DE1809823A1 - Fraktioniervorrichtung - Google Patents

Fraktioniervorrichtung

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DE1809823A1
DE1809823A1 DE19681809823 DE1809823A DE1809823A1 DE 1809823 A1 DE1809823 A1 DE 1809823A1 DE 19681809823 DE19681809823 DE 19681809823 DE 1809823 A DE1809823 A DE 1809823A DE 1809823 A1 DE1809823 A1 DE 1809823A1
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fractionation
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partition walls
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DE19681809823
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Hoskinson Robert Laurence
Hoffman Michael Lupu
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McDonnell Douglas Corp
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McDonnell Douglas Corp
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Description

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McDONMEII DOUGLAS COKPOKAIION, 3OOO Ocean Park Boulevard, SAMIA MOMCA, Californien (USA) ·
Fraktioniervorriohtung
Die Erfindung betrifft eine Fraktioniervorrichtung und befaßt sich insbesondere mit neuartigen Konstruktionen von Fraktioniervorriohtungen und mit neuen Praktionierkolonnen, welche diese Konstruktionen verwenden, um eine wirkungsvollere Fraktionierung durchführen zu können.
Die neuartigen Fraktionierkonstruktionen und ftraktionierkolonnen gemäß der Erfindung werden insbesondere verwendet, um gasförmige Gemische zu verflüssigen oder um solohe Gemisohe in ihre Bestandteile zu zerlegen, beispielsweise um luft in ihre Bestandteile zu Verlegen oder aus gasförmigen Gemisohen einzelne Komponenten wie Stickstoff und Kohlenwasserstoffe wie Methan und dgl. abzuscheiden. Die vorgeschlagene Torriohtung
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ist jedooh in ihrer Anwendung nicht auf diese Anwendungsbeispiele beschränkt.
In Fraktioniervorricntungen hat man zahlreiche Einbauten in Form von plattenartigen Rippen, .Blechen od. dgl. vorgesehen, um den Wirkungsgrad der Fraktionierung zu verbessern. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Konstruktion ist in der USA-Patentschrift 2.885.195 beschrieben. Diese Konstruktion umfaßt geneigte wellenförmige Platten mit Schlitzen für das zu trennende Flüssigkeits-Dampf-G-emisch, wobei sich in den von den Wellen der Platten gebildeten, nach oben geneigten Rinnen nach unten durch die Kanäle zurückströmendesflüssiges Material sammelt, bis es durch die Schlitze überströmt, während der Dampf durch die Kanäle über die Schlitze nach oben strömt und dabei auf den Flüssigkeitsfilm auftrifft, der aus den betreffenden Schlitzen ausfließt.
Obwohl man mit dieser Konstruktion bestrebt ist, einen verbesserten Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit zu erzielen, ist die Oberfläohendiohte des bei der Konstruktion gemäß der USA-Patentschrift 2.885.195 verwendeten Material©® nur etwa gleich einem Drittel der Oberflächendichte bei üblichen Konstruktionen mit plattenartigen Rippen oder Blechen. Außerdem führt die Konstruktion gemäß dieser Patentschrift zu einem verringerten Wärmeübergang und besitzt eine gering© konstruktive Festigkeit, was wiederum einen niedrigen Arbeitsdruok bedingt. Diese Naohteile sind von besonderer Bedeutung.
Daher sind diese bekannten Konstruktionen nur für Drücke bis etwa 7. kg/cm geeignet, während bekannte Wärmetauscher mit plattenartigen Rippen oder Blechen Drücke in der Größenordnung von etwa 42 kg/cm aushalten.
Gemäß der Erfindung besitzt eine Fraktioniervorrichtung oder Fraktioniereinheit eine Reihe von senkrecht im Abstand voneinander angeordneter, sich nach oben erstreckender Trennwände, wobei sich die Trennwände in horizontaler Richtung durch den Wärmetauscher bzw. die Kolonne erstrecken und im gleichen Abstand senkrecht übereinander angeordnet sind und Perforationen oder öffnungen enthalten, die vorzugsweise nach einem gleichmäßigen bestimmten Muster auf die Fläche der einzelnen Trennwände verteilt sind. Diese Trennwände sind zwischen Wänden angeordnet, weiche mit einander gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung verbunden sind und welche zwischen benachbarten übereinander angeordneten Trennwänden einen Hohlraum einschließen, wobei Perforationen oder Öffnungen bowohl in der oberen als auch in der unteren Trennwand eines solchen Hohlraumes vorgesehen sind. Die Trennwände sind vorzugsweise aus gewellten Platten oder Blechen mit im Querschniti reckteckigen Wellen hergestellt, wobei die einander gegenüberliegenden Kanten oder Flächen dieser gewellten Bleche mit einander gegenüberliegenden Wänden der Einheit verbunden sind und sich dabei in senkrechter Richtung zickzackförmig von unten nach oben durch die Vorrichtung erstrecken. Die Fraktionier-
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vorrichtung besitzt an ihrem unteren Ende einen Einlaß zum Einführen von Gas und an ihrem oberen Ende einen Auslaß, um dort angesammeltes Gas abziehen zu können«.
