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Verfahren und Vorrichtung zur Destillation
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Destillation.
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Es ist bekannt, daß eine destillative Trennung den geringstmöglichen
Energiesufwand nir die Erzeugung von Rilcklaufflüssigkeit und Auftriebsdampf erfordert,
wenn Destillationssysteme zur Verfügung stehen, die es gestatten, die #Ucklaufmenge
in der Verstärkungszone und die Menge des Auftriebdampfes in der Abtriebszone entlang
einer Säule kontinuierlich zu variieren, so daß bei jedem Säulenquerschnitt in beiden
Zonen das jeweilige Minimum an Rücklaufmenge bzw.
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Auftriebsdampf erreicht wird. Die ökonomischen Vorteile dieses,
nicht
adiabatischen Destillationsprinzips sind am größten bei Tieftemperaturprozessen,
wenn für Auftrieb- und RUcklauferzeugnis Kompress ionswärmepumpenkre is läufe verwendet
werden.
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Bei mehreren derartigen Zerlegungsprozessen ist es üblich, die auf
mehrere Säulenniveaus verteilte Kältequellen für die Rücklauferzeugung der Verstärkungszone
und die auf mehrere Niveaus verteilte Wärmequellen der Abtriebszone durch direkten
Wärmetausch zwischen den beiden Zonen bereitzustellen, wobei die beiden Zonen gewöhnlich
unter unterschiedlichen DrUcken arbeiten. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens
zur Erzeugung von Sauerstoff mittlerer Reinheit durch Tieftemperaturdestillation
von Luft ist aus der GB-PS 759 176 bekannt. Die im Rahmen dieses Verfahrens beschriebene
spezielle Wärmeübertragungsvorrichtung für den kombinierten Fraktion ierprozeß weist
in Lagen angeordnete abwechslungsweise glatte und gewellte Platten auf, die derart
verbunden sind, daß sie eine Wärmetauschvorrichtung bilden, wobei die teilverdampfenden
und die teilkondensierenden Ströme in alternierender Folge die jeweiligen Strömungskanäle
durchfließen (GB-PS 783 186). Die Nachteile einer derartigen Konstruktion sind darin
zu sehen, daß ihre Herstellung teuer ist, daß ferner eine gleichmäßige Stromverteilung
zwischen einer Vielzahl von großen parallelen Platten schwer zu erreichen ist und
daß die Verwendung einer derartigen Konstruktion bei Stromdrücken weit oberhalb
von 5 bar nicht
möglich ist. Die Kompliziertheit und der Aufwand
für die Herstellung dieser Konstruktion machen es im Grunde unmöglich, durch Nnderung
der Geometrie der Anordnungen auf verschiedenen Niveaus unterschiedliche Wärmeübertragungsraten
und unterschiedliche Rektifikationsbedingungen auf verschiedene Niveaus der beiden
gekoppelten Zonen zu erreichen, um den thermodynamisch günstigsten Zustand einzustellen
oder einen in thermodynamischer Hinsicht unbefriedigenden Zustand einer Test- oder
Anlaufphase zu korrigieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Destillationszonen
so angeordnet werden, daß sie wie oben erläutert, im gegenseitigem Wärmekontakt
stehen, um eine bestmögliche Annäherung des Fraktionierungsprozesses an den thermodynamischen
Idealzustand zu erreichen.
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Eine derartige Anordnung ist relativ billig und für große Säulen
geeignet. Die erfindungsgemäße Anordnung kann, falls nötig, bei hohen Betriebsdrücken
verwendet werden (bis zu 100 bar).
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Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden im
folgenden unter Hinweis auf die beiliegenden Schemazeichnungen beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt einer ersten Ausfflhrungsform
Figur 2 einen Querschnitt einer Säule aus Figur 1, in der Fraktionierung unter partieller
Verdampfung statt findet, Figuren 3, 4 und 5 Längsschnitte durch drei verschiedene
Formen von Wärmet auschvorrichtungen für die Säule nach Figur 2, Figur 6 eine Ansicht
von oben der Wärmetauschvorrichtung der Figur 5, Figur 7 eine ähnliche Vorrichtung
wie in Figur 2 mit dem Unterschied, daß die Säule als Spaltstromsäule ausgebildet
ist, Figur 8 eine Seitenansicht eines Teils der Säule nach Figur 7, Figur 9 einen
Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform, Figur 10 einen Querschnitt längs der
Schnittlinie A-A der Figur 9.
