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Verfahren und Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten Unter
Flüssigkeiten sei nachstehend eine echte Lösung, ein kolloidales System, eine Suspension,
ein Gemisch vorgenannter Systeme oder ein Schmelzgut verstanden.
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Es ist bekannt, durch Eindampfen von flüssigem Gut Lösungsmittelkomponenten
mit niedrigem Siedepunkt aus demselben zu entfernen, so daß nach Abzug der als Brüden
bezeichneten abgedampften Komponenten ein Rückstand höherer Konzentration mit einem
größeren Anteil an Trockensubstanz oder mit einem größeren Anteil an Lösungsmitteln
mit höherem Siedepunkt zurückbleibt.
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Das Verfahren des Eindampfens wird vornehmlich im Vakuum, weniger
unter atmosphärischem Druck und selten unter leichtem Überdruck durchgeführt.
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Die Durchführung des Eindampfprozesses im Vakuum ergibt den Vorteil,
daß das flüssige Gut infolge der durch das Vakuum bedingten Herabsetzung des Siedepunktes
einer erheblich niedrigeren Temperatur als beim Eindampfen unter atmosphärischem
Druck ausgesetzt werden muß, wodurch sich der Eindampfprozeß in bezug auf den thermischen
Energieaufwand zudem wirtschaftlicher gestaltet.
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Um das flüssige Gut während des Eindampfprozesses nicht unnötigen
thermischen Beanspruchungen auszusetzen, muß seine Verweilzeit im Bereich der die
Siedetemperatur hervorrufenden Mittel auf die zur Entfernung der abzudampfenden
Komponente notwendige Zeit beschränkt bleiben. Aus dem gleichen Grunde soll das
einzudampfende Gut die Eindampfen vorrichtung in streng gesteuertem Durchfluß durch-Laufen,
ohne daß ein innerer Kreislauf oder ein Gegenstromeffekt auftritt. Damit wird vermieden,
daß ein bestimmter prozentualer Anteil des einzudampfeuden Gutes mehrfach erhitzt
wird und eine längere Verweilzeit im Verdampfer als der Rest des Gutes aufweist.
Die aus der abgedampften Komponente gebildeten Brüden sollen auf kürzestem Wege
abgeführt werden, da sonst ein statischer Gegendruck zum Dampfdruck der siedenden
Komponente des einzudampfenden Gutes entsteht. Das eindampfende Gut bat sich in
Form einer dünnen Schicht auf der die Siedetemperatur aufweisenden Heizfläche zu
befinden, um insbesondere bei höherer Konzentration des Gutes einen Siedeverzug
zu vermeiden.
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Bekannte Einrichtungen suchen vorgenannte Bedingungen dadurch zu
erfüllen, daß das flüssige Gut über die Oberfläche eines beheizten, in Drehung befindlichen
Rotationskörpers geführt wird, wodurch sich ein stetig bewegender Flüssigkeitsfilm
bildet.
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Systematische Versuche haben ergeben, daß diese Maßnahme nicht genügt,
um vorgenannte Bedingungen optimal zu erfüllen. Bei den bekannten Einrichtungen
bewegt sich das flüssige Gut in Form einer
überwiegenden laminaren Strömung über
die Heizfläche, wodurch der in bezug auf die Strömung untenliegende, als Grenzfläche
auf der Wärmeaustauscherfläche aufliegende Anteil des Gutes in dauerndem Kontakt
mit der beheizten Fläche steht, während der übrige, insbesondere der überstehende
Anteil des Gutes mit der beheizten Fläche nie in Berührung kommt. Dadurch tritt
ein Temperatursprung quer durch die Strömung auf, was eine Überhitzung eines gewissen
Anteils des Gutes zur Folge hat, während ein weiterer Anteil ungenügend erwärmt
bleibt.
