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Destilliersäule Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Destilliersäulen,
insbesondere auf Destilliersäulen mit kleinem Druckverlust, die also den Dämpfen
einen möglichst geringen Widerstand bieten.
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Destilliersäulen, die nur einen kleinen Druckabfall hervorrufen,
sind z.B. erforderlich, wenn Gemische von schwerflüchtigen Stoffen, insbesondere
Fettsäuren oder damit verwandte Produkte, bei unschädlichen Temperaturen zerlegt
werden sollen. Ein anderes Anwendungsgebiet solcher Destilliersäulen bzw.
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Destillierkolonnen ist in den Fällen gegeben, in denen durch ein Senken
des Druckes die Unterschiede im Dampfdruckverhältnis der Komponenten größer werden,
so daß bei geringerem Druck bessere Trenneffekte erreicht werden. Ein nur geringer
Druckabfall in der Säule ist ebenfalls erwünscht, wenn in Mehrkörpersystemen die
eingeführte Wärme wiederholt genutzt werden soll.
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Es sind Destilliersäulen mit kleinem Druckabfall bekannt, in denen
Bündel paralleler senkrechter Rohre unten und oben in je einen horizontalen Flansch
eingesetzt sind. Hierbei dient das Innere der Rohre als nutzbarer Kolonnenraum.
Bei dieser Bauart wird nur ein Bruchteil des gesamten Kolonneuquerschnittes genutzt,
denn die Räume zwischen den Rohren sind zwangläufig bei dieser konstruktiven Ausbildung
erheblich größer als die Innenräume der Rohre.
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Es ist auch bekannt, zur Erreichung größerer Spaltumfänge mehrere
Rohre konzentrisch ineinanderzufügen. Auf diese Weise wurde zwar der Querschnitt
besser ausgenutzt, ohne daß die im nachstehenden eingehend erörterten Nachteile
vermieden werden konnten.
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Es hat sich bisher gezeigt, daß unter allen Kolonnentypen leere Rohre
oder Spalte gemäß den oben beschriebenen Kolonnentypen den geringsten Reibungswiderstand
aufweisen. Hierbei ergibt sich eine geradlinige laminare Strömung, deren Austauschwirkung
bei gleichzeitigem geringem Druckverlust gut ist.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Trenneffektes
der bekannten Kolonnen sowie die Ausführung von Bauformen, die sich vom Laboratoriumsmaßstab
auf großtechnische Anwendungen ohne übermäßigen Aufwand übertragen lassen.
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Die Erfindung betrifft eine Destilliersäule, insbesondere eine Destilliersäule
mit kleinem Druckverlust die aus einer Mehrzahl parallel zueinander verlaufender
Strömungskanäle, z. B. Rohren, besteht. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß sich
ein optimalerTrenneffekt und gleichzeitig eine vollständige Querschnittsausnutzung
ergibt, wenn die Strömungskanäle lückenlos nebeneinanderliegen und hierbei das Verhältnis
der Querschnittsflächen der Strömungskanäle zu den die Querschnittsflächen begrenzenden
Umrandungen für sämtliche Strömungskanäle im wesentlichen gleich ist.
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Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung eines über den ganzen Kolonnenquerschnitt
gleichmäßigen Trenneffektes dem Volumen der einzelnen Strömungskanäle eine bestimmte
Begrenzungsfläche des Kanals zugeordnet sein muß. Die Begrenzungsflächen der Strömungskanäle
dienen als Kontaktflächen für den Stoffaustausch zwischen gasförmiger und flüssiger
Phase. Ist beispielsweise ein Strömungskanal, z.B. der zwischen den eingesetzten
Rohren und der Kolonnenwand befindliche Raum, weiter als andere Strömungskanalquerschnitte,
so ergibt sich ein schlechterer Trenneffekt, der die Gesamttrennschärfe erheblich
mindert, insbesondere wenn das Durchsatzvolumen des oder der weiteren Strömungskanalquerschnitte
verhältnismäßig zum Gesamtdurchsatz ins Gewicht fällt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die
Destilliersäule aus wabenförmigen Strömungskanälen von im wesentlichen gleichem
Querschnitt, die sich in der Strömungsrichtung parallel zueinander erstrecken. Diese
Ausführung gestattet mit geringerem Aufwand als bei der Benutzung von Rohrbündeln
die Erzielung einer gleich großen Kontaktfläche. Bei dieser Ausführungsform wird
die größte Kontaktfläche, geringste Filmdicke und damit die größte Wirksamkeit gewährleistet.