Ein zu verlüssigendes Gas oder ein zu zerlegendes Gasgemisch, strömt nach oben durch die öffnungen oder Perforationen der einzelnen senkrecht angeordneten Trennwände od« dgl. und in die Zwischenräume zwischen benachbarten Trennwänden, trifft auf die von den betreffenden Trennwänden durch die in denselben befindlichen Perforationen oder öffnungen naoh unten fließende Flüssigkeit und bildet auf der Unterseite der Trennwände einen Flüssigkeitsfilm, der auf einander gegenüberliegenden Seiten der Wände zwischen benachbarten Trennwänden auf die Oberseite der darunterliegenden Trennwand fließt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein geschweißter Maschendraht anstelle einer perforierten Platte verwendet werden, um die oben genannten perforierten Trennwände zu bilden, wobei dieser Masohendraht in ähnlicher Weise wie oben beschrieben wellenförmig angeordnet wird.
Eine iteihe von so ausgebildeten Vorrichtungen kann nebeneinander zwischen einer Reih® paralleler senkrechter Wand© oder Trennwände angeordnet sein. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Tielzahl der oben erwähnten Fraktionierelemente abwechselnd bö angeordnet sein,
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daß zwischen einander benachbarten Fraktionierelementen ein Durchlaß für Wärmeübertragung vorgesehen iet. So können beispielsweise einander abweohselnde Fraktionierelemente der oben genannten Art vorgesehen sein, die mit Hilfe eines Abstandhalters od. dgl., beispielsweise in Form eines senkrecht verlaufenden gewellten AbstandsStreifens im Abstand voneinander gehalten werden, welcher zwisohen den gewellten Platten senkrecht verlaufende Durohgangskanäle bildet, durch die ein wärmeübertragendes Strömungsmittel in Berührung mit den einander benachbarten Fraktionierelementen geleitet wird.
Die Fraktioniervorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht einen besseren und wirkungsvolleren Kontakt zwischen Flüssigkeit und Dampf des zu fraktionierenden Gemisohes und gewährleistet gleichzeitig, daß der Wirkungsgrad der Wärmeübergangsflächen unverändert bleibt. Die neuartige erfindungsgemäße Fraktioniervorriohtung ermöglicht sowohl einen Wärmeübergang als auoh einen Materialdurohsatz in wirtschaftlicher und wirkungsvoller Weise.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer Fraktioniervorriohtung gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
Fig. 1 eine sohaubildliohe, teilweise aufgebrochene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsfora einer mehrere Einheiten aufweisenden Fraktioniervorriohtung, wobei die einzelnen Einheiten der Fraktioniervorriohtung gemäß der Erfindung ausgebildet sind, - 6 -
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Pig. 2 einen vergrößerten waagerechten Teilsohnitt nach Linie 2-2 aus Fig. 1»
fig. 3 eine teilweise aufgebrochene söhaubildliohe Ansicht einer anderen Ausftihrungsform der Erfindung,
Pig. 4 eine ähnliche Ansicht wie in Pig. 3 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
Pig. 5 die schaubildliclie Ansicht einer vollständigen Fraktionierkolonne, welche eine Fraktioniervorrichtung gemäß Pig. 1 enthält»
In Pig. 1 ist eine aus mehreren Einheiten zusammengesetzte Praktioniervorrichtung A dargestellt, welch© zwischen senkrecht angeordneten parallelen !Trennwänden 10 und 11 aus Metall jeweils eine Fraktioniereinheit 12 enthält. Jede Fraktioniereinheit 12 besitzt ein gewelltes Blech 13 mit rechteckigen Wellen, so daß die aneinanderstoßenden Flächen dieses Bleohes in einem Winkel von 90° zueinander liegen· Die sich in Längsrichtung erstreckenden, einander abwechselnden Flächen 14 und 16 des gewellten Bleches liegen an den [Trennwänden 10 bzw. 11 an und sind an denselben angelötet«. Ein derartiges gewelltes Blech 13 bildet eine Reihe von parallel übereinanderliegenden horizontalen Trennwänden 18 oder Platten, die sioh duroh die gesamte Fraktioniervorriohtung oder -kolonne von einer Seitenwand 21 znx gegenüberliegenden anderen Seitenwand 23 und von einer senkrechten !Trennwand 10 zur anderen Trennwand 11 erstrecken.
