ES2914179T3 - Dispositivo de tratamiento de capa delgada - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de tratamiento de capa delgada (10) para tratar materiales viscosos, que comprende una carcasa (12) con una camisa de carcasa (14) calentable y/o refrigerable que encierra una cámara de tratamiento (16) rotacionalmente simétrica que se extiende en la dirección axial, una tubuladura de entrada (20) dispuesta en una zona de entrada (18) de la carcasa (12) para introducir en la cámara de tratamiento (16) el material que ha de ser tratado, una tubuladura de salida (24) dispuesta en una zona de salida (22) de la carcasa (12) para descargar el material de la cámara de tratamiento (16), y un árbol de rotor (34) accionable que está dispuesto en la cámara de tratamiento (16) y se extiende coaxialmente para producir una película de material en la superficie interior de la camisa de carcasa (14) y para transportar el material en dirección desde la zona de entrada (18) hacia la zona de salida (22), comprendiendo el árbol de rotor (34) un cuerpo de árbol de rotor (46) central y palas de rotor (50) dispuestas en la circunferencia del mismo, cuyo extremo radialmente más externo está situado a una distancia de la superficie interior de la camisa de carcasa, caracterizado porque en la cámara de tratamiento (16) están presentes más de dos sensores de temperatura (60) para medir la temperatura de la película de material, que están distribuidos a lo largo de la longitud de la cámara de tratamiento, y al menos una parte de los sensores de temperatura (60) está dispuesta en el árbol de rotor, de tal manera que una sección de detección de temperatura (61) del sensor de temperatura (60) está dispuesta en la zona del extremo radialmente más externo del árbol de rotor (34) en el lado frontal de una hoja de rotor (50; 500).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de tratamiento de capa delgada
La invención se refiere a un dispositivo de tratamiento de capa delgada para tratar materiales viscosos.
Los dispositivos de tratamiento de capa delgada son conocidos por los expertos en la materia desde hace tiempo y se utilizan, por ejemplo, en la destilación, la concentración, la desgasificación y el secado de materiales viscosos. Además, los dispositivos de tratamiento de capa delgada también se utilizan para la mezcla así como para reacciones en las que existe al menos temporalmente un estado viscoso, en particular, por ejemplo, para reacciones de polimerización. El funcionamiento de los dispositivos de tratamiento de capa delgada se realiza predominantemente de forma continua.
Un subgrupo de dispositivos de tratamiento de capa delgada lo representan los evaporadores de capa delgada. Estos se basan en el principio de que por medio de la distribución de material en una capa delgada sobre la superficie interior de una pared de carcasa termorregulable se puede conseguir una alta densidad de flujo térmico, lo que en última instancia hace posible una gran capacidad de evaporación y altos ratios de evaporación en una sola pasada.
Para la distribución del material pueden preverse, en particular, rotores equipados con elementos de barrido; los evaporadores de capa delgada correspondientes que están equipados adicionalmente con un sistema de transporte de material son conocidos por el experto bajo la denominación de Filmtruder.
Un dispositivo de tratamiento de capa delgada en forma de un Filmtruder se describe, por ejemplo, en el documento CH523087, según el cual en una cámara de tratamiento calentable y/o refrigerable está dispuesto coaxialmente un rotor accionable que presenta un cuerpo tubular, en cuya circunferencia están distribuidas uniformemente alas inclinadas y sobre el que, además, están dispuestas escobillas de barrido que se extienden axialmente hasta la proximidad de la superficie interior de la camisa de carcasa o que tocan la superficie interior. Durante el funcionamiento, el material que ha de ser tratado es alcanzado por las escobillas de barrido puestas en rotación y es distribuido en una capa delgada en la pared interior de la carcasa, mientras que las piezas de ala inclinadas confieren al material alcanzado una componente de movimiento orientada hacia la salida.
El documento DE10050997C1 describe otro evaporador de capa delgada. En este caso, en una cámara calentadora está dispuesto un árbol provisto de elementos rascadores para distribuir las sustancias introducidas en el lado interior de la carcasa, presentando el árbol un muñón de cojinete que está soportado de forma deslizante en un casquillo de cojinete.
Además de los evaporadores de capa delgada que durante el funcionamiento habitualmente están orientados verticalmente, el experto conoce otros dispositivos de tratamiento de capa delgada, como por ejemplo los secadores de capa delgada que generalmente están orientados horizontalmente. Un secador de capa delgada correspondiente se describe en el documento DE4117630, según el cual dentro de un tubo intercambiador de calor está dispuesto un rotor de aletas alargado, que transporta el material que ha de ser secado a la superficie circunferencial interior del tubo intercambiador de calor.
Además, en el documento WO2004/041420 se da a conocer un dispositivo de tratamiento de capa delgada en forma de un dispositivo mezclador dispuesto horizontalmente en el que los componentes que han de ser mezclados se distribuyen en una capa delgada sobre la pared interior de un cuerpo cilíndrico hueco, mezclándose los componentes por acción conjunta de las palas de rotor con la pared interior del cuerpo cilíndrico hueco.
El documento US4,872,948 da a conocer un secador de capa delgada con un recipiente secador que contiene una superficie térmica tubular. Se calienta un lodo mediante un medio de calor mientras las palas giran en el interior de la superficie térmica.
Además, el documento US3,542,12 da a conocer un evaporador de capa delgada orientado horizontalmente con una cámara y un árbol de rotor dispuesto en la cámara. La cámara está rodeada por una camisa termorregulada y dividida en dos zonas, una primera zona en la que la camisa presenta una primera entrada para introducir un primer medio portador de calor y una primera salida para descargarlo, y una segunda zona en la que la camisa presenta una segunda entrada para introducir un segundo medio portador de calor y una segunda salida para descargarlo. A estas zonas está asignado respectivamente un medio de determinación de temperatura.
Además, el documento JPH04260433 da a conocer un dispositivo de tratamiento de capa delgada en el que están dispuestos sensores de temperatura en el árbol de rotor.
