.
Hierzu trägt
die Tatsache bei, daß der
Film im Zentrifugalfeld unter leichtem Überdruck steht. Die Filmdicke
und die Verweilzeit des Produktes auf der Verdampferfläche lassen
sich durch Drehzahländerung
des Rotors beeinflussen, insbesondere läßt sich gegenüber Dünnschichtverdampfern
mit feststehenden Verdampfungsflächen
die Verweilzeit bis in den Bereich weniger Sekunden verkürzen, wodurch
sich eine besonders schonende Behandlung bei geringer Qualitätsminderung
im Konzentrat ergibt. Auch lassen sich auf rotierenden Verdampfungsflächen Flüsaigkeiten
hoher Viskosität
verarbeiten.
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Die bekannten Dünnschichtverdampfer weisen
kegelförmige
bzw. konische Verdampfungsflächen
auf, auf denen das Produkt nach außen aufsteigt. Der Drehzahl
des Rotors sind dadurch Grenzen gesetzt, daß der Film nicht auf- oder
abreißen darf,
da es sonst zu Anbackungen und Verkrustungen kommt, wobei als weitere
Einflußfaktoren
die Zulaufmenge, das Eindickungsverhältnis vom Ausgangsprodukt zum
Konzentrat, wie auch der Kegelwinkel der Verdampfungsfläche eingehen.
Grundsätzlich
haben jedoch kegelige bzw. konische Verdampfungsflächen den
Nachteil, daß sich
mit zunehmenden Durchmesser die Umfangslänge und damit die Verdampfungsfläche vergrößert, so
daß der
Film nach außen
immer dünner
wird und leicht aufreißt. Enthält das Produkt
Partikel, so kommt es in deren Umgebung leicht zum Aufreißen des
Films. An den Stellen, wo die Verdampfungsfläche nicht von einem Film bedeckt
ist, steigt die Wandtemperatur an. Dies wiederum kann zu Produktschäden führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Dünnschichtverdampfer
des eingangs geschilderten Aufbaus so auszubilden, daß eine gleichbleibende
Qualität
im Konzentrat erhalten wird und Unregelmäßigkeiten im Verdampfungsvorgang
vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Verdampfungsfläche
eine gekrümmte
Schaufelfläche
ist, die von einer zur Rotorachse im wesentlichen parallelen Erzeugenden gebildet
ist und deren axiale Ausdehnung durch obere und untere Abschlußleisten
begrenzt ist, und daß die
konkave Seite der Verdampfungsfläche
in Umlaufrichtung weist.
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Im Gegensatz zu den Dünnschichtverdampfungen
nach dem Stand der Technik, bei denen die Verdampfungsflächen als
Rotationskörper
mit der Rotorachse als Symmetrieachse ausgebildet sind, geht die
Erfindung einen vörlig
neuen Weg. Die schaufelförmige
Verdampfungsfläche
wird durch eine achsparallele Erzeugende gebildet. Dies bedeutet, daß die Verdampfungsfläche auf
ihrer Erstreckung von innen nach außen immer die gleiche axiale
Erstreckung aufweisen kann, die Verdampfungsfläche also von innen nach außen nicht
zunimmt. Die Dicke des sich auf der Verdampfungsfläche ausbreitenden Films
reduziert sich nur durch die Abdampfrate und läßt sich somit sehr genau einhalten
bzw. durch die Aufgabemenge und/oder die Drehzahl – ohne andere störende Einflußfaktoren – leicht
steuern. Ein unkontrolliertes Ausbreiten in axialer Richtung ist
aufgrund des Zentrifugalfeldes nicht möglich und wird durch die axialen
Abschlußleisten
verhindert. Damit läßt sich
das Produkt schonend und gleichmäßig aufkonzentrieren.
Anbackungen, Verkrustungen und lokale Überhitzungen lassen sich völlig vermeiden.
Diese positiven Effekte werden noch dadurch unterstützt, daß die beim
Rotieren auftretenden Beschleunigungskräfte den Film auf die Verdampfungsfläche drücken und
damit im Film eine Druckerhöhung
stattfindet. Dadurch wird insbesondere eine Blasen- und Schaumbildung
unterdrückt.
