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ROTOR-DÜNNSCHICHTVERDAMPFER
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauschapparate,
genauer auf Potor-Dünnschichtverdampfer.
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Die Erfindung kann in der chemischen, erdölcbemi -schen, Nahrungsmittelindustrie
zur Durchführung von Destillations-, Verdampfungs- und Eindickungsprozessen von
thermisch unstabilen Stoffen unter Vakuum weite Anwendung finden sowie als Verdampfer
(Destillationsblase) einer Säule bei der Vakuumrektifikation und zur Durchführung
von schnell ablaufenden exothermen chemischen Fltissigphasenreaktionen verwendet
werden.
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Die Schaffung von Rotor-Dünnschichtverdampfen ist darauf zurückzuführen,
daß in diesen Apparaten "milde" Bedingungen zur Durchführung von Destillations-,
Verdampfungs- und Eindickungsprozessen gewährleistet sind, die ermöglichen, die
Zersetzung und Polymerisation von zu behandelnden Produkten, insbesondere von thermisch
unstabilen, zu vermeiden. In diesen Apparaten laufen die Prozesse in einer Dünnschicht
ab, wobei eine gute Vermischung der Flüssigkeit gewährleistet wird und der hydrostatische
Druck der Flüssigkeitssäule praktisch fehlt, was die Behandlung.der-Produkte unter
Vakuum, d.h. eine Temperaturerniedrigung im Apparat, ermöglicht. Zugleich ist die
Verweilzeit der Produkte in diesen Apparaten gegenüber anderen Apparatentypen gering
(in der Größenordnung von Sekunden), was die Wärmeeinwirkung auf ein Minimum reduzieren
läßt.
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Eine charakteristische Besonderheit der Rotor-Dünnschichtapparate
besteht darin, daß in ihnen ein hochintensiver Wärmeaustausch mit der geringen Verweilzeit
der Produkte vereinigt ist.
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Bekannt sind Rotor-Dünnschichtverdampfer, in denen die Flüssigkeitsschicht
auf der Wärmeaustauschfläche von Flügeln eines Rotors erzeugt wird, die auf der
Antriebswelle starr befestigt sind und einen Spalt von 1 - 2 mm zwi -ruhen dem Gehäuse
und den Flügeln besitzen. Diese Apparate besitzen eine beschränkte Wärmeaustauschfläche
infolge
einer komplizierten Konstruktion, einer komplizierten Herstellungs-,
Montage- und Betriebstechnologie aufgrund des geringen Spaltes zwischen den Gehäusewänden
und den Rotorflügeln sowie des notwendigen dynamischen Auswuchtens des Rotors unter
Berücksichtigung von Wärmedeformationen von Rotor und Apparatgehäuse. Der Apparat
ist empfindlich sowohl gegen Wärmebelastungen wie auch gegen flüssigkeitsbedingte
Belastungen. Außerdem steigt die Verweilzeit des Produktes bei der Behandlung von
zähigen Produkten im Apparat drastisch an.
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In einem anderen geschaffenen Rotor-Dünnschichtverdampfer, in dem
die Flüssigkeitsschicht auf der Wärmeaustauschfläche des Apparates von den Rotorwischern
erzeugt wird, die auf der Antriebswelle gelenkig befestigt sind und über die Oberfläche
des Apparatgehäuses gleiten, sind die grundlegenden Nachteile desselben nicht überwunden.
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Dieser Konstruktion haften im wesentlichen die Nachteile an, die für
die vorstehend beschriebene Konstruktion angegeben waren. Außerdem führt der unmittelbare
Kontakt der Rotorwischer mit der Wärmeaustauschfläche des Apparates außer dem unerwünschten
Verschleiß von Wischern und Gehäuse zur Verunreinigung des Produktes. Das Vorhandensein
von am Gehäuse reibenden Wischern macht eine sorgfältige Bearbeitung des Apparatgehäuses,
die Erzeugung einer blankpolierten Oberfläche notwendig. Hierbei müssen die Rotorwischer
aus verschleißfesten Stoffen, die hohe Gleiteigenschaffen besitzen, gefertigt sein.
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Die optimale Dünnschichtdicke ist in diesem Apparat durch eine komplizierte
Wechselwirkung bedingt: einerseits hängt sie von den physikalischen Eigenschaften
der Flüssigkeit, andererseits von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors, vom
Gewicht der Wischer, dem Anliegen derselben an die Wärmeaustauschfläche sowie von
den konstruktiven Besonderheiten des Rotors ab. Daher sind die optimalen Arbeitsbedingungen
für den Apparat in einem relativ schmalen Bereich der auf die Flüssigkeit seitens
der Wischer ausgeübten Drücke
erzielbar. Bei Übersteigen des optimalen
Druckes können die Wischer die-Wärmeaustauschfläche bloßlegen (die Dünnschicht abziehen),
bei kleinerem Druck kann die Flüssigkeit nach unten herunterfallen.
