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Die
Erfindung betrifft eine Anstaukolonne für einen Wärme-
und/oder Stoffaustausch zwischen einer flüssigen Phase
und einer im Gegenstrom dazu strömenden gasförmigen
Phase, wobei die Anstaukolonne mindestens eine Sektion mit einer
ersten Schicht mit einer hohen spezifischen Oberfläche
und einer geringen Durchsatzkapazität und eine darüber liegende
zweite Schicht mit einer niedrigeren spezifischen Oberfläche
und einer höheren Durchsatzkapazität aufweist.
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Eine
derartige Anstaukolonne ist aus der
WO 2006/056419 A1 bekannt.
In dieser Druckschrift ist eine Anstaukolonne beschrieben, die aus
geordneten, strukturierten Packungen für einen Wärme- und/oder
Stoffaustausch besteht. Die Packungen sind in Schichten angeordnet
sind, wobei mindestens eine Schicht der Kolonne eine größere
Dichte und damit eine größere spezifische Oberfläche
aufweist, als eine darüber liegende Schicht mit einer geringeren
spezifische Oberfläche und damit einer geringeren Dichte.
Bei den bekannten Anstaukolonnen sind die einzelnen Schichten also
als geordnete Packungen ausgebildet, wobei jede einzelne Packungslage in
einer definierten Geometrie in der Kolonne angeordnet ist. Zur Erreichung
einer Stofftrennung wird die flüssige Phase am Kopf der
Kolonne aufgegeben und rieselt über die Packungen der Schwerkraft
folgend abwärts. Eine Gas- oder Dampfphase wird am Kolonnensumpf
eingebracht und strömt entgegen der herabrieselnden flüssigen
Phase aufwärts. Da die Gas- oder Dampfphase sowie die flüssige
Phase in der Regel aus einem Stoffgemisch unterschiedlicher Konzentration
bestehen, kommt es in Folge dieser Konzentrationsunterschiede zwischen
den Phasen zu einem Stoff- und/oder Wärmeaustausch, wobei
die strukturierten Packungen der Anstaukolonne eine hohe Kontaktoberfläche
und einen turbulenten Kontakt zwischen den Phasen gewährleisten.
Indem nun vorgesehen ist, dass eine Packungslage mit einer hohen
spezifischen Oberfläche und einer geringen Durchsatzkapazität
unter der darüber liegenden Packungslage mit einer niedrigen
spezifischen Oberfläche und einer hohen Durchsatzkapazität
angeordnet ist, wird erreicht, dass die herabrieselnde flüssige Phase
durch die kinetische Energie der aufwärtsströmenden
Gas- oder Dampfphase aufgestaut wird. Durch dieses Aufstauverhalten
wird der Kontakt zwischen flüssiger Phase und gas- oder
dampfförmiger Phase wie in einem Wirbelbett stark erhöht
und damit der Stoff- und/oder Wärmeaustausch intensiviert.
Bei der aus der vorgenannten Druckschrift bekannten Anstaukolonne
wird dies dadurch erreicht, dass die Packungen der über
der ersten Schicht größerer Dichte liegenden zweiten
Schicht so angeordnet werden, dass sie schräg liegende
Strömungskanäle ausbilden, die in ihren unterem,
an die erste Schicht größerer Dicke angrenzenden
Bereich stärker vertikal ausgerichtet sind als Strömungskanäle
die durch die Packungen der ersten Schicht ausgebildet sind, und dass
die Strömungskanäle der Packungen der zweiten
Schicht in ihren unteren Bereichen einen größeren
Querschnitt aufweisen als im darüber liegenden Bereich
und sich mit diesem größeren Querschnitt zu den
Packungen der darunter liegenden ersten Schicht hin öffnen.
