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Dünnschichtvorrichtung zur Durchführung von chemischen und physikalisch-chemischen
Prozessen Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschichtvorrichtung zur Durchführung
von chemischen oder physikalisohchemischen Prozessen, vorzugsweise zur Durchführung
von schnellablaufenden exothermen Reaktionen in flüssiger Phase* Solche Geräte werden
meisb in der Chemie- und Nahraungsmittelindustrie sowie bei der Arzneimittelproduktion
verwendetLo Es ist eine Dünnschichtvorrichtung zur DurchfLihrunS von chemischen
und physikalisch-chemischen Vorgängen bekannt, bei der die Flüssigkeit über eiaen
vertikale Wärmeaustauschober" flächen des Gehäuses durch einen im Innern desselben
auf einer Vertikalwe rotierenden Läufer verteilt wird. Die Mischung der Komponenten
wird einem Speiser zugeführt, der im Oberteil der Vorrichtung auf der rotierenden
Welle angeordne ist. Die Mischung wird durch die Flichkräfte aus dem Speiser auf
die Wärmeaustauschoberfläche geschleudert und läufdt als dünne Schicht ab.
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Bei den bekannten VorrichtungenuieserBauartist es nicht möglich, der
Wärmeaustauschoberfläche die Kompnenten gesondert zuzufuhren, wodurch es nicht gelingt
zu vermeiden, daß die Komponenten unerwünsohterweise auch aul3erhalb der Oberfläche
aufeinander einwirken (vgl. Zeitschrift "Chemische Technik", B. 15, Nr.11,1963,S.649-CO),
Der Zweck der voriegenden Erfindung ist es, aie genannten Nachteile zu beheben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dünnschichtvorriohtung
zur Durchführung von chemischen und physikalish-chemischen Vorgängen zu entwickeln,
die es cestattet, die Ausgangskomponenten gleichmäßig und gesondert in gewünschten
bzw. erforderlichen Verhältnissen zuzuführen, bei der die Vermischung der Komponenten
unmittelbar auf der gesamten abzukühlenden Oberfläche der Vorrichtung erfolgen kann
und bei der darüberhinaus die Möglichkeit besteht, den Ablauf des Prozesses durch
zusätzliche Einführung vonKomponenten in einen beliebigen Abschnitt der Vorrichtung
genau zu regeln.
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Zur Lösung dieser Aufgaue dient eine Dünnschichtvorrichtn@ zur Durchführung
chemsicher und physikalisch-chemischer Prozesse, insbesondere zur Durchführung von
schnellablaufenden exothermen Reaktionen in flüssiger Phase, bei welcher die Flüssigkeit
über vertikale Wärmeaustauschoberlfächen des
Gehäuses durch einen
auf einer im Innern desselben vertikal angeordneten Welle rotierenden. Läufer verteilt
wird, die erfinduhgsgemäß dadurch gekennzeichnet ist daß der Läufer zum getrenntenAusschleudern
der Komponenten auf die Warmeaustauschoberfläche und zur darauffolgenden Vermischung
g der Komponenten auf derselben wenigstens eine Verteilungsvorrichtung aufweist,
die eine gewellt Trommel mit Öffnungen sowie je nach Zahl der Komponenten konzentrisch
in der Trommel übereinander angeordnete Ringscheiben enthält und daß jede Scheibe
mit einem speiser zum Aufgeben einer Komponente in die jeweilige Ringscheibe versenen
ist und einen Bord mit Offnungen zum Ausschleudern der Komponente auf die Innenoberfläche
der Trommel ohne Vermischung mit anderen Komponenten aufweist.
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Vorteilhafterweise wird vorgeschlagen, daB die Speiser zum Aufgeben
der Komponenten auf die Ringscheiben in Form gleichachsig angeordneter-und mit der
Welle gemeinsam rotierender Hülsen und feststehender gleichaohsig angeordneter Zylinder
ausgebildet sind, wobei die Hülsen Öffnungen zum Ausschleudern der Komponenten auf
die Innenoberfläche der Zylinder aufweisen und daß die Anzahl der Hülsen bzwe Zylinder
der Anzahl der Komponenten entspricht, Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Offnungen
im Bord der einen Ringscheibe in Bezug auf die Öffnungen im Bord der anderen Ringscheibe
derart gegeneinander versetzt angeordnet
sind, daß die einzelnen
Komponenten jewe, ils wenigstens in eine der Längswellen der Trommel verteilt werden.
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Im weiteren soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der
Vorrichtung, insbesondere des Reaktors und anhand der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert werden.
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Es zeigt : Fige 1 im Längsschnitt die Dännschiohtvorriohtung zur Durchführung
von chemischen und ph@ysikalisch-chemischen Vorgängen; Fig, 2 einen der Abschnitte
(Sektionen) der Vorrichtung, ebenfalls im Längsschnitt ; Fig. 3 einen Schnitt längs
der Linie III-III der Big. 2.
