DE2938549A1

DE2938549A1 - Verfahren und vorrichtung zum konzentrieren von loesungen

Info

Publication number: DE2938549A1
Application number: DE19792938549
Authority: DE
Inventors: Jacques Sterlini
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Priority date: 1978-10-18
Filing date: 1979-09-24
Publication date: 1980-04-30
Also published as: FR2439035A1; BR7906633A; GB2038649A; JPS5927201B2; GB2038649B; US4284480A; FR2439035B1; JPS5554001A

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden

"Verfahren land Vorrichtung zum Konzentrieren von Lösungen" Erfinder: Jacques STERLINI

Fall CEM 423/78 030018/0636

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Konzentrieren einer verdünnten Lösung, insbesondere einer wässrigen Lösung.

Dieses Problem trifft man häufig beispielsweise in der chemischen, pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Industrie bzw. Nahrungsmittelindustrie an.

Die am besten bekannten Methoden machen von Verdampfern Gebrauch, die meist in Mehrfachanordnungen eingesetzt werden, um den Energieverbrauch möglichst weitgehend einzuschränken; selbst dann ist dieser stets hoch und auf alle Fälle viel höher als (?*r theoretische Wert der Entmischungsarbeit.

Weitere bekannte Verfahren und Vorrichtungen bilden den Gegenstand der französischen Patentanmeldungen 75-11 438 (unter Nr. 2 307 227 veröffentlicht), 76-14 965 (unter Nr. 2 352 247 veröffentlicht) und 77-O7 04l. Die in diesen Patenten beschriebenen Maschinen können als "polytropische Maschinen" bezeichnet werden.

Sie bestehen aus einer Reihe von Zellen abgestufter Drucke/Temperaturen, worin ein Arbeitsmedium umläuft, das in jeder Zelle in der Form gesättigten Dampfes in Berührung mit seiner Flüssigkeit vorliegt. Dartiberhinaus sind zumindest in bestimmten Zellen ein oder mehrere Heiz- oder Kühlbündel vorhanden, welche die Zellen mit Wärmeträgern in Verbindung bringen, die ihnen von einer Erzeugungsquelle Wärme zuführen oder die für eine Verbrauchszone bestimmte Wärme entziehen· Letztlich wird jede Zelle mit ihren Nachbarn einerseits auf dem

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Dampf weg über einen Tferdichter bzw» eine Turbine in^ferbindung gebracht, wodurch die in den Vorgang eingehende Primärwärme im Mittel bei hohem bzw. niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung steht, wobei der Dampf die Druck/Temperaturniveaus auf- bzw. abwärts durchläuft, und andererseits auf dem Weg der im Gegenstrom zum Dampf und in gleicher Menge umlaufenden Flüssigkeit über eine kalibrierte Blende zur Herabsetzung der Druck/Temperaturniveaus oder über eine Pumpe zu deren Wiederanhebung. Der Fachmann kann ohne weiteres auf die Beschreibungen in den oben erwähnten Patenten zurückgreifen, um sich mit dem Aufbau und der Arbeitsweise solcher Maschinen vertraut zu machen.

Wenn durch den Wärmeträger Wärme zugeführt wird (er durchfliesst dann die Stufen der Fteihe nach in Richtung abnehmender Temperaturen), wird durch Sieden der in der Zelle vorhandenen Flüssigkeit aus dem Arbeitsmedium Dampf erzeugt, und im entgegengesetzten Fall wird Dampf des Arbeitsmediums kondensiert. Ferner bilden sich die Dampf- und Flüssigkeitsmengen von Stufe zu Stufe gemäss den zugeführten oder abgeführten Wärmemengen in Abhängigkeit von dem Gesetz Q(T), dem die Wärmezufuhr bzw. -abfuhr unterliegt, d.h. in Abhängigkeit von den Abmessungen der Austauscherbündel.

