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KONTAKTBOKEN FÜR KCLONNENAPPARATE ZUR DURCH-
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FÜHRUNG VON STOFFAUSTAUSCHPROZESSEN ZWISCHEN GAS UND FLÜSSIGKEIT
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktboden fUl Kolonnenapparate zur Durchführung
von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit, der
eine runde Scheibe mit Schlitzen zum Durchströmen von Gas darstellt, deren Ränder
bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlen des
durch die Schlitze durchströmenden Gases tangential zur Scheibe und unter einem
gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche und in einer Richtung leiten. Derartige Kontaktböden
werden in Rektifikations -, Absorptions-, Wasch- und vertikalen Kontaktkolonnen
eingesetzt, in denen eine Flüssigkeit von oben nach unten strömt und niet einem
Gas in Berührung kommt, das in der Kolonne nach oben steigt.
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Der vorgeschlsgene Kontaktboden kann besonders zweckmäßig in Stoffaustauschkolonnen
zur Trennung thermisch unbeständiger, poly@crisierender Gemische beziehungsweise
solcher Gemische eingesetzt werden, die zum Verlaufen von uner wünshten chemischen
Reaktionen in denselben neigen, das heißt, wenn eine geringe Verweilzeit von Flüssigkeit
in einem Apparat erforderlich ist.
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Es ist ein Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von
Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Cs uflL Flüssigkeit bekaunt,
der eine runde Scheibe mit Schlitzen zum Durchströmen von Gas darstellt, deren Ränder
bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die durch die Schlitze
strömenden Gas strahlen tangential und unter einem gewissen Winkel zur Scheibe und
in einer Richtung leiten (siehe IJS-PS 3 045 989). Diese bekannten kontaktböden
zeichnen sich durch eine einfache bauliche Gestaltung, c inen geringen Meta ilaufwand
und einen nredriw gen Strömungswiderstand aus. Im Kolonnenapparat sind die Böden
übereinander angeordnet, und die Flüssigkeit gelant von1 jeweils ho.'hr liegenden
Boden in ein zentrales Aufnahmegefäß des Bodens und wird von den tangential gerichteten
Gasstrahlen, die im Kolonnenopparst nach ohen steigen und durch die im Beden angecrdneten
Schlitze hindurchströmen, mitgerissen und führt infolge des Zusammenwirkens mit
dem Gas eine von der 1;ltt des Bodens zum Umfangebereich gerichtete radiole Kreisbewegung
aus, von wo sie in eine ringförmige Tasche
abfließt, die im Umfangsbereich
des Bodens vorgesehen ist, aus dieser gelangt die Flüssigkeit dann auf den tiefer
liegenden Boden und so weiter.
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Der bekannte Kontaktboden gestattet es, hohe Belastungen nach Flüssigkeit
und Gas zu verwenden, wobei ein enger Kontakt von Phasen und eine hohe Wirksamkeit
von Wärmeübergang und Stoffaustausch zwischen den Phasen gewährleistet wird.
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Die bekannten Kontaktböden sichern jedoch einen wirksamen stabilen
Betrieb des Apparates lediglich in einem engen Bereich der Belastungen nach Gas
und Flüssigkeit und gewährleisten keine gleichmäßige Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsstromen
über den gesamten Bodenquerschnitt, was ZU einer Wellenbildung des sich drehenden
Flüssigkeitsstromes, und als Folge dessen - zu einem starken Absinken der Wirksamkeit
des Stoffaustausches führt, Diese Nachteile bekannter Kontaktböden werden mit Vergrößerung
des Kolonnendurchmessers besonders spürbar.
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Wegen der genannten Nachteile haben die erwähnten Kontaktböden keinen
breiten Einsatz in der Industrie gefunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugunde, einen derartigen Kontaktboden
für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen
zwischen Gas und Flüssigkeit zu entwickeln, der einen wirksamen stabilen Betrieb
des Apparates in einem breiten Bereich von Belastungen nach Gas und Flüssigkeit,
und eine gleichmäßige
Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsströmen
über den gesamten Bodenquerschnitt ermöglicht, wodurch die Wirksamkeit des Stoffaustausches
erhöht und eine reale Steigerung der Wirksamkeit des Wärmeüberganges und des Stoffaustausches
des Kontaktbodens mit Vergrößerung des Kolonnendurchmessers gewährleistet wird,
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Kontaktbodnn für Kolonnenapparate
zur Durchführung von Wärmeübergangs-und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und
Flüssigkeit, der eine runde Scheibe mit Schlitzen zum Gasdurchströmen darstellt,
deren Ränder bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die
durch die Schlitze durchströmenden Gasstrahlen tangential zur Scheibe und unter
einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche und in einer Richtung leiten, erfindungsgemäß
an der Seite der Scheibe, die zur Aufnahme von Flüssigkeit vorgesehen ist, Prellplatten
befestigt sind, die in Form der Archimedes-Spirale gebogen sind, und die von der
Mitte der Scheibe auseinandergehen und zu derjenigen Seite gedreht sind, die der
durch die bogenartigen Schirme gewährleisteten Richtung der Gasstrahlen entspricht.
