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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Durchführung von
Stoff- und Wärmeaustauschprozessen, insbesondere auf einen Film-Stoff- und Wärmeaustauscher
vom Rotortyp zur Durchführung von Prozessen unter Beteiligung von Flüssigkeit und
Gas, z.B. von Destillations-, Rektifikations-, Absorptionsprozessen sowie der Naßentstaubung
von Gas. Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung ist die Destillation
und Vakuuriiektifikation von Stoffen, die gegenüber erhöhten Temperaturen empfindlich
sind, z.B. von Laktarnen, Fettsäuren, mehrwertigen Alkoholen, Äthanolaminen, schwersiedenden
Estern, diversen Ölen, Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Erzeugnissen.
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Bekannt ist ein Film-Stoff- und Wärmeaustauscher vom Rotor typ (siehe
UdSS>t-Urheberschein Nr. 203 621), bestehend
aus einem senkrechten
Gehäuse mit Mitteln zur Einführung von den am Prozeß beteiligten Ausgangsprodukten
in das Gehäuse und zur Abführung von Endprodukten daraus, aus einer senkrechten
Welle, die im Gehäuse drehbar montiert ist, einigen Kontaktstufen, die an der Welle
befestigt sind, sowie aus einer Vorrichtung zum überlaufen der Flüssigkeit zwischen
den Stufen. Die Kontaktstufen sind mit einem gewissen Abstand voneinander angeordnet.
Die Kontakts.bufen werden von Bändern gebildet, die in Form von von der Welle aus
auseinandergehenden Spiralen gekrümmt sind. Die Bänder sind außerdem an ihren Kanten
in Richtung zur Welle umgebördelt.
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Die Vorrichtungen zum Überströmen von Flüssigkeit von einer Kontaktstufe
auf die andere werden in Form von ringförmigen Flüssigkeitsabscheidern und Überlaufrohrleitungen
ausgeführt. Die ringförmigen Flüssigkeitsabscheider sind an der inneren Seitenlizandung
des Gehäuses befestigt. Sie dienen zur Aufnahme von Flüssigkeit, die von den Kontaktstufen
abgegeben wird. Die überlaufrohrleitungen sind im Raum zwischen den Kontaktstufen
angebracht. Die Aufnahmeenden der Uberlaufrohrleitungen kommunizieren mit den ringförmigen
Flüssigkeitsabschaidern für die Aufnahme von Flüssigkeit, die von den obenliegenden
Kontaktstufen abfließt.
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Die Auslaßenden der Überlaufrohrleitungen sind über den darunterliegenden
Kontakt stufen angeordnet.
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Das Gehäuse des Austauschers kann außen mit einem SRIantel versehen
sein.
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Beim Betrieb des bekannten Austauschers strömt das Gas in ihn von
unten durch einen Rohransatz im unteren Teil des Gehäuses ein, durchquert aämtliche
Kontaktstufen, wobei es in den Spalten zwischen den Bändern strömt, und wird durch
einen Rohransatz im oberen Teil des Gehäuses aus dem Austauscher entfernt. Die Flüssigkeit
wird durch den Rohransatz im oberen Teil des Gehäuses der obersten Kontaktstufe
zugeführt. Unter der Einwirlrung der Zentrifugalkraft gelangt die Flüssigkeit an
die innere Oberfläche der spiralförmigen Bänder, die der Welle zugedreht ist, und
fließt weiter in einer spiralförmigen Bahnlinie vom Zentrum zur Peripherie der jeweiligen
Kontaktstufe, wobei sie mit dem Gas in Berührung kommt. Von der Peripherie einer
sich drehenden Kontaktstufe wird die Flüssigkeit auf die innere Oberfläche des Austauschergehäuses
in Form von Tropfen und Strahlen geschleudert. Unter der Einwirkung der Schwerkraft
strömt die Flüssigkeit an der Wandung des Gehäuses in Form eines Filmes in einen
ringförmigen Flüssigkeitsabscheider, der die Kontaktstufe umgibt. Aus dem ringförmigen
Flüssigkeitsabscheider fließt die Flüssigkeit in das Aufnahme ende der überlaufrohrleitung.
Durch das Ablaßende der Überlaufrohrleitung wird die Flüssigkeit auf die nächste
etwas niedriger angeordnete Kontaktstufe abgeführt. Die von der untersten Kontaktstufe
abgelassene Flüssigkeit wird aus dem Austauscher durch einen Rohransatz im unteren
Teil des Gehäuses entfernt. Der Stoff- und Wärmeaustausch erfolgt im Austauscher
in den Spalten zwischen den
spiralförmigen Bändern, in der Violke
aus Spritzern, die die Spalten zwischen den Kontaktstufen und den landungen des
Gehäuses ausfüllt, sowie in dem Film, der die innere Ober.
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fläche des Gehäuses berieselt, Beim Betrieb des bekannten Stoff- und
Wärmeaustauschers wird die innere Oberfläche seines Gehäuses von den Strahlen und
Spritzern der Flüssigkeit berieselt, die von den sich drehenden Kontakt stufen abgegeben
wird, und ist teilweise mit einem verwirbelten flüssigkeitsfilm bezoen.
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Wenn der Austauscher mit einem äußeren Mantel versehen ist, in dem
ein Wärme- bz, kältemittel zirkuliert, können an der inneren Oberfläche des Austauschergehäuses
die Prozesse der Kühlung, Erwärmung oder sogar des Eindampfens des Flüssig keitsfilmes
neben den Sboff- und Wärmeaustauschprozessen in den spiralföraigen Bändern erfolgen.
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Der bekannte Stoff- und Wärmeaustauscher weist jedoch eine Reihe
von Mängeln auf, die die Wirksamkeit des Stoff-und Wärmeaustausches herabsetzen.
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Einer der Nachteile besteht im niedrigen @utzungsgrad des itrbeitsraumes
des austauschers, Der genannte Mutzungsgrad gilt für das Verhältnis des Volumens,
das nur von den Kontaktstufen eingenommen wird, zun vollständigen Innenvolumen des
Austauschers. Die Größe dieses Koeffizienten liegt stets unter bins, weil es zwischen
den Kontiktstufen ständig eine Lücke oibtS die lediglich zur Anbringung von tYberlaufrohrleitungen
dient und für die Ausführung des Kontaktpro zesses zwischen Flüssigkeit und Gas
unmittelbar nicht genutzt
wird. Man würde annehmen, daß der Nutzungsgrad
des Arbeitsraumes des Austauschers durch die Vergrößerung der Höhe der Kontaktstufen,
d.h. der Breite der spiralförmigen Bänder, gesteigert werden kann. Dann könnte die
Anzahl der Kontaktstufen in einem Austauscher mit vorgegebener Höhe und demzufolge
auch die Anzahl von Lücken im Austauscher reduziert werden. Da die Höhe der genannten
Lücken von der Höhe der Kontaktstufen im wesentlichen nicht abhängig ist, so würde
der Anteil des Arbeitsraumes, den die Lücken einnehmen, durch die Verringerung ihrer
gesamten Anzahl herabgesetzt werden.
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Das würde eine Steigerung des Nutzungsgrades des Arbeitsraumes des
Austauschers zur Folge haben und demzufolge die Wirksamkeit des Stoff- und Wärmeaustausches
im jeweiligen Austauscher erhöhen.
