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Stoffaustausch-Kolonne mit in der Kolonne vertikal angeordneten Austauschzylindern
Es ist bereits bekannt, daß man den wiederholten Kontakt zwischen den in einer Kolonne
aufsteigenden Gasen bzw. Dämpfen und einer in eben dieser Kolonne herablaufenden
Flüssigkeit nicht nur mit Hilfe der üblichen waagerechten, als »Austauschböden«
bezeichneten Einbauten, sondern mit gutem Erfolg und vor allem mit wesentlich geringerem
Druckverlust auch mit Hilfe senkrecht und parallel zueinander in der Kolonne angeordneter
»Austauschzylinder« herbeiführen kann. Das besondere Kennzeichen dieser Austauschzylinder
besteht bekanntlich darin, daß ihre Mantelflächen mit tangentialen Durchtrittsöffnungen
von einheitlicher Ausrichtung versehen sind und daß gleichzeitig in gewissen Abständen
abwechselnd innerhalb und außerhalb der durch die Zylinder begrenzten Strömungsquerschnitte
waagerecht angeordnete undurchlässige Platten vorgesehen sind. Auf diese Weise werden
die aufsteigenden Gase bzw. Dämpfe und die herablaufende Flüssigkeit gezwungen,
in einander entgegengesetztem Sinn durch die vorerwähnten tangentialen Öffnungen
der Zylinder von deren Innenseite zu deren Außenseite bzw. umgekehrt hin- und herzuwechseln,
wobei die Flüssigkeit durch die austretenden Gase bzw. Dämpfe in Rotation versetzt
und damit als Folge der Zentrifugalkräfte einmal an der inneren Zylinderfläche festgehalten
und das andere Mal von der äußeren Zylinderfläche abgehoben wird.
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Ein Mangel dieser Anordnung besteht darin, daß die Flüssigkeit bei
ihrem Übertritt von der äußeren zur inneren Zylinderfläche bzw. umgekehrt die gleichen
tangentialen Durchtrittsöffnungen zu benutzen gezwungen ist, welche für die aufsteigenden
Gase bzw. Dämpfe vorgesehen sind und die zwecks feiner Aufteilung des Gas- bzw.
Dampfstromes relativ kleine Abmessungen aufweisen müssen, was zur Folge hat, daß
nicht nur die Durchsatzmenge der Flüssigkeit grundsätzlich stark begrenzt ist, sondern
außerdem die Gefahr besteht, daß sich diese Öffnungen durch Ablagerung bzw. Anbacken
von Verunreinigungen, die in der Flüssigkeit enthalten sein können, während des
Betriebes weiterhin bis zur völligen Undurchlässigkeit verringern. Ein weiterer
Mangel der bekannten Anordnung besteht darin, daß der Richtungssinn der Durchtrittsöffnungen
innerhalb einer durch zwei aufeinanderfolgende horizontale Trennwände begrenzten
Austauschzone einheitlich und tangential zur Zylinderwand angeordnet sind.
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Die Flüssigkeit, die im Innern der Zylinder herabfließt und von dem
von außen nach innen in die Zylinder eintretenden leichteren Medium Gas bzw. leichteren
Flüssigkeit in Rotation versetzt wird, muß
vor dem tangentialen Austritt aus dem
Innern der Zylinder einen Richtungswechsel der Rotation vollführen. Es hat sich
gezeigt, daß die praktische Durchführung der in der deutschen Auslegeschrift 1073447
beschriebenen Anordnung einen ganz bestimmten optimalen Durchmesser der Zylinder
voraussetzt, einen Durchmesser nämlich, der das Gleichgewicht zwischen den im Innern
der Zylinder erzeugten Zentrifugalkräfte und der im Innern der Zylinder vom Gas,
welches von außen nach innen eintritt, ausgeübten Schubspannung auf die rotierende
Flüssigkeit. Nur wenn dieses Gleichgewicht besteht, rotiert die Flüssigkeit entlang
der Zylinderwand, andernfalls wird sie - wenn die Schubspannung des Gases überwiegt
- von der Wand abgehoben und in den Zylinderraum versprüht. Unter dieser notwendigen
Voraussetzung ergeben sich Umlaufgeschwindigkeiten der Flüssigkeit im Innern der
Zylinder bis zu 1,8 m/s bei einem Zylinderradius von 0,059 m. Diese praktischen
Zahlen verdeutlichen, daß die Abbremsung der Rotation vor dem tangentialen Austritt
der Flüssigkeit aus dem Inneren der Zylinder nämlich erforderlichen Richtungswechsel
mit einem erheblichen Stau verbunden ist, der die Durchsatzkapazität der Zylinder
so stark einengt, daß eine praktische Nutzung des Prinzips illusorisch wird.
