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PLATTENFALL[Pi]LM-KURZWEG VERDAMPFER
Die Erfindung bezieht sich auf einen Platten-Fallfilmverdampfer zur Fallstromverdampfung einer flüssigen Substanz , mit zumindest einer, in einem Gehäuse im Wesentlichen vertikal angeordneten, beheizbaren Verdampferplatte, mit einer oberhalb der zumindest einen Verdampferplatte angeordneten Verteilerwanne, aus der die darin befindliche Substanz der Verdampferplatte unter Bildung eines an der Aussenfläche der Verdampferplatte herabrinnenden Films zufuhrbar ist, mit einem der unteren Plattenkante zugeordneten Auffangmittel für das Konzentrat, mit zumindest einem Anschluss für ein Pumpmittel zum Evakuieren des Gehäuseinnenraumes, sowie mit einer Kondensationseinrichtung zur anschliessenden Kondensation des entstehenden Brüdens.
Verdampfer dieser Art sind bekannt und werden seit Jahren von der Anmelderin erzeugt und geliefert.
Die Stofftrennung durch Verdampfen mit anschliessender Kondensation der Dämpfe zählt zu den thermischen Trennverfahren. Sie wird angewendet, um flüssige Stoff gemische in leichter und schwerer siedende Fraktionen zu trennen. Beispielsweise kann Wasser von organischen Substanzen separiert werden. Im industriellen Massstab werden häufig sogenannte Fallfilmverdampfer eingesetzt. Das sind senkrecht stehende Rohrbündelwärmetauscher, in denen das Stoffgemisch oben aufgegeben, mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung gleichmässig verteilt und auf der Innenseite der Rohre als Film nach unten strömt. Beheizt wird mantelseitig mit Heizdampf oder Wärmeträgermedium. Durch die Zuführung der Wärme verdampfen die leicht siedenden Bestandteile (im Beispiel Wasser), zurück bleibt ein Konzentrat. Die erzeugten Dämpfe strömen mit der Flüssigkeit im Gleichstrom in den Rohren abwärts.
In einem Abscheider werden evtl. mitgerissene Flüssigkeitströpfen abgeschieden. Anschliessend können die Dämpfe z. B. in einem Kondensator gegen Kühlwasser niedergeschlagen werden.
Turbulenz im Film und damit ein guter Wärmeübergang wird sichergestellt durch ausreichende Benetzung der Rohre. Deshalb wird teilweise rezirkuliert, d. h. ein Teil des Konzentrats wird zur Aufgabe gemischt; oder der Apparat wird mehrmals Durchfahren, d. h. der Verdampfer wird in Sektionen unterteilt, die das Stoff gemisch nacheinander durchfliesst.
Eine kostengünstige Variante des Fallfilmverdampfers stellt der Platten-Fallfilmverdampfer dar. Bei einem solchen Verdampfer wird der Flüssigkeitsfilm nicht auf der Innenfläche von Rohren erzeugt, sondern auf der Oberfläche von Platten mit einem inneren Hohlraum. Es sind immer zwei Platten miteinander verbunden und verschweisst, so dass in dem abge
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schlossenen Bereich Heizdampf oder ein anderes Wärmeträgerfluidum zirkulieren kann. Auf den Aussenflächen, die aufgrund der Verschweisstechnik die Form eines Kissens haben kann, strömt der Produktfilm. Ein Verdampfer enthält eine Vielzahl von parallel angeordneten Plattenpaaren. Die Aufgabe erfolgt über Rinnen, die an der Oberkante der Plattenpaare angeordnet sind. Das Konzentrat, das an der Unterkante von den Platten tropft, wird gesammelt und ausgeschleust. Die erzeugten Brüden verlassen den Wärmetauscher und werden z. B. in einem Kondensator niedergeschlagen.
Unter der Einwirkung von Hitze neigen viele Stoffgemische bzw. enthaltene Komponenten dazu, sich zu zersetzen oder zu polymerisieren. Auch kann es zu Belagsbildungen auf den Heizflächen kommen. Das wird vermieden indem der Druck im Verdampfer erniedrigt wird, da dadurch die Siedetemperatur ebenfalls sinkt. Wässrige, hitzeempfindliche Lösungen werden daher im Grobvakuum eingedampft. Hierzu zählt z. B. die Eindampfung von Milch zur Herstellung von Milchpulver. Der Vakuumdruck lässt sich aber nicht beliebig erniedrigen. Grund ist der Druckverlust, der durch die Strömung der Dämpfe von der Verdampferfläche zum Kondensator entsteht. In den üblichen Apparaten beträgt dieser mindestens einige bar. Damit ist das erreichbare Vakuum in den herkömmlichen Verdampfern limitiert.
Es gibt eine Vielzahl an Produkten, die sich ausschliesslich im Druckbereich unter 1 mbar destillieren lassen. Hierzu gehört die Gewinnung von Omega-3 Fettsäuren aus Fischöl, Carotin aus Palmöl, verschiedener Fraktionen aus Wachs, das Aufkonzentrieren von Emulgatoren (Monoglyceride), die Monomerabtrennung aus Polymergemischen, um nur einige Beispiele zu nennen.
Diese Stoffe werden in sog. Kurzwegverdampfern oder Molekulardestillationsapparaten destilliert. Hier befindet sich die Kondensationsfläche in unmittelbarer Nähe zur Verdampferfläche. Die Dämpfe strömen quasi ohne Druckverlust vom Verdampfer zum Kondensator. Damit ist ein Betrieb bei Drucken weit unter 1 mbar möglich.