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Das Problem der Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche die Vereinfachung
der Konstruktion des Apparates, der Herstellung und des Betriebs desselben war in
hohem Maße in einer späteren Konstruktion des Rotor-Dünnschichtverdampfers gelöst,
der ein vertikales Gehäuse, dessen Wärmeaustauschfläche mit Mänteln versehen ist,
einen auf einer Welle befestigten Rotor, der hohle Welltrommeln mit einem Verteilungsring
im oberen Teil der Trommeln einschließt, sowie Öffnungen zum Austritt der Flüssigkeit
in den Vorsprüngen der Wellungen enthält. Unter jeder der Trommeln ist auf der Rotorwelle
ein Fliehkraftabscheider befestigt. Das Gehäuse des Apparates ist zylindrisch ausgebildet.
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In diesem Rotorapparat geschieht die Schaffung einer Dünnschicht
auf der Wärmeaustauschfläche ohne Zuhilfenahme von Mischeinrichtungen: die Flüssigkeit
wird unter der Fliehkrafteinwirkung durch die Öffnungen der Welltrommeln über die
Wärmeaustauschfläche des Apparatgehäuses ferngesteuert verteilt.
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Ein Hauptnachteil dieses Apparates besteht in der beschränkten Behandlungsmöglichkeit
von zähigen Stoffen sowie von feste Einschlüsse (Katalysatoren u. dgl.) enthaltenden
Stoffen, und zwar dadurch, daß die Verschiebungsmöglichkeit der Flüssigkeitsschicht,
die an der Wärmeaustauschfläche des Apparates herabfließt, durch vorhandene ringförmige
Sammelbehälter am-Gehäuse im Innern des Apparates unter jeder Trommel sowie durch
eine Vielzahl von Überströmrinnen begrenzt ist, die zur Überführung der Flüssigkeit
aus einer höherliegenden Sektion in die tiefer gelegenen Sektionen bestimmt sind.
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Im ersten Fall ist die Verschiebung (Beweglichkeit) der Flüssigkeitsschicht
bei der Behandlung von zähigen Stoffen begrenzt, und darum wird diese Erscheinung
bei vorhandenem ringförmigen Sammelbehälter, dessen Boden eigentlich als Stützring
auftritt, noch verstärkt. Die Beweglichkeit
der Dünnschicht (Abflußgeschwindigkeit)
wird verringert, die Dicke derselben nimmt zu, es wächst auch die Verweil--zeit
des Produktes im Apparat an dessen#Wärmeaustauschfläche. Als Folge wird die Leistungsfähigkeit
des Apparates stark reduziert und die Produktqualität verschlechtert.
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Im zweiten Fall scheiden die festen Einschlüsse (Teilchen) aus der
zu behandelnden Lösung im ringförmigen Sammelbehälter aus und verstopfen ihn nach
recht kurzer Arbeitszeit, wodurch der Apparat funktionsunfähig wird.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß hochviskose Stoffe in diesem
Apparat nicht behandelt werden können, da die Flüssigkeitsschicht an der Wärmeaustauschfläche
des Apparates und an den Trommelwänden nur unter der Schwerkrafteinwirkung (Gravitationseinwirkung)
herabfließt, welche Schwerkraft in den hocbviskosen Produkten mit den molekularen
Haftkräften vergleichbar ist. In der Folge wird der Einsatzbereich des Apparates
eingeengt.
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Ein weiterer wichtiger Nachteil besteht in der fixierbaren Verweilzeit
des Produktes im Apparat, die hauptsächlich von den physikalischen Eigenschaften
des Produktes abhängt. Mit zunehmender Zähigkeit der zu behandelnden Stoffe nimmt
ihre Verweilzeit im Apparat rapide zu, was eine unzureichende Wärmeaustauscheffektivität
sowie mögliche Produktzersetzung zur Folge hat.
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Die Wärmeaustauschfläche im Apparat wird durch aus den Trommelöffnungen
hervorgeschleuderte Flüssigkeitsstrahlen ungenügend gereinigt. Daher sind die zur
Reinigung des Apparates notwendigen Stillsetzungen desselben bei der Behandlung
von insbesondere zähigen und feste Einschlüsse enthaltenden Flüssigkeiten nicht
ausgeschlossen, was den Betrieb des Apparates erschwert.