Como se ha mencionado, los dispositivos de tratamiento de capa delgada están concebidos para el tratamiento de materiales viscosos. Sin embargo, precisamente en el caso de materiales sensibles a la temperatura, a este respecto surge el problema de que, debido a la viscosidad relativamente alta, se introduce una cantidad relativamente alta de energía de disipación en el material a través del árbol de rotor. Junto con el calor introducido a través de la camisa de carcasa, esto puede conducir a que la carga térmica sea demasiado alta y que el material sufra daños como consecuencia de ello. Sin embargo, en el interés de un alto rendimiento de material, el calor de proceso debe mantenerse lo más alto posible. En el caso de un evaporador de capa delgada, por ejemplo, el calor del proceso debe mantenerse lo más alto posible para garantizar el mayor rendimiento de evaporación posible. Además, mediante al elevado calor de proceso se pretende obtener un gran coeficiente de difusión para favorecer el transporte de sustancia.
El objetivo que se debe conseguir según la invención consiste por tanto en proporcionar un dispositivo de tratamiento de capa delgada que permita un control optimizado del proceso. En particular, por medio del dispositivo de tratamiento de capa delgada se pretende mantener lo más alto posible el calor del proceso, pero al mismo tiempo evitar de forma fiable el sobrecalentamiento del material que ha de ser tratado. Además, por medio del dispositivo de tratamiento de capa delgada se pretende poder detectar en una fase temprana las perturbaciones emergentes del proceso, a fin de intervenir corrigiendo y optimizar de esta manera el control del proceso.
El objetivo se consigue mediante el dispositivo de tratamiento de capa delgada según la reivindicación 1 independiente. Formas de realización preferibles están representadas en las reivindicaciones dependientes.
Según la reivindicación 1, el dispositivo de tratamiento de capa delgada según la invención está concebido para tratar materiales viscosos y comprende una carcasa con una camisa de carcasa calentable y/o refrigerable que encierra una cámara de tratamiento rotacionalmente simétrica que se extiende en la dirección axial. La cámara de tratamiento corresponde, por tanto, al espacio interior de carcasa en la que el material se somete al tratamiento correspondiente, es decir, en particular, a la destilación, la concentración, la desgasificación, el secado y/o la reacción de componentes del material que contiene. Generalmente, está realizada de forma cilíndrica, pero es posible o preferible que en la zona final del lado de salida esté realizada de forma estrechada cónicamente.
El dispositivo de tratamiento de capa delgada comprende además una tubuladura de entrada dispuesta en una zona de entrada de la carcasa para introducir en la cámara de tratamiento el material que ha de ser tratado, y una tubuladura de salida dispuesta en una zona de salida de la carcasa para descargar el material de la cámara de tratamiento. Por lo general, para la descarga, una bomba de descarga, preferiblemente una bomba de engranajes, está dispuesta en la zona final del lado de salida de la carcasa. En la cámara de tratamiento del dispositivo de tratamiento de capa delgada está dispuesto un árbol de rotor accionable que se extiende coaxialmente para producir una película de material en la superficie interior de la camisa de carcasa y para transportar el material en dirección desde la zona de entrada hacia la zona de salida, comprendiendo el árbol de rotor un cuerpo de árbol de rotor central y palas de rotor dispuestas en la circunferencia del mismo, cuyo extremo radialmente más externo está situado a una distancia de la superficie interior de la camisa de carcasa.
Según la invención, en la cámara de tratamiento están dispuestos más de dos sensores de temperatura para medir la temperatura de la película de material.
Como se describirá más adelante en relación con el procedimiento correspondiente, el dispositivo de tratamiento de capa delgada según la invención permite por tanto determinar localmente la temperatura de la película de material y ajustar al menos un parámetro del proceso en función de la temperatura determinada o del perfil de temperatura determinado. En particular, la termorregulación de la camisa de carcasa puede regularse de manera selectiva para ajustar localmente el calor del proceso al valor deseado, que en el caso de la evaporación de capa delgada típicamente es lo suficientemente alto para garantizar un alto rendimiento de evaporación y lo suficientemente bajo para no superar una temperatura crítica, a partir de la cual pueden producirse daños inducidos térmicamente en el material que ha de ser tratado.
Para ajustar el calor de proceso deseado, la camisa de carcasa de puede ser calentada o refrigerada mediante un medio portador de calor precalentado. Alternativa o adicionalmente, el ajuste del calor de proceso también puede regularse a través de la geometría y/o la velocidad de giro del árbol de rotor.
En definitiva, la presente invención permite garantizar un funcionamiento estable y reproducible y hacer posible la fabricación de productos de alta calidad.
Como se ha mencionado, el dispositivo de tratamiento de capa delgada está especialmente concebido para el tratamiento de materiales viscosos. En el sentido de la presente invención, por "material viscoso" se entiende típicamente un material que tiene una viscosidad en el intervalo de 1 a 50.000 Pas, especialmente de 50 a 15.000 Pas. Preferiblemente, el material que ha de ser tratado según la invención tiene al menos temporalmente una viscosidad de más de 100 Pas, preferiblemente de más de 500 Pas, más preferiblemente de más de 1000 Pas, ya que a partir de esta viscosidad los fenómenos de disipación aumentan fuertemente y las ventajas de la invención se hacen particularmente evidentes. La determinación de la viscosidad puede realizarse, por ejemplo, con un viscosímetro rotacional según la norma DIN ISO 1652:2013-02 a la respectiva temperatura del material.
Evidentemente, la presente invención incluye también los dispositivos de tratamiento de capa delgada en los que el material que ha de ser tratado está presente de forma viscosa solo temporalmente. Por tanto, también se incluyen los dispositivos de tratamiento de capa delgada, en los que el material pasa a un estado sólido, granulable o susceptible de corrimiento durante el tratamiento. Preferentemente, el dispositivo de tratamiento de capa delgada está concebido para la separación térmica de una mezcla de sustancias y tiene, en particular, la forma de un evaporador de capa delgada, un secador de capa delgada o un reactor de capa delgada. Típicamente, el dispositivo de tratamiento de capa delgada o el evaporador de capa delgada, el secador de capa delgada o el reactor de capa delgada presentan una tubuladura de vapor a través de la cual los componentes de sustancia fácilmente volátiles separados pueden ser retirados de la cámara de tratamiento.
