DE1268596B - Vorrichtung zum Stoff- und/oder Waermeaustausch und zur Mischung von gasfoermigen und/oder fluessigen Medien bzw. festen Stoffteilchen - Google Patents

Vorrichtung zum Stoff- und/oder Waermeaustausch und zur Mischung von gasfoermigen und/oder fluessigen Medien bzw. festen Stoffteilchen

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DE1268596B DEP1268A DE1268596A DE1268596B DE 1268596 B DE1268596 B DE 1268596B DE P1268 A DEP1268 A DE P1268A DE 1268596 A DE1268596 A DE 1268596A DE 1268596 B DE1268596 B DE 1268596B
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    • Y10S261/72—Packing elements

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
BOIj
Deutsche Kl.: 12 g-1/01
1268 596
P 12 68 596.0-41
6. Oktober 1965
22. Mai 1968
Beim direkten Stoff- und/oder Wärmeaustausch müssen Gase bzw. Dämpfe und/oder Flüssigkeiten bzw. feste Stoffteilchen mit unterschiedlichen Konzentrationen und/oder Temperaturen im Gegenstrom in Berührung gebracht werden, um einen maximalen Stoff- und/oder Wärmeaustausch zu ermöglichen.
Zur Einhaltung dieses Gegenstromes zwischen den Gasen bzw. Dämpfen und/oder Flüssigkeiten bzw. festen Stoffteilchen darf keine Rückvermischung auftreten.
Dies kann praktisch annähernd dadurch erreicht werden, daß die gegeneinander bewegten Stoffteilchen in quer zur Strömungsrichtung möglichst eng begrenzten Räume geführt werden. Bei der Aufteilung größerer Stoffströme auf mehrere dieser verhältnismäßig kleinen Räume treten jedoch zwangläufig in diesen unterschiedliche Mengen auf. Folglich sind auch die Mengenverhältnisse der im Gegenstrom geführten Stoffströme in den einzelnen Räumen nicht gleich, was wiederum zur entsprechenden Verschlechterung des Stoff- und/oder Wärmeaustausches führt.
Bei den speziell für den Stoff- und/oder Wärmeaustausch bekannten Benetzungs- und Füllkörperkolonnen haben zwar die sogenannten Rieselblechkolonnen einen kleinen parallelen Abstand zwischen den vertikalen Blechpaketen, doch ist durch deren verhältnismäßig große seitliche Ausdehnung eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung über die gesamte Fläche nicht möglich. Unterteilt man jedoch die parallelen Blechpakete durch weitere, senkrecht dazu stehende Flächen oder verwendet vertikale Rohrbündel, so treten durch die schwierige Aufteilung der Mengenströme auf eine Vielzahl von Räumen die bereits geschilderten unterschiedlichen Mengenverhältnisse auf, die den Stoff- und/oder Wärmeaustausch bzw. die Mischung wiederum verschlechtern.
Bei den Füllkörperkolonnen sind durch die sehr unterschiedliche Flüssigkeitsverteilung innerhalb der unregelmäßigen Füllkörperschicht, die sich durch Bachbildung und Randgängigkeit zur Kolonnenwand besonders bemerkbar macht, sowohl die Mengenverhältnisse der in direkte Berührung kommenden Stoffströme als auch der Gegenstrom noch stärker gestört, so daß Austauschkolonnen größeren Durchmessers nicht mit Füllkörpern bestückt werden können. Hinzu kommt noch, daß die unterschiedliche Durch- und Umströmung der Füllkörper die Mengenverhältnisse und damit auch die Konzentration unterschiedlich gestaltet. Diese unterschiedlichen Mengenverhältnisse werden zwar teilweise durch Quer-Vorrichtung zum Stoff- und/oder
Wärmeaustausch und zur Mischung von
gasförmigen und/oder flüssigen Medien bzw.
festen Stoffteilchen
Anmelder:
ίο Rolf Manteufel, 6238 Hofheim, Herderstr. 53
Als Erfinder benannt:
Rolf Manteufel, 6238 Hofheim
Vermischung ausgeglichen, doch hat dies wiederum zwangläufig eine Störung des Gegenstromes durch Rückvermischung zur Folge.
Bei den Bodenkolonnen erreicht man durch Einhaltung bestimmter Flüssigkeitsschichten, durch die der Dampf strömen muß, die Einhaltung der Mengen-Verhältnisse, jedoch liegt ein Kreuzstrom mit der quer über die Böden geführten Flüssigkeitsschicht vor. Der aufwärts strömende Dampf, der durch Quervermischung zwischen den Böden eine annähernd gleiche Konzentration bzw. Temperatur hat, wird also mit einer Flüssigkeitsschicht abnehmender Konzentration an Leichtersiedenden bzw. zunehmender Temperatur in Berührung gebracht. Außerdem wird nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des Kolonnenvolumens für den eigentlichen Stoffaustausch genutzt.