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Diesen Übelständen soll durch die vorliegende Erwindung abgeholfen
werden. Dieselbe bezieht sich auf ein Verfahren zum Eindampfen von flüssigem Gut
und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Gemäß dem Verfahren wird das einzudampfende flüssige Gut zentrisch
auf einen unter Wärmeeinwirkung stehenden, in Drehung befindlichen konischen Rotationskörper
mit Heizfläche aufgebracht und durch Zentrifugalkraft als Dünnschicht über die Heizfläche
zur Umrandung geführt, und zwar liegt das Neue darin, daß das Gut derart über die
rotierende Heizfläche geführt wird, daß durch geeignete Mittel das in radialer Richtung
sich bewegende Gut eine zusätzliche Richtungskomponente erfährt.
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Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zeichnet sich dadurch
aus, daß ein Profilstab mit kreis-, tropfen- bzw. keilförmigem Querschnitt über
der Heizfläche in einem Abstand, der kleiner ist als die Flüssigkeitsschicht auf
der Rotationsfiäche, radial zu derselben angeordnet ist.
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Zur Steuerung der dem flüssigen Gut zu erteilenden Richtungskomponente
wird der Profilstab 35 vorteilhaft mit einem Einstellorgan derart verbunden, -daß
sein Abstand zur Heizfläche veränderbar ist. Den
gleichen Effekt
kann man bei Verwendung von Profilen mit nicht kreisförmigem Querschnitt dadurch
erreichen, daß der Profilstab mit einem Einstellorgan derart verbunden ist, daß
sein Anstellwinkel in bezug auf das ausströmende flüssige Gut veränderbar ist.
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Auch kann eine Kombination beider vorgenannter Anordnungen zweckmäßig
sein.
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Da sich der den konischen Heizmantel aufweisende Rotationskörper
in Drehung befindet, kann es oft nicht notwendig sein, daß der Profilstab eine Drehbewegung
ausführt, sofern sein Relativabstand zur-Heizfläche zur Erreichung der gewünschten
zusätzlichen Richtungskomponente ausreicht bzw. dieselbe nicht überschritten wird.
Läßt sich die erforderliche zusätzliche Richtungskomponente mit feststehendem Profilstab
nicht erreichen, so kann derselbe mit einem drehbaren System in Verbindung gebracht
werden, so daß er eine Drehbewegung ausführt. Die Drehbewegung kann zweckentsprechend
entweder in Richtung derjenigen des Rotationskörpers oder in Gegenrichtung verlaufen.
-Durch die Angabe, daß mindestens ein Profilstab vorhanden ist, sei zum Ausdruck
gebracht, daß die Anzahl der Profilstäbe zweckmäßigerweise dem Anwenduugsbereich
der Eindampfvorrichtung anzupassen ist.
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Gemäß einem - weitereri Merkmal der Erfindung kann zur weiteren Kontaktvergrößerung
zwischen flüssigem Gut und Heizfläche und zur mehrfachen Ausnutzung des Heizmittels
eine zur Hochtemperatur-Nachbehandlung beheizte Fläche vorhanden sein, über die
das flüssige Gut nach dem Verlassen der konischen Heizfläche unter Eigengefälle
als Fallfilm fließt. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß sich die Vorrichtung
zum Eindampfen sowohl von nieder- wie auch hochviskosem Gut eignet.
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Die Zeichnungen stellen- Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dar, auf welche derselbe jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt
durch eine Eindampfvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 einen
Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 eine Einzelheit im Schnitt nach Linie
III-III der Fig. 2, Fig. 4 eine Detailvariante der - Gutaustragvorrichtung, Fig.
5, 6 und 7 je eine Ausführungsform der Profilstäbe im Querschnitt, Fig. 8 in größerem
Maßstabe den Verlauf des flüssigen Gutes und des Heizmittels bei einer Ausführungsform
im wesentlichen gemäß Fig. 1, Fig. 9 einen Querschnitt durch eine Eindampfvorrichtung
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Eindampfvorrichtung
gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
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Die Eindampfvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
weist ein auf Füßen 1 gelagertes Gefäß 2 mit einem mittels Verschlußelemente3 befestigten
Deckel 4 auf. Im Deckel 4 des Gefäßes 2 befinden sich ein Schauglas 5, eine Beleuchtungsquelle
6 und ein Sicherheitshahn 7. Ein Ablaßhahn 8 ist am Boden des Gefäßes 2 angeordnet.
