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Verfahren und Anlage zum Verdampfen von Flüssigkeit Die Erfindung
bezieht sich auf eine Verbesserung des Verfahrens und der Anlage zum Verdampfen
von Flüssigkeit nach Patent 649672, bei der die zu verdampfende Flüssigkeit bei
ungefähr demselben Druck in jeder Verfahreass tufe abwechselnd zuerst durch mittelbaren
Wärmeaustausch mit einer kondensierenden Gasdampfmischung (Heizmittel) nur erwärmt
und danach unter Mitwirkung eines in unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit
t«,ebrachten permanenten Gases verdampft wird. Hierbei werden die Vorteile des Gegenstrnmprinzips
nach Möglichkeit ausgenutzt, was in der unmittelbaren Stufe, z. B. in einer Siebbodenkolonne,
durch geführt werden kann. Für die Wirtschaftlichkeit derartiger Verfahren ist ausschlaggebend,
wieweit beim mittelbaren Wärmeaustausch zwischen dem Heizmittel und der Flüssigkeit
das Heizmittel gekühlt werden kann und welche Sättilgung.stemperatur die mit der
Flüssigkeit in.unmittelbaren Wärmeaustausch gebrachte Gasdampfmischung erreichen
kann. Wenn die Flüssigkeif in der Anlage umläuft und dabei abwechselnd durch Verdampfung
gekühlt und durch mittelbare Erwärmung erwärmt wird, dann ist die Anfangstemperatur
der Flüssigkeit bei Beginn des mittelbaren Wärmeaustausches in letzter Linie von
der Durchführung der Verdampfung abhängig.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens wird zunächst der Verlauf
einer Flüssigkeitsverdampfung mittels eines permanenten Gas es untersucht. Eine
gleichbleibende Wassermenge kommt mit unveränderlicher Eintrittstemperatur und in
Gegenstrom in unmittelbare Berührung mit einer gl.eichbleiíbenden Luftmenge von
unveränderlicher Anfangstemperatur. Hierbei findet Verdampfung statt, die Kühlung
des Wassers und Sättigung der Luft bei höherer Temperatur bewirkt. Die Berührungsfläche
sei unendlich groß. Die folgende Berechnung wird auf die Werte bekannter Tabellen
über den Wasserdampfgchalt gesättigter Luft bei 760 mm Hg Gesamtdruck und bei verschiedenen
Temperaturen sowie auf die Werte für die spezifische Wärme der Luft und des Wassers
gegründet. Die Berechnung ist auf Luftdampfmischungen bezogen, die r kg trockene
Luft enthalten.
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In Abb. 1 ist ein Diagramm dargestellt, das den gesamten Wärmeinhalt
in Kalorien (von o° an gerechnet) eines Kilogramms mit Wasserdampf bei verschiedenen
Temperaturen von 10 bis 750 C gesättigter Luft angibt.
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Der gekrümmte Linienverlauf ist auf die gleichartige Form der Dampfdruckkurve
zurückzuführen. In diesem Diagramm stellt sich Ider Verlauf der Kühlung oder Erwärmung
einer gewissen Fiü.ssigkeitsmenge als
eine Gerade dar. wenn man
von den kleinen Schwankungen in der spezifischen Wärme der Flüssigkeit absieht.
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Im Diagramm der Abb. 2 gibt die Linie a den Verlauf der Kühlung von
1 kg Wasser von 70 auf 30° C oder der Erwärmung von 30 auf 70£ an und die Linie
b den Verlauf der Kühlung von 2 kg Wasser von 40 auf 20° bzw. der Erwärmung von
20 auf 40° an. Man sieht, daß die Neigung der Linie die Menge des Wassers bestimmt.
Um den Verlauf des Wärmeaustausches z. B. bei der Kühlung von 1 kg Wasser von 70
auf 30° (o) mittels ~kg Wasser (b) von 20£. das dal)Ci auf o- erwärmt wird, hesser
zu veranschaulichen. kann man in Abb. 2 eine T,inie (a oder b) parallel zu sich
selbst in senkrechter Richtung versch@eben. Die in dieser Weise erhaltene neue Linie
h1 gibt dieselbe Veränderung im Wärmegehalt der Flüssigkeit bei Kühlung oder Erwärmung
wie die Linie b an und unterscheidet sich von der Linie b nur dadurch. daß eine
andere Temperatur als o als Sullpunkt für den Wärmeinhalt gewählt worden ist. Der
Wärmegehalt der Diagramme ist also willkürlich gewählt.
