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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verdampfen
wenigstens einer Substanz.
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Es
sind als Rotationsverdampfer bezeichnete Vorrichtungen zum Verdampfen
von Substanzen, insbesondere zum Verdampfen von Lösemitteln
beim Konzentrieren oder Destillieren von pharmazeutischen oder chemischen
Produkten, bekannt. Bei diesen bekannten 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 Innenseite 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
Rotationskolben. Der Dampf wird aus dem Rotationskolben durch eine
Dampfleitung einem Kühler
zugeführt
und dort wieder auskondensiert. Im allgemeinen wird im Rotationskolben
auch ein Unterdruck oder Vakuum erzeugt, um den Dampfdruck der zu verdampfenden
Substanzen zu erhöhen
und um das Produkt zu schonen. Die Dampfleitung ist in einem Durchführungsbereich
an den Rotationskolben über eine
drehbare Verbindung angeschlossen. Die Verbindungsstelle ist mittels
einer Rotationsdichtung abgedichtet.
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Die
DE-PS 1 224 062 offenbart einen Rotationsverdampfer mit einem um
seine Symmetrieachse über
einen motorischen Antrieb drehbaren Arbeitskolben. Der Arbeitskolben
ist außerdem
um eine zu seiner Symmetrieachse senkrecht verlaufende Schwenkachse
frei schwenkbar, wobei er auf der Oberfläche eines Wasserbades frei
schwimmt. Bei einem Rotationsverdampfer mit einem solchen Pendelsystem
wird also die Gewichtskraft des Arbeitskolbens mit der darin enthaltenen
zu verdampfenden Substanz allein durch den Auftrieb des Arbeitskolbens
im Wasserbad gehalten und dadurch werden Drehmomente und Kräfte auf
die Halterung des Arbeitskolbens deutlich reduziert.
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Aus
der
DE 35 11 981 C2 ist
ein Verfahren zur Vakuumrotationsverdampfung sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens bekannt. Dieser bekannte Rotationsverdampfer 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 Flüssigkeitsspiegel 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 zugeführte, zu verdampfende Flüssigkeit
verwendet. Ein entsprechendes Stellelement (Magnetventil) ermöglicht die
Zufuhr an zu verdampfender Flüssigkeit
in Rotationskolben und sperrt diese, um somit den Füllinhalt
des Rotationskolbens mit der zu verdampfenden 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 Rotationsverdampfer
mit einem guten Wirkungsgrad. Zur Erfassung der Höhenlage
des Rotationskolbens relativ zum Flüssigkeitsspiegel kann die Veränderung
seiner Winkellage zu einer ortsfesten Halterung, z. B. einem Stativ,
mit einem Inklinometer, das ein Drehpotentiometer enthält, oder über Lichtschranken
oder einen sich mit der Höhenlage verändernden,
senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche stehenden,
Widerstand gemessen werden.
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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 Rotationskolbens 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 schwimmend gehalten, insbesondere durch ein Pendelsystem
oder ein lineares Hebe- und Senksystem. 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 Destillatmasse oder
durch ein Wiegen des Produktes vor dem Einbringen in den Rotationskolbens
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 bekannten Rotationsverdampfers kann
der Auftrieb auf den Rotationskolben im Bad gemessen 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 Auftrieb
ist ein direktes Maß für den Kolbenmasseninhalt.
Als Regelung für
den Verdampfungsprozeß 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 gesamten Inhaltes des Rotationskolbens
geregelt oder gesteuert. Weitere Regelungen oder Steuerungen außer der
des Befüllungsgrades
des Rotationskolbens sind nicht angegeben.
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Aus
DE 33 30 764 A1 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Rotationsverdampfers bekannt, bei der die Drehgeschwindigkeit
des Rotationskolbens abgetastet wird und die Drehgeschwindigkeit zeitgesteuert
innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls von einer vorgegebenen
Anfangsgeschwindigkeit auf eine niedrigere Endgeschwindigkeit verlangsamt
wird.
