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Suspensionsgefäss.
In vielen Gewerben werden Vorrichtungen angewendet, in denen ein Fliüssigkeitsstrom von unten nach oben durch eine Schicht irgendeines körnigen Stoffes hindurchgetrieben wird, z. B. um diesen zu lösen oder auszulaugen oder um Kristalle zum Wachsen zu bringen.
Bei solchen Vorrichtungen wird die beste Wirkung erzielt, wenn die Flüssigkeit gleichmässig verteilt strömt und die Körner in stetiger gegenseitiger Bewegung schwebend erhalten werden ; aber bisher ist keine Anordnung bekannt gewesen, die diese Anforderungen auch nur annähernd erfüllt. Eine Masse verhältnismässig grober Körner, spezifisch schwerer als die Flüssigkeit, in einem Flüssigkeitsstrom schwebend zu erhalten, ist nämlich aus dem Grunde sehr schwierig, weil der Zustand ausgeprägt labil ist. In allen bisher bekannten Suspensions vorrichtungen stellt sich daher ein Zustand ein, wo die Strömung an einigen Stellen zu schwach ist, so dass die Körner tot aufeinander liegen bleiben, während sie an ändern Stellen zu stark ist.
An den toten Stellen wird die Flüssigkeit infolgedessen nicht an allen Punkten der Körperober-
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werden nicht abgescheuert, so dass die Flüssigkeit ungehindert an die löslichen Teile gelangen kann. In Kristallisierungsgefässen wachsen die Kristalle an diesen toten Stellen zusammen.
An den Stellen, wo eine starke Strömung herrscht, strömt praktisch die ganze Flüssigkcitsmenge hindurch mit einer lebendigen Kraft, die dem Quadrate der Geschwindigkeit proportional ist.
Das untenstehende Zahlenbeispiel zeigt, dass die Ausnutzung der lebendigen Kraft dieser Laken- menge, um Körner in der Lake schwebend zu halten, sehr unrationell ist.
Soll z. B. eine Masse Salzkörner in einer Lake mit einem spezifischen Gewicht 12 schwebend
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,,Bewegungsgrösse" gleich (12:9#8). 1.
Da aber diese Bewegungsgrösse nicht nur dazu ausgenutzt wird, Salz mitzureissen, sondern auch Lake, so ist es-trotzdem das Salz infolge des Auftriebes in der Lake leichter als in der Luft ist--ausgeschlossen, dass mehr als höchstens etwa. l/ Salz in der Schwebe erhalten werden kann.
Dies ist in den allermeisten Fällen ein ganz kleiner Biuchteil von dem was man braucht, um eine
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Ausfällen handeln. Bringt man nun grössere Salzmengen als 1 kg im Suspensionsraum unter (und gewöhnlich hat man das Vielfache untergebracht), so bohrt der Strahl nur ein Loch darch die Salzmasse und hält etwa ein Kilogramm davon in der Sehwebe, während das übrige Salz in einer kompakten Masse unten am Boden liegen bleibt. Der Wirkungsgrad der Anordnung, um ein rasches Lösen oder Kristallwachstum hervorzurufen, ist daher sehr schlecht und die oben angedeuteten Nachteile sind sehr gross.
Man hat daher schon lange nach einem Mittel gesucht, um die vielfache Menge schwebend zu erhalten.
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Das einzige Mittel, das man hier gefunden hatte, war, eine Schicht des körnigen Stoffes auf einem Drahtgewebe, einem gelochten Blech oder einem jalousieförmigen Boden ruhen zu lassen und die Lake mit einem grossen Gesamtquerschnitt und kleiner Geschwindigkeit hindurchzutreiben.
Aber dies war nm'ein sehr kleiner Fortschritt, denn anstatt gleichmässig verteilt durch eine einigermassen dicke Materialschicht zu gehen, erzeugt der Flüssigkeitsstrom einige Löcher oder Krater"darin, so dass praktisch genommen die ganze Flüssigkeitsmenge in einer Anzahl einzelner Strahlen hindurchgeht in derselben Weise wie oben für einen Strahl geschildert. In jedem lKrater"sehwebt eine ganz kleine Stoffmenge, und das übrige des Stoffes liegt zusammengeballt unten am Boden, ohne dass nennenswerte Flüssigkeitsmengen durch diese Masse hindurchströmen und ohne dass die nötige gegenseitige Bewegung der Körner entsteht. In einem KristaIHsierbehälter wachsen daher die Kristalle auch mehr und mehr zusammen.
