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Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung von Flüssigkeiten durch elektrische Energie zum Zweck der Destillation, Konzentration, der Herbeiführung chemischer Reaktionen od. dgl.
Bei der Erhitzung von Flüssigkeiten mittels elektrischer Energie unter Verwendung der Flüssigkeit selbst als Widerstand ist es bekannt, zwischen den Elektroden isolierende Einbauten anzuordnen, welche die Flüssigkeit in Ströme zerteilen und dadurch ihren Widerstand erhöhen. Auch hat man die Einbauten aus gegeneinander verstellbaren Elementen zusammengesetzt, um die Stromstärke unter Vermeidung von Vorschaltwiderständen regeln zu können. In allen Fällen stehen die Einbauten als Einsätze in dem die Flüssigkeit aufnehmenden Behälter unter hydrostatischem Druck, was den Nachteil hat, dass der Flüssigkeitswiderstand durch die Zuflussgeschwindigkeit nicht reguliert werden kann, sondern nur durch Veränderung des Querschnittes der Leitkanäle mit Hilfe von zu diesem Zweck vorgesehenen Regelungvorrichtungen.
Ferner macht sich auch der Übelstand geltend, dass in den Kanälen des Einsatzes zufolge der Erhitzung entwickelte Gase und Dämpfe nur unter Überwindung hohen Reibungswiderstandes an die Oberfläche gelangen können.
Gemäss der Erfindung wird die Flüssigkeit unter Vermeidung des Auftretens eines hydrostatischen Druckes derart über Einbauten mit Zwischenräumen geführt, dass sie die Zwischenräume nur teilweise füllt, so dass sich entwickelnde Gase und Dämpfe abziehen können. Dies wird gemäss einer Ausführungform der Erfindung dadurch erreicht, dass man die gleichmässig verteilte Flüssigkeit über poröses Material oder über unter Aussparung von Zwischenräumen aufgeschichtetes poröses oder nicht poröses Material, das zwischen Stromzuführung und-ableitung eingeschaltet ist, herabrieseln lässt, wobei diese Einbauten zweckmässig die Form von Säulen besitzen.
Diese Anordnung gestattet es, durch Verstärkung oder Ver- ringerung des Zuflusses der zu erhitzenden Flüssigkeit die dem Strom dargebotenen Flüssigkeitsqaer- schnitte und damit auch den Widerstand zu verändern.
Bei der Erhitzung zum Zweck der Destillation oder Konzentration oder auch zur Herbeiführung chemischer Reaktionen erfährt die Flüssigkeit fortlaufend Zustandsänderungen (Temperatur, Zusammensetzung, Konzentration 1. dgl.), die Widerstandsänderungen zur Folge haben. Die erfindungsgemäss gewählte Anordnung ermöglicht es auch, die Apparatur solchen während der Behandlung auftretenden Zustandsänderungen durch Abstufung anzupassen, indem die Einbauten durch Stromzuleitungen in mehrere Einheiten untergeteilt sein können, die verschieden grosse Zwischenräume oder Poren und gegebenenfalls auch verschiedene Höhe besitzen.
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erreicht dadurch den Vorteil, dass die Erhitzung der Flüssigkeit durch Absorptionswirkung unterstützt wird.
Im übrigen kommen als Material für die Einbauten sowohl nicht benetzbare, als auch saugende, ferner leitende und nicht leitende Körper von solcher Art in Betracht, dass sie von der zu behandelnden Flüssigkeit und von den Dämpfen im ganzen Konzentrationsbereich nicht angegriffen werden. Beispiels-
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keramische Massen, wie z. B. Filter aus Kieselgur, poröse Gele. Sand od. dgl.