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Aus
CH 411 783 ist ein weiterer
Rotationsverdampfer bekannt, bei dem die Drehzahl des Rotationskolbens
veränderbar
ist. In Abhängigkeit
von welchen Bedingungen die Drehzahl verändert wird, ist in
CH 411 783 nicht erwähnt.
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Die
weitere Druckschrift
DE
199 09 228 A1 offenbart nun ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Eindampfen von Flüssigkeitsproben
auf ein bestimmtes Restvolumen mit einem rotierenden Verdampfungskolben,
der birnenförmig
ausgebildet ist mit einem bauchigen oberen Bereich und einem sich
verjüngenden
Fortsatz im unteren Bereich. Dieses Verdampfungssystem unterscheidet
sich von den bisher beschriebenen Rotationsverdampfern zunächst darin,
daß die
Rotationsachse des Verdampfungskolbens vertikal, also parallel zur
Gravitationskraft, gerichtet ist. Dadurch sammelt sich das flüssige Medium
im unteren, verjüngten
Bereich des Verdampfungskolbens, solange sich der Kolben nicht dreht. Für einen
Verdampfungsprozeß wird
der Verdampfungskolben jedoch nun so schnell gedreht, daß das gesamte
Medium aufgrund der Zentrifugalkräfte nach oben in den bauchigen
Bereich steigt und dort an der Innenwandung einen dicken Film bildet.
Gesteuert wird das Hochwandern des Mediums in den bauchigen Bereich
mit einer am Übergang
zwischen dem bauchigen Bereich und dem Fortsatz angeordneten Lichtschranke,
zur Erfassung des Flüssigkeitspegels. Während des
Verdampfungsprozesses befindet sich kein Medium im unteren Bereich
oder Fortsatz des Kolbens. Außerdem
wird der Film im bauchigen Bereich des Kolbens nicht wie bei einem üblichen
Rotationsverdampfer während
des Verdampfungsprozesses ständig
erneuert oder neu aufgezogen, sondern verbleibt an der Innenwand
des Kolbens, bis nur noch der Restfilm übrig ist. Der Wirkungsgrad
oder die Verdampfungsleistung dieses Rotationsverdampfers ist deshalb
beschränkt.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Verdampfen wenigstens einer Substanz mit einem guten Wirkungsgrad
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 21.
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Die
Vorrichtung gemäß Anspruch
1 zum Verdampfen wenigstens einer Substanz umfaßt
- 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
gegen die Schwerkraft (oder: Gravitationskraft, Erdanziehungskraft)
geneigte, also nicht parallel zur Schwerkraft gerichtete, Rotationsachse
(Drehachse) sowie
- c) eine mit der Antriebseinrichtung in Wirkverbindung stehende
Kontrolleinrichtung
- c1) zum unmittelbaren oder mittelbaren Erfassen wenigstens einer
Prozeßgröße und
- c2) zum automatischen (selbsttätigen) Einstellen oder Anpassen
oder Steuern oder Regeln der Drehzahl des Rotationsgefäßes abhängig von
der oder den erfaßten
Prozeßgröße(n),
wobei
- d) die Kontrolleinrichtung die Drehzahl des Rotationsgefäßes so steuert
oder regelt, daß sich
im unteren Bereich des Rotationsgefäßes ein durch die Schwerkraft
nach unten gezogenes Reservoir des Mediums befindet, aus dem heraus
sich zumindest an einem Teilbereich der Innenwandung des Rotationsgefäßes ein,
vorzugsweise wenigstens annähernd
gleichmäßiger und/oder
für die
Verdampfungsleistung günstiger,
permanent erneuerter Film des Mediums bildet.
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Unter
dem Begriff Verdampfen sollen dabei alle Vorgänge verstanden werden, bei
denen 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 Verdampfen
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 Substanz in
die Gas- oder Dampfphase bezeichnet werden.
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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, die gegen die Schwerkraft geneigt ist,
- 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, derart,
daß im
unteren Bereich des Rotationsgefäßes sich
ein durch die Schwerkraft nach unten gezogenes Reservoir des Mediums
bildet, aus dem heraus zumindest an einem Teilbereich der Innenwandung
des Rotationsgefäßes ein,
vorzugsweise wenigstens annähernd
gleichmäßiger und/oder
für die
Verdampfungsleistung günstiger,
Film des Mediums erzeugt und permanent erneuert wird.