Der größere Teil des Kolonnenvolumens dient nur der Aufrechterhaltung des Gegenstromes, denn er wird nur für die Überwindung des verhältnismäßig großen Druckverlustes für den Flüssigkeitsablauf benötigt.
Weiterhin sind die Sprühkolonnen zu erwähnen, welche jedoch ebenfalls verhältnismäßig große Druckverluste haben, da bei diesen die gesamte Flüssigkeit versprüht werden soll, um eine große Phasengrenzfläche für den Stoff- und Wärmeaustausch zu erzielen.
Kolonnen mit mechanisch bewegten Einbauten, wie Rotations- und Pulsationskolonnen, brauchen in diesem Zusammenhang nicht erwähnt zu werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch und zur Mischung von gasförmigen und/oder flüssigen bzw. festen Stoffen ohne oder mit Katalysator, bestehend aus einer Kolonne mit regelmäßigen, in Schichten angeordneten
809 560/431
Einbauten, sind prismatische, in der Mitte eingeschnürte und in Strömungsrichtung offene Hohlkörper in den einzelnen Schichten so gesetzt, daß in jeder Schicht eine Vielzahl von Einzelströmungswegen durch die Hohlkörper von einem zusammenhängenden Mantelraum umgeben ist, wobei aufeinanderfolgende Schichten gegeneinander versetzt sind, so daß die Einzelströmungswege der einen Schicht mit dem Mantelraum der darauffolgenden Schicht und
ströme ausgeschlossen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der Abb. 1, SchnittA-B, wie folgt weiterhin erläutert:
In der Ab b. 1 bedeutet 11 die Vorrichtung, in der sich prismatische, in der Mitte eingeschnürte und in Strömungsrichtung offene Hohlkörper 12 und 13, 14 usw. befinden. Die durch die Vorrichtung geführten
bei fünfflächigen aus sieben usw. Hohlkörpern gebildet.
Die Hohlkörperwände gestatten die Bildung einer verhältnismäßig großen Phasengrenzfläche ahnlich S wie bei Füllkörperkolonnen, und durch die Vielzahl der begrenzten Räume werden die gasförmigen und/ oder flüssigen Medien bzw. festen Stoffteilchen mit erhöhter Geschwindigkeit zwangsweise in Berührung gebracht, so daß diese dynamisch arbeitenden Ausumgekehrt unter Ausbildung von zwei getrennten io tauschkolonnen einen großen Belastungsbereich Systemen von Strömungswegen in Verbindung stehen. haben und damit sowohl den Arbeitsbereich von Durch diese Anordnung wird sowohl der Gegen- Bodenkolonnen als auch den von Füllkörper- und strom bzw. das Konzentrations- und Wärmegefälle Rieselkolonnen einschließen.
in der Längsachse der Austauschvorrichtung erreicht, Bei kleinen Flüssigkeitsbelastungen findet der
als auch das Auftreten unterschiedlicher Mengen- 15 Stoff- und/oder Wärmeaustausch an der durch die Verhältnisse in der Vielzahl der vertikalen Einzel- große Oberfläche der Einbauten gebildeten Phasengrenzfläche statt, während es bei großen Flüssigkeitsbelastungen zum Anstauen der Flüssigkeit in den begrenzten Räumen kommt, so daß die Gas- bzw. 20 Dampfphase die Flüssigkeitsphase durchdringt.
Die Hohlkörper können in den in verschiedenen Höhen betrachteten Querschnitten in den Abmessungen und der Form sowohl innen als auch außen und damit ebenfalls in der Wanddicke unterschiedlich Gas- bzw. Dampf- und/oder Flüssigkeitsmedien wer- 25 gestaltet sein, den in die Hauptströme I und II aufgeteilt, welche Der prismatische, in der Mitte eingeschnürte und
aus einer Vielzahl paralleler Einzelströme I bzw. II in Strömungsrichtung offene Hohlkörper der Abb. 3 a gebildet werden. Wie aus Schnitt A-B der Abb. 1 besitzt in der Mitte 31 ein Rundloch 32; die A b b. 3 b ersichtlich ist, gehen alle Einzelströme des Haupt- zeigt einen dreiflächigen Hohlkörper, bei dem die stromes I durch die in derselben Ebene angeordneten 30 Seitenkanten 33 in der Mitte eingezogen und die seit-Hohlkörper 12, während die Einzelströme des Haupt- liehen Körperflächen 34 an der mittleren eingeschnürstromes II um dieselben Hohlkörper 12 gehen. Durch
die Umströmung der in einer Ebene befindlichen
Hohlkörper 12 sind alle Einzelströmungswege des
Hauptstromes II in einem zusammenhängenden 35
Mantelraum miteinander vereinigt. Weiterhin ist
ersichtlich, daß beim jeweiligen Hauptstrom I oder Π
das Durch- oder' Umströmen der Hohlkörper abwechselnd erfolgt, z.B. beim HauptstromII: durch
Hohlkörper 13, um Hohlkörper 12, durch Hohl-40 Schlitze 38 mit der Längsachse des Hohlkörpers einen körper 14 usw., während beim Hauptstrom I die spitzen Winkel 39 bilden.