Im industriellen Massstab haben sich sogenannte "gewischte" Apparate durchgesetzt. Das sind Dünnschichtverdampfer in denen der Film mit Hilfe eines mechanischen Systems ("Wischer") auf der Innenseite einer von aussen beheizten zylindrischen Fläche verteilt und umgewälzt wird. Die erzeugten Dämpfe werden am konzentrisch angeordneten Innenkondensator kondensiert. Der Kondensator besteht aus ringförmig angeordneten Rohren. Inerte und nicht kondensierbare Gase werden über die Mitte abgesaugt. Das Konzentrat wird in einer ringförmigen ggf. beheizbaren Tasse am unteren Ende der zylindrischen Verdampfer fläche gesammelt und ausgeschleust. Der Destillataustrag befindet sich unterhalb des Kondensators. Die Gase werden über einen Vakuumstutzen abgesaugt.
Ein Nachteil dieser Apparate ist das Vorhandensein von mechanisch bewegten Teilen, der Verschleiss, die erforderliche Wartung, der Preis und die Begrenzung der Baugrösse. Die grössten Verdampfer weisen heute eine Verdampferfläche von ca. 50 m<2> auf für Mengen von ca. 5 t/h. Es wurden daher immer wieder Anstrengungen unternommen, diese Nachteile zu überwinden.
In der EP 1 429 856 Bl ist ein Fallstromverdampfer mit integrierter Kondensation geoffenbart, der mehrere aufrecht stehende, gemeinsam in einem Gehäuse untergebrachte Verdampferrohre mit einem beheizbaren Hohlraum sowie gleichfalls in dem Gehäuse untergebrachte, aufrecht stehende Kondensationsrohre, die je koaxial zu den Verdampferrohren innerhalb derselben angeordnet sind. Die Kondensationsrohre werden von innen her mittels eines Kühlmittels gekühlt. Die flüssige Substanz wird mittels einer Verteilerwanne den Verdampferrohren oben zugeführt und läuft dann als Film an deren Innenfläche herab; an den Aussenmänteln der Kondensationsrohre herabfliessendes Destillat wird unten aufgefangen.
Dieser bekannte Fallstromverdampfer kann zwar flüssige Substanzen bei einem höherem Vakuum verarbeiten, da keine, einen Druckabfall bewirkende Rohrleitungen zu einer externen Kondensationseinrichtung vorliegen, doch ist der gesamte Aufbau durch die Vielzahl koaxialer Rohrpaare mit zugehörigen Beschickungs- und Auffangmitteln ziemlich komplex, was auch für die Führung der Heiz- und Kühlfluida zutrifft. Der komplizierte Aufbau erschwert und verteuert die Herstellung ebenso, wie später erforderliche Wartungsarbeiten, insbesondere auch Reinigungsarbeiten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fallstromerdampfer mit integrierter Kondensation zu schaffen, der bei sehr niedrigem Druck in industriellem Massstab einsetzbar ist, wobei die Herstellung einfach und kostengünstig erfolgen soll.
Diese Aufgabe wird mit einem Platten-Fanfilmverdampfer der eingangs erwähnten Art gelöst, bei welchem die Kondensationseinrichtung als zumindest eine, innerhalb des Gehäuses im Wesentlichen vertikal und parallel zu der zumindest einen Verdampferplatte angeordnete Kondensationsplatte ausgebildet ist, die mittels eines, ihren inneren Hohlraum durchströmenden Kühlfluidums kühlbar ist und der ein Auffangmittel für von der Kondensationsplatte herabrinnendes Destillat zugeordnet ist.
Dank der Erfindung ergibt sich ein einfacher Aufbau, welcher einerseits zu geringeren Strömungs Verlusten, verglichen mit den bisherigen Verdampfer/ Kondensator- Apparaten, führt und der andererseits eine weitaus einfachere und kostengünstiger Herstellung der Einzelteile und deren Montage ermöglicht, sodass auch flüssige Stoffgemische verarbeitet werden können, die einen Betrieb bei niedrigen Drücken, z. B. unter 1 mbar erfordern, wobei eine industrielle Verarbeitung bei hohen Durchsatzleistungen und grossen Verdampferflächen möglich ist. Letztlich können dadurch viele Produkte kostengünstiger hergestellt werden, als es bis jetzt möglich war.
Bei einer zweckmässige Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb des Gehäuses abwechselnd Verdampferplatten und Kondensationsplatten angeordnet sind, wodurch sich eine hohe Effizienz im Betrieb bei vernünftigen Gesamtabmessungen ergibt.
Die Herstellung des Verdampfers wird weiter verbilligt, wenn gemäss einer Variante die zumindest eine Verdampferplatte und die zumindest eine Kondensationsplatte gleichartig ausgebildet sind.
In manchen Fällen kann es auch zweckmässig sein, wenn die zumindest eine Verdampferplatte und/ oder die zumindest eine Kondensationsplatte um eine im Wesentlichen vertikale Achse zylindrisch gekrümmt sind, da hierdurch auf die meist zylindrische Krümmung des Gehäuses Rücksicht genommen werden kann.
Eine bei vielen Stoffgemischen zweckmässige zwei- oder mehrstufige Destillation kann kosten- und raumsparend bei hohen Durchsatzleistungen erfolgen, wenn innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses zumindest zwei Kombinationsstufen von Verdampferplatten und Kondensationsplatten angeordnet sind, sowie Mittel vorgesehen sind, um das von der zumindest einen Kondensationsplatte einer ersten Stufe herabgeronnene und aufgefangene Destillat einer Verteilerwanne für eine Verdampferplatte einer weiteren Stufe zuzuführen.
In Hinblick auf die Verarbeitung entsprechend kritischer Stoffgemische ist es vorteilhaft, wenn das Pumpmittel zum Evakuieren des Gehäuseinnenraumes auf einen Innendruck von weniger als 1 mbar ausgebildet ist.