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Die
Erfindung geht zunächst
aus von der auch schon in der
DE 35 11 981 C2 beschriebenen Tatsache, daß der Wirkungsgrad
des Rotationsverdampfers um so besser ist, je größer der Anteil der von dem
im Rotationsgefäß befindlichen
Medium (zu verdampfende 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 möglichst große Verdampfungsoberfläche und
damit eine möglichst
hohe Verdampfungsrate oder ein möglichst
hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
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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 eingeschlagen werden kann.
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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.
Insbesondere wird durch die Drehzahl des Rotationsgefäßes unmittelbar
die Bildung, Beschaffenheit und Ausdehnung des Films (der dünnen Schicht)
des Mediums mit der zu verdampfenden Substanz auf der Innenseite
des Rotationsgefäßes beeinflußt. Da aus
diesem Film heraus die Substanz verdampft, beeinflußt die Drehzahl
auch unmittelbar die Verdampfungsleistung des Rotationsverdampfers.
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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
Anderungen oder zu große
Abweichungen der aktuellen Prozeßbedingungen oder Prozeßgrößen durch
eine entspre chende Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes wenigstens
teilweise verhindert oder ausgeglichen werden.
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Durch
die geeignete Einstellung oder Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes zumindest an
einem Teilbereich 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 Rotationsgefäßes, wobei
vor allem vorteilhaft ist, wenn der Film möglichst zusammenhängend 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 Rotationsgefäßes möglichst
hoch eingestellt oder optimiert werden.
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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.
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Die
Ausbildung des Filmes des Mediums an der inneren Oberfläche des
Rotationsgefäßes ist
ein komplexer Vorgang, der von dem Wechselspiel der Kohäsionskräfte im Medium
und der Adhäsionskräfte zwischen
dem Medium und der Gefäßwand des
Rotationsgefäßes einerseits
sowie der auf das Medium ferner einwirkenden Schwerkraft (oder:
Erdanziehungskraft, Gravitationskraft) und der durch die Rotation
erzeugten Zentrifugalkräfte
andererseits abhängt.
Die Drehzahlanpassung gemäß der Erfindung greift
durch die entsprechende Anderung der Zentrifugalkräfte in diesen
Prozeß der
Filmbildung zum Zustandekommen eines optimalen Films ein.
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Von
besonderer Bedeutung als Prozeßgrößen sind
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.
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Insbesondere
können
die folgenden Prozeßgrößen (oder:
Prozeßfaktoren,
Prozeßparameter)
bei der selbsttätigen
Einstellung oder Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes 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.
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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.
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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.
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In
der technischen Realisierung der Erfindung wird im allgemeinen ein
Regelkreis aufgebaut werden, dessen Regelgröße(n) die Prozeßgröße(n) oder
den Prozeßgröße(n) entsprechende
Meß- oder Sensorsignale
oder Meßwerte
sind und dessen Stellgröße die Drehzahl
des Rotationsgefäßes ist.
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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.
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Bei
aus festen Partikeln (Körner)
gebildetem Medium wird die Drehzahl des Rotationsgefäßes vorzugsweise
so gesteuert oder geregelt, daß die
Partikel der zu verdampfenden Substanzen) oder des Mediums möglichst
gut vermischt werden.
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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.
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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
Rotationsgefäß.
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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 Wärmeträger aus
dem Bad ebenfalls als Prozeßgröße überwacht und
für die
Drehzahlsteuerung oder Drehzahlregelung mit berücksichtigt.