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In dem erfindungsgemäßen Kontaktboden wird durch die Prellplatten
eine zusätzliche Turbulenz von Gas und Flüssigkeit, eine Flüssigkeitsdispergierung
sowie eine Vergrößerung und mehrfache Erneuerung der Zwischenphasenoberfläche erreicht,
was zur Intensivierung des Wärmeübergangs und des
Stoffaustausches
zwischen den Phasen und zur Steigerung der Wirksamkeit des Wärmeübergangs und des
Stoffaustausches zwischen den Phasen führt. Außerdem wird durch die Wirkung der
Prellplatten eine Wellenbildung des sich drehenden Flüssig keitsstromes verhindert.
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Die Ausführung von Prellplatten in Form von Archimedes-Spiralen sichert
eine konstante Frontbreite des sich drehenden Flüssigkeitsstromes zwischen angrenzenden
Prellplatten, was zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeits- und Gasströme über
den gesamten Querschnitt des Kontaktbodens beiträgt vuid zur Steigerung der Wirksamkeit
des Prozesses führt.
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Durch Anderung der Parameter der Ärchimedes-Spirale und der Höhe
der Platten kann die vorgegebene Wirksamkeit des Wärmeüberganges und des Stoffaustausches
zwischen den Phasen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Belastungen nach Gas und
Flüssigkeit vorausbestimmt werden. So kann zum Beispiel bei sehr geringen Belastungen
nach Flüssigkeit und hohen Gasgeschwindigkeiten (unter Bedingungen der Vakuumrektifikation)
mit Hilfe der in Form von Archimedes-Spiralen mit vorgegebenen Parametern gestalteten
Prellplatten die Wirksamkeit des Stoffaustausches des Kontaktbodens (Wirksamkeit
nach Merfri) um das 1,3- bis 5-fache gegenüber der Variante ohne Prellplatten gesteigert
werden. Gleichzeitig damit wird bei sehr großen spezifischen Belastungen nach Flüssigkeit
und geringen Gasgeschwindigkeiten (unter Bedingungen einer extraktiven Rektifikation),
sofern die kinetische Energie
von Gas für ein Torsionsfreimachen
der Flüssigkeit unzureichend ist, mit Hilfe der in Form der Archimedes-Spirale mit
vorgegebenen Parametern gestalteten Prellplatten ein zusätzliches Torsionsfreimachen
der Flüssigkeit in horizontaler Ebene gesichert, wodurch ebenfalls ihre gleichmäßige
Verteilung über den gesamten Querschnitt des Kontaktbodens und eine Steigerung der
Wirksamkeit des Wärmeüberganges und des Sto,faustausch:.s zwischen Gas und Flüssigkeit
gefördert wird. In weiteren wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf beigefügte Weich nungen erläutert; es zeigen: Fig. 1 den erfindungsgemäß
in einen Kolonnenapparat eingebauten Kontalçtboden im Längsschnitt; Fig. 2 einen
Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III
der Fig. 2, im vergrößerten Maßstab; Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der
Fig. 2, im vergrößerten Maßstab.
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Der Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs-
und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit stellt eine mit Schlitzen
zum Durchströmen von Gas versehene runde Scheibe 1 (Fig. 1 und 2) dar, deren Ränder
bogenartige Schirme 2 aufweisen (Fig.1, 2, 3 und 4). Die bogenartigen Schirme 2
sins so angeordnet, daß die durch die Schlitze strömenden Gas strahlen tangential
zur Scheibe 1 (Fig. 2) und unter einem gewissen Winkel zu
ihrer
Oberfläche und in einer Richtung geleitet werden. Dabei sind, aus Erwägungen einer
bequemen Fertigung beim Stanzverfahren, die Schlitze mit den bogenartigen Schirmen
2 an der runden Scheibe 1 zweckmäßigerweise nach konzentrischen Kreisen anzuordnen.
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Die Schlitze können auch anders, zum Beispiel schachbrettartig angeordnet
werden, aber auch dann in der Weise, daß die Sl;rahlen des durch die Schlitze strömenden
Gases tangential zur Scheibe 1 und unter einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche
gerichtet werden.
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Bei jeder beliebigen Anordnung der Schlitze mit den bogenartigen
Schirmen 2 an der runden Scheibe 1 sollen jedoch gleiche Abstände zwischen den Schlitzen
sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung der Scheibe zur Gewährleistung einer
gleichmäßigen Verteilung von Gas über den gesamten Querschnitt des Kontaktbodens
und einer symmetrischen Verteilung der Gas- und Flüssigkeitsströme auf der runden
Scheibe 1 eingehalten werden.