Como se explicará más adelante, existen diferentes perfiles de temperatura en el evaporador de capa delgada en función del material y del tipo concreto de tratamiento del material. Por un lado, son posibles procesos en los que el máximo de temperatura se encuentra directamente delante de la salida de material del evaporador de capa delgada, mientras que, por otro lado, son posibles procesos en los que la temperatura aumenta inicialmente después de la entrada de material, pero después de un determinado punto vuelve a disminuir hacia la salida de material, como puede ocurrir, por ejemplo, en procesos en los que se produce una evaporación instantánea o un cambio de fase.
Para determinar la curva de temperatura con la suficiente precisión, están presentes más de dos sensores de temperatura, que están distribuidos a lo largo de la longitud de la cámara de tratamiento, es decir, a lo largo del trayecto recorrido por el material en la dirección axial.
Según la invención, al menos una parte de los sensores de temperatura está dispuesta en el árbol de rotor, preferiblemente en el cuerpo central del árbol de rotor. En comparación con una disposición del sensor de temperatura en la camisa de carcasa, esta forma de realización ofrece la ventaja de que la determinación de la temperatura se desacopla de la radiación térmica de la camisa de carcasa, que podría falsear la determinación de la temperatura de la película de material. Por lo tanto, según esta forma de realización, la temperatura de la película de material o las diferencias de temperatura de la película de material entre las zonas individuales pueden determinarse de forma muy precisa, lo que en última instancia permite una regulación óptima del proceso que tiene lugar en el dispositivo de tratamiento de capa delgada. Además, esta forma de realización tiene la ventaja de que no es necesario realizar adaptaciones físicas en la carcasa. En particular, no es necesario realizar cavidades en la superficie interior de la pared de camisa de carcasa, como sería necesario, por ejemplo, si los sensores de temperatura estuvieran dispuestos en la pared de camisa de carcasa y, por tanto, tuvieran que ser desplazados hacia atrás con respecto a la superficie interior para garantizar una superficie interior uniforme. Además, según la forma de realización preferible anterior, los sensores de temperatura no tienen que pasar por el espacio por el que fluye el medio portador de calor, en el que, por tanto, el soporte de sensor de temperatura también estaría rodeado por el medio portador de calor.
Además, resulta preferible que al menos una parte de los sensores de temperatura estén dispuestos en una zona del árbol de rotor en la que durante el funcionamiento del dispositivo de tratamiento de capa delgada estén en contacto directo con la película de material. Según la invención, al menos una parte de los sensores de temperatura está dispuesta en el árbol de rotor de tal manera que la sección de detección de temperatura del sensor de temperatura está dispuesta en la zona del extremo radialmente más externo del árbol de rotor para asegurar el contacto permanente del material de los sensores de temperatura. En este caso, el extremo radialmente más externo, generalmente está situado a una distancia de 0,5 mm a 12 mm, preferiblemente de 1 mm a 4 mm, con respecto a la superficie interior de la camisa de carcasa. En particular, es posible una disposición con la que se puede captar la temperatura en la onda frontal de la película de material, originada delante de una pala de rotor. Según una forma de realización especialmente preferible, por lo tanto, la sección de detección de temperatura del sensor de temperatura está dispuesta en el lado frontal de una pala de rotor, es decir, en la zona descendente, visto en el sentido de giro.
La forma de realización anterior, según la cual al menos una parte de los sensores de temperatura están en contacto directo con la película de material durante el funcionamiento del dispositivo de tratamiento de capa delgada, comprende formas de realización en las que este contacto directo no es continuo. A este respecto, cabe señalar que la forma de realización anterior es particularmente ventajosa para el tratamiento de materiales que durante el tratamiento pasan a un estado susceptible de corrimiento. Para estos materiales, en el dispositivo de tratamiento de capa delgada, generalmente orientado horizontalmente, la humectación continua de la superficie interior solo puede lograrse solo con números de Froude elevados, por ejemplo, de 40 o superior. Por medio de los sensores de temperatura, que durante el funcionamiento del dispositivo de tratamiento de capa delgada están en contacto directo con la película de material, también se puede hacer por tanto una afirmación sobre la humectación de la superficie interior.
El término "pala de rotor", tal y como se usa en relación con la presente invención, abarca tanto las escobillas de barrido tales como se describen por ejemplo en el documento CH523087 y que tienen la función principal de generar una película de material, como las palas transportadoras que tienen la función principal de conferir al material una componente de movimiento orientada hacia la tubuladura de descarga. Para ello, generalmente están previstas varias palas transportadoras dispuestas de forma desplazada en 5° a 90°, más preferiblemente en 20° a 90°, que presentan respectivamente una pala de rotor que se extiende axialmente y partes de aleta dispuestas en el borde exterior radial de la pala de rotor y dispuestas oblicuamente. Sin embargo, el término "pala de rotor" también abarca, en particular, elementos de escobilla de barrido que están dispuestos consecutivamente en la dirección axial. Típicamente, un número de filas de elementos de escobilla de barrido que discurren axialmente están dispuestas en la dirección circunferencial, por ejemplo, de forma desplazada entre sí en 90°.
