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Stoffaustauschkolonne Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne,
welche aus Auslässe aufweisenden Kontaktkammern beteht, die in ihrer Oberfläche
eine Vielzahl tangential gerichteter feiner Löcher aufweisen, wobei das gasförmige
Strömungsmittel durch die Löcher der Kammern von außen nach innen durchtritt und
die Flüssigkeit innen entlang den Kontaktkammern rotiert.
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Es sind Vorrichtungen zum Mischen von Flüssigkeiten und Gasen bekannt,
bei denen die Flüssigkeit gegen mehrere hintereinander angeordnete Siebflächen gedrückt
wird, durch welche gleichzeitig Gase in entgegengesetzter Richtung derart gepreßt
werden, daß bei den Siebflächen Flüssigkeitssäulen bestehen bleiben, welche die
Gase der Reihe nach durchdringen müssen, wobei die Flüssigkeit in umgekehrter Reihenfolge
von einem Siebraum in den anderen eintritt.
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Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird bereits das Anpressen der
Flüssigkeit gegen die Siebflächen durch Zentrifugalkraft bewirkt. Es besteht hierdurch
die Gefahr, daß von dem Gas größere Flüssigkeitsteilchen mitgerissen werden. Die
Durchlaufgeschwindigkeit eines Gases durch eine derartige Vorrichtung ist aus diesem
Grunde begrenzt.
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Es sind weiterhin Stoffaustauschkolonnen bekannt, welche aus Kontaktkammern
bestehen, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl tangential gerichteter feiner Durchbrüche
aufweisen und bei welchen eines der Strömungsmittel durch die feinen Durchlässe
der Kammern hindurchtritt und das andere, mit dem ersten in Kontakt zu bringende
Strömungsmittel entlang der Kontaktkammern geführt ist. Bei diesen Vorrichtungen
werden die Strömungsmittel im Gegenstrom in vertikaler Richtung geführt, wobei durch
Zwischenwände dafür gesorgt ist, daß die Strömungsmedien wechselweise von außen
nach innen und von innen nach außen durch die tangential gerichteten Durchbrüche
einer zylindrischen Kontaktkammer hindurchtreten. Beim Durchtritt des leichteren
Strömungsmittels von außen nach innen wird hier eine starke Durchwirbelung der beiden
Strömungsmittel erreicht, während sich beim Durchtritt des leichteren Strömungsmittels
von innen nach außen die Zentrifugalkraft in erster Linie im Sinne einer Abscheidung
auswirkt. Da aber beide Medien die feinen Durchbrüche durchsetzen müssen, ist die
Trennung der beiden Strömungsmedien unvolllständig.
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Gemäß der Erfindung weisen bei einer Stoffaustauschkolonne, welche
aus Auslässe aufweisenden Kontaktkammern besteht, die Kontaktkammern an ihrem oberen
Teil Überlaufrohre auf, die mit feinen Durchlässen versehen sind. Die feinen Durchlässe
können als Schlitze, kurze Rohre, zylindrische Boh-
rungen, Düsen oder Diffusoren
ausgebildet sein. Die Überlaufrohre können einen sich verengenden Randteil oder
einen nach außen abgebogenen, die Durchlässe überdeckenden Randteil aufweisen. Die
tJberlaufrohre können mit den Kontaktkammern fest verbunden sein, oder sie können
bei Verwendung umlaufender Kontaktkammern fest angeordnet sein. Bei der erfindungsgemäßen
Stoffaustauschkolonne tritt das leichtere Strömungsmedium aus den Auslässen der
Kontaktkammern aus, während das schwerere Strömungsmedium wirksam getrennt wird.
Auf diese Weise wird das Mitreißen größerer Teile des schwereren Mediums, beispielsweise
einer Flüssigkeit, vermieden, und es kann die Durchsatzgeschwindigkeit gegenüber
bekannten Vorrichtungen erhöht werden.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an mehreren
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Abb. 1 A schematisch
einen Schnitt durch eine Ausführungsform, die mehrere in einer vertikalen Säule
koaxial angeordnete zylindrische Kontaktkammern aufweist, Abb. I B einen Schnitt
nach der Linie Ib-Ib der Abb. 1 A, Abb. 2 einen Schnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform
der Kontaktkammer nach der Erfindung, Abb. 3 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung,
Abb. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform
mit drei horizontal angeordneten Kontaktkammern.
