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Austauschboden für Kolonnen
Allen Kolonnen-Apparaturen ist die Aufgabe gemeinsam, die in ihnen aufsteigenden Gase bzw. Dämpfe in möglichst innige Berührung mit der von oben nach unten geführten Flüssigkeit zu bringen, um einen intensiven Stoff-bzw.
Wärmeaustausch zu erreichen. Hiebei wird meistens gleichzeitig die Forderung nach einem Minimum an Druckverlust erhoben, welchen das aufsteigende Gas oder der Dampf beim Durchströmen der Kolonne bzw. ihrer Einbauten zu überwinden hat. Diese beiden obigen Bedingungen wirken jedoch einander entgegen, u. zw. um so stärker, je höher die Anforderungen sind, die an die Apparatur im Hinblick auf ihre Durchsatzleistung, bei gleichbleibender Austausch-bzw. Trennwirkung, gestellt werden. In allen Fällen ist daher eine weitgehende Berücksichtigung eines der beiden Faktoren zwangsläufig verbunden mit einer mehr oder weniger starken Vernachlässigung des jeweiligen zweiten Faktors.
Wenn man bei der Dimensionierung der bisher bekannten Kolonneneinbauten beispielsweise den Hauptwert auf einen geringen Druckabfall legt, so ist man erfahrungsgemäss gezwungen, die Strömungsquerschnitte für das Gas bzw. den Dampf möglichst gross zu halten. Damit vergrössert sich z. B. bei einem Siebboden die Neigung zum Durchregnen, womit sich der Belastungbereich der Apparatur verringert. Bei einem Glockenboden hat die obenerwähnte Massnahme zur Folge, dass das Gas bzw. der Dampf die Glockenränder in grossen Blasen verlässt. Dieser Nachteil wird durch das hiemit verbundene Pendeln der Flüssigkeitsschicht auf dem Boden noch erheblich verschlimmert. Ausserdem arbeiten infolge des notwendigen Niveaugefälles der Flüssigkeit von der Zulauf-zur Ablaufstelle bei kleinem Druckabfall lediglich die in unmittelbarer Nähe der Ablaufstelle liegenden Glocken.
Bei Füllkörpersäulen und Hordenwäschern endlich wird eine Senkung des Strömungswiderstandes durch Vergrösserung der Strömungsquerschnitte des Gases oder Dampfes stets erkauft mit einer über den Kolonnenquerschnitt ungleichmässigen Flüssigkeitsbeaufschlagung, womit ebenfalls ein Rückgang der Austauschwirkung der Kolonne verbunden ist. Über alle Kolonnensysteme ist somit zusammen- fassend hinsichtlich ihrer Einbauten zu sagen, dass sie zur Erreichung eines stabilen Strömungs- zustandes als Voraussetzung für eine intensive Austauschwirkung stets einen bestimmten Mindestdruckabfall benötigen, bei dessen Unterschreiten der Strömungszustand über den
Kolonnenquerschnitt unstabil und ungleichmässig wird.
Dieser Mindestdruckabfall ist für alle Austauschsysteme kennzeichnend und bei den bisherigen Kolonneneinbauten grösstenteils dadurch bedingt, dass die aufgegebene Flüssigkeit zu ihrer gleichmässigen Verteilung einen gewissen Widerstand benötigt, da sie lediglich durch ihr Eigengewicht verteilt wird. Der Mindestdruckabfall bildet somit die notwendige Dämpfung, um die an sich labilen Strömungsverhältnisse innerhalb einer Kolonne zu stabilisieren.
Aus diesen Betrachtungen folgt, dass der Versuch, den Druckabfall von Kolonneneinbauten lediglich durch Vergrösserung der Strömungsquerschnitte des Gases bzw. Dampfes senken zu wollen, nur eine Scheinlösung bedeutet, indem die Beaufschlagung des Austauschsystems durch das Gas bzw. den Dampf soweit gesteigert werden muss, bis der obenerwähnte Mindestdruckabfall abermals erreicht wird. Man erkennt, dass sich damit lediglich das Belastungsniveau der Kolonne nach oben verschoben hat, was jedoch fast immer mit einem gleichzeitigen starken Rückgang ihrer Wasch-bzw. Trennleistung erkauft wird, vor allem durch starkes Mitreissen von Flüssigkeitstropfen durch den Gas-bzw.