Wegen des hyperbolischen Zusammenhanges zwischen dem Rücklaufverhältnis und der
für eine bestimmte Trennung erforderlichen theoretischen Bodenzahl ergibt sich bei
den erfindungsgemäßen Kolonnen unter Zugrundelegung eines bestimmten Trenneffektes
die geringste Belastung und damit der geringste Druckabfall. Die vorstehenden Überlegungen
gelten nach den gewon-
nenen Erfahrungen nicht nur für laminare,
sondern auch turbulente Strömungen.
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Die wabenförmige Ausführung des Kolonnenquerschnittes hat insbesondere
den Vorteil einer leichten großtechnischen Ausführbarkeit. Es kann hierbei auf im
Flugzeugbau übliche großtechnische Verfahren zurückgegriffen werden, bei denen Blechpakete,
die streifenförmig miteinander verschweißt oder verklebt sind und wobei die Verbindungsstreifen
von Blechschicht zu Blechschicht in passender Weise zueinander versetzt sind, zieharmonikaartig
auseinandergezogen werden, wodurch rhomboid- oder wabenförmige Strukturen entstehen.
Im Flugzeugbau dienen diese Strukturen zur Erhöhung der Festigkeit, die teilweise
die Festigkeit von Vollquerschnitten übertrifft. Bei wabenförmigen Querschnittsformen
ergeben sich an der Mantelfläche der Kolonnen bei dem erwähnten Herstellungsverfahren
dreieckförmige Querschnitte, die aber in bezug auf die Gesamtquerschnittsfläche
der Kolonne vernachlässigbar sind und außerdem keine Verringerung des Trenneffektes
bedingen, weil bei den dreieckigen Strömungskanälen das Verhältnis der Querschnittsfläche
der Strömungskanäle zu den die Ouerschnittsflächen begrenzenden Umrandungen kleiner
ist als bei den wabenförmigen Querschnitten, wodurch sich eine verhältnismäßig größere
Kontaktfläche ergibt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können Drei-, Vier-
oder Sechskantrohre von vorzugsweise gleicher Ouerschnittsflächengröß e und Form
zu einem wabenähnlichen Gebilde zusammengefaßt werden.
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Der Erfindungsgedanke umfaßt auch Kolonnen, die aus konzentrisch
zueiander liegenden Rohren aufgebaut sind. Hierbei ergibt sich der Radius der einzelnen
Rohrkörper eindeutig aus der Bedingung, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche
der Strömungskanäle zu den die Ouerschnittsflächen umgrenzenden Umrandungen für
sämtliche ringförmigen Strömungskanäle sowie für den innersten kreisförmigen Kanal
bei sämtlichen Strömungskanälen gleich ist. Dies bedeutet beispielsweise, daß, wenn
eine Kolonne einen bestimmten vorgegebenen Gesamtquerschnitt haben soll und die
Kolonne aus zwei konzentrischen Rohren aufgebaut werden soll, das innere Rohr einen
Radius hat, der halb so groß ist wie der Radius des äußeren Rohres. Selbstverständlich
gilt diese Betrachtung unter der Voraussetzung, daß die Wanddicke vernachlässigbar
ist. Anderenfalls müssen Sorrekturen berücksichtigt werden, deren Einfluß jedoch
so gering ist, daß man unter Zugrundelegung der praktischen Verhältnisse auf ihre
Berücksichtigung verzichten kann.
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Unter die Erfindung fällt auch eine Kolonne, die aus einem zylinderförmigen
Mantel besteht, in dessen Innerem eine Mehrzahl von Rohren im wesentlichen gleichen
Querschnittes verläuft, wobei der zwischen den Rohren sowie der zwischen den Rohren
und dein Außenmantel befindliche Zwischenraum in dem Falle, daß die einzelnen Rohre
sich nicht berühren, als einzelner Strömungskanal anzusehen ist, der wieder die
Bedingung zu erfüllen hat, daß das Verhältnis der Ouerschnittsfläche dieses Strömungskanals
zu der diese Querschnittsfläche begrenzenden Umrandung dieselbe Größe hat wie das
entsprechende Verhältnis bei den Rohrquerschnitten.