Según una forma de realización particularmente preferible, al menos una parte de las palas de rotor está presente en forma de elementos de escobilla de barrido que, al menos en su zona marginal orientada hacia la superficie interior de la camisa de carcasa, forman un ángulo de ataque con respecto al eje de rotor. Estos elementos de escobilla de barrido están realizados por tanto para generar una película de material en la superficie interior de la pared de camisa de carcasa y, al mismo tiempo, conferir al material una componente de movimiento hacia la tubuladura de descarga. Como se ha mencionado, se capta la temperatura de la onda frontal de la película de material y la sección de detección de temperatura del sensor de temperatura está dispuesta preferiblemente en el lado frontal del elemento de escobilla de barrido, como se describirá en detalle en relación con las figuras. A este respecto, resulta preferible además que un elemento de sensor de temperatura dispuesto en el cuerpo de árbol de rotor pase, con una sección que discurre radialmente con respecto al cuerpo de árbol de rotor, por un elemento de escobilla de barrido situado a la altura correspondiente, para que la sección de detección de temperatura del sensor de temperatura llegue a situarse en el lado frontal del elemento de escobilla de barrido, como también se explica en el marco de la descripción de las figuras.
Sin embargo, también es posible que los sensores de temperatura estén presentes en forma de sensores de temperatura que miden sin contacto. Esto puede ser especialmente ventajoso si se quiere evitar el contacto directo de los sensores de temperatura con la película de material.
En concreto, por tanto, el sensor de temperatura puede estar presente como un sensor de temperatura termorresistivo, un termoelemento, un pirómetro y/o un sensor infrarrojo. Dado que, como se ha mencionado, el sensor de temperatura está dispuesto preferiblemente en el árbol de rotor y no se hace pasar a través de la camisa de carcasa calentada, no es necesario aislar la sección de detección de temperatura contra la radiación térmica perturbadora o falseadora del resultado de medición para garantizar una medición precisa. Por lo tanto, según esta forma de realización, incluso con sensores de temperatura sencillos y, por tanto, económicos se pueden conseguir resultados de medición muy precisos.
Por regla general, al al menos un sensor de temperatura está asignada una línea de señales para conducir la señal determinada con el sensor de temperatura a un dispositivo de tratamiento de señales externo. Con esta línea de señales que tiene aproximadamente la forma de un cable, la señal se conduce por tanto desde la cámara de tratamiento hasta el exterior, donde puede ser evaluada y desde donde se pueden realizar los ajustes necesarios en base a la evaluación.
Con respecto a la forma de realización descrita anteriormente, en la que al menos una parte de los sensores de temperatura está dispuesta en el árbol de rotor, resulta preferible además que la línea de señales pase al menos parcialmente a través de un canal de conducción de señales que se extiende axialmente dentro del cuerpo de árbol de rotor. De esta manera, la disposición de los sensores de temperatura en el árbol de rotor permite prescindir de adaptaciones de la carcasa. En particular, no hay que prever cavidades en la pared de carcasa, que son necesarias, por ejemplo, al guiar la línea de señales a través de la pared de carcasa. Es posible, por ejemplo, que la señal conducida a través del cuerpo de árbol de rotor sea conducida a una disposición de anillo colector dispuesta fuera de la cámara de tratamiento sobre el árbol de rotor, captada allí y alimentada a una unidad de evaluación, generalmente a través de un amplificador.
Asimismo es posible que, además del canal de conducción de señales, esté previsto un canal adicional que se extienda axialmente dentro del cuerpo de árbol de rotor para la introducción de una sustancia, en particular un agente de arrastre. Dicho agente de arrastre se utiliza preferiblemente para el decapado; en concreto, puede ser un gas inerte como, por ejemplo, nitrógeno. Este canal adicional generalmente discurre paralelamente al canal de conducción de señales. Según esta forma de realización, por lo tanto, no es necesario introducir el agente de arrastre a través de la pared de carcasa calentada; un perjuicio del transporte de material, como puede resultar debido al paso de sustancias a través de la pared de carcasa, puede evitarse por tanto según esta forma de realización.
Como se ha mencionado, la camisa de carcasa está realizada de forma calentable y/o refrigerable. Por regla general, en el interior de la camisa de carcasa está realizado un espacio hueco de camisa de carcasa que está destinado a ser atravesado por un medio portador de calor con el fin de calentar y/o refrigerar. A este respecto, resulta preferible que la pared de camisa de carcasa esté realizada con doble pared y que el espacio intermedio entre la pared interior de camisa de carcasa y la pared exterior de camisa de carcasa esté destinado a ser atravesado por el medio portador de calor. Preferiblemente, está dispuesta para ello en el espacio hueco una espiral conductora para la conducción del medio portador de calor, ya que de esta manera se puede alcanzar una capacidad de calentamiento o de refrigeración muy elevada.
Para poder actuar de manera selectiva sobre el calor de proceso local en el dispositivo de tratamiento de capa delgada, resulta preferible además que la camisa de carcasa comprenda al menos dos segmentos de camisa de carcasa que estén realizadas para ser calentados y/o refrigerados independientemente uno del otro. Según esta forma de realización, a cada segmento de camisa de carcasa está asignado preferiblemente un sistema de circulación de medio portador de calor separado con una entrada de medio portador de calor separada y una salida de medio portador de calor separada.
Resulta preferible además que los segmentos de camisa de carcasa encierren respectivamente una zona de cámara de tratamiento correspondiente y que los sensores de temperatura estén distribuidos entre diferentes zonas de cámara de tratamiento. Por lo tanto, en el caso ideal, en cuanto a la disposición de los sensores de temperatura y los segmentos de camisa de carcasa, la cámara de tratamiento se divide previamente en diferentes zonas de cámara de tratamiento en las que se espera un cambio relativamente fuerte en la composición o la viscosidad del material en comparación con la zona de cámara de tratamiento anterior. De manera particularmente preferible, en aquellas zonas de cámara de tratamiento en las que se espera un aporte relativamente alto de energía de disipación debido al aumento de viscosidad previsto, se disponen varios sensores de temperatura para, precisamente en estas zonas de cámara de tratamiento, vigilar la temperatura con una resolución relativamente alta y, en última instancia, evitar de forma fiable la superación de una temperatura crítica. Este es el caso, en particular, en la zona final del lado de salida de la cámara de tratamiento. Evidentemente, la vigilancia de alta resolución de la temperatura que se hace posible según la invención también puede evitar que la temperatura caiga por debajo de una temperatura crítica donde esto pueda ocurrir.
