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Schlitz-Glockenboden
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Die Erfindung betrifft einen Schlitz-Glockenboden mit einem den Boden
durchdringenden Dampfhals, der durch eine Glockenhaube abgedeckt ist, und einen
Ablaufschacht mit hieren befindlichem Wehr sowie einen Prallteller aufweist.
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Bei Stoffen oder Stoffgemischen muss häufig ein Austausch-bzw. Trennvorgang
durchgeführt werden, den man als Destillation, Rektifikation, Absorption oder Extraktion
bezeichnet.
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Eine Austauch- bzw. Trennwirkung wird hierbei häufig durch den Einbau
von Austauschelementen zur Erzielung einer grossen
Phasengrenzfläche
zwischen Flüssigkeit und Dampf begünstigt.
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Diese sollten so beschaffen sein, dass bei hoher Durchsatzleistung
und breitem Belastungsbereich eine hohe Trennwirkung erzielt wird. Füllkörper, Packungen
und Böden erfüllen als Kolonneneinbauten in unterschiedlichem Masse diese Forderungen.
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Die Leistungsfähigkeit eines Bodens ist durch seiner Wirkungsgrad,
auch Bodentrennwirkung genannt, gekennzeichnet.Aus:der Literatur, z.B. R.Billet,
Industrielle Destillation" Verlag Chemie, Weinheim 1873,S.31 9ff sind je nach Stoffgemisch
und Art des Rektifizierbodens z.B.
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Bodentrennwirkungen zwischen 0,35 und 0,8 bekannt. Der Wert dieses
Wirkungsgrades beeinflusst über die Zahl der zur Erzielung eines bestimmten Trenneffekts
erforderlichen Böden die Höhe einer Kolonne. Der Bodenwirkungsgrad (Bodentrennwirkung)
geht damit unmittelbar in die Höhe der Investionskosten ein.
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Bisher bekannte Glockenböden bestehen aus einem den Boden durchdringenden
rohrförmigen Dampfhals, über den eine haubenförmige, am untere Rand gezackte oder
geschlitzte Glocke aufgesetzt ist. Das Ablaufrohr ist im allgemeinen dezentral neben
der Glocke angeordnet, wobei durch die Höhe des oberen Rohres (Wehr) der Flüssigkeitsspiegel
auf dem Boden gegeben ist. Das vom oberen bis zum unteren Boden hinabreichende Ablaufrohr
wird durch die Flüssigkeitsschicht des unteren Bodens gegen aufsteigenden Dampf
gesperrt. Die Länge des Ablaufrohrs ist somit dem Bodenabstand angepasst, der durch
Distanzstücke fixiert sein kann.
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Der Dampf strömt bei den bisher bekannten Glockenböden von unten durch
den Glockenhals in die Glocke, wird in der
Glockenkuppel umgelenkt
und durchperlt unter dem Glockenrand hindurch die auf dem Boden befindliche Flüssigkeitsschicht.
Diese fliesst über das Ablaufrohr (Wehr) auf den darunter befindlichen Boden ab.
Die Grösse der auf dem Boden entstehenden Phas ngrenzfläche zwischen Flüssigkeit
und Dampf bestimmt die Bodentrennwirkung, die, wie eingangs erwähnt, gewöhnlich
einen Wert von maximal 0,8 erreicht.
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Wenn es nun gelingt, durch eine optimale Flüssigkeits- und/ oder Dampfführung
die Phasengrenzfläche wesentlich zu vergrössern, dann ist eine höhere Bodentrennwirkung
zu erwarten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Austauschboden zu
schaffen, der bei einfacher Konstruktion eine Erhöhung der -Ibislang erreichbåren
Trennwirkung erlaubt. Hierbei soll der Boden insbesondere den Einsatz der üblichen
Formen der Glockenhaube - z.B. als geschlossene Flachhaube, Regenschirmhaube,- -etc.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schlitz-Glockenboden des eingangs genannten
Typus gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Dampfhals und die darüber
befindliche Glocke beide in Form eines Ringes ausgebildet sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ablaufschacht
zu dem Dampfhals mit der Glocke zentrisch angeordnet.