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In den Abb. 3 llis 6 wird der Wärmeaustausch zwischen einer wäßrigen
Flüssigkeit und einer gesättigten Luftdampfmischung dargestellt. Um dabei den Verlauf
bei einer Verdampfung klarzulegen, wird angenommen, daß die Anfangstemperatur des
Wassers 65 C. die Anfangstemperatur der gesättigten Luft 15° C betrage und das Wasser
auf 30° gekühlt werden soll. Es erhebt sich nun die Frage. ob es unter diesen Voraussetzungen
möglich ist, eine schließliche Sättigungstemperatur der Luft von z. B. 64° C zu
erreichen. Die Antwort ergibt sich aus der Abb. 3. worin die Wärmeinhaltskurve der
Abb. 1 für gesättigte Luft eingezeichnet worden st. Die waagerechten Linien durch
die Punkte 15° C und 64° C sind bis zum Schnitt mit den Ordinaten für 30° C bzw.
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65° C ausgezogen worden. Die Schnittpunkte E bzw. D sind miteinander
durch eine Linie D-E verbunden, die die der Erwärmung der Luftdampfmischung von
15 auf 64° entsprechende Kühlung des Wassers von auf 305 veranschaulicht. Aus dem
Wärme inhaltsunterschied von 127 (d. h. 137-10) Kal/kg und dem Temperaturunterschied
von 35. (d. h. 65-30) erhält man die der Linie D-E entsprechende Flüssigkeitsmenge
von 3.63 kg je kg Luft. Aus Abb. 3 ergibt sich nun. daß diese Menge nicht verwendet
werden kann. da die Wasserlinie D-E die Luftlinie @-B in den Punkten a und b schneidet.
was nicht einem natürlichen Verlauf entspricht. Die Wasserlinie kann aber die Luftkurve
berühren, z. B. wie im Punlite c oder wie in der Abb. 4. Im ersten Falle. wo die
untere Wassertemperatur zu 30° festgelegt worden ist. ist der ursprüngliche Temperaturunterschied
35° des Wassers beibehalten worden, da die Wasserlinie E-D zwischen 30 und 65° liegt.
Hierbei erreicht aber die Luft nur eine Sättigungstemperatur von 59°. wie der Schnittpunkt
C zwischen der Waagerechten durch D1 und der Luftkurve A-B zc:gt. Im @ Falle der
khb. 4, wo die Wasserlinie dul-ell den Punkt D gezogen worden ist. schneidet diese
Linie die Waagerechte durch 4 im Punkte E1. der ungefähr 41.5° C entspricht, wobei
aber die vorausgesetzte untere Wassertemperatur von 30° nicht erreicht wird. Eine
Sättigungstemperatur von 64° kann somit in dieser Weise nicht erhalten werden.
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Da die Flüssigkeit in der Verdampfanlage umlaufen. also abwechselnd
gekühlt und gewärmt werden soll. ist die höhere Endtemperatur nach der Kühlung gleichzeitig
eine höhere als die ursprünglich vorausgesetzte Anfangstemperatur bei der Erwärmung.
Dies kann mit sich führen. daß die Ausnutzung des Wärmeinhaltes der als Heizmittel
verwendeten Gasdampfmischung nicht so weit getrieben werden kann. als sonst nio"alich
wäre.
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Dir eigentümlichen A; erhältnisse. die bei der Flüssigkeitsverdampfung
mit Hilfe von permanentem Gas herrschen, sind auf die gekrümmte Form der Dampfdruckkurve
zurückzuführen. Da die Dampfdruckkurven aller Flüssigkeiten einen gleichartigen
Verlauf aufweisen. so gelten die Feststellungen für alle Arten von Flüssigkeit und
Gas. Deshalb darf zusammenfassend gesagt werden. daß man bei Verdampfung von Flüssigkeit
mit Hilfe von permanentem Gas im Gegenstrom. wenn die Anfangstemperaturen der Flüssigkeit
und des Gases festgelegt sind, nicht gleichzeitig die Endtemperaturen nach Belieben
bestimmen kann. Ist die eine Grenztemperatur festgelegt, so ist damit ein Grenzwert
auch für die andere gegeben. über den man bei der oben angegebenen Verfahrensweise
nicht hinauskommen kann.