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Ein erheblicher Nachteil besteht ferner darin, daß die abgeschiedenen
Dämpfe im Innern der Trommeln mit der verunreinigten, an der Innenfläche der Trommeln
herabfließenden zu behandelnden Flüssigkeit in Berührung treten, wodurch das Mitreißen
dieser Flüssigkeit und die Verunreinigung des Produktes (des Destillats) möglich
werden.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der vorgenannten
Nachteile der Wärmeaustauschapparate.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor-Dünnschichtverdampfer
mit einer solchen konstruktiven Ausführung zu schaffen, bei der ein intensiver er
Wärmeaustausch durch Verkürzen bzw. Regulieren der Verweilzeit der zu behandelnden
Produkte im Apparat gewährleistet wird.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Rotor-Dünnschichtverdampfer,
der ein vertikales Gehäuse mit Heizmänteln, das in Gestalt von Sektionen ausgeführt
ist, in einer jeder dieser Sektionen auf einer Welle angebrachte Welltrommeln mit
Öffnungen in den Vorsprüngen der Wellungen, Verteilungsringe, die an den oberen
Trommelenden befestigt sind, sowie zwischen den Trommeln angeordnete Abscheider
enthält, erfindungsgemäß die Verdampfersektionen stufenweise derartig angebracht
sind, daß sich der Boden des Gehäuses einer jeder Sektion einer höherliegenden Stufe
über dem Verteilungsring im Innern der Trommel einer tiefer gelegenen: Stufe befindet.
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Zweckmäßigerweise besitzen die Welltrommeln die Form eines abgeschnittenen
Kegels und sind aus mit einem Spalt angebrachten Platten mit Längswellungen und
W-förmigen Prallblechen ausgeführt, die zwischen den Wellplatten angeordnet sind.
Die Vorsprünge der Prallbleche müssen im Hohlraum der Vorsprünge der Randwellungen
der Platten liegen.
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Eine der Ausführungsformen der Erfindung sieht das Vorhandensein
eines Trägheitsabscheiders im Hohlraum der unteren Trommel vor.
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Diese Ausführung des Verdampfers gestattet, zwangsweise Verschiebung
der Flüssigkeit längs der Wärmeaustauschfläche zu gewährleisten, was die Behandlungsdauer
des Produktes verringert und hierdurch die leistungsfähigkeit der Einrichtung erhöht.
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Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht in der Erhöhunh
der Transportfähigkeit der abfließenden Dünnschicht der zu behandelnden Flüssigkeit
und folglich in der Intensivierung des Wärmeaustausches. Dies wird dank ge-
genseitig
stufenweiser Anordnung von Apparatsektionen und Anordnung des Bodens des Gehäuses
einer jeden Sektion einer höherliegenden Stufe über dem Verteilungsring im Innern
der Trommel einer tiefer gelegenen Stufe erreicht. Dank dieser konstruktiven Lösung
wird ein freies, stetiges Herabfließen der Flüssigkeitsschicht an der Wärmraustauscbfläche
und weiter vom Boden des Gehäuses einer jeden Sektion einer höherliegenden Stufe
ungehindert abwärts unmittelbar auf den Verteilungsring der Trommel einer tiefer
gelegenen Stufe gewährleistet, wo sich der Zyklus dann wiederholt.
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Dadurch wird längeres Verweilen der Flüssigkeit in den ringförmigen
Sammelbehältern und den Überströmrinnen beseitigt und freies Abfließen der Flüssigkeit
mit hoher Geschwindigkeit gewährleistet, wodurch der Wärmeaustausch intensiviert
wird.
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Außerdem werden die Bedingungen zur zwangsweisen Verschiebung (Transportierung)
der Flüssigkeitsschicht und Regulierung der Verweilzeit der zu behandelnden Flüssigkeit
im Apparat gewährleistet. Eine beispielweise Ausführung eines solchen universell
er en Apparates mit in Form von abgeschnittenen Kegeln ausgeführten Trommeln ist
nachstehend beschrieben.
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Neben den erwähnten Vorteilen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Apparates ist seine Konstruktion einfacher weil der -Bedarf an ringförmigen Behältern
und Überströmrinnen entfällt.
