DE4124337A1 - Duennschichtverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Dünnschichtverdampfer zum Eindampfen von Lösungen, Kolloiden, Suspensionen oder dergleichen zu Konzentraten, mit einem beheizbaren, mit einem Drehantrieb gekoppelten zylindrischen Verdampfermantel, der an seinem einen Ende einen Guteinlauf in Form eines drehbar gelager­ ten, mit einem Drehantrieb gekoppelten Gutverteilers und an seinem anderen Ende einen Konzentratauslauf hat.

Bei einem Dünnschichtverdampfer dieser Art (DE-AS 10 90 637) ist vorgesehen, den Verdampfermantel bei lotrechter Anordnung konisch oder zylindrisch auszubilden. Für eine waagerechte Anordnung wird ein kegelförmig gestalteter Ver­ dampfermantel als erforderlich angesehen.

Insbesondere bei der Behandlung von Gut geringer Viskosität ergeben sich Schwierigkeiten, da die für das jeweilige Gut optimale Verweilzeit wegen der auf das Gut wirkenden star­ ken wandparallelen Kräfte nur dann erreichbar ist, wenn der Verdampfermantel entsprechend lang ausgebildet ist. Darüber hinaus ergibt sich bei dem bekannten Dünnschichtverdampfer insbesondere bei konischer Ausführung des Verdampfermantels durchgehend in Förderrichtung eine starke Abnahme der Schichtdicke, so daß die von dieser Schichtdicke abhängigen thermischen Verhältnisse sich über die Länge des Verdamp­ fermantels stark ändern und folglich jeweils nur für einen kleinen Abschnitt optimal sein können. Darüber hinaus ist ein konisch ausgebildeter Verdampfermantel, wie er nach dem Stand der Technik bei horizontaler Anordnung für erforder­ lich gehalten wird, in der Herstellung recht aufwendig und hat einen relativ hohen Raumbedarf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Dünnschichtverdampfer der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß er bei gleicher Baulänge erhöhte Verweil­ zeiten ermöglicht und dabei die Schichtdicke über den ge­ samten Anteil der durchlaufenden Strecke annähernd gleich hält.

Diese Aufgabe wird bei einem Dünnschichtverdampfer der ein­ gangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Achse des Ver­ dampfermantels horizontal verläuft und daß ein Brüdenabzug vorgesehen ist.

Bei diesem Dünnschichtverdampfer ergibt sich eine für den Transport des Gutes längs dem Verdampfermantel erforderli­ che zentrifugal-hydrostatische Kraft allein aus der Durch­ satzmenge, aus der Drehzahl des Verdampfermantels und aus dessen Durchmesser. Dies bedeutet, daß diese für den Gut­ transport und damit die Verweilzeit relevante Kraft über die Drehzahl ohne weiteres gesteuert und damit dem jeweili­ gen Gut angepaßt werden kann. Versuche haben gezeigt, daß sich die Schichtdicke in dem Bereich nahe dem Guteinlauf schnell reduziert und daß anschließend nur noch eine gerin­ gere weitere Reduktion der Schichtdicke erfolgt, daß also die Schichtdicke über den gesamten Anteil der Axiallänge des Verdampfermantels annähernd gleich bleibt. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist bei dem bekannten Dünnschichtverdampfer die für den Transport des Gutes in axialer Richtung wirksame Kraftkomponente nicht allein von der Drehzahl bestimmt, sondern maßgeblich auch von der Schwerkraft. Hinzu kommt, daß bei dem bekannten Dünn­ schichtverdampfer bei konischer Ausbildung des Verdampfer­ mantels eine Reduzierung der Schichtdicke über die gesamte axiale Länge schon daraus resultiert, daß sich der Umfang des Verdampfermantels in Transportrichtung erweitert. Wei­ ter gilt, daß aufgrund dieser Umfangserweiterung eine man­ tel-parallel wirksame Komponente der Zentrifugalkraft vor­ handen ist und sich stetig erhöht, daß sich also ein extrem starker Abbau der Schichtdicke bei dem bekannten konischen Dünnschichtverdampfer über die gesamte axiale Länge ergeben muß. Damit einher geht eine extrem starke Zunahme der axia­ len Fließgeschwindigkeit des Gutes, was zwangsläufig zu ei­ ner sehr geringen Verweilzeit des Gutes auf dem Verdampfer­ mantel führt.

