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Vorrichtung zur Flüssigkeitsverteilung in Kolonnen Bei Füllkörpersäulen,
die in der Technik zur Rektifikation von Stoffgemischen und zur Gaswaschung Verwendung
finden, muß der Rücklauf bzw. die Waschflüssigkeit auf die Füllkörperschüttung verteilt
aufgegeben werden. Die Art der Flüssigkeitsaufgabe bereitet meist keine besonderen
Schwierigkeiten, wenn genügend Flüssigkeit im Verhältnis zu dem zu berieselnden
Säulenquerschnitt zur Verfügung steht.
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Bei Vakuumrektifikationen, bei denen mit Rücksicht auf den geringstmöglichen
Druckverlust die volle Trennfähigkeit der Säulenfüllung ausgenutzt werden soll,
ist die hierfür notwendige gleichmäßige Verteilung des bei solchen Rektifikationen
nur geringen Rücklaufs mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich. Dies ist auch
ein wesentlicher Grund, warum die hochwirksamen, bisher nur in Baborkolonnen benutzten
Drahtwendeln und Maschendrabtringe von nur einigen Millimetern Länge und Durchmesser
in Kolonnen größerer Weite nicht verwendet werden.
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Die Möglichkeit, die Rücklaufflüssigkeit gleichmäßig auf eine Kreisfläche
verteilen zu können, ist indes auch für Filmaustauschsäulen nützlich, die den Extremfall
von Füllkörpersäulen mit geometrisch streng geordneten, vom Rücklauf zu benetzenden
Leitflächen darstellen, an denen der Stoffaustausch vor sich geht. Bekanntlich besitzen
solche Säulen unter den adiabatisch und damit am wirtschaftlichsten arbeitenden
Trennkolonnen den niedrigsten Druckverlust bei gleichzeitig hohem Trennverrnögen.
Die Schwierigkeit der gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung auf die Leitflächen,
die in technisch unbefriedigender Weise durch bauliche Gestaltung des Kondensators
versucht wurde, hemmt jedoch deren breite technische Verwendung.
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Es sind in diesem Zusammenhang schon drehbare scheibenförmige oder
in sektorförmige Kammern geteilte Vorrichtungen zur Verteilung von Flüssigkeiten
auf den Querschnitt einer Kolonne bekannt. Diese Vorrichtungen besitzen von der
Drehachse verschieden weit entfernte Abtropfränder oder Uberlaufkanten, und die
von den einzelnen Abteilungen abgeschleuderte Flüssigkeit benetzt mit Bezug auf
den Kolonnenquerschnitt Kreisringe von gleichem Flächeninhalt.
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Bekannt sind ferner in sektorförmige Kammern unterteilte Verteilvorrichtungen,
denen ein tellerförmiger Vorverteiler zugeordnet ist, aus dessen Abteilungen die
Flüssigkeit jenen Kammern zugeleitet wird, von deren Ablaufkanten die Flüssigkeit
auf die Kolonne gelangt. Dabei können sich der tellerförmige Vorverteiler und die
eigentliche Aufgabevorrichtung gegebenenfalls um verschiedene Achsen und mit unterschiedlichen
Winkelgeschwindigkeiten drehen.
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Die bekannten Flüssigkeitsverteiler erfüllen ihre Aufgabe nur unvollkommen,
und es ist insbesondere bei ihrer Anwendung noch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit
möglich gewesen, den Rücklauf in exakter Aufteilung etwa auf die Umfänge der koxialen
Bleche oder Maschendrahtzylinder zu verteilen, die für hochwirksame Rektifizierkolonnen
als Austauschflächen schon vorgeschlagen wurden. Ein Nachteil, der allen bekannten
ohne Vorverteiler arbeitenden Aufgabevorrichtungen zu eigen ist, liegt darin, daß
die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit durch Ansetzen von Krusten an Überlaufkanten
erheblich gestört werden kann. Alle bekannten Vorrichtungen mit einfachem Überlauf
oder direktem Zulauf zeigen auch nur eine geringe Belastungsbreite, d. h., nur bei
kleinen Flüssigkeitsmengen erhalten einzelne Abteilungen der sich drehenden Verteilvorrichtungen
keine Flüssigkeit mehr, und bei großen zu verteilenden FIüssigkeitsmengen tritt