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Die runde Scheibe 1 ist an Auflagerringen 3 und 4 (Fig. 1) befestigt.
In der Mitte des Kontaktbodens ist ein zentrales Aufnahmegefäß 5 angeordnet, in
welches die aus dem höher liegenden Kontaktboden kommende Flüssigkeit strömt.
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Am Umfangsbereich des Kontaktbodens ist eine ringförmige Abflußtasche
6 vorgesehen, in die die Flüssigkeit vom Kontaktboden hinabfließt und von o sie
dann zum Mittelpunkt des niedriger liegenden Kontaktbodens geleitet wird.
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An der zur Aufnahme der Flüssigkeit vorgesehenen Seite der Scheibe
1 sind Prellplatten 7 (Fig. 1 und 2) befestigt, die in Form einer vom Mittelpunkt
der Scheibe auseinandergehenden Archimedes-Spirale gebogen und zu derjenigen Seite
gedreht sind, die der durch die bogenartigen Schirme 2 (Fig. 2) gewährleisteten
Richtung der Gasstrahlen entspricht, und folgich der Richtung des sich auf dem Kontaktboden
drehenden Stromes entspricht.
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Der Kontaktboden ist im Kolonnenapparat 8 (Fig. 1, 2) eingebaut,
an dessen Wänden die ringförmige Abflußtasche 6 und Träger (nich-t gezeigt) zur
Befestigung der runden Scheibe 1 und der Auflagerringe 3 und 4 befestigt werden.
An der zur Aufnahme der Flüssigkeit dienenden Seite der runden Scheibe 1 können
von einer bis zu mehreren Prellplatten 7 in Form einer Archimedes-Spirale aufgestellt
werden. Bei der Aufstellung mehrerer Prellplatten 7 sollen diese zur Gewährleistung
einer gleichmäßigen Verteilung des vom Zentrum zur Peripherie der Scheibe 1 auseinanderfließenden
Flüssigkeitsstromes symmetrisch angeordnet sein.
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Dabei wird die Frontbreite der Bewegung des von der Mitte des Kontaktbodens
zum Umfangsbereich auseinanderströmenden Flüssigkeitsstromes für jede der Quersektionen,
die zwischen den benachbarten Prellplatten 7 entstehen, gleich und vom Zentrum bis
zur Peripherie konstant sein, was durch die als Archimedes-Spiralen gestaltete Form
der Prellplatten gewährleistet wird. Diese wichtige Eigenschaft der
Archimedes-Spiralen
wurde in der vorliegenden Erfindung zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung
der Flüssigkeits- und Gasströme über dem Kontaktboden ausgenutzt.
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Der erfindungsgemäße Kontaktboden, der in den Kolonnenapparat 8 zur
Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit
eingebaut ist, hat folgende Funktionsweise.
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Gas (oder Dampf), das in den Kolonnenapparat 8 von unten eintritt,
strömt durch die mit den bogenartigen Schirmen 2 versehenen Schlitze hindurch, wodurch
ein sich regelmäßig drehender Gas- (oder Darnp£-)strom entsteht, der die von oben
in das zentrale Aufnatmegefäß 5 herabfließende und daraus auf den Kontaktboden gelangende
Flüssigkeit mitreißt.
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Dadurch entsteht ein sich regelmäßig drehender Zweiphasenstrom. Die
Flüssigkeit führt dabei auf der runden Scheibe 1 radiale Kreisbewegung in horizontaler
Ebene von der Mitte der Scheibe 1 zum Umfangsbereich hin aus und fließt in die ringförmige
Abflußtasche 6 ab, und das Gas (oder der Dampf) führt eine schraubenförmige Bewegung
nach oben unter den oberen Boden und so weiter aus. Der sich drehende zweiphasige
Strom wird von den in Form von Archimedes-Spiralen gebogenen Prellplatten 7 zurückgeworfen,
wodurch eine zusätzliche Turbulenz des Gas- (oder Dampf-) und Flüssigkeitsstromes,
eine Dispergierung von Flüssigkeit und eine mehrfache Erneuerung und Vergrößerung
der Zwischenphasenoberfläche erfolgen, was zur Intensivierung des Wärmeüberganges
und
des Stoffaustausches in den Phasen sowie zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoffaustausches
des Kontaktbodens (Wirksamkeit nach Nerfri) führt. Da die Richtung der in Form einer
Archimedes-Spirale gestalteten Krümmung der Prellplatten 7 mit der Richtung des
vom Mittelpunkt zum Umfangsbereich auseinanderströmenden und sich regelmäßig drehenden
zweiphasigen Stromes übereinstimmt, bewegt sich die Flüssigkeit ohne Vermischung
in Längsrichtung, wodurch eine Steigerung des Konzentrationsgrades in der flüssigen
Phase und die Vergrösserung der Triebkraft des Stoffaustauschprozesses fördert,
und folglich zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoffaustausches des Kontaktbodens
führt. Die Konstante der Frontbreite der Bewegung des auseinanderströmenden Flüssigkeitsstromes
zwischen den angrenzenden Prellplatten 7 von der Mitte der runden Scheibe 1 zum
Umfangsbereich hin trägt zur gleichmäßigen Querverteilung des auseinanderströmenden
Flüssigkeitsstromes über den gesamten Kontaktbodenquerschnitt und demzufolge zur
gleichmäßigen Verteilung auch des Gas-(oder Dampf-)stromes über den Querschnitt
des Kontaktbodens bei, was ebenfalls, wie bekannt, zur Steigerung der Wirksamkeit
des Stoffaustausches des jeweiligen Kontaktbodens führt.
