DE10114434A1 - Rotationsverdampfer mit prozeßabhängiger Drehzahlregelung - Google Patents

Abstract

Bei einem Rotationsverdampfer wird die Drehzahl des Rotationskolbens abhängig von einer erfaßten Prozeßgröße, insbesondere dem Schwingungsverhalten oder dem Masseträgheitsmoment des Rotationskolbens, automatisch gesteuert oder geregelt. DOLLAR A Vorteil: höhere Verdampferleistung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verdampfen wenig­ stens einer Substanz.

Es sind als Rotationsverdampfer bezeichnete Vorrichtungen zum Verdampfen von Sub­ stanzen, insbesondere zum Verdampfen von Lösemitteln beim Konzentrieren oder De­ stillieren von pharmazeutischen oder chemischen Produkten, bekannt. Bei diesen be­ kannten Rotationsverdampfern werden die zu verdampfenden, flüssigen Substanzen in den Hohlraum eines, im allgemeinen in einem Heizbad, rotierbaren Rotationskolben (Verdampfergefäß) eingebracht. Durch Rotation des Rotationskolben wird auf der In­ nenseite des Rotationskolbens ein dünner Flüssigkeitsfilm erzeugt, aus dem heraus die Substanzen, insbesondere das Lösemittel, verdampfen. Ein gewisser Teil der Substanz bzw. des Lösemittels verdampft auch direkt aus dem Flüssigkeitsspiegel im Rotations­ kolben. Der Dampf wird aus dem Rotationskolben durch eine Dampfleitung einem Kühler zugeführt und dort wieder auskondensiert. Im allgemeinen wird im Rotations­ kolben auch ein Unterdruck oder Vakuum erzeugt, um den Dampfdruck der zu ver­ dampfenden Substanzen zu erhöhen und um das Produkt zu schonen. Die Dampflei­ tung ist in einem Durchführungsbereich an den Rotationskolben über eine drehbare Verbindung angeschlossen. Die Verbindungsstelle ist mittels einer Rotationsdichtung abgedichtet.

Die DE-PS 12 24 062 offenbart einen Rotationsverdampfer mit einem um seine Sym­ metrieachse über einen motorischen Antrieb drehbaren Arbeitskolben. Der Arbeitskol­ ben ist außerdem um eine zu seiner Symmetrieachse senkrecht verlaufende Schwen­ kachse frei schwenkbar, wobei er auf der Oberfläche eines Wasserbades frei schwimmt. Bei einem Rotationsverdampfer mit einem solchen Pendelsystem wird also die Ge­ wichtskraft des Arbeitskolbens mit der darin enthaltenen zu verdampfenden Substanz allein durch den Auftrieb des Arbeitskolbens im Wasserbad gehalten und dadurch wer­ den Drehmomente und Kräfte auf die Halterung des Arbeitskolbens deutlich reduziert.

Aus der DE 35 11 981 C2 ist ein Verfahren zur Vakuumrotationsverdampfung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Dieser bekannte Rotati­ onsverdampfer weist ein Pendelsystem auf, bei dem der Rotationskolben auf bzw. in einem Flüssigkeitsbad mit freien Auftrieb schwimmend gehalten wird. Es wird nun die Höhenlage des Rotationskolbens relativ zum Flüssigkeitsspiegel der Badflüssigkeit des Flüssigkeitsbades direkt oder indirekt gemessen und als Regelgröße einer Regelstrecke oder als Steuergröße einer Steuerstrecke zur Regelung bzw. Steuerung des Füllinhaltes des Rotationskolbens verwendet. Die Höhenlage des Rotationskolbens relativ zum Flüs­ sigkeitsspiegel stellt ein direktes Maß für den Füllinhalt des Rotationskolbens, also die im Rotationskolben befindliche Flüssigkeitsmenge dar. Als Stellgröße zum Regeln dieser Höhenlage und damit des Füllinhaltes des Rotationskolbens wird die unmittelbar zuge­ führte, zu verdampfende Flüssigkeit verwendet. Ein entsprechendes Stellelement (Ma­ gnetventil) ermöglicht die Zufuhr an zu verdampfender Flüssigkeit in Rotationskolben und sperrt diese, um somit den Füllinhalt des Rotationskolbens mit der zu verdampfen­ den Flüssigkeit auf der gewünschten Sollgröße zu halten. Dadurch befindet sich immer soviel an zu verarbeitendem Medium im Rotationskolben, daß dessen Innenfläche bei der Rotation überwiegend mit dem Medium benetzt ist. Damit arbeitet der Rotations­ verdampfer mit einem guten Wirkungsgrad. Zur Erfassung der Höhenlage des Rotati­ onskolbens relativ zum Flüssigkeitsspiegel kann die Veränderung seiner Winkellage zu einer ortsfesten Halterung, z. B. einem Stativ, mit einem Inklinometer, das ein Drehpo­ tentionmeter enthält, oder über Lichtschranken oder einen sich mit der Höhenlage ver­ ändernden, senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche stehenden, Widerstand gemessen wer­ den.

Aus der DE 35 22 607 A1 sind ein weiteres Rotationsverdampfungsverfahren und ein weiterer Rotationsverdampfer bekannt, bei denen der Masseinhalt des Rotationskolbens oder eine Veränderung diese Masseinhaltes entsprechend dem Eindringen des Rotati­ onskolbens in die Badflüssigkeit durch Wiegen festgestellt wird und das Ergebnis des Wiegens dann als Regelgröße oder Steuergröße für den Verdampfungsprozeß verwendet wird. Der Rotationskolben ist auf bzw. in einem Flüssigkeitsbad mit Auftrieb schwim­ mend gehalten, insbesondere durch ein Pendelsystem oder ein lineares Hebe- und Senk­ system. Das Wiegen des Masseinhaltes des Rotationskolbens kann indirekt durch ein Wiegen des Bades mit der Flüssigkeit oder des Rotationskolbens mit Antriebssystem und Stativ oder Kühler oder durch Wiegen des Kolbenmasseninhaltes und der De­ stillatmasse oder durch ein Wiegen des Produktes vor dem Einbringen in den Rotati­ onskolbens bzw. ein Messen des Volumens des Rotationskolbens und ferner ein Wiegen der Destillatmenge während oder nach der Destillation bzw. Feststellung dessen Volumens bestimmt werden. Da bei sich veränderndem Kolbenmasseninhalt sich auch die Leistungsaufnahme des Antriebsmomentes des Antriebes verändern, können auch die Leistungsaufnahme bzw. das Antriebsmoment oder Bremsmoment des Antriebes des Rotationskolbens direkt oder indirekt gemessen und als Regelgröße oder Steuergröße des Verdampfungsprozesses verwendet werden. In einer weiteren Variante dieses be­ kannten Rotationsverdampfers kann der Auftrieb auf den Rotationskolben im Bad ge­ messen und als Regelgröße oder Steuergröße verwendet werden. Der Auftrieb kann insbesondere durch Kraft-, Zug-, Druck- oder Torsionsmeßelemente, insbesondere Dehnmeßstreifen, zum Feststellen der Auftriebskraft gemessen werden. Auch der Auf­ trieb ist ein direktes Maß für den Kolbenmasseninhalt. Als Regelung für den Verdamp­ fungsprozeß wird in der DE 35 22 607 A1 lediglich die Produktzufuhr genannt, wobei auf die ältere DE 35 11 981 C2 Bezug genommen wird. Es wird also die Masse des ge­ samten Inhaltes des Rotationskolbens geregelt oder gesteuert. Weitere Regelungen oder Steuerungen außer der des Befüllungsgrades des Rotationskolbens sind nicht angegeben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verdampfen wenigstens einer Substanz mit einem guten Wirkungsgrad anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 21.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zum Verdampfen wenigstens einer Substanz um­ faßt

• a) ein Rotationsgefäß (oder: Arbeitsgefäß) zur Aufnahme eines Mediums (oder eines Produktes), das die wenigstens eine zu verdampfende Substanz enthält oder aus dieser besteht, und
• b) eine Antriebseinrichtung zum Rotieren (Drehen) des Rotationsgefäßes um eine Rotationsachse (Drehachse) sowie
• c) eine mit der Antriebseinrichtung in Wirkverbindung stehende Kontrolleinrich­ tung
  • 1. zum unmittelbaren oder mittelbaren Erfassen, wenigstens einer Prozeßgröße und
  • 2. zum automatischen (selbsttätigen) Einstellen oder Anpassen oder Steuern oder Regeln der Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von der oder den erfaßten Prozeßgröße(n).