Bei praxiserprobten Varianten kann der Abstand zwischen den Oberflächen einander zugeordneter Platten zwischen 5 und 150 mm betragen. .. *. *
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Im Sinne eines sauberen Auffangens des Destillats ist es vorteilhaft, wenn das Auffangmittel für von der zumindest einen Kondensationsplatte herabrinnendes Destillat der Bodenteil des Gehäuses ist.
Zur Berücksichtigung bestimmter Eigenschaften der zu verarbeitenden Stoffe, insbesondere deren temperaturabhängigen Viskosität kann es empfehlenswert sein, wenn Heizmittel für die Auffangrinne und/ oder der Bodenteil des Gehäuses vorgesehen sind.
Will man zur weiteren Erhöhung der Effizienz auch die Gehäusewandung als Kondensationsfläche heranziehen, so ist es zweckmässig, wenn Kühlmittel für zumindest benachbart zu Verdampferplatten gelegene Bereiche der Gehäusewandung vorgesehen sind.
Um solche flüssige Stoffgemische, die beim Verdampfen stark zum Spritzen neigen, d. h. Gemische mit hohem Leichtsiederanteil, gut verarbeiten zu können, ist bei einer Variante vorgesehen, dass zwischen Verdampferplatten und Kondensationsplatte Tröpfchenabscheider vorgesehen sind.
Für solche Fälle kann aber auch zusätzlich oder als Alternative mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass die Verdampferplatten im Sinne einer von oben nach unten geringer werdenden Temperatur beheizbar sind.
Im Sinne einer überaus gleichmässigen Wärmeverteilung vor allem in horizontaler Richtung ist es vorzuziehen, wenn die Verdampferplatte mittels eines ihren inneren Hohlraum durchströmenden Heizfluidums beheizbar ist.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
Fig. 1 einen Fallstromverdampfer nach der Erfindung in einer schaubildlichen Prinzipdarstellung,
Fig.2 eine Anordnung von vier Verdampfer- und drei Kondensationsplatten,
Fig. 3 einen Fallstromverdampfer nach der Erfindung in schematischer Seitenansicht in Richtung des Pfeils III der Fig. 5,
Fig. 4 den Fallstromverdampfer nach Fig. 3 in einer weiteren Seitenansicht in Richtung des Pfeils IV der Fig.5, Fig. 5 einen Schnitt durch den Fallstromverdampfer längs der Linie V-V der Fig. 3,
Fig. 6a und 6b zwei mögliche Varianten der Verteileröff ungen im Bereich des Details VI der Fig. l,
Fig. 7 die beispielsweise Anordnung eines Tröpfchenabscheiders zwischen einer Verdampferplatte und einer Kondensationsplatte, und
Fig. 8 diagrammartig die Anordnung von drei Verdampfer/ Kondensationsstufen innerhalb ein es einzigen Gehäuses.
Zunächst sei der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemässen Platten-Fallfilmverdampfers unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert. Innerhalb eines im zumindest vakuumdruckfesten Gehäuses 1 mit einer zylindrischen Seitenwand 2, einem pombierten Dachteil 3 und einem ebensolchen Bodenteil 4 sind zwei Verdampferplatten 5 und zwischen diesen eine Kondensationsplatte 6 angeordnet. Alle drei Platten stehen senkrecht und liegen parallel zueinander. Tatsächlich werden meist mehr als drei Platten innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, beispielsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, vier Verdampferplatten 5 und drei Kondensationsplatten 6. Dachteil 3 und oder Bodenteil 4 können an den zylinderischen Teil auch angeflanscht sein, wobei der zylindrische Teil, die Seitenwand 2, nicht notwendigerweise kreiszylindrisch sein muss.
Sowohl die Verdampferplatten 5 als auch die Kondensationsplatten 6 besitzen einen inneren Hohlraum und können zum Heizen bzw. Kühlen von einem Fluidum durchströmt werden, wobei im normalen Betrieb die Verdampferplatten 5 beheizt und die Kondensationsplatten 6 gekühlt werden. Daher hat jeder der Platten 5, 6 zumindest zwei Anschlüsse 7, die als Zulauf- Anschluss bzw. als Abfluss- Anschluss dienen können. Die Platten 5, 6 sind vorzugsweise gleichartig ausgebildet und können beispielsweise aus zwei miteinander am Rand sowie unter Bildung einer leicht polsterartigen Struktur über ihre Fläche an vielen Stellen miteinander punktverschweisst sein. Als Heizfluidum stehen dem Fachmann in Abhängigkeit der erforderlichen Temperaturen unterschiedliche Fluida zur Verfügung, um nur zwei Beispiele zu nennen etwa Heissdampf oder Thermalöle.
Gleiches gilt für das Kühlfluidum, das beispielsweise Wasser sein kann.
An jeder Verdampferplatte 5 ist an ihrem oberen Ende eine Verteilerwanne 8 und an ihrem unteren Ende als Auffangmittel eine Auffangrinne 9 vorgesehen. Weiters ist bei diesem Beispiel den Verteilerwannen 8 ein Vorverteiler 10 und den Auffangrinnen 9 eine Austragrinne 11 zugeordnet. Ein Einlassstutzen 12 am oberen Ende des Dachteils 3 dient zur -_ .. * . *
Zuführung einer flüssigen Substanz, ein Abflussstutzen 13 zum Abführen des Destillats, das hier von dem Bodenteil 4 aufgefangen wird.. Über einen der Austragrinne 11 zugeordneten Auslassstutzen 14 kann ein Konzentrat abgeführt werden und ein seitlicher Vakuumstutzen 15 kann mit einem geeigneten Pumpmittel, wie z. B. einer zweistufigen Vakuumpumpe 16 in Verbindung mit einer nicht gezeigten Kältefalle verbunden werden.