Der Verdampfermantel kann insbesondere von außen durch kon­ densierenden Dampf, von außen durch im Freistahl auf­ treffende heiße Flüssigkeitsstrahlen oder durch eine Infra­ rot-Heizung beheizt werden.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer kann ferner so ausgebildet sein, daß der Gutverteiler mit seinem Austrittsrand an die Innenfläche des Verdampfermantels auf weniger als 2 cm heranreicht. Dem zu behandelnden Gut kann demnach am radial außen liegenden Rand des Gutverteilers eine Umfangsgeschwindigkeit erteilt werden, die der Umfangsgeschwindigkeit des Verdampfermantels entspricht. Dadurch wiederum kann sichergestellt werden, daß die Strö­ mung des Gutes auf dem Verdampfermantel im wesentlichen längs einer Mantellinie erfolgt. Durch bewußte Herbeifüh­ rung von Unterschieden der Umfangsgeschwindigkeiten von se­ parat angetriebenem Gutverteiler und Verdampfermantel kann gezielt ein spiralförmiger Verlauf der Gutverteilung am Mantel herbeigeführt werden, um auf diese Weise die Strö­ mungsform und damit die Verweilzeit des Gutes auf dem Ver­ dampfermantel zu bestimmen.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer kann ferner so ausgebildet sein, daß in den Gutverteiler ein Zufüh­ rungsrohr mündet, auf dem der Verdampfermantel an seinem antriebsfernen Ende gelagert ist.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer kann ferner so ausgebildet sein, daß der Gutverteiler eine Bodenplatte und eine koaxial dazu angeordnete, konisch ausgebildete Deck­ platte hat und daß Bodenplatte und Deckplatte einen radial außenliegenden Ringspalt bilden. Durch die Bildung eines derartigen Ringspaltes am Gutverteiler wird der Übergang des Gutes zum Verdampfermantel noch präziser vorgegeben und exakter steuerbar.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer kann ferner so ausgebildet sein, daß koaxial innerhalb des Verdampferman­ tels ein mit einem Antrieb koppelbarer Drehkörper angeord­ net ist, der mindestens ein an der radial innenliegenden Fläche des Verdampfermantels angreifendes Wischerelement trägt. Mit einem solchen Wischerelement läßt sich die Strö­ mungsform des aufgegebenen Gutes auf dem Verdampfermantel und damit auch die Verweilzeit noch weiter präzisieren. Darüber hinaus bewirkt ein solches Wischerelement die Rein­ haltung des Verdampfermantels und kann zur Umschichtung des Gutes innerhalb der Schicht und damit zur Steigerung des Wärmeübergangs beitragen.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer kann ferner so ausgebildet sein, daß der Verdampfermantel und der Drehkör­ per über ein gemeinsames Umlaufgetriebe an einen ge­ meinsamen Antrieb angeschlossen sind. Dies stellt eine be­ sonders vorteilhafte Lösung hinsichtlich der Antriebe des Verdampfermantels und des Drehkörpers dar.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer kann ferner so ausgebildet sein, daß die Drehzahlen der beiden Abtriebe des Umlaufgetriebes in ihrer Relation zueinander einstell­ bar sind. Diese Einstellung ermöglicht eine Optimierung der beiden Drehzahlen zueinander, d. h. der Differenzdrehzahl, und damit auch eine Optimierung der Strömungsform des Gutes auf dem Verdampfermantel.

Schließlich kann der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer so ausgebildet sein, daß der Gutverteiler mit dem Drehkör­ per drehfest verbunden ist. Auf diese Weise ergibt sich eine konstruktiv relativ einfache Lösung, die für eine Steuerung des Gutübergangs vom Gutverteiler zum Verdampfer­ mantel ohne weiteres möglich macht.