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Die
Vorrichtung weist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ein Pendelsystem auf, so daß das
Rotationsgefäß zusätzlich,
vorzugsweise zumindest in einem vorgegebenen Schwenkbereich frei,
um eine Schwenkachse schwenkbar ist. Die Kontrolleinrichtung erfaßt dann
vorzugsweise einen Schwenkwinkel des Rotationsgefäßes gegenüber einer
Referenzlage als Prozeßgröße. Dieser
Schwenkwinkel ändert
sich nämlich
mit der Drehzahl des Rotationsgefäßes und umgekehrt. Die Rotationsachse ist
vorzugsweise im wesentlichen orthogonal zur Schwenkachse gerichtet.
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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 Rotation des (leeren)
Rotationsgefäßes ohne
Unwuchten erreicht.
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Das
Rotationsverhalten auch eines solchen „ausgewuchteten" Rotationsgefäßes ändert sich
jedoch, sobald das Medium (Produkt) eingefüllt wird. Die durch das Medium
eingebrachte Asymmetrie der Massenverteilung und des Massenträgheitsmomentes
bewirkt ein Abweichen der Hauptträgheitsachse des mit Medium
gefüllten
Rotationsgefäßes von
der Rotationsachse. Dadurch werden peri odisch wechselnde Kräfte und
Drehmomente (Unwuchten) auf die Antriebswelle und die Rotationslager übertragen, die
Eigenschwingungen anregen oder zu Resonanzen führen können.
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Diese
an sich unerwünschten
Unwuchten werden in besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der
Vorrichtung und des Verfahrens dazu ausgenutzt, die Drehzahl zu
steuern oder zu regeln. Die Unwuchten werden nämlich um so kleiner, je gleichmäßiger sich
das Medium um die Rotationsachse verteilt, also je gleichmäßiger der
Film des Mediums im Rotationsgefäß ist.
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Aus
diesem Grund wird in einer ersten Ausgestaltung als Prozeßgröße(n) die
Massenverteilung, das Massenträgheitsmoment
und/oder eine Anderung der Massenverteilung bzw. des Massenträgheitsmoments
der zu verdampfenden Substanzen) oder des Mediums im Rotationsgefäß erfaßt.
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Dies
kann insbesondere durch Messung der Unwuchten geschehen. Eine weitere
Möglichkeit
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.
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In
einer alternativen, zweiten Ausgestaltung können auch die durch die Unwuchten
erzeugten Schwingungen oder Resonanzen als Prozeßgröße erfaßt werden.
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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.
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Die
Kontrolleinrichtung kann in allen Ausführungsformen 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 Substanzen) gefülltem Rotationsgefäß erfaßten Referenz-Prozeßgröße andererseits
steuern oder regeln. Dies ermöglicht
die meßtechnische Kompensation
oder Eliminierung des Einflusses des Rotationsgefäßes selbst.
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In
einer besonderen Ausgestaltung wird als Prozeßgröße eine Schaumbildung im Rotationsgefäß 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 Schaumbildung
möglichst
gering ist und zugleich die Filmbildung des Mediums möglichst großflächig und
homogen. Die Drehzahl wird auf einen solchen Wert eingestellt, daß möglichst
kein oder nur noch wenig Schäumen
auftritt. Dies kann steuerungs- oder regelungstechnisch beispielsweise
durch Berücksichtigung
wenigstens einer weiteren Prozeßgröße oder
durch Vorgabe einer Mindestdrehzahl (unterer Grenzwert) erfolgen.
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Vorzugsweise
wird wenigstens eine Prozeßgröße in allen
Ausführungsformen
bei wenigstens 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 unterschiedlichen Drehwinkelpositionen derart gesteuert
oder geregelt, daß Abweichungen
oder Schwankungen zwischen diesen Meßwerten innerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbereiches liegen.
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Eine
besondere Weiterbildung besteht darin, auch die Drehrichtung des
Rotationsgefäßes zu wechseln,
beispielsweise um Zusammenballungen von Pulver, Dichteunterschiede
im Medium oder dergleichen aufzulösen.
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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.