Es ist wichtig, sich zu vergegenwärtigen, dass im Prinzip die Summe der an der Grenzfläche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen dampfförmig bzw. in flüssiger Form eintretenden Mengen Arbeitsmedium stets gleich der Summe der in flüssiger Form bzw. dampfförmig

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aus demselben Arbeitsmedium austretenden Mengen ist, wobei die als Dampf und Flüssigkeit im Gegenstrom umlaufenden Mengen Arbeitsmedium in einer Stufe stets gleich sind. Es sei bemerkt, dass die in den oben erwähnten Patenten beschriebenen polytropischen Maschinen aus vier einfachen Grundreihen aufgebaut sein können, von denen im Folgenden je zwei angewandt werden, nämlich:

- gekühlte Verdichterreihe, für einen "Kondensationsvorgang mit Arbeitsaufnahme" verwendet - wieder erhitzte Verdichterreihe , für einen

"Siedevorgang mit Arbeitsaufnahme" verwendet

- gekühlte Turbinenreihe, für einen "Kondensationsvorgang mit Arbeitsleistung" verwendet,

- wieder erhitzte Turbinenreihe, für einen

"Siedevorgang mit Arbeitsleistung" verwendet.

Diese'vier Grundarten von Reihen enthalten alle eine offene Endstufe, wo die flüssigen und dampfförmigen Mengen des Arbeitsmediums ein- und austreten, und eine geschlossene Endstufe, wo das Arbeitsmedium entweder total verdampft oder total kondensiert wird.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Seite, wo sich die offene Stufe befindet, die Eingänge und Ausgänge des Arbeitsmediums gegenüber der betreffenden Reihe sowie die Umlaufrichtung des Wärmeträgers angegeben.

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Reihenart Offene Stufe Arbeits- Strömungsmedium richtung des Wfirmetrilgers

wieder erhitzte höhere Tempera- Eintritt als abnehmende Verdichterreihe tür Flüssigkeit, Tempera-Austritt als türen Dampf

gekühlte Ver- niedrigere Tem- Eintritt als zunehmende dichterreihe peratur Dampf, Aus- Tempera-IQ tritt als türen

Flüssigkeit

wieder erhitzte niedrigere Tem- Eintritt als abnehmende Turbinenreihe peratur Flüssigkeit, Tempera-Austritt als türen Dampf

gekühlte Turbi- höhere Tempera- Eintritt als zunehmende nenreihe tür Dampf, Aus- Tempera

tritt als türen Flüssigkeit

In diesen Systemen kann der Wärmeträger mehrere aufeinanderfolgende Stufen oder eine einzige Stufe durchlaufen. Im Grenzfall kann man pro Stufe einer gegebenen Reihe einen Wärmeträgerumlauf unterschiedlicher Art haben.

Es ist ebenfalls bekannt, dass sich die Arbeitsweise einer polytropischen Maschine für den Fall verallgemeinern lässt, indem die Mengen flüssigen und dampfförmigen Arbeitsmediums am Eingang der offenen Stufe untarscüedlich sind; in diesem Fall bleibt die Differenz der

in den beiden Richtungen umlaufenden Mengen auf dem Wert, den sie am Eingang besitzt, konstant bis zur anderen Endstufe, die also von einer Menge Arbeitsmedium durchlaufen wird und somit nicht mehr eine geschlossene Stufe

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darstellt; dabei kann man sagen, dass ein "an beiden Enden offener Vorgang" vorliegt, oder einfacher von einem offeaai Vorgang sprechen. Zwei Vorgänge, die im Rahmen der Erfindung Anwendung finden werden, seien nun beispielhaft beschrieben.

Der erste Vorgang oder Vorgang A ist ein Kondensationsvorgang mit Arbeitsaufnahme, worin eine Dampfmenge M + m¹ bei niedrigem Temperaturniveau in die offene Stufe eintritt; aus derselben Stufe tritt eine Flüssigkeitsmenge M und aus der Endstufe bei hohem Niveau eine Dampf menge m_J_ aus.

Der zweite Vorgang oder Vorgang B ist ein Siedevorgang mit Arbeitsleistung nach aussen. In der offenen Stufe bei niedrigem Niveau tritt eine Flüssigkeitsmenge M ein und eine Dampfmenge M + m¹ aus; in der Endstufe bei hohem Niveau tritt eine Dampfmenge m¹ ein.

