JP3964950B2 - 液状の製品を処理する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心分離領域で液状の製品を処理する装置であって、軸線を中心として回転するロータを備え、該ロータが、底部と、底部から外向きに上昇する、処理面を成す壁部と、底部に隣接して開口する少なくとも１つの製品供給部と、ロータの外周部に隣接して配置された製品取出し部とを有している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記構造の装置は、液体内で微粒子を混合、乳化、懸濁化及び分散させるために並びに液体の脱泡又はガス抜き及び最終的に蒸発及び蒸留のために使用される。更に前記装置は特に遠心蒸発装置として広範に使用され、それ故、以下においては前記構造形式を模範例として詳述する。
【０００３】
遠心蒸発装置は、滑らかなテーパ状のもしくは円錐状の蒸発面を有しかつ薄膜原理に従って作業する。中央に供給される出発製品は、遠心作用に基づき蒸発面上でフィルム状に拡散しかつこの際行われる熱交換及び材料交換中に徐々に濃縮されて濃縮物を形成し、この濃縮物は蒸発面の外周部において取り出される。蒸発面上での層厚さは、所定の供給量の場合、ほぼ蒸発面の回転数によって規定されるかもしくは供給量を変えることによって、可変である。
【０００４】
このような遠心蒸発装置の蒸発効率は、熱貫流係数、蒸発面及び加熱媒体と製品フィルムの蒸発温度との温度差によって規定される。一回の通過で単一の蒸発面によって所要の最終濃度を得ることができない場合には、多数の蒸発面が軸方向で重ね合わせて配置されかつ１つの蒸発面の外周部で放出される濃縮物が次の蒸発面に供給される（アメリカ合衆国特許第４６８３０２６号明細書）。つまり、濃縮は多数の連続して接続された段部において行われる。このような多段の蒸発装置によって、連続運転が可能である。
【０００５】
濃度を増大させる別の可能性は、循環蒸発装置によって得られる（アメリカ合衆国特許第５２５４２１９号明細書及びイギリス国特許第２１３４８０３号明細書参照）。このタイプの蒸発装置では、外周部で取り出される濃縮物が集められかつ再度蒸発面の中央に供給される。つまり、濃縮は複数回の循環で行われる。このような蒸発装置は断続的に作業する。
【０００６】
更に、このような遠心分離・薄膜蒸発装置の効率は、次の現象によって制限される。つまり、液体は層流で蒸発面を介して案内される。加熱された蒸発面と液体との間の熱交換は、ほぼ熱伝導に限定されひいては液体の熱伝導性に関連しているのに対して、材料交換は分子拡散に限定される。多くの製品において所望されるもしくは必要なガス抜き、脱泡、脱臭及び脱着も、層流の場合には不十分にのみ可能にされるに過ぎない。
【０００７】
内側から外向きに蒸発面が拡大されていることにより、液体の層厚さは外部に向けて減少する。この場合、液体フィルムが外側範囲で引き裂かれかつ液体が蒸発面に亘って縞状に延びるという、危険が生ずる。これによって、製品の過熱が生ずる。このことは更に、製品を損傷又は破壊せしめかつ蒸発面の焼損ひいては汚染を生ぜしめる。この欠点は特に、外向きに強い濃縮が行われる場合、即ち、濃度が著しく増大する場合に、生ずる。
【０００８】
回転するテーパ状面を有するこのような装置が、混合、乳化、懸濁化又は分散のために使用される場合には、このようなプロセスの効率は、材料交換を保証するために、処理面全面に閉じられた製品層が存在するかに著しく関連している。更に、製品層の層流のみの流れでは十分な効率は得られない。このことは特に、混合成分が著しく異なる密度を有する場合に、該当する。それというのもこの場合、ロータはセパレータ（separator）の形式で作業しかつ成分は重なり合った層として処理面を介して移動するからである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、回転するロータを有する装置を改良して、高い効率が得られるように、つまり、混合過程の際に同じ効率で効果的な混合が得られ、蒸発時に増大した面効率が得られ、かつ、更に必要であれば製品の効果的なガス抜き又は脱泡が行われるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明によれば、処理面が、その軸方向長さの少なくとも一部に亘って、階段状に構成されており、各段部がほぼ９０゜範囲の段角度を有していることによって、解決された。