Diese Packungslagen mit höhenveränderlichen Strömungskanalwinkeln
sollen in Kombination mit Packungslagen enger Geometrie einen deutlich
erweiterten Arbeitsbereich bieten, da es bei geringer Packungshöhe
zu hohen Leistungen, zu einer optimal geführten Sprudelschicht
und zu geringeren Druckverlusten kommen soll.
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Nachteilig
an den bekannten Anstaukolonnen ist die Verwendung von strukturierten
Packungen, da sie, insbesondere bei verschmutzenden Medien, leicht
und rasch verunreinigen. Auch können derartige strukturierte
Packungen in nachteiliger Art und Weise im Falle ihrer Verunreinigung
nicht kurzfristig ausgetauscht werden, da diese strukturierten Packungen
maßgenau angefertigt werden müssen und nicht als
Lagerware zur Verfügung stehen.
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Ein
weiterer Nachteil der Verwendung derartiger Packungen ist darin
zu sehen, dass diese nur einen geringen Druckverlust erzeugen und
somit zu einer inhomogenen Strömungsverteilung über
den Kolonnenquerschnitt führen können. Außerdem
sind sie aufwendig in der Anstaukolonne zu montieren, da die als
Einbauelemente ausgeführten, geordneten Packungen in einer
definierten Orientierung in die Anstaukolonne eingebaut werden müssen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anstaukolonne der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass ein vereinfachter Aufbau derselben
gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die erste Schicht mindestens einer Sektion der Anstaukolonne
durch schüttfähige erste Füllkörper
mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer geringen
Durchsatzkapazität, und dass die zweite Schicht dieser
Sektion durch schüttfähige zweite Füllkörpern
ausgebildet ist, welche gegenüber den ersten Füllkörpern
der ersten Schicht eine geringere spezifische Oberfläche
und eine höhere Durchsatzkapazität aufweisen.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme wird in
vorteilhafter Art und Weise eine vereinfachte Einbaubarkeit der
Füllkörper in die erfindungsgemäße
Anstaukolonne erreicht. Man ist nun nicht mehr – wie bei
den bekannten Kolonnen – gezwungen, in einer technisch
und zeitaufwendigen Art und Weise in die Kolonne geordnete Packungen
in Form von Einbauelementen einzubauen. Vielmehr können
die einzelnen Schichten der Anstaukolonne durch ein Einbringen entsprechender
Füllkörper im Schüttverfahren hergestellt
werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von schüttfähigen
Füllkörpern anstelle von geordneten Packungen
besteht darin, dass diese einen größeren Druckverlust
erzeugen, welcher zu einer homogeneren Verteilung der Gas- oder
Dampfströmung über den Kolonnenquerschnitt führt.
Diese Homogenität der Gas- oder Dampfphase stabilisiert die
Sprudelschicht in der Anstaulage, so dass in vorteilhafter Art und
Weise das Anstauprinzip betriebssicher auch bei großen
Kolonnendurchmessern eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil
der Verwendung von schüttfähigen Füllkörpern
besteht darin, dass diese nicht so schnell verschmutzen wie handelsübliche
geordnete Packungen. Füllkörper können
auch in vorteilhafter Art und Weise zu Reinigungszwecken besser
aus der Anstaukolonne entnommen werden und stehen als Lagerware
zur Verfügung, so dass ein kurzfristiger Austausch leicht möglich
ist.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der
Anstaukolonne mindestens ein Anstauelement angeordnet ist, welches
einen durchlässigen Boden aufweist. Eine derartige Maßnahme besitzt
den Vorteil, dass hierdurch in besonders einfacher Art und Weise
die einzelnen Sektionen der Anstaukolonne ausgebildet werden können.