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In einem Apparat mit der zwangsweisen Verschiebung der Flüssigkeitsschicht
und regulierbaren Verweilzeit des zu behandelnden Produktes in demselben besitzen
die Welltrommeln die Form eines abgeschnittenen Negels. Dadursb ist ermöglicht,
zähigere Stoffe zu behandeln, die Verweilzeit des Produktes im Apparat zu regulieren
sowie die Selbstreinigung der Wärmeaustauschfläche zu gewährleisten. Diese Ziele
werden dank Ausnutzung der Fliehkraft (der Komponente derselben, die längs der Mantellinie
des Trommelkegels abwärts gerichtet ist) zur #zwangsweisen Verschiebung (Transportierung)
von oben nach unten der zu behandelnden Flüssigkeit
an der Innenfläche
der Trommelwellungen und an der Wärmeaustauschfläche einer jeden Stufe des Apparatgehäuses
erreicht.
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Durch Erhöhen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors unter der
Einwirkung der kinetischen Energie der Flüssigkeitsstrahlen kann man zähigere Stoffe
intensiver verschieben (transportieren) und folglich auch behandeln.
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Durch Ändern der Rotordrehzahl läßt sich die Verschiebungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit und somit die Verweilzeit des zu behandelnden Produktes im Apparat
regulieren. Hierbei wird die Wärmeaustauschfläche des Apparates dank zwangsweiser
Verschiebung der Dünnschicht und gleich- -zeitiger Verwirbelung derselben durch
die Flüssigkeitsstrahlen, welche aus der Trommel hervorgeschleudert werden.
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von selbst gereinigt (reingewaschen).
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Dadurch, daß die Trommeln aus mit einem Spalt angebrachten Platten
mit Längswellungen und zwischen diesen Platten angeordneten W-förmigen Prallblechen
ausgeführt sind, wobei sich die Vorsprünge der Prallbleche im Hohlraum der Vorsprünge
der Randwellungen der Platten befinden, wird eine vollständigste Abscheidung des
in den Trommelhohlraum. eintretenden Dam#stroms gewährleistet.
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Der Dampfstrom ändert, indem er im Spalt zwischen der Innenfläche
der Trommelwellungen und der Außenfläche der W-förmigen Prallbleche fließt, seine
Bewegungsrichtung mehrere Male. Außerdem ist auch die Passiergeschwindigkeit des
Dampfstroms beträchtlich geringer als in den bekannten Apparaten. All dies trägt
zur besseren Abscheidung bei.
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Hierbei wird eine vollständige Rückführung der abgeschiedenen Flüssigkeit
in den Zyklus gewährleistet, die von den Vorsprüngen der Prallbleche auf die Innenfläche
der Vorsprünge der Trommelwellungen abgeworfen wird.
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Zweckmaßigerweise ist im Hohlraum der unteren Trommel ein Trägheitsabscheider
angeordnet. Dies ist notwendig, weil der abgeschiedene Dampf beim Eintritt in den
Hohlraum der Trommeln in deren Innerem mit dem zu behandelnden Produkt in Berührung
tritt, wobei das Mitreißen des zu behandelnden
Ausgangsstoffs mit
dem Brüden und die Verunreinigung des Destillats möglich sind.
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Der erfindungsgemäße Abscheider besitzt eine hohe Abscheidungsfähigkeit,
weil die Abscheidung dank mehrfacher Änderung der Bewegungsrichtung des Dampfstroms
im Fliehkraftfeld erfolgt und dabei keine nochmalige Erfassung der Flüssigkeit stattfindet.
Die abgeschiedene Flüssigkeit an der Oberfläche der äquidistanten Bleche sammelt
sich in querliegenden Sicken nach einer jeden Richtungsänderung des Dampfstroms
in Gestalt von Strahlen und wird unter der Fliehkrafteinwirkung auf die Innenfläche
der Trommelwellungen abgeleitet.
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Die Anwendung der Erfindung gestattet, den Wärmeaustauschprozeß zu
intensivieren und sowohl Stoffe, die feste Einschlüsse enthalten, wie auch zähigere
Produkte zu behandeln.
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Ferner ergibt sich die Möglichkeit, die Verweilzeit des zu behandelnden
Produktes im Verdampfer zu verkürzen und zu regulieren.
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Dabei gewährleistet diese konstruktuve Lösung die Selbstreinigung
der Wärmeaustauschfläche von Verunreinigungen und ermöglicht einen einfacheren Zusammenbau
und Betrieb des Apparates.