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In bevorzugter Ausführung ist
die Verdampfungsfläche
gewellt, wobei die Wellen achsparallel verlaufen. Hierdurch wird
der Wärmeaustausch
und die Stabilität
des Films verbessert, findet eine gewisse Rückhaltung des nach außen beschleunigten Films
statt und erhöht
sich die Abdampfrate auf den Wellenscheiteln aufgrund der dort geringen
Filmdicke.
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Die Verdampfungsfläche bildet
einen Teil einer von der Rotorachse ausgehenden Spiralfläche. Entspricht
die Krümmung
einer logarithmischen Spirale, so ist einerseits die Beschleunigung
des Films an jeder Stelle und auch die Druckerhöhung im Film die gleiche wie
bei konischen Flächen.
Bei besonders empfindlichen Produkten kann vorgesehen sein, daß die axiale
Breite der Verdampfungsflächen
von der Rotorachse nach außen
abnimmt. Auf diese Weise läßt sich
auf der gesamten Verdampfungsfläche
eine gleiche Filmdicke einhalten, indem die Abdampfrate durch die
nach außen
abnehmende Verdampfungsfläche
kompensiert wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausführung ist
vorgesehen, daß der
Heizraum von der Verdampfungsfläche
einerseits und einer im wesentlichen parallel zu deren Rückseite
verlaufenden Heizraumwandung andererseits und den axialen Abschlußleisten
begrenzt ist. Wird als Wärmeträger Heizdampf
verwendet, so wird aufgrund des mitlaufenden Heizraums das Kondensat
nach außen
getrieben und kann dort abgeführt
werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ergibt sich dadurch, daß die
Heizraumwandung parallel zu den Abschlußleisten gewellt ist, und daß sich die
Verdampfungsfläche
mit ihren dem Heizraum zugekehrten Wellenscheiteln auf den ihr zugekehrten
Wellenscheiteln der Heizraumwandung abstützt. Auf diese Weise läßt sich
die Verdampfungsfläche
dünnwandig ausführen. Gleichwohl
bildet sie aufgrund ihrer Wellung im Verbund mit der gewellten Heizraumwandung
eine auch für
hohe Drehzahlen stabile Baueinheit.
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Zweckmäßigerweise sind die Verdampfungsfläche und
die Heizraumwandung an ihren inneren und äußeren Enden mit je einem achsparallelen
Rohr verbunden, die jeweils an ihrem dem Heizraum zugekehrten Abschnitt
ihres Mantels Durchtrittsöffnungen
aufweisen und von denen das der Rotorachse nahe Rohr der Zuführung und
das andere Rohr der Ableitung des Heizmediums dient. Die Zuleitungs-
und Ableitungsrohre für
das Heizmedium stellen zugleich ein konstruktives Bauteil dar, das
zur Stabilität
der Verdampfungsfläche
beiträgt
und zugleich deren Befestigung dient.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind
mehrere schaufelförmige
Verdampfungsflächen gleicher
Krümmung
und ihnen zugeordnete Heizräume
in einer Radialebene des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet, wobei
weiterhin mehrere Verdampfungsflächen
und Heizräume
axial hintereinander gestapelt angeordnet sein können.
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Auf diese Weise läßt sich gegenüber herkömmlichem
Dünnschichtverdampfen
pro Raumeinheit eine wesentlich größere Verdampfungsfläche unterbringen
und somit die spezifische Verdampfungsleistung erheblich steigern.
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Eine konstruktiv günstige Ausführung ergibt sich
dann, wenn der Rotor einen Boden mit einer Nabe für eine Antriebswelle
und mit axialem Abstand vom Boden ein Tragkreuz aufweist, zwischen
denen die Verdampfungsflächen
angeordnet sind. Damit ist der Rotor ein formstabiles Gebilde, das
weiterhin noch dadurch stabilisiert wird, daß die Verdampfungsflächen und
die ihr zugeordneten Heizräume über die
das Heizmedium zuführenden
und ableitenden Rohre mit dem Boden einerseits und mit dem sie am
anderen Ende übergreifenden
Tragkreuz andererseits im Rotor befestigt sind.