【００１１】
【発明の効果】
軸方向長さの少なくとも一部に亘って処理面を階段状に構成することによって、面効率が著しく増大せしめられ、このような増大は、各段部において次のようなプロセスが行われるという事実に起因している。つまり、液体はほぼ層流で各段部のほぼ垂直な区分に衝突して、跳ね返りかつ乱流を生ぜしめる渦流を発生する。段部内を占める液体は、中核乱流を有するほぼ放物線状の表面を形成しかつ段部の上端でほぼ層流で次の高さの段部縁部を介して流過する。各段部における液体部分容積内の乱流に基づいて、純粋な層流に比して熱交換及び材料交換が著しく改善される。更に、乱流によってガス抜き、脱泡及び脱臭が促進される。
【００１２】
各段部における流れ形式は、回転数によって著しく影響される。低回転数範囲では液体は段部をほぼ満たしかつこの際液体中核内で適度の乱流が生じた場合に前記の放物線状の表面が得られるのに対して、回転数の増大に伴って各段部内部での液体容積は減少し、しかも同時に乱流が増大する。
【００１３】
良好な熱伝導の理由から極めて薄い蒸発面を段付けして構成するか又は波状に構成して、蒸発面に高い支持剛性が与えられている薄膜蒸発装置は公知である（アメリカ合衆国特許第４１５３５００号＝西ドイツ国特許第２４０９５０２号明細書）が、層流薄膜流を保証するために成形形状は意図的に極めて浅く選択されている。
【００１４】
段部は通常の形式で構成できる、即ち、回転軸線に対してほぼ垂直に延びる、つまりほぼ水平に延びる区分と、回転軸線に対してほぼ平行に延びる、ひいてはほぼ垂直に延びる別の区分とから構成されている。
【００１５】
更に、各段部上での液体の滞留時間及びここで生ずる流れは、段部の構成によって影響される。従って、例えば段部の一方の区分は、回転軸線に対する垂線に対して所定の角度を成して延びることができる。この角度がプラスである場合、即ち、段部が内側から外向きに軽く上昇する場合、液体は迅速に流出する。このことは層流で行われる。これに対して、角度がマイナスの場合、つまり段部面が外向きに落ち込んでいる場合、各段部における液体の滞留時間は増大する。それというのも、段部は一種の液体バッグを成すからである。
【００１６】
類似の効果は、各段部又は個々の段部のほぼ垂直な区分が、回転軸線に対して角度βを成して傾斜していることによって、得られる。角度βがマイナスの場合、段部における液体の滞留時間及び液体容積は増大するが、角度βがプラスの場合、液体は迅速に流出する。
【００１７】
更に、液体の滞留時間ひいては乱流範囲における熱交換及び材料交換は、段部の幾何学的な寸法によって、即ち、一方では段部の半径方向長さΔＲ及び軸方向高さΔＬによって影響される。比ΔＲ／ΔＬが小さい程、各段部における液体の滞留時間は長くなる。
【００１８】
更に、流れ形式（層流又は乱流）は水平な区分と垂直な区分との間の移行部における曲率半径ｒによって影響される。曲率半径が大きい程、より早く段部の移行部において層流が生じ、これに対して、曲率半径が小さい程、より早く縁部において流れの引き裂きが生ずる。
【００１９】
製品の種類に応じて及び所望の作用に応じて、処理面がその軸方向長さの一部に亘って段状に成形されていて、その他の範囲で平滑壁として形成されていると、有利である。
【００２０】