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Die Schwierigkeit bei der Verdampfung liegt darin. eine genügend
große Senkung der Flüssigkeitstemperatur zu erreichen. ohne dabei gleichzeitig die
Sättigungstemperatur der erhaltenen Gasdampfmischung allzusehr unter die Eintrittstemperatur
der Flüssigkeit zu erniedrigen. Diese Schwierigkeit wird immer größer. je höher
die Temperatur der eintretenden Flüssigkeit ist. Die Erfindung beruht nun auf der
Erkenntnis. daß diese Schwierigkeit dadurch beseitigt werden kann. daß man in den
verschiedenen Temperaturbereichen das Verhältnis zwischen den Mengen
von
Flüssigkeit und Gasdampfmischung verändert. Dieser ganz allgemeine wärmetechnische
Grundsatz ist schon in der Teergewinnung angewandt worden, indem dabei eine unveränderliche
Gasmenge mit verschieden großen Mengen von Waschflüssigkeit in Berührung gebracht
wird. Dabei handelt es sich aber nicht um das Einengen von Lösungen. Die Erfindung
verbessert dagegen ein eingangs bestimmtes Verdampfungsverfahren, und zwar dadurch,
daß entweder bei der Verdampfung oder bei der mittelbaren Erwärmung der Flüssigkeit
oder bei beiden Vorgängen zugleich durch Zu- oder Ableitung von Flüssigkeit oder
Gasdampfmischung oder beider gleichzeitig das Verhältnis zwischen der gegebenenfalls
aus mehreren voneinander getrennten Einzelmengen bestehenden Flüssigkeitsmenge und
der permanenten Gasmenge in der wärmeaufnehmenden Gasdampfmischung bzw. der Heizmittelmenge
verändert wird, und zwar wird es beim Verdampfungsvorgang bei steigender Temperatur
der wärmeaufnehmenden Gasdampfmischung vergrößert bzw. bei fallender Temperatur
verkleinert und beim Er'värmungsvorgang bei steigender Temperatur des Heizmittels
vergrößert bzw. bei fallender Temperatur verkleinert.
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Die Veränderung kann in zwei oder noch mehr Stufen erfolgen und durch
Verminderung der Flüssigkeitsiuenge im Verhältnis zur Menge Gasdampfmischung oder
durch Vergrößerung der Gasmenge im Verhältnis zur Flüssigkeitsmenge oder sowohl
durch Verminderung der Flüssigkeitsmenge als auch Vergrößerung der Gasmenge herbeigeführt
werden. Das Verfahren läßt sich auch mit getrennten, hinsichtlich der Menge verschiedenen
und zweckmäßig umlaufenden Mengen an Flüssigkeit oder Gasdampfmischung verwirklichen.
Wird die Veränderung durch Abziehen eines oder beider Medien herbeigeführt und soll
die durch die Wärmeüberführung bzw. Verdampfung gekühlte Flüssigkeit wieder erwärmt
werden, so kann die abgezogene Flüssigkeit der unter Erwärmung befindlichen Flüssigkeit
zur weiteren gemeinsamen Erwärmung zugeführt werden, zweckmäßig an einer Stelle,
wo die Temperaturen einander wenigstens ungefähr entsprechen.
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In Abb. 5 ist dargestellt, wie eine Verdampfung mit zwei verschiedenen
Flüssigkeitsmengen verläuft, von denen die kleinere durch Abziehen eines Teiles
von der ursprünglichen aus dem System erhalten worden ist.
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Wie in den Beispielen gemäß den Abb. 3 und 4 wird von Luft mit einer
Sättigungstemperatur von 15° C ausgegangen. Diese Luft begegnet zunächst Flüssigkeit,
die durch Verdampfung die Sättigungstemperatur auf 48° C erhöht. Gleichzeitig wird
die Flüssigkeit von 52 auf 30° C gekühlt. Während des weiteren Verdampfungsverlaufes
begegnet die Luft einer anderen, größeren Flüssigkeitsmenge, die durch Verdampfung
die Sättigungstemperatur auf 64° C erhöht, während die Flüssigkeit dabei von 65
auf 52° C gekühlt wird.
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In der ersten Stufe werden von der Flüssigkeit 50 Kal. abgegeben,
und die Flüssigkeitstemperatur wird dabei um 52 - 30 = 22° C erniedrigt. Hieraus
berechnet sich die Flüssigkeitsmenge zu 2,28 kg.