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In Wirklichkeit sind jedoch der Zunahme der Höhe einer Kontaktstufe
bestimmte Grenzen gesetzt. Es handelt sich daru, daß auf den Flüssigkeitsfilm, der
die innere Oberfläche der spiralen Bänder überzieht, die an ihren Kanten in Richtung
zur Welle umgebördelt sind, eine Zentrifugalkraft, die vom Zentrum zur Peripherie
einer Kontaktstufe gerichtet ist, und eine Schwerkraft einwirkt, die nach unten
gerichtet ist. Die Resultierende sämtlicher auf den Film einwirkenden Kräfte verschiebt
den Film vorwiegend zum unteren umQebördel-ten Rand. Dadurch verringert sich die
Stärke des Filmes allmählich in Richtung vom unteren Rand des jeweiligen Bandes
zum oberen. Daher würde die Vergrößerung d'r Iiöh'.j der jeliveiligen Kontaktstufe
bzw., was das gleiche
bedeutet, der Breite des spiralförmigen Bandes
über eine bestimmte Grenze für den vorgegebenen Flüssigkeitsverbrauch hinaus eine
unvollständige Berieselung des spiralförmigen Bandes verursachen. Derjenige Teil
des Bandes, der an seinen.oberen abgebördelten Rand angrenzt, würde von Flüssigkeit
unbenetzt bleiben. Dabei würde der obere Teil der Kontaktstufen aus dem Stoff- und
Wärmeaustausch ausgeschlossen und der Nutzungsgrad des Arbeitsraumes des Austauschers
beim früheren niedrigen Stand bleiben.
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Hierdurch ist bei dem bekannten Film-Stoff- und Wärmeaustauscher
die Höhe des Nut zungs grades des Arbeitsraumes des Austauschers begrenzt, wodurch
die Wirksamkeit des Stoff- und Wärmeaustausches in dem Austauscher herabgesetzt
wird.
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Ein weiterer Nachteil des bekannten Film-Stoff- und Wärmeaustauschers
besteht in der ungenügenden Verwirbelung einer Gasphase, die sich in den Spalten
zwischen den spiralförmigen Bändern vom unteren Rand eines Bandes zum oberen Rand
bewegt. Eine zusätzliche Verwirbelung der Gasphase in den Spalten einer Kontaktstufe
würde ermöglichen, die Wirksamkeit des Stoff- und Wärmeaustausches im Austauscher.zu
erhöhen.
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Noch ein weiterer Nachteil des bekannten Film-Stoff-und Wärmeaustauschers
besteht in einer ungenügend gleichmäßigen Verwirbelung des Films der Flüssigkeit,
die an der
inneren Oberfläche des Gehäuses unter Einwirkung der
Schwerkraft nach unten abfließt. Der Flüssigkeitsfilm wird intensiv nur auf dem
schmalen ringförmigen Streifen der Innenwandung des Gehäuses verwirbelt, der unmittelbar
die Peripherie einer Kontaktstufe umgibt. Der wesentliche Teil der inneren Oberfläche
des Gehäuses des bekannten Austauschers wird entweder von den ringförmigen Flüssigkeitsabscheidern
eingenommen oder mit einem ruhig abfließendon Flüssigkeits film bezogen. Die fergröBerung
des Anteils der Oberfläche des Gehäuses, die mit spritzen und flüssigkeitsstrahlen
beaufschlagt wftd,würde zur Erhöhung der Wirksamkeit des Stoff- und ärmeaustausches
an der berieselten Gehäuse oberfläche und demzufolge auch in den hustauscher insgesamt
beitragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Film- Stoff- und
l,ärmeaustauscher vom Rotortyp zu schaffen, dessen Kontakstufe einen hohen Nutzungsgrad
des Arbeitsraumes, eine zusätzliche Verwirbelung der Gasphase in den Spalten zwischen
den spiralförmigen Bändern sowie eine gleichmäßige We;wirbelung des Flüssigkeitsfilmes
an den Innenwandungen des Gehäuses sichert.
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Das wird dadurch erreicht, daß in dem Film-Stoff und Wärmeaustauscher
vom Rotortyp, bestehend aus einem senkrechten Gehäuse mit Mitteln für die Einführung
von am Prozeß beteiligten Ausgangsprodukten in das Gehäuse und für die Abführung
von Endprodukten aus dem Gehäuse, aus einer senkrechten Welle, die drehbar im Gehäuse
montiert ist, einigen
Kontaktstufen, die an der Welle befestigt
und von Bändern gebildet sind, die in Form von von der Welle aus auseinandergehenden
Spiralen gekrümmt und an ihren Kanten in Richtung zur Welle umgebördelt sind, sowie
mindestens aus einer forrichtung zum Uberlaut von Flüssigkeit von einer Kontaktstufe
auf die andere, die in Form eines ringförmigen Flüssigkeitsabscheiders an der inneren
Seiten-;andung des Gehäuse ses für die Aufnahme von Flüssigkeit befestigt ist, die
von der darüberliegenden Kontaktstufe abströmt, und einer Überlaufrohrleitung, deren
Aufnahmeende mit dem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider kommuniziert und deren
Auslaßende über der darunterliegenden Kontaktstufe angeordnet ist, erfindungsgemäß
die Bänder mit längslaufenden Zickzackstücken versehen sind, deren Vorsprünge an
der Hohlseite der Bänder liegen und eine Reihe in der Höhe benachbarter Kanälen
bilden0 In einen derartigen F,21m-Stoff und .ärmeaustauscher vom Rotortyp ist der
Einsatz von Kontaktstufen mit einer größeren Höhe als im bekannten liustauscher
möglich, weil die Flüssigkeit längs eines spiralförmigen Bandes durch einige angrenzende
Kanäle fließt. Die Ungleichmäßigkeit der Verteilung von Flüssigkeit an der Weite
jedes Kanals kann auf einen geringfügigen eri dadurch zurückgeführt werden, daß
es die Möglichkeit besteht, die Kanäle ausreichend schmal bei der vorgegebenen Breite
eines spiralförmigen Bandes lediglich durch die Vergrößerung der Anzahl
der
angrenzenden Kanäle auszuführen. Bei beliebiger Berieselungsmenge (Flüssigkeitsverbrauch)
kann man stets den Kanal ausreichend schmal machen, damit sein Boden vollständig
mit einem Flüssigkeitsfilm bezogen wird, lJenn auch der kilm am unteren Rand des
Kanals etwas stärker als an seinem oberen Rand ist. Zugleich wird die Verteilung
von Flüssig keit an der gesamten .Breite des spiralförmigen Bandes gleichmäßiger
als im bekannten Austauscher sein, in dem spiralförmige Bänder mit der gleichen
Breite jedoch ohne Zickzacklinien angewendet sind. Im Film-Stoff- und Wärmeaustauscher
vom llotortyp mit vorgegebener Höhe kann erfindungsgemäß die Anzahl von Kontaktstufen
verringert und der Nutzungsgrad des Arbeitsraumes des Austauschers vergrößert werden.
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außerdem fördern die Zickzackstücke die zusätzliche Verwirbelung
der Gasphase, die sich in den Spalten zwischen den spiralförmigen Bändern bewegt.
Die Verwirbelung der 'aasphase erfolgt durch die Krümmung der Bahnlinie des jeweiligen
Gasstromes de gezwungen ist, an einer Seite des Spales in die Vorsprünge der Zickzackstücke
und an der anderen Seite des Spaltes in die Vertiefungen derselben abzubiegen.