平滑壁部分は上側範囲に設けることができる。この構成では、蒸発装置の場合下側範囲において、段部スペース内での乱流に基づいて製品の強い濃化もしくは濃縮が行われるのに対して、平滑壁状の蒸発面を有する蒸発装置の上側範囲ではほぼ層流が生ぜしめられ、この層流は、最終濃度が得られるまで前もって濃縮された製品の所望の処理を生ぜしめる。逆の配置形式、つまり下側で平滑壁として形成されかつ上側で階段状に形成される配置形式は、ストリッピング（stripping）の場合に有利である。
【００２１】
階段状に形成された処理面の段部は、段部の、半径方向内側に位置する縁部又は半径方向外側に位置するコーナが、放物線面上に位置するように、つまり、内側から外向きにもしくは下側から上向きに増大する勾配を有するように、構成できる。
【００２２】
有利な構成では、ロータは閉じられた容器内に収容されていてかつ回転軸線は容器を介して外部に案内されている。これにより、コントロールされた周囲条件下での液体の処理が行われる。
【００２３】
本発明により構成された装置は、既に述べたように、混合、乳化、懸濁化及び分散のために並びに脱泡又はガス抜きのために使用される。混合の場合には、混合物を成す成分は製品・供給部を介して一緒に供給される。このようにする代わりに、成分をそれぞれ１つの別個の製品・供給部を介して供給することができる。この場合、製品・供給部が底部に対して異なる軸方向間隔をおいて開口していると、有利である。
【００２４】
蒸発プロセスのために、並びに、高い粘性を有するか又は高温度の場合に初めて液状位相に移行する製品を処理するために、処理面を成す壁部が加熱されるように、装置が構成されていると、有利である。
【００２５】
遠心蒸発装置として装置を使用する場合、ロータが、処理面を成す壁部が差し込まれるほぼ円筒状のケーシングを有していて、かつ、ケーシングと蒸発面との間のスペースが加熱スペースとして構成されていると、有利である。この加熱スペース内には有利には蒸気状の熱担体が供給される。
【００２６】
蒸発面の階段状の外面において滴状に凝縮される熱担体は、ロータの回転に基づき遠心加速されて、遠心分離されかつロータ外壁の向かい合って位置する内面に衝突して、流下する。階段状の構成に基づいて、平滑壁を有する蒸発面の場合よりも著しく低い回転数の場合ですら、滴状凝縮が行われる。
【００２７】
蒸発面の本発明による構成によって、記述の熱力学的な及び流れ力学的（aerohydrodynamic）な利点が得られるばかりでなく、同じ直径の場合、蒸発時に作用する表面が著しく増大せしめられる。
【００２８】
このように構成された蒸発装置は、任意の液体、特に有機的な液体を濃縮もしくは濃化するために使用されるばかりでなく、例えば多糖を生合成するために、ポリエステルを重縮合するために等々使用される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
第１図では、概略的な断面図で蒸発装置１が図示されている。蒸発装置１はロータ２を有していて、このロータ２は容器（図示せず）内で回転する（矢印３参照）。
【００３０】
ロータ２は、処理面４として蒸発面を有していて、この蒸発面は、上方で熱担体室５を制限している。有利には蒸気状の加熱媒体は、例えば管片６を介して熱担体室内に供給されかつ凝縮物は排出管７を介して熱担体室から放出される。管片６によって、ロータ２は閉じられた容器（図示せず）の底部に回転可能に支承されている。
【００３１】
濃縮もしくは濃化すべき製品は、回転対称的な蒸発面の中央に供給され（矢印８参照）かつ回転軸線に隣接して蒸発面の底部９に放出される。製品は遠心加速され、次いで、濃度を増大しながら蒸発面上を上向きに流れかつ蒸発面の外周部で濃縮物として放出されるか（矢印１１参照）もしくは排出管によって取り出されるのに対して、水蒸気は容器内に捕集されて排出される。
【００３２】
