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Rektifikationssäule Die Erfindung be trifft eine Rektirikationssäule
zur Zerlegung von Gasgemischen mit einem oder mehreren, aus ylindriseh gewiekelte@
Dratgewobe aufge bauten SiebkLrpern, deren Wickelae@@en mit Ger Säulenachse zusammenfallen.
n st sekannt, das Rektifikationssäulen ur Zerlegeng vor. Gasgemischen vielfach sogenannte
Böden aufweisen, die als Wärme@ und Stoffaustause@element aufgefaßt werden können.
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U@@diesen Wärme- und Stoffaustausch zu fördern oder ihn in einer ewänse
ten Weise a lenken, sind Böden in den verschiedenartigster.
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Ausgestalltungsformen bkannt geworden. diesen beispielsweise als
Siebböden,
Glockenböden oder Ventilböden bezeicnneten Formen liegt stets der Gedanke zugrunde,
in irgendeiner Weise eine Flüssigkeitsschicht zu bilden, durch welche die Gase auf
ihrem Wege von unten nach oben nindurchtreten. Beim durchgang der Gase durch die
Flüssigkeit findet dann ein intensiver Wärme- und Stoffaustausch statt.
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Diese bodensäulen, die übrigens eine exakt senkrechte Aufstellung
erfordern, sind wegen ihres komplizieren Aufbaues bekanntlich sehr teuer. Außerdem
nehmen Zu- und Ablauf für die flüssige Phase der in Wärme- und Stoffaustause@ zu
bringenden ::eaien einen erheblichen Teil des Säulenquerschnittes ein, wodurch diese
Säulen eine unerwünscht Volumenvergrößerung erfahren. ist deshalb schon vorgeschla£en
worden, anstelle der Bodensäulen sogenannte Füllkörpersäulen für die Zerlegung von
Gasgemischen zu verwenden. Bei diesen Füllkörpers ; llen werden entweüer ungeordnete
Füllungen qit Füllkörpern der verschiedenartigsten Formen oder geordnete Füllungen
aus sogenannten Horden, d. h. aus iiclrelkörpern, welche aus zylindrisch gewickelten
Bändern aus Belc@ oder Drahtgewebe bestehen, verwendet. Bei dieser zuletzt genannten
Art von Füllkörpern berühren sich die Windunger der meist mit Riffelungen oder Wellungen
versehenen Hordenbleche, ebenso wie die Füllkörper der ungeordneten Füllkörpersäulen,
gegenseitig una bilden auf diese Weise Flüssigkeitsbrücken quer zur Hauptströmungsrichtung.
Derartige Säulen sind zwar wesentlich billiger als Bo-]
densäulen,
sie besitzen jedoch als wesentlichen Nachteil eine sogenannte Randgängigkeit. Diese
besteht carin, daß die im Austauscll stehenden Medien dazu neigen, sich nicht gleichmäßig
zu durchdringen, und zwar derart, daß die nach unten strömende lPlüssigkeit an die
Peripherie der Säule strebt, während die aufsteigenden Gase die Säulerunitte bevorzugen.
Diese Randgängigkeit, die ihre Ursache in der Möglichkeit einer Querströmung der
Flüssigkeit in der Säule hat, hat eine Verschlechterung des Wärme-und Stoffaustausches
zur Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rektifikationssäale
zu entwickeln, die einerseits von den vorteilhaften Eigenschaften der Horden Gebrauch
macht und andererseits keine Randgängigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine init aus Drahtgewebe gewickelten Siebkörpern
gefüllte Relctifilcationssäule gelöst, bei der jeweils am cberen Ende eines weitgehend
berührungsfrei gewickelten Siebkörpers ein Band, vorzugsweise aus Blech, eingewickelt
ist, durch welches die Flüssigkeit beim Durchströmen der Siebkörper von oben nac
unten einen Widerstand erfährt, und daß sich dadurch eine, durch die Wahl der Breite
des Bandes einstellbare Flüssigkeitsschicht über dem oberer Ende des Siebkörpers
bildet.