Unter dem Begriff Verdampfen sollen dabei alle Vorgänge verstanden werden, bei de­ nen eine Substanz aus einer nicht gas- oder dampfförmigen Phase in eine Gasphase oder Dampfphase übergeht, umfaßt also insbesondere das Verdampfen einer flüssigen Substanz zu Dampf im engeren Sinne und auch das Schmelzen und anschließende Ver­ dampfen oder das Sublimieren einer festen Substanz zu Dampf. Die Vorrichtung und das Verfahren zum Verdampfen wenigstens einer Substanz könnten deshalb auch als Vorrichtung und Verfahren zum Überführen wenigstens einer nicht-gasförmigen Sub­ stanz in die Gas- oder Dampfphase bezeichnet werden.

Das Verfahren gemäß Anspruch 21 zum Verdampfen wenigstens einer Substanz umfaßt die folgenden Verfahrensschritte:

• a) Einbringen eines Mediums, das die wenigstens eine zu verdampfende Substanz enthält oder aus dieser besteht, in ein Rotationsgefäß;
• b) Rotieren des Rotationsgefäßes um eine Rotationsachse;
• c) Erfassen wenigstens einer Prozeßgröße (unmittelbar oder mittelbar);
• d) automatisches Steuern oder Regeln oder Einstellen oder Anpassen der Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von der erfaßten, wenigstens einen Prozeßgröße.

Die Erfindung geht zunächst aus von der auch schon in der DE 35 11 981 C2 beschrie­ benen Tatsache, daß der Wirkungsgrad des Rotationsverdampfers um so besser ist, je größer der Anteil der von dem im Rotationsgefäß befindlichen Medium (zu verdamp­ fende Substanz, ggf. mit Trägersubstanzen oder Lösemitteln) benetzten Innenfläche des Rotationsgefäßes bei der Rotation ist. Es soll also ein für die Verdampfungsleistung möglichst idealer und permanent erneuerter Film (oder: Schicht) des zu verdampfenden Mediums an der Innenwand des Rotationsgefäßes erzeugt werden, so daß eine mög­ lichst große Verdampfungsoberfläche und damit eine möglichst hohe Verdampfungs­ rate oder ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Während nun bei der DE 35 11 981 C2 sowie der DE 35 22 607 A1 zum Erreichen dieses Ziels der Weg beschritten wird, immer so viel an zu verarbeitenden Medium im Rotationskolben bereitzustellen, daß die Innenfläche bei der Rotation überwiegend mit dem Medium benetzt ist, beschreitet die Erfindung einen anderen Lösungsweg., der auch zusätzlich oder ergänzend zur Lösung gemäß dem Stand der Technik eingeschla­ gen werden kann.

Die Erfindung basiert zunächst auf der Überlegung, daß zur Anpassung oder Steigerung der Verdampfungsleistung, insbesondere der Destillationsleistung oder Konzentrationsleistung, eines Rotationsverdampfers eine wesentliche Prozeßgröße die Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) des Rotationsgefäßes ist. Insbeson­ dere wird durch die Drehzahl des Rotationsgefäßes unmittelbar die Bildung, Beschaf­ fenheit und Ausdehnung des Films (der dünnen Schicht) des Mediums mit der zu ver­ dampfenden Substanz auf der Innenseite des Rotationsgefäßes beeinflußt. Da aus die­ sem Film heraus die Substanz verdampft, beeinflußt die Drehzahl auch unmittelbar die Verdampfungsleistung des Rotationsverdampfers.

Die Erfindung beruht auf der weiteren Überlegung, die Drehzahl des Rotationsgefäßes automatisch zu steuern oder zu regeln und diese Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von wenigstens einer mittelbar oder unmittelbar erfaßten weiteren Prozeßgröße des Verdampfungsprozesses zu machen. Dadurch können Ände­ rungen oder zu große Abweichungen der aktuellen Prozeßbedingungen oder Prozeß­ größen durch eine entsprechende Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes wenig­ stens teilweise verhindert oder ausgeglichen werden.

Insbesondere können die folgenden Prozeßgrößen (oder Prozeßfaktoren, Prozeßpara­ meter) bei der selbsttätigen Einstellung oder Anpassung der Drehzahl des Rotationsge­ fäßes berücksichtigt werden:

• - Viskosität des im Rotationsgefäß befindlichen Produktes
• - Temperatur des im Rotationsgefäß befindlichen Produktes
• - Transportverhalten von Pulvern, Granulaten oder anderen festen Produkten im Rotationsgefäß
• - Schäumen des Produktes im Rotationsgefäß
• - Vibrationen oder Schwingungen von Komponenten des Rotationsverdampfers, insbesondere des Rotationsgefäßes, die beispielsweise durch Masseunwuchten oder Resonanzen verursacht werden können
• - Verhalten des Wasser- oder Wärmeträgerbades, insbesondere Herausspritzen des Wassers oder des Wärmeträgers
• - Leistungsfähigkeit des Rotationsgefäßantriebes.

Durch Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes kann nun in Abhängigkeit von einer oder mehreren dieser Prozeßgrößen die Leistung des Rotationsverdampfers unter den ansonsten gegebenen Bedingungen optimiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. Anspruch 21 jeweils abhängigen Ansprüchen.

In der technischen Realisierung der Erfindung wird im allgemeinen ein Regelkreis auf­ gebaut werden, dessen Regelgröße(n) die Prozeßgröße(n) oder den Prozeßgröße(n) ent­ sprechende Meß- oder Sensorsignale oder Meßwerte sind und dessen Stellgröße die Drehzahl des Rotationsgefäßes ist.

In einer ersten, besonders vorteilhaften Ausführungsform wird durch die geeignete Ein­ stellung oder Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes zumindest an einem Teil­ bereich der Innenwandung des Rotationsgefäßes ein Film (eine Schicht) des Mediums erzeugt. Dadurch wird die Verdampfungsoberfläche des Mediums erheblich vergrößert. Der Film des Mediums sollte möglichst gleichmäßig sein über die Innenfläche des Ro­ tationsgefäßes, wobei vor allem vorteilhaft ist, wenn der Film möglichst zusammenhän­ gend ist und einen möglichst große Fläche der Innenwandung des Rotationsgefäßes bedeckt oder benetzt. Somit kann die Verdampfungsleistung (oder: Verdampfungsrate) des Rotationsverdampfers durch Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Rotations­ gefäßes möglichst hoch eingestellt oder optimiert werden.

Im unteren Bereich des Rotationsgefäßes wird im allgemeinen ein höherer Spiegel des Mediums sein, sich also ein durch die Gravitationskraft nach unten gezogener größerer Anteil des Mediums als Reservoir befinden, aus dem heraus sich durch die Rotation mit angepaßter Drehzahl und die dadurch erzeugten Mitnahme- und Zentrifugalkräfte der Film des Mediums an der Innenfläche des Rotationsgefäßes bildet.

Die Ausbildung des Filmes des Mediums an der inneren Oberfläche des Rotationsgefä­ ßes ist ein komplexer Vorgang, der von dem Wechselspiel der Kohäsionskräfte im Me­ dium und der Adhäsionskräfte zwischen dem Medium und der Gefäßwand des Rotati­ onsgefäßes einerseits sowie der auf das Medium ferner einwirkenden Schwerkraft (oder: Erdanziehungskraft, Gravitationskraft) und der durch die Rotation erzeugten Zentrifu­ galkräfte andererseits abhängt. Die Drehzahlanpassung gemäß der Erfindung greift durch die entsprechende Änderung der Zentrifugalkräfte in diesen Prozeß der Filmbil­ dung zum Zustandekommen eines optimalen Films ein.

Von besonderer Bedeutung sind hier die Materialeigenschaften des Mediums, wie die Viskosität, das Schäumverhalten, das Transportverhalten (vor allem bei Pulvern, Granulaten oder anderen festen Produkten). Die Eigenschaften des Mediums können auch temperaturabhängig sein, so daß auch die Prozeßtemperatur eine Rolle spielt.

