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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich in ihrem allgemeineren Aspekt
auf die Aufkonzentrierung von im Wesentlichen flüssigen Mischungen und Lösungen.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren für die industrielle Aufkonzentrierung von
im Wesentlichen flüssigen
Mischungen und Lösungen
in allen industriellen Bereichen, wie z. B. dem Nahrungsmittelsektor,
in der Entsorgung von Hausmüll,
in der Reinigung von Pflanzen und in der Wiedergewinnung von Schwermetallen,
die in wässrigen Lösungen enthalten
sind usw..
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Allein
aus Gründen
der Einfachheit werden diese im Wesentlichen flüssigen Mischungen und Lösungen im
Rahmen der Beschreibung als flüssige
Mischungen bezeichnet werden.
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Die
hauptsächlich
für die
Aufkonzentration von flüssigen
Mischungen verwendeten Apparate beinhalten Mehrstufenkonzentratoren
und Vakuumkonzentratoren.
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Die
erste Technologieart umfasst eine Reihenanordnung von zwei oder
mehr Konzentratoren, die jeweils einen mit der zu konzentrierenden
Mischung gefüllten
Behälter,
eine Spulenheizvorrichtung, die in der flüssigen Mischung eingetaucht
ist und welche gewöhnlich
mit Dampf gespeist wird und schließlich ein Rohrsystem, welches
die zwei oder mehr Behälter
in Reihe verbindet und somit die Anlage ausbildet, umfassen. Die
flüssige
Mischung in dem ersten Behälter
wird mittels des Hauptdampfes erwärmt und aufkonzentriert. Nachdem
ein bestimmter Grad der Aufkonzentration erreicht worden ist, wird
die flüssige
Mischung in den nächsten
Behälter gefördert, wo
sie einer analogen Behandlung unterworfen wird, wobei der einzige
Unterschied darin besteht, dass in diesem Fall der Hauptdampf durch
den Dampf aus dem ersten Behälter
oder demjenigen, der von der flüssigen
Mischung in der ersten Konzentrationsstufe abgegeben wird, ersetzt
ist. Der soeben beschriebene Vorgang kann mehrfach wiederholt werden,
bis die gewünschte
Aufkontration erhalten ist.
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Mit
dieser Technologieart ist es jedoch nur möglich, einen bestimmten Grad
der Aufkonzentration zu erreichen, der von der Viskosität des behandelten
Produktes abhängt,
da es notwendig ist, sicher zu stellen, dass das Produkt, welches
nach und nach dichter wird, gut von einem Behälter in den anderen in der
Aufkonzentrationsanlage fließt,
um ungewünschte
Blockierungen in dem verbindenden Rohrsystem zu vermeiden. Dieses Problem
wird weiter verstärkt,
falls die zu behandelnde flüssige
Mischung unterschiedliche Faserarten oder Ansammlungen unlöslicher
Salze oder dergleichen beinhaltet. Ein weiterer Nachteil, der jedoch
bei jeglicher Art zu behandelnder flüssiger Mischung auftritt, ist
der der Verkrustungen, die sich an den Heizspulen bilden, welche
periodisch demontiert und gereinigt werden müssen.
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Die
zweite Art von Vorrichtung, die Vakuumkonzentratoren, umfassen normalerweise
einen Behälter,
der durch einen Mantel oder eine Heizspule erwärmt ist, wobei letztere in
die flüssige
Mischung eingetaucht ist, die behandelt werden soll, und einen Kondensator
zum Kondensieren des in der Aufkonzentratiosstufe gebildeten Dampfes.
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Diese
Art von Vorrichtung jedoch weist den Nachteil auf, dass sie ansatzweise
betrieben wird, was, was gut bekannt ist, die Produktivität begrenzt und
komplexere Betriebsführungen
benötigt.
Dazu kommen die oben erwähnten
Probleme der Verkrustungen an den Spulen oder anderen Teilen der
Anlage und auch eine beträchtliche
Verschwendung von Energie auf Grund der Aufrechterhaltung des reduzierten
Drucks in der Anlage.
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Die
US-A-5,256,250 offenbart einen Dünnfilmverdampfer
für die
Aufkonzentration von Lösungen,
Kolloiden, Suspensionen und dergleichen, in welchem eine sich vorwärts bewegende
röhrenförmige dünne Flüssigkeitsschicht
ausgebildet wird.