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Die
Erfassung der verschiedenen Prozeßgrößen kann mit einem oder mehreren
Sensoren erfolgen, die aus einer Vielzahl bekannter Sensoren ausgewählt werden
können,
beispielsweise
- • akustische Sensoren;
- • mittels
elektromagnetischer 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 und/oder Ausdehnungssensoren;
- • elektrische
Strom- oder Leistungssensoren.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
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1 ein Rotationsverdampfer
mit Schaumerfassung in einer Frontansicht,
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2 ein Rotationsverdampfer
mit Inklinometer in einer Rückansicht
und
-
3 ein Teil des Rotationsverdampfers
gemäß 2 in einer geschnittenen
Seitenansicht
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entsprechende
Teile und Größen sind
in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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Die
Rotationsverdampfer gemäß 1 und 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 Rotationsachse
R gegenüber
der orthogonal zur Gravitationskraft (Erdanziehungskraft) G gerichteten Horizontalen
H' ist mit einem
Winkel α und
die Neigung der Rotationsachse R zur parallel zur Gravitationskraft
gerichteten Vertikalen ist durch einen Winkel β gekennzeichnet, wobei α + β = 90°.
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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 An triebseinrichtung 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 Leitung 26 folgend nach oben verläuft und in einem Schwenklager 10 gelagert
ist.
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Die
Leitung 26 weist einen im wesentlichen koaxial zur Rotationsachse
R verlaufenden Leitungsbereich 24 und einen im wesentlichen
vertikal, d. h. parallel zur Gravitationskraft 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.
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Der
vertikale Leitungsbereich 25 mündet in ein als Faltenbalg
ausgebildetes Ausgleichselement 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.
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Die
beiden Leitungen 26 und 27 sind in dem Schwenklager 10 gehalten
und gegeneinander 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 angeordneten
Rotationsgefäß 2,
Antriebseinrichtung 6 und Aufnahmevorrichtung 23 um
die Schwenkachse S verschwenkbar ist. Das Schwenklager 10 ist
ebenfalls in der Trägereinrichtung 9 in
der durch die Schwenkachse S festgelegten Stellung gehalten. Die Schwenkachse
S verläuft
also horizontal, d. h. senkrecht zur Gravitationskraft G.
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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 Ausgleichselement 50 flexibel
miteinander verbunden, so daß eine
flexible Strömungsverbindung
zwischen den beiden Leitungen 26 und 27 möglich ist.
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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 1 zeigt eine Stellung, bei der
der Leitungsbe reich 25 der Leitung 26 koaxial und
parallel zur Leitung 27 und damit zur Gravitationskraft
G gerichtet ist und somit der Faltenbalg des Ausgleichselements 50 in
einem entspannten, mit der Mittelachse parallel zur Gravitationskraft
G verlaufenden Zustand ist. Bei einer Schwenkung des Rotationsgefäßes 2 um
die Schwenkachse S nehmen nun die Mittelachsen des Leitungsbereiches 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 1)
das Rotationsgefäß 2 sich
nach oben und etwas nach links aus der Flüssigkeit F des Flüssigkeitsbades 3 heben,
so daß der Winkel α zwischen
der Horizontalen H' und
der Rotationsachse R kleiner und der Winkel β zwischen der Rotationsachse
R und der Gravitationskraft 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 Rotationsachse
R beim nach links erfolgenden Schwenken nach links oben und beim Schwenken
entgegen dem Uhrzeigersinn nach rechts unten wandern.
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In
den dargestellten Ausführungsbeispielen ist
das Rotationsgefäß 2 um
die Schwenkachse 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.
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Ein
Schnittpunkt der Schwenkachse S mit der senkrecht zur Gravitationskraft
G gerichteten Horizontalen H ist mit P1 bezeichnet. Der Schnittpunkt P1
der Schwenkachse S mit der durch die Gravitationskraft G und die
Rotationsachse R aufgespannten vertikalen Ebene liegt gemäß 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.
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Wie
in 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.
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Im
Biegungsbereich der Leitung 26 zwischen den beiden Leitungsbereichen 24 und 25 sind
zwei nicht näher
bezeichnete Anschlüsse
vorgesehen, durch die zwei dünne
Leitungen 32 und 33 ins Innere der Leitung 26 und
durch den Stutzen 21 in den Aufnahmebereich 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.