Das Rotationsverdampfungssystem gemäß der Erfindung ist gleichermaßen für Medien in der flüssigen Phase als auch für Medien in der festen Phase, insbesondere in Form von Pulver oder Granulat, geeignet.

Bei aus festen Partikeln (Körner) gebildetem Medium wird die Drehzahl des Rotations­ gefäßes vorzugsweise so gesteuert oder geregelt, daß die Partikel der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums möglichst gut vermischt werden.

Die Drehzahl des Rotationsgefäßes wird ferner vorzugsweise so eingestellt, daß ein möglichst guter Wärmetransport innerhalb der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums erreicht wird, insbesondere bei festen Stoffen.

Die Vorrichtung umfaßt im allgemeinen ein Wärmeträgerbad, in das das Rotationsgefäß im Betrieb wenigstens teilweise eintaucht oder eintauchbar ist. Das Wärmeträgerbad dient im allgemeinen als Wärmequelle zum Einstellen einer Prozeßtemperatur im Rota­ tionsgefäß.

Da nun durch die Rotation des Rotationsgefäßes im allgemeinen auch der Wärmeträger mit in Bewegung gesetzt wird, kann bei zu hohen Drehzahlen der Wärmeträger aus dem Bad herausgeschleudert werden oder herausspritzen. Es wird deshalb entweder eine generelle Drehzahlbegrenzung nach oben vorgesehen oder der Austritt von Wärmeträ­ ger aus dem Bad ebenfalls als Prozeßgröße überwacht und für die Drehzahlsteuerung oder Drehzahlregelung mit berücksichtigt.

Die Vorrichtung weist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ein Pendelsy­ stem auf, so daß das Rotationsgefäß zusätzlich, vorzugsweise zumindest in einem vor­ gegebenen Schwenkbereich frei, um eine Schwenkachse schwenkbar ist. Die Kontroll­ einrichtung erfaßt dann vorzugsweise einen Schwenkwinkel des Rotationsgefäßes ge­ genüber einer Referenzlage als Prozeßgröße. Dieser Schwenkwinkel ändert sich nämlich mit der Drehzahl des Rotationsgefäßes und umgekehrt. Die Rotationsachse ist vor­ zugsweise im wesentlichen orthogonal zur Schwenkachse gerichtet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotationsachse eine Hauptträgheitsachse (Eigenachse) des Rotationsgefäßes, vorzugsweise eine Symmetrieachse, bezüglich derer das Rotationsgefäß rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch wird eine stabile Ro­ tation des (leeren) Rotationsgefäßes ohne Unwuchten erreicht.

Das Rotationsverhalten auch eines solchen "ausgewuchteten" Rotationsgefäßes ändert sich jedoch, sobald das Medium (Produkt) eingefüllt wird. Die durch das Medium ein­ gebrachte Asymmetrie der Massenverteilung und des Massenträgheitsmomentes bewirkt ein Abweichen der Hauptträgheitsachse des mit Medium gefüllten Rotationsgefäßes von der Rotationsachse. Dadurch werden periodisch wechselnde Kräfte und Drehmomente (Unwuchten) auf die Antriebswelle und die Rotationslager übertragen, die Eigenschwin­ gungen anregen oder zu Resonanzen führen können.

Diese an sich unerwünschten Unwuchten werden in besonders vorteilhaften Ausgestal­ tungen der Vorrichtung und des Verfahrens dazu ausgenutzt, die Drehzahl zu steuern oder zu regeln. Die Unwuchten werden nämlich umso kleiner, je gleichmäßiger sich das Medium um die Rotationsachse verteilt, also je gleichmäßiger der Film des Mediums im Rotationsgefäß ist.

Aus diesem Grund wird in einer ersten Ausgestaltung als Prozeßgröße(n) die Massen­ verteilung, das Massenträgheitsmoment und/oder eine Änderung der Massenverteilung bzw. des Massenträgheitsmoments der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Medi­ ums im Rotationsgefäß erfaßt.

Dies kann insbesondere durch Messung der Unwuchten geschehen. Eine weitere Mög­ lichkeit zur Erfassung des Massenträgheitsmoments besteht in der Messung der zur Beschleunigung oder Abbremsung des Rotationsgefäßes von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl benötigten Zeit, die sich mit Trägheitsmoment ändert.

In einer alternativen, zweiten Ausgestaltung können auch die durch die Unwuchten er­ zeugten Schwingungen oder Resonanzen als Prozeßgröße erfaßt werden.

Es kann in einer weiteren Ausgestaltung als Prozeßgröße auch die zum Rotieren des Rotationsgefäßes benötigte Antriebsleistung erfaßt werden, die von der Masse und dem Trägheitsmoment des Mediums im Rotationsgefäß abhängt.

Die Kontrolleinrichtung kann in allen Ausführungsformen die Drehzahl des Rotations­ gefäßes abhängig von einem Vergleich der bei mit den Substanz(en) gefülltem Rotati­ onsgefäß erfaßten aktuellen Prozeßgröße einerseits mit der zuvor, bei nicht mit den Substanz(en) gefülltem Rotationsgefäß erfaßten Referenz-Prozeßgröße andererseits steuern oder regeln. Dies ermöglicht die meßtechnische Kompensation oder Eliminie­ rung des Einflusses des Rotationsgefäßes selbst.

In einer besonderen Ausgestaltung wird als Prozeßgröße eine Schaumbildung im Rota­ tionsgefäß erfaßt. Diese Ausführungsform geht aus von der Überlegung, daß eine Schaumbildung einerseits zum Verschleppen vom Produkt in die Dampfwege, Kühler und Destillatgefäß, und andererseits zum Verschmutzen des Dichtsystems führt und somit die Leistung reduziert. Die Drehzahl wird nun so eingestellt, daß die Schaumbil­ dung möglichst gering ist und zugleich die Filmbildung des Mediums möglichst großflä­ chig und homogen. Die Drehzahl wird auf einen solchen Wert eingestellt, daß möglichst kein oder nur noch wenig Schäumen auftritt. Dies kann steuerungs- oder regelungstech­ nisch beispielsweise durch Berücksichtigung wenigstens einer weiteren Prozeßgröße oder durch Vorgabe einer Mindestdrehzahl (unterer Grenzwert) erfolgen.

Vorzugsweise wird wenigstens eine Prozeßgröße in allen Ausführungsformen bei we­ nigstens zwei unterschiedlichen Drehwinkelpositionen des Rotationsgefäßes erfaßt und die Drehzahl abhängig von den Meßwerten der Prozeßgröße bei diesen wenigstens zwei unterschiedlichen Drehwinkelpositionen gesteuert oder geregelt. Dies ermöglicht die Beobachtung von Signaldifferenzen mit Unterdrückung von Gleichtaktstörungen und ist besonders bei Trägheitsmomentmessungen von Vorteil. Insbesondere wird die Drehzahl abhängig von den Meßwerten der Prozeßgröße bei den wenigstens zwei un­ terschiedlichen Drehwinkelpositionen derart gesteuert oder geregelt, daß Abweichungen oder Schwankungen zwischen diesen Meßwerten innerhalb eines vorgegebenen Tole­ ranzbereiches liegen.

Eine besondere Weiterbildung besteht darin, auch die Drehrichtung des Rotationsgefä­ ßes zu wechseln, beispielsweise um Zusammenballungen von Pulver, Dichteunterschie­ de im Medium oder dergleichen aufzulösen.

Die Drehrichtung des Rotationsgefäßes kann auch in den Steuer- oder Regelprozeß derart einbezogen werden, daß sie abhängig von wenigstens einer Prozeßgröße gesteuert oder geregelt wird.