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Jede horizontale Trennwand 18 besitzt eine Reihe von öffnungen oder Löcher 20, damit gemäß den Pfeilen 19 Dampf von dem Kaum unter jeder ϊrennwand 18 in den darüberliegenden Raum strömen und Flüssigkeit von der Oberseite jeder Trennwand 18 auf die Unterseite derselben fließen kann. Wie in Pig. 2 zu erkennen ist, liegen die Löcher 20 gleichmäßig verteilt relativ dicht aneinander und sind auf Lücke zueinander versetzt in mehreren Reihen angeordnet. Diese Löcher 20 können aber auch naoh jedem anderen beliebigen Muster auf den Trennwänden 18 verteilt sein. Ihre Größe ist in gewissen Grenzen beliebig und liegt beispielsweise/einem Durchmesserbereioh von 0,25 mm bis 3,2 mm, wobei die einzelnen Löoher in einem solohvn Abstand voneinander liegen, daß die offene fläche jeder horizontalen Trennwand 18 etwa 25 % bis 45 i» der Gesamtfläche dieser Trennwand beträgt.
Jedes gewellte Blech 13 bildet also mit seinen quadratischen Wellen 15 senkrecht übereinander angeordnete Räume 25, welche jeweils von zwei Trennwänden 18, den senkrechten Trennwänden 10 und 11 und den Stirnwänden 21 und 23 begrenzt sind.
Wie fig. 1 zeigt, ist eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen fraktioniereinheiten 12 parallel zueinander sand* wichförmig zwischen Durchlässen angeordnet, die jeweils von eines senkrecht verlaufenden gewellten Abstandsblech 22 zwischen den senkrechten Trennwänden 10 und 11 einander benachbarter fraktioniereinhttiten 12 gebildet sind. Die gewellten
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Abstandsbleohe 22 besitzen jeweils eine Reibe von spitzwinkligen Wellen 24 (siebe auob Fig. 2), deren Spitzen 26 mit den einander gegenüberliegenden !Trennwänden 10 bzw. 11 in Berührung stehen und an dieselben angelötet sind. Diese senkrecht angeordneten, ziokzackförmig gewellten Abstandsblech« 22 bilden somit eine Reihe von senkrechten Kanälen 27» die sich vom unteren zum oberen Ende der Fraktioniervorrichtung erstrecken·
Durch Pfeile 28 ist angedeutet, daß im Betrieb ein zu zerlegendes oder zu fraktionierendes Gasgemisch von unten nach · oben duroh jede Fraktioniereinheit 12 geführt wird, wobei das Gas durch die Löcher einer Trennwand 18 zur nächsthöheren Trennwand strömt und dabei mit den auf den unteren und oberen Flächen 29 und 31 der einzelnen horizontal angeordneten Trennwände 18 befindlichen Flüssigkeitsfilm und auch mit dem auf den Innenseiten der Flächen 14 und 1.6 des gewellten Bleohes 13 und den Innenseiten 1O1 und 11' der senkrechten Trennwände 10 und 11 in Kontakt kommt· Dadurch ergibt sich in den einzelnen Kammern 25 ein inniger Kontakt und ein Gleichgewicht zwischen dem Dampf und den Flüssigkeitsfilmen und dementsprechend ein großer Wirkungsgrad der Destillation oder Fraktionierung· Gleichzeitig strömt ein wärmeübertragendes Strömungsmittel entsprechend den Pfeilen 30 von unten nach oben - oder, falls erwünscht, in entgegengesetzter Richtung - durch die senkrecht verlaufenden keilförmigen Kanäle 27 zwischen den Wellen der Abstandsbleche 22, die sich zwischen den einzelnen Fraktioniereinheiten 12 befinden, um über die gesamte Länge
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der Einheiten eine "differenzierte" Destillation in den Destillations- oder Fraktioniereinheiten 12 duroh äußere Wärmezugabe oder Wärmeabfuhr zu erzielen·
In Flg. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer $raktioniervorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein dieselbe form wie das gewellte Blech 13 gemäß Pig. 1 und 2 aufweisendes gewelltes Blech 32 verwendet, daa jedoch aua einem geschweißten Drahtsieb, od. dgl· mit Perforationsöffnungen 34 besteht. Hierbei enthält jede horizontale Trennwand 36 und auch jeder der senkrecht verlaufenden Seile 39 und 40 des gewellten "Bleoate* 32 £e.r~ forationeöffnungen 34. Bei tinea aolohes aus einem ftrahtsieb bestehenden gewellten Bleoh kann eine größere Plüfsigkeitern eng θ duroh eine Flächeneinheit der horizontalen Trennwände 36 strömen als duroh die Trennwände 18 gemäß Pig. 1 und 2«
In fig« 4 ist eine Abwandlung der zuearnmengeeetaten !fraktionier vorrichtung aus Fig. 1 dargestellt, bei der die Kanäle zum Durchtritt eines für einen Wärmeaustauach geeigneten Strömungsmittels mit den entsprechenden gewellten Abstandsblechen weggelassen und die einzelnen £xaktioniereinheiten 12 nur duroh die senkrechten Trennwände 10 und 11 voneinander getrennt unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, d.h· es befindet sich kein Durohgangskanal für zur Wärmeübertragung geeignetes Strömungsmittel zwisohen den [Trennwänden 10 und 11 benachbarter fraktioniereinheiten· Sine solche mehrfache
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Fraktioniervorrichtung 42 wird dort verwendet, wo kein von außen heranzuführendes Strömungsmittel benötigt wird» um den entsprechenden Fraktion!ereinheiten 12 Wärme zuzuführen oder zu entziehen.