Letztlich ist es bekannt,, dass im Fall, wo der Wärmeträger mit dem Arbeitsmedium identisch ist, der Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien nicht mehr durch eine Wand zu erfolgen braucht und dass man also ohne weiteres Wärme durch Mischen in Jeder Stufe austauschen kann; der polytropische Vorgang ist dann ein "offener Vorgang" ohne Austauschfläche; somit ist zum Beispiel die Arbeitsweise einer wieder erhitzten Verdichterreihe, wo die in die offene Stufe bei hohem Temperaturniveau eintretenden Mengen Flüssigkeit und Dampf den Wert M und wo der in die offene Stufe eintretende und bei niedrigem Niveau aus der Endstufe austretende Wärmeträger den Wert m besitzen, im Prinzip identisch

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mit der einer Reihe, wo die in die offene Stufe eintretende Menge Flüssigkeit M + m und die aus derselben Stufe austretende Dampfmenge M beträgt und wo eine Menge m bei niedrigem Niveau austritt.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konzentrieren der Lösung eines "gelösten Stoffes" in einem "Lösungsmittel" ohne fiussere Wärmezufuhr und nur mit Arbeitsleistung verbunde^wobei der Wert der letzteren sich dem theoretischen Wert der Entmischungsarbeit nähert.

Die Erfindung betrifft sr-nit ein Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung unter Anwendung eines Siedevorgangs mit Arbeitsleistung nach aussen und eines Kondensationsvorgangs mit Arbeitsaufnahme, wobei dieser Siedevorgang einen Umlauf von Medien in einer ersten Gruppe von Stufen mit Austauschzellen, die auf der Dampf-* seite über Turbinen und auf der Flüssigkeitsseite über mit Pumpen versehene Rohrleitungen in Verbindung stehen, und dieser Kondensationsvorgang einen Umlauf von Medien in einer zweiten Gruppe von Stufen mit Austauschzellen, die auf der Dampfseite über Verdichter und auf der Flüssigkeitsseite über kalibrierte Blenden in Verbindung stehen, umfasst, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass man von aussen eine Menge verdünnter bis konzentrierter Lösung als Arbeitsmedium in eine als offene Stufe bezeichnete Endstufe des Siede.vorgangs einführt, dass man in die andere, als halboffene Stufe bezeichnete Endstufe des Siedevorgangs eine Menge konzentrierter Lösung einbringt, die man unter Wärmeaustausch durch eine

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Wand die erste Gruppe von Stufen durchlaufen lässt und die bei niedrigem Temperaturniveau aus der offenen Stufe austritt, wobei die mit der verdünnten Lösung eintretenden und mit der konzentrierten Lösung austretenden Mengen an gelöstem Stoff gleichgross sind, dass man dißaus der offenen Stufe des Siedevorgangs austretende Menge Lösungsmitteldampf zur Erhöhung ihres Drucks durch mindestens einen von den Verdichtern des Kondensationsvorgangs getrennten Verdichter leitet und dass man diese Menge Lösungsmitteldampf unter dem erhöhten Druck dem Kondensationsvorgang zuführt, der mit Lösungsmittel als Arbeitsmedium betrieben wird, und eine gleiche Menge flüssiges Lösungsmittel abzieht, sodass jeder Stufe des Siedevorgangs eine Stufe des Kondensationsvorgangs entspricht, wobei Jede Stufe des Siedevorgangs zur Aufheizung die in der homologen Stufe des Kondensationsvorgangs abgeführte Wärme aufnimmt und der.Wärmeaustausch durch den Temperaturunterschied zwischen den homologen Kondensations- und Siedestufen sichergestellt ist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche aus einer ersten Gruppe von Austauschzellen darstellenden Stufen, Dampfturbinen, die an diese Zellen und an die Zellen miteinander verbindende, mit Pumpen versehene Flüssigkeitsrohrleitungen angeschlossen sind, einer zweiten Gruppe von Austauschzellen darstellenden Stufen, Verdichtern, die an letztere und an die Zellen miteinander verbindende Flüssigkeitsrohrleitungen mit kalibrierten Blenden angeschlossen sind, und Austauscherbündeln,die

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jeweils die Zellen beider Gruppen durchlaufen, besteht, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Mittel zur Einführung der verdünnten Lösung in die offene Stufe der ersten Gruppe, Mittel, um eine Menge konzentrierter Lösung in die halboffene Stufe der ersten Gruppe einzuführen und die Zellen der ersten Gruppe durchlaufen zulassen, sowie mindestens einen Dampfverdichter umfasst, der auf dem Weg des aus der offenen Stufe der ersten Gruppe austretenden Lösungsmitteldampfes angeordnet ist und dieses Lösungsmittel als Arbeitsmedium in die zweite Gruppe einführt, wöbe- die Anzahl Zellen in der ersten und zweiten Gruppe gleichgross ist und das Austauscherbündel einer Zelle der ersten Gruppe jeweils dem Austauscherbündel der entsprechenden Zelle der zweiten Gruppe zugeordnet ist.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung, die sich auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung bezieht und der Erläuterung dient, ohne die Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken, anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 ein das erfindungsgemässe Verfahren erläuterndes Prinzipschema;
Fig. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 3 ein weiteres, die Bedingungen für die praktische Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erläuterndes Schema;

Fig. 4 ein Schema einer Vorrichtung zur Durchführung der

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Erfindung; und

Fig. 5 ein Schema einer anderen Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung.

