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Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung von Flüssigkeiten durch elektrische
Energie. 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 Vorschaltw iderständen
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 Querschnitts der Leitkanäle mit Hilfe von zu diesem
Zweck vorgesehenen Regelungsvorrichtungen. 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.
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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 Ausführungsform 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 Verringerung des Zuflusses der zu erhitzenden
Flüssigkeit die dem Strom dargebotenen Flüssigkeitsquerschnitte und damit auch den
Widerstand zu verändern.
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Bei der Erhitzung zum Zweck der Destillation oder Konzentration oder
auch zur Herbeiführung chemischer Reaktionen erfährt die Flüssigkeit fortlaufend
Zustandsänderungen (Temperatur, Zusammensetzung, Konzentration u. 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 unterteilt
sein können, die verschieden :große Zwischenräume oder Poren und gegebenenfalls
auch verschiedene Höhe besitzen.
In jedem Fall kann man als Material
für die Einbauten auch hochporöse Körper verwenden und erreicht dadurch den Vorteil,
daß die Erhitzung der Flüssigkeit durch Adsorptionswirkung unterstützt wird. Im
übrigen kommen als Material für die Einbauten sowohl nicht benetzbare als auch saugende,
ferner leitende und nichtleitende Körper von solcher Art in Betracht, .daß sie von
,der zu behandelnden Flüssigkeit und von den Dämpfen im ganzen Konzentrationsbereich
nicht angegriffen werden. Beispielsweise mögen .genannt sein: Porzellan, Steinzeug,
Metalle, Glas, .gesinterte Glaskörper usw., ferner unglasierte keramische Massen,
wie z. B. Filter aus Kieselgur, poröse Öle, Sand o. dgl.
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Gemäß einer anderen Form der zur Ausführung des erfundenen Verfahrens
geeigneten Apparatur läßt man Einbauten aus porösem, saugfähigem Material in den
Elektrolyten eintauchen, um aus diesem die zu behandelnde Flüssigkeit anzusaugen.
Die hierzu geeigneten Formkörper besitzen vorzugsweise die Gestalt dreiseitiger
offener Rahmen, die mit ihren beiden Schenkeln in den in getrennten Kammern untergebrachten
Elektrolyten eintauchen, wogegen der Steg die Kammern überbrückt. Erfolgt die Flüssigkeitsführung
über solche poröse Einbauten durch Saugwirkung, so ergibt sich die Abstufung der
Flüssigkeitszerteilung entsprechend den in der .Flüssigkeit während der Behandlung
auftretenden Zustandsänderungen von selbst, indem der Querschnitt der dem Stromdurchgang
in der Zeiteinheit dargebotenen Flüssigkeit mit zunehmender Entfernung vom Flüssigkeitsniveau
abnimmt.
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Das Verfahren ist in sehr verschiedener Weise anwendbar. 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 einbeengt, Flüssigkeitsgemische getrennt und Reaktionen (wie
etwa Verseifungen) durchgeführt werden, wobei in allen Fällen die theoretisch mögliche
Höchstausbeute sowohl an Material als auch an wärmetechnischem Effekt nahezu erreicht
wird. Desgleichen läßt sich mit dem Verfahren die höchstmögliche Energiekonzentration
und damit auch Wärmekonzentration erzielen.
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Im folgenden werden einige zur Ausführung des Verfahrens geeignete
Vorrichtungen als beispielsweise Ausführungsformen beschrieben.
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Die Abb. i zeigt einen Destillations- bzw. Konzentrationsapparat im
Längsschnitt, der beispielsweise zur Trennung eines Gemisches von wäßriger Natronlauge
und Ammoniak und zur Konzentration der Natronlauge Verwendung finden kann. Der aus
Ton, Steinzeug o. dgl. isolierendem Material hergestellte Mantel i ist an: der gewölbten
Decke mit Abzügen 2 für die sich entwickelnden Dämpfe versehen. Der säulenartige
Einbau 5 besteht aus nichtleitendem porösem Material mit groben Poren, das bei der
im Prozeß 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.
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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 Stromzuführungsplatte 6 erreicht hat, ist der Stromweg 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.