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Im Apparat wird eine hohe Abscheidungsfähigkeit gewährleistet und
die Erhöhung der Produktqualität erzielt.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachfolgend angeführten ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen
verständlich; in den Zeichnungen zeigt: Fig.1 - Gesamtansicht des Rotor-Dünnschichtverdampfers
gemäß der Erfindung, im Längsschnitt; Fig.2 - Schnitt nach der Linie II-II von Fig.1;
Fig.3 - Teil einer Welltrommel, Gesamtansicht; Fig.4 - Schnitt nach der Linie IY-IY
von Fig.3; Fig.5 - in Fig.1 dargestellte Einheit A; Fig.6 - Gesamtansicht des Rotor-Dünnschichtverdampfers
mit konischen Trommeln;
Fig .7 - Gesamtansicht des Rotor-Dünnschichtverdampfers
mit konischen Gehäusesektionen und konischen Trommeln; Fig.8, 9, 10 - verschiedene
konstruktive Ausführungsformen von Welltrommeln; Fig.11 - Längsschnitt durch einen
Teil einer Welltrommel.
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Der in Fig.1 dargestellte Rotor-Dünnschichtverdampfer enthält--ein
vertikal angeordnetes Gehäuse 1, das aus übereinander liegenden Sektionen 2, 2a,
2b ausgeführt ist, die mit jeweiligen Heizdampfmänteln 3, 3a, 3b versehen sind.
Stutzen 4, 5, 6 sind jeweils zur Zuführung des Ausgangsprodukts' Ableitung des Blasenrückstands
(bzw. der konzentrierten Lösung: Ableitung der Brüdendämpfe bestimmt. Im Innern
des Gehäuses 1 koaxial zu ihm ist in den Sektionen 2, 2a, 2b auf einer Welle 7 ein
Rotor 8 angebracht, der Welltrommeln 9, 9a, 9b trägt, die mit Öffnungen 10 (Fig.3,
4, 5) zum Ausschleudern der Flüssigkeit auf eine Wärmeaustauschfläche 11, 11a, 11b
von jeweiligen Stufen 12, 12a, 12b des Gehäuses 1 ausgeführt sind. Die Trommel 9
ist im oberen Teil an einem Verteilungsring 13 eines Tellers 14, im unteren Teil
aber an einem Ring 15 einer Nabe 16 befestigt, die auf der Welle 7 starr angebracht
sind. Die tiefer gelegenen Trommeln 9a, 9b sind stirnseitig an Naben 17, 17a, und
18, 18a befestigt, die auf der Welle 7 starr angebracht sind. Sie sind an Ringen
19, 19a und 20, 20a von jeweiligen oberen und unteren Naben 17, 17a und 18, 18a
befestigt. Die Befestigung der Trommeln 9, 9a, 9b an den Verteilungsringen 13, 19,
19a und den Ringen 15, 20, 20a geschieht mittels (in Fig. nicht abgebildeten) Bandagen
und Schrauben. Die Wände der Trommeln 9, 9a, 9b sind in der Längsrichtung zur Trennung
der auf ihre Innenfläche geleiteten Flüssigkeit in einzelne Ströme gewellt, die
unter der Schwerkrafteinwirkung an der Innenfläche von Vorsprüngen 21 der Wellungen
(Fig.2, 4) herabfließen, in denen die Öffnungen 10 zum Schleudern der Flüssigkeit
an die Wärmeaustauschfläche 11, 11a, llb einer jeden Stufe des Gehäuses 1 vorgesehen
sind. Der Teller 14, der zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit über die Innenfläche
der
Vorsprünge 21 der Wellungen der oberen Trommel 9 bestimmt ist,
weist eine Vertiefung auf, die einen zylindrischen Behälter 22 darstellt, dessen
Ränder in Gestalt eines konzentrischen-Ringes 13 ausgeführt sind, dessen Innendurchmesser
kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Behälters 22 ist und der über
seine Außenkreislinie an die Innenfläche von Vertiefungen 23 (Fig.2) der Wellungen
der Trommel 9 anschließt. In den tiefer gelegenen Trommeln 9a, 9b sind zur gleichmäßigen
Verteilung der Flüssigkeit über die Innenfläche der Vorsprünge 21 der Wellungen
der Trommeln 9a, 9b jeweilige Verteilungsringe 19, 19a der oberen Naben 17 und 17a
bestimmt, die an ihrem Umfang an die Vertiefungen 23 der Wellungen der Trommeln
9a, 9b anschließen, während am Innenkreis der Ringe 19, 19a jeweilige Bordwände
24, 24a vorgesehen sind, die den Überwurf der Flüssigkeit in den Hohlraum der Trommeln
9, 9a, 9b verhindern.