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Die in Figo 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung ist als vertikales
Zylindergehäuse 1 ausgeführtt, das die Wirmeaustauschoberfläche 2 sowie eine Reihe
von gleichen Abschnitten (Sektionen) 3 aufweist. Die Anzahl der Sektionen hängt
von den b'esonderen Verhältnissen des jeweils durchw zuführenden chemischen Prozesses
ab.
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Jede der Sektionen 3 ist mit einem Mantel 4 zur Wirmeab-bzw. zuleitung
versehen. Durch die gesamtenSektionender Vorrichtung hinduroh und gleichaohsig mit
denselben verläuft die Welle 5 des Läufers 6. Auf dem Läufer 6 sind Verteilungsvorrichtungen
7 zum getrennten Auswurf der komponenten
auf die Wärmeaustauschoberfläche
2 des Gehäus es 1 sowie zum drauffolgenden, Vermischen dieser Komponenten auf derselben
angebrachte Jeder-Sektion 3 entes Verte-ilungsvorrichtung 7 (Figo 2), die eine gewellte,
auf der Welle 5 konzentrisch befestigte Trommel 8 und d gleichfall-s-auf der Welle
5 konzentrisch befestigte Ringscheiben 9 bzwe 10 aufweist. Die Anzahl der Ringscheiben
entspricht der Anzahl der Komponentenc Im vorliegenden Beispiel sind zwei Ringscheiben
vorgesehen. Die Ringscheiben 9 und 10 sind untereinander angeordnet und auf der
Velle 5 befestigt.
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Die Trommel 8 ist vertikal gewellt, d. h. sie besitzt Vertikalwellen
11, an deren Vorsprangen. in absteigender Schrauibenlinie Offnungen 12 angeordnet
sind, die zum getrennten Auswurf der Bestandteile auf die Warmeaustauschoberfläohe
2 des Gehäuses 1-bes-timmt sind. Der-an-. die Vertiefungen der Wellen 11 gezeichnete
Kreis (Fig. 3) fällt mit den äußeren Umfangen der. Scheiben 9 und 10 Zusammen.
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Zum Aufgeben einer Komponente auf die ihr entsprechende Ringscheibe
9 oder 10 ist der Speiser 13 (fixe 2) vorgesehen.
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Zum Auswurf der Bestandteile auf die Innenoberfläche der Trommeln
8 ohne Vorvermischung von verschiedenen Bestandteilen miteinander sind die Ringscheiben
9 und 10 mitOff nungen 14 und 15 in den Vertikalborden 16 und 17 versehen,
welche
an den äußeren Umfangen der Ringscheiben 9 und 10 angeordnet sind.
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Um die aus den Öffnungen 14 und 15 ausgeworfenen Komponen. ten ohne
Vorvermischung auf die Wärmeaustausohoberfläche 2 zu bringen, sind die offnungen
14 im Bord 16 der Ringscheibe 9 in Bezug auf die Öffnungen 15 im Bord 17 der Ringscheibe
10 derart gegeneinander versetzt angeordnet, daß sich j. ede der Offnungen 14 und
15 gegenüber einer entspre. chenden Welle 11 befindete Jeder Speiser 13 weist gleichachsig
angeordnete und mit der Welle 5 gemeinsam reotierende Hülsen 18 und 19 und ebenso
gleichachisg angeordnete Zylinder 20 und 21 auf.
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Die Hälsen 18 und 19 besitzen verschiedene Durchmesser, wobei die
kleinere Hillse 18 im Innern der größeren Hülse 19 angeordnet ist, aber der Boden
derselben tiefer als der Boden der Hülse 19 untergebracht ist. Die Anzahl der Hiilsen
und Zylinder richtet sich nach der Anzahl der Komponenten.
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Zum Auswurf der Bestandteile auf die Innenoberfläohen der Zylinder
20 und 21 weisen die Hülsen 18 und 19 Öffnungen 22 und 23 auf. Die Zylinder 20 und
21 besitzen ebenso veZrschiedene Durcimesser und sind ihrer Hoche nach gegeneinander
verschoben.
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Zwischen zwei benachbarten Trommeln 8 sind im Gehäuse 1
Ringsammler
24 mit Rinnen 25 untergebracht, die in Riche tung auf die Gerateachse geneigt sind.