Zur Erläuterung der Erfindung veranschauliche man sich zunächst den Idealfall, wo sämtliche durchgeführten thermodynamischen Vorgänge vollkommen sind; dies erfordert insbesondere, dass die folgenden Bedingungen zutreffen:

- die Stufenzahl ist unendlich (damit die thermodynamischen Funktionen stetig sind);

- die sich drehenden Maschinen besitzen den Wirkungsgrad eins;

- die Temperaturunterschiede beim Austausch sind Null, was zur Folge hat, dass sich homologe Stufen der beiden Vorgänge auf gleicher Temperatur befinden;

- die zu behandelnde Lösung ist unendlich verdünnt.

Im Folgenden werden durchwegs die Ausflussmengen stets nur als Lösungsmittelmengen ausgedrückt. Ferner werden zwei im Gegenstrom umlaufende Mengen als ."mit.entgegengesetztem Vorzeichen bezeichnet. Unter Bezugnahme auf Figur 1 zeigt es sich, dass der Siedevorgang aus vier Stufen besteht; man erkennt die Austauschzellen 1, 1», 1", 1'", die Turbinen 2, 2¹, 2" und die Flüssigkeitspumpen 3, 3^f > 3". Die verdünnte Lösung (Menge M + ra) tritt entlang dem Pfeil 10 in die offene Stufe ein, während eine Lösungsmitteldampfmenge gleich M aus derselben offenen Zelle entlang dem Pfeil 11 austritt.

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Eine in der letzten Stufe l^m gebildete Menge m konzentrierter Lösung verlässt diese Stufe (die also halboffen ist) entlang dem Pfeil 12, durchlauftunter Wärmeaustausch durch eine Wand mit den aufeinanderfolgenden Zellen wieder die Stufen abwärts und tritt schliesslich kalt entlang dem Pfeil 13 aus.

Auf der anderen Seite erfolgt der Kondensationsvorgang mittels Austauschzellen 4, 4¹, 4", 4^IM und Verdichtern 5, 5^ft 5". Wärmeträgerkreisläufe 6, 6», 6", 6^MI oder Austauscherbündel bringen die homologen Stufen der beiden Zellengruppen in Wärmeaustauschverbindung miteinander. Der Lösungsmitteldampf (Menge M) tritt (entlang dem Pfeil 14) in die offene Stufe ein, und die gleiche Menge flüssiges Lösungsmittel verlässt diese Stufe entlang dem Pfeil 15.

Die sich auf der Seite des Kondensationsvorgangs in den homologen Stufenserien bei den Temperaturen T^, Tp, T,',....T einstellenden Drucke sind die Dampfspannungen des Lösungsmittels für die entsprechenden Temperatüren, nämlich:.

Pl' P2 'Pn

und auf der Seite des Siedevorgangs sind dies die Dampfspannungen über der Lösung, nämlich;

P'l» P*2 P¹Ii-

Wegen der tonometrisehen Erniedrigung ist der Druck in einer Siedestufe niedriger als in der homologen Stufe des Kondensationsvorgangs.

Ist die eintretende Lösung schon hinreichend konzentriert, so gilt:

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Der Verdichter 7 saugt die aus dem Siedevorgang unter dem Druck p¹^ austretende Menge M an und komprimiert sie bis auf Pt, um sie in den Kondensationsvorgang einzuführen; der Verdichter 7 spielt also eine Rolle, die sich von denen der Verdichter des Vorgangs unterscheidet. Ist die eintretende Lösung sehr verdünnt (was der weiter oben aufgestellten Hypothese entspricht), so wird die Differenz zwischen p-^ und p¹, praktisch Null, und die Arbeit dieses Verdichters wird ebenfalls praktisch Null. Das Vorhandensein des Verdichter^ 7 in Figur 1 stellt somit einen Grenzfall im Rahmen dieser Hypothese dar. Um die Arbeitsweise des Gesamtvorgangs zu erläutern, seien nacheinander die Stoff- und Energiebilanzen untersucht. Zunächst sei angenommen, dass die spezifischen Wärmen der verdünnten Lösung, der konzen-' trierten Lösung und des Lösungsmittels gleichgross sind.