Gemäss einer andern Form der zur Ausführung des erfundenen Verfahrens geeigneten Apparatur lässt man Einbauten aus porösem, saugfähigen Material in den Elektrolyten eintauchen, um aus diesem die zu behandelnde Flüssigkeit anzusaugen. Die hiezu geeigneten Formkörper besitzen vorzugsweise die Gestalt dreiseitiger offener Rahmen, die mit ihren beiden Schenkeln in den in getrennten Kammern
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Dem Verfahren kommen sehr verschiedene Anwendungsmöglickeiten zu. So können mit seiner Hilfe anorganische und organische Säuren destilliert und konzentriert sowie auch Laugen konzentriert und zur Kristallisation vorbereitet werden, ferner Lösungen aller Art eingeengt, Flüssigkeitsgemische getrennt und Reaktionen (wie etwa Versteifungen) durchgeführt werden, wobei in allen Fällen die theoretisch mögliche Höehstausbeute sowohl an Material, als auch an wärmetechnisehem Effekt nahezu erreicht wird. Desgleichen lässt sich mit dem Verfahren die höchstmöglichste Energiekonzentration und damit auch Wärmekonzentration erzielen.
Im nachfolgenden werden einige zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen als beispielsweise Ausführungsformen beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt einen Destillations-bzw. Konzentrationsapparat im Längenschnitt, der beispielsweise zur Trennung eines Gemisches von wässeriger Natronlauge und Ammoniak und zur Konzentration der Natronlauge Verwendung finden kann. Der aus Ton, Steinzeug od. dgl. isolierendem Material hergestellte Mantel 1 ist an der gewölbten Decke mit Abzügen 2 für die sich entwickelnden Dämpfe ausgestattet. Der säulenartige Einbau 4 besteht aus nichtleitendem porösen Material mit groben Poren, das bei der im Prozesse auftretenden Temperatur alkalibeständig ist. Oben und unten ist der Einbau von siebartigen Kohleelektroden 6 abgedeckt, die der Stromzuführung dienen. Der Einbau ruht auf einer Schale 7 aus Quarz oder ähnlichem Material, die das Abzugsrohr 8 umschliesst.
Die durch das Zuleitungsrohr 3 zugeführte Lösung fällt, durch die Brause 4 gleichmässig verteilt, auf die obere Kohlenplatte 6, die siebartig ausgebildet ist und dadurch die Verteilung unterstützt. Sobald die herabfliessende Lösung die untere Stromzufü1ìrungsplatte 6 erreicht hat, ist der Strom geschlossen.
Die Stromstärke ist von der Porengrösse des für den Einbau verwendeten Materials abhängig, das dem durchzuführenden Prozess entsprechend gewählt werden muss und stellt sich dem Zufluss entsprechend ein, so dass sie in einfacher Weise regelbar ist.
Soll der Apparat lediglich zur Konzentration verwendet werden und sind die entwickelten Dämpfe unschädlich, so ist der Mantel 1 entbehrlich.
Sind zur Destillation höhere Temperaturen erforderlich, wie dies beispielsweise bei der Gewinnung reiner Säure aus technischer Schwefelsäure der Fall ist, so wird vorzugsweise der in den Fig. 2-4 im
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9 ist eine Wanne aus Ton od. dgl. isolierendem Material, die durch eine Querwand 10 in zwei Kammern 11 untergeteilt ist. Jede Kammer ist mit einem besonderen Zulauf 12 und einem Überlauf 12a ausgestattet, welcher das Niveau in beiden Kammern auf gleicher Höhe erhält.
Die Einbauten 13 aus porösem Material haben die Gestalt dreiseitige offener Rahmen, die mit ihren beiden Sehenkeln in den Elektrolyten der beiden Kammern eintauchen, während der die Schenkeln verbindende Steg die Kammern überbrückt und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt. Über die Einbauten ist eine Glocke 14 gestülpt, die den Destillationsraum abschliesst und oben mit einem Abzagsrohr 15 für die sich entwickelnden Dämpfe ausgestattet ist. Öffnungen 16 im Glockenmantel haben den Zweck, die Kommunikation des Elektrolyten im Destillationsraum und der Wanne zu. ermöglichen. Die Stromzuführung erfolgt durch Elektroden 17, die ausserhalb der Glocke in den Elektrolyten der beiden Kammern 11 tauchen.
