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Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Stoffaustausch zwischen
heterogenen Systemen Die Erfindung bezieht sich auf den im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gegenstand.
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Das Hauptpatent (Deutsche Patentanmeldung P 23 55 106.6) betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stoffaustausch zwischen heterogenen Systemen
in einer wenigstens einen Boden aufweisenden Austauschsäule, welcher von oben ein
schwererer Mengenstrom und im Gegenstrom dazu von unten ein leichterer Mengenstrom
zugeführt wird, wobwi a) der von oben zugeführte Mengenstrom oberhalb des Bodens
in eine vertikale Rotationsbewegung umgelenkt und mit dem von unten durch einen
ersten Durchlaß des Bodens hindurchtretenden, in die Rotationsbewegung eingeleiteten
Mengenstrom vermischt wird, b) die sich beim Austausch in der Mischzone bildende
scgwerere Phase, Suspension od.dgl. im Bereich eines zweiten Durchlasses des Bondes
angereichert und c) nach Aufbau eines entsprechenden Druckgefälles durch den zweiten
Durchlaß hindurch in den Raum unterhalb des Bondes strömt und hier in eine weitere
vertikale Rotationsbewegung, jedoch mit entgegengesstztem Drehsinn, umgelenkt und
mit dem von unten zugeführten Mengenstrom vernischt wird.
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Die vertikale Rotationsbewagung der Mengemströme, bei welcher sich
die Phasen des heterogenen Systems auf mehr oder weniger geschlossenen kreisförmigen,
elliptischem od.dgl. Strömungsbahnen
um eine bezogen auf die Austauschsäule
horizontale Achse bewegen, führt in vorteilhafter Weise zu einer innigen Vermisdung
der Phasen untereinander und stellt dadurch den geforderten intensiven Stoffaustausch
sicher. Dabei können dieser vertikalen Rotationsbewegung je nach den Gegebenenheiten
des Einzelfalles auch gewisse Querströmungen überlagert sein, ohne daß dadurch jedoch
die eizielte vorteilhafte Wirkung in der Mischungszone in Frage gestellt wird.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren nebst zugehöriger Vorrichtung ermöglicht
es, beim Stoffaustausch zwischen heterogenen Systemen mit geringem Aufwand für die
Herstellung und den Betrieb der Austauschsäule optimals Ergebnisse zu erhalten.
Insbesondere ist es dadurch möglich, bei Extraktionen oder Waschvorgängen mit einer
- bezogen auf cien zu behandelnden Mengenstrom - verhältnismäßig kleinen Menge an
Extraktions- bzw. Waschmittel auszukommen. Außerdem weist die entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren betriebene Austauschsäule eine vorteilhafte größe Flexibilität auf, o
daß der Stof£austausch auch be sehr unterschiedlichen Mengenströmen mit derselben
Anlage noch einwandfrei durchführbar ist.
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In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen,
die Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend
dem Kennzeichen des Anspruches 1 auszubilden. Die Ablenkeinrichtung, die insbesondere
als im Abstand vom Boden beispielsweise mittels eines Distanzstückes gehaltene Umlenkplatte
ausgebildet ist, hindert den leichteren Mengenstrom daran, unter ungünstigen Umständen
direkt im Randbereich der Austauschsäule nach oben zu strömen, da sie in ihrem oberen
Bereich mit dem Boden bzw. der Austauschsäule dicht verbunden ist, so daß hier der
leichtere Mengenstrom nicht hindurchtreten kann, dieser also gezwungen wird, zwischen
dem unteren Be reich der Ablenkeinrichtung and dem nach unten geneigten Boden hindurchzutreten.
Dabei wird dem Mengenstrom eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des nach
unten geneigten Bondes aufgezwungen, deren Größe dadurch beeinflußbar ist, in welchem
Maße
die Ablenkeinrichtung den ersten Durchlaß überdeckt.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die Ablenkeinrichtung gemäß
Anspruch 2 auszubilden, wodurch der leichtere Mengenstrom gezwungen wird, im oberen
Bereich des Bodens entlang diesem nach unten zu strömen. Damit ist es in vorteilhafter
Weiser möglich, die Wirbelbildung oberhalb des Bodens zu unterstützen, da der schwerere
Mengenstrom und der leichtere anfänglich, dh. im oberen Bereich des Bodens in die
gleich Richtung strömen. Das Maß der Wirbelunterstützung frann durch die Uberdeckung
des ersten Durchlasses und des sich daran nach unten anschließenden Bodenteiles
gesteuert werden. Selbstverständlich wird man dabei die Überdeckung des Bodens mittels
der Ablenkeinreichtung nicht so groß wöhlen, daß der leichtere Mengenstrom gezwungenermaßen
zum zweiten Durchlaß strömt und durch diesen wieder nach unten hindurchtritt. Die
erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung im Bereich des ersten Durchlasses hindert den
leichteren Mengenstrom, bei dem es sich um eine Phase, eine Suspension od.dgl. handeln
kann.