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Wie von herkömmlichen Glockenhauben bekannt, kann deren Rand beim
- erfindungsgemässen Schlitz-Glockenbodens gezackt, geschlitzt, perforiert oder
in anderer Weise
zweckmässig ausgebildet sein, um den Übergang der
einzelnen Gasblasen in die Flüssigkeitsphase zu erleichtern.
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Die Glocke kann - abgesehen von ihrer umlaufenden Ringform -als geschlossene,
konventionelle Glockenform, als Regenschirmglocke oder z.B. Flachglocke ausgebildet
sein, wobei letztere Form besonders bevorzugt ist. Liegt nämlich nach einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung die Höhe des Wehrs über der der Glocke, so kann diese
von der Flüssigkeit völlig überflutet werden, was im Hinblick auf einen optimalen
Phasenaustausch bevorzugt ist. Da andererseits der von den Gasblasen zu durchlaufende
Flüssigkeitspegel mit zunehmender Höhe diesen Gasdurchtritt erschwert, ist die Wahl
einer Flachglocke besonders günstig, da diese die vorteilhafte Überflutung bei geringen
Flüssigkeitshöhen erlaubt.
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2ch einer weiteren Ausbildung der Erfindung können Prallteller und
oberes Ende des Distanzrohres derart ausgebildet sein0 dass sie als Stützelement
für einen weiteren Glockenboden dienen können Durch diese Bauweise kann der erforderliche
Bodenabstand bis ZU 20 e verringert werden Eine besonders bevorzugte Bauweise sieht
insbesondere eine derartige Ausbildung des Distanzrohares vor, dass es durch die
Aufnanahme von Distanzstücken die Abstandsfixierung mehrerer Böden zueinander erlaub.
Hierdurch ist es möglich ohne Umstellung der Maschinen im Herstellungswerk aus mehreren
Böden bestehende Austauscher-bzw. Trennkolonnen untexschiellicher @öhe zu erzeugen,
da die Endhöhe der kolcnne u.a. über Distanzstücke gesteuert werden kann.
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Bei einigen Ausführungsformen gemäss der Erfindung kann es bevorzugt
sein, den Rand der Glocke an bestimmten Teilen tiefer als an anderen herabzuziehen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Rand an der dem Ablaufschacht
zugewandten Seite tiefer herabgezogen ist. Hierdurch wird ein Austritt des Dampfes
aus der Glockenhaube überwiegend an deren Aussenseite möglich, was bei niedriger
Belastung des Bodens vorzuziehen sein kann.
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Der Glockenboden kann aus üblichen Materialien, je nach Einsatz, wie
Metall, Glas oder Kunststoff, bestehen. Selbstverständlich ist es auch möglich,
einzelne Bauteile aus verschiedenen Baustoffen zu schaffen.
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Anhand einer bevorzugten Ausführungsform, die in der beigefügte Figur
gezeigt ist, soll das Wesen der Erfindung erläutert werden. Insbesondere wird die
Wirkungsweise hieraus gut erschtlich: Das von unten aufsteigende Dampfgemischt trifft
zunächst auf den Prallteller 1, der gleichzeitig Stützelement und Abstandselement
sowie Verteilungselement für die ablaufende Flussigkeit ist. Nach Umlenkung und
Abscheidung mitgeführter Tropf chen gelangt der Dampf durch die keisförmige Perforation
2 der Bodenplatte und den Ring schlitz 3 in die kreisringförmige Haube 4 (,Glocke").