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Erfindungsgemäß sind die Sektionen 2, 2a, 2b des Rotor-Dünnschichtverdampfers
stufenweise ausgeführt, derart, daß ein Boden 25 des Gehäuses 1 der Sektion 2 der
oberen Stufe 12 sich im Innern der tiefer gelegenen hohlen Welltrommel 9a über dem
Verteilungsring 19 befindet, der sich im oberen Teil der Trommel 9a befindet, während
ein Boden 25a des Gehäuses der Sektion 2a der tiefer gelegenen Stufe 12a sich im
Innern der unteren hohlen Welltrommel 9b über dem Verteilungsring 19a befindet,
der im oberen Teil der Trommel 9b angeordnet ist. Dank dieser Ausführung des Apparates
fließt die zu behandelnde Flüssigkeit frei und ohne aufgehalten zu werden an der
Wärmeaustauschfläche der höherliegenden Stufe des Apparatgehäuses unmittelbar auf
den Verteilungsring einer jeden tiefer gelegenen hohlen Welltrommel herab. Die Böden
25, 25a der Sektionen 2 und 2a der Stufen 12, 12a sind zur gleichmäßigeren Flüssigkeitsverteilung
gezahnt ausgeführt.
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Zur Gewährleistung der Abscheidung des in die Hohlräume der Trommeln
9, 9a, 9b eintretenden Dampfstroms sind die letzteren (Fig.3, 4, 5) aus einzelnen
bogenförmigen längsgewellten Platten 26 ausgeführt, die mit Spalten 27 vertikal
zueinander liegen, und ihnen gegenüber sind Prallbleche 28 W-förmigen
Profils
angebracht. Die Prallbleche 28 überdecken die Spalte 27, und ihre Vorsprünge 29
befinden sich in Hohlräumen 30 der Randwellungen der Nachbarplatten 26. Ein oberer
Außenrand 31 der Verteilungsringe 13, 19, 19a (Fig.
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5), die im oberen Teil der Trommeln 9, 9a, 9b angeordnet sind, ist
zur Verminderung von Verlusten an kinetischer Energie der Flüssigkeit bei Änderung
ihrer Bewegungsrichtung von der horizontalen in die vertikale abwärtsgerichtete
Richtung abgerundet. Zur Gewährleistung der Bewegungsrichtung der Flüssigkeit und
zum freien Ausschleudern derselben aus den Öffnungen 10 der Trommeln 9, 9a, 9b auf
die Wärmeaustauschfläche 11, 11a, 11b ist ein oberer Rand 32 (Fig. 3, 4, 5) der
Öffnungen 10 an den Vorsprüngen 21 der V[ellungen zur Peripherie hin knickfrei
abgebogen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Vermeidung des Mitreißens der
Flüssigkeit bei der Berührung des Dampfstroms mit der Flüssigkeit, die an der Innenfläche
der Welltrommeln 9, 9a, 9b herabfließt, ist im Hohlraum der unteren Trommel 9b auf
der Welle 7 des Rotors 8 ein Trägheitsabscheider 33 (Fig.1, 2) angeordnet, der ein
Paket von vertikal parallel zueinander mit einem bestimmten Schritt aneinandergereihten
Blechen 34 mit quergehenden Sicken 34 darstellt.
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Der Verdampfer arbeitet auf die folgende Weise.
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Der Ausgangsstoff gelangt über den Stutzen 4 (Fig.1) in den zylindrischen
Behälter 22. Bei Umdrehung des Rotors 8 steigt die Flüssigkeit unter der Fliehkrafteinwirkung
an dessen Wänden hoch, wodurch eine konzentrische vertikale Schicht erzeugt wird.
Indem die Flüssigkeit über den Ihnenrand des konzentrischen Ringes 13 auf dem gesamten
Kreisumfang desselben überströmt, zerfließt sie gleichmäßig über seine Oberfläche
in Gestalt einer Dünnschicht und ändert dann, sobald sie den abgerundeten Außenrand
31 erreicht hat, ihre Bewegungsrichtung von der horizontalen in die vertikale abwärtsgerichtete
Richtung, wird vom Ring 13 auf die Innenfläche der Vorsprünge 21 der Wellungen der
Trommel 9 abgeworfen, was ohne erheblichen Verlust an kinetischer Energie dieser
Flüssigkeit erfolgt. In der Trommel 9 wird
die Flüssigkeit in einzelne
vertikale Ströme getrennt.