Die Erfassung der verschiedenen Prozeßgrößen kann mit einem oder mehreren Senso­ ren erfolgen, die aus einer Vielzahl bekannter Sensoren ausgewählt werden können, bei­ spielsweise

• - akustische Sensoren;
• - mittels elektromagnetischer Strahlung messende Sensoren, insbesondere optische oder Infrarot-Sensoren oder Radarsensoren;
• - Positionssensoren, insbesondere Niveausensoren, Lagesensoren oder Winkelpositi­ onsgeber wie Inklinometer,
• - elektrische und/oder magnetische Felder erfassende Sensoren, insbesondere kapazi­ tive oder induktive Sensoren, Feldstärkesensoren;
• - Druck- und/oder Kraft- und/oder Gewichtssensoren und/oder Ausdehnungssen­ soren;
• - elektrische Strom- oder Leistungssensoren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 ein Rotationsverdampfer mit Schaumerfassung in einer Frontansicht,

Fig. 2 ein Rotationsverdampfer mit Inklinometer in einer Rückansicht und

Fig. 3 ein Teil des Rotationsverdampfers gemäß Fig. 2 in einer geschnittenen Seitenan­ sicht
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den Fig. 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Rotationsverdampfer gemäß Fig. 1 und Fig. 2 umfassen jeweils ein Rotationsgefäß (oder: Arbeitsgefäß, Rotationskolben) 2, das über eine Antriebseinrichtung 6 um eine Rotationsachse (Drehachse) R rotierbar (drehbar) ist. Das Rotationsgefäß 2 taucht in ein Flüssigkeitsbad 3 mit einer Flüssigkeit F ein. Die Flüssigkeit F dient als Wärmeträger und kann insbesondere aus Wasser oder, vor allem bei höheren Temperaturen, auch aus Mineral- oder Silikonöl oder auch einem Glykol bestehen. Die Neigung der Rotati­ onsachse R gegenüber der orthogonal zur Gravitationskraft (Erdanziehungskraft) G gerichteten Horizontalen H' ist mit einem Winkel α und die Neigung der Rotati­ onsachse R zur parallel zur Gravitationskraft gerichteten Vertikalen ist durch einen Winkel β gekennzeichnet, wobei α + β = 90°.

Am entgegengesetzten Ende der Antriebseinrichtung 6 ist eine Aufnahmevorrichtung (Rohrstutzen, Hohlwelle) 23 angeordnet, die ortsfest, also nicht mitrotierbar, ist und eine Leitung 26 zum Transport der gasförmigen verdampften Substanz(ein) umschließt und hält. Der rotierende Stutzen 21 des Rotationsgefäßes 20 ist gegenüber der nicht mitrotierenden Leitung 26 und der zugehörigen Aufnahmevorrichtung 23 über eine Rotationsdichtung abgedichtet. Die Antriebseinrichtung 6 und die Aufnahmevorrichtung 23 mit der darin befestigten Leitung 26 sind an einem Gehäuse 8 befestigt und gehalten, das mit einem Schwenkbereich (Schwenkarm) ungefähr der Biegung der Lei­ tung 26 folgend nach oben verläuft und in einem Schwenklager 10 gelagert ist.

Die Leitung 26 weist einen im wesentlichen koaxial zur Rotationsachse R verlaufenden Leitungsbereich 24 und einen im wesentlichen vertikal, d. h. parallel zur Gravitations­ kraft G verlaufenden, zweiten Leitungsbereich 25 auf, die einen stumpfen Winkel von über 90°, beispielsweise 100°, miteinander einschließen und über einen gekrümmten Bereich miteinander verbunden sind.

Der vertikale Leitungsbereich 25 mündet in ein als Faltenbalg ausgebildetes Ausgleich­ selement 50, an dessen entgegengesetzter Seite sich eine vertikal erstreckende weitere Leitung 27 anschließt. An die vom Ausgleichselement 50 abgewandte Seite der Leitung 27 ist ein Kühler 4 angeschlossen.

Die beiden Leitungen 26 und 27 sind in dem Schwenklager 10 gehalten und gegenein­ ander um eine Schwenkachse S verschwenkbar. Dabei bleibt die Leitung 27 ortsfest in der dargestellten Lage an einer kastenförmigen Trägereinrichtung 9 gehalten, während die Leitung 26 mit den bezüglich der Schwenkachse S ortsfest zur Leitung 26 angeord­ neten Rotationsgefäß 2, Antriebseinrichtung 6 und Aufnahmevorrichtung 23 um die Schwenkachse S verschwenkbar ist. Das Schwenklager 10 ist ebenfalls in der Trägerein­ richtung 9 in der durch die Schwenkachse S festgelegten Stellung gehalten. Die Schwen­ kachse S verläuft also horizontal, d. h. senkrecht zur Graviationskraft G.

Die Leitung 26 und die Leitung 27 sind im allgemeinen aus Glas oder einem anderen starren Material gebildet, das bei Knickung oder Biegung durch die Schwenkbewegung zerstört würde. Deshalb sind die beiden Leitungen 26 und 27 über das Ausgleichsele­ ment 50 flexibel miteinander verbunden, so daß eine flexible Strömungsverbindung zwischen den beiden Leitungen 26 und 27 möglich ist.

Das Rotationsgefäß 2 ist also in dem Schwenklager 10 um die Schwenkachse S schwenkbar, wodurch ein Pendelsystem verwirklicht ist. Die Schwenkachse S und das Schwenklager 10 könnten deshalb auch als Pendelachse bzw. Pendellager bezeichnet werden. Die Fig. 1 zeigt eine Stellung, bei der der Leitungsbereich 25 der Leitung 26 koaxial und parallel zur Leitung 27 und damit zur Graviationskraft G gerichtet ist und somit der Faltenbalg des Ausgleichselements 50 in einem entspannten, mit der Mitte­ lachse parallel zur Graviationskraft G verlaufenden Zustand ist. Bei einer Schwenkung des Rotationsgefäßes 2 um die Schwenkachse S nehmen nun die Mittelachsen des Lei­ tungsbereiches 25 der Leitung 26 und der Leitung 27 einen Winkel zueinander ein, der dem Schwenkwinkel aus der dargestellten Nullage heraus entspricht. Entsprechend wird bei einer Schwenkbewegung im Uhrzeigersinn (in der Darstellung der Fig. 1) das Rota­ tionsgefäß 2 sich nach oben und etwas nach links aus der Flüssigkeit F des Flüssigkeits­ bades 3 heben, so daß der Winkel α zwischen der Horizontalen H' und der Rotati­ onsachse R kleiner und der Winkel β zwischen der Rotationsachse R und der Gravitati­ onskraft G größer wird. Bei einer Schwenkbewegung gegen den Uhrzeigersinn wird das Rotationsgefäß 2 dagegen tiefer in die Flüssigkeit F des Flüssigkeitsbades 3 eintauchen, so daß der Winkel α größer und der Winkel β kleiner wird. Anders beschrieben, wird der Schnittpunkt P2 zwischen der Mittelachse des Leitungsteils 25 und der Rotati­ onsachse R beim nach links erfolgenden Schwenken nach links oben und beim Schwen­ ken entgegen dem Uhrzeigersinn nach rechts unten wandern.

In den dargestellten Ausführungsbeispiel n ist das Rotationsgefäß 2 um die Schwen­ kachse S frei schwenkbar, so daß abhängig von der Befüllung und dem Eigengewicht des Rotationsgefäßes 2 und der daraus resultierenden Auftriebskraft in der Flüssigkeit F sich eine Gleichgewichtslage als Schwenklage frei und automatisch einstellt.

Ein Schnittpunkt der Schwenkachse S mit der senkrecht zur Gravitationskraft G ge­ richteten Horizontalen H ist mit P1 bezeichnet. Der Schnittpunkt P1 der Schwenkachse S mit der durch die Gravitationskraft G und die Rotationsachse R aufgespannten verti­ kalen Ebene liegt gemäß Fig. 1 im Mittelpunkt, d. h. im Schnittpunkt der Diagonalen, des Ausgleichselementes 50, so daß die Verformung des Ausgleichselementes 50 beim Ausgleich der Schwenkbewegung um die Schwenkachse S minimal gehalten werden kann.

Wie in Fig. 2 zu erkennen, kann auch eine Dämpfungsvorrichtung 55 vorgesehen sein, die über ein Gegengewicht 57 fest mit dem Schwenklager 10 verbunden ist und für eine spielfreie Lagerung und Dämpfung von resonanten Schwingungen des Rotationsgefäßes 2 sorgt. Die Dämpfungsvorrichtung 55 kann insbesondere hydraulisch funktionieren und eine Ölfüllung aufweisen.