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Die
EP-A-0 711 505 offenbart einen Conchierungsschritt für die Herstellung
von Schokolade, der mittels eines Turbomischers durchgeführt wird,
der einen mit Flügeln
versehenen Rotor umfasst, der drehbar in einem zylindrischen röhrenförmigen Körper gelagert
ist.
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Die
US-A-5,409,643 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gekörnten Natriumsilikatprodukts
aus einer Lösung
dessen mittels eines Trockner-Granulierers umfassend einen zylindrischen
röhrenförmigen Körper mit
einem Heizmantel und einen darin drehbar gelagerten mit Flügeln versehenen
Rotor.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Bereitstellung eines
Verfahrens für
die Aufkonzentration von unterschiedlichen Arten von flüssigen Mischungen,
das alle oben erwähnten Nachteile
vermeidet.
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Das
Problem wird im Einklang mit der Erfindung durch ein Verfahren nach
dem beiliegenden Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausführungsformen
des Verfahrens gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
2 und 3 offenbart.
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Der
Einsatz von dynamischen verwirbelten dünnen Schichten im Kontakt mit
einer beheizten Wand ist als besonders vorteilhaft gefunden worden, da
er die Bildung einer großen
Austauschoberfläche beinhaltet,
was Vorgänge
des Massentransports und Energietransports wesentlich beschleunigt.
Daher ermöglicht
der Einsatz dünner
Schichten die Ausmaße der
gesamten Anlage wesentlich zu reduzieren und die Energiekosten beträchtlich
zu senken.
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Beim
Durchführen
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird ein Turbokonzentrator
als Aufkonzentrierungseinheit verwendet. Von den Geräten dieser
Art, sind diejenigen als besonders einsetzbar und vorteilhaft gefunden
worden, die hergestellt und vertrieben werden von der Firma VOMM-IMPIANTI
E PROCESSI aus Mailand (Italien). Dieses Gerät umfasst im Wesentlichen einen
zylindrischen Rohrkörper
mit einer horizontalen Achse, und der an gegenüberliegenden Enden verschlossen
ist, und der mit Öffnungen
für das
Einführen
der zu behandelnden flüssigen
Mischung und einem Strom aus trockener Luft versehen ist, sich in
derselben Richtung bewegend, und einen Heizmantel zum Erwärmen der inneren
Wand des Rohrkörpers
auf eine vorher bestimmte Temperatur und einen mit Flügeln versehenen
Rotor, der drehbar in dem zylindrischen Rohrkörper gelagert ist, wo er mit
einer Umfangsgeschwindigkeit variierend zwischen 30 und 50 m/s gedreht wird.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, da es kontinuierlich
ist, eine viel höhere Produktivität, als ansatzweise
oder halbansatzweise Verfahren nach dem Stand der Technik es erlauben. Der
Einsatz einer Vorrichtung wie der oben beschriebenen reduziert auch
wesentlich die mit der Wartung und dem Säubern der Anlage verbundenen
Probleme und somit die allgemeinen Betriebs- und Produktionskosten.
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Vorteilhafterweise
wird ein Strom aus heißer trockener
Luft in den Turbokonzentrator in derselben Richtung wie der Strom
der flüssigen
Mischung zugeführt,
wodurch die Geschwindigkeit mit welcher der Dampf entfernt wird,
erhöht
ist, was weiter die notwendigen Verweilzeiten für den Strom in der Aufkonzentrationseinheit
reduziert.
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Der
oben erwähnte
Strom trockener Luft besitzt vorzugsweise eine Flussrate, welche
bis zu 6 Nm3 Luft pro Liter verdampften
Wassers betragen kann.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung umfasst, wo angemessen, das Wiederverwenden eines
Teils des ausgetragenen aufkonzentrierten Stroms stromaufwärts des
Turbokonzentrators. Dies erhöht
die Viskosität
des eingehenden Stroms, was den Betrieb des Konzentrators erleichert.
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsformen
des oben beschriebenen Verfahrens hervorgehen, welche mit Bezug
zu einer in der einzigen angehängten
Zeichnung schematisch gezeigten Vorrichtung gegeben wird, die allein
zu Illustrationszwecken bereit gestellt wird.