Según otra forma de realización preferible, al menos en una de las zonas del dispositivo de tratamiento de capa delgada en las que están dispuestos más de dos sensores de temperatura está dispuesto un sensor de temperatura de portador de calor en la zona correspondiente de la camisa de carcasa. Este sensor de temperatura de portador de calor engrana con su sección de detección de temperatura en el espacio hueco de camisa de carcasa o en la espiral conductora dispuesta en este y está destinado a determinar la temperatura localmente presente del medio portador de calor al menos aproximadamente a la altura a la que el sensor de temperatura correspondiente está dispuesto en la cámara de tratamiento. De esta manera, la termorregulación de la camisa de carcasa puede regularse de manera aún más precisa y rápida que si la temperatura del medio portador de calor solo se determina a su salida del segmento de camisa de carcasa correspondiente. Como se ha mencionado, el dispositivo de tratamiento de capa delgada según la invención puede utilizarse así de forma especialmente ventajosa para un procedimiento de control optimizado de un proceso que se está ejecutando en el dispositivo de tratamiento de capa delgada.
Según este procedimiento, el material que ha de ser tratado se introduce en la cámara de tratamiento a través de la tubuladura de entrada, por medio del árbol de rotor se genera una película de material en la superficie interior de la camisa de carcasa y el material se transporta hacia la zona de salida.
Durante ello, la temperatura de la película de material se determina en más de dos puntos en el dispositivo de tratamiento de capa delgada, el valor determinado de esta manera se compara con un valor teórico y, en función de la desviación del valor teórico, se regula al menos un parámetro del proceso.
Según una forma de realización específica, como parámetro de proceso se regula la cantidad de calor que ha de ser aportada al o evacuada del material en el punto correspondiente.
Preferiblemente, la cantidad de calor que ha de ser aportada al o evacuada del material se regula, al menos en parte, a través de la cantidad de calor que ha de ser aportada a o evacuada de la camisa de carcasa. Esto se realiza preferiblemente a través de la regulación de la temperatura del medio portador de calor que se utiliza para el calentamiento o la refrigeración de la pared de camisa de carcasa.
Alternativamente o adicionalmente, la cantidad de calor que ha de ser aportada al material puede ser regulada a través de la velocidad de giro del árbol de rotor, ya que con el aumento de la velocidad de giro aumenta también el calor de disipación, como se ha descrito anteriormente. Asimismo, es posible ajustar el aporte de energía de disipación a través de la geometría del árbol de rotor. A este respecto, es posible en particular reducir en aquellas zonas en las que el material tiene una alta viscosidad el número de elementos de las palas de rotor o las fuerzas de cizallamiento ejercidas por estos, en comparación con aquellas zonas en las que el material tiene una viscosidad menor.
En el caso de una polimerización, o en el caso de la separación, resultante de esta, del exceso de monómero, la regulación del o de los parámetro(s) del proceso se realiza concretamente teniendo en cuenta las siguientes interacciones aplicables:
Por tanto, la viscosidad del material polimérico aumenta cuando
- aumenta el peso molecular del material,
- disminuye la temperatura del material,
- disminuye el contenido de componentes volátiles, y/o
- disminuye la tasa de cizallamiento.
Al aumentar la viscosidad, también aumenta la energía de disipación. Además, la energía de disipación aumenta cuando se incrementa el número de revoluciones del árbol de rotor.
En el caso de un material de baja viscosidad, es decir, en una fase inicial, por ejemplo, de una desgasificación o de una policondensación, el calor del proceso se determina, por tanto, predominantemente por la conducción del calor desde la camisa de carcasa al material, mientras que en el caso de un material de alta viscosidad, es decir, en una desgasificación o policondensación avanzada, predomina la energía térmica aportada por disipación. Dependiendo del material y del tratamiento, esto conduce a diferentes curvas de temperatura en el evaporador de capa delgada. Por un lado, es posible que para un primer material el máximo de temperatura se obtenga solo en la zona de la salida de material, lo que es el caso, por ejemplo, en los procesos de policondensación o en los procesos de polimerización radical o iónica, en los que la viscosidad se determina predominantemente a través del peso molecular (que aumenta durante el proceso) y que, además, generalmente se desarrollan de forma exotérmica. Pero por otro lado, también es posible que la temperatura aumente inicialmente después de la entrada de material, pero que vuelva a disminuir a partir de un punto determinado hacia la salida del material. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si el aumento de la viscosidad por la disminución del contenido de componentes volátiles es más pronunciado que la disminución de la viscosidad por calentamiento.
Por el hecho de que el evaporador de capa delgada según la invención hace posible un tratamiento muy cuidadoso, resulta particularmente adecuado precisamente para la polimerización, especialmente para la policondensación o la polimerización radical o iónica. Los problemas que pueden surgir cuando se sobrepasa una temperatura crítica del polímero pueden evitarse por tanto eficazmente según la invención. En concreto, la presente invención permite evitar de manera fiable el cambio de color del polímero, la formación indeseada de gel y la formación de manchas negras (“black specks”).
Dado que los procesos de polimerización radicales o iónicos, en particular aniónicos, generalmente se desarrollan de forma particularmente exotérmica, la aptitud del evaporador de capa delgada según la invención para estos procesos de polimerización es particularmente alta. En estos procesos de polimerización, la exotermia generalmente es especialmente alta en la fase inicial, a la que, debido a la mayor tasa de conversión alcanzada, sigue una fase en la que se produce un aporte de calor relativamente alto por disipación. Precisamente la forma de realización descrita anteriormente, en la que al menos una parte de los sensores de temperatura están en contacto directo con la película de material durante el funcionamiento del dispositivo de tratamiento de capa delgada, resulta especialmente ventajosa para estos procesos, porque la regulación rápida de la temperatura o el control rápido de la temperatura es de especial interés, ya sea por medio de la refrigeración a través de la pared de carcasa o mediante la adición de destilado y/u otros líquidos refrigerantes.