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Die Strömungskanäle, z. B. die Rohre, können mittels gut wärmeleitender
Metallbänder oder geschlitzter, entsprechend ausgebildeter Anschluß stücke mit dem
gekühlten Deckel der Kolonne verbunden sein.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung können die Strömungskanäle
innen und/oder außen sowie die Innenfläche des Kolonnenmantels mit spiraligen Nuten
oder spiraligem Schliff versehen sein. Die Strömungskanäle können auch an Stelle
kompakter Begrenzungswände aus Drahtnetz bestehen, dessen Maschenweite so gewählt
ist, daß in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der zu kondensierenden Komponente
eine geschlossene Benetzung der Maschenwandung durch die rückfließende Flüssigkeit
stattfindet; die Maschenweite muß also so klein gewählt werden, daß die Maschenwandung
sich im wesentlichen hinsichtlich der Benetzung wie eine kompakte zusammenhängende
Fläche verhält.
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An Stelle von Rohren kann auch ein spiralig aufgewickelter Draht
verwendet werden, wobei die Windungsabstände so klein gewählt sein müssen, daß wie
bei der vorstehend beschriebenen Drahtnetzwandung der Rückfluß und die Benetzungseigenschaften
einer kompakten zusammenhängenden Fläche entsprechen.
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Obwohl der Abstand der einzelnen Windungen bzw. die Maschenweite des
Drahtnetzes abhängig von der Oberflächenspannung der Rückflußkomponenten sind, kann
man sagen, daß die in Frage stehenden Größen im allgemeinen unter 1 mm liegen müssen.
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Die Kolonnenbauart nach der beschriebenen Erfindung kann nicht nur
für den absatzweisen, sondern auch für den kontinuierlichen Betrieb verwendet werden.
Der Zulauf kann entweder dampfförmig oder flüssig in die Kolonne geleitet werden.
Im ersten Falle wird der Dampf mit Hilfe einer die Kolonne umgebenden Ringleitung
an mehreren Stellen des Umfanges gleichmäßig zugeführt. Im zweiten Falle kann ein
horizontaler Zwischenboden eingebaut werden, der durch so viele in der Höhe verstellbare
Überlaufrohre durchbrochen ist, wie Austauschrohre vorhanden sind. Diese Austauschelemente
sind beispielsweise mit Bändern oder geschlitzten Rohren von unten an dem Austauschboden
befestigt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung können an den oberen
Enden der Rohre oder an einer Zwischenstelle der Säule V-förmige Rinnen vorgesehen
sein, in die die Flüssigkeit eingespeist wird und die mit einem System von Schlitzen
versehen sind, durch die die Flüssigkeit außen und innen die Strömungskanäle benetzt.
Hierbei kann eine Regelung des Flüssigkeitszulaufes bzw. des Rücklaufes durch ein
verstellbares Wehr reguliert werden, weIches einen mehr oder minder großen Teil
der Durchtrittsflächen durch die Schlitze je nach gewünschter Zuflußmenge abdeckt.
An Stelle von Schlitzen können auch kreisrunde kleinere oeffnungen vorgesehen sein,
die sich siebförmig über das ganze Rinnensystem erstrecken.
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Die Schenkel der V-förmigen Rinnen schließen vorzugsweise nur einen
sehr kleinen Winkel ein, um einerseits einen Engpaß für die durchströmenden Gase
möglichst zu vermeiden und um andererseits die Benetzungsbedingungen für die inneren
und äußeren Wandungsteile möglichst günstig zu gestalten.
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Eine andere Lösungsmöglichkeit für die Zufuhr der flüssigen Phase
besteht darin, daß ein Rohrleitungssystem vorgesehen wird, dessen Gestalt mit dem
horizontalen Querschnitt der Säule übereinstimmt. Bei der Verwendung eines Systems
von Vierkantrohren hat also das Rohrsystem für die Zuführung der Flüssigkeit die
Form von quadratischen oder rechteckigen Maschen, wobei die einzelnen Rohre genau
über der Miffe der zugehörigen Wandungsteile Iiegen und an den Rohren vorgesehene
Austrittsschlitze oder sonstige Austrittsöffnungen eine gleichmäßige Benetzung
der
inneren und äußeren Wandungsteile der Strömungskanäle bewirken.
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Die vorstehend beschriebenen Systeme zur Zuführung der flüssigen
Phase bzw. des Rücklaufes sind in ihrer Anwendung nicht auf den Fall beschränkt,
daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der einzelnen Strömungskanäle zu den die
Querschnittsflächen begrenzenden Umrandungen im wesentlichen für sämtliche Strömungskanäle
gleich sind.