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Um das Konzentrat schnell und ohne
weitere Wärmebelastung
von dem Rotor abzuführen,
ist vorgesehen, daß die
Verdampfungsflächen
an ihren radial äußeren Enden,
an denen sie mit dem das Heizmedium ableitenden Rohr außenseitig
verbunden sind, in Rinnen einlaufen, deren Böden vom Boden des Rotors zum
Tragkreuz einen zunehmenden Abstand von der Rotorachse aufweisen,
und daß alle Rinnen
an ihren dem Boden des Rotors gegenüberliegenden Enden in einen
Ringkanal münden,
aus dem das sich dort sammelnde Konzentrat mittels Schöpfrohr abgezogen
wird. Auf diese Weise sind die Rinnen und die Verdampfungsflächen für Wartungs- und
Inspektionszwecke leicht zugänglich.
Statt der einzelnen Rinnen kann aber auch ein geschlossener konischer
Rotormantel die Aufgabe der Ableitung des Konzentrates in den Ringkanal übernehmen.
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Die Zuführung des flüssigen Ausgangsproduktes
auf die Verdampferflächen
geschieht in bevorzugter Ausführung
dadurch, daß konzentrisch
zur Rotorachse ein über
die axiale Erstreckung der Verdampfungsflächen reichender zylindrischer
Ringkanal angeordnet ist, dessen offene Seite zur Rotorachse weist
und dem das Ausgangsprodukt mittels eines Düsenrohrs axial verteilt zugeführt wird,
und daß an dem
Ringkanal außenseitig
die Verdampfungsflächen
mit Abstand angesetzt sind und der Ringkanal im Bereich der Ansatzstellen
Durchtrittsöffnungen aufweist,
durch die das Ausgangsprodukt aus dem Ringkanal auf die Verdampfungsflächen gelangt.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand
einer in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform beschrieben. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Axialschnitt eines Dünnschichtverdampfers
und
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2 eine
teilweise geschnittene, axiale Draufsicht auf den Innenraum des
Rotors gemäß 1.
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Der Dünnschichtverdampfer gemäß 1 sitzt auf einem – gegebenenfalls
fahrbaren – Gestell 1
mit einer Tragstütze 2,
auf der der Verdampfer antriebsseitig abgestützt ist. Der Verdampfer weist
einen Behälter 3 auf', der aus zwei über Flansche 4 lösbar verbundenen
Behälterteilen 5, 6 besteht,
von denen das Behälterteil 5 für Reirigungszwecke
an den Flanschen gelöst
und mittels der Rollen 7 auf dem Gestell 1 axial
verfahren werden kann.
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Der Behälter 3 begrenzt im
wesentlichen den Brüdenraum
des Verdampfers. Innerhalb des Behälters 3 ist der Rotor
8 angeordnet,
der einen starren Boden 9 und gegebenenfalls einen Rotormantel 10 aufweist,
der sich vom Boden aus zunächst
in axialer Richtung konisch erweitert und dann im Abschnitt 11 etwa
nach innen eingezogen ist.
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Der Boden 9 des Rotors 8 ist
in seinem Zentrum mit einem in den Rotor eingezogenen Lagergehäuse 12 versehen, über das
der Rotor 8 mit einer Antriebswelle 13 verbunden
ist, die ihrerseits in einer hohlen Tragachse 39 läuft. Der
Rotor 8 ist über
Gleitringe 14 an einem stationären Achslager 15 abgedichtet,
das seinerseits an der Sütze 2 abgestützt ist. Das
stationäre
Achslager 15 ist hohlzylindrisch ausgebildet und dient
der Zuleitung des über
den Stutzen 16 zugeführten
Heizdampfs, während
der kondensierte Heizdampf, wie noch beschrieben wird, im Unterteil.
des Rotors 8 anfällt
und mit einem Schälrohr 18 weggeführt wird.
