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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
verbesserte Endeindampfung von beim Celluloseaufschluß
anfallender Schwarzlauge in mehreren, mindestens zwei,
Eindampfungsvorrichtungen eines an sich bekannten Typs.
STAND DER TECHNIK
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Beim Celluloseaufschluß anfallende Ablauge, die
sogenannte Schwarzlauge, weist einen
Trockensubstanzgehalt von 14-17% auf. Bei diesen
Substanzen handelt es sich um zurückzugewinnende
Aufschlußchemikalien und zu verbrennende organische
Substanzen, hauptsächlich Ligninrückstände. Die
Schwarzlauge kann aufgrund dieser niedrigen
Konzentration an festen Substanzen nicht direkt
verbrannt werden und muß daher durch Abdampfen von
Wasser aufkonzentriert werden. Diese Eindampfung
erfolgt in verschiedenen Vorrichtungen und liefert eine
konzentrierte Schwarzlauge mit einer Konzentration im
Bereich von 80%. Diese konzentrierte Schwarzlauge wird
dann in einem Rückgewinnungskessel unter Rückgewinnung
von Chemikalien und Wärmeenergie verbrannt.
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Die Eindampfung erfolgt in der Regel in einer
Reihe von Vorrichtungen, die im Prinzip als
Wärmetauscher ausgeführt sind. Sie bestehen aus einem
zylindrischen Behälter beträchtlicher Höhe,
beispielsweise 8-10 Meter, und sind im Inneren mit
Wärmetauscherrohren oder Wärmetauscherplatten
ausgestattet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Wärmetauscher aus einem Rohrverband, der
vertikal zwischen zwei Rohrplatten angeordnet ist,
welche direkt vor den Enden der Rohre so durchbohrt
sind, daß flüssige Schwarzlauge in den Rohren vertikal
nach unten strömen kann, während die Verdampfung
herbeiführender Dampf an der Außenseite der Rohre
entlangströmt und darauf kondensiert. Die Enden der
Rohre sind mit den Rohrplatten so verbunden, daß
zwischen der Innenseite und der Außenseite der Rohre
keine Verbindung besteht. Demzufolge bildet die
Schwarzlauge im Inneren der Rohre einen Fallfilm und
gibt einen Teil ihres Wassergehalts in Form von Dampf
ab, welcher zur Eindampfung in anderen Vorrichtungen
verwendet wird. Eine Vorrichtung dieser Art wird als
Fallfilmverdampfer bezeichnet. Normalerweise werden
mehrere derartige Vorrichtungen in Serie geschaltet.
Wenngleich sie so angeordnet werden können, daß die
Lauge im Gegenstrom zum Dampf strömt, sind auch
Gleichstromvorrichtungen bekannt. Bei letzteren ist es
üblich, zur Erhöhung der Laugentemperatur zwischen den
Eindampfungsvorrichtungen Wärmetauscher anzuordnen.
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Bei Normaldruck siedet Dünnlauge mit einem
Trockensubstanzgehalt von 14-17% etwas oberhalb des
Siedepunkts von Wasser (100ºC). Der Siedepunkt der
Schwarzlauge nimmt jedoch mit Aufkonzentrierung der
Lauge allmählich zu, wobei die Südepunkterhöhung für
eine Lauge mit einem Trockensubstanzgehalt von ungefähr
50% ungefähr 8ºC, für eine Lauge mit einem
Trockensubstanzgehalt von ungefähr 60% ungefähr 12ºC
und für eine hochkonzentrierte Lauge mit einem
Trockensubstanzgehalt von ungefähr 80% ungefähr 25ºC
beträgt. Das bedeutet, daß der auf der Außenseite der
Rohre eingespeiste und die Verdampfung herbeiführende
Dampf eine über dem Siedepunkt der am höchsten
konzentrierten Lauge liegende Kondensationstemperatur
aufweisen muß, d. h. wenn der Gegendruck des verdampften
Dampfes auf der Laugenseite beispielsweise 1 bar
(Überdruck) beträgt, was einer Kondensationstemperatur
von 120ºC entspricht, muß der Laugenfilm auf eine
Temperatur im Bereich von 145ºC gebracht werden. In den
Vorrichtungen mit einer niedrigeren Konzentration an
Trockensubstanz, beispielsweise 70% bzw. 60%, siedet
der Laugenfilm bei 136 bzw. 132ºC.