Im Biegungsbereich der Leitung 26 zwischen den beiden Leitungsbereichen 24 und 25 sind zwei nicht näher bezeichnete Anschlüsse vorgesehen, durch die zwei dünne Lei­ tungen 32 und 33 ins Innere der Leitung 26 und durch den Stutzen 21 in den Aufnah­ mebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 führen. Diese Leitungen 32 und 33 dienen zur Zufuhr von Arbeitssubstanzen in das Rotationsgefäß 2. Dabei bildet die Leitung 33 eine Zuführleitung zum Zuführen des zu behandelnden Produktes, insbesondere einer zu konzentrierenden oder zu destillierenden flüssigen Substanz. Die Leitung 33 ist dabei über ein Ventil als Verschließeinrichtung 13 und eine anschließende weitere Leitung 36 mit einem das Produkt enthaltenden Produktgefäß 7 verbunden. Die weitere Leitung 32 dient zum Rückfluß bereits verdampfter und wieder auskondensierter Flüssigkeit in den Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des Rotationsverdampfers gemäß den Fig. 1 und 2, der das Schwenklager 10 in weiteren Einzelheiten zeigt. Das Schwenklager 10 umfaßt eine Schwenkwelle 10C, die in zwei, insbesondere als Wälzlager, vorzugsweise Kugellager, ausgebildete Teillagern 10A und 10B an beiden Seiten der säulenartigen Trägereinrich­ tung 9 koaxial zur (geometrischen) Schwenkachse S gelagert ist.

Das Rotationsgefäß 2 gemäß Fig. 1 und 2 ist vorzugsweise im wesentlichen rotations­ symmetrisch zur Rotationsachse R als Symmetrieachse ausgebildet und dadurch ohne Inhalt unwuchtfrei rotierbar. Das Rotationsgefäß 2 umfaßt einen im wesentlichen kugel­ förmigen Aufnahmebereich 20 zur Aufnahme der zu verdampfenden flüssigen Sub­ stanz(en) und einen sich an einer Öffnung im kugelförmigen Aufnahmebereich 20 an­ schließenden Stutzen 21, der über eine Flanschverbindung an eine Hohlwelle (Rohrteil 17) angeschlossen ist, die von der Antriebseinrichtung 6 angetrieben wird oder antreib­ bar ist.

Das Rotationsgefäß 20 hat also in den dargestellten Ausführungsbeispielen die Gestalt eines Rotationskolbens.

Die Antriebseinrichtung 6 umfaßt zum Antreiben des Rotationsgefäßes 2 einen nicht näher dargestellten elektrischen Antrieb, der in der Regel einen Motor und ein Getriebe umfaßt. Die Drehzahl des Antriebes oder Motors ist steuer- oder regelbar.

Zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl der Antriebseinrichtung 6 ist die Antriebs­ einrichtung 6 mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 verbunden, die die An­ triebseinrichtung 6 über ein mit SC bezeichnetes Steuersignal ansteuert. Das im allge­ meinen elektrische Steuersignal SC wird an einem Ausgang der Steuer- und/oder Rege­ leinrichtung 60 bereitgestellt und wird gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 über eine Steuersignal­ leitung 46, im allgemeinen ein flexibles elektrisches Kabel, und gemäß Fig. 2 über eine schematisch dargestellte elektrische Verbindung überragen. Das von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 erzeugte Steuersignal SC für die Antriebseinrichtung 6 ist ein direktes oder eindeutiges Maß für die von der Antriebseinrichtung 6 einzustellende Drehzahl des Rotationsgefäßes 2. Die Drehzahl entspricht der Anzahl der Umdrehun­ gen des Rotationsgefäßes 2 um die Rotationsachse R pro Zeiteinheit oder der Rotations­ frequenz des Rotationsgefäßes 2. Eine andere äquivalente Größe ist die Winkelge­ schwindigkeit des Rotationsgefäßes 2, die der Drehzahl multipliziert mit dem Faktor 2π entspricht.

An einem oder mehreren Eingängen der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 werden Meßsignale oder Sensorsignale der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zugeführt, die jeweils ein Maß für eine Prozeßgröße des Verdampfungsprozesses darstellen. Aus den empfangenen Meß- oder Sensorsignalen leitet die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 das Steuersignal SC zum Einstellen der Drehzahl der Antriebseinrichtung 6 ab. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 und eine Meßeinrichtung oder Sensoren zum Messen der Prozeßgröße(n) bilden gemeinsam eine Kontrolleinrichtung zum Konrollie­ ren des Verdampfungsprozesses.

Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 ist in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 als externe Steuer- und/oder Regeleinrichtung dargestellt, die beispielsweise als Fernbedienung benutzt werden kann. Gemäß Fig. 2 ist die Steuer- und/oder Rege­ leinrichtung 60 innerhalb der Trägereinrichtung 9 integriert. Die Anordnung der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 ist für ihre Funktion nicht entscheidend und wird nach den spezifischen Anwendungen des Rotationsverdampfers gewählt.

Im Betrieb des Rotationsverdampfers wird das Flüssigkeitsbad 3 mit der im allgemeinen im wesentlichen aus Wasser bestehenden Flüssigkeit F als Wärmeträger durch eine nicht dargestellte Beheizung auf eine für den Rotationsverdampfungsprozeß gewünschte Temperatur oder ein gewünschtes Temperaturprofil geregelt.

Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 steuert nun die Antriebseinrichtung 6 derart an, daß diese das Rotationsgefäß 2 in Rotation bringt mit einer vom Steuersignal SC der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 abhängigen Drehzahl. Die Drehzahl wird auf einen Wert eingestellt, bei dem durch die Rotation des Rotationsgefäßes 2 um die Rota­ tionsachse R an der Innenwand des Aufnahmebereiches 20 ein dünner Film MF, insbe­ sondere ein Flüssigkeitsfilm, des Mediums M mit der zu verdampfenden Substanz(en) erzeugt wird. Aus diesem Film MF des Mediums M wird durch die thermische Energie­ zufuhr aus der Flüssigkeit F die Substanz kontrolliert verdampft und durch den Stutzen 21, die Leitung 26 und die Leitung 27 als Dampf oder Gasleitung nach oben geführt zu dem Kühler 4.

Die Ausbildung des Filmes MF an der Innenwand des Rotationsgefäßes 2 kann von einer Vielzahl von Prozeßgrößen abhängen oder von diesen beeinflußt werden. Zu die­ sen Prozeßgrößen zählen insbesondere die Eigenschaften des Mediums M selbst.

Eine Eigenschaft des Mediums M, die die Filmbildung des Filmes MF und die Ver­ dampferleistung negativ beeinflussen kann, ist das Schäumen oder eine Schaumbildung während des Verdampfungsprozesses. An dem Teil der Innenwand des Rotationsgefä­ ßes 2, an dem der Schaum anhaftet, kann sich kein Film MF oder kein idealer Film MF des Mediums M ausbilden.

Um das Problem der Schaumbildung zu beheben oder zumindest zu lindern, umfaßt die Kontrolleinrichtung zum Kontrollieren des Verdampfungsprozesses über die Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 neben der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 gemäß Fig. 1 auch zwei Schaumsensoren 14 und 15 zur Erfassung einer Schaumbildung im Innern des Rotationsgefäßes 2. Die Anordnung der Schaumsensoren 14 und 15 am Rotations­ gefäß 2 ist derart, daß einer der beiden Schaumsensoren 14 und 15 ein von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung erhaltenes Signal sendet und der andere der beiden Schaum­ sensoren 14 und 15 das vom Schaum des Mediums M reflektierte Signal empfängt und der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zuführt. In der dargestellten Ausführungs­ form gemäß Fig. 1 kann insbesondere der Schaumsensor 14 ein Signal SA, das ihm von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 über die Leitung 44 zugeführt wird, aussen­ den und der Schaumsensor 15 das reflektierte Signal (Reflexionssignal) als Sensorsignal SB über die Leitung 45 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zuführen. Das Sen­ sorsignal SB des Schaumsensors 15 ist nun ein direktes Maß für die Ausdehnung des Schaumes des Mediums M im Rotationsgefäß 2, da sich das Reflexionsverhalten im Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 mit der Ausdehnung des Schaumes ändert.

Abhängig von dem erhaltenen Reflexionssignal oder Sensorsignal SB des Schaumsen­ sors 15 leitet die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 ein Steuersignal SC ab, das über die Leitung 46 der Antriebseinrichtung 6 zugeführt wird und die Drehzahl der Antriebs­ einrichtung 6 und damit des Rotationsgefäßes 2 entsprechend dem detektierten Schaum im Rotationsgefäß 2 anpaßt. So wird die Drehzahl bei einer über einem akzeptablen Toleranzwert liegenden Schaumbildung im Rotationsgefäß 2 verändert werden müssen.