Las ventajas de la invención son particularmente importantes en la fabricación o el tratamiento de materiales biodegradables y, en particular, de polímeros a base de materias primas renovables. Otra clase de sustancias para las que el evaporador de capa delgada según la invención es particularmente ventajoso se refiere a sustancias adhesivas, de estanqueización y/o de recubrimiento, en particular aquellas que se endurecen de manera inducida por rayos UV, inducida por calor y/o activada por presión.
Por lo tanto, el procedimiento descrito anteriormente puede utilizarse, por ejemplo, en procesos de polimerización para separar el exceso de monómeros. En el caso ideal, el monómero volátil separado de esta manera se procesa y se vuelve a alimentar al proceso de polimerización que tiene lugar en la cámara de tratamiento.
La invención se ilustra además con la ayuda de las figuras adjuntas.
Muestran:
la figura 1 una representación esquemática de un dispositivo de tratamiento de capa delgada según la invención en forma de un evaporador de capa delgada;
la figura 2 un alzado lateral de un árbol de rotor del dispositivo de tratamiento de capa delgada representado en la figura 1;
la figura 3 una vista en perspectiva de una parte del árbol de rotor representado en la figura 2;
la figura 4 una vista detallada de un sensor de temperatura dispuesto sobre el árbol de rotor según la figura 3; la figura 5 el árbol de rotor representado en la figura 3, en sección transversal;
la figura 6 una parte del árbol de rotor representado en la figura 3, en sección longitudinal axial;
la figura 7 una representación esquemática de la disposición de inducido de anillo colector asignado al árbol de rotor; y
la figura 8 tres curvas de temperatura ejemplares que se pueden determinar por medio del dispositivo de tratamiento de capa delgada según la presente invención.
El dispositivo de tratamiento de capa delgada 10 representado en la figura 1 en forma de un evaporador de capa delgada 100 presenta una carcasa 12 con una camisa de carcasa 14 que encierra una cámara de tratamiento 16 que se extiende en dirección axial. En una zona de entrada 18 superior de la carcasa 12 está dispuesta una tubuladura de entrada 20 para introducir el material en la cámara de tratamiento 16, mientras que en una zona de salida 22 inferior de la carcasa 12 está dispuesta una tubuladura de salida 24 para descargar el material de la cámara de tratamiento 16.
La camisa de carcasa 14 está realizada de forma cilíndrica en el lado de entrada; en consecuencia, también la cámara de tratamiento 16 encerrada por la camisa de carcasa 14 tiene una forma cilíndrica en esta zona. En el lado de salida, la camisa de carcasa 14 se estrecha de forma cónica hacia la salida, estando dispuesta en la salida del cono de descarga 26 formado de este modo una bomba de descarga.
Además, dentro de la camisa de carcasa está dispuesta una tubuladura de vapor 27, a través de la cual se pueden extraer los componentes volátiles de la cámara de tratamiento 16.
La camisa de carcasa 14 está realizada con doble pared, es decir que tiene una pared interior de camisa de carcasa y una pared exterior de camisa de carcasa con un espacio intermedio situado entre estas, en el que está dispuesta una espiral conductora para conducir un medio portador de calor, típicamente un aceite térmico o aceite termal. En la forma de realización representada, están presentes dos segmentos de camisa de carcasa 14a, 14b, a los que está asignado respectivamente un circuito de medio portador de calor separado con respectivamente una entrada de medio portador de calor 28a, 28b conectada fluídicamente a la espiral conductora correspondiente y una salida de medio portador de calor 30a, 30b, y que por lo tanto pueden ser termorregulados independientemente uno del otro. Para ello, al respectivo circuito de medio portador de calor está asignado además un elemento calentador y un elemento refrigerador separados para la termorregulación del medio portador de calor, desde donde se introduce a través de una bomba de medio portador de calor, a través de la entrada del medio portador de calor 28a o 28b, en el espacio hueco, realizado en la pared de camisa de carcasa, o en la espiral conductora.
Además, a la tubuladura de entrada 20 puede estar precontectado un dispositivo mezclador (no representado), como por ejemplo un mezclador estático. A través de este, se pueden añadir al material que ha de ser tratado otros componentes como, por ejemplo, desactivadores, aditivos, estabilizadores o mezclas y combinaciones de los mismos.
Como se explicará más adelante en relación con la figura 2, en la cámara de tratamiento 16 está dispuesto un árbol de rotor 34 que se extiende coaxialmente y que puede ser accionado a través de un accionamiento hidráulico 32, para producir una película de material en la superficie interior de la camisa de carcasa 14 y para transportar el material en dirección desde la zona de entrada 18 hacia la zona de salida 22. Además del accionamiento hidráulico representado, para ello también son posibles accionamientos eléctricos.
En la forma de realización representada, el árbol de rotor pasa a través del accionamiento hidráulico 32. Entre el accionamiento hidráulico 32 y la camisa de carcasa 14 que encierra la cámara de tratamiento 16, se encuentra una linterna 36 que está unida a un grupo auxiliar 38 para la lubricación de juntas de anillo deslizante.
En el lado del accionamiento hidráulico 32, que está opuesto a la carcasa 12, el árbol de rotor 34 está soportado en un casquillo de estator 40 que comprende una disposición de anillo colector 42, a la que se hará referencia en relación con la figura 7. En el extremo superior, está dispuesto además un conducto de agente de arrastre 44 para introducir un agente de arrastre.
Además, en la camisa de carcasa 14 está integrada una mirilla 45 que está destinada a permitir la inspección del interior de la carcasa o de la cámara de tratamiento.
Como se muestra, por ejemplo, en la figura 2, el árbol de rotor 34 comprende un cuerpo de árbol de rotor 46 central que en la forma de realización representada está realizado como varilla, pero que precisamente para dimensiones relativamente grandes también puede estar presente en forma de un tubo.