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Es ist vorbekannt, allen an der
Endeindampfungsstufe beteiligten Vorrichtungen Dampf,
Primärdampf, der sich bei dem gleichen Druck und bei
der gleichen Temperatur befindet, zuzuführen und den
abgedampften Dampf von allen Vorrichtungen in ein und
derselben Leitung unter dem gleichen Druck
zusammenzubringen. In einem derartigen Fall sind daher
die Temperaturunterschiede zwischen dem Primärdampf und
den Siedepunkten in den verschiedenen Vorrichtungen
unterschiedlich.
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Zur Minimierung der Wärmeoberfläche und zur
Ermöglichung des Waschens der Endeindampfungsstufe wird
letztere häufig auf mehrere Vorrichtungen verteilt,
wobei die Ablauge der Reihe nach durch die
Vorrichtungen befördert wird. Da in allen Vorrichtungen
der Endeindampfungsstufe sowohl auf der
Primärdampfseite als auch auf der Sekundärdampfseite
der gleiche Druck herrscht, wird die kleinstmögliche
Differenz zwischen den Sättigungstemperaturen auf der
Primärdampfseite und der Sekundärdampfseite
hauptsächlich durch die Vorrichtung mit dem höchsten
Trockensubstanzgehalt, die somit die größte
Südepunkterhöhung aufweist, bestimmt. Vom
erwärmungstechnologischen Standpunkt aus wird die
Temperaturdifferenz zwischen dem Primärdampf und der
Lauge in den Vorrichtungen mit niedrigerer
Konzentration unnötig groß sein.
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Mit zunehmendem Trockensubstanzgehalt nimmt
auch die Viskosität zu. Diese Viskositätszunahme ist
bei hohen Trockensubstanzgehalten (> 50%) besonders
ausgeprägt. Diese erhöhte Viskosität beeinträchtigt die
Wärmeübertragung. Da ein und dieselbe Vorrichtung mit
einem Trockengehalt betrieben wird, der dem
Austrittstrockensubstanzgehalt entspricht, wird die
Wärmeübertragung in der Gesamtheit dieser Vorrichtung
durch den Austrittstrockensubstanzgehalt bestimmt. Die
Aufteilung der Endeindampfungsstufe auf mehrere
Vorrichtungen, wobei die Ablauge der Reihe nach durch
die Vorrichtungen befördert wird, ermöglicht es, eine
oder mehrere Vorrichtungen mit einer Schwarzlauge zu
betreiben, die einen niedrigeren Trockensubstanzgehalt
aufweist als die in der Vorrichtung mit dem höchsten
Gehalt enthaltene Schwarzlauge. Dadurch wird dann die
Wärmeübertragung erleichert. Daher gibt es für die
Aufteilung der Endeindampfungsstufe auf mehrere
Vorrichtungen eine Reihe von Gründen.
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In der europäischen Patentanmeldung EP-A-
365 060 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem man den
verdampften Dampf von einer Eindampfungsvorrichtung zu
einer zweiten Eindampfungsvorrichtung mit höherem
Trockensubstanzgehalt weiterbefördert, in die der
verdampfte Dampf auf der Laugenseite einströmt und
dadurch den Fallfilm schert. Dadurch wird die
Wärmeübertragung verbessert. Dieses Verfahren wird
häufig als Dampfrezirkulation bezeichnet.
TECHNISCHES PROBLEM
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Die Temperaturdifferenz wird daher in der
Vorrichtung bzw. den Vorrichtungen, in der bzw. denen
die Konzentration an Trockensubstanz in der Lauge am
höchsten ist, gering sein, mit sinkender Konzentration
im stromaufwärtigen Teil des Systems jedoch immer
größer werden. Dies ist vom wärmewirtschaftlichen
Standpunkt aus nicht zufriedenstellend, und es sind
verschiedene Versuche zur Verbesserung der
Wirtschaftlichkeit des Eindampfungsverfahrens
unternommen worden.
LÖSUNG
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist
demgemäß ein Verfahren zur Endeindampfung von
Schwarzlauge in mindestens zwei
Eindampfungsvorrichtungen bekannter Bauart, die
bezüglich der Schwarzlauge in Serie und bezüglich dem
die Verdampfung antreibenden Frischdampf (Primärdampf)
parallel geschaltet sind, wobei der durch die
Eindampfung erzeugte Dampf (Sekundärdampf) in einer
oder allen Vorrichtungen in offener Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des der bzw. den
Vorrichtungen, in der bzw. denen die Lauge am höchsten
konzentriert ist, zugeführten Primärdampfs höher als
der Druck ist, bei dem der Primärdampf der bzw. den
anderen Vorrichtungen zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, die
Eindampfung in mindestens zwei, vorzugsweise drei oder
vier, Vorrichtungen durchzuführen, von denen die in
Laugenrichtung gesehen letzte mit Primärdampf gespeist
wird, der sich bei einem höheren Druck befindet als der
den anderen drei Vorrichtungen zugeführte Dampf. Bei
Verwendung von drei oder mehr Vorrichtungen kann es
auch vorteilhaft sein, den Dampfdruck in der in
Laugenrichtung gesehen vorletzten Vorrichtung zu
erhöhen.