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In Abb. 1 A und 1 B sind in einer vertikalen Säule 1 mehrere Kontaktkammern3
koaxial angeordnet, wobei jede Kammer von einer Zwischenwand 2 getragen wird. Dabei
ist jede Kammer an ihren Umfang mit mehreren feinen Durchlässen 4, wie z. B. feinen
Bohrungen, versehen. Der obere Teil jeder Kontaktkammer 3 wird als Überlaufwehr
5 benutzt und ist an seinem äußeren Umfang mit mehreren feinen Bohrungen 6 versehen.
Die feinen Bohrungen 4 und 6 können durch feine Nuten, Schlitze, Spalte, kurze Rohre,
Düsen oder Diffusoren ersetzt werden. Der Durchmesser oder die Weite der feinen
Durchlässe 4 ist zwischen 1 und 30 mm, inbesondere zwischen 2 bis 10 mm, gewählt.
Jeder feine Durchlaß 4 ist tangential zur Umfangsfläche der Kontaktkammer 3, aber
entgegengesetzt zur Zuführungsrichtung des in die Kontaktkammer eingeführten Strömungsmediums
gerichtet. Die Oberseite jeder Zwischenwand 2 steht mit dem Bodenteil der nächsten
Kontaktkammer 3 durch ein Rohr 7 in Verbindung, dessen unteres Ende in die nächste
Kontaktkammer tangential eingeführt ist. Die Wirkung des Ausführungsbeispieles der
Abb. 1 A und 1 B wird im folgenden für den Fall beschrieben, daß ein Gas mit einer
Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden soll.
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Es wird angenommen, daß ein Gas vom untersten Boden der Säule 1 her
eingeführt wird und daß eine Flüssigkeit durch ein Zuführungsrohr 8 in den Bodenteil
der obersten Kontaktkammer eingeführt wird.
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Das Gas tritt in die unterste Kontaktkammer 3 durch deren feine Durchlässe
4 ein und steigt unter kreisender Bewegung entlang der Innenseite der Kammer auf.
Das so aufgestiegene Gas tritt in die darüber befindliche Kontaktkammer 3 in derselben
oben beschriebenen Weise ein. In der gleichen Weise steigt das Gas nacheinander
durch die anderen Kontaktkammern auf und wird dann durch das Auslaufrohr 9 nach
außen geführt. Andererseits fließt ein Teil der durch das Rohr 8 in die oberste
Kammer eingeführten Flüssigkeit durch die feinen Durchbrüche 4 herunter, und ein
anderer Teil der Flüssigkeit fließt an dem Überlaufwehr 5 über und wird in die zweite
Kontaktkammer 3 durch das Rohr 7 eingelassen. In der gleichen Weise wie in die zweite
Kontaktkammer 3 wird die Flüssigkeit in die dritte Kontaktkammer 3 eingelassen.
In gleicher Weise fließt die Flüssigkeit nacheinander durch die anderen Kontaktkammern.
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Wenn im Laufe des oben beschriebenen Vorganges die Rotationsgeschwindigkeit
des Gases in jeder Kontaktkammer auf etwa 6 bis 7mlsec ansteigt, nimmt die in die
Kontaktkammer eingeführte Flüssigkeit die Form einer dünnen Schicht an und steigt
entlang der Innenfläche der Kammer nach oben, ohne durch deren feine Durchbrüche
4 hindurchzusickern.
