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Die vorliegende Erfindung betrifft Packungsscheiben für Stoffaustauschkolonnen.
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Stoffaustauschkolonnen weisen typischerweise einen im Wesentlichen zylinderförmigen Behälter aus einem geeigneten metallischen Werkstoff auf, in welchen eine geordnete Packung eingebracht ist.
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Bei der Herstellung einer gepackten Kolonne ist es üblich, die Packung schichtweise von oben in den stehenden Kolonnenbehälter einzuführen. Es ist auch möglich, die Packungen in einem liegenden Behälter einzubringen. Die verschiedenen Packungsschichten liegen dann in unterschiedlichen, entlang der Zylinderachse des Behälters aufgereihten axialen Ebene übereinander. Alle Richtungsangaben, die im Rahmen der folgenden Offenbarung verwendet werden, wie insbesondere „axial“ oder „radial“, beziehen sich im Folgenden stets auf diese Zylinder- bzw. Behälterachse.
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Die einzelnen Packungsschichten werden im Folgenen als Packungsscheiben bezeichnet.
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Durch Fertigungstoleranzen sowohl bei den Packungsscheiben als auch bei dem Behälter ergeben sich schwer vorherzubestimmende Randspalte zwischen Packungsscheiben und Behälter, welche währen des Betriebes der Stoffaustauschkolonne zu Fehlverteilungen und Bypassströmungen führen, und somit die Trennleistung der Stoffaustauschkolonne negativ beeinflussen.
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Da unterschiedliche Packungsscheiben aufgrund von Toleranzen unterschiedliche Abmessungen aufweisen, ergibt sich insgesamt eine diskontinuierliche Geometrie im Randbereich des Behälters, so dass sich auch ungleichmäßige Strömungsregime an der Behälterwand einstellen. Eine Stoffaustauschkolonne erreicht somit nicht in allen axialen Bereichen ihre optimale Leistungsfähigkeit, was wiederum zu Fehlverteilungen führt.
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Da die genannten Effekte insbesondere örtlich an identischen Stellen auftreten, führt dies zu einer gegenseitigen Verstärkung der jeweiligen Effekte.
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Aus der
DE 195 20 802 A1 ist ein ringförmiges Mittel zur Randabdichtung einer mit einer geordneten Packung gefüllten Stoffaustauschkolonne bekannt. Ein derartiger Ausgleich der Geometrie bzw. Abmessungen der Packungsscheiben gestaltet sich in der Praxis jedoch schwierig und aufwändig.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, in möglichst einfacher Weise Packungsscheiben für Stoffaustauschkolonnen bereitzustellen, die preiswert bereitstellbar sind und dennoch strengen Toleranzanforderungen genügen, so dass mit derartigen Packungsscheiben bestückte Stoffaustauschkolonnen in optimierter Weise betrieben werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Packungsscheibe für eine Stoffaustauschkolonne sowie eine entsprechend ausgebildete Stoffaustauschkolonne mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche.
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Durch das erfindungsgemäße Bereitstellen von Packungsscheiben mit einer Anzahl von Scheibensegmenten, von denen wenigstens eines teilweise mittels additiver Fertigung hergestellt ist, lassen sich in sehr einfacher und preiswerter Weise Packungsscheiben herstellen, die sehr strengen Toleranzanforderungen, insbesondere bezüglich Rundheit, genügen, und andererseits in einfacher Weise eine individuelle Anpassung an konkrete Behältergeometrien ermöglichen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es ist bevorzugt, dass die Anzahl von Scheibensegmenten eine erste Menge von Randsegmenten und eine zweite Menge von Innensegmenten umfasst, wobei die Randsegmente wenigstens teilweise mittels additiver Fertigung hergestellt sind. Mit dieser Maßnahme kann insbesondere der innere Bereich einer Packungsscheibe in herkömmlicher Weise aus gewellt-gekreuzten Lamellen bzw. Packungsblechpaketen aus einem geeigneten metallischen Material hergestellt sein. Lediglich die Randsegmente, welche radial außen bezüglich der Innensegmente vorgesehen sind und die Größe des Randspalts zwischen Packungsscheibe und Behälterwand bestimmen, sind, teilweise oder vollständig mittels additiver Fertigung hergestellt, wodurch sie in optimaler Weise an unterschiedliche Bemaßungen der Innensegmente und die Geometrie des Behälters bzw. der Behälterinnenwand angepasst werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Randsegmente in axialer Richtung betrachtet eine kreisbogenförmige Seite sowie eine, zwei oder drei gerade Seiten auf. Die kreisbogenförmige Seite