DE288333C

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Publication number: DE288333C
Application number: DENDAT288333D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

Beim Eindampfen oder Destillieren von Wasser und ähnlichen Flüssigkeiten, welche, wie z. B. Alkohol, nicht durch Destillation chemisch zersetzt werden, fällt der größte Teil der Kosten auf die Zufuhr der der latenten Dampfbildungswärme der betreffenden Flüssigkeit entsprechenden Wärme. Es ist bereits vorgeschlagen worden (schwedisches Patent 27770), diese Kosten durch Herstellung einer vollständigen Regenerierung herabzusetzen, jedoch verbraucht dieser bekannte Apparat große Kraft. Das Prinzip desselben besteht darin, den vom Destillator abgehenden Dampf zu komprimieren, so daß er einen etwas größeren Druck erhält als den im Destillationsgefäß herrschenden, und folglich kondensiert wird, wenn er in einen Heizkörper in diesem Gefäß eingeleitet wird, wobei er seine latente Dampfbildungswärme zur Destillierflüssigkeit abgibt.

Geht man davon aus, daß ein solcher Apparat 2000 kg Wasser pro Stunde abdampft, und daß der Dampf zu 1,3 kg komprimiert wird, so muß also der Kompressor 2000 (1,67 + 1,2) = 940 cbm komprimieren, da 1 kg Dampf bei 1 kg Druck den Raum von 1,67 cbm und ι kg bei 1,3 kg Druck den Raum von 1,20 cbm einnimmt. Erfolgt diese Kompression in einem Zylinder von 1 qm Bodenfläche, so muß der Kolben einen Hub von 940 m ausführen. Der auf denselben wirkende Gegendruck ist 1,3 · 10000 = 13000 kg. Die geleistete Arbeit beträgt somit 13000 · 940 = 12 220 000 kgm pro Stunde, was einem Effekt von 46 P. S. entspricht.

Um die Sache zu verbessern, ist auch vorgeschlagen worden, zu dieser Arbeit einen kalorischen Motor zu verwenden und die Wärme der Abgase desselben zur Vorwärmung der zu destillierenden Flüssigkeit zu verwenden.

Vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren und einen Apparat, wodurch die Kosten für den Ersatz der Verdampfungswärme in einer gründlicheren Weise beseitigt werden, wobei ein nur eine geringe Kraft verbrauchender Apparat zur Verwendung kommt. Dies geschieht dadurch, daß die Destillation beim kritischen Zustand der betreffenden Flüssigkeit stattfindet, bzw. bei einer Temperatur, die etwas niedriger als die kritische Temperatur ist. Da gemäß den allgemeinen Gesetzen der Physik die Verdampfungswärme eines Körpers bei seinem kritischen Zustand = ο ist, so fällt also der Ersatz dieser Wärme vollständig fort und die Kosten hiermit ebenfalls.

Um die Erfindung deutlicher klarzulegen, soll beispielsweise der neue Verlauf bei der Destillation von Wasser beschrieben werden. Der kritische Zustand des Wassers tritt bei einer Temperatur von 374° C und einem Druck von 217,5 Atm. (224,24 kg/qcm) ein (s. Landolt-Börnsteins Physikalisch-chemische Tabellen, 1912, S. 447, Untersuchung von Holborn und Baumann 1910).

Die Erfindung wird durch die Zeichnung veranschaulicht, die einen Apparat zur Ausführung der Erfindung schematisch darstellt. Von dem Destillationsgefäß ι führt ein Rohr 2 zu einem in einem Gefäß 4 o. dgl. befindlichen, spiralförmigen Kühlrohr 5, das durch eine Rohrleitung 6 mit einem Pumpenzylinder 7 verbunden ist. Ein Ventil 3 ist im Rohr 2 derart angeordnet, daß es sich bei

ίο einer gewissen Druckdifferenz öffnet. In der Leitung 6 ist ein Ventil 15 und in der vom System ausgehenden Leitung 12 ein Ventil 16 angeordnet. In eine Saug- und Druckpumpe 8 o. dgl., deren Kolben seine Bewegung beispielsweise von einem Motor 9 erhält und mit dem Kolben des anderen Zylinders 7 verbunden ist, mündet die Zufuhrleitung 11 des Systems mit einem Ventil 18.

Vom Pumpenzylinder 8 leitet ein Rohr 10 mit Ventil 17 zum Gefäß 4, das mit dem Destillationsgefäß 1 durch eine Rohrleitung 13 mit Rückschlagventil 14 verbunden ist.