Das Gefäß 2 ist von einem Brüdenabzugsrohr 9, das durch die Offnungen 10 mit dem
Hohlraum des Gefäßes 2 verbunden ist, umgeben. Die Zufuhr des. flüssigen Gutes erfolgt
durch das zentrisch angeordnete Rohr 11, das an der Austrittsstelle mit einer Düse
12 versehen ist. Das an der Stelle 13 mit einem Gewinde versehene Rohr 11 ist mittels
des mit einem Innengewinde versehenen Handrades 14 in axialer -Richtung verschiebbar.
Der
Rotationskörper 15 weist den konischen Heizmantel 16 und eine unterhalb des Rohres
11 befindliche Einbuchtung 17 auf, in welcher Einbuchtung 17 sich das zugeführte
Gut vorerst in Form eines Egalisier- und Entspannungsrumpfes ansammelt. Außerdem
besitzt der Rotationskörper 15 einen das Heizmittel aufnehmenden Hohlraum 18, der
unterhalb von einer Tragfläche 19 begrenzt ist. Der Rotationskörper 15 ist mit der
Welle 20 kraftschlüssig verbunden. Die Welle 20 wird durch den vorteilhafterweise
stufenlos regulierbaren Motor 21 über ein Getriebe 22 in Drehung versetzt. Das Heizmittel,
in diesem Falle Wasserdampf, wird durch das zentrisch angebrachte Rohr 23 und des
weiteren durch die Bohrung 24 der Welle 20 in den Hohlraum 18 geführt, wodurch die
Beheizung der konischen Heizfläche 16 erfolgt. Zur Abführung des durch die Zentrifugalkraft
an den Rand des Rotationskörpers 15 geführten Wasserdampfkondensates durch die Rohre
25 bzw. 26 und 27 bzw. 28, eine weitere, nicht sichtbare Bohrung der Welle 20 und
durch das Ablaufrohr 26 dienen die mittels der Gestänge29 bzw. 30 und der Auflaufkurve
31 betätigten Lenzpumpen 32 bzw. 33. Durch die Drehung des Rotationskörpers 15 wird
das flüssige Gut aus der Einbuchtung 17 über die Schleuderebene 16 zum Rand 34 derselben
geführt. Durch die Profilstäbe 35, von denen zwei in Fig. 1 sichtbar sind, wird
dem flüssigen Gut eine zusätzliche Richtungskomponente erteilt. Die Profilstäbe
35 sind an einem am Rohr 11 befestigten, aus dem Stützrohr 36, den Stützblechen
37 und den Tragstäben 38 bestehenden Tragorgan 39 befestigt. Durch die Verbindung
des Tragorgans 39 mit dem Rohr 11 ergibt sich infolge der Verstellmöglichkeit des
letzteren mittels des Handrades 14 die Möglichkeit, den Abstand der Profilstäbe
35 in bezug auf den konischen Heizmantel 16 innerhalb gewisser Grenzen zu verändern,
wobei derselbe in jedem Fall kleiner sein soll als die Flüssigkeitsschicht auf der
Rotationsfläche.
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In Fig. 2 ist erkennbar, daß an einer Stelle des Randes 34 der konische
Heizmantel 16 die Austragvorrichtung 40 zum Austragen des eingedampften Gutes bei
hoher Viskosität angeordnet ist. Zur Verstellung der Austragvorrichtung 40 dient
das Handrad 41. Die Einzelheiten der Austragvorrichtung 40 sind in Fig. 3 dargestellt.
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Gemäß Fig. 3 besteht die Austragvorrichtung 40 aus einem Austragschabemesser
42, einer Halterung 43 mit einer kraftschlüssig verbundenen Gewindemutter 44 und
einer das .Handrad 41 aufweisenden, teilweise mit - einem Gewinde - versehenen Welle
45.