Die in den Siedevorgang eintretende Gesamtflüssigkeitsmenge (algebraische Summe der eintretenden Menge verdünnter Lösung und der austretenden Menge konzentrierter Lösung) ist M.

Die in den Kondensationsvorgang eintretende Menge Lösungsmitteldampf ist ebenfalls M.

Da sich die homologen Stufen der Vorgänge auf der gleichen Temperatur befinden, die in den homologen Stufen in Betracht kommenden Wärmebeträge auf Grund der Anorinung mit Ausnahme des Vorzeichens gleichgross sind und die Mengen Arbeitsmedium an den Grenzen mit Ausnahme des Vorzeichens gleichgross sind, ist es klar, dass die Mengen

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Dampf und Flüssigkeit, welche die beiden homologen Stufen durchlaufen, mit Ausnahme des Vorzeichens gleich sind, dass die in den beiden homologen Stufen ins Spiel kommenden fühlbaren Wärmen mit Ausnahme des Vorzeichens gleich sind und dass die Erzeugung von Lösungsmitteldampf in einer Siedestufe dem in der homologen Stufe produzierten Kondensat gleich ist.

Die Stoff- und Energiebilanzen sind somit kohärent.

Die Arbeit des Kondensationsvorgangs ist grosser als die des Siedevorgangs, weil:

- einerseits die Menge in Abhängigkeit von der Temperatur bei beiden Vorgängen gleich ist,

- andererseits die Druckdifferenz P_n-P^ ^des Kondensationsvorgangs grosser ist als die Druckdifferenz P¹J₁-P¹T des Siedevorgangs.

Die Differenz zwischen den beiden stellt somit die vom äusseren Medium gelieferte Arbeit dar.

Es besteht kein Wärmeaustausch mit dem Aussenraum.

Die oben betrachtete äussere Arbeit stellt somit die reversible Entmischungsarbeit dar.

Um nun auf die Hypothese der Gleichheit der spezifischen Wärmen der verdünnten und konzentrierten Lösungen und des Lösungsmittels zurückzukommen: diese Hypothese ist in erster Linie von Nutzen, da sie die theoretische Beschreibung vereinfacht, und auch berechtigt, denn eine Berücksichtigung der unterschiedlichen spezifischen Wärmen führt gegenüber den Arbeitsbeträgen nur geringfügige zusätzliche Grossen in die Bilanzen ein.

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In Wirklichkeit ist die spezifisiche Wärme der Lösungen grosser als die des Lösungsmittels. Die spezifischen Wärmen der die Stufen des Siedevorgangs durchlaufenden Mengen sind also im Durchschnitt grosser als die des Kondensationsvorgangs. Würde man die vorstehenden Werte der Mengen auf dem Niveau der offenen Stufen beibehalten, so würde der Bedarf an fühlbarer Wärme für die Stufen des Siedevorgangs im Durchschnitt grosser und gleichermassen die Dampferzeugung in den Siedestufen im Durchschnitt kleiner sein; das System könnte im Hinblick auf die Stoff- und Energiebilanz nicht mehr im Gleichgewicht sein.

Figur 2 zeigt ein Prinzipschema, in dem man, um das Ganze ins Gleichgewicht zu bringen, eine zusätzliche Menge m^ dazwischentreten lässt, welche den ganzen Vorgang in geschlossenem Kreislauf durchläuft.

Der Kondensationsvorgang erhält nun am Eingang der offenen Stufe 4 entlang dem Pfeil 14^f die Dampfmenge M + m'; aus derselben Stufe 4 tritt die Menge Flüssigkeit M entlang dem Pfeil 15' aus; die Dampfmenge m¹ verlässt die Stufe 4^IM entlang dem Pfeil 21. Es ist ersichtlich, dass dies die Arbeitsweise des zuvor beschriebenen offenen Vorgangs A ist.