Nach entsprechender Umlenkung strömt der Dampf aus der Ringhaube a unter deren gezackten
oder geschlitten Rändern hindurch in den äusseren 5 und inneren 6 Bodenrauma wobei
er die auf dem Boden stehende rlüssigkeit durchperlt. Von dort geLangt er an den
Prallteller 7 des darüber befindlichen Bodens
Die von 7 ablaufende
Flüssigkeit gelangt entgegen den aufsteigenden Dampf in den Bereich des äusseren
Bodenraumes 5 und fliesst radial über die Ringhaube 4 zum Bodenraum 6 und weiter
durch öffnungen im Distanzrohr 8 in das zentral angeordnete und im Verhältnis zum
Bodendurchmesser genügend gross dimensionierte Ablaufrohr 9, dessen Oberkante das
Wehr 10 bildet. Am unteren Ende von 9 wird die Flüssigkeit als Dampf sperre aufgestaut
und gelangt über die im Stützelement 1 angebrachten öffnungen auf den Prallteller
1 und in den darunter befindlichen Boden. Eine als Dampfsperre dienende Wandung
des Bodens ist in der Figur schliesslich mit 11 bezeichnet, während die Bezugsziffern
12, 13 Mantelöffnungen für die abströmende Flüssigkeit und 14 Mantelöffnungen zum
Druckausgleich bezeichnen.
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Durch die als Ringhaube in besonderer Form ausgebildete Glocke wird
der Glockenrand gegenüber der herkömmlichen Bauweise und damit auch die Phasengrenzfläche
zwischen Flüssigkeit und Dampf wesentlich vergrössert. Dies bewirkt die erwünschte
Erhöhung der Bodentrennwirkung. Infolge des vergrösserten Glockenrandes wird außerdem
die maximale Belastbarkeit des Bodens erhöht.
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In gleicher Weise günstig wird die Bodentrennwirkung beeinflusst durch
die erzwungene Radialströmung der Flüssigkeit auf dem Boden quer zur Dampfströmung,
durch die Gegenströmung von Dampf und ablaufender Flüssigkeit im Raum über den Boden
und durch die Abscheidung der vom unteren Boden mitgeführten Flüssigkeitströpfchen
aus dem aufsteigenden Dampf am Prallteller, wodurch eine Bodentrennwirkung von 1,0
und mehr erzielt werden kann.
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Der erfindungsgemässe Schlitzglockenboden kann in einer Reihe von
Austauschelementen Anwendung finden. Besonders günstige Wirkungen werden z.B. bei
dessen Verwendung in Destillations- bzw. Rektifikationskolonnen erzielt. Es ist
aber auch für die Flüssig-Flüssig-Extraktion im Gegenstromprinzip, wie auch für
Extraktions- bzw. Absorptionstürme
geeignet. Hierbei ist je nach
gewünschtem Einsatz natürlich möglich, mehrere Schlitzglockenböden nebeneinander
und/oder übereinlnder vorzusehen. Für bestimmte Anwendungen kann der Glockenboden
auch aus zwei oder mehreren sich konzentrisch umgebenden Dampfhälsen mit zugehörigen
Glockenhauben bestehen, wobei in diesem Fall ebenfalls ein zentrischer Ablaufschacht
für den Betrieb ausreichend sein kann.
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Die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Schlitz-Glockenbodens erlaubt
eine bessere Trennwirkung sowie Maximalbelastung des Bodenelements. Dies soll durch
die nachfolgenden Beispiele gezeigt werden.
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In diesen wurde eine Rektifikationskolonne mit mehreren übereinanderliegenden
Böden eingesetzt, in der bei zentrischer Anordnung von Ablaufschacht und darin befindlichem
Wehr, letzteres die Oberkante der gezackten Ringglocke etwas überragte,so dass eine
vollständige Überflutung der Ringglocke erreichbar war.
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Beispiel 1 Testgemisch: Cyclohexan-Toluol Kolonne: Ringschlitz-Glockenboden-Kolonne
mit 4 Böden aus Stahl St 4571 Rückflussverhältnis: V = Dampfgeschwindigkeit: tau0,1
m/sec.