Im folgenden Teil der Beschreibung werden zwei Ausführungs­ formen des erfindungsgemäßen Dünnschichtverdampfers anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtverdampfers, der mit einem flüssigen oder einem dampfförmigen Heizmedium arbeitet, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtverdampfers, bei der der Verdampfer­ mantel mit Dampf beheizt wird.

Bei dem Dünnschichtverdampfer gemäß Fig. 1 ist in einem Ge­ häuse 1 ein drehbar gelagerter zylindrischer Verdampferman­ tel 2 angeordnet. Koaxial in diesem kann sich, wie in Fig. 1 unten dargestellt, ein ebenfalls drehbar gelagerter zy­ lindrischer Drehkörper 3 befinden. Die gemeinsame Achse von Verdampfermantel 2 und Drehkörper 3, sofern dieser vorhan­ den ist, verläuft horizontal. Der Drehkörper 3 ist dann mit einer Kernwelle 4 eines Umlaufgetriebes 5 verbunden. Ko­ axial zu der Kernwelle 4 ist von dem gegenüberliegenden Ende des Verdampfermantels 2 her ein Zuführungsrohr 6 für das einzudampfende Gut durch eine Stirnfläche 7 des Gehäu­ ses 1 in einen Gutverteiler 8 eingeführt. Dieser Gutverteiler 8 hat eine Bodenplatte 9, die an der Kernwelle 4 fest­ gelegt ist. Die Bodenplatte 9 stellt gleichzeitig einen Be­ standteil des Drehkörpers 3 dar, wenn ein solcher vorgese­ hen ist. Weiter hat der Gutverteiler 8 eine koaxiale ange­ ordnete, konisch ausgebildete Deckplatte 10. Bodenplatte 9 und Deckplatte 10 bilden einen radial außen liegenden Ringspalt 11 für den Austritt des Gutes aus dem Gutvertei­ ler 8. An seinem gegenüberliegenden Ende ist der Drehkörper 3 über ein Lager 12 auf dem Zuführungsrohr 6 abgestützt.

Der Verdampfermantel 2 ist über eine Hohlwelle 13 mit dem Umlaufgetriebe 5 verbunden. Die Kernwelle 4 ist zentral durch eine antriebseitige Stirnfläche 14 des Verdampferman­ tels 2 geführt und hier mittels einer Dichtung 15 abgedich­ tet. Die Dichtung 15 übernimmt die Abdichtung zwischen dem Unterdruck im Bereich des Drehkörpers 3 einerseits und dem atmosphärischen Druck in der Hohlwelle 13 andererseits. Der Verdampfermantel 2 ist an seinem antriebsfernen Ende über ein Speichenrad 16 und ein Lager 17 auf dem Zuführungsrohr 6 drehbar gelagert.

Das Gehäuse 1 ist an seiner antriebsfernen Stirnfläche 7 mit dem Zuführungsrohr 6 fest verbunden und über eine an­ triebsseitige Stirnfläche 18 auf der Hohlwelle 13 mittels eines Lagers 19 gelagert. Weiter zum Inneren des Gehäuses 1 hin ist neben dem Lager 19 eine Dichtung 20 vorgesehen, mit der das Lager 19 gegen einen Heizraum 21 abgedichtet ist.

Auf der Außenseite des Drehkörpers 3 ist gemäß der in Fig. 1 unten dargestellten Ausführungsform auf dessen Umfang verteilt ein Wischersystem vorgesehen. Dieses hat auf dem Umfang des Drehkörpers 3 gleichmäßig verteilte Wischerblät­ ter 22. Die Wischerblätter 22 können so eingestellt werden, daß sie die produktberührte Fläche des Verdampfermantels 2 berühren oder einen geringen Abstand dazu einhalten.

Mittels des Umlaufgetriebes 5 können die Drehzahlen der Kernwelle 4 und der Hohlwelle 13 und damit die Drehzahlen des Drehkörpers 3 und/oder des Gutverteilers 8 und des Ver­ dampfermantels 2 so aufeinander abgestimmt werden, daß zwi­ schen diesen sich drehenden Bauteilen keine Relativge­ schwindigkeit (Differenzdrehzahl = Null) vorliegt oder daß eine mehr oder weniger große Relativgeschwindigkeit in der einen oder der anderen Richtung gegeben ist.