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Die Erfindung ist an Hand der Figuren beispielsweise erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, welches einen horizontalen Querschnitt durch eine Säule veranschaulicht,
die aus Vierkantrohren aufgebaut ist; Fig. 2 veranschaulicht im Längsschnitt eine
Anschluß stelle zwischen zwei iibereinanderliegenden, zu einer Kolonne zusammengefaßten
Säulen; Fig. 3 ist eine Aufsicht auf einen horizontalen Querschnitt der Fig. 2,
von der Linie III-III aus senkrecht nach unten gesehen; Fig. 4 stellt in vergrößertem
Maßstab einen Ausschnitt aus dem Rinnensystem gemäß Fig. 3 dar; Fig. 5 ist ein Schnitt
längs der LinieV-V gemäß Fig. 4; Fig. 6 und 7 stellen eine Modifikation der Ausführungsform
gemäß Fig. 2 und 3 dar; Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch eine Säule, bei der zylindrische
Rohre als Strömungskanäle Verwendung finden; Fig. 9 ist ein horizontaler Schnitt
durch eine der Fig. 8 entsprechende Ausführungsform; Fig. 10 veranschaulicht eine
Ausführungsform eines Verteilersystems für die flüssige Phase.
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Der Kolonnenmantel 1 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 quadratisch
ausgebildet und umfaßt die in seinem Inneren befindlichen quadratischen Vierkantrohre
2, die sämtlich den gleichen Querschnitt haben. Die Vierkantrohre, die aus Metall,
einem Kunststoff oder auch Glas bestehen, sind durch Kleben, Verschweißen, Verlöten
od. dgl. miteinander und mit der Wandung verbunden. Je vier der Vierkantrohre 2
bzw. je drei Vierkantrohre und die Kolonnenwandung bilden wiederum einen freien
Strömungskanal 3, der die gleiche Querschnittsfläche hat wie der von den Vierkantrohren
umfaßte Innenraum 4. Das schachbrettartige Muster gestattet die Einsparung der Hälfte
der Vierkantrohre, die schlüssig aneinanderliegend den ganzen Querschnitt der Kolonne
erfüllen würden. Außerdem ergibt sich auch eine Einsparung an der insgesamt als
Durchsatz zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, weil keine Begrenzungswandungen
doppelt nebeneinanderliegen.
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In den Fig. 2 und 3 ist eine Anschlußstelle zweier übereinanderliegender
Destilliersäulen veranschaulicht. Die Vierkantrohre 2 der unteren Säule 5 weisen
an ihrem oberen Ende aufgesetzte V-förmige Rinnen 6 auf, welche (wie aus der Fig.
4 ersichtlich ist) beiderseits schlitzförmige Öffnungen 7 aufweisen, durch die die
flüssige Phase austritt und die Wandungen der Strömungskanäle innen und außen benetzt.
Um eine gleichmäßige Zuführung der flüssigen Phasen zu den V-förmigen Rinnen 6 zu
gewährleisten, kann oberhalb derselben ein Zwischenboden 8 vorgesehen werden, der
Abtropfleisten 9 aufweist, entlang denen die Flüssigkeit gleichmäßig in die Rinnen
abtropft. Bei genauer Zentrierung der Abtropfleisten können die Rinnen 6 unter Umständen
entbehrlich werden. Allerdings ist in einem solchen Falle die Aufteilung der Abtropfleisten
nach Art eines umgekehrten V zu empfehlen,
damit Innen- und Außenwand der Strömungslranäle
gleichmäßig beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck werden vorteilhafterweise die oberen
Enden der Strömungskanäle so ausgebildet, daß sich für die beiden Schenkel der Abtropfleisten
geeignete Auffangflächen für die abtropfende Flüssigkeit ergeben. Die in dem Zwischenboden
8 vorgesehenen Schlitze zur Beaufschlagung der Abtropfleisten 9 sind aus Einfachheitsgründen
nicht veranschaulicht. Der Zwischenboden 8 weist rohrförmige Ansätze 10 auf, durch
die die dampfförmige Phase ohne großen Widerstand nach oben austreten kann und über
die Tauchglocken 11 in die darüberliegende Säule 5' gelangt. Der Rückfluß der flüssigen
Phase aus der Säule' in die Säule 5 erfolgt durch einen ringförmigen, am Säulenumfang
angeordneten Durchfluß 12. Der ringförmige Durchfluß 12 kann natürlich durch entsprechende,
am ganzen Umfang der Säule verteilte henkelförmige Einzelrohre ersetzt werden. Der
gesamte Rücklauf sammelt sich in der ringförmigen Rinne 13, in die auch der Zufluß
14 mündet. An der Rinne 13 ist das Überlaufwehr 15 vorgesehen, über welches die
Flüssigkeit auf den Zwischenboden 8 gelangt. Die Fig. 3 ist eine Aufsicht von der
Linie III-III der Fig. 2 und veranschaulicht das Rinnensystem.