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Eine solche erfindungsgemä3 aufgebaute -Rektifikationssäule, die
mindestens einen Siebkörper besitzt, zeigt so viel wie keine Randgängigkeit. Die
in die Siebkörper einer aus
mindestens einer Einheit aufgebauten
Säule eingewickelten Bänder, die vorzugsweise aus Blech bestehen und deren Dicke
dem gewünschten Lagenabstand des, Drahtgewebes entspricht, bilden zusammen mit den
einzelnen Lagen des Drahtgewebes enge Spalte in denen die von oben nach unten strömende
Flüssigkeit einen gewissen Strömungswiderstand erfährt. Die im Gegenstrom zur Flüssigkeit
aufsteigenden Gase umgehen, wie weiter unten gezeigt wird, den Bereich der eingewickelten
Bänder der Siebkörper. Der Strömungswiderstand für die Flüssigkeit in den erwähnten
Spalten, hat das Entstehen einer Flüssigkeitsschicht auf den Siebkörpern oberhalb
der eingewickelten Bänder zur Folge, denn erst- wenn der durch die Höhe der Flüssigkeitsschicht
gegebene Druck einen bestimmten Wert erreicht hat, vermag die Flüssigkeit den Strömungswiderstand
in den Spalten zu überwinden. Die Höhe der Flüssigkeitsschicht kann demnach beim
Bau der Rektifikationssäule durch die Wahl der den Strömungswiderstand für die Flüssigkeit
bedingenden Bandbreite im voraus bestimmt werden.
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Durch die Flüssigkeitsschicht auf den Siebkörpern wird die Flüssigkeit
gleichmäßig über die einzelnen Gewebebahnen verteilt. Nach Überwindung des beschriebenen
Strömungswiderstandes in den Spalten zwischen den eingewickelten Bändern und den
Gewebebahnen, strömt die Flüssigkeit im wesentlichen entlang der weitgehend bertthrungsfrei
gewickelten Gewebebahnen nach unten. Es esteht demnach so viel wie keine Möglichkeit,
daß sich eine Randängigkeit ausbildet. Gleichzeitig besitzt die erfindungsgemäße
Säule
jedoch alle Vorteile der bekannten Hordensäulen, beispielsweise eine große wirksame
Wärme- und Stoffaustauschfläche bei verhältnismäßig kleinem Strömungswiderstand,
aber auch vor allem niedrige Herstellungskosten. Außerdem sind die erfindungsgemäßen
Rektifikationssäulen unempfindlich gegen bei der Aufstellung der Säule nur schwer
verineidbare kleine Abweichungen aus der exakt senkrechten Lage.
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Die durch einen Siebkörper in der Säule auSsteigenden Gase, die innerhalb
des Siebkörpers in regelll Wärme- und Stoffaustausch init der im Drahtgewebe herabrinnenden
Flüssigkeit stehen, durchströmen cen oberen Teil des Siebkörpers, der die eingewickelten
Bänder enthält, nicht. Bei der erfindungsgemäßen Rektifikations. säule sind vielmehr
für die aufsteigenden Gase Umgehungswege vorgesehen, auf welchen diese am oberen
Teil der Siebkörper vorbeigelangen. Die Siebkörper sind hierfür erfindungsgemäß
mit einem Bleckmantel umgeben, der unterhalb der in die Siebkörper eingewickelten
Bänder iit seitlichen Öffnungen versehen ist. Diese Öffnungen verbindne den Innenraum
des Siebkörpers mit einem Ringraum zwischen dem bleckmantel und der äußeren Hülle
der Rektiíikationssäule. Die Gase, die durch diese Öffnungen in den Ringraum eintreten,
verlassen diesen durch weitere Öffnungen im Blechmantel oberhalb des Siebkörpers
wieder und strömen in den nächsten Siebkörper von unten ein. Zur Verbesserung der
Gasströnung auf den Umgehungswegen und um zu vermeiden, daß durch den
Gas
strom Flüssigkeit von einer zur anderen GeweLebahn mitgerissen wird, besitzen die
Gewebebahnen unterhalb der eingewickelten Bänder Löcher.