Das Gehäuse 1 ist an seinem antriebsfernen Ende durch eine außen auf dem Verdampfermantel 2 sitzende Dichtung 23 ei­ nerseits in den Heizraum 21 und einen Brüdenraum 24 ande­ rerseits geteilt. Der Heizraum 21 hat oben eine Stutzen 25 für die Zufuhr von Heizdampf und unten einen Stutzen 26 für die Abfuhr des anfallenden Kondensats.

In den Heizraum 21 münden mehrere, durch die Stirnfläche 18 hindurchgeführte Spritzrohre 27, die mit Spritzdüsen 28 versehen sind, aus denen der rotierende Verdampfermantel 2 mit einem flüssigen Heizmittel in Form von Freistrahlen be­ aufschlagt wird.

In der dem Antrieb abgewandten Stirnfläche 7 des Gehäuses 1 ist ein Stutzen 29 zum Absaugen der entsprechenden Brüden installiert. Außerdem ist ein Stutzen 30 zum Abführen des eingedampften Konzentrats oder Fertigproduktes vorgesehen, das den Verdampfermantel 2 durch Bohrungen 31 verläßt und gegen die Wand des Gehäuses 1 im Bereich des Brüdenraums 24 abgeschleudert wird.

Im Betrieb rotieren der Verdampfermantel 2 und der Drehkör­ per 3 und/oder der Gutverteiler 8 vorzugsweise gleichsinnig mit gleichen oder geringfügig unterschiedlichen Drehzahlen, so daß das Wischersystem mit entsprechend geringer Dreh­ zahldifferenz über die produktberührte Fläche des Verdamp­ fermantels 2 gleitet, diese sauber hält und dabei auch den Strömungsverlauf des Gutes auf dem Verdampfermantel 2 be­ stimmt. Durch das Zuführungsrohr 6 wird das einzudampfende Gut in Richtung des Pfeils 32 zugeführt. Das Gut bewegt sich in Richtung der Pfeile 33, 34 bis an den radial außen liegenden Rand des Gutverteilers 8, wo es durch Bohrungen 35 auf die Innenseite des Verdampfermantels 2 abgeschleu­ dert wird und sich hier in Richtung der Pfeile 36 zum an­ triebsfernen Ende des Verdampfermantels 2 hin bewegt, um diesen dann durch die Bohrungen 31 zu verlassen. Das fer­ tige Produkt oder Konzentrat wird in Richtung des Pfeils 37 abgezogen.

Der Dünnschichtverdampfer gemäß Fig. 2 hat entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsform ein Umlaufgetriebe 40, das über eine horizontal verlaufende Kernwelle 41 gemäß der Darstellung nach Fig. 2 oben einen Drehkörper 42 mit Wischerelementen 43 antreibt. Von dem Umlaufgetriebe 40 geht ferner eine Hohlwelle 44 aus, die an den Boden 45 ei­ nes zylindrischen Verdampfermantels 46 mit horizontaler Achse angeschlossen ist. Weiter ist, wie anhand von Fig. 1 beschrieben, ein Gutverteiler 47 vorgesehen, in den ein Zu­ führungsrohr 48 mündet. Bei dieser Ausführungsform wird Dampf in Richtung der Pfeile 49 in einen den Verdampferman­ tel 46 umgebenden Gehäuseteile eingeleitet, um den Verdamp­ fermantel 46 aufzuheizen. Dieser Dampf kühlt sich an der Außenwand des Verdampfermantels ab, kondensiert, wird auf die Gehäusewandung abgeschleudert, fließt - den Pfeilen entsprechend - axial zu der Ringtasse 50 und wird aus die­ ser mittels Schälrohr 51 abgeführt. Das Konzentrat sammelt sich beim antriebsfernen Ende des Dünnschichtverdampfers in der Ringtasse 52 und wird hier ebenfalls mittels Schälrohr 53 abgezogen. Im Bereich des antriebsfernen Endes des Ver­ dampfermantels befindet sich ferner ein nicht dargestellter Brüdenabzug.