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Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, kann durch ein verstellbares
Wehr 16 die Größe des Austrittsquerschnittes der Flüssigkeit durch die Schlitze
7 festgelegt werden. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 bis 5 sind die V-förmigen
Rinnen in ihrer Ausdehnung aus Gründen der Ubersichtlichkeit übertrieben groß veranschaulicht
worden. In Wirklichkeit werden die V-förmigen Rinnen mit einem spitzeren Winkel
oder mit einer geringeren Ausdehnung längs der Kolonnenachse ausgebildet, um den
Widerstand für den Durchtritt der gasförmigen Phase gering zu haIten.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 weisen die Strömungskanäle ein
System von Schlitzen 17 auf, durch die der Dampf längs der Rohre 18 in die obere
Säule 5' aufsteigt. Insgesamt sind vier Rohre 18 vorgesehen., wie aus Fig. 7 ersichtlich
ist. Dies geschieht, um ein möglichst symmetrisches Abströmen der Gasphase zu erleichtern.
Durch diese Ausbildung wird der Widerstand der Kolonne gegenüber durchströmenden
Dämpfen erheblich herabgesetzt, zumal auch im Inneren der Kolonne ein Abströmen
der Dämpfe durch die rohrförmigen Stutzen 10 sowie die zentrale Öffnung 19 erfolgen
kann.
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In den Fig. 8 und 9 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei
der kreisförmige Strömungskanäle Verwendung finden. Die Veranschaulichung ist schematisch
erfolgt, während in der Praxis darauf zu achten ist, daß der zwischen den Rohren
liegende äußere Strömungskanal 19 der erfindungsgemäßen Bedingung entspricht, daß
das Verhältnis der Ouerschnittsfläche der einzelnen Strömungskanälezu der/den die
Querschnittsfläche begrenzenden Umrandung(en) im wesentlichen für sämtliche Strömungskanäle
gleich ist. Der Einfachheit halber ist nur der Zwischenboden 8 veranschaulicht,
wobei im vorliegenden Falle die oberen Enden der Rohre 2 in den Zwischenboden eingesetzt
sind und mit ihren oberen Enden wehrförmige Überläufe 20 bilden, die vorzugsweise
eine gezackte Berandung aufweisen. Die Rohre 2 weisen ein System von Schlitzen 21
auf, die einerseits garantieren, daß auch die Außenwand mit einem FlüssigkeitsfiIm
benetzt wird, und andererseits für die gasförmige Phase eine zusätzliche Austrittsmöglichkeit
in den äußeren Strömungskanal 19 ermöglichen, an
dessen oberem Ende
die gasförmige Phase durch die Rohre 10 austreten kann. Natürlich wird der größere
Anteil des innerhalb der Rohre durchströmenden Dampfes durch die von der zackenförmigen
Berandung20 begrenzte Öffnung weiterströmen.
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Über den Strömungskanälen mit den aufgesetzten V-förmigen Rinnen
kann zur gleichmäßigen Verteilung der flüssigen Phase in die Rinnen ein dachartiges
Gebilde 24 (Fig. 10) so angebracht sein, daß die Ränder 22 über die Rinnen hinübergreifen,
wobei zur Erleichterung des Abtropfens (nicht veranschaulicht) Abtropfleisten vorgesehen
sind. Durch eine Hesky-Düse 23 wird das Produkt über den Dächern 24 gleichmäßig
versprüht, wodurch sich eine ebenso gleichmäßige Verteilung über den ganzen Querschnitt
ergibt, so daß die Rinnen jeweils in gleichem Maße wie die Rinnen 6 mit der Flüssigkeit
beaufschlagt werden.