Um eine gute Leistungsfähigkeit des Rotationsverdampfers zu gewährleisten, darf die Drehzahl nicht einen Wert erreichen, bei dem kein idealer Film mehr ausgebildet wird

Die Schaumsensoren 14 und 15 sind vorzugsweise optische Sensoren oder Infrarot- Sensoren oder auch Radarsensoren. Es können auch beide Schaumsensoren 14 und 15 sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden oder der Schaumsen­ sor 15 als Sender dienen und der Schaumsensor 14 als Empfänger. Die Erkennung von Schaumbildung im Rotationsgefäß 2 kann auch mit Hilfe von Kameras und einer ent­ sprechenden Auswertung, beispielsweise Mustererkennung oder Helligkeitsanalyse, als Schaumsensor geschehen. Die Erfassung eines Schäumens des Produktes oder Mediums M kann durch das Anbringen mehrerer Schaumsensoren noch verbessert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und dem Ausfühnungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist an der Schwenkachse S für das Rotationsgefäß 2 ein Inklinometer 16 als Sensor an­ geordnet. Das Inklinometer 16 erfaßt die Schwenklage des Rotationsgefäßes 2, also die Stellung der entsprechenden Welle gegenüber einer Referenz-Drehlage. In Fig. 2 ent­ spricht diese Schwenklage dem Winkel α zwischen der Rotationsachse R und der Hori­ zontalen H'. Dieser Neigungswinkel α ändert sich nun mit der Drehzahl des Rotations­ gefäßes 2. Das Sensorsignal SD des Inklinometers 16 ist also abhängig von der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2. Das Inklinometer 16 umfaßt vorzugsweise ein Drehpotention­ meter, dessen Ausgangsspannung proportional zum Neigungswinkel α ist.

Gemäß Fig. 2 und Fig. 3 wird das Sensorsignal SD des Inklinometers 16 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zugeführt, und zwar gemäß Fig. 2 über eine schematisch dargestellte elektrische Verbindung und gemäß Fig. 3 über ein flexibles elektrisches Kabel als Sensorsignalleitung 48.

Erfaßt man nun das Sensorsignal SD des Inklinometers 16, entsprechend dem Nei­ gungswinkel α, bei zwei verschiedenen Drehwinkelpositionen des Rotationsgefäßes 2, beispielsweise zwei um einen Winkel von 90° zueinander versetzten Drehwinkelpositio­ nen, so erhält man, bedingt durch die ungleiche Massenverteilung des Mediums M auf der Innenseite des Rotationsgefäßes 2, an den beiden Drehwinkelpositionen voneinan­ der verschiedene Sensorsignale SD 1 und SD 2.

Das bei den beiden zueinander versetzten Drehwinkelpositionen abgetastete Sensorsi­ gnal SD bzw. SD 1 und SD 2 des Inklinometers 16 wird von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 ausgewertet, die daraus das Drehverhalten des Rotationsgefäßes 2 mit dem Medium M in Abhängigkeit von dem im Rotationsgefäß 2 befindlichen Produkt oder Medium M und der jeweiligen Drehzahl interpretiert.

Werden beispielsweise zunehmend stark schwankende oder zunehmend sich ändernde Sensorsignale SD 1 und SD 2 bei den beiden Drehwinkelpositionen oder Signalunter­ schiede SD 1-SD 2 zwischen den Sensorsignalen SD 1 und SD 2 bei den beiden Drehwinkelpositionen festgestellt, so kann daraus der Schluß gezogen werden, daß kein gleichmäßiger Film oder keine gleichmäßige Schicht auf der Innenwand des Rotations­ gefäßes 2 erzeugt wird, sondern die Filmstärke oder Schichtstärke immer ungleichmäßi­ ger wird. Dies kann soweit führen, daß ein Teil des Produktes oder Mediums M im Ro­ tationsgefäß 2 als exzentrische Masse an der Innenwand des Rotationsgefäßes 2 anhaf­ tet.

Um diesem die Verdampferleistung vermindernden Effekt entgegenzuwirken, regelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 die Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 so ein, daß ein möglichst gleichmäßiger Filmauftrag oder Schichtstärke an der Innenwand des Ro­ tationsgefäßes 2 gewährleistet ist. Dazu wird die Schwankung oder Änderung der Sen­ sorsignale SD des Inklinometers 16 entsprechend reduziert durch Stellen der Drehzahl gen oder Signalunterschiede bei den beiden Drehwinkelpositionen innerhalb eines vor­ gegebenen Toleranzbereiches bleiben. Die Regelgröße des Regelkreises ist also das Sen­ sorsignal SD, das ein Maß für die Massenverteilung im Rotationsgefäß 2 ist, und die Stellgröße ist die Drehzahl des Rotationsgefäßes 2, die über die Antriebseinrichtung 6 vorgegeben wird.

Derartige durch die Massenverteilung oder das Massenträgheitsmoment des Mediums M im Rotationsgefäß 2 bewirkte Schwingungsbewegungen des Rotationsgefäßes 2 können anstelle mit einem Inklinometer 16 auch mittels anderer Sensoren erfaßt werden, insbe­ sondere mit mechanischen Sensoren zum Erfassen von Druck und/oder Kraft oder mit akustischen Sensoren, die eine durch die Schwingung angeregte akustische Schwingung (Schallwelle) detektieren.

Statt die Schwingbewegung des Rotationsgefäßes 2 zu messen, kann in einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform, auch die Stromaufnahme oder die Leistungsauf­ nahme des Motors der Antriebseinrichtung 6 gemessen werden. Die zeitlichen Ände­ rungen des Stromes oder der Leistung des Motors der Antriebseinrichtung 6 in Abhängigkeit der Drehwinkelposition des Rotationsgefäßes 2 und/oder der Drehzahl des Ro­ tationsgefäßes 2 können ebenfalls von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 aus­ gewertet werden, um die Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 optimal anzupassen.

Das Massenträgheitsmoment des Rotationsgefäßes 2 mit Inhalt, also gefüllt mit dem Medium M, kann in einer weiteren Ausführungsform auch dadurch bestimmt werden, daß die Zeit gemessen wird, die zur Beschleunigung oder Abbremsung des Rotationsge­ fäßes 2 von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl benötigt wird. Da das Rota­ tionsgefäß 2 selbst ein im wesentlichen unveränderlicher Körper ist, sind Änderungen dieser Zeiten ein direktes Maß für Änderungen des Massenträgheitsmomentes des Me­ diums M im Rotationsgefäß 2. Von besonderem Interesse ist dabei die zeitliche Ände­ rung des Massenträgheitsmomentes. Diese Messung des Massenträgheitsmomentes oder einer Änderung des Massenträgheitsmomentes kann innerhalb einer Umdrehung des Rotationsgefäßes 2 erfolgen.

Die Sensorsignale SA, SB gemäß Fig. 1 oder SD gemäß Fig. 2 oder Fig. 3 können je nach Art des verwendeten Sensors 14, 15 bzw. 16 analoge Signale oder digitale Signale sein. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 enthält üblicherweise wenigstens einen Mikroprozessor oder Signalprozessor zum Ableiten des Steuersignals SC aus dem Sen­ sorsignal SA oder SB oder SD. Bei einem analogen Sensorsignal SA, SB oder SD enthält die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 eine dem Mikroprozessor vorgeschalteten Analog-/Digital-Wandler. Auch das vom Mikroprozessor errechnete digitale Steuersi­ gnal (oder Steuerwert) kann in ein analoges oder digitales Steuersignal SC am Ausgang umgewandelt bzw. verstärkt werden. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 kann aber auch analoge Komponenten zur Signalverarbeitung enthalten.