Die porösen Einbauten 13, die in entsprechender Anzahl angeordnet werden (in Fig. 3 sind drei dargestellt), heben den Elektrolyten durch Saugwirkung aus den Kammern 11, in den die Kammern über- drückenden Steg, so dass durch diesen eine Stromverbindung zwischen den beiden Kammern hergestellt ist. Die in der Brücke vorhandene Flüssigkeitsmenge nimmt in der Richtung von unten nach oben ab und dementsprechend die Stromstärke und die Erhitzung in der gleichen Richtung zu. Im obersten Teil der Brücke erfolgt die Erhitzung auf die Destillationstemperatur, und es tritt daher an diesen Stellen die Verdampfung ein.
Hat man Destillationen auszuführen, die mit einer chemischen Umsetzung verbunden sind, wie dies beispielsweise bei der Darstellung von Essigsäureäthylester aus Essigsäure und Äthylalkohol der Fall ist, so muss ein entsprechend langer Heizweg geschaffen werden, indem mehrere Einheiten, die in bezug auf ihre Funktion entsprechend eingestellt sind, hintereinander geschaltet werden. Dabei ist die Hohlraumstruktur und die Höhe der Einheiten der Dauer bzw. den erforderlichen Temperaturen der einzelnen Phasen des Prozesses anzupassen.
Für solche schwierige Verhältnisse empfiehlt es sich, an Stelle von Einbauten aus natürlichem porösem Material Einbauten zu verwenden, deren Hohlraum- struictur durch entsprechendes Zusammenfügen aus einzelnen Elementen künstlich geschaffen wird.
Die Fig. 5 und 6 zeigen ein darauf bezügliches Ausführungsbeispiel im Längenschnitt und Querschnitt.
Die Fig. 7 und 8 betreffen Einzelheiten.
Gemäss dem-dargestellten Ausführungsbeispiel werden als'Elemente für die Einbauten dünne
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Abstand, dass die Adhäsion ein Abreissen der Flüssigkeit verhindert. Der Zwischenraum der Mittelschienen kann, wie dies Fig. 8 veranschaulicht, grösser gewählt werden, um in den beiden Symmetrieebenen Kanäle zu schaffen, durch welche die sich entwickelnden Gase oder Dämpfe abziehen können.
Nach Fig. 5 besteht der Einbau aus drei Einheiten 19, 20, 21, die durch siebartig gelochte
Kohleplatten 22 voneinander getrennt sind. Der Abstand der Schienen in den einzelnen Einheiten und die Höhe der Einheiten sind verschieden, um auf diese Weise die Dauer und die Starke der Erhitzung den einzelnen Phasen des Prozesses anzupassen. Sehlichtet man dicht und verwendet man schmale dünne Schienen, so erhält man hohe Stromleistungen, wogegen durch Verwendung breiter starker Schienen bei weiter Schlichtung die Stromstärke herabgesetzt wird. Die Höhe der Einheiten ist der Stromstärke verkehrt proportional.
Betrieb und Wirkungsweise sind die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Von diesem unterscheidet sich der Apparat noch insofern, als die oberste und mittlere Einheit mit Prellplatten 23 ausgerüstet sind, welche die Aufgabe haben, mechanisch fortgerissene Elektrolytteilchen in den Fliissigkeitsweg zurückzuführen, um insbesondere Verluste durch Spritzen zu verhindern. Die Prellplatten dienen gleichzeitig auch als Dephlegmatoren für das abziehende Gas und unterstützen die Wärmekonzentration. Gegebenenfalls kann die mittlere Einheit noch einen besonderen Zufluss erhalten, um zusätzlichen Elektrolyten einführen zu können. Die unterste Kohlenplatte 22 kann unter Umständen entbehrlich sein.
In diesem Fall ist die unterste Einheit stromlos, für den Prozess aber nicht nutzlos, weil dem Elektrolyten Gelegenheit geboten wird, einen längeren Weg im heissen Destillationsraum zurückzulegen, wodurch der Prozess unter Umständen günstig beeinflusst werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhitzung von Flüssigkeiten durch elektrische Energie zum Zweck der Destillation, Konzentration, der Herbeiführung chemischer Reaktionen od. dgl. unter Verwendung der durch isolierende Einbauten in Ströme zerteilten Flüssigkeit als Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit unter Vermeidung des Auftretens eines hydrostatischen Druckes derart über Einbauten mit Zwischenräumen geführt wird, dass sie die Zwischenräume nur teilweise füllt.