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In einer Zellstoffabrik gibt es Dampfnetze mit
unterschiedlichen Dampfdruckniveaus. Zum Antreiben der
Eindampfung wird in der Regel das sogenannte
Niederdruckniveau (3-4 bar (Überdruck) verwendet. So
kann sich beispielsweise der Primärdampf zur ersten
Stufe bei einem Druck von 3 bar (Überdruck) befinden,
was einer Kondensationstemperatur von 143ºC entspricht.
Die erste Stufe bildet häufig die Endeindampfungsstufe.
Erfindungsgemäß speist man eine oder mehrere
Vorrichtungen mit Primärdampf bei einem Druck von
beispielsweise 3 bar (Überdruck), während der
Primärdampfdruck für die anderen Vorrichtungen, die mit
Primärdampf unter höherem Druck gespeist werden,
beispielsweise 4,4 bar (Überdruck) beträgt
(Kondensationstemperatur von ungefähr 155ºC). Dieser
Dampfdruck wird so gewählt, daß die resultierende
Temperaturdifferenz zwischen der Dampfseite und der
Laugenseite ungefähr gleich oder vorzugsweise etwas
über der liegt, die in den Vorrichtungen, für die der
Primärdampfdruck niedriger ist, herrscht.
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Erfindungsgemäß kann der Druck des
Sekundärdampfes 0,7 bar (Überdruck) betragen und seine
Sättigungstemperatur größer als 115ºC sein.
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Im Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt der Trockensubstanzgehalt der Lauge beim
Austreten aus der in Laugenrichtung gesehen letzten
Vorrichtung bei über 70%.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es
sich vorzugsweise um ein sogenanntes Fallfilmverfahren.
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Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, den Lauge
höherer Konzentration enthaltenden Vorrichtungen
zusammen mit der Lauge verdampften Dampf aus Lauge
niedrigerer Konzentration enthaltenden Vorrichtungen
zum Scheren des Fallfilms zuzuführen. Das heißt, daß
man das oben beschriebene Verfahren, das sogenannte
Dampfrezirkulationsverfahren, anwendet.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der
beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Teilschnittdarstellung einer der
vorliegenden Erfindung entsprechend verwendeten
Eindampfungsvorrichtung,
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Fig. 2 eine schematischere Darstellung einer
Eindampfungsanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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Fig. 3 eine schematische Darstellung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
NÄHERE BESCHREIBUNG
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Fig. 1 zeigt eine Eindampfungsvorrichtung, die
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird.
Diese Vorrichtung besteht aus einem vertikal
langgestreckten, praktisch zylindrischen Außenmantel 1,
dessen unterer Teil etwas aufgeweitet ist. In dem
zylindrischen Mantel 1 befindet sich ein Wärmetauscher
2, der vorzugsweise aus Rohren besteht, durch die die
Lauge nach unten laufen soll und um die der Primärdampf
kondensieren soll, um die Rohre zu erhitzen und die
Lauge einzudampfen. Der Rohrverband 2 ist an seinen
Rohrenden mit einer Rohrplatte 3 an seinem oberen Teil
und mit einer Rohrplatte 3 an seinem unteren Teil
verbunden. Die Rohrplatten 3 sind so durchbohrt, daß
die Rohrenden mit diesen Bohrlöchern zusammenfallen. Im
oberen Teil befindet sich beispielsweise eine
Sprühvorrichtung 4 zur Zuführung von Lauge, welche von
der Sprühvorrichtung 4 einheitlich über die Rohrplatte
3 und durch die Rohre nach unten verteilt wird. Der
Primärdampf, der die Rohre 2 umströmen soll, wird durch
eine Öffnung 5 eingespeist. Kondensierter Dampf wird an
der Öffnung 6 abgezogen, und die konzentrierte Lauge
wird an der Öffnung 7 am Boden der Vorrichtung
abgezogen. Es sind Vorkehrungen dafür getroffen, einen
Teil der konzentrierten Lauge von der Öffnung 7 zur
Sprühdüse 4 im oberen Teil zurückzuführen. In dieses
Rückführsystem wird aufzukonzentrierende Lauge normal
eingespeist, d. h. durch eine der Rohröffnungen im
unteren Teil der Vorrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist für
das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt. Sie ist nach
dem Fallfilmprinzip aufgebaut und hocheffizient.