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Erfindungsgemäß werden diese Mängel dadurch vermieden, daß zum Übertritt
der herablaufenden Flüssigkeit von der Innenseite zur Außenseite der senkrechten
Austauschzylinder bzw. umgekehrt unmittelbar oberhalb einer jeden waagerechten Trennplatte
in
den Zylinderfüßen Öffnungen vorgesehen sind. die größere Durchtrittsquerschnitte
aufweisen als die tangentialen Durchtrittsöffnungen in den Zylindermantelflächen.
Sie werden durch großfläcbige Aussparungen gebildet, die dem Flüssigkeitsstrom keine
Richtung erteilen und z. B. außerdem in eine Tauchung ragen, die durch Querscbnittserweiterung
eine Abschwächung der Zentrifugalkräfte der durch die Aussparungen noch rotierend
austretenden Flüssigkeit bewirken. Erfindungsgemäß werden die aufgezeigten Mängel
auch dadurch vermieden, daß der Austritt der Flüssigkeit aus dem Innern der Zylinder
durch Leitschaufeln bewerkstelligt wird, deren Ausrichtung im Drehsinn der im Inneren
rotierenden Flüssigkeit erfolgt, d. b. unabhängig von der Ausrichtung der Durchtrittsöffnungen
der übrigen Zylindermantelfläche, und zwar entgegengesetzt deren Ausrichtung. Durch
diese Maßnahme kann die Flüssigkeit ohne Richtungswechsel und damit verbundene Abbremsung
aus dem Innern der Zylinder austreten.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind achsengleich übereinander
mehrere Austauschzylinder mit abwechselnd größeren und kleineren Durchmessern angeordnet,
welche mit ihren unteren Enden, die konzentrisch innerhalb bzw. außerhalb des als
undurchlässige Fläche ausgebildeten Endes des jeweils nächstfolgenden Zylinders
liegen, auf den waagerechten Trennplatten aufstehen und an diesen unteren Enden
mit großfiächigen Aussparungen versehen sind, deren O'oerkanten vom oberen Ende
des jeweils nächstfolgenden Zylinders etwas überragt werden. Der Mittelteil sämtlicher
Zylinder, d. h. zwischen dem oberen undurchlässigen Ende und dem unteren, mit den
Aussparungen versehenen Ende, ist mit tangentialen Durchtrittsöffnungen von einheitlicher
Ausrichtung versehen.
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Auf diese Weise sind die Übergangsstellen der Flüssigkeit von der
Innenseite der Zylinder zur Außenseite bzw. umgekehrt als Tauchungen ausgebildet,
durch welche die Flüssigkeit ungehindert passieren kann.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ist für solche Anwendungsfälle
gedacht, in denen das Volumen der in der Kolonne aufsteigenden Gase bzw.
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Dämpfe erheblich größer ist als dasjenige der herablaufenden Flüssigkeit.
Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die tangentialen Durchtrittsöffnungen für die
Gase bzw. Dämpfe im Mittelteil der Mäntel sämtlicher übereinander angeordneter Zylinder,
ungeachtet ihres verschiedenen Durchmessers, in gleicher Ausrichtung um die Vertikalachse
anzuordnen.