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Bei einer anderen AusfWr1rungsform der ertindungsgemäßen Rektifilcationssäule
benutzen die aufsteigenden Gase zur Umgehung des siebkörperkopfes ein, $sich $durch
die ganze Säule erstreckendes Kernrohr, welches illit Geeigneten Öffnungen versehen
ist. Auch eine gemeinsame Anwendung der beiden beschriebenen Möglichkeiten der Uineun
der Siebkörperköpfe kann in bestimmten Fällen vorteilhaft sein.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand d der beiden schematischen
Abbildungen beschrieben, die Ausschnite aus zwei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen
Rektifikationssäule darstellen. In beiden Figuren sind gleiche Gegenstände mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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In den Figuren 1 und 2 ist jeweils die Übergangsstelle zwischen zwei
Siebkörpern 1 dargestellt.
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Bei der Ausführungsform der Figur 1 befindet sich zwischen der äußeren
Hülle 2 der Rektifikationssäule und den Siebkörpern 1 ein Ringraum 5. Die Siebkörper
1 selbst sind mit einem Blechmantel 4 umgeben. Sie bestehen aus einem spiralig zu
einem Zylinder gewickelten Drahtgewebe 5, welches zur A@frechterhaltung eines gleichmäßigen
Abstandes der Lagen mit Sicken 6 versehen ist. Diese Sicken 6, die beispielsweise
in Dreiecksverteilung angeordnet sein können, bedingen den Lagenabstand unddamit
das
Verhältnis von Gas- zu Flüssigkeitsquerschnitt. Ihre Anzahl wird so klein wie möglich
gehalten, um unerwünschte Flüssigkeitsbrücken quer zur Hauptströmungsrichtung so
weit wie möglich zu vermeiden. Die Gewebebahnen sind damit weitgehend berührungsfrei
angeordnet.
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Die Siebkörper 1 selbst sind aus einem Drahtgewebe 5 gewickelt, bei
dem die Maschenweite vorzugsweise 0,2 - 0,5 rnn beträgt. Durch die Wahl der Maschenweite,
des Drahtdurchmessers des Gewebes, des Gewebematerials und des Abstandes der einzelnen
Lagen der Siebkörper kann der Wirkungsgrad des Wärme- und StoIfaustausches in weiten
Grenzen den jeweils vorliegenden Erfordernissen angepaßt werden. Außerdem können
innerhalb einer einzigen Säule Siebkörper niit verschiedenen Werten der genannten
Größen eingesetzt werden und damit die Austausci'vorgäne innerhalb der Säule durch
örtlich wechselnde Raunerfüllung und Saterialeigenschatten beliebig gesteuert werden.
Die Abmessungen der Siebkörper 1 sind vorugsweise so gewählt, daß das Verhältnis
von Höhe zu Durolunesser größer als 1 ist. Bei einer erprobten Säule zarten die
Siebkörper 1 beispielsweise 1 In hocil tInd besaßen einen Durchinesser von 0,@ in.
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Jeweils am oberen Ende der Siebkörper 1 ist In das Drahtgewebe 5
ein Band 7, vorzugsweise aus Blech, eingewickelt, dessen Dicke dem gewünschten Abstand
der einzelnen Lagen des D@ahtgewebes 5 und damit der Höhe der Sicken 6 entspricht.
Die
Seitenkanten des Drahtgewebes 5 und die Bänder 7 am oberen tnde
der Siebkörper 1 bilden jeweils eine horrizontale Fläche mit seitlichem Rand.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Ringraum 3 der Fig. 1 durch
ein Kernrohr 8 ersetzt. Der Innenraum des Kernrohres O ist gegenüber den Siebkörpern
1 durch einen Innenmantel 9 aus Blech abgeschlossen. Der Aufbau des oberen Endes
der Siebkörper 1 entspricht im Prinzip dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1.