Flüssigkeit auch an Stellen der Vorrichtung über, die nicht für den Ablauf vorgesehen
sind. In beiden Fällen ist die gewünschte gleichmäßige Beaufschlagung des Kolonnenquerschnitts
gestört. An den bekannten, mit einem Vorverteiler ausgerüsteten Aufgabevorrichtungen
läßt sich nur eine beschränkte Anzahl von Abflußorganen vorsehen. Die Flüssigkeit
kann ferner nicht in zeitlich konstanten Teilmengen aus dem Ablauf des Vorverteilers
in die Abteilungen des Hauptverteilers eintreten, weil die zu den einzelnen Abflußstutzen
gehörenden Sektoren des Vorverteilers nur so lange aus einem feststehenden Zulaufrohr
Flüssigkeit erhalten, wie sie sich unter diesem vorbeibewegen. Während des restlichen
Teils einer Umdrehung des Vorverteilers laufen die Sektoren leer.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Anordnung beliebig
vieler Abflußstutzen mit verschiedenem Abstand von der Kolonnenachse, wobei diese
Abflußvorrichtungen
unabhängig von der Menge der fließenden Flüssigkeit beliebig groß gehalten werden
können, so daß die Verstopfungsgefahr weitgehend ausgeschlossen ist. Es ist ferner
möglich, die Flüssigkeit aus dem Vorverteiler über V-förmige Schlitze in den Hauptverteiler
übertreten zu lassen, die eine große Belastungsbreite der Vorrichtung bei gleich
guter Verteilung gewährleisten. Die gleichmäßige Abführung des in Teilströme aufgeteilten
gesamten Flüssigkeitsstromes längs einzelner konzentrischer Kreislinien ohne Zuhilfenahme
von Mitteln, die die Sturz mung verzögern, gelingt erfindungsgemäß mit einer Abfluß
vorrichtung, an der oberhalb des zu berieselnden Kreisquerschnitts ein mit der Normale
im Kreismittelpunkt der Kolonne als Drehachse ausgebildetes sich drehendes Kammersystem
angeordnet ist, dessen Kammern auf ihrer Innenseite zur Aufnahme der durch einen
Vorverteiler verteilten Flüssigkeit offen sind, wobei jede Kammer ihre eigene Abflußvorrichtung
aufweist.
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Diese Vorrichtung erweist ihre Vorteile nicht nur bei Vakuum-Rektifizier-
und -Destillierkolonnen, sondern auch bei anderen Füllkörperkolonnen, wenn diese
unter ähnlichen Betriebsverhältnissen, d. h. mit einer verhältnismäßig geringen
zu verteilenden Flüssigkeitsmenge, arbeiten müssen. Die bessere Wirtschaftlichkeit
liegt dann z. B. bei Waschkolonnen in einer kleineren Gebläseleistung.
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An Hand der Abb. 1 bis 3 sei die Erfindung näher erläutert: Bei der
in Abb. la (Seitenansicht) und lb (Draufsicht) gezeichneten Vorrichtung wird einer
mit der Hohlwelle 1 fest verbundenen rotierenden Tasse 2 der zu verteilende Flüssigkeitsstrom
durch ein Rohr 3 zugeleitet, aus der er durch die an der Tasse befestigten und deshalb
ebenfalls umlaufenden Rohre 4 ausfließt, wodurch eine gleichmäßige Winkelverteilung
der Fliissigkeit um eine Drehachse erzielt wird. Durch ein um die Drehachse angeordnetes,
zweckmäßig im entgegengesetzten Drehsinn umlaufendes Kammersystem, das über die
Speichen 5 mit der Welle 6 verbunden ist, wird die Flüssigkeit in einzelnen Teilströmen
aufgefangen. Das Kammersystem besteht aus dem Zylinder7, der unten in eine einwärts
gebogene Rinne 8 endet, und den einzelnen, die Kammern bildenden Trennwänden 9,
die nach innen offen sind. Jede Kammer ist mit einer Abflußleitung 10 versehen,
durch die die Teilströme der zu berieselnden Kreisfläche zugeführt werden. In der
Draufsicht der Verteilvorrichtung Abb. lb sind die lotrechten Projektionen der Abfluß-
oder Verteilrohre mit den strichpunktierten Linien 11 und die Enden der Rohre durch
die kleinen Kreise 12 dargestellt. Es ist in dieser Abbildung als Beispiel die Anordnung
der Verteilrohrenden derart gewählt, daß bei gleicher Breite der Kammern und somit
mengengleichen Teilströmen, von letzteren unter sich gleich große Flächenelemente
berieselt werden, die von zwei konzentrischen Kreisen begrenzt sind, deren Mittelpunkt
mit dem Spurpunkt der Drehachse in dem zu berieselnden Säulenquerschnitt zusammenfällt.