Das Abdampfungsgefäß 1 ist bis zu einem bestimmten Teil seines Inhalts mit Wasser gefüllt und das Ventil 15 geschlossen. Nun wird Wärme dem Gefäß 1 zugeführt, so daß der Druck in demselben steigt. Wenn er auf den Druck gestiegen ist, bei welchem das Ventil 3 sich öffnet (im gewählten Beispiel 3 kg/qcm), tritt der Wasserdampf in das Kühlrohr 5 über. Wegen der Druckverringerung beim Durchgang durch das Ventil 3 wird der Dampf im Rohr 5 zu Wasser kondensiert (Joule-Thomsonscher Effekt). Wenn der Druck im Gefäß 1 auf 225 kg gestiegen ist, ist der kritische Punkt überschritten und die Temperatur wird dann auf einer Höhe von 374° C gehalten. Im Rohr 5 herrscht nun ein Druck von 225 — 3 = 222 kg/qcm, das Wasser in diesem Rohre hat aber noch nicht die entsprechend hohe Temperatur. Wird nun die Flüssigkeit, wie unten beschrieben, in Bewegung gesetzt, so daß das im Rohr 5 kondensierte Wasser allmählich abgeführt wird, ohne daß der Druck im Rohr 5 herabgesetzt wird, und wird gleichzeitig neues Wasser in das Gefäß 1 durch die Leitung 10, Gefäß 4, Leitung 13 und Rückschlagventil 14 eingepumpt, wobei Sorge getragen wird, daß der Druck und die Temperatur im Gefäß 1 beibehalten werden, so folgt hieraus, daß die Temperatur im Rohr 5 allmählich den Punkt erreicht, den sie nach den Gesetzen der Physik innehaben muß.

Gemäß Davis' Untersuchungen (Publications from Harward University 1909) ist der Joule-Thomsonsche Effekt, im Temperaturfall pro Druckfall von 1 kg/qcm ausgedrückt, für Wasserdampf: bei 200° = 2,2° C, bei 250° = i,5° C, bei 300° = 1,1 ° C und bei 360 ° = 0,9° C. Hieraus läßt sich annäherungsweise schließen, daß der Temperaturfall bei 374⁰ = 0,85° C bei einem Druckfall von ι kg/qcm und somit bei einem Druckfall von 3 kg/qcm = 2,55° C ist. Druck und Temperatur im Rohre 5 sind somit 222 kg/qcm bzw. 374 — 2,55 = 371,45° C. Bei einer Temperatur von 371,45° ist aber der Druck des gesättigten Wasserdampfes 217,59 kg/qcm, und demzufolge ist das Wasser im Rohre 5 flüssig.

Das Resultat der Wirkung des Apparates ist also, daß, wenn die Bewegung der Flüssigkeiten in der oben beschriebenen Weise aufrechterhalten wird, d. h. wenn die angegebenen Temperaturen und Drucke nicht geändert werden, das Wasser vom Behälter 1 destilliert und im Rohr 5 kondensiert, und zwar ohne Verbrauch der der latenten Dampfbildungswärme des Wassers entsprechenden Wärmemenge.

Um das Wasser in das Gefäß 1 zu bringen, ist ein Druck von mehr als 225 kg/qcm erforderlich. Hierfür wäre eigentlich eine ziemlich große und deshalb auch teure Arbeit erforderlich ; um aber diese Arbeitssteigerung möglichst zu vermeiden, wird ganz oder teilweise die im Wasser, das im Rohr 5 unter einem Druck von 222 kg/qcm kondensiert wird, befindliche Energie verwertet.

Zu diesem Zwecke kann man z. B. die KoI-ben der beiden Zylinder 7, 8 durch eine gemeinsame Kolbenstange verbinden, wodurch der Druck auf den Kolben des Zylinders 8 durch den Kolben des Zylinders 7 ausbalanciert wird. Wenn nämlich durch das Ventil 15 Wasser bei einem Druck von 222 kg/qcm eingelassen wird, während das Ventil 16 geschlossen ist, und durch den Motor 9 die zur Beseitigung der Druckdifferenz zwischen der Leitung 10 (227 kg/qcm) und dem Zylinder 7 (222 kg/qcm) erforderliche Kraft zugeführt wird, so bewegt sich der Kolben der Pumpe vorwärts und drückt das Wasser in die Leitung 10 und von dort aus weiter durch das Gefäß 4 und die Leitung 13 zum Gefäß 1. Beim Rückgang der Kolben werden die Ventile 17, 15 geschlossen, wogegen die Ventile 18, 16 geöffnet werden. Dieses öffnen und Schließen geschieht entweder von Hand oder mittels einer geeigneten Vorrichtung selbsttätig. Durch das erstere wird das Wasser in den Pumpenzylinder 8 eingesaugt, und durch das letztere wird das Wasser aus dem Balancierzylinder 7 abgeführt.