Dampfstrom.
Es ist auch bereits versucht worden, die im Apparate-bzw. Kolonnenbau bisher übliche, rein statische Arbeitsweise aufzugeben und durch Erkenntnisse der Gaskinetik zu erweitern, indem man die Dampfaustrittsöffnungen der Kolonnenböden so gestaltete und ausrichtete, dass das Gas bzw. der Dampf der Flüssigkeit auf ihrem Wege von der Zulauf-zur Ablaufstelle an allen Stellen des Bodens zur Erzielung eines Staues einheitlich entgegengeführt wurde.
Obwohl durch diesen Staueffekt die Strömungsverhältnisse bedeutend stabiler werden und dadurch auch störende Erscheinungen, wie Pendeln der Flüssigkeit usw.,
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vermieden werden, sind damit die Möglichkeiten, die sich aus einer Behandlung des eingangs auf- gezeigten Problems auf dynamischer Grundlage ergeben, noch nicht ausgeschöpft ; es wird hie- durch der Strömungszustand auf dem Boden lediglich in radialer Richtung stabilisiert, während in tangentialer Richtung, d. h. rings um die
Vertikalachse der Kolonne bzw. der Böden, weiterhin ein labiler Strömungszustand bestehen bleibt.
Der weitere Vorschlag, die Flüssigkeit auf einen Boden in der Weise aufzugeben bzw. abzuleiten, dass sie von der Zulauf-zur Ablauf- stelle kreisringförmig strömt, bedeutet ebenfalls eine rein statische Massnahme, da auch in diesem
Falle nur durch die räumliche Ausgestaltung der
Apparatur ein bestimmter Flüssigkeitsweg auf den . Boden erzwungen werden soll. An dieser Tat- sache ändert auch der Umstand nichts, dass man die Dämpfe bzw. Gase-in Richtung des Flüssig- keitsstromes aus dem Boden austreten lässt, da die Strömungsgeschwindigkeit der austretenden
Dämpfe bzw. Gase bei dieser Anordnung keines- falls bis zur Erreichung eines dynamischen
Effektes gesteigert werden kann.
Denn bereits bei der ersteren Anordnung tritt erfahrungs- gemäss eine Verschiebung der Winkelgeschwindig- keiten auf den einzelnen kreisringförmigen
Bahnen der strömenden Flüssigkeit auf, was infolge der Zentrifugalkraft bewirkt, dass die
Flüssigkeit besonders in der inneren, der Ablauf- stelle zugewandten Zone des Bodens nach aussen wandert und damit einen einseitigen Dämpfe- durchtritt veranlasst. Dieser Übelstand wird naturgemäss noch verstärkt, wenn die Flüssigkeit durch den in ihrer Strömungsrichtung aus- tretenden Dampf bzw. Gas zusätzlich beschleunigt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Austauschboden für Kolonnen mit über dem
Boden verteilten, in schräger Richtung durch diesen geführten Durchtrittsstellen für die Gase . bzw. Dämpfe, der den eingangs gestellten Forderungen nach gleichmässiger Arbeitsweise bei gleichzeitig geringem Druckverlust in einfachster und sicherer Weise entspricht.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht dabei darin, dass der Boden in zwei oder mehrere Felder mit reihenweise angeordneten, unter sich parallelen Durchtrittsöffnungen für die Gase bzw. Dämpfe und Flüssigkeiten derart aufgeteilt wird, dass durch entsprechende Lage der Einzelfelder beliebig gerichtete Rotationsströmungen der auf dem Boden befindlichen Flüssigkeit erzeugt werden können. Diese Aufteilung des Bodens in Einzelfelder bietet sowohl in konstruktiver wie verfahrensmässiger Hinsicht bedeutende Vorteile. Es ist auf diese Weise möglich, den Boden derart zu gestalten, dass die Austrittsöffnungen innerhalb der einzelnen Felder sowohl durch Zusammensetzen derselben aus einzelnen in sich gleichen Formstücken bzw.
