DE1258827B - Duennschichtverdampfer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOId

Deutsche KL: 12 a - 2

Nummer: 1258 827

Aktenzeichen: L 40371IV c/12 a

Anmeldetag: 2. November 1961

Auslegetag: 18. Januar 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dünnschichtverdampfer. Im Sinne der Erfindung sollen dabei unter dem Begriff Dünnschichtverdampfer solche Vorrichtungen verstanden sein, die ein Rohr aufweisen, an dessen einer Wandseite mindestens eine Vorrichtung zur direkten oder indirekten Temperaturbeeinflussung — Heizung oder Kühlung — der Rohrwand bzw. des ihr anliegenden Gutes angeordnet ist, wogegen auf der anderen Rohrwand fließbares Material (z. B. Flüssigkeiten, Pasten, Granulate, Pulver od. dgl.) in dünner Schicht aufgebracht und in Axialrichtung entlang geführt wird, um das Material einer Temperatureinwirkung auszusetzen, z. B. zwecks Verdampfung von im fließbaren Material enthaltenen Lösungsmitteln oder zwecks Kühlung bei der Durchführung von exothermisch verlaufenden Reaktionen. Das fließbare Material wird hierbei durch einen koaxial umlaufenden Rotor in dünner Schicht auf der betreffenden Rohrwandung aufgetragen. Dünnschichtverdampfer im engeren Sinne, d. h. solche, bei welchen im fließfähigen Material enthaltene Lösungsmittel verdampft werden, gelangen heute hauptsächlich in zwei Formen zur Herstellung, nämlich entweder mit starr am Rotor angebrachten Rührflügeln oder mit beweglichen Rührflügeln bzw. Wischern.

Ein bekanntgewordener Dünnschichtverdampfer besitzt ein konisches nach unten enger werdendes Verdampferrohr, in welchem ein ringförmiger Rotor mit sternförmig angeordneten, teilweise vollen Flügeln umläuft. Die Flügel sind dabei am Rotor durchwegs starr angebracht und erstrecken sich bis nahe an die Verdampferwand, die an ihrer Außenseite von einem Heizmantel umgeben ist. Die Einspeisung der zu verdampfenden Flüssigkeit erfolgt von oben.

Dünnschichtverdampfer mit starr befestigten Rührflügeln bilden einen Flüssigkeitsfilm auf der Heizwand von einer Dicke, die annähernd dem Spiel zwischen Rührflügel und Heizwand entsprechen. Da die durch einen Querschnitt senkrecht zur Achse sekundlich durchfließende Flüssigkeitsmenge größer sein muß als das durch die Filmdicke, den Umfang des Films und der an dieser Stelle herrschenden mittleren Geschwindigkeit in Axialrichtung gebildete Volumen, um eine direkte Beeinflussung des Films durch den festen Rührflügel überhaupt zu bewirken, sind für diese Art von Verdampfern die zu verarbeitenden Flüssigkeitsmengen nach unten begrenzt. Solange jedoch der feste Rührflügel mit dem Flüssigkeitsfilm in Kontakt bleiben kann, bewirkt er durch die sich bildende Bugwelle und das Umströmen der Flügelkante eine intensive Turbulenz, die die Wärmeübergangs-Dünnschichtverdampfer

Anmelder:

Luwa A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Hoffmann

und Dipl.-Ing. W. Eitle, Patentanwälte,

8000 München 8, Maria-Theresia-Str. 6

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 14. November 1960 (12 729)

zahlen auf der Heizwand gegenüber einem frei fallenden Film wesentlich erhöht. Die hohe Turbulenz läßt auch bei hitzeempfindlichen Produkten eine wesentlich höhere Heizflächenbelastung zu, ohne daß solche Produkte durch die hohe Heizwandtemperatur Schaden leiden.