parallele Strömung dazu um Hohlkörper 13, durch Durch die verhältnismäßig kleinen Abmessungen
Hohlkörper 12, um Hohlkörper 14 usw. erfolgt und sind die Hohlkörper mit kleinen Maßtoleranzen heralle Einzelströmungswege des Hauptstromes I um die stellbar. Auch können sie dadurch sowohl aus den Hohlkörper 13 bzw. 14 miteinander im zusammen- 45 bekannten keramischen Materialien wirtschaftlich hängenden Mantelraum vereinigt sind. hergestellt werden oder aus den verschiedenen Metal-
Zur besseren Anschaulichkeit ist ein Teil der vor- Jen, Kunststoffen oder Glas bestehen. Hierdurch könstehend beschriebenen Vorrichtung in der Abb. 2 nen sie den Korrosionsverhältnissen und den.Anfornochmals perspektivisch dargestellt. derungen an die Oberfläche angepaßt werden. In
Beispielsweise geht einer der Einzelströme des 50 Sonderfällen können die Hohlkörper aus katalyti-Hauptstromes II durch den Hohlkörper 13 in den schem Material bestehen oder einen katalytischen vom Innenraum des Hohlkörpers und von je einer Überzug haben.
Außenwand 31 der Hohlkörper 12 und dem Innen- Durch die Anordnung der Hohlkörper auf Lücke
raum des Hohlkörpers 14 gebildeten Austauschraum in den übereinanderliegenden Schichten haben die 15 des zusammenhängenden Mantelraumes dieser 55 Kolonneneinbauten gemäß der Erfindung neben der Schicht. Während dieser Einzelstrom II bevorzugt am wirtschaftlichen Herstellbarkeit durch Serienfertigung, Ende des über dem Hohlkörper 13 in der über- wie sie auch bei den bekannten Füllkörperarten ernächsten Schicht angeordneten Hohlkörper 14 wieder folgt, diesen gegenüber den weiteren Vorteil, daß bei abströmt, können gewisse Anteile des Einzelstromes gleichen äußeren Abmessungen nur etwa die halbe durch die durch die Seitenkanten 33 der Hohlkörper 60 Anzahl und damit auch nur etwa die halbe Material-12 gebildeten Öffnungen 16 in auf gleicher Ebene menge benötigt wird. Anderen Kolonneneinbauten liegende parallele Austauschräume übertreten. Dem gegenüber haben sie den Vorteil, daß die Verwenbeschriebenen Einzelstrom des Hauptstromes Π wird dung gleich großer Einbauten in Kolonnenräume bei Gegenstrom ein Strom von oben nach unten unterschiedlicher Größe möglich ist. durch den beschriebenen Austauschraum 15 entgegen- 65 Außerdem ist es möglich, in den durch die regelgeführt, mäßig angeordneten Hohlkörper begrenzten Zwi-Allgemein wird bei dreiflächigen Hohlkörpern ein schenräumen bewegliche Körper, z. B. Kugeln, einzu-Austauschraum aus fünf, bei vierflächigen aus sechs, bringen, die für eine Reinigung der Oberflächen, Zer-
ten Stelle 35 zusätzlich so eingebeult sind, daß drei in der Mitte sternförmig zusammenlaufende Schlitze 36 gebildet werden, wie aus dem Grundriß ersichtlich ist. Außerdem können auch die seitlichen Körperflächen des dreiflächigen Hohlkörpers der A b b. 3 b in unterschiedlichen Höhen so eingebeult sein, wie im Schnitt der A b b. 3 c dargestellt ist, daß die Strömungsachsen 37 der von den Wandflächen gebildeten
schlagung von Schaum oder Verbesserung der Austausch- oder Mischvorgänge sorgen.