Nach der Darstellung gemäß Fig. 1 unten ist kein Drehkörper und folglich auch kein Wischersystem vorgesehen. Die Kern­ welle 41 treibt folglich allein den Gutverteiler 47.

Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen stim­ men insbesondere darin überein, daß sie einen zylindrischen Verdampfermantel aufweisen, der um eine horizontale Achse rotiert. Dabei wird das zu behandelnde Gut über einen Gut­ verteiler auf das antriebsseitige Ende des Verdampferman­ tels aufgetragen. Hier kommt es folglich zu einer erhöhten Schichtdicke des Gutes. Allein aufgrund der Drehzahl und des Durchmessers des Verdampfermantels ergibt sich nun für das einzudampfende Gut eine zentrifugal-hydrostatische Kraft in Richtung auf das antriebsferne Ende des Verdamp­ fermantels, die zu einer Verteilung und axialen Bewegung des Gutes führt. Dieser Verteil- und Transportmechanismus des Gutes von dem antriebsnahen zum antriebsfernen Ende des Verdampfermantels bestimmt die Verweilzeit des Gutes auf dem Mantel und damit die Zeit, in der hier auf das mehr oder weniger dünnschichtige Gut insbesondere thermisch ein­ gewirkt wird. Die optimale Verweilzeit des Gutes ist nun aber jeweils ein Spezifikum und ist deshalb bei diesem Dünnschichtverdampfer insbesondere durch die entsprechende Wahl der Drehzahl des Verdampfermantels und des Gutvertei­ lers einstellbar. Eine Präzisierung kann dabei noch durch eine geeignete Aufbringung des Gutes durch den entspre­ chend ausgebildeten Gutverteiler auf den Verdampfermantel sowie durch eine stabilisierende, fließwegbestimmende Wir­ kung durch die Wischerelemente erfolgen.

Claims (8)

1. Dünnschichtverdampfer zum Eindampfen von Lösun­ gen, Kolloiden, Suspensionen oder dergleichen zu Konzentra­ ten, mit einem beheizbaren, mit einem Drehantrieb gekoppel­ ten zylindrischen Verdampfermantel, der an seinem einen Ende einen Guteinlauf in Form eines drehbar gelagerten, mit einem Drehantrieb gekoppelten Gutverteilers und an seinem anderen Ende einen Konzentratauslauf hat, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Achse des Verdampfermantels (2; 46) hori­ zontal verläuft und daß ein Brüdenabzug vorgesehen ist.

2. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gutverteiler mit seinem Austritts­ rand an die Innenfläche des Verdampfermantels (2; 46) auf weniger als 2 cm heranreicht.

3. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß in den Gutverteiler (8; 47) ein Zuführungsrohr (6; 48) mündet, auf dem der Verdampfermantel (2; 46) an seinem antriebsfernen Ende gelagert ist.

4. Dünnschichtverdampfer nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gutverteiler (8; 47) eine Bodenplatte (9) und eine koaxial dazu angeord­ nete, konisch ausgebildete Deckplatte (10) hat und daß Bo­ denplatte (9) und Deckplatte (10) einen radial außenliegen­ den Ringspalt (11) bilden.

5. Dünnschichtverdampfer nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial in­ nerhalb des Verdampfermantels (2; 46) ein mit einem Antrieb koppelbarer Drehkörper (3; 42) angeordnet ist, der minde­ stens ein an der radial innenliegenden Fläche des Verdamp­ fermantels (2; 46) angreifendes Wischerelement (22; 43) trägt.

6. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfermantel (2; 46) und der Drehkörper (3; 42) über ein gemeinsames Umlaufgetriebe (5; 40) an einen gemeinsamen Antrieb angeschlossen sind.

7. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlen der beiden Abtriebe des Umlaufgetriebes (5; 40) in ihrer Relation zueinander ein­ stellbar sind.

8. Dünnschichtverdampfer nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gutverteiler (8; 47) mit dem Drehkörper (3; 42) drehfest verbunden ist.