Die vorliegende Erfindung geht nun darauf aus, den statischen Flüssigkeitsdruck zu benutzen, um das körnige. Gut in der Schwebe zu erhalten, anstatt wie bisher den ursprünglichen ,,Impuls" des Flüssigkeitsstromes, also dessen ursprüngliche ,,Bewegungsgrösse" zu verwenden.
Denkt man sich ein fliissigkeitsdurchströmtes zylindrisches Gefäss mit senkrechter Achse bis zu einer gewissen Höhe mit einem körnigen Gut gefüllt, und nimmt man der Einfachheit halber an, dass die Körner kugelförmig sind, so ist der freie Querschnitt zwischen den Körnern, so lange sie nicht voneinander gehoben werden, ungefähr 1 : 10 des ganzen Gefässquerschnittes. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einem solchen Querschnitt wird also ungefähr 10mal so gross als wenn keine Materialkörner
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den einzelnen Schichten der Materialansammlung zur Wirkung, solange wie die einzelnen Körner nicht weit auseinander gerissen werden.
Denn da die Ablenkungen, denen der Flüssigkeitsstrom dadurch ausgesetzt ist, dass er sich in dünne Strahlen zwischen den Körnern hindurchsehlängelt, ebenso oft von senkrechter nach wagrechter wie umgekehrt von wagrechter nach senkrechter Strömungsrichtung erfolgen, und da die Geschwindigkeitsänderungen ebenso oft negativ wie positiv sind, so ist es nicht
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Wie dieser Gedanke in der vorliegenden Erfindung ausgenutzt ist, wird aus den Figuren der Zeichnung hervorgehen.
Fig. 1 zeigt die Erfindung schematisch in ihrer allereinfaehsten Form. In einem Behälter a liegt eine Schicht b eines körnigen Stoffes auf einer durchlöcherten Platte e. Die Flüssigkeit strömt bei ein und bei e aus.
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Schwerpunkt bis Schwerpunkt der Querschnitte, bei spaltartigen Öffnungen von Längsachse bis Längs- achse gemessen.
So kleine Querschnitte S besitzt kein bis jetzt bekannter Suspensionsgefässboden. Denn, wenn bei den bekannten Anordnungen Material auf den Bodenflächen zwischen den Löchern tot liegen bleibt, war es durchaus kein naheliegender Gedanke, sondern im Gegenteil eher paradox, dass dieser Fehler dadurch sollte entfernt werden können, dass man die Bodenflächen zwischen den Löchern noch grösser machte, worauf die vorliegende Erfindung ja hinausläuft.
Durch dieses ausserordentlich einfache Mittel, die Loehquerschnitte des Suspensionsgefäss- bodens zu verkleinern, ist die Hauptursaohe der oben beschriebenen grossen Nachteile der bisher bekannten Suspensionsgefässe beseitigt worden und trotz der grossen Einfachheit der Lösung der Aufgabe ist es ein grundsätzlich neuer Zustand, der durch sie hervorgerufen wird.
Wenn die Materialschieht nur auf einem Drahtgewebe oder einer gewöhnlichen durchlochten Platte mit einem grossen Gesamtquerschnitt der Löcher liegt, wie bisher bekannt, und sich, wie oben erwähnt, sofort Löcher oder ,,Krater" durch die Materialsehicht bilden, durch welche die Hauptmenge der Flüssig- keit strömt, so ist die Ursache dieser Labilität die, dass der Widerstand der Krater"viel geringer ist als der kompakten Teile der Schicht. Aber dadurch, dass der Gesamtqnerschnitt aller Plattenlöcher
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aufeinander liegen blieben.
Bei den bisher bekannten Anordnungen war es nicht gelungen, dies zu erreichen ; der statische
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Dass es sich hier um eine Erfindung von grosser Bedeutung für die Industrie handelt, wird aus einigen erreichten Versuchszahlen hervorgehen :
Aus Seewasserlake wurden 170 kg Salz in 12 Stunden auf einer statisch buspendierten Kochsalzmenge auskristallisiert. welche dauernd nur höchstens 150 kg zu sein brauch r. Dies wurde dadurch
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säule hindurchgetrieben wurde, also mit einer theoretischen Arbeitsleistung von nur # Pferdestärke.
Der Querschnitt des KristaIMsierungsbehälters war nur 0'35) .
Dies ist eine Intensität und Billigkeit der Kristallisierung, die alles bisher Bekannte übertrifft, und sie wurde durch die äusserst rationelle Ausnutzung der Oberfläche der suspendierten Körner erreicht.
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foldes begründet :
S stellt nicht die Querschnittssumme der wirklichen Löcher, sondern eines gleichwertigen ,,gut abgerundeten"Loches dar. Denn wie oben ausführlich erläutert, ist der Hauptzweek der Verkleinerung der Qllerschnittssumme der, einen Widerstand hervorzurufen, und dieser kann bei einem gegebenen Lochquerschnitt verschieden sein.