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Die Gase bzw. Dämpfe, welche bei ihrem Durchtritt durch diese Öffnungen
in Rotation versetzt werden, erfahren dabei auf ihrem Weg von einem Zylinder zu
dem darüber befindlichen nächstfolgendem Zylinder eine Umlenkung um 1800, womit
eine intensive Abscheidung von mitgeführten Flüssigkeitströpfchen verbunden ist,
der gerade bei einer im Verhältnis zur Flüssigkeitsmenge großen Menge an aufsteigenden
Gasen bzw. Dämpfen besondere Bedeutung zukommt.
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Es hat sich gezeigt, daß bei einer Anordnung von mehreren Gruppen
von achsengleich übereinanderliegenden Austauschzylindern mit der in der deutschen
Auslegeschrift 1 073 447 gezeigten einheitlichen Ausrichtung der Durchtrittsöffnungen
die
Flüssigkeit auf der gesamten waagerechten Trennwand in Rotation versetzt wird.
Die Folge davon ist die Ausbildung eines Rotationsparaboloids, d. h., die Flüssigkeitsschicht
auf der Trennwand ist außen höher als innen. Die äußeren Austauschzylinder setzen
als Folge davon mehr Flüssigkeit durch als die inneren Austauschzylinder. Da der
anteilig auf die einzelnen Gruppen von Austauschzylindern entfallende Gasstrom aber
gleichbleibt, arbeitet jede Gruppe mit einem anderen Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit,
und zwar mit einem Verhältnis, das dem Verhältnis der auf die Kolonne aufgegebenen
Flüssigkeit und dem in die Kolonne eintretenden Gas nicht mehr entspricht.
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Innerhalb einer Kolonne können mehrere Gruppen solcher achsengleich
übereinanderliegender Austauschzylinder ring- oder polygonförmig um die vertikale
Kolonnenmittelachse angeordnet sein. In die sem Fall kann es sich bei einem großen
Mengenverhältnis zwischen den aufsteigenden Gasen bzw.
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Dämpfen und der herablaufenden Flüssigkeit als zweckmäßig erweisen,
die tangentialen Durchtrittsöffnungen in den Mänteln der Austauschzylinder ausgehend
von der innersten Gruppe bei jeder nächstfolgenden, die innere Gruppe umgebenden
Gruppe von Austauschzylindern abwechselnd auszurichten.
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Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit
auf den Trennplatten außerhalb der Austauschzylinder erzielt.
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Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung, die hauptsächlich bei
solchen direkten Gegenstromprozessen Anwendung findet, bei denen das Mengenverhältnis
zwischen den aufsteigenden Gasen bzw.
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Dämpfen und der herablaufenden Flüssigkeit sehr klein ist oder bei
denen an Stelle der aufsteigenden Gase bzw. Dämpfe eine andere Flüssigkeit von geringerem
spezifischem Gewicht in möglichst innigen Kontakt mit der herablaufenden schwereren
Flüssigkeit gebracht werden soll, sind achsengleich übereinander mehrere Austauschzylinder
von einheitlichem Durchmesser angeordnet, deren gesamte Mantelfläche mit tangentialen
Durchtrittsöffnungen versehen ist, welche von einem Zylinder zum nächstfolgenden
verschieden ausgerichtet sind, wobei jeder Zylinder mit seinem oberen Ende bündig
mit der abwechselnd innerhalb oder außerhalb seines Mantels angrenzenden waagerechten
Trennplatte abschließt, während oberhalb einer jeden Trennplatte achsengleich zu
den Zylindern ein Leitschaufelkranz angeordnet ist, dessen Ausrichtung mit derjenigen
der tangentialen Durchtrittsöffnungen des unterhalb der jeweiligen Trennplatte liegenden
Zylinders übereinstimmt und der mit seiner oberen Begrenzung das untere Ende des
nächstfolgenden Zylinders, dessen tangentiale Durchtrittsöffnungen entgegengesetzt
ausgerichtet sind, berührt.