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Beiln Betrieb der erfindungsgemäßen Rektifikationssäule strömt das
gasförmige Medium von unten her in die Siebkörper 1 ein und durch die Zwischenräume
im Drahtgewebe 5 nach oben. Das flüssige Medium strömt in umgekehrter Richtung entlang
der Siebkörper 1 nach unten und tritt hierbei in regen Wärme-und Stoffaustausch
mit dem gasförmigen Medium. Im Bereich der eingewickelten Bänder 7 ist der Strömungsquerschnitt
für das flüssige Medium sel1r klein und für das gasförmige Medium an sich gleich
Null, da die eingewickelten Bänder 7 die Zwischenräwne zwischen den einzelnen Schichten
des Drahtgewebes im wesentlichen ausfüllen. Erfindungsgemäß ist aus deisem Grunde
für die nach oben strömenden Gase eine Umgehung der oberen, die Bänder 7 enthaltenden
Enden der Siebkörper 1 vorgesehen.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besitzt hierfür der Blechmantel
e Öffnungen 10 und 11. Durch die unteren Öffnungen 10 tritt der Gasstrom in den
Ringraum 5 ein und verläßt
diesen wieder durch die oberen Öffnungen
11, um in den nächst höheren Siebkörper 1 einzuströmen. Zur Bildung eines abgeschlossenen
Strömungsweges ist der Ringraum 3 unterhalb der Öffnungen 1C njit Trennblechen 12
abgeschlossen. Durch unterhalb der eingewickelten Bänder 7 angebrachte Löcher 10a
im Drahtgewebe 5 wird die Gasströmung auf ihrem Umgehungsweg erleichtert. Außerden
wird durch diese Löcher 10a vermieden, daß der Gasstrom Flüssigkeitströpfchen von
einer zur anderen Gewebebahn mit sich reif?t.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 führt die Umgehung der Köpfe
der Siebkörper 1 über das Kernrohr. Der Gasstrom tritt durch die unteren Öffnungen
15 in das Kernrohr ß ein und verläßt dieses wieder durch die oberen Öffnungen 14,
um in den nächst höheren Siebkörper 1 einzuströmen. Zur Bildung eines abgeschlosseiien
Strömungsweges ist das Kernrohr ö, unteralb der Öffnungen 1) mit Trennblechen 15
abgeschlossen. Ahnlieb wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besitzt auch hier
das Drahtgewebe 5 Löcher 10a.
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Bei beiden dargestellten Ausführungsbeispielen strömt das flüssige
Medium durch die engen Zwischenräume zwischen dem Drahtgewebe 5 und den eingewickelten
Bändern 7. Der hier-Durch bewirkte Strömungswiderstand hat die Bildung von FlUssigkeitsschichten
16 auf den oberen Flächen der Siebkörper 1 zur Folge. Diese sorgen für eine gleichmäßige
Beaufschlagung der
Siebkörper 1. Die Höhe der Flüssigkeitsschichten
16 hängt außer von der Maschenweite dna dem Drahtdurchmesser des Drahtgewebes 5
vor allen von der Breite der Bänder 7 ab, durch deren Wahl sie beeinflußt werden
kann. Die Höhe der Flüssigkeitsschichten 16 beträgt im allgemeinen 10 - 25 film.
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Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können auch die in den
Figuren 1 und 2 dargestellten ausführungsformen der Erfindung miteinander kombiniert
werden. Eine derartige Rektifikationssäule besitzt dann sowohl einen Rigraum 3 gemäß
Fig. als auch ein Kernrohr rem. Figur 2.
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Die erfindungsgemäße Rektifikationssäule eignet sich für die verschiedenartigsten
Aufgaben auf dem Gebiete der Gaszerlegung, vor allem bei tiefen Temperaturen. Desonders
bewährt hat sie sich bei kleinen Luftzerlegungsanlagen.
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10 Patentansprüche 1 Zeichnung