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Zusammensetzung der Flüssigkeit auf Boden 1: Massenanteil Cyclohexan:
WC = 17,7 % Massenanteil Toluol: WT = 82,3 % Zusammensetzung der Flüssigkeit auf
Boden 4: Massenanteil Cyclohexan: Wc = 89,4 % Massenanteil Toluol: WT = 10,6 % (Analysenmethode:
NMR (Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie), Mittelwerte aus je 4 Messungen) Anzahl
der theoretischen Böden (Trennstufen) nach Mc Cabe-Thiele (2): nth = 4,0 Bodentrennwirkung
nth = 1,0 npr (nth: Zahl der theoretischen Böden (Trennstufen), npr Zahl der praktischen
Böden).
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Beispiel 2 Testgemisch: Benzol-Toluol Kolonne: Ringschlitz-Glockenboden-Kolonne
mit 4 Böden aus Stahl Rückflussverhältnis: V = # Dampfgeschwindigkeit: O,1 m/sec.
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Zusammensetzung der Flüssigkeit auf Boden 1: Massenanteil Benzol:
WB = 15,7 * Massenanteil Toluol: WT = 84,3 * Zusammensetzung der Flüssigkeit auf
Boden 4: Massenanteil Benzol: WB = 84,5 % Massenanteil Toluol: WT = 15,5 % (Analysenmethode:
NMR (Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie), Mittelwerte aus je 5 Messungen) Anzahl
der theoretischen Boden (Trennstufen) nach Mc Cabe-Thiele (2): nth = 3,85 Bodentrennwirkung
nth ### = 0,96 (nth:Zahl der theoretischen Böden (Trennstufen); npr: Zahl der praktischen
Böden) Beispiel 3 Testgemisch: Cyclohexan-Methylcyclohexan Kolonne: Ringschlitz-Glockenboden-Rolonne
mit 4 Böden aus Stahl St 4571 Rückflussverhältnis: V = Dampfgeschwindigkeit: #0,1
m/sec.
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Zusammensetzung der Flüssigkeit auf Boden 1: Massenanteil Cyclohexan:
Wc = 19,1 % Massenanteil Methylcyclohexan: WM = 80,9 % Zusammensetzung der Flüssigkeit
auf Boden 4: Massenanteil Cyclohexan: Wc = 74,6 % Massenanteil Methylcyclohexan:
WM = 25,4 % (Analysenmethode: NMR (Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie),Mittelwerte
aus je 7 Messungen) Anzahl der theoretischen Böden (Trennstufen) nach Mc Cabe-Thiele
(2): nth = 3,71 Bodentrennwirkung ### = 0,93 (nth: Zahl der theoretischen Böden
(Trennstufen); npr: Zahl der praktischen Böden).
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Beispiel 4 Testgemisch: n-Heptan - Methylcyclohexan Kolonne: Ringschlitz-Glockenboden-Kolonne
mit 4 Böden aus Stahl St 4571 Rückflussverhältnis: V = Co Dampfgeschwindigkeit:
0,1 m/sec.
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Zusammensetzung der Flüssigkeit auf Boden 1: Massenanteil n-Heptan:
WH = 57,1 z Massenanteil M-Cyclohexan: WM = 42,9 * Zusammensetzung der Flüssigkeit
auf Boden 4: Massenanteil n-Heptan: WH = 65,1 % Massenanteil M-Cyclohexan: WM =
34,9 % (Analysenmethode: UR (Ultrarot-Spektroskopie) Mittelwerte aus je 4 Messungen)
Anzahl der theoretischen Böden (Trennstufen) nach Mc Cabe-Thiele (2): nth = 4'37
Bodentrennwirkung: (nth/npr) = 1,09 (nth: Zahl der theoretischen Böden (Trennstufen);
npr: Zahl der praktischen Böden.)