Insbesondere wenn das Medium M eine Pulver oder ein pulverähnliches Produkt ist, kann es sinnvoll sein, auch die Drehrichtung des Rotationsgefäßes 2, die in Fig. 1 und 2 mit DR bezeichnet ist, zumindest vorübergehend zu ändern, oder einen sich für eine vorgegebene Zeitdauer wiederholenden Drehrichtungswechsel durchzuführen. Diese Drehrichtungsänderung kann dazu herangezogen werden, exaktere Aussagen über die ideale oder nahezu ideale Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 zu erhalten. Als Sonderfall sei hier eine auf und abschwellende Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 erwähnt. Pulver oder pulverähnliche Produkte oder Medien M im Rotationsgefäß 2 sind deshalb als pro­ blematisch zu betrachten, da sie oft Bereiche bilden, die nicht homogen sind, beispiels­ weise durch Unterschiede in der Dichte bedingte durch die nicht optimale Einstellung der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 oder Zusammenballung des Pulvers oder pul­ verähnlichen Produktes aufgrund elektrostatischer Effekte.

Die Sensoren zum Erfassen von Prozeßgrößen können an unterschiedlichen Orten an­ gebracht werden, die nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt sind. Beispielsweise können auch an der Antriebseinrichtung 6 selbst Sensoren vorgesehen sein, z. B. Dehnmeßstreifen, Druck- oder Kraftsensoren, optische Sensoren, Radarsen­ soren oder Inklinometer, oder am Flüssigkeitsbad 3, beispielsweise Druck- und Kraftsensoren, optische Sensoren, Radarsensoren oder Niveausensoren, oder am Ge­ häuse und/oder Gestell des Rotationsverdampfers, insbesondere der Trägereinrichtung 9, wobei hier insbesondere Druck- und Kraftsensoren, optische Sensoren oder Radar­ sensoren eingesetzt werden können, oder an anderen Orten in der Nähe des Rotations­ verdampfers, an denen eindeutige Signale empfangen werden, beispielsweise berüh­ rungslose Sensoren wie optische, akustische, kapazitive, induktive oder Radar-Sensoren.

Die Einstellung oder Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 geschieht rege­ lungstechnisch vorzugsweise dadurch, daß die relevante (n) Prozeßgröße (n) als Regel­ größe in einem Regelkreis gemessen und auf eine vorgegebene Führungsgröße oder Sollgröße geregelt wird bzw. werden durch Stellen oder Steuern der Drehzahl des Rota­ tionsgefäßes und ggf. auch der Drehrichtung des Rotationsgefäßes. Beim Einstellen der Drehzahl des Rotationsgefäßes kann natürlich in der Antriebseinrichtung 6 ein konven­ tioneller Drehzahlregler vorgesehen sein zur Konstanthaltung der angepaßten Drehzahl des Rotationsgefäßes. Dieser Drehzahlregler ist nicht mit der prozeßabhängigen Ein­ stellung der Drehzahl des Rotationsgefäßes zu verwechseln.

In dem Kühler 4 gemäß Fig. 1 (oder Fig. 2) ist nun ferner ein Wärmetauscher 40 vor­ gesehen, durch den der Dampf seine Wärme abgibt und im Kühler 4 wieder zu Flüssig­ keit auskondensiert. Das Kondensat oder Destillat wird in einem Destillatsammler 41 im unteren Bereich des Kühlers 4 gesammelt und über eine Leitung 35 am unteren Ende des Destillatsammlers 41, eine Verschließeinrichtung 11, eine weitere Leitung 31, eine Verschließeinrichtung 12 und eine weitere Leitung 34 einem Destillatsammelgefäß 5 zugeführt.

Die Verschließeinrichtung 12 ist als Dreiwege-Ventil oder -Hahn ausgebildet und ver­ bindet die Leitung 31 nicht nur mit der Leitung 34, sondern auch mit der bereits er­ wähnten Leitung 32. Je nach Einstellung der Verschließeinrichtung 12 kann somit ein Teil oder das gesamte Destillat, das aus dem Destillatsammler 41 kommend durch die Leitung 31 fließt, in die Leitung 32 weitergeleitet werden und somit zurück in den Auf­ nahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 fließen. Es ist somit eine Rückflußvorrichtung gebildet zum Rückfließen von bereits verdampften und wieder auskondensierten De­ stillat aus dem Kühler 4 zurück in den Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2.

Sperrt man die Verschließeinrichtung 11 ab, so wird der Destillatsammler 41 des Küh­ lers 4 überflutet und das nicht mehr über die Leitung 35 abfließende Destillat fließt nun über die Dampfleitung, also die Leitungen 27 und 26 sowie den Stutzen 21, als Rück­ flußvorrichtung direkt in den Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 zurück Da­ durch wird eine verbesserte Selbstreinigung des Dampfweges erreicht.

Der Dampfweg für das verdampfte Produkt ist somit sehr kurz gehalten und verläuft praktisch entlang der vertikalen Auftriebsrichtung des Dampfes.

Im Normalfall enthält das aus dem Produktgefäß 7 stammende Produkt oder Medium M im Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 wenigstens zwei Komponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten oder Verdampfungstemperaturen, so daß nur eine oder ein Teil der enthaltenen Substanzen mit niedrigerem Siedepunkt beim Rotationsver­ dampfungsprozeß verdampft und die Substanz(en) mit den höheren Siedepunkten im Rotationsgefäß 2 verbleiben. Dadurch kann eine Konzentration oder Destillation des Ausgangsproduktes erreicht werden.

Bezugszeichenliste

2

Rotationsgefäß

3

Flüssigkeitsbad

4

Kühler

5

Destillatsammelgefäß

6

Antriebseinrichtung

7

Produktgefäß

8

Gehäuse

9

Trägereinrichtung

10

Schwenklager

11

,

12

,

13

Verschließeinrichtung

14

,

15

Schaumsensor

16

Inklinometer

20

Rotationsgefäß

21

Stutzen

22

Hohlwelle

23

Aufnahmevorrichtung

24

,

25

Leitungsteil

31

bis

36

Leitung

40

Wärmetauscher

41

Destillatsammler

44

,

45

Sensorsignalleitung

46

Steuersignalleitung

48

Signalleitung

50

Ausgleichselement

55

Dämpfungsvorrichtung

57

Gegengewicht

58

Boden

60

Steuer- und/oder Regeleinrichtung
DR Drehrichtung
F Flüssigkeit
G Gravitationskraft
H, H' Horizontale
R Rotationsachse
S Schwenkachse
SA, SB Sensorsignal
SC Steuersignal
P1 oberer Schnittpunkt
P2 unterer Schnittpunkt
α, β Winkel

Claims (38)