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3 zeigt einen Ausschnitt
des Rotationsverdampfers gemäß den 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
Trägereinrichtung 9 koaxial
zur (geometrischen) Schwenkachse S gelagert ist.
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Das
Rotationsgefäß 2 gemäß 1 und 2 ist vorzugsweise im wesentlichen rotationssymmetrisch zur
Rotationsachse R als Symmetrieachse ausgebildet und dadurch ohne
Inhalt unwuchtfrei rotierbar. Das Rotationsgefäß 2 umfaßt einen
im wesentlichen kugelförmigen
Aufnahmebereich 20 zur Aufnahme der zu verdampfenden flüssigen Substanzen)
und einen sich an einer Öffnung
im kugelförmigen
Aufnahmebereich 20 anschließenden Stutzen 21,
der über eine
Flanschverbindung an eine Hohlwelle (Rohrteil 17) angeschlossen
ist, die von der Antriebseinrichtung 6 angetrieben wird
oder antreibbar ist
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Das
Rotationsgefäß 20 hat
also in den dargestellten Ausführungsbeispielen
die Gestalt eines Rotationskolbens.
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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.
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Zur
Steuerung oder Regelung der Drehzahl der Antriebseinrichtung 6 ist
die Antriebseinrichtung 6 mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 verbunden,
die die Antriebseinrichtung 6 über ein mit SC bezeichnetes
Steuersignal ansteuert. Das im allgemeinen elektrische Steuersignal
SC wird an einem Ausgang der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 bereitgestellt
und wird gemäß 1 oder 3 über eine
Steuersignalleitung 46, im allgemeinen ein flexibles elektrisches
Kabel, und gemäß 2 über eine schematisch dargestellte
elektrische Verbindung übertragen.
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 Umdrehungen des Rotationsgefäßes 2 um
die Rotationsachse R pro Zeiteinheit oder der Rotationsfrequenz
des Rotationsgefäßes 2.
Eine andere äquivalente
Größe ist die Winkelgeschwindigkeit
des Rotationsgefäßes 2,
die der Drehzahl multipliziert mit dem Faktor 2 π entspricht.
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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 Kontrollieren des Verdampfungsprozesses.
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Die
Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 ist in der Ausführungsform
gemäß 1 oder 3 als externe Steuer- und/oder Regeleinrichtung
dargestellt, die beispielsweise als Fernbedienung benutzt werden
kann. Gemäß 2 ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 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.
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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.
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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 Rotationsachse
R an der Innenwand des Aufnahmebereiches 20 ein dünner Film
MF, insbesondere ein Flüssigkeitsfilm,
des Mediums M mit der zu verdampfenden Substanzen) erzeugt wird.
Aus diesem Film MF des Mediums M wird durch die thermische Energiezufuhr 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.
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Die
Ausbildung des Filmes MF an der Innenwand des Rotationsgefäßes 2 kann
von einer Vielzahl von Prozeßgrößen abhängen oder
von diesen beeinflußt
werden. Zu diesen Prozeßgrößen zählen insbesondere
die Eigenschaften des Mediums M selbst.
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Eine
Eigenschaft des Mediums M, die die Filmbildung des Filmes MF und
die Verdampferleistung negativ beeinflussen kann, ist das Schäumen oder
eine Schaumbildung während
des Verdampfungsprozesses. An dem Teil der Innenwand des Rotationsgefäßes 2,
an dem der Schaum anhaftet, kann sich kein Film MF oder kein idealer
Film MF des Mediums M ausbilden.
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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 1 auch zwei Schaumsensoren 14 und 15 zur
Erfassung einer Schaumbildung im Innern des Rotationsgefäßes 2.
Die Anordnung der Schaumsensoren 14 und 15 am
Rotationsgefäß 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 Schaumsensoren 14 und 15 das
vom Schaum des Mediums M reflektierte Signal empfängt und
der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zuführt. In
der dargestellten Ausführungsform
gemäß 1 kann insbesondere der
Schaumsensor 14 ein Signal SA, das ihm von der Steuer-
und/oder Regeleinrichtung 60 über die Leitung 44 zugeführt wird,
aussenden und der Schaumsensor 15 das reflektierte Signal
(Reflexionssignal) als Sensorsignal SB über die Leitung 45 der
Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zuführen. Das
Sensorsignal 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.