Der Siedevorgang wird ebenfalls zu einem offenen Vorgang; er ist übrigens mit dem zuvor beschriebenen Vorgang B identisch: die Menge m¹ tritt in die Endstufe bei hohem Niveau ein, da sie zuvor die zusätzliche Turbine 2^nt durchlaufen hat, die Menge bei niedrigem Niveau in die offene Stufe 1 eintretender Flüssigkeit beträgt

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M + m, und die auftretende Dampfmenge ist M + m¹. Diese Menge durchläuft danach den Verdichter 7.

Die bei dem Kondensationsvorgang eingesetzte Menge m¹ liefert an den Siedevorgang im Ganzen die zusätzliche Wärme, um den Austausch fühlbarer Wärme paarweise ins Gleichgewicht zu bringen; diese Wärme verteilt sich so zwischen den Stufen, dass der Austausch fühlbarer Wärme zwischen homologen Stufen ins Gleichgewicht kommt; es gehört zu den Eigenschaften polytropischer Maschinen, dass sie gestatten, Wärme auf reversible Art von einer Temperatur auf eine andere zu bringen.

Gemäss den tatsächlichen Anordnungen sind die in homologen Stufen kondensierten und verdampften Mengen gleichgross.

Die Gesamtarbeit (Arbeit des Kondensationsvorgangs minus Arbeit des Siedevorgangs) wird wie zuvor von aussen her aufgenommen. Da kein Vfinneaustausch mit der Aussenseite stattfindet, ist dies die reversible Entmischungsarbeit.

Nun sei die Arbeitsweise realer Vorgänge im Allgemeinfall beschrieben, wo die zu behandelnde Lösung eine endliche Konzentration besitzt.

In einem realen Vorgang des Konzentrieren einer Lösung .schaffen die verschiedenen Irreversibilitäten (Fraktionierung in endlichen Stufen, Wirkungsgrade der Verdichter und Turbinen sowie Temperaturdifferenzen beim Austausch) sowohl beim Kondensationsvorgang als auch beim Siedevorgang zusätzliche Wärmequellen·

Da ferner die zu behandelnde Lösung eine endliche 030018/063S

Konzentration besitzt, gilt:

P₁ > P¹!·

Der Verdichter 7, der adiabatisch arbeitet, führt zu einer Ueberhitzung, die eine zusätzliche Wärmequelle darstellt.

Gemäss einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird diese Wärme mittels der in Figur 3 abgebildeten Ausführungsform entzogen.

Die entlang dem Pfeil II¹ aus der Stufe austretende Menge M + m¹ wird im Kondensator 16 mittels des äusseren Kühlkreislaufs 17 teilw· ise kondensiert. Entlang dem Pfeil 18 tritt eine Kondensatmenge m^ aus, und entlang dem Pfeil 19 tritt die Dampfmenge M + m¹ - m" in die offene Stufe 4 des Kondensationsvorgangs über. Da die aus der Zelle 4^m austretende Dampfmenge stets m¹ beträgt, ist die aus der Zelle 4 entlang dem Pfeil 15" austretende Flüssigkeitsmenge nun M - m". Die entlang den Pfeilen 18 und 15" austretenden Flüssigkeitsmengen werden wieder vereinigt und bilden so die Menge M, die entlang dem Pfeil 20 abfliesst.

Im Ganzen tritt die Menge M + m verdünnter Lösungen in das Konzentrierverfahren ein, und es tritt einerseits die Menge m konzentrierte Lösung und andererseits die Menge M Lösungsmittel aus. Der Wert der von aussen gelieferten Arbeit beträgt :

die Arbeit der Verdichter des Kondensationsvorgangs plus der Arbeit des Verdichters 7 minus der Arbeit der Turbinen des SiedeVorgangs.

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Die an die Umgebung abgegebene Wärmemenge wird auf dem Niveau des Kondensators 16 abgezogen; sie stammt ausschliesslich von den Irreversibilitäten der durchgeführten, realen thermodynamisehen Operationen. Da in der Tat die Irreversibilitäten zusätzliche Wärme in das Gesamtverfahren einführen, ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche Menge m_^ vorzusehen, um das von der Verschiedenheit der spezifischen Wärmen der Lösungen und des Lösungsmittels herrührende Ungleichgewicht beim Wärmeaustausch auszugleichen; ebenfalls wird die Turbine 2'" prinzipiell nicht mehr benötigt. Man wird sie Jedoch als Variante beibehalten, da sie dem System zweckmässig eine feinfühlige Kontrolle verleihen kann.

Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Figur 4 abgebildet.

Der Siedevorgang erfolgt in einer wieder erhitzten Turbinen reihe, welche die Turbinen 202, 202·, 202", 202^wl , die Austauschzellen 201, 201», 202", 201"· und den Wärmeträgerkreislauf 212 mit-den Austauscherbündeln 1212, 1212», 1212" und Pumpen 203, 203', 203" umfasst. Der Kondensationsvorgang erfolgt in einer gekühlten Verdichterreihe, welche die Verdichter 205, 205', 205" und die Austauschzellen 204, 204», 204", 204"» umfasst.

Der aus der Zelle 201 durch die Rohrleitung 211 austretende Lösungsmitteldampf strömt in den durch den äusseren Kreislauf 217 gekühlten Kondensator 216; die nicht kondensierte, aus dem Kondensator austretende

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Dampfmenge tritt durch das Rohr 219 in den Verdichter 207 ein und wird durch das Rohr 214 in die Zelle 204 eingeleitet. Der aus der Zelle 204'" austretende Dampf wird mittels des Rohrs 221 in die Turbine 202^m eingeführt. Der kondensierte Teil der Menge, die den Kondensator 216 durchlaufen hat, wird durch das Rohr 218 mit der aus der Zelle 204 durch das Rohr 215" austretenden Flüssigkeitsmenge vereinigt, und die beiden Mengen zusammen werden dann durch das Rohr 220 abgeführt.

Der Wärmeaustausch zwischen den Zellen homologer Stufen kann"durch Wärmeträgerkreisläufe 206, 206', 206", 206"· erfolgen, welche Wärme durch Wände austauschen, wobei der Wärmeträger durch die Pumpen 222, 222», 222", 222"¹ gefördert wird.

Nach den bevorzugten Anordnungen der Figur 5 kann indessen der Austausch in der Verdichterreihe durch direkten Kontakt unter Verwendung des Lösungsmittels selbst als Wärmeträger zwischen homologen Stufen erfolgen. Dabei wird aus der Zelle 204^m kommendes, flüssiges Lösungsmittel mittels der Pumpe 224 durch das Rohr 223 gepumpt; diese Menge wird in der Zelle 201^nl gekühlt, und ein Teil wird durch das Rohr 225^nl abgezogen, durchläuft eine Dispergiervorrichtung 226ⁿ¹ und kühlt dann die Zelle 204"' durch direkten Kontakt, usw., bis zur ersten Stufe, wo der Rest der Lösungsmittelmenge über das Rohr 225. eine Dispergiervorrichtung durchläuft und dann die ZeI?9 204 durch direkten Kontakt kühlt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Konzentrieren von Lösungen unter Anwendung eines Siedevorgangs mit Arbeitsleistung nach aussen und eines Kondensationsvorgangs mit Arbeitsaufnahme, wobei dieser Siedevorgang einen Umlauf von Medien in einer ersten Gruppe von Stufen mit Austauschzellen, die auf der Dampfseite über Turbinen und auf der Flüssigkeitsseite über mit Pumpen versehene Rohrleitungen in Verbindung stehen, und dieser Kondensationsvorgang einen Umlauf von Medien in einer zweiten Gruppe von Stufen mit Austauschzellen_t die auf der Dampfseite über Verdichter und auf der Flüssigkeitsseite über kalibrierte Blenden in Verbindung stehen, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man von aussen eine Menge verdünnter bis konzentrierter Lösung als Arbeitsmedium in eine als offene Stufe bezeichnete Endstufe des Siedevorgangs einführt, dass man in die andere, als halboffene Stufe bezeichnete Endstufe des Siedevorgangs eine Menge konzentrierter Lösung einbringt, die man unter Wärmeaustausch durch eine Wand die erste Gruppe von Stufen durchlaufen lässt und die bei niedrigem Temperaturniveau aus der offenen Stufe austritt, wobei die mit der verdünnten Lösung eintretenden und mit der konzentrierten Lösung austretenden Mengen an gelöstem Stoff gleichgross sind, dass man die aus der offenen Stufe des Siedevorgangs austretende Menge Lösungsmitteldampf zur Erhöhung ihres Drucks durch mindestens einen von den Verdichtern des Kondensationsvorgangs getrennten Verdichter leitet und dass man diese Menge Lösungsmitteldampf unter dem erhöhten Druck

