DE1080971B

DE1080971B - Process and device for producing thin layers of organic liquids on thin-film evaporators

Info

Publication number: DE1080971B
Application number: DEB52668A
Authority: DE
Inventors: Dr Th Kraus
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1959-03-05
Filing date: 1959-03-28
Publication date: 1960-05-05
Also published as: CH366821A; NL126065C; BE588132A; NL248935A; GB872192A

Description

Dünnschichtverdampfer sind, wie allgemein bekannt ist, dadurch ausgezeichnet, daß die zu verdampfende Flüssigkeit in Form einer dünnen Schicht über eine beheizte Verdampfungsfläche fließt. Je geringer dabei die Dicke einer solchen Schicht ist, desto kürzer wird bei gegebener Dampfleistung die Verweilzeit der zu verdampfenden Flüssigkeit auf dem Verdampfer und desto geringer die Wirkung unerwünschter Zersetzungsvorgänge, welchen — bei der manchmal relativ hohen Verdampfungstemperatur — die Flüssigkeit ausgesetzt ist. Dünnschichtverdampfer werden daher überall dort bevorzugt angewendet, wo es auf eine möglichst schonende Behandlung ankommt, also insbesondere bei der Molekular- und Kurzwegdestillation, bei welcher durch die Anwendung des Vakuums weitere günstige Bedingungen für die Verdampfung und Destillation geschaffen werden.As is generally known, thin-film evaporators are distinguished by the fact that the Liquid flows in the form of a thin layer over a heated evaporation surface. The lower where the thickness of such a layer is, the shorter the dwell time will be for a given steam output liquid to be evaporated on the evaporator and the lower the effect of undesired decomposition processes, which - at the sometimes relatively high evaporation temperature - the liquid is exposed. Thin-film evaporators are therefore preferred wherever there is a need Treatment that is as gentle as possible is important, especially in the case of molecular and short-path distillation, in which by the application of the vacuum further favorable conditions for the evaporation and distillation be created.

In allen Fällen, in "welchen die Verwendung von Dünnschichtverdampfern erforderlich erscheint, ist man bestrebt, eine möglichst dünne Flüssigkeitsschicht zu erzielen. Zu diesem Zweck sind verschiedenartige Anordnungen und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, bei welchen die Ausbreitung bzw. Fortbewegung der Flüssigkeit als dünne Schicht auf der Verdampfungsfläche durch Einwirkung äußerer Kräfte zu erreichen versucht wird: z. B. durch Ausnutzung der Schwerkraft, indem man .die Flüssigkeit frei über den Verdampfer fließen läßt, oder durch Fliehkraft, indem man den Verdampfer schnell rotieren läßt, oder schließlich durch Schubkräfte, wobei man durch verschiedenartige, mechanisch betätigte Abstreifer, Bürsten, Walzen u. dgl. eine möglichst dünnschichtige Verteilung der Flüssigkeit auf dem Verdampfer zu erreichen sucht.In all cases in which the use of thin-film evaporators appears to be necessary the aim is to achieve the thinnest possible liquid layer. For this purpose are various Arrangements and devices have been proposed in which the propagation or locomotion the liquid as a thin layer on the evaporation surface due to the action of external forces trying to reach: z. B. by taking advantage of gravity by .the liquid freely over the Letting the evaporator flow, or by centrifugal force by rotating the evaporator quickly, or finally by shear forces, whereby different types of mechanically operated scrapers, brushes, Rollers and the like ensure that the liquid is distributed as thinly as possible on the evaporator seek to achieve.

Mit allen diesen Methoden ist es grundsätzlich nicht möglich, die Bildung beliebig dünner Schichten zu gewährleisten, da in den meisten Fällen Grenzflächenkräfte wirksam werden, die ein Zerreißen des Films zu kleinen Bächen, Rinnsalen oder einzelnen Tropfen verursachen, sobald eine gewisse geringe Schichtdicke erreicht wird. Gleichzeitig wird durch das Aufreißen" der Schicht die Dampfleistung und damit der Wirkungsgrad des Verdampfers verringert.With all of these methods it is fundamentally not possible to allow the formation of any desired thin layers ensure that, in most cases, interfacial forces are effective which cause the film to tear cause too small streams, rivulets or individual drops as soon as a certain thin layer thickness is achieved. At the same time, by tearing open the layer, the steam output and thus the degree of efficiency are increased of the evaporator is reduced.