In Fig. 5 ist eine aus mehreren Einheiten aufgebaute Fraktion! ervorriobtung A in einer Fraktionierkolonne dargestellt. Die Fraktion!ervorriohtung A ist zwischen zwei Stirnwänden 44 angeordnet und besitzt ein unteres Kopfstück 46 und ein oberes Kopfstück 48· Die oberen Enden 49 der Fraktionierkanäle 23 Jeder Fraktioniereinheit 12 sind offen und stehen mit einer Kammer 50 innerhalb des oberen Kopfstückes 48 der Fraktionier-: koloim* in Verbindung* DIi oberen iindin/dlt^-Kenäle 3Qfür da» VärffletauaohatriJBungsmitt·! stehen über obere aeitlioh· Öffnungen 52 mit einem Saimeelraum 54 in Verbindung, der sich über die Breite der gesamten Fraktionierkolonne von der Seitenwand 21 bis zu* Seitenwand 23 erstreckt und. nach außen durch ein gewölbt verlaufendes Blech 56 begrenzt 1st» welches am oberen Ende der einen Stirnwand 44 an der Kolonne befestigt ist. Es ist aus Fig. 5 im übrigen erkennbar, daß die oberen Enden.der Kanäle 27 für das zum Wärmetausch bestimmte Strömungsmittel mit Blechen 59 zur oberen Kammer 50 verschlossen sind«
Das untere Kopfstück 46 ist mit einem Einlaß 60 versehen, der so angeordnet ist, daß er in die Fraktionierkolonne geleiteten Dampf zu den unteren Enden der Kanäle 28 der Fraktionierein-
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heiten 12 führt; an der höchsten Stelle des oberen Kopfstükkes 48 ist ein Auslaß 62 vorgesehen, durch den Dampf aus der Kammer 50 abgezogen werden kann. Ferner ist ein Einlaß 63 für Destillierflüssigkeit am oberen Kopfstück 43 vorgesehen, um beispielsweise eine rückgeführte Flüssigkeit in die Fraktioniereinheiten 12 zu leiten, und es ist außerdem am tiefsten Punkt des unteren Kopfstückes 46 ein Flüssigkeitsauslaß 64 angeordnet, durch den fraktionierte Flüssigkeit vom unteren Ende der Kanäle 28 der Fraktioniereinheiten 12 abgezogen werden kann. Das Blech 56 ist mit einem Einlaß 66 für ein zur Wärmeübertragung bestimmtes Strömungsmittel versehen, damit dasselbe in den Sammelraum 54 und von dort in die oberen Enden der Kanäle 30 gelangen kann. Am unteren Ende der Fraktionierkolonne befindet sich ein weiterer Auslaß 68, durch den das zum Wärmetausch verwendete Strömungemittel von den unteren Enden der Kanäle 30 abgezogen werden kann. Das zum Wärmetausoh verwendete Strömungsmittel kann jedoch auch in zur Darstellung aus Fig. 1 entgegengesetzten Richtung durch die Vorrichtung strömen.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Fraktioniervorrichtung ist im Aufbau verhältnismäßig einfach und preiswert und verwendet eine Vielzahl von gewellten Blechen in der beschriebenen Anordnung und ist im Gegensatz zu vielen bekannten Fraktioniervorrichtungen, beispielsweise einer Fraktion!ervorriohtung geaäß ÜSA-Patentachrift 2.885.195, auch geeignet, Drücke in der Größenordnung von etwa 42 kg/cm auszuhalten· Die Bauteile
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der Vorrichtung können aus jedem geeigneten Material wie Aluminium, Stahl, Kupfer und dgl. bestehen. Die erfindungsgemäße Konstruktion gewährleistet einen sehr wirksamen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Dampf und besitzt außerdem große Wärmeübertragungsfläohen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeüberganges erhöht wird. Die erfindungsgemäße Konstruktion gewährleistet somit einen guten Wirkungsgrad sowohl bezüglich der Wärmeübertragung als auch des Durchsatzes des zu fraktionierenden oder sonstwie zu behandelnden Materiales.