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Da die Flüssigkeit von jeder Kontakt-stufe auf die Innenwandungen
des Gchäuses auf unterschiedlichen Ebenen geschleudert wird, so wird auch der Flüssigkeitsfilm
an den Wandungen des Gehäuses nicht auf ein und derselben ebene, wie im bekannten
Apparat, sondern auf einigen Ebenen
verwirbelt und somit. gleichmäßiger.
Weil die Anzahl von Kontaktstufen in einem Austauscher durch die Vergrößerung ihrer
Höhe verringert werden kann, wird entsprechend auch die Gesamtanzahl der ringförmigen
Flüssigkeitsabscheider reduziert und demzufolge auch der Anteil der Innenoberfläche
des Gehäuses vergrößert, die mit Spritzen und Strahlen beaufschlagt wird,die von
den Kontaktstufen abströmen.
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Im Ergebnis erhöht sich die Effektivität des Stoff-und Viärmeaustausches
in einem Film-Stoff- und .iarmeaustauscher vom Rotortyp.
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Wünschenswert ist auch, eine Kontaktatufe so auzzuführen, daß sie
Bänder enthält, die sich in Länge unterscheiden und in einem unterschiedlichen.Abstand
von der Welle enden, wobei die Bänder mit unterschiedlicher Länge rings um die Welle
mit einer sich wiederholenden periodischen Aufeinanderfolge angeordnet sind.
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In diesem Fall ermöglicht die Konstruktion der Kontaktstufe, die
Anzahl der spiralförmigen Bänder, die in der Nähe von der Welle beginnen, zu vergrößern,
Wenn die Flüssigkeit aus dem Ablaßende der überlaufrohrleitung unmIttelbar auf die
oberen umgebördelten Kanten der spiralförmigen Bänder einer sich drehenden Konaktstufe
abge geben wird, trägt die Vergrößerung der Anzahl der spiralförmigen Bänder und
demzufolge der Anzahl der angrenzenden Kanäle in der Nähe von der Welle zu einer
gleichmäßigeren
{erteilung von Flüssigkeit in den verschiedenen
anOrenzenden Kanälen der spiralförmigen Bänder im zentralen Teil der jeweiligen
Kontakt stufe bei, Das sichert eine gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit in den
angrenzenden Kanälen der Bänder auch im übrigen Teil der Kontaktstufe. Bei ungenügender
Anzahl von siralförmigen Bändern in der Nähe von der Welle würde die Senge der Flüssigkeit,
die je Zeiteinheit auf jede einzelne spiralförmige Band abgelassen wird, zu groß
ein, Dabei würde der größte Teil der Flüssigkeit trägheitsmäßig der unteren umgebördelten
Kante des spiralförmigen Bandes zustreben und hauptsächlich die unteren angrenzenden
Kanäle ausfüllen.
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Es ist auch wünschenswert, daß die Kontaktstufen mit ringförmigen
Hülsen versehen werden, die im zentralen Teil der Kontaktstufen koaxial zur Zelle
unter den Auslaßenden der Überlaufrohrleitungen liegen und mit den Kanälen der Kontaktstufen
kommunizieren, Eie derartige ausführung der Kontaktstufen erleichtert die Verteilung
des gesamten Flüssigkeitsstromes in verschiedenen angrenzenden Kanälen der Kontaktstufen.
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Es ist auch wünschenswert, die Böden der angrenzenden Kanäle, die
durch die Zickzackstücke gebildet werden, geneigt zur Welle auszuführen und so anzuordnen,
daß die Linie der Berührung jedes Zickzackstückes mit dem Boden des darunterliegenden
Kanals in einer größeren Entfernung von der Welle als die Linie der Berührung des
gleichen Zickzackstückes
mit dem Boden des darüberliegenden Kanals
liegt.
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Eine derartige Konstruktion des spiralförmigen Bandes ermöglicht es,
Kanäle mit größerer Breite zu verwenden, weil sich die Starke des Flüssigkeitsfilmes
am geneigten Boden des Kanals in der Breite des Kanals schon unwesentlich verändert.
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Dadurch ist es möglich, eine gleichmäßigere Verteilung des Flüssigkeitsfilmes
in der Breite des jeweiligen spiralförmigen Bandes auch bei einer geringen Anzahl
der Kanäle an spiralförmigen Band zu gewährleisten. Die Anzahl der Kanäle und somit
auch der Zickzackstücke soll ohne No-twendigkeit nicht vergrcißert werden, da der
Abschnitt des Bandes, der ein Zickzackstück einnimmt, am Stoff- und Wärmeaustauschprozeß
nicht beteiligt ist.
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Die erzielte Konfiguration der spiralförmigen Bänder verursacht außerdem
eine noch größere Krümmung der Bahnlinie des Gasstromes und intensiviert in einem
noch beträchtlichen Maße den Stoff- und Wärmeaustausch in der Gasphase Es ist wei-terhin
wünschenswert, die längslaufenden Zickzackstücke geriffelt auszuführen. Das führt
zu einer noch größeren Verwirbelung des Gasstromes bei seiner Biegung um die Vorsprünge
der Zickzackstücke in den Spalten zwischen den spiralförmigen Bändern. Der genannte
Effekt ist besonders für die Vakuumrektifikation bedeutend, wenn die Lineargescllind.igkeiten
der Gasphase mehrere 10 m pro Sekunde erreichen.
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Es ist auch wünschenswer-t, die umfangsseitigen Enden der Kanäle
verengt auszuführen. Das sichert eine stärker konentrierte
und
besser gerichtete Abgabe von Flüssigkeit auf die Innenoberfläche des Gehäuses. Dadurch
wird eine besser regulierte Bewegung der Flüssigkeit innerhalb des Austauschers
erreicht und der Verlust von Flüssigkeit in unerwünschte Richtungen ausgeschlossen.
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Es ist auch wünschenswert, die verengten umfangsseitigen inden mindestens
zweier angrenzender Kanäle des spiralförmigen Bandes der Kontaktstufe auf ein und
denselben Abschnitt der Wandung des Gehäuses zu richten. Dadurch wird es möglich
sein, eine intensive Vermischung von mindestens zwei Flüssigkeitsströmn zu sichern,
die aus den angrenzenden Ka-Kanälen ein und desselben spiralförmigen Bandes ausgeführt
werden, wobei die Vermischung im Film an der Innenwandung des Gehäuses erfolgt.
Die Konstruktion der Kontaktstufe erlaubt die Zuführung von Flüssigkeiten unterschiedlicher
Art zu den verschiedenen angrenzenden Kanälen ein und desselben spiialförmigen Bandes.
Dadurch kann die Kontaktstufe zu gleich zur Vermischung verschiedener Flüssigkeiten
an der Innenwandung des Austauschers verwendet werden.
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Wenn die Wandung des Gehäuses abgekühlt wird, ermöglicht eine derartige
Ausführung aus der Kontaktstufe gleichzeitig eine Abfuhr der Wärme, die sich bei
der Vermischung von chemisch ungleichartigen Flüssigkeiten entwickelt.
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Es ist wünschenswert, daß die Kontaktstufe einige Bänder enthält,
wobei die verengten umfangsseitigen Enden der
in einer Ebene liegenden
Kanäle in der Höhe verteilt sind.
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Eine derartige Ausführung der Kontaktstufe fördert eine gleichmäßigere
Verwirbelung des Flüssigkeitsfilms, der an der Innenoberfläche des Gehäuses abfließt.