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Die Anlage der Figur 1 besteht aus zwei Säulen 11 und 12, die gewöhnlich
nebeneinander angeordnet sind. Fraktionierung unter Teilverdampfungsbedingungen
findet in der ersten Säule 11 statt (variable Auftriebsgasmengen) statt, während
in der zweiten Säule 12 Teilkondensation stattfindet (unterschiedliche Rücklaufmenge).
Die zweite Säule 12 wird gewöhnlich unter höherem Druck als die erste Säule 11 betrieben,
in welchem Fall unterschiedliche Zusammensetzungen des selben Gemisches in
beiden
Säulen vorliegen. Beide Säulen enthalten normalerweise Austauschböden 13, die als
Sieb- oder Glockenböden ausgebildet sein können oder andere Kontaktvorrichtungen
aufweisen. Die Austauschböden weisen ferner Wehre 10 (Figur 2) und Ablau£-schächte
in Ubereinstimmung mit der üblichen Praxis auf.
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An einer Zahl von Zwischenstellen entlang der zweiten Säule 12, gewöhnlich
in den Räumen zwischen benachbarten Austauschböden 13, wird Dampf an der Seite der
Säule durch mindestens eine Entnahmeleitung 14 abgezogen. An einer gleichen Zahl
von Zwischenstellen entlang der ersten Säule 11 wird diese Entnahmeleitung oder
werden diese Entnahmeleitungen in regelmäßiger Folge mit Einlaßverteilerrohren 15
verbunden, welche in diese Säule in Räume zwischen den Austauschböden führen, so
daß die Entnahmeleitung oder die Entnahmeleitungen des untersten Auslasses an Säule
12 mit dem untersten Einlaßverteilerrohr oder den untersten Einlaßverteilerrohren
der Säule 11 verbunden ist usw. Die Abstände an beiden Säulen sind nicht notwendigerweise
gleich.
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Die Einlaßverteilerrohre 15 sind mit einer Reihe von nebeneinander
angeordneten Wärmeübe rtragungs elementen 16 (s. Figur 2) verbunden, die unmittelbar
oberhalb der Austauschböden 13 in Säule 11 angeordnet sind.
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Diese Wärmeübertragngselemente 16 bestehen im allgemeinen aus einer
Reihe von parallelen Rohrschlangen, die sich von der Nähe des Einlaßrobres bis in
die Nähe des Auslaßrohres
über die Länge eines Querschnittes des
Austauschbodens 13 erstrecken. Die Höhe jeder dieser Rohrschlangen beträgt ein Vielfaches
ihrer Breite. Die Windungen der Rohrschlangen können horizontal, wie in Figur 3,
oder vertikal, wie in Figur 4, ausgebildet sein und die Rückwegleitung 17 kann zu
einem Auslaßsammelrohr 18 in der Nähe des Einlaßverteilerrohres 15 führen.
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In gleicher Weise können andere Konstruktionsformen von Wärmeübertragungselementen
16 angewendet werden. So kann jedes im Prinzip plattenförmig gestaltet sein, mit
inneren strömungswegen, durch die der Dampf strömt, und im Wärmekontakt mit dem
Schaum oberhalb des Weges kondensiert. Z.B. können die Wärmeübertragungselemente,
wie in den Figuren 5 und 6 gezeigt, aus einem gefalteten Metallblech 19 bestehen,
das entlang seiner Kanten und entlang von vertikalen, regelmäßige horizontale Abstände
aufweisenden, sich über die Zentralflä#he der Platte erstreckenden Linien verbunden
ist und anschließend durch Hydraulikdruck aufgeblasen wurde (entsprechend bestehender
Praxis in der Verdampferkonstruktion für KUhlaggregate), um eine obere Leitung 22
zu erzeugen, die durch eine Reihe von kurzen vertikalen Leitungen 23 mit einer unteren
Leitung 24 verbunden ist.
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Die oberen Leitungen 22 der Platte 19 stehen mit dem Einlaßverteilerrohr
15 und die unteren Leitungen 24 mit dem Auslaßsammelrohr 18 in Verbindung.
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Andere Formen von 'i.ärmeUbertragungselementen sind ebenfalls möglich.
Für jeden Satz von Wärmeübertra##ungselementen 16 ist mindestens ein Auslaßsammelrohr
vorhanden, in welches die Auslässe der Rohrschlangen oder die Auslässe der Platten
19 münden. Die gesamte Querschnittsfläche des Auslaßsammelrohres oder der Auslaßsamnielrohre
1#, beträgt ungefähr die Hälfte der gesamten uerschnittsfläche der Einlaßverteilerrohre
15. Die Auslaßsammelrohre 18 sind im allgemeinen tiefer als die Einlaßverteilerrohre
15 angeordnet. Die Auslaßsammelrohre sind Jeweils durch Rückführleitungen 25 mit
der Säule 12 verbunden.