liegt hierbei an der Behälterwand, und die eine, zwei oder drei geraden Seiten an den Innensegmenten an. Insbesondere eine kreisbogenförmige Seite kann mittels additiver Fertigung optimal auf konkrete Rundheitsanforderungen bzw. -vorgaben in einem bestimmten Behälterbereich angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Innensegmente quader- oder würfelförmig ausgebildet. Dies bedeuetet, dass sie in axialer Richtung betrachtet viereckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch, sind. Derartige Segmente lassen sich in besonders einfacher Weise auf herkömmliche Art unter Verwendung von Packungsblechpaketen fertigen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Innensegmente dreikantprismenförmig ausgebildet, insbesondere in der Form von Dreikantprismen mit gleichschenkliger Querschnittsform. Mittels derartiger dreikantprismenförmiger Innensegmente ist die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Behälters zum großen Teil ausfüllbar. Lediglich die verbleibenden Randbereiche zwischen Innensegmenten und zylindrischer Behälterwand müssen in diesem Fall durch Randsegmente, die erfindungsgemäß mittels additiver Fertigung hergestellt sind, ausgefüllt werden. Die Größe dieser Randbereiche ist minimierbar, indem die dreikantprismenförmigen Innensegmente derart dimensioniert werden, dass sie mit jeweils zwei Eckkanten bzw. Ecken im Wesentlichen an der Behälterwand anliegen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens einige der Randsegmente mit Dichtungselementen ausgebildet, welche ebenfalls mittels additiver Fertigung hergestellt sind. Derartige Dichtungselemente weisen beispielsweise Schürzen auf, mit denen an der Behälterwand auf- oder absteigende Fluide zurück ins Innere der Packung geleitet werden können. Derartige Schürzen unterbinden im Übrigen die eingangs erwähnten Bypassdefekte. In besonders vorteilhafter Weise können Randsegmente und Dichtungselemente mittels additiver Fertigung einstückig hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer bepackten Stoffaustauschkolonne im Längsschnitt, welche mit Packungsscheiben bestückt ist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind,
- 2 eine axiale Querschnittsansicht durch eine Packungsscheibe einer Stoffaustauschkolonne gemäß 1, und
- 3 eine der 2 entsprechende Ansicht, in der eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Packungsscheibe dargestellt ist.
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Eine Stoffaustauschkolonne, mit der die vorliegende Erfindung verwirklicht werden kann, ist in 1 insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Stoffaustauschkolonne 100, von der nur ein unterer Teil in 1 gezeigt ist, weist einen Behälter 1 auf, der im Wesentlichen zylinderförmig um eine Achse 10 aufgebaut ist. Das Innere des Behälters 1 enthält einen Packungsabschnitt, der in dem in 1 dargestellten Beispiel aus sechs zylindrischen Packungsscheiben 2a bis 2f einer geordneten Packung besteht.
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Der Behälter 1 weist zwischen einem dargestellten Behältersumpf 12 und einem nicht dargestellten Behälterkopf einen zylinderförmigen Mantel auf. Ein derartiger zylinderförmiger Mantel wird in der Regel aus einzelnen zylinderförmigen Bauteilen, sogenannten Mantelschüssen, hergestellt, wobei diese an ihren jeweiligen kreisförmigen Stirnseiten miteinander verschweisst sind.
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Insbesondere bei Kolonnen größeren Durchmessers sind die Packungsscheiben 2a bis 2f als segmentierte Packungsscheiben mit jeweiligen Scheibensegmenten 20,22 ausgebildet, die jeweils eine axiale Höhe 35 aufweisen. Zweckmässigerweise weisen sämtliche Scheibensegmente einer Packungsscheibe die gleiche axiale Höhe 35 auf, wobei die axialen Höhen 35 unterschiedlicher Packungsscheiben sich auch voneinander unterscheiden können.
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Derartige segmentierte Packungsscheiben bzw. Packungssegmente werden nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 dargestellt.
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In der 2 erkennt man eine Menge von acht Innensegmenten 20 sowie 18 Randsegmenten 22. Die Innensegmente 20 sind jeweils quaderförmig ausgebildet, wobei sie, je nach ihrer Position relativ zur zylindrischen Querschnittsfläche des (in 2 nicht dargestellten Behälters 1) jeweils unterschiedliche Längen aufweisen. In der in 2 sichtbaren Richtung der Achse 10 des Behälters 1 sind somit sämtliche Innensegmente 20 quaderförmig mit in axialer Richtung rechteckiger Grundfläche 21 ausgebildet. Die axiale Höhe der quaderförmigen Innensegmente ist in der axialen Darstellung gemäß 2 nicht dargestellt.