Die Verteilerwannen 8 besitzen eine Vielzahl von Austragsöff ungen, durch welche die Substanz auf die Platten 5 strömt, um zu verhindern, dass Tröpfchen der Substanz auf eine benachbarte Kondensationsplatte 6 gelangt. Ein Detailbereich mit solchen Öffnungen 17 ist in zwei Varianten in Fig. 6 gezeigt, wobei Fig. 6 zeigt, dass die untere Kante der Verteilerwannen 8 eine gewellte, hier trapezförmig gewellte Struktur besitzt, bzw. gezackt ist, wie Fig. 6b zeigt, sodass in beiden Fällen die erwähnten Öffnungen 17 entstehen.
Um das natürlich nicht gewünschte Spritzen von Substanz auf die Kondensationsplatten 6 zu vermeiden, kann zwischen benachbarten Platte 5, 6 ein Tröpfchenabscheider 18 angeordnet sein, der dem Fachmann bekannt ist und beispielsweise, wie in Fig. 7 gezeigt, aus schräg gestellten Blechlammellen bestehen kann.
Der Platten-Fallfilmverdampfer nach der Erfindung arbeitet wie folgt: Die flüssige Substanz, im allgemeinen ein Stoffgemisch, wie bereits weiter oben erwähnt, wird über den Einlassstutzen 12 zunächst an den Vorverteiler 10 geführt und gelangt von diesem zu den Verteilerwannen 8 am oberen Ende der Verdampferplatten 5, die entsprechend der gewünschten Betriebsbedingungen bereit sind und eine Temperatur üblicherweise bis zu 350 [deg.] C und mehr aufweisen können. In bestimmten Fällen mit leicht verdampfenden Fraktionen sind aber auch Temperaturen unter 100 [deg.] C möglich. Die flüssige Substanz rinnt nun als Film über die äusseren Flächen der Verdampferplatten 5 herab, verdampft zumindest teilweise und schlägt sich als Kondensat auf den gekühlten Kondensationsplatten 6 nieder.
Der Begriff "gekühlt", ist in Abhängigkeit der zu kondensierenden Substanz zu verstehen, d. h. es kann beispielsweise mit Temperaturen zwischen 20 und 200 [deg.] C gekühlt werden. Das Verdampfen wird durch das mittels der Pumpe 16 aufrecht erhaltene Vakuum begünstigt, welches in den meisten Fällen kleiner als 5 mbar ist und sogar weniger 0,001 mbar betragen kann. Da der Abstand zwischen den Oberflächen der Verdampferplatten 5 und den Kondensationsplatten 6 im Allgemeinen im Zentimeter-Bereich liegt und ein relativ hohes Vakuum aufrecht erhalten wird, gelangen Moleküle des gewünschten Konzentrats ohne wesentliche Zusammenstösse an die Kondensationsplatten.
Um auf den Tröpfchenabscheider 18 zurückzukommen, soll erwähnt werden, dass dieser nicht notwendigerweise über die gesamte Höhe der oft einige Meter langen Platten 5, 6 sich
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erstrecken muss, sondern auch nur Teilbereiche, z. B. den einen oberen Teilbereich, abdecken kann. Weiters ist es möglich, ein unerwünschtes Spritzen von Substanz durch eine geeignete Temperaturführung zu vermeiden, insbesondere dadurch, dass die Verdampferplatten 5 im Sinne einer von oben nach unten geringer werdenden Temperatur beheizt werden. Im einfachsten Fall gelingt dies dadurch, dass das Heizfluidum im Sinne der in Fig. 7 gezeigten Pfeile über die Anschlüsse 7 bei den Verdampferplatten 5 von oben nach unten geführt wird. Das Kühlfluidum kann dem gegenüber, gleichfalls im Sinne der in Fig. 7 gezeigten Pfeile von unten nach oben geführt werden.
In den Auffangrinnen 9 wird eine Fraktion der Substanz, insbesondere das Konzentrat aufgefangen und über die Austragrinne 11 und den Auslassstutzen 14 ausgetragen. Die Austragrinnen 11 können, falls es beispielsweise die Produktviskosität erfordert, beheizbar ausgeführt sein. Zu diesem Zweck sind diese entweder doppelwandig ausgebildet, oder es sind an die Rinnen entsprechende Heizrohre (nicht gezeigt) aufgeschweisst, die von einem Heizfluidum durchströmbar sind. Selbstverständlich ist auch eine elektrische Beheizung sämtlicher zu beheizenden Elemente denkbar, was auch für die Verdampferplatten gilt. Allerdings ist in der Praxis, jedenfalls für die Verdampferplatten, eine Beheizung mit einem Heizfluidum in Hinblick auf die breitflächige Erwärmung vorzuziehen.
Eine zweite Fraktion, vorzugsweise das Destillat, rinnt von den Kondensationsplatten 6 auf den Boden 4 des Gehäuses 1 und wird über den Abflussstutzen 13 ausgetragen. Ebenso wie die Auffangrinnen 9 und die Austragrinne 11 könnte auch der Bodenteil 4 beheizbar ausgeführt werden, wiederum entweder durch eine doppelwandige Ausführung oder durch Heizrohre oder andere Heizelemente.