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Eine
weitere vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
mindestens eine und vorzugsweise die erste Schicht mindestens einer
Sektion der Anstaukolonne reaktive Füllkörper
aufweist. Der erhöhte Flüssigkeitsinhalt der ausgebildeten Sprudelschicht
in der betreffenden Schicht gewährleistet eine hinreichende
Aufenthaltszeit der flüssigen Phase für einen
reaktiven Stoffumsatz mit den reaktiven Füllkörper,
wobei der unmittelbare Kontakt der Flüssigkeit zu den reaktiven
Füllkörpern und die hohe Turbulenz in der Sprudelschicht
den Stoffumsatz fördern.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
in der zweiten Schicht mindestens einer Sektion der Anstaukolonne
mindestens ein Ablaufschacht vorgesehen ist. Hierdurch wird in vorteilhafter
Art und Weise erreicht, dass die herabrieselnde Flüssigkeitsströmung
diese zweite Schicht besser passieren kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
mindestens ein Ablaufschacht mit einer Ablauftasse versehen ist.
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme
wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass das in die Ablauftasse
eintauchende untere Ende des Ablaufschachts durch den Flüssigkeitsstand
in der Ablauftasse sicherer verschlossen wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel
zu entnehmen, das im folgenden anhand der Figuren beschrieben wird.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
einer Anstaukolonne,
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2:
eine Draufsicht auf die Anstaukolonne der 1,
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3:
eine Ansicht eines Einbauelements der Anstaukolonne aus der Richtung
III der 2, und
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4:
eine Ansicht des Einbauelements aus der Richtung IV der 2.
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In 1 ist
nun schematisch und auszugsweise eine allgemein mit 1 bezeichnete
Anstaukolonne dargestellt, welche drei Sektionen 2a–2c aufweist, wobei
jede Sektion aus einer ersten Schicht 3a von schüttfähigen
ersten Füllkörpern 4 und einer zweiten Schicht 3b von
schüttfähigen zweiten Füllkörpern 5 besteht.
Dem Fachmann ist aus der nachfolgenden Beschreibung leicht ersichtlich,
dass die hier gezeigte Anzahl von drei Sektionen 2a–2c der
Anstaukolonne 1 nur einen exemplarischen Charakter besitzt
und der einfachen Beschreibung halber gewählt wurde. In der
Praxis verwendete Anstaukolonnen 1 weisen vielmehr eine
Vielzahl von wie vorstehend beschrieben aufgebauten Sektionen 2a–2c auf.
Jedoch reicht die in 1 dargestellte Anzahl von drei
Sektionen 2a–2c aus, um den Aufbau und
die Funktionsweise der Anstaukolonne 1 zu beschreiben.
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Die
erste Schicht 3a einer jeden Sektion 2a–2c der
Anstaukolonne 1 wird durch die ersten Füllkörper 4 ausgebildet,
die eine hohe spezifische Oberfläche und daher eine geringe
Durchsatzkapazität aufweisen. Die zweite Schicht 3b einer
jeden Sektion 2a–2c wird durch die zweiten
Füllkörper 5 ausgebildet, welche gegenüber
den ersten Füllkörpern 4 eine geringere
spezifische Oberfläche und damit eine höhere Durchsatzkapazität
haben. Die Füllkörper 4 und 5 werden
zur Ausbildung der Schichten 3a, 3b jeweils durch
ein Schüttverfahren in die Anstaukolonne 1 unorientiert
eingebracht.
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Am
Kolonnenkopf 1a der Anstaukolonne 1 wird in bekannter
Art und Weise eine flüssige Phase aufgegeben, welche durch
die Wirkung der Schwerkraft nach unten strömt. Am Kolonnensumpf 1b wird eine
Gas- oder Dampfphase eingebracht, welche entgegen der Richtung der
flüssigen Phase nach oben strömt. Die Füllkörper 4 der
ersten Schichten 3a der einzelnen Sektionen 2a–2c bilden
aufgrund ihrer geringen Durchsatzkapazität und der hohen
kinetischen Energie der darin strömenden Gas- oder Dampfphase
eine Anstauzone für die flüssige Phase aus.