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In diesem Falle kommt die Flüssigkeit in Form einer dünnen Schicht
mit einer Dicke von ungefähr 0,5 bis 30 mm mit dem Gas unter Rotationsbewegung in
Kontakt. Der Flüssigkeitsfilm kann in eine Nebelform übergehen. Die Dicke des Flüssigkeitsffimes
kann genau gesteuert werden, indem man ein Hilfswehr 14 auf dem Überlaufwehr 5 anordnet,
wie es in Abb. 3 gezeigt ist. In jeder Kontaktkammer steigen die Flüssigkeit und
das Gas in gleichlaufenden Richtungen auf. Dann sammelt sich das Gas in dem Mittelteil
des Überlaufwehres 5 und steigt dann weiter
hoch. Aber ein Teil der Flüssigkeit ist
durch die feinen Durchlässe 6 des Überlaufwehres nach außen gespritzt, und ein anderer
Teil der Flüssigkeit ist auf die Zwischenwand 2 übergeflossen, wodurch das Gas und
die Flüssigkeit nach ihrem engen Kpntakt wirksam getrennt werden. Die in der oben
beschriebenen Weise getrennte Flüssigkeit wird durch das Rohr 7 in die nächste Kontaktkammer
3 eingeführt. Die obenerwähnten Kontakt- und Trennungsvorgänge werden nacheinander
wiederholt. Die Trennwand 2 kann mit mehreren feinen Durchlässen versehen sein,
um so einen Teil der auf diese Zwischenwand 2 geschleuderten Flüssigkeit direkt
nach unten durchtreten zu lassen. In das Rohr 7 kann eine Pumpe eingeschaltet werden,
um einen wirksamen Umlauf der Flüssigkeit zu bewirken.
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Wenn in Ausführung der Erfindung nur eine verhältnismäßig geringe
Flüssigkeitsmenge zu behandeln ist, kann sie in jeder Kontaktkammer durch Rückführung
mehrmals behandelt werden. Eine solche Ausführungsform ist in Abb. 2 gezeigt, in
welcher jede Kontaktkammer 3 mit einem Rückführungsrohr 7 ausgerüstet ist, das den
Bodenteil der Kammer mit der Oberseite der Zwischenwand 2 verbindet. Jede Kontaktkammer
3 ist hier mit einem getrennten Überlaufwehr 5 ausgerüstet, das wiederum mit seiner
ringförmigen Schutzwand 10 ausgerüstet ist, um das Aufsteigen der durch die feinen
Durchgänge 6 des Wehres 5 hindurchgespritzte Flüssigkeit zu verhindern. Bei dieser
Ausführungsform kann eine genügende Kontaktwirkung sogar dann erreicht werden, wenn
nur eine geringe Flüssigkeitsmenge verwendet wird.
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Die in den Abb. 1 A und 2 gezeigten Stoffaustauschkolonnen können
zur Erreichung einer noch besseren Kontaktwirkung miteinander kombiniert werden.
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Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in horizontaler Anordnung,
bei der drei horizontale Kontaktkammern 3 vorgesehen sind, von denen jede mehrere
gleiche feine Durchgänge 4 wie bei dem Gerät nach Abb. 1 aufweist und bei dem jede
Kontaktkammer an einer Außenkammer 1 a durch eine Zwischenwand 2 befestigt ist.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 4 wird ein Gas durch eine Zuführungsleitung
12, die mit dieser Kammer verbunden ist, in die unterste Außenkammer 1 a eingeführt
und dann aus der obersten Kammer 1 a durch ein Auslaßrohr 9 ausgelassen, nachdem
es durch die dazwischenliegende Kammer 3 und die diese Kammer 3 verbindenden Rohre
13 hindurchgeströmt ist, wobei es durch die Kontaktkammern 3 in der gleichen Weise
hindurchtritt wie bei der Ausführung nach Abb. 1. Anderseits wird eine Flüssigkeit
aus der Zuführungsleitung 8 in die oberste Kontaktkammer 3 eingeführt. Die in die
oberste Kontaktkammer 3 eingeführte Flüssigkeit strömt durch die oberste Kontaktkammer
3 in der gleichen Weise wie bei der Ausführung der Abb. 1 und wird dann in die mittlere
Kontaktkammer durch ein Rohr 7 eingeführt. Die in die mittlere Kontaktkammer eingeführte
Flüssigkeit wird in die unterste Kontaktkammer in derselben Weise, wie oben beschrieben,
eingeführt und dann aus dieser Kammer durch das Auslaßrohr 11 ausgelassen. Die Zwischenverbindungsrohre
13 können mit einer Pumpe ausgerüstet sein.