Bei der Bestimmung des minimalen Abstandes zwischen den Kanten der starren Rotorflügel und der Rohrwandung ist nicht nur auf die praktisch erreichbare Herstellgenauigkeit Rücksicht zu nehmen, sondem auch auf die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Rotor und Rohr, wenn diese, wie es im Betrieb, insbesondere beim Anfahren und nach dem Abstellen der Anlage leicht vorkommen kann, wesentlich verschiedene Temperaturen aufweisen. Sobald aber infolge eines Verdampfungsvorganges oder gewisser Reaktionen die Schichtdicke abnimmt und dabei einen gewissen Wert unterschreitet, werden die starren Rotorflügel mit ihrer Kante nicht mehr in den Flüssigkeitsfilm eintauchen. Indes entsteht die Gefahr der teilweisen Entnetzung der Heizfläche insbesondere in ihrem unteren Teil. Der durch die hohe Wärmebelastung erzeugte intensive Verdampfungsvorgang bringt es andererseits mit sich, daß Spritzer aus der Oberfläche der Flüssigkeit durch die Brüden mitgerissen werden. Wird nun der Rotor so ausgebildet, daß die Flügel von der Rotorwelle bis zur Flüssigkeitsschicht reichen und diese ohne irgendwelche größere Ausnehmungen ausgeführt werden, dann wirkt der so ausgebildete Rührflügel längs des Verdampfers als Abscheider, indem mitgerissene Tröpfchen durch die Zentrifugalkraft wiederum in den Flüssigkeitsfilm zurückgeschleudert werden.

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Die beweglichen Wischerblätter sind normalerweise so ausgebildet, daß deren Schwerpunkt bezüglich der Schwenkachse versetzt ist, so daß diese durch Einfluß der Zentrifugalkraft gegen die Rohrwand gepreßt werden. Die sich ausbildende Flüssigkeitsschicht ist eine Funktion der örtlich vorhandenen Flüssigkeitsmenge, ihrer Viskosität und der auf die Schicht durch das Wischerblatt einwirkenden Zentrifugalkraft. Jedoch ist bei dieser Art von Wischerkonstruktionen die maximale Flüssigkeitsmenge begrenzt, indem die größtmögliche Filmdicke durch die radiale Ausdehnung des Wischerblattes begrenzt ist. Größere Flüssigkeitsmengen fallen durch den Verdampfer hindurch. Außerdem kann das bewegliche Wischerbatt, da es vielfach nur über den Flüssigkeitsfilm gleitet, nicht eine Turbulenz von derselben Intensivität erzeugen wie der feste Rührflügel. Demzufolge werden die Flüssigkeitsschichten auf der Rohrwand nicht im selben Maße erneuert wie beim festen Rührflügel, womit sich auch die Wärmeübergangsverhältnisse ändern. Für mit beweglichen Wischern ausgestattete Dünnschichtverdampfer ist schon vorgeschlagen worden, die Wischerblätter in axialer Richtung zu unterteilen und voneinander getrennt schwenkbar zu lagern, und zwar so, daß axial voneinander distanzierte Wischerblätter unterschiedlichen Zentrifugalkräften ausgesetzt und damit mit verschieden großen Drücken auf die Schicht des Verdampfungsgutes einwirken. Es wird vorgeschlagen, die Drücke mit zunehmendem Abstand vom Flüssigkeitseintritt zu steigern und damit eine Verringerung der Schichtdicke in Fließrichtung zu erzielen. Auch hier besteht aber der allen Dünnschichtverdampfen! mit beweglichen Wischern anhaftende Nachteil, daß einerseits nur eine verhältnismäßig kleine Turbulenz erzeugt wird, während andererseits infolge der begrenzten radialen Ausdehnung der üblicherweise in einem Rahmen gelagerten Wischerblätter die Abscheidwirkung sehr begrenzt ist.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun einen Dünnschichtverdampfer der eingangs umschriebenen Art zu schaffen, welcher die vorteilhaften Eigenschaften der bekannten Dünnschichtverdampfer vereinigt, gleichzeitig aber deren Nachteile vermeidet.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtverdampfer zeichnet sich dadurch aus, daß in der Zone größerer Schichtdicke des zu behandelnden Gutes auf der Rohrwand die Flügel in an sich bekannter Weise starr ausgebildet sind und von der Rohrwand in Abstand enden, während in der Zone kleinerer Schichtdicke des zu behandelnden Gutes Flügelteile am Rotor nachgiebig angeordnet sind.

In der Zeichnung sind einige beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dünnschichtverdampfers dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Dünnschichtverdampfer in schematischer Darstellung,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in F i g. 1 in größerem Maßstab,

F i g. 3 einen Teilaufriß des Rotors nach F i g. 1 in größerem Maßstab und

F i g. 4 ein Detail einer Variante zum Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Dünnschichtverdampfer bezeichnet, auf welchen ein Abscheider 2 aufgesetzt ist. Ein Verdampferrotor 3 ist an seinem unteren Ende in einem Wellenlager 4 des Verdampfers 1 gelagert und von einem Verdampferrohr 5 umschlossen.