En aquella zona del árbol de rotor 34 que, en el estado montado del evaporador de capa delgada 100, se encuentra en la zona de la tubuladura de entrada 20, está dispuesta una espiral de transporte 48 con un paso relativamente grande. A continuación, en la dirección de transporte, están situadas filas 51 de palas de rotor 50 en forma de elementos de escobilla de barrido 500 que llegan hasta cerca de la pared interior de camisa de carcasa, las cuales se extienden de forma sustancialmente paralela a la dirección axial y están dispuestas en la circunferencia del cuerpo de árbol de rotor 46. En la forma de realización representada, están realizadas cuatro filas 51a, 51b, 51c, 51d de este tipo, que están situadas respectivamente a una distancia entre sí de respectivamente 90° en la dirección circunferencial.
Los elementos de escobilla de barrido 500 están orientadas oblicuamente en sentido contrario al sentido de giro SG. En concreto, según la forma de realización representada en la figura 2, varios elementos de escobilla de barrido 500 que se suceden en la dirección axial están formados por dientes 54 que sobresalen de una placa de fijación 52 fijada al cuerpo de árbol de rotor 46 mediante pernos. Presentan respectivamente una pieza parcial 56 proximal situada a continuación de la placa de fijación, que está orientada oblicuamente con respecto a la placa de fijación y se encuentra en un plano paralelo al eje de rotor A. A continuación de estas piezas parciales 56 proximales está situada respectivamente una pieza parcial 58 distal que forma por tanto la zona final radialmente exterior de la respectiva pala de rotor 50 o el elemento de escobilla de barrido 500 y discurre en un plano que discurre oblicuamente con respecto al árbol de rotor A; el canto inferior y el canto superior de la pieza parcial 58 distal discurren en la forma de realización representada de forma sustancialmente paralela al plano de la placa de fijación 52.
Durante el funcionamiento, el material que ha de ser tratado, introducido en la cámara de tratamiento 16 a través de la tubuladura de entrada 20, es alcanzado por la hélice transportadora 48 y transportado en dirección hacia los elementos de escobilla de barrido 500. En cuanto el material llega a los elementos de escobilla de barrido 500a superiores, es empujado por delante de ellos y distribuido en una capa delgada en la pared interior de la camisa de carcasa.
Por el ángulo de ataque formado por la zona parcial 58 distal de los elementos de escobilla de barrido 500, al material que ha de ser transportado es impuesta una componente de movimiento en dirección hacia la tubuladura de salida 24. En cuanto el material empujado por el elemento de escobilla de barrido 500a superior por delante del mismo llega al canto inferior del elemento de escobilla de barrido, permanece como un abultamiento en la pared interior de la camisa de carcasa. Los elementos de escobilla de barrido 500b siguientes a su vez alcanzan ahora el abultamiento, lo rompen y lo empujan en dirección hacia la tubuladura de salida 24, etc., por lo que el material finalmente es transportado a lo largo de la longitud completa de la cámara de tratamiento.
En el cuerpo de árbol de rotor 46, entre las filas de elementos de escobilla de barrido están dispuestos sensores de temperatura 60. Estos se extienden sustancialmente de forma radial con respecto al árbol de rotor 34 o al cuerpo de árbol de rotor 46, y pasan a través de la pieza parcial 58 distal del elemento de escobilla de barrido que se encuentra a la misma altura. De este modo, la sección de detección de temperatura 61, radialmente más externa, del sensor de temperatura llega a situarse delante del respectivo elemento de escobilla de barrido 500 visto en el sentido de giro, de modo que durante el funcionamiento, la sección de detección de temperatura 61 se encuentra en la onda frontal del material generada por el elemento de escobilla de barrido.
Para la conducción de la señal captada por el sensor de temperatura 60, en el cuerpo de árbol de rotor 46 está realizado un canal de conducción de señales 62 que se extiende axialmente y en el que desembocan pasos de sensor de temperatura 64 previstos para este fin, como puede verse, por ejemplo, en la figura 6. Como puede verse además en la figura 6, en el cuerpo de árbol de rotor está realizado un canal 66 adicional que se extiende axialmente para la introducción de un agente de arrastre. Desde este canal, las aberturas de salida de agente de arrastre 68 conducen radialmente a través del cuerpo de árbol de rotor 46 a las correspondientes extensiones de tubo 70, que también están dispuestas entre las filas de elementos de escobilla de barrido.
A través del canal de conducción de señales 62 se extienden conductos hasta una disposición de anillos colectores 42 con anillos colectores 74a giratorios asignados al árbol de rotor 34 y anillos colectores 74b estacionarios asignados al casquillo de estator 40. La señal transmitida por medio de la disposición de anillos colectores 42 es transmitida entonces a través de una salida de cable 76 a un amplificador externo y a un sistema de evaluación. El canal 66 para el agente de arrastre también se extiende a través del casquillo del estator 40 y está conectado fluídicamente a un conducto de suministro de agente de arrastre 44 que tiene una brida correspondiente 43.
A base de los distintos señales de temperatura locales determinados por los distintos sensores de temperatura 60, se puede crear un perfil de temperatura que, por un lado, permite ajustar de forma selectiva la termorregulación de la pared de carcasa. Esto puede realizarse, por ejemplo, mediante un ajuste correspondiente de la temperatura y del caudal del medio portador de calor que fluye a través de la espiral conductora.
Tres curvas de temperatura ejemplares que requieren llevar de manera distinta la termorregulación se muestran en la figura 8. Dentro de los diagramas que representan la respectiva curva de temperatura están representadas también las correspondientes zonas de cámara de tratamiento del evaporador de capa delgada, distinguiéndose tres zonas: una zona de cámara de tratamiento situada en el lado de entrada I, una zona de cámara de tratamiento central II y una zona de cámara de tratamiento situada en el lado de salida III. Además, en los tres casos, se indica la temperatura límite máxima admisible, a partir de cuya superación puede sufrir daños el producto.
En los casos a) y c), la temperatura máxima se alcanza respectivamente en la zona de cámara de tratamiento situada en el lado de salida III, mientras que en el caso b), el máximo de temperatura se produce dentro de la zona de cámara de tratamiento central II. El caso b) puede producirse, por ejemplo, si el aumento de la viscosidad debido a la disminución del contenido de componentes volátiles es más pronunciado que la disminución de la viscosidad por calentamiento.