Anstelle der Rohre kann man auch flache
Wärmeübertragungsoberflächen verwenden, und es ist
erfindungsgemäß auch möglich, ein Verfahren zu
konzipieren, bei dem die Lauge nach oben steigt, eine
sogenannte Kletterfilmtechnik.
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Fig. 2 zeigt fünf sogenannte Stufen für die
Eindampfung, wobei Stufe I in der Zeichnung aus vier
Einheiten gemäß Fig. 1 besteht und die Stufen II, III,
IV und V aus Einzeleinheiten gemäß Fig. 1 bestehen.
Zwischen diesen Stufen sind Wärmetauscher 8 eines
geeigneten Typs zur Erhöhung der Temperatur der Lauge
angeordnet.
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Die Endeindampfungsstufe, nämlich Stufe I, wird
mit Frischdampf 9 gespeist, wobei die vier Einheiten
parallel beschickt werden. Daher kann man leicht eine
beliebige Einheit zwecks Reinigung abschalten. In den
Stufen II, III, IV und V vorkonzentrierte Lauge wird
bei 10 der Stufe I zugeführt und aufkonzentriert, wobei
schließlich eingedampfte Lauge bei 11 abgezogen wird.
Ein Teil des Frischdampfes 9 wird dem Wärmetauscher 8
zum Erhitzen der in die Stufe I einzuspeisenden Lauge
10 zugeführt. Das Kondensat aus diesem Wärmetauscher 8
und das Kondensat aus der Stufe I wird bei 12
ausgetragen. Zu verdampfende Schwarzlauge wird der
Stufe III zugeführt. Dünnlauge aus der Stufe III wird
über Leitung 14 der Stufe IV und von der Stufe IV über
Leitung 15 der Stufe V zugeführt. Dampf zum Eindampfen
der Lauge in den verschiedenen Stufen wird über
Leitungen 16 der vorhergehenden Stufe entnommen,
während Heizdampf für die Wärmetauscher 8 über
Leitungen 17 aus der vorhergehenden Stufe entnommen
wird. Kondensat aus den verschiedenen Einheiten wird
über Rohre 18 entnommen. Zur abschließenden
Kondensation des verdampften Dampfs aus der letzten
Stufe V ist ein Wärmetauscher 19 angeordnet. Die in
Fig. 2 gezeigte Vorrichtung stellt nur ein Beispiel
für Vorrichtungen dar, die für das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet werden können. Somit ist es sowohl
möglich als auch normal, beispielsweise die Eindampfung
in den Stufen II, III, IV und V nach dem
Gegenstromprinzip anzuordnen. Hierbei sind dann keine
Wärmetauscher zwischen den Stufen erforderlich.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei den Einheiten IA, IB
und IC handelt es sich um Einheiten in der
Endeindampfungsstufe, d. h. drei Einheiten in der Stufe
I gemäß Fig. 2, wobei jede dieser Einheiten wie in
Fig. 1 ausgeführt ist. Gemäß älteren Prinzipien wurde
in alle drei Einheiten IA, IB und IC Frischdampf, der
sich bei dem gleichen Druck und der gleichen Temperatur
befand, eingespeist. Auf diese Art und Weise
eingespeister Frischdampf ist beispielsweise in Fig. 2
dargestellt. Erfindungsgemäß wird jedoch Frischdampf
bei höherem Druck in die Einheit IA als in die
Einheiten IB und IC eingespeist, nämlich beispielsweise
4,4 bar (Überdruck), und bei einer Temperatur von
155ºC, im Vergleich zu 3,0 bar (Überdruck) und einer
Temperatur von 143ºC. Beispielsweise weist die der
Einheit IC zugeführte Lauge einen Trockensubstanzgehalt
von 51% auf, wobei der Austrittstrockensubstanzgehalt
63% beträgt und die Südepunkterhöhung in IC sich daher
auf ungefähr 12,4ºC beläuft; die
Trockensubstanzkonzentration der Lauge in IB beträgt
71% und die Südepunkterhöhung in IB beläuft sich auf
16,1ºC; demgegenüber beträgt die
Trockensubstanzkonzentration in der in IA eintretenden
Lauge 80%, was einer Südepunkterhöhung von 24ºC
entspricht. Bei der aus IA abgezogenen Lauge handelt es
sich um eine hochkonzentrierte Lauge, d. h. Lauge mit
einem Trockensubstanzgehalt von 80%.