Andererseits ist es möglich, zur Verbesserung der Effizienz zumindest Abschnitte der Seitenwand 2 des Gehäuses 1 zu kühlen, um eine zusätzlich Kondensationsfläche zu schaffen. In einem solchen Fall können insbesondere die benachbart zu der zylindrischen Seitenwand 2 liegenden Verdampferplatten 5 eine entsprechende koaxiale zylindrische Krümmung aufweisen.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung ist in den Fig. 3 bis 5 eine andere, einfache Variante der Erfindung mit lediglich drei Platten dargestellt. Es soll betont werden, dass auch diese Ausführung zur Vereinfachung mit lediglich drei Platten dargestellt ist, die in dieser Form als Pilotapparatur verwendet werden könnte, dass in der Praxis jedoch erheblich mehr Platten vorgesehen sind. Soweit nicht anders angegeben, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie bei der vorangehend beschriebenen prinzipiellen Ausführung. Es ist eine einzige, mittige Verdampferplatte 5 vorgesehen, der beidseitig zwei Kon *
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densationsplatten 6 zugeordnet sind. Die Zuführung des Heizmediums erfolgt über zwei Heizstutzen 19o und 19u, wogegen für Zufluss und/ oder Abfluss des Kühlfluidums Kühlstutzen vorgesehen sind, von welchen in Fig. 5 lediglich zwei untere Kühlstutzen 20u ersichtlich sind.
Wie bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 kann das Destillat über einen Abflussstutzen 13 und der von der Austragrinne 11 aufgenomme, an der Verdampferplatte 5 herabgeronnene Rückstand an einem Auslassstutzen 14 entnommen werden. Am Dachteil 3 ist noch ein Schauglasstutzen 21 vorgesehen, um die Vorgänge bei der Verteilung der Substanz im oberen Bereich gegebenenfalls verfolgen bzw. um allfällige Verunreinigungen rechtzeitig feststellen zu können. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Absaug- bzw. Vakuumstutzen 15o, 15u vorgesehen, nämlich einer im oberen und einer im unteren Bereich. Alternativ könnte ein Vakuumanschluss auch mittig am Zylinder angeordnet sein.
Für eine möglichst schonende thermische Stofftrennung sollte die Temperatur niedrig gehalten und die Verweilzeit beachtet werden. Tatsächlich führt für viele Substanzen eine um 10 [deg.] C höhere Verdampfungstemperatur auf dieselbe Zersetzungsrate wie eine Verdoppelung der Verweilzeit. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Bedeckung der Platten, was bei Stoffgemischen mit schlechten Benetzungsverhalten besonders zu beachten ist, kann daher nicht immer die Massnahme der Rezirkulation angewendet werden, da deren Nachteile eine langgestreckte Produktverweilzeitverteilung ist. Vielmehr wird in diesem Fall das Stoffgemisch mehrmals über die Verdampferapparatur gepumpt und durchläuft dabei unterschiedliche Abschnitte.
Das zulaufende Stoffgemisch (Substanz) wird nur auf einige Verdampferplatten, rrunin al eine, aufgegeben und das Konzentrat wird unter diesen Platten gesammelt und mit Hilfe einer Pumpe auf andere Verdampferplatten geleitet, wobei dieser Vorgang mehrmals wiederholt werden kann. Bei entsprechender Unterteilung der Destillatauffangwanne können auch verschiedene Destillatfraktionen gewonnen werden.
Eine entsprechende Variante der Erfindung ist lediglich schematisch in dem Diagramm der Fig. 8 gezeigt, wonach innerhalb eines einzigen Gehäuses 1 eine Vielzahl von Verdampferund Kondensationsplatten angeordnet ist. Über eine Leitung, die mit dem Pfeil A bezeichnet ist, wird die Substanz, das Stoffgemisch zugeführt und gelangt zunächst entsprechend verteilt von oben zu fünf Verdampferplatten, wird an deren unteren Ende wieder aufgefangen und erneut, weiteren, jedoch anderen Verdampferplatten zugeführt, dort wieder am unteren Ende aufgenommen und letztlich einer einzigen Verdampferplatte von oben zugeführt und als Konzentrat an einer mit dem Pfeil K bezeichneten Leitung entnommen. Die Rückführleitungen sind mit 22 bezeichnet, wobei es dem Fachmann klar ist, dass in der Praxis hier nicht gezeigte Ventile und Pumpen verwendet werden.
Eine nicht dargestellte Destillatauffangwanne ist so unterteilt, dass drei Fraktionen von Destillat bezeichnet mit Dl, D2 und D3 an entsprechenden Leitungen herausgeführt werden können.
Wien, den 23. September 2008
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
Gehäuse
Seitenwand
Dachteil
Bodenteil
Verdampferplatten
6 Kondensationsplatten
7 Anschlüsse
8 Verteilerwanne
9 Auffangrinne
10 Vorverteiler
11 Austragrinne
12 Einlassstutzen
13 Abflussstutzen
14 Auslassstutzen
15 Vakuumstutzen
15o, u i Vakuumstutzen
16 Vakuumpumpe
17 Öffnungen
18 Tröpfchenabscheider
19o, u t Heizstutzen
20 u Kühlstutzen
21 Schauglasstutzen
22 Leitungen
A Pfeil
K PfeÜ
Dl Destillatfraktion
D2 Destillatfraktion
<EMI ID=11.1>
D3 Destillatfraktion
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PLATE CASE [Pi] LM SHORTWAY EVAPORATOR
The invention relates to a plate-falling film evaporator for falling-stream evaporation of a liquid substance, with at least one, in a housing substantially vertically arranged, heatable evaporator plate, with a disposed above the at least one evaporator plate distribution tray from which the substance contained therein the evaporator plate to form a falling on the outer surface of the evaporator plate film is zufuhrbar, with a lower plate edge associated with the collecting means for the concentrate, with at least one connection for a pumping means for evacuating the housing interior, as well as with a condensation device for subsequent condensation of the resulting vapor.
Evaporators of this type are known and have been produced and supplied for years by the applicant.