Wenn das Gehäuse mit einem beheizbaren Itantel versehen ist, kann der Film-Stoff-
und Wärmeaustauscher vom Rotortyp als Verdampfer verwendet werden. In diesem Fall
ist der Stoff- und Wärmeaustausch an den spiralförmigen Bändern init dem Wärmeaustausch
an der Innenoberfläche des Gehäuses verbunden.
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Es ist auch wünschenswert, daß an den zentralen Enden der Bänder
der Kontaktstufen stufenartige Ausschnitte ausgeführt sind, die derartig.angeordnet
sind, daß die angrenzenden Kanäle in einer desto größeren Entfernung von der Welle
beginnen, je höher die Anbringungsebene dieser Kanäle liegt, wobei die Auslaßenden
der überlaufrohrleitungen den hnfangsabsclxlitten der angrenzenden Kanäle zugeführt
sind.
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Eine derartige Konstruktion der Kontaktstufen sichert eine einfachere
und zuverlässigere Verteilung der Flüssigkeit in verschiedenen angrenzenden bzw.
benachbarten Kanälen der Kontaktstufen.
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Es ist auch wünschenswert, daß rings um jede Kontaktstufe an der
inneren Seitenwandung des Gehäuses einige Flüssigkeitsabscheider befestigt werden,
deren Anzahl der Anzahl der angrenzenden Kanäle gleich ist und die für die getrennte
Aufnahme von Flüssigkeit aus den in verschiedener Höhe liegenden Kanälen des Bandes
dienen und mittels über
laufrohrleitungen mit den in entsprechender
Höhe angebrachten benachbarten Kanälen der darunterliegenden Kontaktstufe kommunizieren.
Eine derartige Konstruktion des Film-Stoff-und Wärmeaustauschers vom Rotortyp trägt
zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoff- und Wärmeaustauschprozesses auf den Kontaktstufen
infolge der Erhöhung der den Prozeß treibenden Kraft bei. So gelangen bei der Rektifikation
Flüssigieitsströme mit unterschiedlichem Gehalt an leichtflüchtiger Komponente in
verschiedene benachbarte Kanäle der jeweiligen Kontaktstufe, wobei der Gehalt an
der leichtflüchtigen Komponente im Strom um so größer ist, je höher der ihm entsprechende
Kanal des spiralförmigen Bandes angebracht ist.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ansführungsform eines Film-Stff- und Wärmeaus tauschers
vom Rotortyp, im Längsschnitt; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig.
1; Fig. 3 isometrisch ein Element eines spiralförmigen Bandes; Fig. 4 eine zweite
Ausführungsvariante eines Film-Stoff-und Wärmeaustauschers vom Rotortyp, im Längsschnitt;
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V von Fig. 4;
Fig. 6 isometrisch
ein Element eines spiralförmigen Bandes der Ausführungsvariante von Fig. 4; Fig.
7 eine dritte Ausführungsvariante des Film-Stoff-und Wärmeaustauschers vom Rotortyp,
im Längsschnitt; Fig. 8 eine Ansicht in Richtung des Pfeils VIII von Fig. 7; Fig.
9 isometrisch ein Element eines spiralförmigen Bandes der Ausführungsvariante von
Fig. 7; Fig. 10 eine vierte Ausführungsvariante eines Film-Stoff-und Wärmeaustauschers
vom Rotortyp, im Längsschnitt; Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie IX-IX von Fig.
10; Fig. 12 isometrisch das zentrale Ende des spiralförmigen Bandes von Fig. 10;
Fig. 13 noch eine fünfte Ausführungsvariante eines Film-Stoff- und Wärmeaustauschers
vom Rotortyp, im Längsschnitt; Fig. 14 einen Schnitt längs der Linie XIV-XIV von
Fig.
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13; Fig. 15 isometrisch das zentrale Ende eines spiralförmigen Bandes
der Ausführungsvariante von Fig.
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13.
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Der Film-Stoff- und Wärmeaustauscher vom Rotortyp hat ein senkrechtes
zylinderförmiges Gehäuse 1 (Fig. 1) mit Wiitboln für beinführung von an dem Prozeß
beteiligten Ausgangsprodukten in das Gehäuse und für das Abführen von Endprodukten
aus dem. Gehäuse. Zu diesen Mitteln gehören ein unterer Rohransatz 2 zur Einführung
von Gas, ein oberer Rohransatz 3 zur einführung von Flüssigkeit, ein oberer Rohransatz
4 zur Abführung von Gas und ein unterer Rohransatz 5 zur Abführung von Flüssigkeit.
Im Gehäuse 1 ist mit; Hilfe von Lagern 6 koaxial drehbar eine senkrechte Welle 7
montiert0 Das obere Ende der Welle 7 ist mit einer Scheibe 8 versehen, die von einem
in der Zeichnung nicht gezeigten Antrieb die Drehung an die Welle 7 überträgt. An
der zelle 7 sind in gewisser Entfernung von einander Kontaktstufen 9 befestigt.
Die Kontaktstufen 9 werden von Bändern 10, 11 und 12 (Fig. 1 und 2) gebildet.
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Die Bänder 10, 11 und 12 sind in Form von von der Welle 7 aus auseinandergehenden
Spiralen geklümmt und an ihren Kanten in Richtung zur Welle 7 umgebördelt, d.h.
die Kanten 13 (Fi. 1 und 2) der Bänder 10, 11 und 12 sind in Richtung zur Welle
7 umgebördelt. In der Mitte der KonLaktstufe 9 bilden die Bänder 10, 11 und 12 eine
sechzehagängige Qti rale. Die umgebördelten Kanten 13 dienen zum Hal-ten von Flüssigkeit
an der hohlen, das heißt an der der Welle 7 zugekehrten Seite der Bänder 10, 11
und 12. Die Bänder 10, 11 und 12 sind mit Hilfe von Radialstangen 14 an einer zentralen
lagerbüchse 15 befestigt. Die Büchse 15 dient
zur Befestigung der
Kontaktstufe 9 an die Welle 7. Das sichert die Möglichkeit der Drehung der Kontaktstufe
9, wodurch die Flüssigkeit unter Einwirkung von Zentrifugalkräften in Form eines
Filmes an der Hohlseite der Bänder 10, 11 und 12 vom Zentrum zur Peripherie der
jeweiligen Kontaktstufe 9 längs der umgebördelten Kanten 13 strömt. Zwischen den
Bändern 10, 11 und 12 gibt es Spalten 16 zum Durchlassen von Gas, das mit dem Flüssigkeftsfilm
in Berührung kommt.
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Die umgebördelten Kanten 13 der Bänder 10, 11 und 12 sind in der
Breite mit der Größe des Spaltes 16 vergleichbar. Wenn man von oben auf die Kontaktstufe
9 sieht, überdecken die Kanten 13 der Bänder 10, 11 und 12 einander fast vollständig
oder sogar die Spalten 16. Hierdurch ist die Zuführung von Flüssigkeit unmittelbar
auf die oberen Kanten 13 der Bänder 10, 11 und 12 ohne die Gefahr möglich, daß die
Flüssigkeit nicht einmal teilweise von der Kontaktstufe 9 nach unten fällt. Der
obere Rohransatz 3, der zur Einführung von Flüssigkeit in das Gehäuse 1 dient, kann
zum Beispiel zugleich auch für deren Zuführung unmittelbar zu den oberen Kanten
13 der Bänder 10, 11 und 12 im Zentrum der oberen Kontakts'tufe 9 geeignet sein.