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Die Einheiten IA, IB und IC stehen in bezug auf
ihre Produktion von Sekundärdampf 20, der auf einen
Gegendruck von ungefähr 1,0 bar (Überdruck) eingestellt
wird, was eine Kondensationstemperatur von 120ºC
bedeutet, miteinander in offener Verbindung. Dieser
Dampf wird zur Stufe II weiterbefördert.
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Erfindungsgemäß beträgt die Temperaturdifferenz
zwischen der Außenseite und der Innenseite der Rohre in
Einheit IA ungefähr 11ºC, nämlich 155ºC auf der
Außenseite und 144ºC auf der Innenseite (120ºC (bei
einem Dampfdruck von 1,0 bar (Überdruck) plus
Südepunkterhöhung von 23,9ºC). Dies führt zu einer
effizienten Eindampfung, die diejenige, die mit dem
Verfahren gemäß der vorbekannten Technik, bei der allen
Einheiten IA, IB und IC Dampf bei ungefähr 3 bar
(Überdruck) zugeführt wurde, möglich wäre, bei weitem
übertrifft. Wenn anstelle des Einleitens von Dampf bei
verschiedenen Drücken in diese Einheiten der Druck
erhöht und allen drei Einheiten Dampf, der sich bei dem
gleichen Druck befindet, zugeführt würde, so würde dies
zu einer unnötig hohen Temperaturdifferenz in den
Einheiten IB und insbesondere IC führen.
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Im Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens,
das zu einer viel höheren Effizienz der Einheit IA
führt, kann letztere Einheit viel kleiner ausgeführt
werden, was niedrige Investitionskosten zufolge hat,
und der im Sekundärdampf produzierbare höhere Druck
kann auch dazu genutzt werden, gegebenenfalls eine
zusätzliche Stufe einzuführen oder die Wärmeoberfläche
in den restlichen Stufen zu verkleinern, da eine
größere Temperaturdifferenz verfügbar ist.
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Bei der praktischen Durchführung des obigen
Beispiels wird die in der die Einheiten IA, IB und IC
enthaltenden Stufe I erforderliche Wärmeoberfläche um
15% kleiner. Der höhere Druck des Sekundärdampfes kann
wiederum zur Verkleinerung der Wärmeoberfläche in den
restlichen Stufen um 15% genutzt werden. Auf diese Art
und Weise wird die Gesamtwärmeoberfläche in der Anlage
um 15% kleiner. Die der Einheit IA zuzuführende Menge
an Frischdampf bei höherem Druck beträgt lediglich 25%
der gesamten Frischdampfmenge.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, verwendet man
zum Antreiben der Eindampfung normalerweise
Niederdruckdampf (3-4 bar (Überdruck)). Dies zwingt uns
zur Verwendung von Dampf bei höherem Druck. In einer
Zellstoffabrik steht normalerweise auch
Mitteldruckdampf zur Verfügung, der sich in der Regel
bei einem Druck von mehr als 10 bar (Überdruck)
befindet. Da dieser Druck im vorliegenden Zusammenhang
unnötig hoch ist, kann es notwendig sein, den Druck
dieses Dampfes zu verringern. Eine verstärkte
Verwendung von Mitteldruckdampf führt dazu, daß weniger
Dampf durch die Turbine geht, und somit zur Erzeugung
von weniger Elektrizität. Anstelle der Verringerung des
Drucks des Mitteldruckdampfes mit Hilfe eines
Reduzierventils kann man den Mitteldruckdampf zum
Antrieb eines Dampfstrahlers verwenden, welcher
Niederdruckdampf einsaugt und den Druck dieses Dampfes
erhöht. Ein Verfahren dieser Art sollte dann eine
Verringerung des Bedarfs an Mitteldruckdampf
ermöglichen und würde eine Methode zum Verdichten des
Niederdruckdampfes mit mechanischen Mitteln darstellen.
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Die Erfindung wird durch das oben aufgeführte
Beispiel nicht beschränkt und kann vielmehr im Rahmen
des Schutzbereichs der Patentansprüche auf verschiedene
Art und Weise variiert werden.