Insgesamt ergibt sich damit ein iiber eine Kreisfläche gleichmäßig verteilter Flüssigkeitsstrom.
Durch unterschiedliche Kammerbreiten oder andere Lagen der Verteilrohrenden kann
eine beliebige andere, mit dem Halbmesser veränderliche Verteilung der Flüssigkeit
erzielt werden. Hierbei kann z. B. auch die Achsenmitte der Kolonne stärker beaufschlagt
werden als die Randzonen.
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Die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsverteilung, die nicht nur örtlich
von der Anzahl und Lage der Ver-
teilleitungen, sondern auch zeitlich von der Drehzahl
der beiden sich drehenden Teile abhängig ist, läßt sich wesentlich verbessern, wenn
die an der Tasse befestigten Ausfluß rohre 4 durch eine Verteilrinne ersetzt werden.
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Abb. 2a und 2b zeigen als Beispiel eine etwas andere Ausführungsform
der Verteilvorrichtung. Auf der umlaufenden Welle 1 ist wiederum eine Tasse2 befestigt,
in die durch das feststehende Rohr 3 die zu verteilende Flüssigkeit zugeleitet wird.
Die Verteilrinne 16 ist mittels der Rohre 4 mit der Tasse 2 verbunden. Bei dieser
Art der Vorverteilung der Flüssigkeit auf das Kammersystem erhalten die Kammern
dauernd Flüssigkeit, da letztere gleichzeitig am gesamten oberen, äußeren Umfang
der Rinne übertritt.
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Das Kammersystem besteht hier aus dem Zylinder 7, der an seiner Innenseite
mit einem wellblechartig gebogenen Blechstreifen 17 ausgekleidet ist. In den durch
die einzelnen Wellen gebildeten Kammern wird die Flüssigkeit aufgefangen. In diesem
Ausführungsbeispiel dienen als Abflußleitungen für die Teilströme Stäbe 18, an deren
Oberfläche die Flüssigkeit jeder Kammer herabfließ t. Zur einwandfreien Überleitung
der Flüssigkeit von der Kammerwand auf den Stab sind die unteren Kammerenden abgeschrägt.
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Die Berieselung vollzieht sich im Rhythmus des umlaufenden Kammersystems.
DieVerteilung der Flüssigkeit auf den Säulenquerschnitt erfährt somit eine Verbesserung,
wenn die Ablaufrohre bzw. -stäbe in mehrere Gruppen aufgeteilt sind, die während
eines Umlaufs jeweils den gesamten Ouerschnitt berieseln.
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Die Anordnung der Abflußrohre in Abb. 1 findet sich wieder in Abb.
2, wobei die hier verwendeten Stäbe bei denselben Lagen ihrer unteren Enden in beispielsweise
drei Gruppen aufgeteilt sind. Damit wird je Umlauf des Kammersystems der Säulenquerschnitt
dreimal auf verschiedene Halbmesser berieselt. Die Anordnung der Abflußrohre kann
in allen Gruppen auch gleich gewählt werden.
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Im Ausführungsbeispiel der Abb. 2 a und 2b wurde auf eine besondere
Welle für den Antrieb des Kammersystems verzichtet. Letzteres wird über die fünf
Speichen mit dem äußeren Laufring 19 eines passend gestalteten Kugellagers verbunden,
während der innere Laufring 20 hier als Doppelkegel ausgebildet auf der Antriebswelle
der Tasse befestigt ist. Dieses Kugellager, wie grundsätzlich jedes beliebige andere
Wälzlager, kann außer der Lagerung des Kammersystems auch gleichzeitig dessen Antrieb
in dem zur Tasse zweckmäßig entgegengesetzten Drehsinn vornehmen, was durch Festhalten
des Kugelkäfigs erreicht wird.
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Die Kugeln 21 vermitteln in diesem Fall durch Reibung die Übertragung
der Drehbewegung des inneren Laufringes in eine entgegengesetzte des äußeren Ringes.
Während die Verteilrinne so rasch umlaufen soll, daß die Flüssigkeit unter dem Einfluß
der Fliehkraft über den oberen Rand abgeschleudert wird, darf die Fliehkraft das
Abfließen der Flüssigkeit von den Verteilerrohr- bzw. Stabenden auf die Füllkörperschicht
nicht stören. Demzufolge ist die Drehzahl der Verteilerrinne zweckmäßig größer als
die des Kammersystems zu wählen, was mit dem beschriebenen Kugellager gleichfalls
erreicht wird. Die Antriebswelle 1 ist über den inneren Lagerring hinaus als Zapfen
13 verlängert, welcher der festgehaltenen Scheibe 14 als Führung dient. An Stelle
des Kugellagerkäfigs ragen zwischen die Kugeln die auf der Scheibe befestigten Stäbe
22, die somit die Kugeln am Umlaufen hindern, wodurch die gewünschte Wirkungsweise
des Lagers als Getriebe erzielt wird. Als Schmiermittel für das
nur
sehr wenig belastete Getriebe läßt sich die Berieselungsflüssigkeit selbst verwenden.