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Bei dieser Ausführung wird trotz der geringen kinetischen Energie
des aufsteigenden leichteren Mediums eine Rotation der beiden miteinander in Austausch
zu bringenden Medien um die Vertikalachse der übereinanderliegenden Austauschzylinder
erreicht, indem auch die kinetische Energie des herabfließenden schwereren Mediums
mit herangezogen wird, um die gewünschte Rotationsströmung herbeizuführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einiger Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In
F i g. 1
ist eine Kolonne mit vei-tikalen Austauschzylindern in einer ersten Ausführung nach
der Erfindung im Vertikalschnitt durch die Kolonnenachse dargestellt; F i g. 2 und
3 sind waagerechte Schnitte nach den Linien II-II bzw. III-III der Fig. l; Fig.4
ist ein waagerechter Schnitt durch eine Kolonne, in der mehrere Gruppen von übereinanderliegenden
Austauschzylindern gemäß F i g. 1 parallel nebenelinander und ringförmig um die
Kolonnenmittelachse angeordnet sind; F i g. 5 ist ein Vertikalschnitt durch die
Achse einer Kolonne mit vertikalen Austauschzylindern in einer weiteren Ausführung
nach der Erfindung, und F i g. 6 bis 9 sind waagerechte Schnitte nach den Linien
VI-VI bzw. VII-VII bzw. VIII-VIII bzw.
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IX-IX der Fig. 5.
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Gemäß den F i g. 1 bis 3 sind innerhalb eines Kolonnenmantels 1 achsengleich
übereinander abwechselnd ein Zylinder 2 mit größerem Durchmesser und ein Zylinder
12 mit kleinerem Durchmesser angeordnet.
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Diese Zylinder stehen mit ihren unteren Enden auf waagerecht in die
Kolonne eingebauten Trennplatten 4 bzw. 3 auf, während ihre oberen Enden, die als
undurchlässige Flächen 2a bzw. 12a ausgebildet sind, nach Art der bekannten Flüssigkeitswehre,
die abwechselnd innerhalb bzw. außerhalb der Zylinder liegenden Trennplatten überragen
und die Flüssigkeit auf diesen Platten in entsprechender Höhe aufstauen. In Verbindung
mit an den unteren Enden der Zylinder 2, 12 vorgesehenen weiten Aussparungen 13
bzw. 14, deren obere Begrenzung etwas niedriger liegt als die Oberkante der undurchlässigen
Mantelflächen2a bzw. 12a des nächstfolgenden Zylinders, bilden die genannten Wehre
den gewünschten gas- bzw. dämpfeseitigen Tauchverschluß. Die Flüssigkeit kann hingegen,
wie in F i g. 1 durch die ausgezogenen Pfeile 15 kenntlich gemacht, von jedem Zylinder
zum nächstfolgenden durch die Aussparungen 13 bzw. 14, welche durch die in den Zylinderwandungen
verbleibenden Stege 2b bzw. 12b mit den darunterliegenden ebenen Trennplatten 3
bzw. 4 gebildet werden, ungehindert von innen nach außen bzw. in umgekehrter Richtung
passieren.
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Der Mittelteil sowohl der Zylinder 2 als auch jener 12 zwischen der
oberen undurchlässigen Mantelfläche 2a bzw. 12a und dem unteren, mit den Aussparungen
13 bzw. 14 versehenen Ende, ist mit tangentialen Durchtrittsöffnungen bzw. Schlitzen
11 bzw.
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10 versehen (s. insbesondere F i g. 2 und 3), welche bei allen Zylindern
die gleiche Ausrichtung um die vertikale Mittelachse besitzen. Durch diese Öffnungen
treten die in der Kolonne 1 aufsteigenden und durch die waagerechten Trennplatten3
und 4 umgelenkten Gase bzw. Dämpfe tangential von innen nach außen bzw. in umgekehrter
Richtung hindurch, wie durch die strichlierten Pfeile 16 kenntlich gemacht ist,
wobei sie mit der jeweils auf der anderen Seite der Zylinder, d. h. bei den Zylindern
2 an der Außenseite und bei den Zylindern 12 an der Innenseite herabfließenden Flüssigkeit
in innigen Kontakt gelangen und dieselbe gemäß den in den F i g. 2 und 3 eingezeichneten
Pfeilen 17 bzw. 18 in Rotation versetzen.