Das VerdampferrohrS besitzt an seinem unteren Ende einen Auslaß 6 für den unverdampften Rückstand. Am oberen Ende des Verdampferrohres mündet der Zuführstutzen 7 für die zu verdampfende Flüssigkeit in dasselbe ein. Das Verdampferrohr ist von einem in die Abschnittes und 9 unterteilten Heizmantel umgeben, wobei jeder Abschnitt einen Zuführstutzen 11 und einen Ablaßstutzen 12 für das Heizmedium aufweist. Wie aus F i g. 2 weiter hervorgeht, ist der Verdampferrotor 3 durch einen im Querschnitt sternförmigen Körper gebildet, welcher drei Flügel 13 bildet, die sich im Bereich des oberen Heizmantelabschnittes 8 bis knapp an die Innenwand des Verdampferrohres 5 erstrecken und von dieser nur durch das mit Rücksicht auf die Herstellgenauigkeit und die möglichen unterschiedlichen Wärmedehnungen von Rotor und Verdampferrohr gewählte Laufspiel distanziert sind.

Im Bereich des unteren Heizmantelabschnittes 9 besitzen die Flügel 13 des Rotors 3 Aussparungen 14, in welche axial und radial beweglich gelagerte Wischerblätter 16 eingesetzt sind. Wie aus den F i g. 3 und 4 näher ersichtlich ist, sind dabei an den durch die Aussparungen 14 an den Flügeln 13 gebildeten Flügelstümpfen 13 α ringförmige Gelenkglieder 15 angeordnet, welche ihrerseits die Wischerblätter 16 durchsetzen.

Für die Aufnahme der Gelenkglieder sind in den Wischerblättern 16 Nuten 20 und in den Flügelstumpfen 13 α Nuten 21 angeordnet, in welchen die Gelenkglieder 15 mit Spiel gelagert sind. Um ein Aushängen der Gelenkglieder aus den Nuten zu verhindern, werden beispielsweise quer zu letzteren flache Anschlagplättchen 22 bzw. 23 auf die Wischerblätter bzw. auf die Flügelstümpfe mit einem für das vorgegebene Spiel der Gelenkglieder erforderlichen Abstand von diesen aufgeschraubt.

Durch die Anordnung der Gelenkglieder zwischen den Wischerblättern und den Flügelstümpfen wird neben der Schwenkbarkeit der Wischerblätter erreicht, daß diese in Ruhelage des Rotors nach unten hängen, so daß zwischen der Stirnseite der Wischer und der Innenwand S ein relativ großer Abstand entsteht, wie die strichpunktierten Linien in F i g. 3 veranschaulichen. Durch diese Durchmesserverminderung des unteren Teils des Rotors kann dieser nun beispielsweise zur Reinigung leicht aus dem Verdampferrohr herausgenommen und ebenso leicht in dieses eingesetzt werden, wobei die Gefahr einer Be-Schädigung der Wischerblätter durch Verkanten stark vermindert wird.

Die Breite der Wischerblätter ist bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bis 3 derart gewählt, daß, werden die Wischerblätter in Radialverlängerung der Flügelstümpfe gebracht, der Abstand von den Wischerkanten bis zur Drehachse des Rotors größer als der Radius der Innenwand des Verdampferrohres ist. Der Rotor wird nun mit bezüglich seiner Drehrichtung nach hinten verschwenkten Wischerblättern in das Verdampferrohr eingesetzt, so daß diese im Betriebsfalle den starren Flügeln nachlaufend sind.

Im Betrieb des Verdampfers wird die durch die

Leitung 7 zugeführte Verdampfungsflüssigkeit durch die Flügel 13 des umlaufenden Rotors 3 an der Innenwand des Rohres 5 verteilt. Durch entsprechende Bemessung der eintretenden Flüssigkeitsmenge ist in der Nähe des Eintrittes der Verdampfungsflüssigkeit in das Verdampferrohr die Dicke der Schicht oder

des Films, welche auf der Innenwand liegt, annähernd gleich oder etwas größer als das Laufspiel zwischen den freien Enden der Flügel 13 und der Wand 5. Hingegen nimmt diese Schichtdicke mit zunehmendem Abstand von der Leitung 7 ab und erreicht gegen das untere Ende des Rotors ein Maß, welches kleiner ist als dieses Laufspiel. Im Bereich der geringeren Schichtdicke sind nun beim Umlauf des Rotors 3 die hier in zwei Reihen angeordneten Wischerblätter 16 wirksam, welche unter der Wirkung der Zentrifugalkraft sich anheben und gegen die Innenwand getrieben werden, so daß der Film über die ganze Höhe des Verdampferrohres durch die starren Flügel bzw. die beweglichen Wischerblätter, die unter sich in Achsrichtung auch ungleich lang sein können, bearbeitet wird. Da der Rotor über seine ganze Länge ununterbrochene Flügelflächen bildet, entsteht bei dessen Umlauf eine wirksame Abscheidung von Flüssigkeitstropfen, die durch die Brüden, welche nach aufwärts strömen, mitgerissen werden. Der Verdampferrotor hat deshalb die Wirkung eines zweiten, dem eigentlichen Abscheider vorgeschalteten Abscheideaggregats.

