Thermische Trennverfahren wie die Verdampfung ermöglichen die Trennung oder Anreicherung wertvoller Produkte aus einer flüssigen Mischung. So lassen sich beispielsweise unterschiedliche Kraftstoffqualitäten herstellen, Pharmaglycerin, Ethanol oder Lösungsmittel wie Aceton. Doch sind einige der hochsiedenden Produkte sehr hitzeempfindlich und lassen sich aus diesem Grund nicht mit herkömmlichen Verdampfern abtrennen. In diesem Fall lassen sie sich häufig in Kurzwegverdampfern verarbeiten (Bild 1).
So arbeiten Kurzwegverdampfer
Das Bild 2 veranschaulicht das Arbeitsprinzip von Kurzwegverdampfern, die zu den Dünnschichtverdampfern zählen. Sie arbeiten bei sehr niedrigem Absolutdruck. Letzterer liegt etwa zwischen 1 und 0,001 mbar, um die Verdampfungstemperatur möglichst niedrig zu halten.
Zunächst wird die zu verarbeitende flüssige Mischung über einen Verteiler am Kopf des Rotors zugeführt und auf der beheizten Mantelfläche des Verdampfers verteilt. Nun erzeugt der Rotor einen mechanisch bewegten dünnen Produktfilm auf der Heizfläche. Durch die Schwerkraft fließt das Produkt spiralförmig nach unten. Dabei verdampft der leichter flüchtige Anteil. Der Dampf strömt auf dem kürzesten Weg und praktisch ohne Druckverlust zum Kondensator, der im Innern des Rotors angeordnet ist.
Der nichtflüchtige Teil erreicht den unteren Bereich des Verdampfers und wird durch den Rückstandsstutzen abgeführt. Die Restdämpfe und Inertgase strömen durch die Vakuumstutzen zum Vakuumsystem. Das Destillat ist das Kondensat aus dem Kondensator und wird ebenfalls am Boden des Verdampfers als Flüssigkeit entnommen.
Für viele Anwendungen geeignet
Kurzwegverdampfer lassen sich sehr gut zur Verdampfung, Konzentrierung, Destillation oder Entgasung von hochsiedenden, temperaturempfindlichen Produkten einsetzen. Aus diesem Grund eignen sie sich besonders für folgende Anwendungen:
- Abtrennung von Isocyanaten aus Prepolymeren
- Verdampfung von Ölen und Wachsen aus Erdöl
- Destillation von Monoglyceriden aus Mischungen mit Di- und Triglyceriden
- Konzentration von Omega-3-Fettsäuren
- Fraktionierung von Wachsen in harte und superharte Wachse sowie
- Konzentration von Vitamin E
(Tocotrienol und Tocopherol)
Um eine hohe Produktqualität erreichen zu können, muss das Rotordesign auf die jeweilige Anwendung angepasst werden. Die Kurzwegverdampfer von Buss-SMS-Canzler sind deshalb mit einer Vielzahl von Rotortypen erhältlich. So baut der Hersteller die Rotoren wahlweise mit PTFE- oder Graphitwischelementen, federbelasteten PTFE-Wischelementen, Metallwischelementen, Polymer- oder Graphitrollen sowie in hygienegerechter Ausführung. Außerdem lassen sich die Rotoren mit speziell entwickelten Spritzschutzvorrichtungen ausstatten, die die Tröpfchen aus dem Dampfstrom vor dem Auftreffen auf den Kondensator abscheiden und so eine hohe Destillatqualität gewährleisten.
Die Flüssigkeitsverteilung im Fokus
Eine der Herausforderungen bei der Konstruktion von Kurzwegverdampfern ist die Verteilung der Flüssigkeit auf der Innenseite des Mantels, also der Heizfläche. Sie muss so gleichmäßig wie möglich über den Umfang und dann auf der Heizfläche verteilt werden. Eine ungleichmäßige Verteilung kann zum Spritzen führen und dadurch die Destillatqualität beeinträchtigen. Zudem vergrößern nicht für den Verdampfungsprozess genutzte Bereiche der Heizfläche den Verdampfer unnötig, sodass sich die Kosten der Anlage erhöhen. Daher ist eine gleichmäßige Verteilung nicht nur eine Voraussetzung für eine optimale Trennung im Kurzwegverdampfer, sondern auch mitbestimmend für Produktqualität und Apparatekosten.
Vor diesem Hintergrund hat Buss-SMS-Canzler ein spezielles System für die Flüssigkeitsverteilung entwickelt. Es kann entsprechend den Prozessanforderungen ausgelegt werden. Dabei werden unterschiedliche Parameter, wie die Eigenschaften des Mediums, die Betriebstemperatur und einige andere Faktoren, berücksichtigt. Bild 3 zeigt die Flüssigkeitsströmung im Bereich der Zufuhr am Kopf des Rotors eines Kurzwegverdampfers, berechnet mit Computational Fluid Dynamics (CFD). Das Strömungsfeld auf der linken Seite wurde für das frühere herkömmliche Design berechnet, das Strömungsfeld rechts für das optimierte SMS-Verteilsystem.
Die Flüssigkeit verlässt den herkömmlichen Verteiler nur in einem sehr begrenzten Bereich des Umfangs, was dazu führt, dass die Heizfläche nicht vollständig für die Verdampfung genutzt wird. Das Strömungsfeld des optimierten SMS-Designs zeigt auf dem gesamten Umfang eine sehr gleichmäßige Flüssigkeitsvorverteilung. Nach Erreichen der beheizten Mantelfläche kann die gesamte Flüssigkeit gleichmäßig durch die Wischelemente verteilt werden. Dies ergibt einen gleichmäßig dünnen Film und eine optimale Nutzung der verfügbaren Heizfläche.
Nach einer experimentellen Validierung hat SMS die CFD-Berechnungen in Entwurfsgleichungen übersetzt. Anschließend hat das Unternehmen das Design des Flüssigkeitsverteilers in sein Standard-Rotordesign implementiert.
Suchwort: cav0618Buss-SMS-Canzler
Halle 4.0, Stand B24
Autor: Dr. Bernd Genenger
Leiter Vertrieb & Marketing, Buss-SMS-Canzler