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Diese
resultiert in der Ausbildung einer Sprudelschicht, so dass sich
ein intensiver Stoff- und/oder Wärmeaustausch ergibt. Diese
Sprudelschicht reicht jeweils in die zweiten Schichten 3b der
Sektionen 2a–2c hinein und wird in diesen
aufgrund der darin befindlichen Füllkörper 5 mit
einer hohen Durchsatzkapazität wieder aufgehoben, so dass
die Füllkörper 5 eine Abscheidezone für
die flüssige Phase ausbilden.
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Die
Verwendung von Füllkörpern 4 bzw. 5 zur Ausbildung
der Anstauzone bzw. der Abscheidezone der Anstaukolonne 1 besitzt
den Vorteil, dass diese beiden vorgenannten Zonen einfach dadurch
ausgebildet werden können, indem zur Ausbildung der ersten
Schichten 3a und der zweiten Schicht 3b der einzelnen
Sektionen 2a–2c abwechselnd die ersten Füllkörper 4 und
die zweiten Füllkörper 5 in die Anstaukolonne 1 geschüttet
werden. Durch die Verwendung der Füllkörper 4 und 5 zur
Ausbildung der Schichten 3a, 3b einer jeden Sektion 2a–2c der
Anstaukolonne 1 kann diese daher einfach hergestellt werden,
da nun nicht mehr ein zeit- und montageaufwendiger Einbau von strukturierten,
geordneten Packungen mit einer definierten Orientierung in die Anstaukolonne 1 erforderlich
ist. Vielmehr können die einzelnen Schichten 3a, 3b durch
ein einfaches Einschütten der Füllkörpern 4, 5 ausgebildet
werden. Die Verwendung von Füllkörpern 4, 5 besitzt
des weiteren den Vorteil, dass hierdurch ein größerer
Druckverlust in den einzelnen Schichten 3a, 3b ausgebildet wird,
welcher zu einer homogeneren Verteilung der gasförmigen
Phase über den Kolonnenquerschnitt führt. Diese
Homogenität dieser Phase stabilisiert die Sprudelschicht,
so dass das Anstauprinzip betriebssicher auch bei großen
Kolonnendurchmessern eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil
der Verwendung von Füllkörper-Schüttungen
besteht darin, dass, wenn verschmutzende Medien zum Einsatz kommen,
die Füllkörper 4, 5 nicht so
schnell verschmutzen wie die bis jetzt verwendeten strukturierten
Packungen. Darüber hinaus können schüttfähige Füllkörper 4, 5 besser
aus der Anstaukolonne 1 zu Reinigungszwecken entnommen
werden als strukturierte Packungen.
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Es
wird bevorzugt, dass zur Herstellung der ersten Schichten 3a bzw.
der zweiten Schichten 3b jeweils Füllkörper
der Anmelderin verwendet werden, die unter dem Handelsnamen „Raschig
Super-Ring” bekannt sind. Vorzugsweise werden zur Ausbildung der
ersten Schichten 3a Füllkörper 4 der
Anmelderin verwendet, die eine spezifische Oberfläche von
größer als 200 m2/m3 haben, während als Füllkörper 5 Füllkörper
mit einer kleineren spezifischen Oberfläche als 200 m2/m3 verwendet werden.
Bevorzugt wird insbesondere, dass das Verhältnis der spezifischen Oberflächen
der Füllkörper 4 der ersten Schichten 3a und
derjenigen der Füllkörper 5 der zweiten
Schichten 3b im Bereich von ca. 2,5 bis 5 liegt.
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Um
nun eine Anstaukolonne 1 aus den Füllkörpern 4 und 5 aufzubauen,
wird in die Anstaukolonne 1 ein erster Anstaueinsatz 10a eingebracht,
der in den 3 und 4 dargestellt
und weiter unten noch beschrieben wird. Dann werden die die erste Schicht 3a der
ersten Sektion 2a ausbildenden Füllkörper 4 in
die Anstaukolonne 1 geschüttet, bis die erste
Schicht 3a der ersten Sektion 2a eine hinreichende
Dicke aufweist. Dann werden zur Ausbildung der zweiten Schicht 3b der
ersten Sektion 2a die zweiten Füllkörper 5 in
die Anstaukolonne 1 geschüttet, bis eine hinreichend
dicke zweite Schicht 3b ausgebildet ist. Die erste Sektion 2a der
Anstaukolonne 1 ist somit fertig gestellt.