Dabei ist der Abfluß der Flüssigkeit von der Kontaktstufe 9 ausgeschlossen.
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Der Film-Stoff- und Wärmeaustauscher vom Rotortyp enthält auch eine
Vorrichtung zum überlauf von Flüssigkeit von
einer Kontaktstufe
9 auf die andere. Diese Vorrichtung ist als ringförmiger Flüssigkeitsabscheider
17, 7 , der an der inneren Seitenwandung des Gehäuses 1 befestigt ist, und als über
laufrohrleitung 18 ausgeführt. Der ringförmige Flüssigkeitsabscheider 17 dient zur
Aufnahme von Flüssigkeit, die von der darüberliegenden Kontaktstufe 9 abgegeben
wird. Daher liegt der ringförmige Flüssigkeitsabscheider 17 etwas niedriger als
die entsprechende Kontaktstufe 9. Das Aufnahmeende 19 der Uberlaufrohrleitung 18
konirnuniziert mit dem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 17. Ihr Auslaßende 20
ist über der darunterliegenden Kontaktstufe 9 angebracht.
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Die Überlaufrohrleitung 18 dient für die Zuführung von Flüssigkeit
aus dem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 17 zu dem zentralen Teil der darunterliegenden
Kontaktstufe 9.
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Erfindungsgemäß sind die Bänder 10, 11 und 12 mit längslauenden Zickzackstücken
21 (Fig. 1 und 3) versehen. Die Vorsprünge der Zickzackstücke 21 sind an der hohlen
Seite der Bänder 10, 11 und 12 (Fig. 1) angebracht. Die Zickzackstücke 21 bilden
eine Reihe von in der Höhe angrenzenden benachbarten Kanälen 22 und 23. In der in
Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante weisen die Zickzackstücke 21 im Längsschnitt
die Form eines Halbkreises auf und die Höhe der Zickzackstücke 21 ist wesentlich
kleiner als die Größe des Spaltes 16 zwischen den benachbarten Bändern 10, 11 und
12.
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Das sichert die Selbstverteilung der Flüssigkeit, die auf die Kontaktstufe
9 mit dem Gesamtstrom durch alle in der
Höhe angrenzenden Kanäle
22 und 23 der Bänder 10, 11 und 12 abgegeben wird. Dabei füllen die Flüssigkeitsspritzer
und -strahlen zuerst den obersten Kanal 22 des Bandes aus, wobei die Flüssigkeit
trägheitsmäßig nach unten strebt. Hierdurch strömt der Überschuß an Flüssigkeit
aus dem oberen Kanal 22 durch den Vorsprung des Zickzackstückes 21 in den unteren
Kanal 23 der Bänder 10, 11 oder 12 über und füllt auch diesen aus. Bei beträchtlicher
Höhe des Zickzackstückes 21 würde lediglich der obere Kanal 22 berieselt, und der
Zutritt von Flüssigkeit zu dem unteren Kanal 23 würde mit dem Zickzackstück 21 selbst
überdeckt. Außerdem sichern die Zickzackstücke 21 die Krülnnung der Bahnlinie des
Gasstromes in den Spalten 16 zwischen den Bändern 10, 11 und 12, was seine Verwirbelung
verursacht. Erfindungsgemäß unterscheiden sich die Bänder 10, 11 und 12 in ihrer
Länge und enden in verschiedenen Entfernungen von der Welle 7. Dabei sind die Bänder
10, 11 und 12 rings um die Welle 7 in einer sich periodisch wiederholenden Aufeinanderfolge
angebracht. Folglich ist die Gangzahl der Spirale aus den Bändern 10, 11 und 12
im zentralen Teil der Kontaktstufe 9 gleich sechzehn. An der Peripherie. beträgt
die Gangzahl vier.
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Hierdurch wird der Flüssigkeftsstrom im Zentrum der Kontaktstufe
9 in sechzehn Abzweigungen und an der Peripherie der Kontaktstufe 9 in vier Abzweigungen
geteilt. Die umfangsseftigen Enden der Bänder 10 sind fast dicht bis zu der hohlen
Seite der Bänder 11 und 12, wie aus Fig. 2 zu ersehen,
geführt.
Die umfangsseitigen Enden der Bänder 11 grenzen an die Bänder 12 an. Dadurch fließt
die Flüssigkeit aus den oberen Kanälen 22 (Fig. 1) der Bänder 10, 11 in die gleichen
oberen Kanäle 22 der Bänder 11 und 12 ab, und die Verteilung von Flüssigkeit in
den angrenzenden Kanälen 22 und 23 wird nicht auf der ganzen Kontaktstufe 9 gestört.
Die Vergrößerung der Anzahl der Bänder aber und demzufolge auch der angrenzenden
Kanäle im Zentrum der Kontaktstufe 9, d.h. an der Abführungsstelle der Flüssigkeit,
trägt zu einer besseren Verteilung der Flüssigkeit in den angrenzenden Kanälen 22
und 23 der Bänder 10, 11 und 12 der gesamten Kontaktstufe 9 bei.
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Die Kontaktstufen des Film-Stoff- und Wärmeaustauschers vom Rotortyp
können mit ringförmigen Hülsen versehen werden, die mit den in der Höhe angrenzenden
Kanälen der Bänder kommunizieren. Außerdem können die spiralförmigen Bänder eine
kompliziertere Konfiguration aufweisen.
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In diesem Fall hat der Austauscher ein senkrechtes Gehäuse 24 (Fig.
4) mit Mitteln für die Einftihrung von an dem Prozeß beteiligten Ausgangsprodukten
und für Abführung von Endprodukten aus dem Gehäuse. Diese Mittel umfassen einen
unteren Rohransatz 25 für die EinfQlrung von Gas (Dampf), einen oberen Rohransatz
26 für die Einführung von Flüssigkeit (Rücklaufkondensat), einen mittleren Rohransatz
27 für die Einführung
von Flüssigkeit (Speisemittel), einen oberen
Rohransatz 28 für Abführung von Gas (Dampf) und einen unteren Rohransatz 29 für
Abführung von Lt'lüssiOkeitO Im Gehäuse 24 ist koaxial mit Hilfe von Lagern 30 drehbar
eine senkrechte Welle 31 montiert. Das obere Ende der Welle 31 ist mit einer Antriebsscheibe
32 versehen. An der iitelle 31 sind Kontaktstufen 33 befestigt, die von Bändern
34 (Fig. 4 und 5) gebildet sind. Die Bänder 34 sind in Form von von der elle 31
aus auseinanderlaufenden Spiralen gekrümmt und an ihren Kanten umgebördelt.
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Mit längslaufenden Zickzackstücken 35 (i!'ig. 6) sind die Bänder
34 in in der Höhe angrenzende Kanäle 36, 37 und 38 unterteilt.
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Die ~forrichtung zum Üb er lauf von lPlüssigkeit von einer Kontaktstufe
33 (Eiò! 4) auf die andere besteht aus einem rinotyförmigen Flüssigkeitsabscheider
39 und einer Uberlaufrohrleitung 40.