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Die Arbeitsweise einer derartigen Verteilvorrichtung gestattet eine
stets gleichbleibende Verteilung der in weiten Grenzen veränderlichen Flüssigkeitsmenge
bis praktisch auf 0 herab, insbesondere aber eine genaue Aufteilung der Rücklaufflüssigkeit
auf die Umfänge bekannter koaxialer Maschendrahtzylinder.
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Abb. 3 a und 3b zeigen eine in diesem Fall zweckmäßige Ausführungsform,
und zwar stellt Abb. 3 a einen Schnitt längs der Kolonnenachse, Abb. 3b die Draufsicht
dar. Im Kolonnenrohr 23 sind in geringem Abstand voneinander die Maschendrahtzylinder
24 koaxial angeordnet, die zwecks leichterer Zuführung der Rücklaufflüssigkeit in
ihrer Länge abgestuft sein können. Im Kern der Kolonne sind hier die Austauschzylinder
durch den geschlossenen Zylinder 25 als Verdränger ersetzt, der dem aufsteigenden
Dampf keinen Durchtritt gestattet. Der Flüssigkeitsverteiler 26 gleicht im wesentlichen
den zuvor beschriebenen Vorrichtungen. In der Draufsicht in Abb. 3b ist der Vorverteiler
nicht eingezeichnet. Das Kammersystem be steht aus dem Zylinder 7, der unten in
die Rinne 8 endet, und den einzelnen, nach innen offenen Kammern mit Trennwänden
9, wobei die in den Kammern aufgefangenen Flüssigkeitsmengen durch die Rohre 10
den Maschendrahtzylindern zugeleitet werden. In Abb. 3 a ist nur das in der Bildebene
liegende Ablaufrohr eingezeichnet, und die Trennwände sind in die Bildebene gedreht.
Im Falle äquidistanter Maschendrahtzylinder wird der Umfang des Auffangringes in
der Weise in Kammern aufgeteilt, daß deren Größen untereinander im selben Verhältnis
stehen wie die Umfänge der ihnen zugeordneten Austauschflächen.
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Sollen an Stelle der Maschendrahtzylinder etwa Blechzylinder verwendet
werden, so läßt sich die Vorrichtung auch einer beiderseitigen Beaufschlagung solcher
undurchlässiger Austauschflächen anpassen.
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Durch die Drehbewegung des Kammersystems wird die Flüssigkeit gleichmäßig
aufgeteilt den Austauschzylindern längs des ganzen Umfangs zugeführt, von wo sie
entgegen dem aufsteigenden Dampf an den gleichmäßig benetzten Zylindern herabfließt.
Rektifizierkolonnen mit derartigen Austauschflächen ergeben Trennschärfen, die denen
üblicher Füllkörper-und Bodenkolonnen bei gleichzeitig sehr geringem
Druckverlust
weit überlegen sind, so daß sich Rektifikationen bei bisher nicht anwendbaren niedrigen
Drücken ausführen lassen.
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Der Antrieb der Verteilvorrichtung kann beispielsweise durch einen
Elektromotor erfolgen. Beim Einbau etwa in eine Rektifiziersäule kann hierzu auch
ein Turbinenrad dienen, das vom Produktdampf selbst angetrieben wird.
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PATENTANSPR0CHE: 1. Vorrichtung zur Verteilung eines Flüssigkeitsstromes
auf den Kreisquerschnitt einer Kolonne in gleichmäßiger oder beliebig vorgegebener,
vom Halbmesser der Kolonne abhängiger Berieselungsdichte durch eine beliebige Anzahl
um die Kolonnenachse sich drehender Abflußvorrichtungen, dadurch gekennzeichnet,
daß oberhalb des zu berieselnden Kreisquerschnitts ein mit der Normale im Kreismittelpunkt
der Kolonne als Drehachse ausgebildetes sich drehendes Kammersystem (7) angeordnet
ist, dessen Kammern auf ihrer Innenseite zur Aufnahme der durch einen Vorverteiler
(2) verteilten Flüssigkeit offen sind, wobei jede Kammer ihre eigene Abfluß vorrichtung
(10, 18) aufweist.