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Diese Anordnung ist besonders für jene Anwendungsfälle zweckmäßig,
in denen das Volumen der in der Kolonne aufsteigenden Gase bzw. Dämpfe erheblich
größer ist als dasjenige der herablaufenden
Flüssigkeit. Durch die gleiche Ausrichtung
der Durchtrittsöffnungen 10 bzw. 11 in den Zylindern 12 und 2 erfahren die Gase
auf ihrem Weg von einem Zylinder zu dem darüber befindlichen nächstfolgenden Zylinder
eine Umlenkung um 1800, womit eine intensive Abscheidung von mitgeführten Flüssigkeitströpfehen
verbunden ist, der gerade bei einer im Verhältnis zur Flüssigkeitsmenge großen Menge
an aufsteigenden Gasen bzw. Dämpfen besondere Bedeutung zukommt.
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An Stelle einer einzigen innerhalb der Kolonne angeordneten Gruppe
von übereinanderliegenden Austauschzylindern können auch mehrere solche Gruppen
in ring- bzw. polygonförmiger Anordnung um die Mittelgruppe, die sich in der Kolonnenmittelachse
befindet, vorgesehen sein, wie dies in Fig.4 in einem waagerechten Schnitt entsprechend
dem Schnitt der F i g. 3 dargestellt ist.
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Für den Fall eines großen Mengenverhältnisses zwischen den aufsteigenden
Gasen bzw. Dämpfen und der herablaufenden Flüssigkeit ist es hierbei zwecks Erzielung
einer gleichmäßigeren Verteilung der auf den Trennplatten 4, d. h. außerhalb der
Austauschzylinder aufgestauten Flüssigkeit zweckmäßig, die tangentialen Durchtrittsöffnungen
in den Mänteln der Austauschzylinder, ausgehend von der innersten Gruppe, von übereinanderliegenden
Zylindern bei jeder nächstfolgenden, die innere Gruppe ring- bzw. polygonförmig
umgebenden Gruppe von Austauschzylindern abwechselnd auszurichten. Auf diese Weise
wird erreicht, daß die Flüssigkeit auf den Trennplatten 4 infolge der Einwirkung
der tangential aus den Austauschzylindern austretenden Gase bzw. Dämpfe in konzentrischen
Bahnen, jedoch von jeder Bahn zur nächstfolgenden in umgekehrtem Drehsinn um die
Mittelachse der Kolonne kreist, wie dies durch die vollen Pfeile 5, 6, 7 in F i
g. 4 kenntlich gemacht ist, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit
gewährleistet ist.
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Im Gegensatz zu den vorstehend angegebenen Betriebsbedingungen wäre
es jedoch bei solchen direkten Gegenstrom-Prozessen, bei denen das Mengenverhältnis
zwischen den in der Kolonne aufsteigenden Gasen bzw. Dämpfen und der herablaufenden
Flüssigkeit sehr klein ist oder bei denen an Stelle der aufsteigenden Gase bzw.
Dämpfe eine andere Flüssigkeit von geringerem spezifischem Gewicht in möglichst
innigen Kontakt mit der herablaufenden schwereren Flüssigkeit gebracht werden soll,
mit der bisher beschriebenen Anordnung der Austauschzylinder infolge der geringen
kinetischen Energie des aufsteigenden leichteren Mediums nicht mehr möglich, die
gewünschte Rotation der miteinander in Austausch zu bringenden Medien um die Vertikalachse
der Austauschzylindser zu bewerkstelligen.