Formelementen, wie auch durch Verwendung von einheitlich mit entsprechenden Öffnungen versehenen Platten oder Blechen, wie z, B. Streckmetall, ausgebildet werden können. Verfahrensmässig wird auf diese Weise erreicht, dass die Vorteile der Rotation als stabilster Strömungszustand voll erreicht werden. Ferner kann durch entsprechende, mit einer endlichen Aufteilung des Bodens in einzelne Felder zwangsläufig ver- bundene, radiale Steuerung der Flüssigkeit der
Zentrifugalkraft wirksam begegnet werden. Darüber hinaus ist durch diese Stabilisierung des
Strömungszustandes die Möglichkeit gegeben, auf besondere Abläufe der Flüssigkeit gegebenenfalls zu verzichten, ohne ein störendes Schaukeln oder Pendeln der Flüssigkeit auf dem Boden befürchten zu müssen.
In der Zeichnung ist die Aufteilung des Bodens in verschiedene Felder schematisch dargestellt : Fig. 1 veranschaulicht ein Vektordiagramm, aus dem ersichtlich ist, in welcher Weise die auftretenden Kräfte in radiale und tangentiale Komponenten zerlegt werden können. Die Fig. 2-6 zeigen die mannigfaltigen Formen der Aufteilungsmöglichkeit, während Fig. 7 einen Längsschnitt durch mehrere, übereinander angeordnete Böden veranschaulicht. Fig. 8 zeigt die Draufsicht und den dazugehörigen Querschnitt des als mögliche Ausführungsform zur Verwendung gelangenden Streckmetalls.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, kann man durch einheitliche Drehung der Austrittsöffnungen des Gases bzw. Dampfes gegen den jeweiligen Radius um den Winkel den durch die kinetische Energie des aus den entsprechend geformten Austritts- öffnungen mehr oder weniger horizontal ausströmenden Gases oder Dampfes bewirkten Impuls C sowohl in radialer Cr als auch tangentialer Ci Richtung wirken lassen. Dabei lässt sich feststellen, dass für den gewünschten Strömungseffekt grundsätzlich nur die Einheitlichkeit der Richtungen von Ct und Cr an allen Stellen des Bodens entscheidend ist, um den tür die Rotation der Flüssigkeitsschicht notwendigen Impuls zu bewirken, da das Beharrungsvermögen der in Drehung versetzten Flüssigkeitsschicht genügt, um die notwendige Stabilität bereits voll zu erreichen.
Dieser Umstand ist insofern von grundlegender Bedeutung, als er gestattet, Böden beliebigen Durchmessers und mit den beschriebenen Strömungseigenschaften aus einzelnen, in sich gleichbleibenden Profilstücken zusammenzusetzen, sofern sie nur einen mehr oder weniger horizontalen Austritt des Gases bzw. Dampfes nach einer Seite gewährleisten.
Teilt man nämlich, wie aus Fig. 2-6 zu ersehen ist, einen Boden in zwei oder mehreren Zonen auf, wobei jede Zone einheitlich mit Profilstücken oder mit entsprechend profilierten und mit Öffnungen versehenen Blechen oder Platten ausgelegt ist, so entstehen aus diesen einzelnen Teilen des Bodens bei dessen Beaufschlagung durch Gas oder Dampf Zonen gleicher Impulsrichtung, die, da sie im gleichen Drehsinn angeordnet sind, sich addieren, und, wie die eingezeichneten Vektordiagramme in den Fig. 2-6 erkennen lassen, je nach Zahl
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und Ausrichtung die mannigfaltigsten Variationen erlauben. Bezogen auf den Flüssigkeitsweg zeigt das Vektordiagramm innerhalb eines jeden Feldes eine deutliche Grössenänderung der beiden Impulskomponenten von Feldanfang zu Feldende.