The material separation by evaporation with subsequent condensation of the vapors is one of the thermal separation processes. It is used to separate liquid mixtures into lighter and heavier fractions. For example, water can be separated from organic substances. On an industrial scale so-called falling film evaporators are often used. These are vertical shell-and-tube heat exchangers in which the substance mixture is introduced at the top, uniformly distributed by means of a suitable device and flows down on the inside of the tubes as a film. Heating is provided on the shell side with heating steam or heat transfer medium. By supplying the heat evaporate the low-boiling components (in the example of water), leaving behind a concentrate. The generated vapors flow down with the liquid in cocurrent in the tubes.
In a separator possibly entrained liquid droplets are separated. Subsequently, the vapors z. B. are deposited in a condenser against cooling water.
Turbulence in the film and thus a good heat transfer is ensured by adequate wetting of the tubes. Therefore, it is partially recirculated, i. H. a part of the concentrate is mixed to the task; or the apparatus is driven through several times, d. H. The evaporator is subdivided into sections that flow through the substance mixture in succession.
A low cost variant of the falling film evaporator is the plate falling film evaporator. In such an evaporator, the liquid film is not formed on the inner surface of tubes, but on the surface of plates having an internal cavity. There are always two plates connected and welded together, so that in the abge
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closed area heating steam or other heat transfer fluid can circulate. On the outer surfaces, which may have the shape of a pad due to the Verschweisstechnik, the product film flows. An evaporator contains a multiplicity of plate pairs arranged in parallel. The task takes place via grooves, which are arranged at the upper edge of the plate pairs. The concentrate, which drips at the lower edge of the plates, is collected and discharged. The generated vapors leave the heat exchanger and z. B. deposited in a condenser.
Under the influence of heat, many mixtures or components tend to decompose or polymerize. It can also lead to deposits on the heating surfaces. This is avoided by the pressure in the evaporator is lowered, since thereby the boiling temperature also decreases. Aqueous, heat-sensitive solutions are therefore evaporated in a rough vacuum. This includes z. B. the evaporation of milk for the production of milk powder. The vacuum pressure can not be lowered arbitrarily. The reason is the pressure loss caused by the flow of vapors from the evaporator surface to the condenser. In the usual apparatus this is at least a few bar. This limits the achievable vacuum in conventional evaporators.
There are a variety of products that can be distilled exclusively in the pressure range below 1 mbar. These include the extraction of omega-3 fatty acids from fish oil, carotene from palm oil, various fractions of wax, the concentration of emulsifiers (monoglycerides), the monomer separation from polymer mixtures, to name just a few examples.
These substances are distilled in so-called short path evaporators or molecular distillation apparatus. Here, the condensation surface is in the immediate vicinity of the evaporator surface. The vapors flow virtually without pressure loss from the evaporator to the condenser. This allows operation at pressures far below 1 mbar.
On an industrial scale, so-called "wiped" apparatus have prevailed. These are thin-film evaporators in which the film is distributed and circulated by means of a mechanical system ("wiper") on the inside of an externally heated cylindrical surface. The generated vapors are condensed on the concentrically arranged inner condenser. The condenser consists of annular tubes. Inert and non-condensable gases are extracted via the center. The concentrate is collected and discharged in an annular possibly heated cup at the bottom of the cylindrical evaporator surface. The distillate discharge is located below the condenser. The gases are sucked off via a vacuum nozzle.
A disadvantage of these devices is the presence of mechanically moving parts, the wear, the required maintenance, the price and the limitation of the size. The largest evaporators today have an evaporator surface of about 50 m <2> for quantities of about 5 t / h. Efforts have therefore been made time and again to overcome these disadvantages.
In EP 1 429 856 B1, a falling-film evaporator with integrated condensation is disclosed which comprises a plurality of upright coexistence evaporator tubes having a heatable cavity as well as upright condensation tubes housed within the housing, each coaxial with the evaporator tubes within the same are. The condensation tubes are cooled from the inside by means of a coolant. The liquid substance is fed to the top of the evaporator tubes by means of a distributor trough and then runs down as a film on its inner surface; Distillate flowing down the outer shells of the condensation tubes is collected at the bottom.
Although this known downdraft evaporator can handle liquid substances at a higher vacuum, since there are no pressure drop-causing pipes to an external condensing device, but the entire structure by the plurality of coaxial pipe pairs with associated charging and collecting means is quite complex, which also for the leadership the heating and cooling fluid applies. The complicated structure complicates and increases the cost of manufacturing as well as later required maintenance, especially cleaning.
It is an object of the invention to provide a falling-stream steamer with integrated condensation, which can be used at very low pressure on an industrial scale, the production being simple and inexpensive.
This object is achieved with a plate fan film evaporator of the type mentioned, in which the condensation device is designed as at least one, within the housing substantially vertically and parallel to the at least one evaporator plate arranged condensation plate, which can be cooled by means of a cooling medium flowing through its inner cavity is and is associated with a collecting means for sinking down from the condensation plate distillate.
Thanks to the invention results in a simple structure, which on the one hand leads to lower flow losses compared to the previous evaporator / condenser apparatuses, and on the other hand allows a much simpler and more cost-effective production of the items and their assembly, so that liquid mixtures can be processed operating at low pressures, e.g. B. below 1 mbar, with industrial processing at high throughput and large evaporator surfaces is possible. Ultimately, many products can be produced more cheaply than was possible until now.
In an expedient development of the invention it is provided that within the housing alternately evaporator plates and condensation plates are arranged, resulting in a high efficiency in operation with reasonable overall dimensions.
The production of the evaporator is further reduced if, according to a variant, the at least one evaporator plate and the at least one condensation plate are of similar design.