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Im unteren leil des Gehäuses 24 gibt es noch einen ringförmigen Flüssigkeitsabscheider
41, der zum KuffanOen von Flüssigkeit geeignet ist, die von der untersten Kontaktstufe
33 abgegeben wird. Der Flüssigkeitsabscheider 41 kommuniziert mit dem Rohransatz
29 für die Abführung von Blüssigkeit.
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Die Kontaktstufen 33 sind im Zentrum mit ringförmigen Hülsen 42 versehen,
Die ringförmige Hülse 42 kommuniziert mittels Bohrungen 43 mit verschiedenen angrenzenden
Kanälen 36, 37 und 38 der Bänder 34. Wie aus Fi. 5 zu ersehen ist,
wird
jede Kontaktstufe 33 von zwei spiralformigen Bändern 34 gebildet. Da es auf jedem
Band 34 drei benachbarte Kanäle le 36, 37 und 38 gibt, weist die Kontaktstufe 33
insgeamt sechs verschiedene Kanäle auf. Deswegen sind in der ringförmigen Hülse
42 auch sechs Bohrungen 43, je eine Bohrung pro Kanal, ausgeführt.
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Die ringförmigen Hülsen 42 sind auf die zelle 31 aufgesot;zt.Das
Auslaßende der Überlaufrohrleitung 40 sowie des Rohransatzes 26 zum Einlaß von Flüssigkeit
ist über der ringförmigen Hülse 42 anÖebracht, die mit Bohrungen 43 versehen ist.
Das sichert eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in die verschiedenen Kanäle
36, 37 und 38 der Kontaktstufen 33.
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Die spiralförmigen Bander 34 sind mittels Radialrippen 44 mit den
ringförmigen Hülsen verbunden.
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Die Böden der angrenzenden Kanäle 36, 37 und 38 sind gegenüber der
Welle 31 geneigt. Dabei ist die Linie 45 (Fig. 6) der Berührung jedes längslaufenden
Zickzackstückes 35 mit dem Boden des darunterliegenden Kanals, zum Beispiel des
Kanals 37, mehr von der vielle 31 (Fig. 4) als die Linie 46 (x . 6) der Berührung
desselben Zickzackstückes 35 mit dem Boden des darüberliegenden Kanals, zum Beispiel
des Kanals 36, entfernt. Eine derartige Form der Bänder 34 sichert eine gleichmäßige
zerteilung des Flüssigkeitsfilmes in ihrer Breite, weil bei Drehung der Kontaktstufe
33 (Fig. 4) eine Kraft entsteht, die den Flüssigkeitsfilm an den oberen Rand
der
Kanäle 36, 37 und 38 trotz der Wirkung der Schwerkraft drückt. Außerdem ist die
Bewegungsbahn des Gasstromes, der die Spalten 47 zwischen den Bändern 34 ausfüllt,
stark gekrümmt. Bei den Arbeitsgeschwindigkeiten der Gasphase entstehen dabei Verwirbelungen
in derselben, die den Stoff-und Wärmeaustausch intensivieren.
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In einer anderen AusfXlrungsvariante des Film-Stoff- und Wärmeaustauschers
vom Rotortyp weist der Apparat ein senkrechtes Gehäuse 48 (Fig. 7) mit Mitteln zur
Einführung von an dem Prozeß beteilig-ten Ausgangsprodukten in das Gehäuse und zur
Abführung von Endprodukten aus dem Gehäuse auf.
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Der beschriebene Austauscher dient der Vakuumrektifikation von Salpetersäure
in Gegenwart von D5agnesiumnitrat, das die Entstehung eines azeotropen Gemisches
zwischen der Salpetersäure und Wasser verhindert, In diesem Fall ist das Gehäuse
48 mit einem oberen Rohransatz 49 zur Einführung von Rücklaufkondensat - konzentrierter
Salpetersäure -, einem mittleren Rohransatz 50 zur Einführung von Flüssigkeit -
ein Gemisch 60%-iger Salpetersäure mit 70%-iger Magnesiumnitratschmelze (30% Wasser)
- und einem unteren Rohransatz 51 zur Abfülirung von Magnesiumnitratschmelze, die
lediglich eine geringe enge von Salpetersäure enthält, versehen. Außerdem dient
ein Rohransatz 52 zur Einführung von Wasserdampf, der eine gewisse Menge von Salpetersäure
enthält. Ein Rohransatz 53 dient zum Abführen von Dämpfen der konzentrierten Salpetersäure.
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Im Gehäuse 48 ist koaxial mit Hilfe von Lagern 54 eine senkrechte
Welle 55 drehbar aufgestellt. An der [elle 55 sind Kontaktstufen 56, 57 und
58 unterschiedlicher Konstruktion befestigt. Die obere Kontaktstufe 56 ist konstruktiv
genau so wie in dem bekannten Film-Stoff- und Wärmeaustauscher vom Rotortyp ausgeführt.
Sie wird von spiralförmigen Bändern 59 mit umgebördelten Kanten gebildet, die keine
Zickzackstücke aufweisen. Die Kontaktstufe 57 ist nicht nur für den Kontaktprozeß
zwischen Gas und Flüssigkeit, sondern auch für ein Vermischen von Flüssigkeiten
mit inhomogener chemischer Natur vorgesehen, daher wird sie im weiteren als Mischstufe
bezeichnet. Sie wird von spiralförmigen umgebördelten Bändern 60 gebildet, die nur
mit einem einzigen längslaufenden Zickzackstück 61 versehen sind, wodurch sie in
einen oberen 62 und einen unteren 63 angrenzenden Kanal unterteilt sind. Die Kontaktstufe
57 ist im Zentrum mit zwei konzentrischen Hülsen 64 und 55 versehen, die zur Aufnahme
von zwei verschiedenen Flüssigkeiten vorgesehen sind.
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Die umfangsseitigen Enden 66 und 67 (Fig. 7 und 8) der Kanäle 62
und 63 sind verengt und auf ein und denselben Abschnitt an der Seitenwandung des
Gehäuses 48 gerichtet.
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Die Kontaktstufen 58 (Fig. 7) werden von spiralförmigen umgebördelten
Bändern 68 gebildet, die mit ausreichend hohen längslaufenden Zickzackstücken 69
(Fig. 7 und 9) versehen sind. Die Zickzackstücke 69 sind geriffelt ausgeführt, um
eina zu;ätzliche Verwirbelung der Gasphase
hervorzurufen. Die Zickzackstücke
69 bilden an den Bändern 68 einen oberen 70 und einen unteren Kanal 71. Die Umfangsenden
der Kanäle 70 und 71 sind verengt. Im Zentrum jeder Kontaktstufe 58 (Fig. 7) ist
nur eine ringförmige Hülse 72 mit Bohrungen 73 zum Auslaß der Flüssigkeit auf die
zentralen Enden der unteren Kanäle 71 vorgesehen.