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Zwischen dem Boden 9 des
Rotors 8 und einem im Rotor angeordneten Tragkreuz 19 sind
die Verdampfungsflächen 20 eingespannt,
wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel
jeweils drei Verdampfungsflächen
in axialer Richtung gestapelt angeordnet sind. Jede Verdampfungsfläche 20 ist,
wie 2 zeigt, schaufelförmig von
der Rotorachse nach außen
gekrümmt,
während
sie sich in der dazu senkrechten Richtung im wesentlichen achsparallel
erstreckt. Die konkave Seite der schaufelförmigen Verdampfungsfläche 20 öffnet sich
in Umlaufrichtung 21 des Rotors 8. Die Verdampfungsfläche 20 ist
gewellt, wobei die Wellen 22 achsparallel verlaufen, und
begrenzt den Heizraum 23 an der Vorderseite, der rückseitig
durch die Heizraumwand 24 begrenzt ist. Auch diese ist
gewellt, wobei die Wellen 25, wie der Ausschnitt in 2 zeigt, sich im wesentlichen
radial erstrecken. Die Wellenscheitel an der Rückseite der Verdampfungsfläche 20 stützen sich
auf den Wellenscheiteln der Heizraumwand 24 ab. Jede Verdampfungs fläche 20 und
jeder Heizraum 23 wird in axialer Richtung durch Abschlußleisten 26 begrenzt
(1). Die Verdampfungsfläche 20 und
die Heizraumwand 24 sind innen und außen mit achsparallel angeordneten
Rohren 27, 28 verbunden.
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Über
das innere Rohr 27 wird der am Stutzen 15 eingespeiste
Heizdampf in den Heizraum 23 eingeleitet. Zu diesem Zweck
hat das Rohr 27 am Mantel Öffnungen 29, die in
den Heizraum 24 münden. Das
Kondensat wird durch Öffnungen 30 am äußeren Rohr 28 und
durch dieses in das Unterteil 17 abgeleitet, um mit dem
Schälrohr 18 abezogen
zu werden.
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Im Zentrum des Rotors 8 ist
ein Zylinder 31 angeordnet, der an beiden axialen Enden
durch einen nach innen eingezogenen Ring 32 begrenzt ist und
so einen sich über
die gesamt axiale Länge
erstreckenden Ringkanal bildet. In diesem wird über ein achsparallel in den
Rotor 8 hineingeführtes
Düsenrohr 33 das
Ausgangsprodukt eingespritzt. Wie 2 zeigt
sind die Verdampfungsflächen
mit ihren axialen Abschlußleisten 26 an
die Außenseite
des Zylinders 31 angesetzt. Im Bereich der Ansatzstelle weist
der Zylinder Öffnungen
auf, durch die hindurch das Produkt auf die Verdampfungsfläche gelangt
und auf der es sich aufgrund der Zentrifugalkraft als Film nach
außen
ausbreitet. Am äußeren Ende
der Verdampfungsfläche 20 läuft das
Konzentrat über
die Außenseite
des Fohrs 28 in eine Rinne 34, die gleichfalls
zwischen Boden 9 und Tragkreuz 19 eingespannt
ist und deren Boden vom Boden zum Tragkreuz einen zunehmenden radialen
Abstand von der Rotorachse aufweist. Auf diese Weise steigt das Konzentrat
in axialer Richtung an und gelangt in eine Sammelrinne 35,
aus der es mit einem Schälrohr 36 abgenommen
wird. Sofern der Rotormantel 8 vorgesehen ist, kann dieser
die Rinnen ersetzen oder diese auch nur zusätzlich halten.
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Die Rohre 27, 28,
die auch als gebohrte Bolzen ausgebildet sein können, sind im Boden 9 des Rotors 8 befestigt.
Die Verdampfungsfläche 20 und die
rückwärtige Heizraumwand 24 können an
Rohrhülsen 38 befestigt
sein, deren Länge
der axialen Erstreckung der Verdampfungsfläche entspricht und mittels
der jede Einheit auf die Rohre 27, 28 bzw. die gebohrten
Bolzen aufgesteckt wird. Schließlich
werden sämtliche
Verdampfungsflächen 20 eines
Stapeles mittels des Tragkreuzes 19, das zentrisch auf
die Außenseite
des Zylinders 31 angesetzt ist, und Muttern 37 gegen
den Boden 9 verspannt.