蒸発面は、階段状に構成されていて、かつ、回転軸線からの間隔Ｒが増大するにつれて上昇するように配置された多数の段部１４を有している。段部１４の内縁は包絡面１５上に位置し、この包絡面１５は、円錐面、放物線面又は任意の別の三次の面（third order surface）を成している。段部の深さはΔＲでかつ段部の高さはΔＬで示されていて、この場合、Ｌは蒸発面の軸方向高さである。
【００３３】
蒸発面上では主として乱流成分を有する混合流が形成される。このことは第２図で詳細に図示されている。矢印８方向で供給される液体は、ロータ２の回転に基づき蒸発面の底部９上で遠心加速されかつ第１の段部１４のほぼ垂直な区分１６に衝突する。ここにおいて液体は制動されかつ跳ね返されるので、垂直な区分に沿って渦流が生じ、この渦流はまず、垂直な区分１６の上側範囲の段部の内側に位置する縁部１７の範囲で初めて層流に移行し、この層流は、段部のほぼ水平な区分１８まで継続し、外側のコーナ１９の範囲もしくは次の段部１４の垂直な区分１６において再び制動される。
【００３４】
従って、各段部１４のそれぞれ垂直な区分１６の範囲２０において、ローラの回転数に応じて程度の差こそあれ大きな半径方向の厚みを有する乱流が生ずる。この乱流の半径方向の厚みは段部の内側に位置する縁部１７に向けて減少し、ここにおいて状況に応じて層流に移行し、この層流は、次の水平な区分１８上においても依然として生ずる。
【００３５】
それぞれ個々の段部上での液体の滞留時間は、ロータ２の回転数によって影響されるのみならず、段部の幾何学的な構成によっても影響される。従って、段部上での滞留時間が長い程、段部の比ΔＬ／ΔＲが大きく（第１図参照）、この場合、垂直な区分１６が回転軸線に対して平行に延びかつ水平な区分１８が回転軸線に対して垂直に延びることから、出発する。
【００３６】
滞留時間及び流れ比に影響を及ぼす別の可能性は、第３図で図示されている。最上部の段部１４は第２図と同じ形式で構成されているのに対して、この段部の下に位置する段部は、軸平行な垂直な区分１６並びに回転軸線に対する垂線に対して角度−αだけ傾けられた区分２１を有している。これによって、大量の液体を集める一種のバックが形成される。更に、最下部の段部において図示されているように、段部１４の側壁２２が回転軸線に対して角度−βを成して延びる場合には、各段部上での尚一層長い液体の滞留時間が得られる。段部１４においてせき止められた液体は放物線状の表面２３を形成する。
【００３７】
第３図から容易に推測されるように、各段部での液体の滞留時間は第２図の配置形式に比して、水平な区分が角度＋αを成して及び／又は垂直な区分が角度＋βを成して配置されることによって、減少することができる。更に、両構造的な措置を互いに組み合わせることもできる。
【００３８】
第１図による実施例では、段部のコーナは円錐面１５上に位置している。第１図から容易に明らかなように、放物線状の包絡面の場合段部の高さΔＬひいては液体の滞留時間は下方から上方に向けて増大する。更に必要であれば、蒸発面を部分的に平滑壁として形成することもできる。
【００３９】
更に、曲率半径ｒによって、ほぼ水平な区分１８から垂直な区分１６への移行部における流れ形式に影響を及ぼすことができる。曲率半径ｒが大きくなる程、より早く移行部において層流が生じるに対して、曲率半径ｒが極めて小さいと、より早く流れが引き裂かれるかもしくは乱流が生ずる。
【００４０】
熱担体室５内の蒸気状の加熱媒体は、階段状の蒸発面の外面で滴状に凝縮する。ロータ２の回転に基づいて、矢印で示されているように、滴が遠心分離されかつロータ外壁の内面に衝突する。ここにおいて滴は流下しかつロータの底部付近に集められた凝縮物は排出管７によって受け取られかつ管片６を介して外部に案内される。
【００４１】
第４図では、液体を互いに混合、乳化又は懸濁化するための又は液体内に粒子を分散させるための混合装置の実施例を図示している。この場合にもロータ２は、温度が上昇した場合に初めて十分流動性になる室温でペースト状の製品又は粘性の製品を混合できるようにするために、加熱室５を有している。図示の実施例では、３つの成分から成る混合物が形成される。２つの成分は処理面４の底部９に供給される（矢印２４，２５参照）のに対して、第３の成分は第１の段部１４に供給される（矢印２６参照）。完成混合物は、階段状の処理面４の外周部において排出管によって取り出される。