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In derselben Weise erhält man für die höhere Stufe die Flüssigkeitsmenge
= 5,91 kg.
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Die Verdampfung in dieser Weise auszuführen, ist unzweifelhaft von
Vorteil. Aus dem Diagramm und den Berechnungen geht nämlich hervor, daß die bei
der Verdampfung erhaltene Luftdampfmischung eine Sättigungstemperatur von 64° C
hat, ferner daß bei der Verdampfung ein Teil der Flüssigke@tsmenge auf 30° C gekuhlt
erhalten worden ist. Also hat das Abziehen von Flüssigkeit. d. h. eine Veränderung
der Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zur Gasmenge während des Verdampfungsverlaufes,
ermöglicht, was sich gemäß Abb. 3 mit einer gleichbleibenden Flüssigkeitsmenge durchzuführen
als unmöglich erwies. Die auf 30° C gekühlte Flüssigkeitsmenge ermöglicht eine wirtschaftliche
Ausnutzung der Wärmequelle bei der nachfolgenden erneuten mittelbaren Erwärmung
der Flüssigkeit mit Hilfe einer kondensierenden Gasdampfmischung.
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Das Diagramm der Abb. 6 zeigt den Fall. wo die Menge des für die
Verdampfung verwendeten permanenten Gases während des Verdampfungsverlaufes verändert
wird und die Flüssigkeitsmenge unverändert bleibt.
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Es ist wiederum von Luft mit einer Sättigungstemperatur von 150 C
ausgegangen worden, 1,5 kg solcher Luft begegnen in Gegenstrom 3.45 kg Flüssigkeit,
wobei die Luftmenge l)ei 500 C gesättigt und die Flüssigkeit gleichzeitig von 54.8
auf 300 C gekühlt wird. Dabei werden 85 Kal. ausgetauscht. Die Verdampfung wird
dann mit 0,5 kg Luft fortgesetzt. deren Sättigungstemperatur von 50 auf 640 C steigt.
Die IJuft begegnet in Gegenstrom 3,43 kg Flüssigkeit, die von 65 auf 54,8° C gekühlt
wird.
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35 Kal. werden ausgetauscht. Die Veränderung der Gasmenge hat also
zur Folge, daß die Flüssigkeit auf 300 gekühlt und gleichzeitig ein Teil der Luft
bei 640 C gesättigt werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf Anlagen zur Durchführung der
geschilderten
Verfahren. In Abb. 7 und 8 werden Ausführungsbeispiele
veranschaulicht.
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In der Anlage gemäß Abb. 7 wird mit veränderlicher Flüssigkeitsmenge
gearbeitet, und als Wärmequelle dient eine Luftdampfmischung von 75° Sättigungstemperatur.
Nur ein aus Wärme und Verdampfer bestehendes Aggregat, dessen Wirkungsweise aus
Abb. 5 erhellt, ist dargestellt worden. Die Erwärmung der Flüssigkeit, also die
Ausnutzung des Wärmeinhaltes der Wärmequelle, ist auf zwei Stufen verteilt norden.
Die Erwärmung findet in den Erhitzern V1 und V2, die Verdampfung in den Verdampfern
A1 und -42 statt.
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Die Luftdampfmischung von 75° wird in V1 auf 64° C gekühlt und die
Flüssigkeit gleichzeitig von 52 auf 65° C erwärmt. Von V1 geht die Luftdampfmischung
nach V2, wo sie von 64 auf 40° C gekühlt und die Flüssigkeit von 30 auf 53° C erwärmt
wird.
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Die Flüssigkeit aus V2 fließt zum Verdampfer Al, wo sie mit Luft von
I50 C Sättigungstemperatur zusammentrifft, die dabei auf 480 C gesättigt, wohingegen
die Flüssigkeit von 52 auf 30° C gekühlt wird. Die Flüssigkeit aus V1 kommt in den
Verdampfer A2, wo sie der aus A1 kommenden Luftdampfmischung von 480 C begegnet,
sich von auf 520 C abkühlt und die I,uft bei 640 C sättigt. Neue Flüssigkeit kann
bei a1 und a2 zugeführt und konzentrierte Flüssigkeit bei b1 und b2 abgezogen werden.