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Nach Erreichen der Öffnungen 10 (Fig.3, 5), die sich an den Vorsprüngen
21 der'Wellungen der Trommel 9 in verschiedenen Höhen der letzteren befinden, werden
die Flüssigkeitsströme durch die Öffnungen 10 auf die Wärmeaustauschfläche 11 der
Stufe 12 des Gehäuses 11 ausgeschleudert, wo sie eine verwirbelte absteigende Dünnschicht
bilden, die nach unten abfließt. Ein Teil der Flüssigkeit an der Wärmeaustauschfläche
11 wird verdampft, und die nicht verdampfte Flüssigkeit fließt von ihrem gezahnten
Boden 25 gleichmäßig über den gesamten Umfang auf den Verteilungsring 19 herab,
der im oberen Teil der tiefer gelegenen Trommel 9a angebracht ist. Weiterhin wird
die Flüssigkeit unter der Fliehkrafteinwirkung vom Ring 19 auf die Innenfläche der
Vorsprünge 21 der Wellungen der Trommel 9a geschleudert, wo sich der Zyklus wiederholt.
Die eingedampfte Lösung (bzw. Blasenrückstand) wird durch den Stutzen 5 entfernt,
und der beim Verdampfen der Flüssigkeit gebildete Dampf tritt durch die Spalte 27
in die Hohlräume der Trommeln 9, 9a, 9b ein, wobei er einige Male in den Spalten
zwischen den längsgewellten Platten 26 und den Prallblechen 28, deren Vorsprünge
29 sich in den Hohlräumen 30 der Randwellungen der Nacbbarplatten 26 befinden, abbiegt
und die Flüssigkeit von ihm abgeschieden wird. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird
von den Vorsprüngen 29 der Prallbleche 28 unter der Fliehkrafteinwirkung auf die
Innenfläche der Vorsprünge 21 der Wellungen der Trommeln 9, 9a, 9b abgeworfen.
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Ein Teil des Dampfes strömt ins Innere der Trommeln über die Stirnflächen
zwischen den Trommeln 9, 9a und 9a, 9b hinein, und nachdem der Dampf um 2700 abbiegt,
wird die Flüssigkeit im Ringspalt zwischen der Innenfläche des unteren Teils der
Trommeln 9, 9a und der Außenfläche der Bordwände 24, 24a-vom ihm abgeschieden. Die
abgeschiedene Flüssigkeit wird von den Ringen 15, 20 auf die Innenfläche der Vorsprünge
21 der Wellungen der Trommeln 9, 9a abgeworfen.
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Endgültige Dampfabscheidung erfolgt am Austritt aus dem Hohlraum der
unteren Trommel 9b im Abscheider 33, wobei in
den Spalten zwischen
den Sicken der Bleche 34 der Dampf einige Male abbiegt. Die abgeschiedene Flüssigkeit
wird von der Oberfläche der Bleche 34 auf die Innenfläche der Trommel 9b abgeworfen.
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In Fig.6 ist ein Verdampfer dargestellt, in dem Welltrommeln 35,
35a und 35b die Form von abgeschnittenen Kegeln, die Sektionen des Apparatgehäuses
aber eine zylindrische Form besitzen. In dieser Ausfübrungsform des Verdampfers
wird die Fliehkraft (die Fliehkraftkomponente, die längs der Mantellinie des Trommelkegels
abwärts gerichtet ist) zur zwangsweisen Verschiebung der Flüssigkeit von oben nach
unten an der Innenfläche der Vorsprünge der Wellungen der Trommeln 35, 35a, 35b
und an der Wärmeaustauschfläche 11, 11a, 11b der jeweiligen Sektionen 2, 2a und
2b ausgenutzt.
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Dieser Apparat kann zur Behandlung von insbesondere wärmeempfindlichen
(thermisch unstabilen) Stoffen sowohl mit erhöhter Zähigkeit wir auch von niedrigviskosen
Produkten, die eine minimale Verweilzeit derselben in der Heizzone brauchen, sowie
zur Durchführung von chemischen Flüssigphasenreaktionen eingesetzt werden, die eine
Regulierung der Verweilzeit der Reaktionskomponenten im Apparat voraussetzen.
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In Fig.7 ist eine Ausführungsform des Verdampfers dargestellt, in
dem sowohl die Welltrommeln 35, 35a, 35b wie auch die Sektionen 36, 36a, 36b des
Gehäuses 1 des Apparates, die mit den Heizmänteln 37, 37a und 37b versehen sind,
konische Form besitzen In diesem Apparat wird gleichfalls die Fliehkraft zur zwangsweisen'
Verschiebung (Transportierung) der zu behandelnden Flüssigkeit ausgenutzt.