Patentanspruch« t
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Claims (12)

  1. Patentansprüche:
    12»
    1· Praktioniervorriohtung t dadurch gekennzeichnet , daß sie wenigstens eine Exaktioniereinheit (12) besitzt, welche senkrechte Wände (10, 11, 21, 23) und eine Reihe von senkrecht im Abstand übereinander zwischen diesen Wänden angeordnete Trennwände (18, 36) aufweist, die zusammen zwischen den einzelnen !Trennwänden liegende geschlossene Räume (25) bilden, wobei jede der Trennwände Perforationen (20, 34) aufweist und am unteren Ende jeder Praktioniereinheit ein Einlaß zum Einleiten eines Gases oder Dampfes und am oberen Ende dieser Einheiten ein Auslaß zum Abziehen von Gas oder Dampf vorgesehen ist·
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Trennwände (18, 36) horizontal angeordnet ist und sich zwischen den senkrechten Wänden (10, 11, 21 und 23) der einzelnen Staktioniereinheiten (12) erstreckt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruoh 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß die Perforationen (20, 34) gleichmäßig über die fläche jeder der !Trennwände (18, 36) verteilt sind.
  4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüohe 1 bis 3» daduroh gekennzeichnet, daß die Trennwände (18, 36) Teile eines aus Metall bestehenden gewellten Β1·οη·β (13, 32)
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    -•r -
    sind, das mit seinen einander gegenüberliegenden Längsk an ten an gegenüberliegende Wände (10, 11) der !Fraktioniereinheit (12) befestigt ist und sich senkrecht zickzaokförmig vom unteren Ende zum oberen Ende jeder Fraktioniereinheit erstreckt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Blech (32) aus einer Platte oder Bahn eines geschweißten Maschensiebes besteht·
  6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Blech (13, 32) im wesentlichen rechteckige Wellen besitzt, wobei die horizontal verlaufenden Teile oder flächen dieser Wellen die im Abstand senkrecht übereinander angeordneten horizontalen perforierten Trennwände (18, 36) bilden.
  7. 7· Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen (20) jeder horizontalen Trennwand (18) einen Durchmesser im Bereich von 0,23 mm bis 3»2 mm aufweisen und so auf der Oberfläche der Trennwände verteilt sind, daß der offene Bereich jeder horizontalen Trennwand zwischen etwa 25 Ms 45 $> der Gesamtfläche der betreffenden Trennwand liegt.
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  8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüohe 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von Fraktioniereinheiten (12) aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind·
  9. 9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Fraktioniereinheiten (12) Abstandshalter (22) angeordnet sind, die senkrechte Kanäle (27) für den Durchtritt eines wärmeübertragenden Ströetmgsmittels zwischen benachbarten Fraktioniereinholten bilden.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter gewellte Bleche (22) sind, die mit den einander zugewandten Seitenwänden (10, 11) benachbarter Fraktioniereinheiten (12) verbunden sind und eine Vielzahl senkrecht verlaufender Kanäle (27) für den Durchtritt des wärmeübertragenden Strömungsmittels bilden.
  11. 11· Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abstandshalter (22) über die gesamte Breite der Fraktioniervorrichtung (A) von einer Seitenwand (21) zur gegenüberliegenden Seitenwand (23) derselben er-
    13/H7A
  12. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß (60) an die un- · teren Enden der Fraktioniereinheiten (12) und der Gasauslaß (62) an die oberen Enden dieser Fraktioniereinheiten angeschlossen ist, daß ferner ein Einlaß (63) für Destillationsflüssigkeit an den oberen Enden der Fraktioniereinheiten, ein Flüssigkeitsauslaß (64) an den unteren Enden der einzelnen Fraktioniereinheiten und daß außerdem ein Einlaß (66) für ein wärmetauschendes Strömungsmittel mit der Kanälen (27) zwischen den einzelnen Fraktioniereinheiten und ein Auslaß (68) für diese Strömungsmittel an den anderen Enden der Kanäle (27) vorgesehen ist.
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