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in vorteilhafter Weise auch daran, ohne wesentliche Vermischung mit
dem schwereren Mengenstrom im Randbereich der Austauschsäule direkt zum zweiten
Durchlaß eines darüber befindlichen Bodens zu strömen und durch diesen nach oben
hindurchzutreten. Die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung ermöglich insgesamt eine
vorteilhafte Verbesserung des Bodenwirkungsgrades und vergrößert den Belastungsbereich
oder Flexibilität der Austauschsäule.
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Bei Fest-Flüssig-Systemen hat es sich als vorteilhaft erweisen, den
wenigstens einen geneigten Boden der Austauschsäule gemäß Anspruch 3 auszubilden,
und zwar insbesondere dann, wenn die Differenz zwischen der Dichte der Feststoffpartikel
und der Flüssigkeit kleiner als 0,4 g/cm3, vorzugsweise kleiner als 0,2 g/cm3, und
der mittlere Durchmesser der Feststoffpartikel kleiner als 200µ, vorzugsweise kleiner
als 50µ, sind. Dieser Abschnitt geringerer Neigung führt zu einer Feststoffanreicherung
im
Bereich des zweiten Durchlasses infolge der Richtungsumlenkung der Suspensionsströmung
entlang des Bodens zum zweiten Durchlaß hin beim Erreichen des Abschnittes geringerer
Neigung und infolge des größer werdenden Auftreffwinkels des Suspensionsstromes
auf die Wandung der Austauschsäule. Gleichzeitig werden dadurch die Strömungsverhältniss
im zweiten Durchlaß stabilisiert. Auf diese Weise wird eine weitere Verbesserung
des Bodenwirkungsgrades erreicht. Der erforderliche Abstand bei mehreren übereinander
angeordneten Böden kann verringert werden, die Gesamthöhe der Austauschsäule dadurch
verkleinert und damit der Aufwand für deren Fertigung in vorteilhafter Weise vermindert
werden.
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Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung ist bei einem geneigten
Boden mit einem unteren Abschnitt geringerer Neigung oder auch gar keiner Neigung
vorgesehen, diesen Abschnitt entsprechend Anspruch 4 mit zusätzlichen Durchtrittsöffnungen
zu versehen, die beispielsweise schlitzförmig, kreisförmig, rechteckig od. dgl.
sein können. Diese Maßnahme erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn
bei einem Fast-Flüssig-System die vorstehend angegebene Dichtedifferenz größer als
0,2 g/cm3 und der mittlere Partikeldurchmesser größer als 100 µ sind. Dadurch werden
eine zusätzliche Feststoffanreicherung imBereich des Bodenabschnittes geringeren
Neigung bzw. des zweiten Durchlasses und eine erhöhte Stabilisierung des Suspensions-Fallstromes,
der im zweiten Durchlaß von oben nach unten hindurchtritt, erreicht, was sich wiederum
günstig auf den Bodenwirkungsgrad auswirk. Hinzu kommt, daß man ein engeres Verweilzeitspaktrum
der Feststoffpartikel erhält, da Partikel, die sich oberhalb eines Bodens bei der
erfindungsgemäßen Rotationsbewegung auf einer äußeren Strömungsbahn gewegen, beim
Durchtritt zum nächst darunterliegenden Boden bevorzugt auf eine innere Strömungsbahn
und umgekehrt gelangen.
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Um auf den Druckverlust im Bereich der beiden Durchlässe eines Bodens
gewollt einwirken zu können, kann nach einem weiteren im Anspruch 5 angegebenen
Vorschlag der Erfindung eine Regeleinrichtung vorgesehen werden, die von außen von
Hand oder auch mittels einer entsprechenden automatisch gesteuerten Verstelleinrichtung
betätigt werden kann. Diese Regeleinrichtung ist vorzugsweise im Bereich des ersten
Durchlasses unterhalb des Bodens in der Weise angeordnet, daß sie eine Veränderung
des freien Strömungsquerschnittes zwischen der Austausoherwandung und dem oberen
Bereich des Bodens ermöglicht. Sie kann dazu z.B. als verschwenkbare Klappe oder
verschiebbarer Schieber ausgebildet sein. Durch diese gewollte Steuerung des Druckverlustes
am Boden kann z.B. die Feststoffkonzentration im Bereich: des zweiten Durchlasses
geändert, die Austauschsäule untarschiedlichen Einsatzstoffen angepaßt und der Bodenwirkungsgrad
auf den bestmöglichen Wert eingestellt werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen gezeigt
und wird anhand dieser nachstehend noch näher erläutert.