Die Hohlkörper können einzeln in die Vorrichtung gebracht und darin aufgebaut werden oder außerhalb der Vorrichtung in Schichten zusammengebaut und in zusammengebauter Form in die Vorrichtung gebracht werden.
Die Hohlkörper aus Metall können beispielsweise durch Schweißen, Löten usw. oder lösbare Verbindungen fest miteinander verbunden werden bzw. es können auch einzelne oder mehrere Schichten der Hohlkörper entsprechend der Abb. 1 zwischen einem unteren und oberen Blech 18 aufgebaut sein. Diese Bleche haben gestanzte Öffnungen mit oder ohne Bördelrand, die mit den maximalen Querschnittsöffnungen der Hohlkörper übereinstimmen, und werden durch lösbare Verbindungen 19, z. B. Stabanker, zusammengehalten.
Die Außenwand der Vorrichtung kann entsprechend der durch die mehrflächigen Hohlkörper gebil- ao deten Wabenflächen ebenfalls mehreckig sein.
Normalerweise werden nach A b b. 1 zwischen der runden Außenwand 11 der Vorrichtung und der durch die mehrflächigen Hohlkörper gebildeten Mantelfläche Wände 20 angeordnet.
Auch ist es möglich, die Räume 21 zwischen der runden Außenwand 11 und den aufgestellten Hohlkörpern durch Körper beliebiger Gestalt mit kleineren Abmessungen als die der Hohlkörper auszufüllen.
Der Vollständigkeit halber sei festgehalten, daß das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung auch bei Gleichstrom der Medien oder allgemein zum Mischen von Gasen und/oder Flüssigkeiten bzw. festen Stoff teilchen Verwendung finden kann, da hierfür gleiche Bedingungen einzuhalten sind.
Der letztlich den Einsatz von Kolonneneinbauten entscheidende wirtschaftliche Vorteil ist durch Erfüllung der verfahrenstechnischen Forderung des kleinsten spezifischen Austauschvolumens, bedingt durch guten Stoff- und/oder Wärmeaustausch bzw. guter Mischung bei maximalen zeitlich festgelegten Durchsatzmengen und einzuhaltendem Konzentrationsgefälle, sowie durch die Serienfertigung und die Verarbeitung verhältnismäßig billiger keramischer Materialien auf Grund der kleinen Abmessungen bei dieser Erfindung gegeben.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch und zur Mischung von gasförmigen und/ oder flüssigen bzw. festen Stoffen ohne oder mit Katalysator, bestehend aus einer Kolonne mit regelmäßigen, in Schichten angeordneten Einbauten, dadurch gekennzeichnet, daß prismatische, in der Mitte eingeschnürte und in Strömungsrichtung offene Hohlkörper in den einzelnen Schichten so gesetzt sind, daß in jeder Schicht eine Vielzahl von Einzelströmungswegen durch die Hohlkörper von einem zusammenhängenden Mantelraum umgeben ist, wobei aufeinanderfolgende Schichten gegeneinander versetzt sind, so daß die Einzelströmungswege der einen Schicht mit dem Mantelraum der darauffolgenden Schicht und umgekehrt unter Ausbildung von zwei getrennten Systemen von Strömungswegen in Verbindung stehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrflächigen Hohlkörper in der Mitte so eingezogen sind, daß sternförmig zusammenlaufende Schlitze (36) gebildet werden.
3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandflächen der Hohlkörper so unterschiedlich verformt sind, daß die Strömungsachsen (37) der von den Wandflächen gebildeten Schlitze (38) mit der Längsachse des Hohlkörpers einen spitzen Winkel (39) bilden.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in an sich bekannter Weise aus katalytischem Material bestehen oder einen katalytischen Überzug haben.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Austauschräumen zwischen den Hohlkörpern bewegliche Körper befinden.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper in einer oder mehreren Schichten zwischen zwei Blechen, welche mit den Hohlkörpern übereinstimmende Öffnungen haben, aufgebaut sind.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand der Vorrichtung entsprechend den durch die mehrflächigen Hohlkörper gebildeten Wabenflächen ebenfalls mehreckig ist.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der runden Außenwand der Vorrichtung und der durch die mehrflächigen Hohlkörper gebildeten Mantelfläche Wände (20) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume zwischen der runden Außenwand und den aufgestellten Hohlkörpern durch Körper beliebiger Gestalt, jedoch mit kleineren Abmessungen als die der Hohlkörper, ausgefüllt sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 501196;
deusche Auslegeschrift Nr. 1059 888.;
britische Patentschriften Nr. 793197, 688 837.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 $90/431 5.68 © Bundesdruckerei Berlin
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