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Außerdem trägt in dieser Ausführungsform die konische Gestalt der
Sektionen 36, 36a, 36b des Gehäuses 1 gleichfalls zur Erzielung optimaler Bedingungen
zur zwangsweisen Verschiebung (Transportierung) des zu behandelnden Produktes an
der Wärmeaustauschfläche von oben nach unten dank verminderten Verlusten an kinetischer
Energie der ausgeschleuderten Flüssigkeitsstrahlen bei deren Kontakt mit der Wärmeaustauschfläche
bei. Aus diesem Grund ist dieser Apparat der univer-
sellste Verdampfer
und kann zur Behandlung von Produkten in breitem Bereich ihrer verschiedenen wärmephysikalischen
Eigenschaften eingesetzt werden.
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In den beschriebenen Ausführungsformen des Verdampfers, dargestellt
in Fig.6' 7, kann'die Flüssigkeitsschicht zwangsweise verschoben, die Verweilzeit
des zu behandelnden Produktes im Apparat vermindert und reguliert werden, wobei
die Wärmeaustauschfläche von selbst gereinigt (reingewaschen) wird.
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Durch Erhöhen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors unter der
Einwirkung der kinetischen Energie der Flüssigkeitsstrablen lassen sich zähigere
Stoffe intensiver verschieben (transportieren) und somit auch behandeln.
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Durch Änderung der Rotordrehzahl läßt sich die Verschiebungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit und somit die Verweilzeit des zu behandelnden Produktes im Apparat
regulieren.
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Hierbei erfolgt, indem die Dünnschicht zwangsweise verschoben und
gleichzeitig durch den Flüssigkeitsstrom verwirbelt wird, der aus der Trommel ausgeschleudert
wird, die Selbstreinigung (das Reinwaschen) der Wärmeaustauschfläche des Apparates.
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In Fig.8, 9, und 10 sind verschiedene Ausführungsformen von Welltrommeln
zur Verteilung der Flüssigkeit im Rotor-Dünnschichtverdampfer dargestellt, die in
den Fällen zur Anwendung kommen können, da keine hohe Abscheidungsfähigkeit erforderlich
ist, so beispielweise beim Einsatz des Apparates als Verdampfer (Destillationsblase)
einer Säule bei der Vakuumrektifikation, bei der Eindickung von Produkten sowie
in anderen Prozessen.
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In Fig.8 ist eine hohle Trommel dargestellt, die aus einzelnen bogenförmigen
längsgewellten Platten 26 besteht, die mit Spalten 38 vertikal zueinander angeordnet
sind, derart, daß die Ränder der Wellungen der Nachbarplatten 26 relativ zueinander
versetzt sind, wodurch sie den direkten Dampfdurchtritt in den Trommelhohlraum versperren.
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In Fig.9 ist eine hohle Welltrommel dargestellt, die aus einzelnen
Wellungen (Zähnen) 39 besteht, die mit Spalten
38 vertikal zueinander
angeordnet sind, derart, daß die Ränder der Nachbarwellungen relativ zueinander
versetzt sind, wodurch sie den direkten Dampfdurchtritt in den Trommelhohlraum versperren.
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In Fig.10 ist eine hohle Welltrommel dargestellt, die aus mit Spalten
38 vertikal zueinander angeordneten und relativ zueinander versetzten Elementen
40 besteht, die in ihrem Querschnitt Halbkreise besitzen. Die Elemente 40 versperren
den direkten Dampfdurchtritt in den Trommelhohlraum.
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In Fig.8, 9, 10 sind die Öffnungen zum Flüssigkeitsaustritt an den
Vorsprüngen der Trommelwellungen nicht abgebildet.
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In Fig.11 ist eine hohle Trommel dargestellt, die aus einem ununterbrochenen
gewellten Band besteht. An den Vorsprüngen der Trommelwellungen sind die Öffnungen
10 mit dem abgebogenen oberen Rand 32 vorhanden, die zum Schleudern der Flüssigkeit
an die Wärmeaustauschfläche des Apparates bestimmt sind, und an den Vertiefungen
23 der Wellungen sind über die gesamte Höhe der Trommel Öffnungen 41 vorgesehen,
deren oberer Rand 42 so abgebogen ist, daß er den direkten Dampfdurchtritt in den
Rotorhohlraum versperrt.
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Auf diese Weise gestattet es die erfindungsgemäße Konstruktion des
Verdampfers, den Wärmeaustauschprozeß im Apparat beträchtlich zu intensivieren und
dessen Einsatzgebiet erheblich zu erweitern.
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