【００４２】
回転する処理面は、付加的に液状製品のガス抜きもしくは脱泡のためにもしくは専らこのために使用される。それというのも、遠心分離領域に基づき液体と気体との分離が行われるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠心蒸発装置のロータの概略的な断面図。
【図２】第２図の蒸発面の拡大部分断面図。
【図３】蒸発面の別の実施例の、第２図に相応する部分断面図。
【図４】混合装置のロータの概略図。
【符号の説明】
１ 蒸発装置
２ ロータ
４ 処理面又は蒸発面
５ 熱担体室
６ 管片
７ 排出管
９ 底部
１４ 段部
１５ 包絡面
１６，１８，２１ 区分
１７ 縁部
１９ コーナ
２０ 範囲
２２ 側壁
２３ 表面

Claims (16)

1. 遠心分離領域で液状の製品を処理する装置であって、軸線を中心として回転するロータを備え、該ロータが、底部と、底部から外向きに上昇する、処理面を成す成形壁部と、底部に隣接して開口する少なくとも１つの製品・供給部と、ロータの外周部に隣接して配置された製品・取出し部とを有している形式のものにおいて、
   前記成形壁部が、その軸方向長さの少なくとも一部に亘って、階段状に構成されており、各段部がほぼ９０゜の段角度を有していることを特徴とする、液状の製品を処理する装置。
2. 段部（１４）の一方の区分（１８）が、ロータの回転軸線（１０）に対してほぼ垂直に延びかつ他方の区分（１６）が、回転軸線に対してほぼ平行に延びている、請求項１記載の装置。
3. 段部（１４）の一方の区分（２１）が、回転軸線（１０）に対する垂線に対して所定の角度αを成して傾斜している、請求項１又は２記載の装置。
4. 段部（１４）の他方の区分（２２）が、回転軸線（１０）に対して所定の角度βを成して傾斜している、請求項１又は２記載の装置。
5. 段部（１４）の一方の区分（１８）の、回転軸線（１０）に対して半径方向の長さ（ΔＲ）が可変である、請求項２記載の装置。
6. 段部（１４）の他方の区分（１６）の、回転軸線（１０）に対して軸方向の高さ（ΔＬ）が可変である、請求項２記載の装置。
7. 段部（１４）の両区分（１６，１８）の間の移行部の曲率半径（ｒ）が、可変である、請求項１又は２記載の装置。
8. 前記壁部が、その軸方向長さの少なくとも一部に亘って、段状に成形されていてかつその他の範囲で平滑壁として構成されている、請求項１記載の装置。
9. 段部の、回転軸線（１０）に対して半径方向内側に位置する縁部（１７）又は半径方向外側に位置するコーナ（１９）が、放物線面上に位置している、請求項２記載の装置。
10. ロータが、閉じられた容器内に配置されていてかつ回転軸線が、容器を介して外部に案内されている、請求項１記載の装置。
11. 装置が、混合、分散、ガス抜き又は脱泡のために用いられる、請求項１記載の装置。
12. 混合物を成す成分が、製品・供給部を介して一緒に供給される、請求項１記載の装置。
13. 混合物を成す成分が、それぞれ１つの別個の製品・供給部を介して供給される、請求項１記載の装置。
14. 製品・供給部が、底部に対して異なる軸方向間隔をおいて開口している、請求項１３記載の装置。
15. 処理面を成す壁部が加熱されている、請求項１記載の装置。
16. 装置が、遠心蒸発装置として構成されており、ロータが、処理面を成す壁部が差し込まれるほぼ円筒状のケーシングを有しており、ケーシングと蒸発面との間のスペースが、加熱スペースとして構成されている、請求項１５記載の装置。

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