In some cases, it may also be expedient for the at least one evaporator plate and / or the at least one condensation plate to be curved cylindrically about a substantially vertical axis, since this can take account of the generally cylindrical curvature of the housing.
A useful in many mixtures two- or multi-stage distillation can be cost and space saving at high throughputs, if within a common housing at least two combination stages of evaporator plates and condensation plates are arranged, and means are provided to that of the at least one condensation plate of a first stage supplied distilled and collected distillate a distribution tray for an evaporator plate to another stage.
With regard to the processing according to critical mixtures of substances, it is advantageous if the pumping means for evacuating the housing interior to an internal pressure of less than 1 mbar is formed.
In practice-proven variants, the distance between the surfaces of mutually associated plates can be between 5 and 150 mm. .. *. *
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In terms of a clean collection of the distillate, it is advantageous if the collecting means for descending from the at least one condensation plate distillate is the bottom part of the housing.
To take into account certain properties of the substances to be processed, in particular their temperature-dependent viscosity, it may be advisable to provide heating means for the gutter and / or the bottom part of the housing.
If one also wants to use the housing wall as a condensation surface to further increase the efficiency, then it is expedient for coolant to be provided for regions of the housing wall which are situated at least adjacent to evaporator plates.
To those liquid mixtures that are prone to spraying during evaporation, d. H. Mixtures with a high proportion of low boiler, to process well, is provided in a variant that are provided between evaporator plates and condensation plate Droplet.
For such cases, however, it may also be provided with particular advantage, in addition or as an alternative, that the evaporator plates can be heated in the sense of a temperature decreasing from top to bottom.
In terms of a very uniform heat distribution, especially in the horizontal direction, it is preferable if the evaporator plate can be heated by means of a heating fluid flowing through its inner cavity.
The invention together with further advantages is explained in more detail below by way of example embodiments, which are illustrated in the drawing. In this show
1 shows a falling-film evaporator according to the invention in a diagrammatic schematic representation,
2 shows an arrangement of four evaporator and three condensation plates,
3 shows a falling-film evaporator according to the invention in a schematic side view in the direction of the arrow III of FIG. 5,
3 shows a further side view in the direction of the arrow IV of FIG. 5, FIG. 5 shows a section through the falling-film evaporator along the line V-V of FIG. 3, FIG.
6a and 6b two possible variants of the Verteileröff openings in the region of the detail VI of Fig. L,
Fig. 7 shows, for example, the arrangement of a droplet between an evaporator plate and a condensation plate, and
Fig. 8 shows diagrammatically the arrangement of three evaporator / condensation stages within a single housing.
First, the basic structure of a plate falling-film evaporator according to the invention will be explained with reference to FIGS. 1 and 2. Within an at least vacuum-pressure-resistant housing 1 with a cylindrical side wall 2, a pompelled roof part 3 and a similar bottom part 4, two evaporator plates 5 and between them a condensation plate 6 are arranged. All three plates are vertical and parallel to each other. In fact, more than three plates will usually be arranged inside the housing, for example, as shown in FIG. 2, four evaporator plates 5 and three condensation plates 6. The roof part 3 and / or bottom part 4 may also be flanged to the cylindrical part, wherein the cylindrical part, the side wall 2, does not necessarily have to be circular cylindrical.
Both the evaporator plates 5 and the condensation plates 6 have an internal cavity and can be flowed through by a fluid for heating or cooling, during normal operation the evaporator plates 5 are heated and the condensation plates 6 are cooled. Therefore, each of the plates 5, 6 has at least two ports 7, which can serve as an inlet connection or as an outflow connection. The plates 5, 6 are preferably of similar construction and may, for example, be spot-welded together from one another at the edge and forming a slightly cushion-like structure over their surface at many points. As Heizfluidum are the skilled person depending on the required temperatures different fluids available, to name just two examples, such as hot steam or thermal oils.
The same applies to the Kühlfluidum, which may be, for example, water.
At each evaporator plate 5 is at its upper end a distributor trough 8 and at its lower end as a collecting means a collecting channel 9 is provided. Furthermore, in this example the distributor troughs 8 are assigned a pre-distributor 10 and the troughs 9 are assigned a discharge trough 11. An inlet nozzle 12 at the upper end of the roof part 3 serves to -_ .. *. *
Feeding a liquid substance, a discharge nozzle 13 for discharging the distillate, which is collected here by the bottom part 4 .. About one of the discharge chute 11 associated outlet 14, a concentrate can be removed and a lateral vacuum port 15 can with a suitable pumping means, such as. B. a two-stage vacuum pump 16 are connected in conjunction with a cold trap, not shown.
The distribution wells 8 have a plurality of discharge openings through which the substance flows onto the plates 5 to prevent droplets of the substance from reaching an adjacent condensation plate 6. A detail area with such openings 17 is shown in two variants in Fig. 6, wherein Fig. 6 shows that the lower edge of the distribution troughs 8 has a corrugated, here trapezoidal corrugated structure, or jagged, as shown in Fig. 6b shows, so In both cases, the mentioned openings 17 arise.
In order to avoid the naturally undesirable spraying of substance onto the condensation plates 6, a droplet separator 18 can be arranged between adjacent plates 5, 6, which is known to those skilled in the art and, for example, as shown in Fig. 7, can consist of slanted sheet metal slats.
The plate-type falling film evaporator according to the invention operates as follows: The liquid substance, generally a mixture of substances, as already mentioned above, is first fed via inlet port 12 to the pre-distributor 10 and from there to the distributor troughs 8 at the upper end of the evaporator plates 5, which are ready according to the desired operating conditions and may have a temperature usually up to 350 ° C and more. In certain cases with easily evaporating fractions but also temperatures below 100 ° C are possible. The liquid substance now flows down as a film over the outer surfaces of the evaporator plates 5, evaporates at least partially and precipitates as condensate on the cooled condensation plates 6.