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Das ausgetragene Gut fließt in den Trichter46 des Abflußrohres 47.
Diese Austragvorrichtung eignet sich bei Eindampfprozessen bis zu hochviskoser Konsistenz,
bei dem das eingedampfte Gut durch Fliehkräfte nicht weggeschleudert wird und an
einer Stelle der Peripherie des Rotationskörpers ausgetra--gen werden kann, Sofern
der Eindampfprozeß nur partiell oder nur zu niederviskoser Konsistenz durchgeführt
wird, besitzt die Eindampfvorrichtung gemäß Fig. 4 eine die Peripherie der konischen
Heizfläche 16 umfassende bekannte Auffangrinne 48. Das durch Fliehkräfte in die
Auffangrinne 48 geschleuderte Gut fließt unter Eigengefälle durch die Rohre 49 und
50 und wird mittels der Förderpumpe 51 abgezogen.
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In den Fig. 5, 6 und 7 sind ein Profilstab 52 mit kreisförmigem Querschnitt,
ein Profilstab 53 mit tropfenförmigem Querschnitt und ein Profilstab 54 mit keilförmigem
Querschnitt dargestellt. Dabei sind
in diesen Figuren die Hauptströmungen
mit Pfeilen 55 und 56 und die Turbulenzströmung mit Kringeln 57 angedeutet.
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In Fig. 8 sind das das flüssige Gut 58 zum Rotationskörper 15 führende
Rohr 11 und der konische 11 eizmantel 16 erkennbar. Ferner ist ein das flüssige
Gut 58 in turbulente Bewegung versetzender Profilstab 35 am Stützblech 37 und am
Tragstab 38 befestigt. Die Zufuhr des Heizmittels erfolgt durch die Leitung 59 zum
Heizmantel 60. An der äußersten Stelle des Heizmantels 60 wird das Heizmittel durch
die Leitung 61 und mittels der Lenzpumpe 62 durch die Leitung 63 und den Rohrmantel
64 weggeführt.
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Die Betätigung der Lenzpumpe 62 erfolgt durch das mittels einer Rolle
65 auf der Auflaufkurve 66 laufende, von einer Dichtungsmanschette 67 umgebene Gestänge
68. Die Auflaufkurve 66 befindet sich auf einer Tragvorrichtung 69.
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Die Eindampfvorrichtung gemäß Fig. 9 besitzt einen zylindrischen
Stützkörper 70, an dem das eine honische Form aufweisende Gefäß 71 und der Deckel
72 gehaltert sind. Am Deckel 72 ist das mit einer nicht dargestellten Pumpvorrichtung
verbundene Abzugsrohr 73 zum Abzug der Brüden und zur Verminderung des Druckes angebracht.
Des weiteren befindet sich im Deckel 72 das Rohr 74 zur Zufuhr des flüssigen Gutes.
Der Beobachtung des Eindampfprozesses durch ein nicht dargestelltes Schauglas dient
die Beleuchtungsvorrichtung 75. Unterhalb des Gefäßes 71 befindet sich ein Entnahmegefäß
76, in welchem das eingedampfte Gut zur Entnahme aus der Eindampfrorrichtung eingelassen
werden kann. An der durch den Motor 77 über die Keilscheibe78 und 79 und einen nicht
dargestellten Keilriemen angetriebenen Welle 80 ist der konische Rotationskörper
81 mit dem Heizmantel 82 angebracht. In geringem Abstand über dem Heizmantel 82
befindet sich der Profilstab 83 in Form eines Drahtes, der mit der Lasche 84 fest
und mit der Lasche 85 mittels der über den Schlitz 86 schiebbaren Kugel 87 verbunden
ist. Die Zufuhr des Heizmittels erfolgt durch das Rohr 88 und die Bohrung 89 der
Welle 80 zum Hohlraum 90 des Rotationskörpers 81. An der Peripherie des Rotationskörpers
81 verläßt das Heizmittel den Hohlraum 90 durch die Rohre 91 und 92 und fließt durch
eine weitere Bohrung 93 der Welle 80 und durch das Rohr 94 in den Hohlraum 95 des
Gefäßes 71. Das abgekühlte, im Falle der Verwendung von Wasserdampf kondensierte
Heizmittel verläßt den Hohlraum 95 durch den Rohrstutzen 96. Bei Außerbetriebnahme
der Anlage wird dieselbe durch Öffnen des Entlüftungshahnes 97 entlüftet. Zur teilweisen
Evakuierung der Anlage ist am Deckel 72 ein zur nicht dargestellten Vakuumpumpe
führendes Rohr 98 angebracht. Zur chargenweisen Entnahme des eingedampften Gutes
ist mit dem Deckel 72 das eine Ende des Verbindungsrohres 98 verbunden, das mit
dem Absperrventil 99 versehen ist und dessen anderes Ende zum Entnahme gefäß 76
führt.