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Die Randsegmente 22 sind entsprechen zylinderschnittförmig ausgebildet, und weisen jeweils eine kreisbogenförmige Seite 22a und eine, zwei oder drei gerade Seiten 22b, 22c, 22d auf. Mit der kreisbogenförmigen Seite 22a grenzen sie jeweils and die Innenwand des (nicht dargestellten) Behälters 1, und mit den geraden Seiten 22b, 22c, 22d an axial oder radial benachbarte Randsegmente 22 und/oder Innensegmente 20 an. Die Seiten 22a, 22b, 22c, 22d weisen zweckmässigerweise die gleiche axiale Höhe auf wie die quaderförmigen Innensegmente.
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Lediglich die Randsegmente 22 sind vollständig oder teilweise mittels additiver Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, hergestellt. Zweckmäßigerweise sind die Randsegmente 22 einstückig mit einem integrierten Dichtkragen (in 1 dargestellt und mit 30 bezeichnet) zur gezielten Rückführung der Bypassströmung in den aktiven Bereich der Packungsscheibe ausgebildet. Derartige Dichtkragen 30 sind mittels additiver Fertigung in einfacher Weise einstückig mit den Randsegmenten 22 bereitstellbar.
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Die einzelnen Segmente 20, 22 sind zweckmäßigerweise dicht im Behälter 1 eingestapelt. Es ist auch denkbar, die Randsegmente 22 mittels 3D-Drucker an Innensegmente 20 anzufügen.
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In 3 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Packungsscheibe dargestellt. Hierbei sind die Innensegmente 20 als dreikantprismenförmige Segmente ausgebildet, wobei jeweils zwei Kanten 20e,20f dieser dreieckförmigen Segmente 20 an einen (nicht dargestellten) zylinderförmigen Behälter einer Stoffaustauschkolonne angrenzen. Die dritte Kante 20g der dreikantprismenförmigen Innensegmente 20 liegt zweckmässigerweise auf der Achse 10. Die dreikantprismenförmigen Innensegmente 20 sind hier als Segmente mit dreieckiger bzw. gleichschenkliger Grundfläche ausgebildet. Ihre axiale Höhe ist auch in 3 nicht dargestellt.
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Wie in 3 ohne weiteres zu erkennen, überdecken die Innensegmente 20 bei dieser Ausgestaltung den Großteil der kreisförmigen Querschnittsfläche des (auch in 3 nicht dargestellten) Behälters 1. Lediglich die sehr schmalen Randbereiche sind mit zylinderschnittförmigen Randsegmenten 22 ausgefüllt, welche erfindungsgemäß zur Anpassung an Toleranzen der Innensegmente 20 bzw. des (nicht dargestellten) Behälters 1 mittels additiver Fertigung bereitgestellt werden. Gemäß dieser Ausführungsform weisen die zylinderschnittförmigen Randsegmente 22 jeweils eine kreisbogenförmige Seite 22a und eine gerade Seite 22b auf. Die Seiten 22a, 22b weisen zweckmässigerweise die gleiche axiale Höhe auf wie die dreikantprismenförmigen Innensegmente 20.
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Insgesamt ergibt sich erfindungsgemäß ein einfacher und flexibler Zusammenbau der Packungsscheiben sowie somit auch der Packungssäule insgesamt. Fertigungstoleranzen werden aus dem Randbereich in prozesstechnisch unkritischere Bereiche im Inneren der einzelnen Scheiben verschoben.
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Vorteilhafterweise erfolgt, wie erwähnt, eine gezielte Rückführung von randgängigen Fluiden bzw. Flüssigkeiten in den aktiven Bereich der Packung mittels einstückiger Ausbildung von Dichtungselementen mit den Randsegmenten. Insgesamt können hierdurch reduzierte Fehlverteilungen und verbesserte Trennleistungen bereitgestellt werden, womit Stoffaustauschkolonnen, insbesondere Coldboxen, mit reduzierter axialer Länge bereitgestellt werden können. Hierdurch vermindern sich sowohl Herstellungs- als auch Betriebskosten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behälter
- 2a-2f
- Packungsscheiben
- 10
- Achse Behälter
- 12
- Sumpf
- 20
- Innensegmente (Scheibensegmente)
- 20a,20b,20c,20d
- Seiten von Innensegmenten
- 20e,20f,20g
- Ecken von dreieckförmigen Innensegmenten
- 21
- rechteckige Grundfläche
- 22
- Randsegmente (Scheibensegmente)
- 23
- dreieckige Grundfläche
- 22a, 22b, 22c, 22d
- Seiten von Randsegmenten
- 30
- Dichtungselement, Dichtkragen
- 100
- Stoffaustauschkolonne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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