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Die
beschriebene Anordnung ermöglicht es auch in vorteilhafter
Art und Weise, die Anstaukolonne 1 als reaktive Destillationskolonne
auszubilden, indem in mindestens einer Schicht 3a, 3b mindestens einer
Sektion 2a–2c reaktive Füllkörper
vorgesehen werden. Vorzugsweise wird jeweils die erste Schicht 3a einer
jeden Sektion 2a–2c mit reaktiven Füllkörpern 4 ausgestattet.
Der erhöhte Flüssigkeitsinhalt der Sprudelschicht
in den Schichten 3a gewährt eine hinreichende
Aufenthaltszeit der flüssigen Phase für einen
reaktiven Stoffumsatz mit den reaktiven Füllkörpern 4.
Der unmittelbare Kontakt der flüssigen Phase zu den reaktiven
Füllkörpern 4 und die hohe Turbulenz
der Sprudelschicht fördern dabei in vorteilhafter Art und
Weise den Stoffumsatz. Eine derartige Vorgangsweise besitzt gegenüber
den bisher in reaktiven Destillationsprozessen verwendeten strukturierten
Packungen den Vorteil, dass sich bei der Berieselung der Füllkörper 4 nicht – wie
bei den bekannten strukturierten Packungen, zwischen denen als reaktiver
Feststoff Gewebelagen eingebunden sind – ein Flüssigkeitsfilm
ausbildet, welcher quasi-stationär die Füllkörper 4 umschließt.
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Dann
wird ein zweiter Anstaueinsatz 10b eingebracht und der
Aufbau der ersten und der zweiten Schicht 3a und 3b der
zweiten Sektion 2b erfolgt wie vorstehend beschrieben.
Wie aus der 1 ersichtlich ist, wird bevorzugt,
dass die beiden Anstaueinsätze 10a und 10b über
Distanzhalter 9 miteinander verbunden sind.
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In
der obigen Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Anstaueinsätze 10a, 10b parallel zueinander
angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, diese in einem
Winkel von bis zu 90° gegeneinander verdreht ausgerichtet
in der Anstaukolonne 1 anzuordnen.
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Die
Ausbildung der Schichten 3a und 3b einer über
der zweiten Sektion 2c liegenden dritten Sektion 2c erfolgt
nun wiederum wie vorstehend beschrieben, nämlich, dass
ein dritter Anstaueinsatz 10c in die Anstaukolonne 1 eingebracht
und durch ein Einschütten der Füllkörper 4 und 5 die
erste und die zweite Schicht 3a, 3b der dritten
Sektion 2c ausgebildet wird. Die Ausbildung weiterer Sektionen
erfolgt dann wie vorstehend beschrieben.
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Wie
aus der 1 ersichtlich ist, ist im beschriebenen
Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zwischen den einzelnen
Sektionen 2a–2c ein füllkörperfreier
Zwischenraum 6 vorgesehen ist. Eine derartige Maßnahme
besitzt den Vorteil, dass die Aufhebung der Sprudelschicht infolge
des besonders offenen Strömungsquerschnitts verbessert
wird.