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Mit Vergrößerung der Anzahl von auf der runden Scheibe 1 aufzustellenden
Prellplatten 7 und bei einer entsprechenden Wahl der Parameter der Archimedes-Spiralen
in Abhängigkeit vom Gas- (oder Dampf-) und Flüssigkeitsdurchsatz wird die optimale
Wirksamkeit des jeweiligen Kontaktbodens
erreicht. Dabei ist zu
berücksichtigen, daß der Metallaufwand des Kontaktbodens bei einer großen Anzahl
von Prellplatten 7 ansteigt und eine Verringerung seines freien Querschnittes erfolgt,
wodurch der Strömungswiderstand wächst. Gleichzeitig damit verhindern die Prellplatten
7 eine Wellenbildung des sich drehenden Flüssigkeitsstromes auf dem Kontaktboden,
die besonders für Kontaktböden großer Durchmesser kennzeichnend ist, was auch zur
gleichmäßigen Verteilung der Phasenströme auf dem Kontaktboden beiträgt und die
Wirksamkeit des Stoffaustausches des Kontaktbodens erhöht (Wirksamkeit nach Merfri).
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Infolgedessen, daß für den von der Mitte des Kontaktbodens zum Umfangsbereich
auseinanderströmenden und sich regelmäßig drehenden zweiphasigen Strom der Perimeter
des Abflusses der Flüssigkeit bedeutend größer ist als für Kontaktböden mit einer
Bewegung der Flüssigkeit in Querrichtung, erfolgt dabei keine Uberbelastung der
Abflüsse und wird eine gleichmäßige Verteilung von Gas (oder Dampf) und Flüssigkeit
über den Querschnitt des Kontaktbodens gesichert, eine Vermischung der Flüssigkeit
in Längsrichtung verhindert, was erlaubt, den Konzentrationsgrad real zu vergrössern;
es werden Bedingungen für eine zusätzliche Turbulenz der Phasen, für eine Dispergierung
der Flüssigkeit und für eine Vergrößerung und mehrfache Brneuerung der Zwischenphasenoberfläche
geschaffen, was letzten Endes zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoffaustausches
der Kontaktböden
(Wirksamkeit nach Merfri) führt.
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Dabei steigt mit der Vergrößerung des Durchmessers der Kolonnenapparate
die Wirksamkeit der Kontaktböden (Wirksamkeit nach Merfri) an, was allen Grund gibt,
diese für Kolonnenapparate mit großer Einzelleistung zu empfehlen.
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Der erfindungsgemäße Kontaktboden arbeitet wirkungsvoll sowohl bei
geringen spezifischen Belastungen nach Flüssigkeit und großen GeschwindIgkeiten
von Gas (unter Bedingungen der Vakuumrektifikation) infolge der Wirkung der Prellplatten
7 in Form von Archimedes-Spiralen mit vorgegebenen Parametern, die unter diesen
hydrodynamischen Bedingungen eine Vergrößerung der Menge der auf dem Kontakt boden
bleibenden Flüssigkeit und folglich eine Verlängerung der durchschnittlichen Verweilzeit
der Flüssigkeit in Berührung mit Gas fördern, als auch bei großen spezifischen Belastungen
nach Flüssigkeit und geringen Belastungen nach Gas (unter Bedingungen der extraktiven
Rektifikation) auch infolge der Wirkung der in Form von Archimedes-Spiralen mit
vorgegebenen Parametern gestalteten Prellplatten 7, die unter diesen hydrodynamischen
Bedingungen das Torsionsfreimachen des sich regelmäßig drehenden auseinanderströmenden
Flüssigkeitsstromes vom Mittelpunkt zum Umfangsbereich hin fördern, da unter diesen
Bedingungen die kinetische Energie der Gasstrahlen, die durch die Schlitze mit den
bogenartigen Schirmen 2 ausströmen, für ein intensives Torsionsfreimachen der Flüssigkeit
nicht ausreicht.
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L e e r s e i t e