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Die Rückführleitungen 25 können bei Bedarf mit Hilfe der Ventile 29
kontrolliert werden. Jede der Rückfuhrleitungen 25 tritt etwas oberhalb der entsprechenden
Entnahmeleitung 14 ein, wodurch die unterhalb des Austauschbodens 13 abgezogene
Substanz oberhalb von diesem wieder in die Säule eingeleitet wird.
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Mit Hilfe dieser Konstruktion wird ein Teil des in Säule 12 aufsteigenden
Dampfes innerhalb der Wärmeübertragungselementes 16 in Säule 11 partiell kondensiert
und in die Säule 12 oberhalb des nächstliegenden Austausehbodens zurückgeleitet.
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Die Druckverluste über die entsprechenden Austauschböden 13 in Säule
12 und die Druckverluste in den Verbindungsleitungen 14, 25, 15 und 18 sowie in
den Wärmeübertraggngselementen 16 werden so eingerichtet, daß ein Bruchteil von
etwa 1/2 bis 1/20 des aufsteigenden Dampfes der Säule in die Kondensationsströ:inmgswege
der Säule 11 abgezweigt wird. Dort werden etwa 1/5 bis 4/5,
vorzugsweise
etwa die Hälfte des abgezweigten Gasstromes kondensiert. Der kondensierte Anteil
fließt zusammen mit dem nicht kondensierten Dampf zurück in die Säule 12.
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Um den Rückfluß des Kondensates aus dem Wärmeübertragungselementen
16 in Säule 11 zurück zu Säule 12 zu erleichtern, wird, wie gezeigt, Säule 11 im
allgemeinen etwas höher angeordnet als Säule 12. Auf diese Weise erhalten die Dampfentnahmeleitungen
14, die die Auslässe der Säule 12 mit den Einlaßverteilerrohren 15 In Säule 11 verbinden,
einen vertikal ansteigenden Teil 26, so daß die Rückführung von den Auslaßsammelrohren
18 entweder horizontal oder leicht ergab verläuft. Die Rückführleitungen nach Säule
12 können so gestaltet werden, daß das zurückfließende Kondensat mit der Säulenflüssigkeit
auf dem entsprechenden Austauschboden 13 und der zurtlckströmende Dampf mit dem
in der Säule aufsteigenden Dampf zwischen den Austauschböden vermischt wird.
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Auf diese Weise arbeitet Säule 12 als Destillationssäule mit unterschiedlichen
Rücklaufmengen, da der Dampf, der bei 27 in den unteren Teil der Säule eintritt,
partiell kondensiert wird, während er von Austwschboden zu Austauschboden aufsteigt,
dadurch daß ein Teil davon, wie beschrieben, auf mehreren Niveaus abgezogen und
partiell kondensiert wird. Die Zahl der Abzugsstellen für den Dampf zum Zwecke der
partiellen Kondensation kann so bemessen sein, daß im Grunde der gesamte Dampf während
des Aufsteigens zum Kopf der Säule kondensiert
wird. In diesem
Fall kann es nötig sein, die wirksame Austauschfläche der Austauschböden 13 im oberen
Teil der Säule zu verkleinern, so daß ein guter Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit
an den oberen Austauschböden gewährleistet ist. Es ist ferner notwendig, einen größeren
Dampfanteil an der obersten Stelle der Säule 12 abzuziehen und zu kondensieren.
Zwischenentnahmestellen für Flüssigkeit, wie bei Punkt 28, können an einer oder
an mehreren Stellen der Säule 12 vorgesehen werden.
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Es ist nicht empfehlenswert, den an den jeweiligen Zwischenniveaus
abgezogenen Dampf dieser Säule vollständig zu kondensieren, außer wenn der aufsteigende
Dampf nahezu rein ist, weil die Kondensation-sonst über einen Temperaturbereich
stattfindet. Dieser Temperaturbereich sollte jedoch so klein wie möglich gehalten
werden. Durch die beschriebene Anordnung wird ebenfalls für die Anwesenheit von
inerten Bestandteilen in dem aufsteigenden Dampf gesorgt. Dampfentnahmestellen können
an jeder Stelle zwischen zwei benachbarten Austauschböden angeordnet sein. Entsprechend
den Verfahrenserfordernissen können auch weniger Dampfentnahmestellen in regelmäßigen
oder unregelmäßigen Abständen vorgesehen werden.