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Bezugnehmend
auf die oben erwähnte Zeichnung
umfasst eine Vorrichtung, die für
das Verfahren der Aufkonzentrierung gemäß der Erfindung verwendet wird,
einen Turbokonzentrator, der im Wesentlichen von einem zylindrischen
Rohrkörper 1 gebildet
wird, welcher an gegenüberliegenden
Enden geschlossen ist durch Grundseiten 2, 3 und
der koaxial mit einem Heizmantel 4 versehen ist, durch
den ein Fluid, z. B. ein diathermisches Öl, fließt, um die innere Wand des
Körpers 1 bei
einer vorbestimmten Temperatur zu halten.
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Der
Rohrkörper 1 ist
mit einer Öffnung 5 für das Einführen der
aufzukonzentrierenden flüssigen Mischung,
einer Öffnung 6 für den Strom
aus heißer trockener
Luft und auch mit einer Öffnung 7 für das Austragen
der aufkonzentrierten flüssigen
Mischung versehen.
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Ein
mit Flügeln
versehener Rotor 8, dessen Flügel 9 spiralförmig angeordnet
und orientiert sind, um die zu konzentrierende flüssige Mischung
gleichzeitig zu zentrifugieren und zu der Austragsöffnung zu
fördern,
ist drehbar in dem Rohrkörper 1 gelagert.
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Ein
Motor M ist zum Betrieb des mit Flügel versehenen Rotors mit variierenden
Geschwindigkeiten bereitgestellt.
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Beispiel 1
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Ein
35%ige Lösung
aus acetylierter Stärke
in Essigsäure
mit einem gesättigten
Acetylierungsgrad wurde kontinuierlich in den oben beschriebenen
Turbokonzentrator mit einer Flussrate von 100 kg/h eingeführt. Die
innere Wand des Turbokonzentrators wurde bei einer Temperatur von
130°C gehalten.
Der mit Flügeln
versehene Rotor, welcher sich mit einer Umfangsgeschwindigkeit von
40 m/s drehte, zentrifugierte die flüssige Mischung gegen die Wand
des Turbokonzentrators, wo sie eine dynamische und verwirbelte röhrenförmige dünne Schicht
ausbildete. Nach einer Verweilzeit von 30 Sekunden wurde der Strom
der Lösung,
der den Turbokonzentrator 1 verließ, in eine geeignete Speichereinheit
(nicht gezeigt) gefördert.
Die so erhaltene Lösung
besaß eine
Konzentration von 80%.
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Beispiel 2
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Eine
Lösung
von Propylenkarbonat in Methylenchlorid mit einem Feststoffgehalt
von 20% wurde kontinuierlich in den oben beschriebenen Turbokonzentrator
mit einer Flussrate von 100 kg/h in dieselbe Richtung wie ein Strom
aus heißer
trockener Luft mit einer Flussrate von 500 m3/h
zugeführt.
Die Temperatur der inneren Wand des Turbokonzentrators war 120°C, die Umfangsgeschwindigkeit
des mit Flügeln versehenen
Rotors betrug 40 m/s und die Verweilzeit in dem Turbokonzentrator
war 1 Minute. Der den Turbokonzentrator verlassende Strom, mit einem
Feststoffgehalt von 90%, wurde dann in Form einer geschmolzenen
Masse ausgetragen und in eine geeignete Speichereinheit gefördert.
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Beispiel 3
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Eine
75% Lösung
von Sorbitol in Wasser wurde in den Turbokonzentrator mit einer
Flussrate von 100 kg/h eingeführt.
Die Temperatur der inneren Wand des Turbokonzentrators 1 betrug
140°C, die Umfangsgeschwindigkeit
des mit Flügeln
versehenen Rotors war 40 m/s, während
die Verweilzeit in dem Turbokonzentrator 1 2 Minuten betrug.
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Der
aufkonzentrierte den Turbokonzentrator verlassende Strom besaß einen
Feststoffgehalt von 99%.
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Beispiel 4
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Eine
salzhaltige Lösung
eines Deponieabwassers als solches oder aus einer Membranaufkonzentrationsanlage
stammend mit einem mittleren Feststoffgehalt von 2% wurde in den
Turbokonzentrator mit einer Flussrate von 1000 kg/h zugeführt. Die Temperatur
der inneren Wand des Turbokonzentrators 1 betrug 240°C, die Umfangsgeschwindigkeit des
mit Flügeln
versehenen Rotors war 40 m/s, während
die Verweilzeit in dem Turbokon zentrator 1 2 Minuten betrug.
Der den Turbokonzentrator verlassende aufkonzentrierte Strom besaß einen
Feststoffgehalt von 50%.