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Verfahren zum unmittelbaren Wärmeaustausch mit Anwendung von Gegenstrom
zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Zur Erzielung eines unmittelbaren
Wärrneaustausches zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten mit verschiedenen
spezifischen Gewichten sind bisher Verfahren. bekannt geworden, bei denen die beiden
Flüssigkeiten meist im Gegenstrom zueinander geführt werden und sich während des
Wärmeaustauschvorganges infolge der Wirkung des Unterschiedes ihrer spezifischen
Gewichte voneinander geschieden halten oder mindestens am Ende wieder scheiden.
Gewöhnlich ist allerdings dieser Dichtenunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten
und daher ihr Bestreben, getrennte Schichten zu bilden, nur gering, was bei einer
Gegenstromführung zu unerwünschten Mischungserscheinungen und Schwierigkeiten bei
den jeweils benachbart liegenden Eintritts- und Austrittsstellen der zwei Flüssigkeiten
führen kann. Immerhin aber vermag man doch dieser Schwierigkeit in der Praxis meist
in genügendem Maße Herr zu werden, so lange die Verschiedenheit der spezifischen
Gewichte beider Flüssigkeiten über den ganzen Gegenstromweg gleichartig bleibt,
d. h. wenn überall ein und dieselbe Flüssigkeit die schwerere"und die andere die
leichtere ist.
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Wesentlich anders liegt der Fall, wenn zwei Flüssigkeiten miteinander
behandelt werden sollen, bei denen während des Verlaufes des Wärmeaustauschvorganges
die Unterschiede ihrer spezifischen Gewichte gegeneinander eine so starke Veränderung
erfahren, daß deren Ordnung sich völlig umkehrt, d. h. daß die ursprünglich spezifisch
leichtere Flüssigkeit spezifisch schwerer als die zweite wird. Dann wird durch die
eintretende Umschichtung der beiden Flüssigkeitsströme an der Stelle, wo die Umkehrung
und damit die zeitweilige Gleichheit ihrer spezifischen Gewichte stattfindet, eine
innige Vermischung oder Emulgierung der beiden Flüssigkeiten hervorgerufen, und
weil die Flüssigkeiten hinterher beide im Gegenstrom aneinander vorbeifließen,
wird
ihre nachträgliche Wiederentmischung und Scheidung sehr schwierig. Infolgedessen
treten die behandelten Flüssigkeiten an den Enden ihrer Wege ungenügend rein und
vermengt mit Teilen der jeweils anderen Flüssigkeit aus dem Wärineaustauscher aus.
Durch die hier geschilderte Schwierigkeit wird praktisch dem Verfahren zur Erzielung
eines unmittelbaren Wärmeaustausches zwischen z«:ei an sich nicht mischbaren Flüssigkeiten
eine Grenze seiner Anwendung gezogen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, die geschilderte Schwierigkeit zu
überwinden und einen Weg für die allgemeine Anwendbarkeit des unmittelbaren Wärmeaustausches
von nicht mischbaren Flüssigkeiten unter Gegenstrom, auch für den Fall der oben
gekennzeichneten Veränderlichkeit ihrer spezifischen Gewichte. zu zeigen. Dabei
geht sie von folgender Überlegung aus: Die Trennung zweier nur mechanisch miteinander
vermengter Flüssigkeiten mit verschiedenen spezifischen Gewichten gelingt am leichtesten
und vollkommensten, wenn die Mischung in Ruhe stehenbleibt. Der gleiche Erfolg wird
im vorliegenden Falle bei zwei nur vorübergehend vermengten Flüssigkeitsströmen
erreicht werden, wenn diese relativ möglichst in Ruhe zueinander sind, d. h. mit
vollkommen oder doch angenähert gleicher und gleich gerichteter Geschwindigkeit,
also mit möglichst kleiner Relativgeschwindigkeit durch die Wärmeaustauschvorrichtung
bewegt werden.