Die Rinnen 25 dienen zum Aufgeben der Flüssigkeit auf die Ringscheibe 10 der tiefer
befindlichen Trommel 80 Oberhalb der Rinnen 25 sind gleichmäßig über den äußeren
Umfang des Gehäuses 1 verteilt Rinnen 26 angeordnet,. die zum zusätzlichen Zuf'ühren
einer der Komponenten in die Vorrichtung~dienene Im folgenden wird aie Arbeitsweise
der Vorrichtung erläuW vert : suber Einführungsleitungen 27 und 28 (Fig. 1) werden
der Vorrichtung getrennt die miteinander umzusetzenden Compo nenten zugeführt, die
in die Hülsen 18 und 19 (Fig. 2) gelangen und durch die Öffnungen 22 und 23 auf
die Innenoberflache der feststehenden Zylinder 20 und 21 ausgeworfen werden. Im
weiteren fließen die Komponenten unter Wirkung der Schwerkraft auf die rotierenden
Ringscheiben 9 und 10.
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Unter Wirkung der Fliehkräfte werden die Komponenten durch ,..~,.,r,,.--sm.,.
die Öfrfnungen 14 und 15 als einzelne Strahlen in die Wellen 11 geschleudert und
laufen in diesen Wellen unter Wirkung der Schwerkraft ab, bis die Öffnungen 12 erreicht
werden, aus denen die Komponenten als Strahlen auf die Wärmeaustauschoberfläche
2 (Fig. 3) des Gehäuses 1 gelangen. Die Vermischung der Komponenten erfolgt-somit
unmittelbar auf der Warmeaustauschoberfläche 2, wodurch sogar die geringste Möfglichkeit
der Überhitzung bei exothermen Resktionen ausgeschlossen
wercden
kann. Die chemische Flüssigkeitsphasenreaktion erfolgt in der Dünnschicht an der
Wandung des Gehäuses. Die Dicke der Dünnschicht wird ausschließlich durch die Gesamtmenge
der zugefuhrten Kompnenten sowie der resultierenden Viskosität der Mischung bestimmt.
Die der Reihe nach zunächst durch die erste Sektion 3 (Fig. 1) durchgelaufene flüssigkeit
sammelt sich im Ringsammler 24, aus wel- # chem sie über die Rinnen 25 auf die Scheibe
10 der darunter befindlichen Trommel 8 aufgegeben und ebenso wie in der ersten Sektion
wieder über die Wärmeaustauschoberfläche 2 des Gehäuses 1 verteilt wird. In die
zweite Sektion wie auch in eine der darauffolgenden kann zusätzlich eine der Komponenten
der Reaktion aber die Rinne 26 aufgegeben werdeno Die Zwischenzuführung einer beliebigen
Komponente ist zur Regelung der Reaktionsgechwindigkeit bestimmt. Die flüssigen
Produkte der Reaktion werden aus dem Unterteil der Vorrichtung durch den Stutzen
29 herausgeführt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung gestattet somit die Durchs führung
chemischer Flüssigphasenreaktionen in abfließender* Dünnschicht mit der Möglichkeit
der genauen Steurung der Temperatur sowohl bei exothermen als auch bei endothermen
Reaktionen. Darüber hinaus kann sich der Reaktionsablauf stufenweise, d.h. bei sich
ändernden Temperaturewn steigern, was in einzelnen Fällen zur Erzielung maximaler
Ausbeuten an Endprodukten der Reaktion beiträgt.
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Die Wärmeabnahme ebenso wie auch die Wärmezufuhr durch die Wandung
des Gehäuses erfolgen wegen des hohen Grades der Turbulisierung der flüssigen Dünnschicht
durch die aus den Trommeloffnungen h-mausgeschleuderten Flüssigkeitsstrahlen sehr
intensive Die Ausnutzung des Prinzips der Flüssigkeitsverteilung auf die Wärmeaustauschoberfläche
der Vorrichtung durch Fliehkrafte erlaubt es, einen genügend großen Zwischenraum
zwischen der Trommel des Läufers und der Innenwandung des Gehases vorzusehen. Dadurch
wird ermöglicht das Gehäuse der Vorrichtung aus Blechmetall oder Rohren ohne jegliche
mechanische Bearbeitung herzustellen und die Montage bzw. Demontage der Vorrichtung
erheblich zu vereinfachen. o Es wurde bei Versuchen festgestellt, daß der Gleichmäßigkeitsgrad
der Verteilung der Flüssigkeit über die Wärmeaustauschoberfläche nicht von den Schwankungen
beim Aufgeben der Komponenten der Mischung, der Änderung der Verhältnisse beim Wärmeübergang
usw. abhängte Der-Vorgang der Wärmeabgabe durch die Wandung der Vorrichtung erweist
sich in @ erhoblichen Meße ddurch interniviert, daß die über die Wirmeaustauschoberfläche
verteilten FlüssigkeitsstrahlendieFlüssigdünnschichtturbulisieren.
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Dies fhrt zur STeigerung oer Geschwindiekti des Wärmeübergages von
der Flussigkeit zur Wandung.