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Abhängig von
dem erhaltenen Reflexionssignal oder Sensorsignal SB des Schaumsensors 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 Antriebseinrichtung 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
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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 Schaumsensor 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 entsprechenden 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.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 und dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist an der Schwenkachse
S für das
Rotationsgefäß 2 ein
Inklinometer 16 als Sensor angeordnet. Das Inklinometer 16 erfaßt die Schwenklage
des Rotationsgefäßes 2,
also die Stellung der entsprechenden Welle gegenüber einer Referenz-Drehlage.
In 2 entspricht diese
Schwenklage dem Winkel α zwischen der
Rotationsachse R und der Horizontalen H'. Dieser Neigungswinkel α ändert sich
nun mit der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2. Das Sensorsignal
SD des Inklinometers 16 ist also abhängig von der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2.
Das Inklinometer 16 umfaßt vorzugsweise ein Drehpotentiometer,
dessen Ausgangsspannung proportional zum Neigungswinkel α ist.
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Gemäß 2 und 3 wird das Sensorsignal SD des Inklinometers 16 der
Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 zugeführt, und
zwar gemäß 2 über eine schematisch dargestellte
elektrische Verbindung und gemäß 3 über ein flexibles elektrisches
Kabel als Sensorsignalleitung 48.
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Erfaßt man nun
das Sensorsignal SD des Inklinometers 16, entsprechend
dem Neigungswinkel α,
bei zwei verschiedenen Drehwinkelpositionen des Rotationsgefäßes 2,
beispielsweise zwei um einen Winkel von 90° zueinander versetzten Drehwinkelpositionen,
so erhält
man, bedingt durch die ungleiche Massenverteilung des Mediums M
auf der Innenseite des Rotationsgefäßes 2, an den beiden
Drehwinkelpositionen voneinander verschiedene Sensorsignale SD 1
und SD 2.
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Das
bei den beiden zueinander versetzten Drehwinkelpositionen abgetastete
Sensorsignal 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.
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Werden
beispielsweise zunehmend stark schwankende oder zunehmend sich ändernde
Sensorsignale SD 1 und SD 2 bei den beiden Drehwinkelpositionen
oder Signalunterschiede 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 Rotationsgefäßes 2 erzeugt wird, sondern
die Filmstärke
oder Schichtstärke
immer ungleichmäßiger wird.
Dies kann soweit führen,
daß ein Teil
des Produktes oder Mediums M im Rotationsgefäß 2 als exzentrische
Masse an der Innenwand des Rotationsgefäßes 2 anhaftet.
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Um
diesem die Verdampferleistung vermindernden Effekt entgegenzuwirken,
regelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 die Drehzahl
des Rotationsge fäßes 2 so
ein, daß ein
möglichst
gleichmäßiger Filmauftrag
oder Schichtstärke
an der Innenwand des Rotationsgefäßes 2 gewährleistet
ist. Dazu wird die Schwankung oder Anderung der Sensorsignale SD
des Inklinometers 16 entsprechend reduziert durch Stellen
der Drehzahl der Antriebseinrichtung 6. Das Sensorsignal
SD wird also so geregelt, daß die Anderungen
oder Signalunterschiede bei den beiden Drehwinkelpositionen innerhalb
eines vorgegebenen Toleranzbereiches bleiben. Die Regelgröße des Regelkreises
ist also das Sensorsignal 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.
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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,
insbesondere 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 Leistungsaufnahme des Motors der Antriebseinrichtung 6 gemessen
werden. Die zeitlichen Anderungen des Stromes oder der Leistung
des Motors der Antriebseinrichtung 6 in Abhängigkeit
der Drehwinkelposition des Rotationsgefäßes 2 und/oder der
Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 können ebenfalls
von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 60 ausgewertet
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 Rotationsgefäßes 2 von
einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl benötigt wird.