1. Vorrichtung zum Verdampfen wenigstens einer Substanz mit

• a) einem Rotationsgefäß (2) zur Aufnahme eines Mediums (M), das die wenigstens eine zu verdampfende Substanz umfaßt oder aus dieser bzw. diesen besteht,
• b) einer Antriebseinrichtung (6) zum Rotieren des Rotationsgefäßes um eine Rota­ tionsachse (R), und mit
• c) einer mit der Antriebseinrichtung in Wirkverbindung stehenden Kontrollein­ richtung (60, 14, 15, 16)
  • 1. zum Erfassen wenigstens einer Prozeßgröße und
  • 2. zum automatischen Steuern oder Regeln der Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von der oder den erfaßten Prozeßgröße(n).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kontrolleinrichtung die Drehzahl des Rotationsgefäßes so steuert oder regelt, daß zumindest an einem Teilbereich der Innenwandung des Rotationsgefäßes ein, vorzugsweise wenigstens annähernd gleichmäßiger und/oder für die Verdampfungsleistung günstiger, Film (MF) des Mediums erzeugt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der wenigstens eine zu ver­ dampfende Substanz oder das Medium im wesentlichen flüssig ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens eine zu verdampfende Substanz oder das Medium im wesentlichen aus festen Partikeln besteht, insbesondere in Form von Pulver oder Granulat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kontrolleinrichtung die Drehzahl des Rotationsgefäßes so steuert oder regelt, daß eine möglichst gute Vermischung der Partikel der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums stattfindet.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung die Drehzahl des Rotationsgefäßes so steuert oder re­ gelt, daß ein möglichst guter Wärmetransport innerhalb der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums erreicht wird.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einem Wärmeträgerbad (3), in das das Rotationsgefäß im Betrieb wenigstens teilweise eintaucht oder eintauchbar ist und durch das das Rotationsgefäß auf zur Verdampfung der zu verdampfenden Substanz(en) geeignete Temperaturen gebracht oder bringbar ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Rotationsgefäß zusätzlich, vorzugsweise zumindest in einem vorgege­ benen Schwenkbereich frei, um eine Schwenkachse (5) schwenkbar ist und die Kontrolleinrichtung einen Schwenkwinkel (α) des Rotationsgefäßes gegenüber einer Referenzlage (H') als Prozeßgröße erfaßt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Rotationsachse mit einer Hauptträgheitsachse des Rotationsgefäßes zusam­ menfällt, vorzugsweise mit einer Symmetrieachse, bezüglich derer das Rotati­ onsgefäß rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung als Prozeßgröße das Schwingungsverhalten, insbesonde­ re ein Resonanzverhalten, des Rotationsgefäßes oder eines mit dem Rotationsge­ fäß mechanisch gekoppelten Körpers, insbesondere der Antriebseinrichtung oder Teilen davon wie beispielsweise einer Antriebswelle oder einer Trägerein­ richtung oder des Wärmeträgerbades, erfaßt.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung als Prozeßgröße(n) die Massenverteilung, das Massen­ trägheitsmoment und/oder eine Änderung der Massenverteilung bzw. des Mas­ senträgheitsmoments der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums im Rotationsgefäß erfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Kontrolleinrichtung das Massenträg­ heitsmoment durch Messen der zur Beschleunigung oder Abbremsung des Ro­ tationsgefäßes von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl benötigten Zeit erfaßt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung die Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von einem Vergleich der bei mit den Substanz(en) gefülltem Rotationsgefäß erfaßten aktu­ ellen Prozeßgröße einerseits mit der zuvor bei nicht mit den Substanz(en) gefülltem Rotationsgefäß erfaßten Referenz-Prozeßgröße andererseits steuert oder regelt.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung als Prozeßgröße die zum Rotieren des Rotationsgefäßes benötigte Antriebsleistung der Antriebseinrichtung erfaßt.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung (60, 14, 15) als Prozeßgröße eine Schaumbildung im Rotationsgefäß erfaßt.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung die Prozeßgröße bei wenigstens zwei unterschiedlichen Drehwinkelpositionen des Rotationsgefäßes erfaßt und die Drehzahl abhängig von den Meßwerten der Prozeßgröße bei diesen wenigstens zwei unterschiedli­ chen Drehwinkelpositionen steuert oder regelt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Kontrolleinrichtung die Drehzahl abhängig von den Meßwerten der Prozeßgröße bei den wenigstens zwei unter­ schiedlichen Drehwinkelpositionen derart steuert oder regelt, daß Abweichun­ gen zwischen diesen Meßwerten innerhalb eines vorgegebenen Toleranzberei­ ches liegen.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antriebseinrichtung so ausgelegt ist, daß eine Rotation des Rotationsgefäßes in beiden Drehrichtungen um die Rotationsachse möglich ist, und die Kontroll­ einrichtung die Drehrichtung des Rotationsgefäßes in vorgegebener Weise, ins­ besondere in regelmäßigen Abständen, ändert.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Kontrolleinrichtung die Drehrich­ tung des Rotationsgefäßes abhängig von wenigstens einer Prozeßgröße steuert oder regelt.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kontrolleinrichtung zum Erfassen der wenigstens einen Prozeßgröße einen oder mehrere Sensoren (14, 15, 16) aus der folgende Sensoren umfassenden Gruppe von Sensoren umfaßt: akustische Sensoren; elektromagnetische Strahlung messende Sensoren, insbesondere optische oder Infrarot-Sensoren oder Radarsensoren; Positionssensoren, insbesondere Niveausensoren, Lagesensoren oder Winkelpositionsgeber wie Inklinometer; elektrische und/oder magnetische Felder erfassende Sensoren, insbesondere kapazitive oder induktive Sensoren, Feldstärkesensoren; Druck- und/oder Kraft- und/oder Gewichtssensoren; Aus­ dehnungssensoren; elektrische Strom- oder Leistungssensoren.

21. Verfahren zum Verdampfen wenigstens einer Substanz, bei dem

• a) ein Medium (M), das die wenigstens eine zu verdampfende Substanz enthält oder aus dieser besteht, in ein Rotationsgefäß (2) eingebracht wird,
• b) das Rotationsgefäß um eine Rotationsachse (R) rotiert wird,
• c) wenigstens eine Prozeßgröße erfaßt wird und
• d) abhängig von der erfaßten, wenigstens einen Prozeßgröße die Drehzahl des Ro­ tationsgefäßes automatisch gesteuert oder geregelt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Drehzahl des Rotationsgefäßes so gesteuert oder geregelt wird, daß zumindest an einem Teilbereich der Innenwan­ dung des Rotationsgefäßes ein, vorzugsweise wenigstens annähernd gleichmäßi­ ger und/oder für die Verdampfungsleistung günstiger, Film des Mediums er­ zeugt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, bei dem wenigstens eine zu verdampfende Substanz oder das Medium im wesentlichen flüssig ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem wenigstens eine zu verdampfende Substanz oder das Medium im wesentlichen aus festen Partikeln besteht, insbesondere in Form von Pulver oder Granulat.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Drehzahl des Rotationsgefäßes so gesteuert oder geregelt wird, daß eine möglichst gute Vermischung der Partikel der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums erreicht wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem die Drehzahl des Rota­ tionsgefäßes so gesteuert oder geregelt wird, daß ein möglichst guter Wärme­ transport innerhalb der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums er­ reicht wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem als Prozeßgröße das Schwingungsverhalten, insbesondere ein Resonanzverhalten, des Rotationsgefä­ ßes oder eines mit dem Rotationsgefäß mechanisch gekoppelten Körpers, insbe­ sondere der Antriebseinrichtung oder Teilen davon wie beispielsweise einer An­ triebswelle oder einer Trägereinrichtung, erfaßt wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, bei dem als Prozeßgröße(n) die Massenverteilung, das Massenträgheitsmoment und/oder eine Änderung der Massenverteilung bzw. des Massenträgheitsmoments der zu verdampfenden Substanz(en) oder des Mediums im Rotationsgefäß erfaßt wird.

29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 28, bei dem die Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von einem Vergleich der bei mit den Substanz(en) gefülltem Rotationsgefäß erfaßten aktuellen Prozeßgröße einerseits mit der zuvor bei nicht mit den Substanz(en) gefülltem Rotationsgefäß erfaßten Referenz-Prozeßgröße andererseits gesteuert oder geregelt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 27 oder Anspruch 29, bei dem das Massenträgheits­ moment durch Messen der zur Beschleunigung oder Abbremsung des Rotati­ onsgefäßes von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl benötigten Zeit erfaßt wirci

31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 30, bei dem als Pro­ zeßgröße die zum Rotieren des Rotationsgefäßes benötigte Antriebsleistung er­ faßt wird.

32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 31, bei dem das Rotationsgefäß um eine Schwenkachse (S) schwenkbar ist und ein Schwenkwin­ kel (α) des Rotationsgefäßes gegenüber einer Referenzlage als Prozeßgröße er­ faßt wird.

33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 32, bei dem als Pro­ zeßgröße eine Schaumbildung im Rotationsgefäß erfaßt wird.

34. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 33, bei dem die Prozeßgröße bei wenigstens zwei unterschiedlichen Drehwinkelpositionen des Rotationsgefäßes erfaßt wird und die Drehzahl abhängig von den Meßwerten der Prozeßgröße bei diesen wenigstens zwei unterschiedlichen Drehwinkelposi­ tionen gesteuert oder geregelt wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem die Drehzahl abhängig von den Meß­ werten der Prozeßgröße bei den wenigstens zwei unterschiedlichen Drehwinkel­ positionen derart gesteuert oder geregelt wird, daß Abweichungen zwischen die­ sen Meßwerten innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen.

36. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 35, bei dem die Drehrichtung des Rotationsgefäßes in vorgegebener Weise, insbesondere in re­ gelmäßigen Abständen, gewechselt wird.

37. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem die Drehrichtung des Rotationsgefäßes abhängig von wenigstens einer Prozeßgröße gesteuert oder geregelt wird.

38. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 37, bei dem das Rotationsgefäß in einem Wärmeträger (3) rotiert wird und dabei auf zur Ver­ dampfung der zu verdampfenden Substanz(en) geeignete Temperaturen ge­ bracht wird.