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dem Kondensationsvorgang zuführt, der mit Lösungsmittel als Arbeitsmedium betrieben wird, und eine gleiche Menge flüssiges Lösungsmittel abzieht, sodass jeder Stufe des Siedevorgangs eine Stufe des Kondensationsvorgangs entspricht, wobei jede Stufe des Siedevorgangs zur Aufheizung die in der homologen Stufe des Kondensationsvorgangs abgeführte Wärme aufnimmt und der Wärmeaustausch durch den Temperaturunterschied zwischen den homologen Kondensations- und Siedestufen sichergestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine zusätzliche Menge lösung einsetzt, die in Dampfform aus der Zelle des KondensationsVorgangs abgezogen wird, welche sich am dem Einführungsende für dampfförmiges Lösungsmittel entgegengesetzten Ende befindet, und dass man diese zusätzliche Menge nach Durchgang durch eine Turbine in die halboffene Stufe des Siedevorgangs· leitet, sodass diese zusätzliche Menge das gesamte Verfahren in geschlossenem Kreislauf durchläuft.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil des aus der offenen Stufe des Siedevorgangs in Dampfform austretenden Lösungsmittels komprimiert, um es in den Kondensationsvorgang einzubringen, und dass man den Rest des Lösungsmittels kondensiert.

h. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass man das flüssige Lösungsmittel als Wärmeträger verwendet, wobei dann eine Menge flüssiges Lösungsmittel (ausj der Endstufe des Kondensationsvorgangs entzogen wird und die Stufen des Siede-

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vorgangs unter Abgabe von Wärme an diese durchläurt, ^J * wobei man jeder Stufe des Siedevorgangs eine gewisse Menge Lösungsmittel zur Einführung in dispergiertem Zustand in die homologe Stufe des Kondensationsvorgangs zu deren Kühlung entnimmt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche aus einer ersten Gruppe von Austauschzellen darstellenden Stufen, Dampfturbinen, die an diese Zellen und an die Zellen miteinander verbindende, mit Pumpen versehene Flüssigkeitsröhrleitungen angeschlossen sind, einer zweiten Gruppe von Austauschzellen darstellenden Stufen, Verdichtern, die an letztere und an die Zellen miteinander verbindende Flüssigkeitsrohrleitungen mit kalibrierten Blenden angeschlossen sind, und Austauscherbündeln, die jeweils . die Zellen beider Gruppen durchlaufen, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Einführung der verdünnten Lösung in die offene Stufe der ersten Gruppe, Mittel, um eine Menge konzentrierter Lösung in die halboffene Stufe der ersten Gruppe einzuführen und die Zellen der ersten Gruppe durchlaufen zu lassen, sowie mindestens einen Dampfverdichter umfasst, der auf dem Weg des aus der offenen Stufe der ersten Gruppe austretenden Lösungsmitteldampfes angeordnet ist und dieses Lösungsmittel als Arbeitsmedium in die zweite Oeffnung einführt, wobei die Anzahl Zellen in der ersten und zweiten Gruppe gleichgross ist und das Austauscherbündel einer Zelle der ersten Gruppe jeweils dem Austauscherbündel der entsprechenden Zelle der zweiten Gruppe zugeordnet ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zusätzliche, der Zelle der halboffenen Stufe des Siedevorgangs zugeordnete Turbine sowie Mittel umfasst, um diese Turbine und die Zelle des Kondensationsvorgangs in Verbindung zu bringen, welche sich am dem Einführungsende für dampfförmiges Lösungsmittel entgegengesetzten Ende befindet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Kondensator umfasst, der in der Lösungsmitteldampfableitung aus der offenen.Stufe des Siedevorgangs angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzliche Mittel zum Entziehen einer Menge flüssigen Lösungsmittels aus der Endstufe des Kondensationsvorgangs und zu deren Einführung in die halboffene Stufe des Siedevorgangs, ergänzende Austauschkreisläufe , um diese Lösungsmittelmenge die Stufen des Siedevorgangs durchlaufen zu lassen, Mittel zum Abziehen einer Teilmenge flüssigen Lösungsmittels am Ausgang jeder Stufe des Siedevorgangs und Dispergiermittel zur Einführung all dieser Teilmengen im Dampfzustand in die homologe Stufe des Kondensationsvorgangs umfasst.

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