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Wenn das Inkontaktbringen und Trennen mit einer Vorrichtung nach
dieser Erfindung mittels Zentrifugalkraft
durchgeführt wird, kann
das Gewicht des behandelten flüssigen Mediums außer acht gelassen und eine solche
horizontal angeordnete Ausführungsform wie in Abb. 4 verwendet werden.
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Wenn weiterhin in einer Vorrichtung nach dieser Erfindung ein Gas
und eine Flüssigkeit zunächst in Kontakt gebracht und dann getrennt werden unter
Verwendung von miteinander kombinierten Kontaktgliedern und Uberlaufgliedenn und
unter Verwendung der Zentrifugalkraft, so besteht noch ein Vorteil darin, daß ein
merkliches Spritzen der Flüssigkeit sogar dann nicht eintritt, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit
des Gases mit etwa 5 bis 20mlsec gewählt wird, so daß ein hoher Wirkungsgrad von
beispielsweise 80 bis tOOO/o pro Stufe bei einer hohen Spaltgeschwindigkeit von
7 bis 30 mm'sec möglich ist.
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Bei der Ausführung der Erfindung kann das obere laufwehr aus einem
kreisförmigen oder vieleckigen Zylinder hergestellt werden, oder es kann mit einem
nach innen oder nach außen gebogenen oder geneigten Randteil versehen sein. Weiterhin
kann das Überlaufwehr aus zwei oder mehreren Platten bestehen. die so übereinander
angeordnet sind, daß die Flüssigkeit durch den Spalt zwischen den Platten heraustreten
kann, während sie an diesem Spalt entlangwirbelt. Das Überlaufwehr kann auch aus
einer spiralig gewundenen Platte hergestellt werden. Vorzugsweise werden die feinen
Durchlässe 6 des Überlaufwehres 5 in einer gewissen Entfernung von der Oberfläche
der Zwischenwand 2 angeordnet, um eine Durchwirbelung der auf dieser Zwischenwand
befindlichen Flüssigkeit zu vermindern.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen werden Gas und Flüssigkeit
miteinander mit gleichlaufenden Strömungsrichtungen in Kontakt gebracht. Sie können
aber auch im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden, indem man die Flüssigkeit
von der Unterseite des Überlaufwehres herabtropfen läßt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für das Inkontaktbringen verschiedener
Strömungsmedien verwendet werden, um verschiedene Arbeitsgänge, wie z. B. Destillation,
Absorption, Extraktion, Gaswaschen und chemische Reaktionen durchzuführen.
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Da die Kontaktkammer nach dieser Erfindung einem Zyklon mit mehreren
feinen voneinander getrennten Einlaßöffnungen entspricht, kann das Gerät unter Ausnutzung
der Unterschiede ihrer spezifischen Gewichte für die Schleudertrennung zweier verschiedener
Strömungsmittel verwendet werden, indem man die Strömungsmedien von außen in die
Kontaktkammer einführt.
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Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Abb. 3 gezeigt, bei dem das
Überlaufwehr 5 an seiner oberen Öffnung mit einem sich verengenden Hilfswehr 14
und an seiner Außenfläche mit mehreren kurzen Rohren 6 ausgerüstet ist, wobei zwei
Arten von miteinander vermischten Flüssigkeiten aus dem oberen Teil der Säule 1
zugeführt werden. Die Neigung des Wehres 14 kann wahlweise geändert werden, und
das Wehr 14 kann mit mehreren feinen Durchlässen, wie z. B. kurzen Rohren, Düsen
u. dgl., versehen sein, um einen Teil der Flüssigkeit herauszuleiten. Da die feinen
Einlaßöffnungen 4 der Kontaktkammer 3 gemäß dem Gerät nach Abb. 3 verteilt angeordnet
sind, werden die die Kontaktkammer 3 durch die feinen Durchlässe 4 mit hoher Geschwindigkeit,
beispielsweise von 100 bis 1000 mlsec, in die Kontaktkammer eingespritzten Flüssigkeiten
mit einer höheren
Geschwindigkeit in Rotation versetzt, als es bei bekannten Zyklonen
der Fall ist, wodurch auf der Innenfläche der Kontaktkammer eine gleichmäßige Schicht
der schweren Flüssigkeit und auf deren Innenseite eine weitere gleichmäßige Schicht
der leichten Flüssigkeit gebildet werden. Diese Schichten werden an dem Überlaufwehr
5 wirksam voneinander getrennt, und es kann dann die schwere Flüssigkeit durch das
Rohr 5 und die leichte Flüssigkeit aus dem Wehr 14 abgelassen werden, wobei eine
wirksame Trennung der beiden Flüssigkeitsarten ohne die Verwendung der üblichen,
eine beträchtliche Antriebskraft benötigenden Zyklone erreicht werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 3 werden die feinen Durchlässe
4 der Kontaktkammer 3 vorzugsweise als Düsen oder Düsen-Diffusoren ausgebildet.