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Der Apparat enthält vorrichtungen zum Überlauf von Flüssigkeit von
einer Kontaktstufe 56, 57 und 58 auf die andere. Die Vorrichtung zum überlauf der
Flüssigkeit (konzentrierter Salpetersäure) von der obersten Konbaktstufe 56 auf
die i:lisch-Kontaktstufe 57 besteht aus einem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider
74 und einer Überlaufrohrleitung 75, deren Auslaßende zur ringförmigen Hülse 64
führt, die mit den oberen Kanälen 62 der Bänder 60 kommuniziert. Hierdurch dienen
die oberen Kanäle 62 zur Aufnahme der konzentrierten Salpetersäure, die von der
oberen (Anreicherungs-.) Sektion des Austauschers abfließt. An die ringförmige Hülse
65 ist der Rohransatz 50 zur Einführung von Speisemittel -eines Gemisches 60%iger
Ausgangssäure und 70%iger Magnesium nitratsohmelze - geführt. Die ringförmige Hülse
65 ist mit den unteren Kanälen 63 verbunden. Dadurch werden die Kanäle 62 und 63
mit chemisch inhomogenen Flüssigkeiten gefüllt. Die Enden 66 und 67 der Kanäle 62
und 63 sind so orientiert, daß unterschiedliche flüssige Komponenten, die aus den
Kanälen 62 und 63 ausgeworfen werden, im Film an der inneren Oberfläche des Gehäuses
48 vermischt werden,
Da sich beim Vermischen der genannten Komponenten
wärme entwickelt, die eine zusätzliche und unerwünschte Verdampfung von Gemisch
verursachen kann, wird das ringförmige Gebiet des Gehäuses 48, das die Misch-Kontaktstufe
57 umfaßt, mit einem Kühlmantel 76 versehen. Unter der Kontaktstufe 57 wird ein
ringförmiger Flüssigkeitsabscheider 77 angeordnet, der mit dem Gehäuse 48 verbunden
ist und mit berlaufrohrleitungen 78 und 79 kommuniziert.
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Die Kontaküstufen 58 sind für den üblichen St;off- und .Iärmeaustausch
zwischen den in dem Austauscher aufsteibenden Dämpfen der Salpetersäure und dem
Dreifachgemisch (Magnesiumnitrat, Salpetersäure, Wasser) geeignet, das die hohle
Oberfläche der spiralförmigen Bänder 68 berieselt, Die Vorrichtung zum überlauf
von Flüssigkeit von einer Kontaktstufe 58 auf die andere ist in Form von zwei ring
förmigen Flüssigkeitsabscheiden 80 und 81 und zwei Uberlaufrohrleitungen 82 und
83 ausgeführt. Die Überlaufrohr~ leitung 82 kommuniziert mit dem oberen ringförmigen
Flüssig keitsabscheider 80, der die obenliegende Kontaktstufe 58 umgibt.Ihr Auslaßende
endet unmittelbar über den oberen Kanten der spiralförmigen Bänder 68, so daß die
Flüssigkeit aus der Überlaufrohrleitung 82 nur in die oberen Kanäle 70 der Bänder
gelangt. Das hohe Längslaufende geriffelte Zickzackstück 69 verhindert den weiteren
überlauf der Flüssigkeit in die unteren Kanäle 71.
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Die Uberlaufrohrleitung 83 verbindet den unteren ringförmigen Flüssigkeitsabscheider
81 der e einen Kontaktstufe 58 mit der gelochten ringförmigen Hülse 72, die ihrerseits
durch die Bohrungen 73 mit den unteren Kanälen 71 der ander ren Kontaktstufe 58
kommuniziert. Hierdurch sind die in unterschiedlicher Höhe liegenden angrenzenden
Kanäle 70 und 71 einer Kontaktstufe 58 mit den in der entsprechenden Höhe liegenden
angrenzenden Kanälen 70 und 71 der darun-terliegenden Kontaktstufe 58 verbunden.
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In einer anderen Ausführungsvariante des Film-Stoff-und Wärmeaustauschers
vom Rotortyp wird erfindungsgemäß die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in
allen Kanälen der jeweiligen Kontaktstufe verbessert.
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Der Austauscher hat ein senluechtes, zylindrisches Gehäuse 84 (Fig.
10), in dem koaxial und drehbar eine Welle 85 mit den darauf befestigten Kontaktstiifen
86 montiert ist. Das Gehäuse 84 ist mit Mitteln zur Einführung von den am Prozeß
beteiligten Ausgangsprodukten in das Gehäuse und zur Abführung von Endprodukten
aus dem Gehäuse versehen.
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Da in der Zeichnung nur der mittlere Teil des Austauschers abgebildet
ist, sind die genannten Mittel nicht gezeigt.
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Die Kontaktstufe 86 wird von zwei spiralförmigen Bändern 87 un eo
(Fig. 10 und 11) gebildet, von denen jedes mit zwei längslaufenden Zickzackstücken
89 (Fig. 10) versehen ist, die jede;; Band 87 oder 83 In drei in clet Höhe
angrenzende
Kanäle teilen, in einen oberen Kanal 90, einen mittleren Kanal 91 und einen unteren
Kanal 92. An den zentralen Enden jedes Bandes 87 und 88 sind stufenartige Ausschnitte
ausgefiihrt. Diese Ausschnitte sind so angebracht, daß sich das zentrale Ende 93
(Fig. 12) des oberen Kanals 90 in einer größeren Entfernung von der Welle 85 als
das zentrale Ende 94 des mittleren Kanals 91 befindet, das seinerseits weiter von
der Welle 85 als das zentrale Ende 95 des unteren Kanals 92 entfernt ist.
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Die umfangsseitigen Enden 96 (Fig. 10) der angrenzenden Kanäle 90,
91 und 92 sind verengt, um ein streng ausgerichtetes Abströmen von Flüssigkeit auf
die Wandung des Gehäuses 84 zu sichern. Die Vorrichtung zum ;ueberlauf von Flüssigkeit
von einer Kontaktstufe 86 auf die andere ist in Form von drei ringförmigen Flüssigkeitsabscheidern
97, 98 und 99 und drei Dberlaufrohrleitungen 100, 101 und 102 ausgeführt. Die Uberlaufrohrleitung
100 kommuniziert mit dem oberen ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 97, und ihr
Auslaßende 103 ist unmittelbar über den oberen Kanälen 90 angebracht, wodurch die
aus den oberen Kanälen 90 der darüberliegenden Kontaktstufe 86 abgegebene Flüssigkeit
in die gleichen oberen Kanale 90 der darunterliegenden Kontaktstufe 86 gelangt.
Das hohe längslaufende Zickzackstück 89 verhindert den Uberlauf der Flüssigkeit
aus dem oberen Kanal 90 in den mittleren Kanal 91. Die Uberlaufrohrleitung
101
kommuniziert mit dem mittleren ringförmien Flüssigkeitsabscheider 98. Ihr Auslaßende
104 liegt über den zentralen Enden 94 (Fig. 12) der mittleren Kanäle 91 der darunterliegenden
Kontaktstufe 86 (Fig. 10). Die Überlaufrohrleitung 102 kommuniziert mit dem unteren
ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 99. Ihr Auslaßende 105 ist über den zentralen
Enden 95 (iig. 12) der untersten Kanäle 92 angeordnet.
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Die genannten Ausschnitte in den spiralfärmigen Bändern 8i, 88 (Fig.
12) sichern einen freien Zutritt für die aus den Auslaßenden 103,104 und 105 der
Überlaufrohrleitungen 100, 101 und 102 ausfließenden Flüssigkeitsstrahlen von oben
auf die in bezug auf die Kontaktstufe 86 zentralen Abschnitte der angrenzenden Kanäle
90, 91 und 92. Die Kontaktstufe 86 kann auch mit konzenrischen zylindrischen Rohr-Wänden
106 und 107 versehen werden, die zur Verhinderung dec, Vermischens der Flüssigkeitsstrahlen
untereinander dienen, die aus verschiedenen Uberlaufrohrleitungen 100, 101 und 102
ausströmen.