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Zwecks Entleerung des Entnahmegefäßes 76 wird zuerst das Absperrventil
99 geschlossen und das Entnahmegefäß 76 bei geschlossenem Ventil 102 durch Öffnen
von Ventil 103 belüftet, worauf das Entnahmegefäß 76 weggenommen und entleert oder
gegen ein anderes ausgewechselt werden kann. Durch nachheriges Schließen von Ventil
103 und Öffnen des Absperrventils 99 wird der Gleichdruck mit dem Entnahmegefäß
76 wiederhergestellt.
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Diese Eindampfvorrichtung eignet sich zur Eindampfung bis zu jener
Viskosität, bei der das flüssige
Gut durch Fliehkräfte von der Peripherie der konischen
I-Ieizfläche 82 als Fallfilm abfließt.
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Die Eindampfvorrichtung gemäß Fig. 10 ist mit Ausnahme des nicht
vorhandenen Ausschleusventils zur Entnahme des flüssigen Gutes und der neu hinzukommenden,
nachfolgend beschriebenen Teile analog der Ausführungsform gemäß - Fig. 9 aufgebaut.
Zur zwangläufigen Förderung des in Form eines Rieselfilmes über die hohlkegelförmige
Innenfläche 104 des Gefäßes 71 fließenden eingedampften Gutes ist eine mit ihrer
Umrandung 105 bis nahe an die Innenfläche 104 reichende, konisch verlaufende Förderschnecke
106 vorhanden. Die Rieselfläche 104 kann unter dem Einfluß eines Heiz- oder Kühlmediums
stehen. Der Antrieb der Förderschnecke 106 erfolgt über die mit dem Rotationskörper
81 gekuppelte Welle 107.
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Die Eindampfvorrichtungen gemäß den zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispielen
können mit einer Brüdenabzugsvorrichtung wie beim erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel
versehen sein.
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Falls die Förderschnecke eine geringere Drehzahl als der Rotationskörper
ausführen soll, wird die erstere zweckmäßigerweise über ein Untersetzungsgetriebe
angetrieben. Auch diese Ausführungsform kann zur quantenweisen Entnahme des eingedampften
Gutes ein Ausschleuseventil enthalten.
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Die Beheizung des konischen Heizmantels bzw. der Rieselfläche kann
entweder mit Frischdampf, verdichtetem Brüdendampf oder einem flüssigen Heizmedium
erfolgen.
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Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 9 und 10 können an Stelle des
Ausschleusventils eine Ausschleuspumpe zur chargenweise der kontinuierlichen Entnahme
des eingedampften Gutes enthalten.
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Auf Grund der bisherigen Erläuterungen sind weitere Ausführungsformen
denkbar. So kann, sofern die Profilstäbe eine Drehung ausführen sollen, eine Tragvorrichtung,
die mittels eines Planetengetriebes, das mit einem rotierenden Anlageteil verbunden
ist, oder mittels einer weiteren Antriebsvorrichtung in Drehung versetzt wird, zur
Anwendung kommen.