Die kleinste, mit bekannten Verfahren erreichbare Dicke einer Flüssigkeitsschicht ist von der Benetzungsspannung abhängig, welche äußerlich durch den Randwinkel in Erscheinung tritt, also den Winkel, den die Grenzfläche Flüssigkeit—Dampf mit der Grenzfläche Flüssigkeit—Verdampf ungsfläche einschließt. Die Flüssigkeit breitet sich bei den bekannten Verfahren als zusammenhängende Schicht nur soweit aus, solange ihre Dicke größer bleibt als eine bestimmte minimale Schichtdicke d_v die dem Randwinkel ψ_χ der, vorrückenden Flüssigkeit entspricht, bzw. zieht sich zurück oder Verfahren und Vorrichtung
zur Erzielung dünner SchichtenThe smallest thickness of a liquid layer that can be achieved with known methods depends on the wetting tension, which appears externally through the contact angle, i.e. the angle which the liquid-vapor interface forms with the liquid-evaporation surface interface. In the known methods, the liquid only spreads as a coherent layer as long as its thickness remains greater than a certain minimum layer thickness d _v, which corresponds to the contact angle ψ _{χ of} the advancing liquid, or withdraws or method and device
to achieve thin layers

organischer Flüssigkeiten
auf Dünnschichtverdampfernorganic liquids
on thin film evaporators

Anmelder:Applicant:

ίο Balzers Vakuum G. m. b. H.,ίο Balzers vacuum G. m. b. H.,

Frankfurt/M.-Süd, Seehofstr.llFrankfurt / M.-Süd, Seehofstr. Ll

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 5. März 1959Claimed priority:
Switzerland from March 5, 1959

Ddt. Th. Kraus, Vaduz (Liechtenstein),
ist als Erfinder genannt wordenDdt. Th. Kraus, Vaduz (Liechtenstein),
has been named as the inventor

zerreißt, wenn die Schichtdicke auf einen Wert d₂ <C d_± abnimmt, der dem Randwinkel φ₂ der zurückgehenden Flüssigkeit entspricht. Die beiden Randwinkel cp_x und 9J₂ sind in der Regel verschieden groß, und zwar ist der Vorrückwinkel größer als der Rückzugswinkel, so daß sich beim Zurückziehen der Flüssigkeit dünnere Schichten erreichen lassen.tears when the layer thickness decreases to a value d ₂ <C d _± , which corresponds to the contact angle φ _{2 of} the receding liquid. The two contact angles cp _x and 9J ₂ are usually of different sizes, namely the advancing angle is greater than the receding angle, so that thinner layers can be achieved when the liquid is withdrawn.

Die Benetzungsspannung und damit auch die Beträge d_% und d₂ der minimalen Schichtdicken sind stoffabhängig. Man sah in der geeigneten Stoffwahl für die Verdampfungsfläche bei vorgegebenem Verdampfungsgut bisher die einzige Möglichkeit, die minimale Schichtdicke gering zu halten.The wetting tension and thus also the amounts d _% and d _{2 of} the minimum layer thicknesses depend on the material. The choice of a suitable material for the evaporation surface for a given evaporation material was previously seen as the only way to keep the minimum layer thickness low.

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches das vorliegende Problem durch ein einfaches, nicht kostspieliges Mittel löst und bei jeder gebräuchlichen Konstruktion von Dünnschichtverdampfern angewendet werden kann. Gemäß Verfahren der Erfindung wird zur Erzielung dünner Schichten organischer Flüssigkeiten auf Dünnschichtverdampfern die Verdampfungsfläche einer elektrischen Gasentladung ausgesetzt, und zwar vorzugsweise vor Benutzung in Kontakt mit der zu verdampfenden Flüssigkeit. Diese Gasentladung kann vor oder während der Hauptverdampfung im Dampf der zu verdampfenden Flüssigkeit durchgeführt werden. Sie wird am einfachsten als Unterdruckglimmentladung bewirkt, wobei die Verdampfungsfläche selbst als die eine Gasentladungselektrode dienen kann.A method is proposed which solves the present problem by a simple, inexpensive one Means solves and in every common construction can be used by thin film evaporators. According to the method of the invention the evaporation surface to achieve thin layers of organic liquids on thin-film evaporators exposed to an electrical gas discharge, preferably in contact with before use the liquid to be evaporated. This gas discharge can take place before or during the main evaporation in the Steam of the liquid to be evaporated can be carried out. The easiest way to do this is as a negative pressure glow discharge with the evaporation surface itself serving as the one gas discharge electrode can.