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Säule 11 arbeitet als Abtriebssäule mit unterschiedlichem Dampfauftrieb,
da die herabfließende Flüssigkeit durch die Wärmeübertragungselemente 16 fortschreitend
verdampft wird.
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Die Anwesenheit der Wärmeübertragungselemente 16 auf einigen oder
auf allen Austauschböden 13 behindert den Durchsatz oder den Zerlegungsvorgang dieser
Säule aus folgenden Gründen nicht.
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1. Die WärmeUbertragungsvorrlchtungen erstrecken sich nicht über
die ganze vertikale Distanz zwischen zwei Austausohböden sondern beanspruchen normalerweise
lediglich ein Drittel bis zwei Drittel dieses Abstandes. Die endgültige Freisetzung
von Dampf aus der Flüssigkeit (welche die erlaubbare überschüssige Dampfgeschwlndigkeit
und somit den ILolonmendurchmesser bestimmt) ist nicht durch die Anwe#cnheit der
Wärmeübertragungsvorrichtungen beeinträchtigt.
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2. Es wurde gefunden, daß Sperren, die sich über die Austauschböden
erstrecken, die im allgemeinen in Richtung des Flüssigkeitsstromes über den Platten
ausgerichtet sind, den Fraktloniervorgang verbessern, indem sie die Schaumhydraulik
stabilisieren. Die Sperren stellen Trockenkanäle dar, durch die die Flüssigkeit,
die in dem Schaum nach oben gefördert wurde, auf den Austauschboden zurückkehren
kann, wodurch schließlich ein Flüssigkeitskurzschluß vermieden wird.
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Die Wärmeübertragungselemente 16 wirken in der Tat in Säule 11 als
Sperren dieser Art. Obwohl Säule 11 im wesentlichen eine Abtriebssäule ist, kann
ein zusätzlicher Dampfeinlaß 30 an oder nahe ihrem unteren Ende bei Bedarf vorgesehen
werden. In den RWakrUhrleltungen für dus FlUss igke its dampfgemis ch 14 können
Ventile oder andere einstellbare Durchflußbegrenzungsvorrichtungen angeordnet sein,
so daß die Menge der übertragenden Wärme entlang der Säulen reguliert werden kann.
So kann beispielsweise Säule 11 so konzipiert werden, daß an ihren oberen Austauschböden
mehr Wärmeübertragungselemente 16 angeordnet werden als
theoretisch
notwendig ist und die optimalen Betriebsbedingungen können eingestellt werden, indem
der Durchfluß durch diese Wärmeübertragungselemente teilweise oder vollständig unterbunden
wird. Eine Regulierun der übertragenden Wcirmemengen kann ebenfalls notwendig werden,
wenn die Anlage unter Teillast betrieben wird.
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Die Figuren 7 und 8 zeigen wie das erfindungsgemäße Prinzip vorteilhafterweise
angewendet wird, wenn die Säule 11 eine Spaltstromsäule is. Die Wärmeübertragungselemente
16 sind auf gegenüberliegenden Platten angeordnet, über die die Flüssigkeit in entgegengesetzten
Richtungen strömt. Die Flüssigkeit kommt von einem paar von Einlaßwehren 30 und
fließt zu einem zentralen Auslaßwehr 31 und einem zentralen Ablaufschacht 32.
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Die Wärmeübertragungselemente erstrecken sich in diesem Fall in zwei
Reihen über den Austauschboden in entgegengesetzter Richtung ausgehend von dem Verteiler
bzw. Sammelrohren, die im Bereich des Auslaßwehres 31 angeordnet sind. Die dargestellte
Anordnung weist ein gemeinsames Einlaßverteilerrohr 15 für beide Reihen der Wärmeübertragungselemente
auf. Es sind jedoch zwei getrennte Auslaßsammelrohre für die beiden Reihen vorgesehen.
Eine ähnliche Anordnung könnte bei Spaltstromaustauschböden angewandt werden, wenn
die Wärmetauschvorrichtungen zwischen allen Austauschböden oder unregelmäßig zwischen
den Böden einer Abtriebssäule angebracht werden sollen.