Durch die von den starren Flügeln erzeugte starke Turbulenz in der Flüssigkeitsschicht wird ein intensiver Wärmeübergang gewährleistet. Es ist deshalb auch möglich, die Heizleistung des im Bereich dieser Flügel wirksamen Heizmantelabschnittes 8 größer zu halten als diejenige des Heizabschnittes 9, in dessen Bereich die beweglichen Wischerblätter liegen.

Die in F i g. 4 dargestellte weitere Ausführungsform betrifft eine Rotorkonstraktion, bei welcher die Wischerblätter 16 nur so breit ausgeführt sind, daß die Wischerkante 18, bis sehr nahe an die Innenwand 5 des Verdampfers gelangt, ohne jedoch auf dieser schaben zu können. Diese Anordnung der Wischerblätter hat den Vorteil, daß diese beispielsweise aus verhältnismäßig dickem Blech hergestellt werden können und sich im Betrieb infolge ihrer großen Masse mit großer Kraft in die Radialstellung drängen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Wischerblätter anstatt durch ringförmige Gelenkglieder, durch beispielweise ovale Gelenkglieder oder Scharniere an die Flügelstümpfe anzulenken. Wesentlich ist nur, daß die Wischerblätter in der Verlängerung der Flügelstümpfe angelenkt sind.

Bei den dargestellten Ausführungsformen wird somit erreicht, daß der Rotor über seine ganze Länge als Abscheideorgan wirksam ist. Dies selbst dann, wenn dieser kleinere Aussparungen oder Perforationen in seinen Flügeln besitzt.

Der Heiz- oder Kühlmantel muß sich nicht notwendigerweise über die ganze Länge des Rohres erstrecken, es können auch nur Teile beheizt oder gekühlt sein. Ebenso ist es denkbar, einen Teil des Rohres zu beheizen, während ein anderer Teil gekühlt wird.

Das Rohr kann in gewissen Fällen auch an seiner Innenseite beheizt oder gekühlt sein, während die Rotorflügel an der Außenseite umlaufen und dort das zu behandelnde Gut in dünner Schicht verteilen. Während der in den Figuren dargestellte Verdampfer nach dem Gegenstromprinzip arbeitet, kann die beschriebene Konstruktion auch dort eingesetzt werden, wo Dämpfe oder Gase und das behandelte Gut bzw. dessen Rückstände nach der gleichen Seite abgeführt werden, wobei eventuell auf einen nachgeschalteten Abscheider verzichtet werden kann.

Die beschriebene Aufhängung der beweglichen Wischerblätter in der Verlängerung der Flügelstümpfe hat in allen Fällen den Vorteil, Quereinbauten, die den freien Querschnitt in der Kammer unterbrechen, unnötig zumachen. Somit besteht im Unterschied zu bekannten Wischerkonstruktionen keine Gefahr neuer Ablagerang von Material an den die Wischer haltenden Teilen, die den Dauerbetrieb erschweren oder verunmöglichen und das Produkt verunreinigen könnten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Dünnschichtverdampfer, bestehend aus einem zylindrischen Rohr, dessen Außenwandseite von einem Heiz- und/oder Kühlmantel umgeben ist, und einem in diesem Rohr axial angeordneten Rotor mit sternförmig angeordneten Flügeln, die das zu behandelnde Gut an der Innenwandseite des Rohres verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zone größerer Schichtdicke des zu behandelnden Gutes auf der Rohrwand die Flügel in an sich bekannter Weise starr ausgebildet sind und von der Rohrwand in Abstand enden, während in der Zone kleinerer Schichtdicke des zu behandelnden Gutes Flügelteile (16) am Rotor nachgiebig angeordnet sind.

2. Dünnschichtverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebig ausgebildeten Flügelteile (16) an Stümpfen (13 a) der starren Flügel (13) und in der Verlängerung derselben angelenkt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 330 466.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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