The term "cooled" is to be understood depending on the substance to be condensed, d. H. it can be cooled, for example, at temperatures between 20 and 200 ° C. Evaporation is favored by the vacuum maintained by the pump 16, which in most cases is less than 5 mbar and may even be less than 0.001 mbar. Since the distance between the surfaces of the evaporator plates 5 and the condensation plates 6 is generally in the centimeter range and a relatively high vacuum is maintained, molecules of the desired concentrate reach the condensation plates without substantial collisions.
To return to the droplet separator 18, it should be noted that this is not necessarily the entire height of the often several meters long plates 5, 6 itself
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must extend, but also only parts, z. B. the one upper portion, can cover. Furthermore, it is possible to avoid unwanted spattering of substance by a suitable temperature control, in particular by the fact that the evaporator plates 5 are heated in the sense of a decreasing from top to bottom temperature. In the simplest case, this is achieved in that the Heizfluidum is guided in the sense of the arrows shown in Fig. 7 via the terminals 7 at the evaporator plates 5 from top to bottom. The cooling fluid can be guided from the bottom to the top, likewise in the direction of the arrows shown in FIG. 7.
In the gutters 9, a fraction of the substance, in particular the concentrate is collected and discharged via the discharge chute 11 and the outlet 14. The discharge chutes 11 can, if it requires, for example, the product viscosity, be made heatable. For this purpose, these are either double-walled, or there are welded to the gutters corresponding heating pipes (not shown), which are traversed by a Heizfluidum. Of course, an electrical heating of all elements to be heated is conceivable, which also applies to the evaporator plates. However, in practice, at least for the evaporator plates, a heating with a Heizfluidum in view of the wide-area heating is preferable.
A second fraction, preferably the distillate, flows from the condensation plates 6 to the bottom 4 of the housing 1 and is discharged via the outlet connection 13. Like the collecting gutters 9 and the discharge chute 11, the bottom part 4 could also be made heatable, again either by a double-walled design or by heating pipes or other heating elements.
On the other hand, it is possible to improve at least portions of the side wall 2 of the housing 1 to improve the efficiency, to provide an additional condensation surface. In such a case, in particular, the adjacent to the cylindrical side wall 2 evaporator plates 5 may have a corresponding coaxial cylindrical curvature.
To further illustrate the invention is shown in Figs. 3 to 5 another, simple variant of the invention with only three plates. It should be emphasized that also this embodiment is shown for simplicity with only three plates, which could be used in this form as a pilot apparatus, but in practice significantly more plates are provided. Unless otherwise indicated, like reference numerals designate like parts as in the basic embodiment described above. It is a single, central evaporator plate 5 is provided, the two sides two Kon *
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densationsplatten 6 are assigned. The supply of the heating medium via two heating connection 19o and 19u, whereas for inflow and / or outflow of the cooling fluid cooling nozzles are provided, of which in Fig. 5 only two lower cooling nozzle 20u are visible.
As in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, the distillate can be withdrawn via an outlet connection 13 and the residue collected from the discharge channel 11 and coagulated on the evaporator plate 5 at an outlet connection 14. On the roof part 3 is still a sight glass nozzle 21 is provided to track the processes in the distribution of the substance in the upper area, if necessary, or in order to determine possible contamination in time. In this embodiment, two suction or vacuum nozzle 15o, 15u are provided, namely one in the upper and one in the lower region. Alternatively, a vacuum connection could also be arranged centrally on the cylinder.
For a gentle thermal separation as possible, the temperature should be kept low and the residence time should be observed. In fact, for many substances, an evaporation temperature higher by 10 [deg.] C leads to the same decomposition rate as a doubling of the residence time. To ensure adequate coverage of the plates, which is particularly important in mixtures with poor wetting behavior, therefore, the measure of recirculation can not always be applied because their disadvantages is an elongated Produktweil time distribution. Rather, in this case, the substance mixture is pumped several times over the evaporator apparatus and passes through different sections.
The incoming substance mixture (substance) is only on some evaporator plates, rrunin al a given and the concentrate is collected under these plates and passed by means of a pump to other evaporator plates, this process can be repeated several times. With appropriate subdivision of the distillate drip tray and various distillate fractions can be obtained.
A corresponding variant of the invention is shown only schematically in the diagram of FIG. 8, according to which a multiplicity of evaporator and condensation plates are arranged within a single housing 1. Via a line which is indicated by the arrow A, the substance, the mixture is supplied and first passes according to distributed from above to five evaporator plates, is collected at the lower end and again, further, but other evaporator plates, there again on taken at the bottom and ultimately fed to a single evaporator plate from above and removed as a concentrate on a designated by the arrow K line. The return lines are designated 22, it being clear to the person skilled in the art that valves and pumps, not shown here in practice, are used.
A distillate drip tray, not shown, is subdivided so that three fractions of distillate designated with Dl, D2 and D3 can be led out on corresponding lines.
Vienna, September 23, 2008
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LIST OF REFERENCE SIGNS
casing
Side wall
roof part
the bottom part
evaporator plates
6 condensation plates
7 connections
8 distribution tray
9 gutter
10 pre-distributors
11 discharge chute
12 inlet nozzles
13 drain sockets
14 outlet nozzles
15 vacuum sockets
15o, u i vacuum sockets
16 vacuum pump
17 openings
18 droplet separators
19o, u t heating sockets
20 u cooling nozzle
21 sight outlet
22 lines
A arrow
K Pfeue
Dl distillate fraction
D2 distillate fraction
<EMI ID = 11.1>
D3 distillate fraction