Wie erwähnt, kann jeder gebräuchliche Dünnschichtverdampfer für die Durchführung des erfindungsge-As mentioned, every common thin-film evaporator for the implementation of the

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mäßen Verfahrens eingerichtet werden. Solche für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Verdampfer werden im nachfolgenden an Hand von schematischen Figuren beispielsweise beschrieben, wobei zugleich das Verfahren erläutert wird.established procedures. Those which are suitable for carrying out the method according to the invention Evaporators are described below with reference to schematic figures, for example, at the same time the procedure is explained.

In allen Figuren bedeutet (soweit vorgesehen): A eine Zuführung für die zu verdampf enden Flüssigkeiten; G eine Leitung zur Abführung der Gase und der nichtkondensierenden Dämpfe, an welche Leitung im Falle der Unterdruckdestillation auch die Vakuumpumpe angeschlossen werden kann; D eine Leitung zur Abführung des Kondensates; R eine Leitung zur Abführung nichtverdampfter Rückstände; H eine Heizvorrichtung; K eine Kühlung für die Kondensationsfläche; W eine gasdicht durch die Rezipientenwand hindurchgeführte Welle zur Übertragung von Drehbewegungen; V Verdampfungsfläche allgemein; B ein endlos umlaufendes Band, das im Falle der Fig. 4 als Verdampfungsfläche dient; E eine isoliert durch die Rezipientenwand durchgeführte Elektrode für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In all figures (if provided): A denotes a feed for the liquids to be evaporated; G a line for discharging the gases and non-condensing vapors, to which line the vacuum pump can also be connected in the case of vacuum distillation; D a line for discharging the condensate; R a line for discharging non-evaporated residues; H a heater; K a cooling for the condensation surface; W a shaft passed through the recipient wall in a gas-tight manner for the transmission of rotary movements; V evaporation area in general; B an endlessly revolving belt which, in the case of FIG. 4, serves as an evaporation surface; E an electrode that is insulated through the recipient wall for carrying out the method according to the invention.

Abgesehen von Elektrode E sind die gezeigten Verdampfer von an sich bekannter Art und brauchen daher nur kurz erläutert zu werden. Bei allen gezeigten Anlagen soll das Verdampfungsgut zu einer dünnen Schicht auf der Verdampfungsfläche V ausgebreitet werden. Dazu dient in den Fig. 1 und 2 eine einfache Zuführungsleitung A, die das Gut in dünnem Strahl der Verdampfungsfläche aufgibt, während es in Fig. 3 durch einen Rotor R auf die Verdampfungsfläche geschleudert wird. In Fig. 5 ist dagegen vorgesehen, die Verdampfungsfläche selbst mittels einer Welle rotieren zu lassen, welche Drehbewegung infolge Fliehkraft die Ausbreitung des Gutes in dünner Schicht bewirkt. In Fig. 4 dient in an sich bekannter Weise eine Auftragrolle, die in einen Behälter mit Verdampfungsgut eintaucht dazu, das Gut auf ein endlos umlaufendes Band B in dünner Schicht aufzutragen. Auf ähnlicher Wirkung beruhen weitere Konstruktionen, die +0 hier nicht illustriert sind, bei welchen scheiben- oder trommelförmige Verdampfer um eine horizontale Achse rotieren und .in die zu verdampfende Flüssigkeit tauchen.Apart from electrode E , the evaporators shown are of a known type and therefore only need to be explained briefly. In all of the systems shown, the evaporation material should be spread out to form a thin layer on the evaporation surface V. A simple feed line A is used for this in FIGS. 1 and 2, which supplies the material to the evaporation surface in a thin jet, while in FIG. 3 it is thrown by a rotor R onto the evaporation surface. In Fig. 5, however, it is provided that the evaporation surface itself can be rotated by means of a shaft, which rotational movement causes the spread of the material in a thin layer as a result of centrifugal force. In FIG. 4, in a manner known per se, an application roller, which is immersed in a container with evaporation material, is used to apply the material to an endlessly revolving belt B in a thin layer. Other constructions, which are not illustrated here, are based on a similar effect, in which disk-shaped or drum-shaped evaporators rotate around a horizontal axis and are immersed in the liquid to be evaporated.