Mediante la refrigeración selectiva del medio portador de calor o la termorregulación correspondiente de la pared de camisa de carcasa, la temperatura del material puede ser influenciada de tal manera que no se supere la temperatura máxima permitida.
Lista de signos de referencia
10; 100 Dispositivo de tratamiento de capa delgada; evaporador de capa delgada 12 Carcasa
14 Camisa de carcasa
14a, 14b Segmentos de camisa de carcasa
16 Cámara de tratamiento
18 Zona de entrada
20 Tubuladura de entrada
22 Zona de salida
24 Tubuladura de salida
26 Cono de descarga
27 Tubuladuras de vapor
28a, b Entrada de portador de calor
30a, b Salida de portador de calor
32 Accionamiento hidráulico
34 Árbol de rotor
36 Linterna
38 Grupo auxiliar
40 Casquillo de estator
42 Disposición de anillos colectores
43 Brida
44 Conducto de agente de arrastre
45 Mirilla
46 Cuerpo de árbol de rotor
48 Hélice transportadora
50; 500 Pala de rotor; elemento de escobilla
52 Placa de fijación
54 Diente
56 Pieza parcial proximal
58 Pieza parcial distal
60 Sensores de temperatura
61 Sección de detección de temperatura
62 Canal de conducción de señales
64 Pasos de sensor de temperatura
66 Canal para introducir un agente de arrastre
68 Aberturas de descarga de agente de arrastre
70 Extensiones de tubo
74a Anillos colectores rotatorios
74b Anillos colectores estacionarios
76 Salida de cable
A Eje de rotor
DR Sentido de giro

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo de tratamiento de capa delgada (10) para tratar materiales viscosos, que comprende
    una carcasa (12) con una camisa de carcasa (14) calentable y/o refrigerable que encierra una cámara de tratamiento (16) rotacionalmente simétrica que se extiende en la dirección axial,
    una tubuladura de entrada (20) dispuesta en una zona de entrada (18) de la carcasa (12) para introducir en la cámara de tratamiento (16) el material que ha de ser tratado,
    una tubuladura de salida (24) dispuesta en una zona de salida (22) de la carcasa (12) para descargar el material de la cámara de tratamiento (16), y
    un árbol de rotor (34) accionable que está dispuesto en la cámara de tratamiento (16) y se extiende coaxialmente para producir una película de material en la superficie interior de la camisa de carcasa (14) y para transportar el material en dirección desde la zona de entrada (18) hacia la zona de salida (22), comprendiendo el árbol de rotor (34) un cuerpo de árbol de rotor (46) central y palas de rotor (50) dispuestas en la circunferencia del mismo, cuyo extremo radialmente más externo está situado a una distancia de la superficie interior de la camisa de carcasa,
    caracterizado porque en la cámara de tratamiento (16) están presentes más de dos sensores de temperatura
    (60) para medir la temperatura de la película de material, que están distribuidos a lo largo de la longitud de la cámara de tratamiento, y al menos una parte de los sensores de temperatura (60) está dispuesta en el árbol de rotor, de tal manera que una sección de detección de temperatura (61) del sensor de temperatura (60) está dispuesta en la zona del extremo radialmente más externo del árbol de rotor (34) en el lado frontal de una hoja de rotor (50; 500).
    2. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según la reivindicación 1, caracterizado porque está diseñado para la separación térmica de una mezcla de sustancias, y en particular, en forma de un evaporador de capa delgada (100), un secador de capa delgada o un reactor de capa delgada, preferiblemente en forma de un evaporador de capa delgada (100).
    3. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al al menos un sensor de temperatura (60) está asignada una línea de señales para conducir la señal determinada con el sensor de temperatura a un dispositivo de procesamiento de señales externo.
    4. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una parte de los sensores de temperatura (60) está dispuesta en el cuerpo de árbol de rotor (46).
    5. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según la reivindicación 4, caracterizado porque al menos una parte de los sensores de temperatura (60) está dispuesta en una zona del árbol de rotor (34) en la que están en contacto directo con la película de material durante el funcionamiento del dispositivo de tratamiento de capa delgada (10).
    6. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos una parte de las palas de rotor está realizada en forma de elementos de escobilla que, al menos en su zona marginal orientada hacia la superficie interior de la camisa de carcasa (14), forman un ángulo de ataque con respecto al eje de rotor (A).
    7. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizado porque la línea de señales pasa al menos parcialmente a través de un canal de conducción de señales (62) que se extiende axialmente en el cuerpo de árbol de rotor (46).
    8. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el interior de la camisa de carcasa (14) está realizado un espacio hueco de camisa de carcasa que está destinado a ser atravesado por un medio portador de calor con el fin de calentar y/o enfriar.
    9. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la camisa de carcasa (14) comprende al menos dos segmentos de camisa de carcasa (14a, 14b) que están realizados para ser calentados y/o refrigerados independientemente uno del otro.
    10. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los segmentos de camisa de carcasa (14a, 14b) encierran respectivamente una zona de cámara de tratamiento correspondiente y los sensores de temperatura (60) están distribuidos entre diferentes zonas de cámara de tratamiento.
    11. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones 5 a 10, caracterizado porque al árbol de rotor (34) está asignada una disposición de anillos colectores (42) dispuesta fuera de la cámara de tratamiento (16) para transmitir la señal que pasa por el cuerpo de árbol de rotor (46) a una unidad de evaluación.
    12. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el cuerpo de árbol de rotor (46) está previsto un canal (66) que se extiende axialmente para la introducción de una sustancia, en particular un agente de arrastre.
    13. Dispositivo de tratamiento de capa delgada según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos en aquella zona o en una de aquellas zonas del dispositivo de tratamiento de capa delgada en la/s que está dispuesto un sensor de temperatura (60), está dispuesto un sensor de temperatura de portador de calor en la zona correspondiente de la camisa de carcasa (14).
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