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Wie aus den folgenden F i g. 5 bis 9 ersichtlich ist, muß in diesem
Fall einmal die Rotation des aufsteigenden, leichteren Mediums von einem Austauschzylinder
2 (s. F i g. 5 und 9) zum nächstfolgenden 2' (s. F i g. 5 und 7) in unveränderter
Richtung beibehalten werden, indem, wie aus Fig. 7 und 9 zu ersehen ist, die Ausrichtung
der in den Austauschzylindern angeordneten, tangentialen Austrittsöffnungen 10,11
für das leichtere Medium von einem Zylinder zum nächstfolgenden abwechselt, während
nunmehr, wie aus den F i g. 5, 7 und 9 hervorgeht, der Durchmesser dieser Zylinder
2, 2' einheitlich gestaltet sein kann. Außerdem ist es aber angesichts der geringen
kinetischen
Energie des aufsteigenden leichteren Mediums erforderlich, auch die kinetische Energie
des herabfließenden schwereren Mediums für die Ausbildung der gewünschten Rotationsströmung
beider Medien um die Vertikalachse der Austauschzylinder mitzuverwerten, indem,
wie in den F i g. 5 bis 9 veranschaulicht ist, bei derartigen Prozessen auf ein
Abtauchen des schwereren Mediums verzichtet und an dessen Stelle auch letzteres
durch Öffnungen 10 a bzw. 11 a von Leitschaufelkränzen 20a bzw. 20b abwechselnd
von innen nach außen bzw. umgekehrt geführt wird. Die Ausrichtung dieser Leitschaufelkränze
20a bzw. 20b muß mit der Ausrichtung der in den Austauschzylindern 2 bzw. 2' angeordneten
Schlitze 10 bzw. 11 in der Weise übereinstimmen, daß (vgl. Fig. 5 und 6) das von
oben her über die waagerechte Trennplatte 4 und anschließend durch den Leitschaufelkranz
20 a in Richtung der ausgezogenen Pfeile 15 fließende schwere Medium die gleiche
Rotationsströmung 17 ausführt wie (vgl.
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Fig.5 und 7) das von unten her in Richtung der strichlierten Pfeile
16 aufsteigende leichtere Medium, welches durch die gleiche Trennplatte 4 zum Durchtritt
durch die Öffnungen 11 des Austauschzylinders 2' in gleicher Ausrichtung um die
Vertikalachse gezwungen ist.
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Nachdem beide Medien innerhalb des Zylinders 2' rotierend miteinander
in Berührung gebracht worden sind, verläßt das schwerere Medium denselben in Richtung
der ausgezogenen Pfeile 15 durch die Öffnungen 10a des an seinem unteren Ende angeordneten
Leitschaufelkranzes 20b, da der Weg innerhalb des nächstfolgenden Austauschzylinders2
nunmehr durch die kreisförmige Trennplatte 3 versperrt ist.
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Wie aus dem in F i g. 8 dargestellten Schnitt durch den Leitschaufelkranz
20b hervorgeht, ist die Rotationsrichtung 17, mit welcher das schwerere Medium nunmehr
die Außenseite des Austauschzylinders 2 immer in Richtung der ausgezogenen Pfeile
15 umströmt, infolge der Ausrichtung dieser Leitschaufeln 20b die gleiche wie diejenige
innerhalb des vorhergehenden Austauschzylinders 2' (vgl. Fig. 6 und 7) und stimmt
damit überein mit der Ausrichtung des infolge der gleichen kreisförmigen Trennplatte
3 zum Austritt aus dem Austauschzylinder 2 durch dessen Öffnungen 10 (vgl. Fig.9)
gezwungenen leichteren Mediums.
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Wie man aus vorstehendem erkennt, wird also die Rotationsströmung
der beiden miteinander in Berührung zu bringenden Medien entlang der Vertikalachse
der übereinander angeordneten Austauschzylinder 2, 2' unverändert beibehalten, während
gleichzeitig beide Medien diese Austauschzylinder abwechselnd innerhalb bzw. außerhalb
derselben umströmen.
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Auch in diesem Fall kann es sich jedoch als zweckmäßig erweisen,
die Austrittsrichtungen des die Austauschzylinder oberhalb ein und derselben Trennplatte
4 von innen nach außen durchsetzenden leichteren Mediums bei einer Vielzahl von
parallel in einer Kolonne angeordneten Gruppen von Austauschzylindern in der bereits
unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Weise, von der innersten Gruppe ausgehend,
bei den dieselbe konzentrisch umgebenden nachfolgenden Gruppen abwechseln zu lassen,
um auf diese Weise auch bei großem Kolonnendurchmesser und einer entsprechend großen
Anzahl von parallel angeordneten Gruppen von Austausch-
zylindern eine gleichmäßige
Verteilung der im Gegenstrom zueinander geführten Medien über den ganzen Kolonnenquerschnitt
sicherzustellen.