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Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung Figuren la und b einen
Ausschnitt einer Austauschsäule im Längsschnitt und in der Draufsicht und Figuren
2a und b eine Variante hierzu mit zusätzlichen Durchtrittsöffnungen im unteren Bodenbereich.
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Die in Figur 1a gezeigte Austauschsäule 1 mit dea Böden 2, von denen
hier nur zwei gezeigt sind und deren Neigung gegenüber der Horizontale von einem
Boden zum nächstfolgenden entgegengesetzt ist, weist im oberen Bereich der Böden
2 den ersten Durchlaß 3 und in deren unteren Bereich den zweiten Durchlaß 4 auf.
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Die Böden 2 sind hier als im wesentlichen ebene Platten geze'gt, könnten
aber beispielsweise auch gekrümmt oder abgewinkelt, z.B.
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um eine oder ggf. auch mehrere sich in Richtung vom ersten zum zweiten
Durchlaß erstreckende Aohser, ausgebildet sein, sofern sich das aus Festigkeitsgründen,
zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse,
zum Vermeiden eines
Absetzens der Feststoffpartikel auf den Böden od.dgl. als vorteilhaft erweisen sollte.
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An der Oberseite der Böden 2 ist über das Distanzstück 5 die plattenförmige
Ablenkeinrichtung 6 angeordnet 9 die hier die Form eine. Kreisabschnittes hat und
nicht nur den ersten Durohlaß 3 vollständig bedeckt, sondern sich mit ihrem unteren
Bereich 6' auch noch über den Teil 2' des Bodens 2, der sich an den ersten Durchlaß
3 nach unten anschließt, erstreckt, so daß zwischen beiden der Strömungskanal 7
ausgebildet ist.
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Im unteren Bereich am zweiten Durchlaß 4 angrenzend weist der Boden
2 den Abschnitt 8 auf, der hier einstückig mit dem Boden 2 ausgebildet gezeigt ist,
aber auch als separates Bauteil an diese angesetzt sein könnte. Die Neigung dieses
Abschnittes 8 ist gegenüber der des Bodens 2 geringer und beträgt hier O.
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Statt diesen Abschnitt geringerer Neigung als Ganzes eben auszubilden,
kann er auch beispielsweise um eine senkrecht zur Zwischerebene stehende Achse gekrümmt
ausgebildet oder auch aus mehreren je für sich ebenen streifenförmigen Elementen,
zwischen denen - in der Zeichenebene betrachtet - jeweils ein mehr oder weniger
großer Knick ausgebildet ist, zusammengesetzt sein.
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Unterhalb des ersten Durchlasses 3 ist die Regeleinrichtung 9 angeordnet,
die hier als eine um die horizontale Achse 10 gemäß dem Pfeil 11 von außen verschwenkbare
Klappe ausgebildet und so bemessen ist, daß sie gegebenenfalls den Strömungsweg
zum ersten Durchlaß 3 hin völlig absperren kann Bei dieser schematischen Darstellung
ist die Strömungsbahn des leichteren Mangenstromes durch die einfachen Pfeile K,
die des Schwereren Mengenstromes durch die Doppelpfeile L, die Mischungs zone der
beiden Mengenströme mit der ausgeprägten Rotationsbewegung durch M, die Beruhigungszone
für den schwereren Mengenstrom durch N die für den leichteren Mengenstrom durch
P angedeutet, wobei die Grenze zwischen den Bereichen M und P durch die leicht gewellte
Linie 12 symbolisiert wird.
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Die in der Figur Ib dargestellte Draufsicht auf den obersten Boden
2 in figur Ia läßt deutlich die Form des Boden 2, der beiden Durchlässe 3, 4 und
der Ablenkeinrichtung 6 erkennen.
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Die Figuren 2a und b, bei denen für die gleichen Bauteile, Mengenströme
usw. die gleichen Bezugszeichen wie vorher verwendet wurden, zeigen einen Abschnitt
8 des Bondes 2, der wie in Figur 1 horizontal angeordnet, aber sehr viel breiter
ist und zusätzliche Durchtrittsöffnungen 15 aufweist, die hier als in drei Reiten
nebeneinander angeordnete Rechtecksohlitze ausgebildet sind und entsprechend den
Pfeilon L den zusätzlichen Durchtritt des schwereren Mengenstromes ermöglichen.