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Die 3 und 4 zeigen
nun Anstaueinsätze 10a, 10b, die übrigen
Anstaueinsätze der Anstaukolonne 1 sind vorzugsweise
gleichartig aufgebaut. Jeder Anstaueinsatz 10a–10c weist
ein umlaufendes Randelement 11 auf, dessen Außenkontur – wie
am besten aus 2 ersichtlich ist – derart
auf die Innenkontur der Anstaukolonne 1 abgestimmt ist, dass
die Anstaueinsätze 10a–10c leicht
in die Anstaukolonne 1 eingebracht werden können
und möglichst wenig Zwischenraum zwischen der Innenwand der
Anstaukolonne 1 und der Außenwand des umlaufenden
Randelements 11 ist, so dass zwischen der Innenwand der
Anstaukolonne 1 und den Anstaueinsätzen 10a–10c möglichst
wenig Gas und/oder Flüssigkeit durchtreten kann.
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Ein
Boden 12 der Anstaueinsätze 10a–10c wird
durch ein Gitternetz ausgebildet, vorzugsweise durch ein Streckmetall,
welches vorzugsweise mit dem Randelement 11 verschweißt
ist. Durch diese Ausbildung des Bodens 11 ist gewährleistet,
dass sich die Füllkörper 4 einer ersten
Schicht 3a nicht mit den Füllkörpern 5 der
zweiten Schicht 3b der darüber liegenden Sektion
vermischen können.
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Man
erkennt in den 3 und 4 wiederum
die Abstandshalter 9, durch welche die Anstaueinsätze 10a, 10b miteinander
verbunden sind.
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Wie
wiederum aus den 1 und 2 erkennbar
ist, weist die Anstaukolonne 1 mehrere Ablaufschächte 20a–20c auf,
welche dazu dienen, dass die abwärtsströmende
flüssige Phase jeweils die erste Schicht 3a der
Sektionen 2a–2c leichter durchdringen
kann. Wie aus der 1 ersichtlich ist, ist beim beschriebenen
Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass jede Sektion 2a–2c drei
Ablaufschächte 20a–20c aufweist.
Diese sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass zwar die flüssige
Phase durch die Ablaufschächte 20a–20c ablaufen
kann und dann auf die zweite Schicht 3b der darunter liegenden
Sektion 2b bzw. 2a abtropft, dass aber möglichst
wenig der aufwärtsströmenden gasförmigen
Phase durch die Ablaufschächte 20a–20c hindurchtritt.
Dies wird – wie am besten aus 3 ersichtlich
ist – dadurch erreicht, dass jeder Ablaufschacht 20 an
seinem unteren Ende von einer Ablauftasse 21 umgeben ist,
wobei das untere Ende des Ablaufschachts 20 in die Ablauftasse 21 eintaucht.
Dies bewirkt, dass die Ablaufschächte 20, 20a–20c durch
die in die Ablauftasse 21 sich ansammelnde flüssige
Phase verschlossen und damit gasdicht werden.
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Zusammenfassend
ist festzuhalten, dass durch die beschriebenen Maßnahmen
eine Anstaukolonne 1 ausgebildet wird, die sich aufgrund
der Verwendung von schüttfähigen Füllkörpern 4, 5 zum Aufbau
der einzelnen Schichten 3a, 3b einer jeden Sektion 2a–2c durch
ihre einfache Herstellbarkeit auszeichnet, In vorteilhafter Art
und Weise können die einzelnen Schichten der Anstaukolonne 1 durch ein
Einbringen der entsprechenden Füllkörper 4, 5 im Schüttverfahren
hergestellt werden. Die Verwendung von Füllkörpern 4, 5 zum
Aufbau der Schichten 3a, 3b besitzt des weiteren
den Vorteil, dass hierdurch ein größerer Druckverlust
erzeugbar ist, welcher in vorteilhafter Art und Weise zu einer homogeneren Verteilung
der gasförmigen Phase über den Querschnitt der
Anstaukolonne 1 führt. Diese Homogenität
der gasförmigen Phase stabilisiert die Sprudelschicht in
der Anstaulage, so dass in vorteilhafter Art und Weise das Anstauprinzip
betriebssicher auch bei großen Kolonnendurchmessern eingesetzt
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/056419
A1 [0002]