Es hängt davon ab, ob die Lochkanten abgerundet oder scharf, ob die Löcher zylindrisch oder konisch divergent sind, ob man durch Zentrifugalkräfte die Strömungen gegen
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Ist der Suspensionsraum nicht zylindrisch, sondern z. B. konisch, so muss als F der grösste Querschnitt des Suspensionsraumes in die Formel eingeführt werden, weil dieser Querschnitt, wenn er hoch oben liegt, für die grössten Flüssigkeitsmengen massgebend ist, die man durch den Apparat treiben kann, ohne dass der Strom Materialkörner von einer gegebenen Grösse aus dem Räume mit hinausreisst, und wenn er weiter unten liegt, die suspendierende Wirkung der Strömung bestimmt.
Es kann zuweilen vorteilhaft sein, die einzelnen Löcher in der Bodenplatte in verschiedener Form oder verschiedenen Dimensionen auszuführen. bedeutet dann die arithmetische Mittelzahl der Längen
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hin erweitern.
Dass die effektive Summe der Lochquerschnitte verkleinert wird, verglichen mit den bisher bekannten Anordnungen hat, wie oben erläutert, schon an und für sieh eine stabilisierende Wirkung ; aber die in Fig. 1 angedeutete Anordnung kann noch verbessert werden. Aus praktischen Gründen ist es oft wünschenswert, den Durchmesser der einzelnen Löcher in der Platte c verhältnismässig gross zu halten, um Verstopfungen derselben leichter zu vermeiden, und eine Folge dieses grösseren Durchmessers ist dann, dass die Löcher in verhältnismässig grossem Abstand voneinander angebracht werden müssen, damit der Gesamtquerschnitt so klein gehalten werden kann wie oben verlangt.
Dadurch kann bei gewissen
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schwebende Materialmasse in kreisende Bewegung versetzt wird, so dass die Flüssigkeitsstrahlen von den
Plattenlöchern fortwährend in neue Teile der Materialmasse hineinkommen und daher keine Gelegenheit erhalten, ,,Krater" darin zu bilden. Die kreisende Bewegung kann entweder durch ein Rührwerk oder durch Schrägstellung der Öffnungen in der Platte c hervorgerufen werden, so dass die Strahlen nicht nur eine senkrechte, sondern auch eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erhalten.
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Anstatt einer tangentialen Bewegung in einem zylindrisehen Gefäss kann man durch Schrägstellung der Öffnungen auch radiale oder eine Verbindung von radialen und tangentialen Bewegungen hervorrufen,
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anhäufen.
Es ist bekannt, eine Drehung der Materialmasse dadurch hervorzurufen, dass man die Flüssigkeit durch einen jalousieförmigen Boden hindurchführt. Aber wenn dieses Mittel nicht mit der oben erläuterten Verkleinerung der Lochquerschnitte verknüpft wird, ist es nicht imstande, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
Denn führt man so grosse Flüssigkeitsmengen hindurch, dass ihre Bewegungsmenge imstande ist, Horizontalbewegungen überall in der Materialschicht hervorzurufen, trotz der Materialreibung gegen den Boden und die Wände, so reissen die Strömungen schwebende Materialkörner mit sich aus dem Behälter hinaus, und führt man kleine Flüssigkeitsmengen durch, so entstehen tote Stellen in der Materialschicht.
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schriebenen neuen Prinzip an, so ist die Neigung zur Bildung von,,"Kratern" so schwach, dass die Alaterial- masse praktisch überall im Behälterquerschnitt in der Schwebe gehalten wird und infolgedessen sehr wenig Reibung gegen den Boden gibt, so dass ein kleiner Impuls genügt, um Horizontalbewegungen hervorzurufen.
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ist in Fig.
2 dargestellt, die ein Stück einer Bodenplatte für ein Suspensionsgefäss darstellt. Die Löcher/ erweitern sich stark und rasch nach oben, so dass die Strahlen mit stark verminderter Geschwindigkeit aus der Bodenplatte heraus und in die darüberliegende Materialschicht hineinströmen. Ein grosser Teil des dynamischen Vertikalimpulses jedes Strahles wird dadurch von den konischen Wänden des Loches selbst aufgenommen.
Der Querschnitt dieser erweiterten Löcher kann rund oder vieleckig sein. Die Hauptsache ist, dass die Erweiterung so rasch ist, dass die Umsetzung von lebendiger Kraft in Druck mit schlechtem Wirkungsgrad erfolgt. Denn sonst würde der Widerstand gegen das Durchströmen verkleinert werden. Die Erweiterung soll rasch, aber nicht plötzlich sein, teils weil eine rasche Erweiterung grösseren Widerstand als eine plötzliche gibt und teils weil eine plötzliche Erweiterung tote Räume gibt, wo Körner sieh niederlegen können.