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Diese Erkenntnis verwertet die Erfindung nach dem Grundgedanken, daß
von dem ganzen Gegenstromweg der beiden ihre Wärme austauschenden Flüssigkeiten
dasjenige Wegstück, in welchem die Ordnungsumkehr der spezifischen Gewichte und
damit die Umschichtung der Flüssigkeiten vor sich gehen müßte, ausgeschieden und
durch ein Wegstück mit Gleichstrom der beiden Flüssigkeiten ersetzt wird. Dieser
Gleichstromweg wird so weit ausgedehnt und die beiden zu behandelnden Flüssigkeitsströme
werden in dieser Laufrichtung bei möglichst angenähert gleichen Geschwindigkeiten
so lange nebeneinander hergeführt, bis die während dieser Phase des Wärmeaustausches
bei den Flüssigkeiten aufgetretene Umkehrung der Ordnung ihrer spezifischen Gewichte
überschritten und die durch das Gleichstromverfahren allein erzielbare bleibende
-Scheidung der beiden Stoffe gemäß dem endgültigen Verhältnis ihrer spezifischen
Gewichte vollzogen ist.
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Die Ausführung des Verfahrens wird am besten durch ein praktisches
Beispiel erläutert. Es handele sich etwa um die Aufgabe, Waschöl aus der Benzolgewinnung,
d. h. ein schweres Teeröl von 12o° C auf 25° C herunterzukühlen, und es möge dafür
als Kühlmittel gewöhnliches Brunnenwasser von 15° C Anfangstemperatur verfügbar
sein, dessen Endtemperatur nach dem Kühlen 6o° C betragen möge. Das Waschöl hat
bei seiner angenommenen niedrigsten Temperatur von 25° C ein spezifisches Gewicht
von i,o6, bei seiner höchsten Temperatur von 120' ein solches von o,98: gcwöhnliches
Brunnenwasser hat bei 15' ein spezifisches Gewicht von sehr nahe - i,oo und bei
6o' C ein solches von o,99. Die gesamte 'Änderung des spezifischen Gewichtes des
Öles innerhalb des betrachteten Temperaturbereiches ist ersichtlichlviel größer
als die entsprechende J@nderung für Wasser; nur dieser Umstand schafft, wie man
bei theoretischer Nachprüfung übersieht, überhaupt die Möglichkeit, daß zwischen
den .zwei Stoffen bei Führung im Gegenstrom, wo jedesmal die hohen Temperaturlagen
und ebenso die tiefen örtlich benachbart sind, eine Umkehr der Ordnung ihrer spezifischen
Gewichte, also ein Kreuzungspunkt, entstehen kann, wenn man berücksichtigt, daß
durch die Wärme alle Körper ausgedehnt werden, also der Charakter oder die Richtung
der Veränderlichkeit der Dichten mit der Temperatur immer gleichbleibt.
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Wollte man das Waschöl und das Wasser etwa in zwei wagerechten Schichten
über den ganzen Wärmeaustauschw eg parallel und ini Gegenstrom zueinander führen,
so würde nach obigen Angaben an dem kühleren Ende dieses Weges, wo Wasser von 15'
und Waschöl von 25° zusammenkommen, das leichtere Wasser auf dein schwereren 0I
schwimmen, dagegen an dem heißeren Ende das hier schwerere Wasser von 6o° unter
dem hier leichteren Waschöl von i2o' lagern. Irgendwo im mittleren Teil des Weges
müßte ein Umkehrpunkt, eire Umschichtungcstelle sein. Erfahrungsgemäß liegt bei
den hier gemachten Annahmen der gekennzeichnete Umkehrpunkt in der Nähe der Temperatur
95° C des Waschöls, also ungefähr in der Entfernung von 1;.@.des Gesamtweges vom
heißeren Ende weg. Bei solch hohen Temperaturen des Waschöls wird es an der Umschichtungsstelle
beim Mischen mit dem Wasser so stark emulgiert, daß das Wasser auf seinem Restwege
von :fieser Stelle bis zum Austritt an dem heißen Ende sich nicht vollkommen von
beigemengtem Öl scheidet und ansehnliche 'Mengen des Öles mit sich nach außen
trägt.
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Das Verfahren der Erfindung, das die geschilderten Schwierigkeiten
beseitigt, ist für (las angenommene Beispiel schematisch durch die Zeichnung dargestellt.