Aus diesen Figuren ist durch ihre Unterteilung in a und b zu ersehen, dass sich der jeweiligen Flüssigkeitsaufgabe auf den Boden entweder am Rande oder in der Mitte durch entsprechende Ausrichtung der Impulsfelder eingehend Rechnung tragen lässt (vgl. Fig. 7), wobei man ausserdem den Drehsinn der Flüssigkeit von Boden zu Boden gleich oder wechseln lassen kann. Der Strömungszustand auf einem derartigen Boden ist also, unabhängig von der Zahl der Kraftfelder, stets dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit gleichzeitig Radial-sowie Kreisbewegungen ausführt, wodurch ein Spiralstrom vom Rande zur Bodenmitte oder umgekehrt, entsprechend der durch die einzelnen Kraftfelder vorgeschriebenen Richtung entsteht.
Hiebei besteht durch entsprechende Bemessung der Radialkomponente jederzeit die Möglichkeit, unerwünschten Zentrifugalkräften, die bei starker Rotation der Flüssigkeit auftreten können, wirksam zu begegnen.
Der im Gas-bzw. Dampf nach Verlassen der Flüssigkeitsschicht verbleibende Anteil an kinetischer Energie setzt sich in dem darüber befindlichen Gas-bzw. Dampfraum in reine Rotation um und ermöglicht auf diese Weise eine der jeweiligen Beaufschlagung angepasste ZentrifugalAbscheidung mitgerissener Flüssigkeitströpfchen.
Die vollkommene Stabilisierung des Strömungsbildes, verbunden mit einer gleichmässigen Verteilung der Flüssigkeit über den ganzen Boden, gemäss der beschriebenen Anordnung, kann nunmehr die bisher bei allen Einbauten erforderliche und bereits eingangs gekennzeichnete Dämpfung nahezu restlos ersetzen, was eine erhebliche Senkung des Strömungswiderstandes des Bodens durch Vergrösserung seines Öffnungsverhältnisses weit über das bisher übliche Mass hinaus gestattet. So kann man z. B. die einzelnen Felder eines Bodens nach Fig. 2-6 ohne weiteres mit den im Handel als Streckmetall (vgl. Fig. 8) bekannten Profilbleche auslegen, die ja durch ihre besondere Herstellung ohnedies einen mehr oder weniger horizontalen Gas-bzw. Dampfaustritt gewährleisten.
Bei derartig zahlreichen und grossen Öffnungen besteht neben der ausserordentlichen Senkung des Strömungswiderstandes ferner die Möglichkeit, die Flüssigkeit, deren Weg über den Boden ja dynamisch bedingt ist, in der Mitte bzw. am Rande durch die Dampf-bzw. Gasaustrittsöffnungen (vgl. Fig. 8) selbst ablaufen zu lassen und somit auf besondere Ablaufrohr zu verzichten, ohne dass eine Behinderung des Flüssigkeitsablaufs durch das Gas bzw. den Dampf, selbst bei sehr grossen Beaufschlagungen, zu befürchten wäre. Auch in dieser Beziehung bietet die Verwendung von Streckmetall grosse Vorteile, da dessen mehr oder weniger rhombisch geformte Austrittsöffnungen (vgl. Fig. 8) das störungsfreie Abfliessen der Flüssigkeit gegen das Gas bzw. den Dampf besonders begünstigen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Austauschboden für Kolonnen mit auf dem Boden verteilten, in schräger Richtung durch diesen geführten Durchtrittsstellen für die Gase bzw. Dämpfe, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden in zwei oder mehrere Felder mit reihenweise angeordneten, unter sich parallelen Durchtritts- öffnungen für die Gase bzw. Dämpfe und Flüssigkeit derart aufgeteilt ist, dass durch entsprechende Lage der Einzelfelder beliebig gerichtete Rotationsströmungen der auf dem Boden befindlichen Flüssigkeit erzeugt werden.