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Weiterhin kann bei dem Ausführungsbeispiel der Raum außerhalb der
Kontaktkammer 3 auf einem hohen Druck oder auf normalem Druck gehalten werden, während
das innere der Kontaktkammer unter vermindertem Druck gehalten werden kann.
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Die obenerwähnten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf den Fall,
daß die koaxial oder konzentrisch angeordneten Kontaktkammem feststehen. Es können
aber auch die Kammern oder die Kammern und die äußere Säule oder die die ersteren
einschließenden Kammern in Drehung versetzt werden. Für den Fall, daß die Kontaktkammern
in Drehung versetzt werden, können die Zwischenwand 2 undioder das Überlaufwehr
5 feststehen oder ebenfalls mit den Kontaktkammern umlaufen.
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Wenn die Kontaktkammer mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird,
z. B. mit 1000 Umdrehungen pro Minute in derselben Richtung wie das durch die feinen
Durchlässe in die Kontaktkammer eingespritzte Gas, wird die Geschwindigkeit des
in die Kammer eingespritzten Gases weiter beschleunigt, so daß der wirbelnde Flüssigkeitsfilm
in der Kontaktkammer weiter verdünnt wird. Anderseits kann, wenn die Kontaktkammer
in entgegengesetzter Richtung gedreht wird, die Wirbelgeschwindigkeit des Flüssigkeitsfilmes
vermindert, oder diese Wirbelung durch Vergrößerung der Gasgeschwindigkeit aufgehoben
werden. Natürlich kann die Dicke des Flüssigkeitsfilmes durch Einstellung der Drehzahl
der Kontaktkammer gesteuert werden.
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Abweichend von dem üblichen Kontaktsystem, bei welchem die Kontaktkammer
oder die Kontaktplatte mit zur Oberfläche der Kammer oder der Platte senkrechten
Durchlässen versehen ist, sind die Kontaktglieder, wie z. B. die Kontaktkammer,
erfindungsgemäß mit zur Oberfläche der Kammer tangential gerichteten Durchgängen
versehen, so daß die im Flüssigkeitsfilm in dieser Kammer gebildete Turbulenz gefördert
und ein Anwachsen des Stufenwirkungsgrades von 70 auf 1000in und eine Verminderung
des Abstandes zwischen den benachbarten Stufen erreicht wird, wodurch die Verwendung
von Geräten kleinerer Abmessungen möglich gemacht wird. Wenn die Kontaktkammer in
Umdrehung versetzt wird, so werden in der Flüssigkeit enthaltende feste Teile auf
der Oberfläche der Kammer haften, und es wird keine Relativbewegung zwischen ihnen
und der Oberfläche mehr auftreten. In solch einem Falle wird vorzugsweise die Kammer
in entgegengesetzter Richtung zu dem durch die feinen Durchgänge dieser Kammer in
die Kammer eingepreßten Gas angetrieben.
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Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Durchführung
eines Kontaktvorganges mit einem sehr hohen Wirkungsgrad möglich ist, während ein
Spritzen der Flüssigkeit durch die Kombination von Kontaktgliedern und Trennungsgliedern
unterdrückt wird.