Bei dieser Anordnung nach Fig. 2 kommt es vor, dass das körnige Material infolge abwärts-
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zu tun, so können diese leicht durch die starken örtlichen Strömungen da, unten entzwei geschlagen werden. Dieser Nachteil kann bekanntlich durch richtige Wahl der Divergenz des Trichters vermieden werden oder man kann. eine Anordnung wie in Fig. 3 gezeigt, benutzen.
Jedes Loch f erweitert sieh hier wieder stark trichterförmig. Um aber zu verhindern, dass das körnige Material in die Trichter hineinfallen kann, ist eine Platte s angebracht, die über jeder Trichter- öffnung jalousieförmige Öffnungen t besitzt. Diese Öffnungen können so gross gehalten werden, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in ihnen erheblich kleiner als in f und ausserdem fast wagrecht ist, so dass ihre Neigung Krater"zu bilden, so gut wie Null ist.
Anstatt die Platte s jalousieförmig auszuführen, kann man auch ein Metalldrahtgewebe oder ein gewöhnliches durchlochtes Blech anwenden, wenn entweder die Löcher darin so klein sind oder die Geschwindigkeit in ihnen so gross ist, dass das körnige Gut nicht durchfällt.
Fig. 4 und 5 zeigen noch eine andere Bauart. Über jedem Loch f in der Platte c ist eine kleine Platte g angebracht, die die Vertikalgeschwindigkeit des Strahles in Horizontalgeschwindigkeiten verwandelt.
Die Platten g können durch Stege h am Platz gehalten werden, die sie gegenseitig zu einem Gitter über dem Boden c verbinden.
Indem die Strahlen auf diese Weise gezwungen werden, wagrecht zu strömen, wird ihr senkrechter Impuls von den Platten g aufgenommen, anstatt Krater"in der Materialschicht zu bilden, und die lebendige Kraft in den wagrechten Strömungen wird sehr bald unter gleichzeitiger gegenseitiger Aufhebung aller Horizontalimpulse vernichtet.
Der senkrechte Impuls der Strahlen kann auch aufgenommen und ihre lebendige Kraft durch
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lebendige Kraft des. Strahles wird durch Wirbel im Innern der Haube sehr vollkommen vernichtet, so dass die Flüssigkeit mit verhältnismässig sehr kleinen Horizontalgeschwindigkeiten austritt.
Um einen so kleinen Gesamtquerschnitt aller Löcher und den entsprechend grossen Widerstand gegen die Flüssigkeitsströmung, wie Patent-Anspruch l verlangt, zu erzielen, kann man den Lochboden als eine Schicht Kugeln oder Körner (s. Fig. 6) aus einem unlöslichen Stoff der spezifisch schwerer, als die Flüssigkeit ist, ausführen, indem die Körner durch eine durchlochte Bodenplatte c daran gehindert werden, hinabzusinken, mit oder ohne gleichzeitiger Benutzung von Hauben i.
Auch bei den in Fig. 2,3, 4 und 5 als Beispiele dargestellten Vorrichtungen kann man eine derartige
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kann man auch den Lochboden als ein Spiralrohr o mit nach unten gerichteten Strahlenlöchern p ausführen, wie in Fig. 8 angedeutet. Die Strahlen stossen hier gegen den massiven Boden r.
Auch hier kann man natürlich eine Schicht Körner anwenden, wie in Fig. 6 angedeutet, um die
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Suspensionsgefäss von der Art, wo eine Materialschicht über einem durchlöcherten Boden im Gefässe in einer Flüssigkeit in Suspension erhalten wird, die durch die Öffnungen des genannten Bodens strömt, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Boden mindestens ein Vertikalschnitt gelegt werden kann, der mehr als zwei Öffnungen aufweist und dass das Querschnittsverhältnis 8jF kleiner ist als
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wo S der Querschnitt eines Loches mit kreisförmigem Querschnitt und gut abgerundeten Kanten ist, das denselben Durchströmungswiderstand hat wie die Öffnungen des Bodens, F der grösste Querschnitt des Suspensionsraumes senkrecht zur Strömungsrichtung,
ss die durchschnittliche Breite, 0 die durchschnittliche Länge der Öffnungsquerschnitte, gemesssen wo die Öffnungen den kleinsten Querschnitt haben, und (7. der mittlere Abstand zwischen den Öffnungen von Längsachse zu Längsachse, gemessen in Zentimeter.