Während des Durchganges des neueingepumpten Wassers durch das Gefäß 4 nimmt das Wasser Wärme aus dem Wasser im Kühlrohr 5 auf, so daß das letztgenannte Wasser bei der Ableitung eine Temperatur von 30⁰C hat. Der Druck im Rohr 5 sinkt durch diese Temperaturverringerung so unbedeutend, daß hiervon abgesehen werden kann, denn nach

Thomsons Formel für Temperatursteigerung bei Kompression von Flüssigkeiten ist diese Steigerung:

= ίο 333

A-T-CiV₀P
Cf '

In diesem Ausdruck steht α im Zähler, so daß also θ mit dieser Größe proportional ist. α liegt für Wasser zwischen 200 und 500 Atm.

= etwa ίο"⁶ · 600 (Chwolson, Lehrb. d. Physik, Band 3, S. 562). Dies wird durch Jouls Versuch mit Kompression von Wasser bei +30° und 26,19 Atm. bestätigt, wo die Temperatursteigerung 0,0544° C wurde.

Arbeitet der Apparat in der oben angegebenen Weise, so gestaltet sich der Wärme- und Kraftverbrauch, wenn der Apparat vollständig im Gang ist, wie folgt:

Wenn das Gefäß und das Rohr 5 nach dem Gegenstromprinzip so konstruiert und dimensioniert sind, daß das Wasser das Rohr mit einer Temperatur von +30⁰C verläßt, und daß das von der Pumpe 8 in das Gefäß 4 gepreßte Wasser eine Temperatur von + 15⁰C hat, und endlich die durch den Apparat pro Stunde gehende Wassermenge 2000 kg ist, so ist die nötige Wärmemenge für die Erwärmung von 2000 kg Wasser von 15° bis 374 ° C 2000 (374 — 15) = 718 000 Kai.

Das Wasser im Rohr 5 gibt an das Wasser im umgebenden Gefäß 2000 (371·—30) = 682 000 Kai. ab.

Um die Temperatur im Gefäß 1 aufrechtzuerhalten, muß also demselben

718 000 —682 000 = 36 000 Kai.

pro Stunde zugeführt werden, was also der theoretische Wärmeverbrauch des Apparates ist.

Wird als Geschwindigkeit in den Rohrleitungen 1 m/sec angenommen, so wird die

lichte Weite des Rohres

2000

= 0,0552 qdm,

3600·10
der Durchmesser desselben somit 26 mm.

Der Druck auf den Rohrquerschnitt ist 5)52 · 5 = 27,6 kg, der vom Motor 9 überwunden werden muß. Hierzu ist eine Arbeit

= 27,6 kgm notwendig, was - = 0,37 P.S.

entspricht und der theoretische Kraftverbrauch des Apparates ist.

Es versteht sich von selbst, daß man in gewissen Fällen auch die Wärme der destillierten Flüssigkeit oder einen Teil derselben zu anderen Zwecken als zur Erwärmung der neuzugeführten Flüssigkeit verwenden kann, und daß man ihren Druck auch zur Ausführung anderer Arbeit verwerten kann, sowie daß man auch nur einen Teil der überdestillierten Flüssigkeit zum Einpressen neuer Destillierflüssigkeit verwenden kann.

Man kann in gewissen Fällen auch die Destillation bei einer Temperatur ausführen, die etwas niedriger als die kritische ist, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren "zum Eindampfen und Destillieren von Wasser und ähnlichen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindampfen und Destillieren bei dem Druck und der Temperatur geschieht, die dem kritischen Zustand der Flüssigkeit entsprechen, zum Zwecke, die Zuführung der sonst erforderlichen Verdampfungswärme zu vermeiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Gefäß (1) am kritischen Zustande oder in der Nähe desselben gebildete Dampf einer Flüssigkeit beim Abgleiten aus dem Destillationsgefäß einer kleinen Druck- und Temperaturherabsetzung solcher Beschaffenheit ausgesetzt wird, daß er in flüssigen Zustand zurückkehrt, so daß sein Druck höher wird als der dem Druck des gesättigten Dampfes bei der betreffenden niederen Temperatur entsprechende Druck.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach der Destillation fortdauernd unter hohem Druck stehende Flüssigkeit bzw. ein Teil derselben als Treibmittel für das Einpressen neuer Flüssigkeit in das Gefäß (1) benutzt wird, so daß die Energie der ersteren verwertet wird, um die neuzugeführte Flüssigkeit in den kritischen Zustand zu versetzen.

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4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sauge- und Druckpumpe (8) o. dgl. zum Einführen der zu destillierenden Flüssigkeit in ein Gefäß (1), wobei die Pumpe mit einer Antriebsvorrichtung (7) verbunden ist, die in die Ablauf leitung des Gefäßes (1) eingeschaltet ist und durch die schon destillierte Flüssigkeit angetrieben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,