Bei allen Ausführungsformen ergibt sich, wie oben erwähnt, die Schwierigkeit, daß das Verdampfungsgut dazu neigt, kleine Bäche oder Tropfen auf der Verdampfungsfläche zu bilden, anstatt sich zu einer dünnen Schicht auszubreiten.In all embodiments, as mentioned above, the problem arises that the evaporation material tends to form small streams or droplets on the evaporation surface rather than becoming a thin one Spread layer.

Erfindungsgemäß ist nun in Verdampfungsanlagen, soweit sie für organische Substanzen verwendet werden sollen, als Zusatzeinrichtung die in allen Figuren gezeigte Elektrode £ vorgesehen, die, elektrisch isoliert, durch die Rezipientenwand in den Verdampfungsraum geführt ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß man für organische Substanzen sofort eine gute Benetzbarkeit der Verdampfungsfläche erzielt, wenn man für kurze Zeit — es genügen Sekunden — zwischen der Elektrode und sonstigen in der Apparatur vorhandenen Metallteilen, wie oben beschrieben, eine schwache elektrische Gasentladung brennen läßt. Es ist möglich, die Verdampfungsfläche selbst als eine Elektrode auszubilden. Es genügt aber auch, wenn die Verdampfungsfläche lediglich im Entladungsraum irgendwo in der Nähe der Entladungsstrecke angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, daß, wenn immer eine elektrische Entladung im Bereich der Verdampfungsfläche stattfindet, diese genügt, gute Benetzbarkeit für organische Substanzen für die Dauer der ganzen nachfolgenden ununterbrochenen Verdampfung zu erzielen.According to the invention is now in evaporation systems, as far as they are used for organic substances should be provided as an additional device the electrode £ shown in all figures, which, electrically insulated, is passed through the recipient wall into the evaporation chamber. It turned out surprisingly showed that organic substances immediately have good wettability of the evaporation surface achieved if one briefly - seconds are sufficient - between the electrode and the other in the Metal parts present in the apparatus, as described above, produce a weak electrical gas discharge lets burn. It is possible to form the evaporation surface itself as an electrode. But it is enough even if the evaporation surface is only arranged in the discharge space somewhere in the vicinity of the discharge path. It has been shown that if an electrical discharge always takes place in the area of the evaporation surface, this is sufficient, good wettability for organic substances for the duration of the entire subsequent uninterrupted evaporation to achieve.

Eine einmalige kurzzeitige Beglimmung genügt nämlich so lange, als die durch diese Beglimmung zustandegebrachte dünne, die Verdampfungsfläche überziehende Schicht nicht durch zu langen Unterbruch der Verdampfung, Überhitzen der_L Verdampfungsfläche oder durch öffnen der' Apparatur, Reinigen oder dergleichen Eingriff zerstört wird.A single short-term Beglimmung sufficient namely as long as not the _L evaporation surface or by opening the 'apparatus, cleaning or the like procedure is destroyed as the state brought about by this Beglimmung thin, the evaporation surface be coated layer by too long interrupt of the evaporation overheating.

Claims

Patent claims:

1. Process for producing thin layers of organic liquids on thin-film evaporators, characterized in that the evaporation surfaces of an electrical gas discharge get abandoned.

2. The method according to claim 1, characterized in that the evaporation surface only with the brought into contact with liquid to be evaporated and then an electrical gas discharge is exposed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the gas discharge in the vapor to evaporating liquid is carried out.

4. The method according to claim 1, characterized in that the gas discharge is a glow discharge carried out at negative pressure wind.

5. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized in that an isolated through the evaporator wall led electrode (E) is arranged in the evaporator and that the evaporation surface (V) itself is designed as a gas discharge electrode.

6. Apparatus according to claim S, characterized in that the high-voltage electrode (E) of the evaporation surface (V) is arranged opposite.

1 sheet of drawings