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Soll der Apparat lediglich zur Konzentration verwendet werden und
sind die entwickelten Dämpfe unschädlich, so ist der Mantel i entbehrlich.
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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 Abb. 2 bis 4 im Längsschnitt, Draufsicht -und Seitenansicht
dargestellte Apparat verwendet.
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9 ist eine Wanne aus Ton o. dgl. isolierendem Material, die durch
eine Ouerwand io in zwei Kammern i i untergeteilt ist. Jede Kammer ist mit einem
besonderen Zulauf 12 und einem Überlauf i2a ausgestattet, welcher das Niveau in
beiden Kammern auf gleicher Höhe erhält. Die Einbauten 13 aus porösem Material haben
die Gewalt dreiseitiger offener Rahmen, .die mit ihren beiden Schenkeln in den Elektrolyten
der beiden Kammern eintauchen, während der die Schenkel 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 Abzugsrohr
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 117, die
außerhalb der
Glocke in den Elektrolyten der beiden Kammern i i
eintauchen.
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Die porösen Einbauten 13, die in entsprechender Anzahl angeordnet
werden (in Abb. 3 sind drei dargestellt), heben den Elektrolvten durch Saugwirkung
aus den Kammern i i in den die Kammern überbrückenden 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 glei-. chen Richtung zu. Im obersten Teil
der Brücke erfolgt die Erhitzung auf die Destillationstemperatur, und es tritt daher
an diesen Stellen die Verdampfung ein.
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Hat man Destillationen auszuführen, die mit einer chemischen Umsetzung
verbunden sind, wie dies beispielsweise bei der Darstellung von Essigsäureäthylester
aus Essigsäure und Äthvlalkohol der Fall ist, so muß ein entsprechend langer Heizweg
geschaffen werden, indem mehrere Einheiten, die in bezug auf ihre Funktion entsprechend
eingestellt sind, hintereinandergeschaltet werden. Dabei ist die Hohlraumstruktur
und die Höhe der Einheiten der Dauer bzw. den erforderlichen Temperaturen der einzelnen
Phasen des Prozesses anzupassen. Für solche schwierigen Verhältnisse empfiehlt es
sich, an Stelle van Einbauten aus natürlichem porösem Material Einbauten zu verwenden,
deren Hohlraumstruktur durch entsprechendes Zusammenfügen aus einzelnen Elementen
künstlich geschaffen wird. Die Abb. 5 und 6 zeigen ein darauf bezügliches Ausführungsbeispiel
im Längsschnitt und Ouerschnitt. Die Abb. 7 und 8 betreffen Einzelheiten.
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Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden als Elemente für
die Einbauten dünne Glasschienen 18 verwendet, die in horizontalen Lagen
aufeinandergeschichtet sind. Die Schienen der einen Lage liegen quer zu den Schienen
der benachbarten Lagen und besitzen einen solchen gegenseitigen Abstand, daß die
Adhäsion ein Abreißen der Flüssigkeit verhindert. Der Zwischenraum der Mittelschienen
kann, wie dies Abb. 8 veranschaulicht, größer gewählt werden, um in den beiden Symmetrieebenen
Kanäle zu schaffen, durch welche die sich entwickelnden Gase oder Dämpfe abziehen
können.
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Nach Abb. 5 besteht der Einbau aus drei Einheiten i9, 2o, 2i, 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 Stärke der Erhitzung den einzelnen Phasen des
Prozesses anzupassen. Schichtet man dicht und verwendet man schmale dünne Schienen,
so erhält man hohe Stromleistungen, wogegen durch Verwendung breiter starker Schienen
bei weiter Schichtung die Stromstärke herabgesetzt wird. Die Höhe der Einheiten
ist der Stromstärke umgekehrt proportional.
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Der Betrieb und die Wirkungsweise sind die gleichen wie beim ersten
Ausführungsbeispiel. Von diesem unterscheidet sich die Einrichtung noch insofern,
als die oberste und -mittlere Einheit mit Prellplatten 23 ausgerüstet ist, welche
die Aufgabe haben, mechanisch fortgerissene Elektrolytteilchen in den Flüssigkeitsweg
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 zusätzliche Elektrolyten einführen zu können. Die unterste Kohlenplatte
22 kann unter Umständen entbehrlich sein.
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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.