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In den Figuren 9 und 10 ist eine andere Ausführungsform dargestellt,
bei der in der Verstärkungssäule 12 eine größere Anzahl von Austauschböden verlangt
wird als in der Abtriebssäule 11. In diesem Fall ist zur Erläuterung eine regelmäßige
Anordnung gezeigt, in der Wärmeübertragungselemente 16 auf allen Austauschböden
eines bestimmten Abschnittes der Abtriebssäule 11 angeordnet sind, während Dampfabzweigungen
und Flüssigkeitsrückführungen nur bei jedem dritten Austauschboden der Verstärkungssäule
12 vorgesehen sind. In diesem Fall ist die Abtriebssäule 11 rechteckig ausgebildet,
so daß die Wärmeübertragungselemente 16 regelmäßig so angeordnet sein können, daß
sie die volle Querschnittsfläche abdecken. Die Behälterwände der Säule sind in vertikaler
Richtung ausgebuchtet, um auf diese Weise einem größeren Innendruck standhalten
zu können. Es kann in diesem Fall notwendig sein, die Säule mit inneren Spannungs
verstrebungen oder ähnlichen Vorrichtungen zu versehen, die zwischen der oberen
und der unteren Abschlußplatte der Säule angeordnet sind, um zu verhindern, daß
sich die Säule in vertikaler Richtung ausdehnt, wenn sie unter Druck gesetzt wird.
Die Anordnung der Wehre und Ablaufschächte sind in den beiden Säulen nicht gezeigt.
Diese können jedoch in gewöhnlicher Ausführung gestatet sein. Es könnte auch die
durch die Perforation der Austauschböden entstehende freie Fläche für den Flüssigkeitsabfluß
ausreichen. Hilfsweise kann Flüssigkeit an mehreren Zwischenstellen der Hochdrucksäule
12 wie zuvor entnommen werden.
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Bezüglich jeder dieser gezeigten Anordnungen können Berechnungen
durchgerührt werden, um präzise zu zeigen, auf welchen Austauschböden der Abtriebssäule
die Wärmeübertragungs -elemente eingefügt werden sollten und mit welchen entsprechenden
Austauschböden der Verstärkungssäule diese verbunden werden sollten, um die größtmögliche
Anpassung und beste Kopplung der beiden Destillationsprozesse zu erreichen. Im allgemeinen
wird dies zu näherungsweise parallelen Temperaturprofilen entlang einer beträchtlichen
Länge beider Säulen führen. Ventile oder andere Durchflußleitungen in einigen oder
in allen der RUckführleitungen fUr das Flüssigkeitsdampfgemisch geben die Möglichkeit,
das System im Betriebszustand endgültig abzustimmen, um so die bestmögliche Durchführung
des Zerlegungsprozesses zu erreichen.
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Die Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf eine äquivalente Aus führungs
form, bei der die Wärmeübertragungselemente auf einem oder auf allen Austauschböden
der Verstärkungssäule angeordnet sind und bei der zumindest ein Teil der von den
Austauschböden abgezogenen Flüssigkeit der Abtriebesäule teilweise verdampft wird
und die resultierende Zweiphasenmischung in die Abtriebssäule an die selbe Zwischenstelle,
an der sie abgezogen wurde, zurückgeführt wird. Alle Varianten in Bezug auf die
Verteilung der Abzugspunkte und die Anordnung der korrespondierenden Wärmeübertragungselemente,
wie dies oben für den Fall der partiellen Kondensation beschrieben wurde, gelten
in
diesem Fall entsprechend. Im allgemeinen ist jedoch als Prinzip, nach dem Flüssigkeit
aus der Abtriebssäule abgezogen wird, als weniger günstig anzusehen, weil in der
Hochdrucksäule die für die Einfügung der Wärmeübertragungselemente zur Verfügung
stehende Fläche kleiner ist und die Wärmeübertragungscharakteristiken schlechter
sind. Ferner ist der Druckverlust in diesen Elementen und den Sammelrohren we lt
aus schwieriger anzupassen.
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Die in den Zeichnungen dargestellten Säulen weisen aus Gründen der
bequermeren Darstellungsweise nur wenige Austauschböden auf. In der Praxis kann
die Zahl der Austauschböden 20 ohne weiteres übersteigen.
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Weitere Modifikationen sind intSglich, ohne von dem Erfindungsgedanken
abzuweichen. So können, falls nötig, die Wärmeübertragungselemente in der Säule
11 sekundäre Wärmetibertragungstlächen in Form von internen oder externen Rippen
oder dergleichen aufweisen. Ebenso können die Wandabsehnitte der Säule 11, die in
Figur 9 konvex ausgebildet sind, stattdessen auch konkav sein.
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