E s ist a ein offener Trog oder eine flache Rinne in senkrechtem Längsschnitt mit
den erforderlichen Rohren und Stutzen an beiden Enden zum Zuleiten oder .Ableiten
und einer als Ablauf dienenden
Querrinne b in der Mitte. In der
Längsrichtung des Troges strömen die beiden Flüssigkeiten, in zwei getrennten Schichten
übereinander gelagert, in Richtung der eingezeichneten Pfeile. Das Waschöl ist durch
stärkere, das Wasser durch schwächere Schraffierung gekennzeichnet. Außerdem sind
die angenommenen Temperaturen beider Flüssigkeiten an ihren Ein- und Austrittsstellen
beigeschrieben. Das abzukühlende heiße Waschöl wird durch ein Standrohr
i bei e in den Trog ,a hinein, in einem einheitlichen Strome durch
ihn hindurch und bei f abgekühlt aus a heraus geleitet. Da nach den obenstehenden
Zahlenangaben das Waschöl bei seiner Eintrittstemperatur von i2o° C spezifisch leichter
als Wasser von jeder beliebigen Temperatur seines dafür angenommenen Temperaturbereiches
ist, schwimmt das Öl beim Eintritt, bei e, auf jeden Fall oben, und da das Waschöl
bei seiner Austrittstemperatur von 25" C ebenso bestimmt spezifisch schwerer
als Wasser ist, lagert es am Austritt, bei f, jedenfalls unten. Das frische Kühlwasser
wird durch das Standrohr h zugeführt und nach der Erfindung mittels der Zweigrohre
h und 1, in denen Regelorgane r und s zum Einstellen der durchlaufenden Flüssigkeitsmengen
angebracht sind, in zwei Teilströmen, sowohl an dem Eintrittsende des Waschöles,
bei c, als auch an seinem Austrittsende, bei d, in den Trog a eingeleitet.
Beide Teilströme des Wassers stoßen schließlich in der Mitte bei der querstehenden
Ablaufrinne b zusammen, fließen in diese über und ziehen durch den Auslaß g nach
außen weg. Die Stelle, wo infolge der Umkehrung der Ordnung der spezifischen Gewichte
die Umschichtung,und Durchkreuzung der beiden Flüssigkeitsströme erfolgt, ist das
durch in bezeichnete Wegstück. Dasselbe liegt nach den obigen Erläuterungen unter
den hier angenommenen Verhältnissen wesentlich näher der Eintrittsstelle e des Waschöles
als seiner Austrittsstelle f. Nach der Erfindung wird durch die Unterteilung und
eigenartige Führung der beiden an den Enden des Wasch-Ölstromes zutretenden Wasserströme
bezweckt und erreicht, daß die Umschichtungsstelle m in dasjenige Wegstück der Flüssigkeitsströme
fällt, in welchem Gleichstrom herrscht. Dieses Wegstück wird von der Umschichtungsstelle
an in Richtung des Gleichstromes noch so weit fortgesetzt, daß auf diesem Fortsetzungswege
eine hinreichende Scheidung des öles vom Wasser erfolgt und daher am Ende des Weges,
beim Ablauf b, ein praktisch ölfreies Wasser und wasserfreies ihl abströmen. Da
schon die Durchkreuzung der Ströme bei m unter Gleichstrom derselben stattfindet,
ist die Intensität der Vermischung von Anfang an gering und die Wiederentmischung
und reinliche Scheidung sehr erleichtert.
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Von den beiden Flüssigkeiten muß diejenige im einheitlichen Strom
durchgeführt werden, welche die stärkere Gesamtveränderung des spezifischen Gewichtes,
und Idiej enige in zwei entgegengesetzt laufenden Teilströmen zugeleitet werden,
welche die geringere Gesamtveränderung des spezifischen Gewichtes innerhalb der
in Betracht kommenden Temperaturbereiche erfährt. Diese Vorschrift ergibt sich auch
aus theoretischen Erwägungen, sobald man gemäß früher gebrachter Erläuterungen beachtet,
daß die oberen und unteren Grenzen des spezifischen Gewichtes der stärker veränderlichen
Flüssigkeit stets die entsprechenden oberen und unteren Grenzen für die schwächer
veränderliche Flüssigkeit zwischen sich schließen, wenn überhaupt der gekennzeichnete
Umkehr- und Kreuzungspunkt besteht.