Da das Rotationsgefäß 2 selbst
ein im wesentlichen unveränderlicher Körper ist,
sind Anderungen dieser Zeiten ein direktes Maß für Anderungen des Massenträgheitsmomentes
des Mediums M im Rotationsgefäß 2.
Von besonderem Interesse ist dabei die zeitliche Anderung des Massenträgheitsmomentes.
Diese Messung des Massenträgheitsmomentes
oder einer Anderung des Massenträgheitsmomentes
kann innerhalb einer Umdrehung des Rotationsgefäßes 2 erfolgen.
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Die
Sensorsignale SA, SB gemäß 1 oder SD gemäß 2 oder 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 Sensorsignal 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 Steuersignal (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 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
problematisch zu betrachten, da sie oft Bereiche bilden, die nicht
homogen sind, beispielsweise durch Unterschiede in der Dichte bedingte
durch die nicht optimale Einstellung der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 oder
Zusammenballung des Pulvers oder pulverähnlichen Produktes aufgrund
elektrostatischer Effekte.
-
Die
Sensoren zum Erfassen von Prozeßgrößen können an
unterschiedlichen Orten angebracht 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, Radarsensoren oder
Inklinometer, oder am Flüssigkeitsbad 3,
beispielsweise Druck- und Kraftsensoren, optische Sensoren, Radarsensoren
oder Niveausensoren, oder am Gehäuse
und/oder Gestell des Rotationsverdampfers, insbesondere der Trägereinrichtung 9,
wobei hier insbesonde re Druck- und Kraftsensoren, optische Sensoren
oder Radarsensoren eingesetzt werden können, oder an anderen Orten
in der Nähe des
Rotationsverdampfers, an denen eindeutige Signale empfangen werden,
beispielsweise berührungslose
Sensoren wie optische, akustische, kapazitive, induktive oder Radar-Sensoren.
-
Die
Einstellung oder Anpassung der Drehzahl des Rotationsgefäßes 2 geschieht
regelungstechnisch vorzugsweise dadurch, daß die relevante (n) Prozeßgröße (n) als
Regelgröße in einem
Regelkreis gemessen und auf eine vorgegebene Führungsgröße oder Sollgröße geregelt
wird bzw. werden durch Stellen oder Steuern der Drehzahl des Rotationsgefäßes und
ggf. auch der Drehrichtung des Rotationsgefäßes. Beim Einstellen der Drehzahl
des Rotationsgefäßes kann
natürlich
in der Antriebseinrichtung 6 ein konventioneller Drehzahlregler
vorgesehen sein zur Konstanthaltung der angepaßten Drehzahl des Rotationsgefäßes. Dieser
Drehzahlregler ist nicht mit der prozeßabhängigen Einstellung der Drehzahl
des Rotationsgefäßes zu verwechseln.
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In
dem Kühler 4 gemäß 1 (oder 2) ist nun ferner ein Wärmetauscher 40 vorgesehen, durch
den der Dampf seine Wärme
abgibt und im Kühler 4 wieder
zu Flüssigkeit
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.
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Die
Verschließeinrichtung 12 ist
als Dreiwege-Ventil oder -Hahn ausgebildet und verbindet die Leitung 31 nicht
nur mit der Leitung 34, sondern auch mit der bereits erwähnten 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 Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 fließen. Es
ist somit eine Rückflußvorrichtung gebildet
zum Rückfließen von
bereits verdampften und wieder auskondensierten Destillat aus dem
Kühler 4 zurück in den
Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2.
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Sperrt
man die Verschließeinrichtung 11 ab, so
wird der Destillatsammler 41 des Kühlers 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 Rückflußvorrichtung
direkt in den Aufnahmebereich 20 des Rotationsgefäßes 2 zurück. Dadurch
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 Rotationsverdampfungsprozeß verdampft
und die Substanz(en) mit den höheren
Siedepunkten im Rotationsgefäß 2 verbleiben.
Dadurch kann eine Konzentration oder Destillation des Ausgangsproduktes
erreicht werden.
-
- 2
- Rotationsgefaß
- 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