Aus dem System V1, A2 kann auch Flüssigkeit dem System V2, A1 zugeführt werden oder
umgekehrt, z. B. mittels der mit gestrichelten Linien eingezeichneten Zweigleitung
c. Dadurch läßt sich das Verhältnis zwischen den verschiedenen Flüssigkeitsmengen
oder deren Konzentrationen regeln. Die Überführung von Flüssigkeit aus dem einen
in das andere System findet zweckmäßig zwischen Punkten gleicher Temperatur statt.
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Hinsichtlich der umlaufenden Flüssigkeitsmengen stellen der Erhitzer
V1 und der Verdampfer A2 sowie der Erhitzer V2 und der Verdampfer Al zwei getrennte
Systeme dar.
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Bedingung für einen Verdampfungsverlauf gemäß dem in Abb. 5 gezeigten
Diagramm unter der Voraussetzung, daß die Erhitzungs-und Verdampfungsflächen genügend
groß sind. ist. daß die in den verschiedenen Systemen umlaufenden Flüssigkeitsmengen
sich wie 2,28 : 5.91 verhalten.
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Die geschilderte Anlage ist zur Verdampfung beliebiger Flüssigkeit
oder Flüssigkeitsmischungen mit Gas oder Gasmischungen geeignet. Das Verfahren kann,
wie oben erwähnt. auch in der Weise durchgeführt Der den, daß die Gasmenge während
der Verdampfung verändert, im Verhältnis zur Flüssigkeitsmenge vergrößert wird oder
daß sowohl Flüssigkeitsmenge wie Gasmenge verändert werden. Ein solches Verfahren
unterscheidet sich in nichts von dem oben eingeltender geschilderten, da die Wirkung
durch Veränderung des Verhältnisses der in Wirkungsaustausch stehenden Gas- und
Flüssigkeitsmengen während des Verdampfungsverlaufes erreicht wird.
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Es ist noch zu erwähnen, daß der Verlauf des Wärmeaustausches in
Wirklichkeit et,va,s komplizierter als geschildert ist. Dies muß darauf zurückgeführt
werden, daß die Flüssigkeitsmengen während des Verdampfungsverlaufes nicht vollständig
konstant bleiben, da Wasser verdampft. Die hierdurch bedingten kleinen Verschiebungen
in dem in Abb. 5 gezeigten Diagramm sind aber für die Klarlegung des Wesens der
Erfindung ohne Belang und deswegen nicht berücksichtigt worden.
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Die Verdampfung kann in mehr als zwei Stufen zerlegt werden, von
denen dann jede mit einer nach der oben angegebenen Weise zweckmäßigen Flüssigkeitsmenge
arbeitet.
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Ebenso können mehrere Effekte miteinander zur sog. Multipleverdampfung
vereinigt werden.
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Abb. 8 zeigt ein Verdampfungssystem, in dem mit zwei verschiedenen
Gasmengen gearbeitet wird. Die Wärmequelle bestehe aus einer Luftdampfmischung mit
einer Sättigungstemperatur von 75° C. Erwärmung findet im Erhitzer V, Verdampfung
in den Verdampfern A1 und A2 statt. Die Luftdampfmischung wird in V von 75 auf 400.
C gekühlt und gleichzeitig die Flüssigkeit von 30 auf 65° C erwärmt. Die Flüssigkeit
aus V geht zum Verdampfer A1, wo sie Luft mit einer Sättigungstemperatur von 50°
C in Gegenstrom begegnet. Die Luft wird in A1 auf einer Temperatur von 64° C gesättigt
und gleichzeitig die Flüssigkeit auf 54,8° C gekühlt. Von A1 strömt die Flüssigkeit
nach A2, wo Verdampfung mit Hilfe von Luft mit einer Sättigungstemperatur von T50
C stattfindet. Die Luft. die der Flüssigkeit entgegenströmt, erhitzt und sättigt
sich auf 500 C. Dabei wird die Flüssigkeit auf 300 C gekühlt. Die Luftmenge in A2
ist größer als in A1, da Luftdampfmischung zwischen A1 und A2 abgeleitet wird. Ein
Teil der Luft aus A2 strömt nach A1 weiter. Der Wärmeinhalt der beiden Luftmengen
kann in einem nachfolgenden Effekt ausgenutzt werden. Die aus A2 abgehende 30° C
warme Flüssigkeit kehrt zum Wärmer V zwecks Erhitzung zurück.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung der dargestellten Vorrichtungen
begrenzt, da zur Durchführung der Erfindung beliebige Ausführungsformen dienen können.