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Die spiralförmigen Bänder 87 und 88 sind mittels Radialrippen 108
mit einer Zentraibüchse 109 verbunden0 Die Büchse 109 ist zur Befostigung der Kontaktstufen
86 an der Welle 85 vorgesehen, wodurch ihre Drehung und die Bewegung der Flüssigkeit
in Form eines Filmes unter Sinr.^irkung von Zentrum fugaikräften längs der angrenzenden
Kanäle 90, 91 und 92 gesichert wird. Die verengten umfangsseitigen Enden 96 der;
angrenzenden Kanäle 90, 91 und 92 sind auf die Gabiet,Le der
Innenfläche
des Gehäuses 84 gerichtet, die über den ringförmigen Flüssigkeitsabscheidern 97,
98 und 99 liegen. Das sichert das Auffangen von Flüssigkeit durch die entsprechenden
ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 97, 98 und 99.
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Hierdurch sind die in unterschiedlicher Höhe liegenden angrenzenden
Kanäle 90, 91 und 92 der darüberliegenden Kontaktstufe 86 mit den in der entsprechenden
Höhe angebrachten angrenzenden Kanälen 90, 91 und 92 der darunterliegenden Kontaktstufe
86 verbunden. Dadurch wird die treibende Kraft des Stoff- und Wärneaustauschprozesses
und demzufolge auch seine Wirksamkeit erhöht.
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In einer anderen Variante des Film-Stoff- und Wärmeaustauschers wird
ftu eine verbesserte Vermischung des Filmes an der inneren Oberfläche des Austauschergehauses
gesorgt.
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Dieser Apparat kann nicht nur für den Stoff- und Wärme aus tausch
zwischen Gas und Flüssigkeit. sondern auch für das Eindampfen des Flüssigkeitsfilms
unter Bedingungen ihrer intensiven Vermischung eingesetzt werden.
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Der Austauscher weist ein senkrechtes zylindrisches Gehäuse 110 (Fig.
13) auf, in dem koaxial und drehbar eine Welle 111 mit den darauf befestigten Kontaktstufen
112 und 113 montiert ist. Das Gehäuse 110 ist mit Mitteln zur Einftihrung von an
dem Prozeß beteiligten Ausgangsstoffen in das Gehäuse und zur Bbfuhrunq von Endprodukten
aus dem Gehäuse versehen. Diese Mittel umfassen einen oberen Rohransatz 114
zur
Einführung von Flüssigkeit, einen unteren Rohransatz 115 zur Abführung der Flüssigkeit
und einen oberen Rohransatz 116 zur Abführung des innerhalb des Gehäuses 110 entstandenen
Dampfes ein.
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Die obere Kontaktstufe 112 wird durch die an den Kanten umgebördelten
spiralförmigen Bänder 117 gebildet, die keine Zickzackstücke aufweisen, und dient
zur Teilung des gesamten Stromes der Flüssigkeit, die aus dem Rohransatz 114 abgegeben
wird, in vier gleiche Ströme. In über einstimmung damit ist rings um die Kontaktstufe
112 an der inneren Oberfläche des Gehauses 110 ein ringförmiger blüssigkeitsabscheider
118 befestigt, der durch Quertrennwände 119 (lig. 14) in vier gleiche Segmente 120
geteilt ist, die mit Überlaufrohrleitungen 121, 122, 123 und 124, die unterschiedliche
Länge aufweisen, kommunizieren. Auf diese Weise wird durch die Kontakbstufe 112
(Fig. 13) und durch die Segmente 120 (Fig. 14) des rin förmigen Flüssigkeitsabscheiders
118 (Fig. 13) eine gleichmäßige Zuführung von Flüssig keit zu allen vier Überlaufrohrleitungen
121, 122, 123. und 124 (FiL'. 14) gewährleistet. Jede Kontaktstufe 113 wird von
vier spiralförmigen Bändern 125 gebildet, von denen jedes mit zwei längslaufenden
Zickzackstücken 126 versehen ist, die jedes Band 125 in vier in der Höhe angrenzende
Kanäle 127, 128, 129 und 130 teilen. Außerdem sind an jedem Band 125 stufenarLige
ausschnitte ausgeführt.
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Diese Ausschnibte sind derartig j'.lQ:eordnet, dL die zen-tralen
Enden
131, 132, 133 und 134 (Fig. 15) der angrenzenden Kanäle 127, 128, 129 und 130 in
verschiedener b'ntfernung von der Welle 111 liegen.
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Die genannten Ausschnitte sichern einen freien Zutritt für die aus
den Überlaufrohrleitungen 121, 122, 123 und 124 ausströmenden Flüssigkeitsstrahlen
von oben auf die zentralen /in bezug auf die Kontaktstufe 113 (Fig. 13)/ Abschnitte
der angrenzenden Kanäle 127, 128, 129 und 130.
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Die Kontaktstufe 113 karm auch mit konzentrischen zylindrischen Rohrwänden
135, 136 und 137 versehen sein, die zur Verhinderung des Vermischens der Flüssigkeitsstrahlen
untereinander dienen, die aus den verschiedenen Überlaufrohrleitungen 121, 122,
123 und 124 austreten.
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Die spiralförmigen Bänder 117 sind mit; Hilfe von Radialrippen 138
mit einer Büchse 139 verbunden.Die.spiralförmigen Bän der 125 sind mittels Radialrippen
140 mit einer Büchse 141 verbunden. Die Büchsen 139 und 141 sind zur Befestigung
der Kontaktstufen 112 und 113 an der zelle 111 vorgesehen, wodurch ihre Drehung
und die Bewegung der Fiüssigkeit in Form eines Filmes unter Einwirkung von Zentrifugalkräften
längs der angrenzenden Kanäle 127, 128, 129 und 130 gewährleistet wird.
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Die umfangsseitigen Enden 142,143, 144 und 145 (E'ig. 14) der Kanäle
127, 128, 129 und 130 sind verengt und in der Höhe verteilt, das heißt so ausgeführt,
daß ihre Abgabekanten 146; (Fig. 13) in verschiedenen Querschnitten des Gehäuses
110 liegen. Las gilt; auch für die Kanäle, die in ein und derselben Höhe angeordnet;
sind. Die unteren kanäle 130 der spiralf
örmigen Bänder 125 weisen
zum Beispiel verengte umfangsseite Enden 142 und 143 auf, genau so vlie die auf
Fig. 13 nicht gezeigten umfangsseitigen jeden 144 und 145, deren Auslaßenden 146
in verschiedenen Ebenen liegen, das heißt in der Höhe verteilt sind. Eine derartige
Konstruktion der Lontaktstufe 113 sichert eine gleichmäßige Verwirbelung des Filmes
der Flüssigkeit, die all der inneren Oberfläche des Gehäuses 110 abfließt. \nn das
Gehäuse 110 mit einem externen Kühlmantel 147 versehen ist, verursacht das einen
intensiven Wärmeaustausch im Film an der inneren Oberfläche des Gehäuses 110 und
die Flüssigkeit verdampft.
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Zum Sammeln der Flüssigkeit, die von der Kontaktstufe 113 abgelassen
wird, ist ein etwas tiefer aufgestellter Flüs sigkeitsabscheider 118 mit vier Quertrennwänden
119 (Fig.
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vorgesehen, die diesen in vier gleiche Segmente 120 teilen. Die Segmente
120 kommunizieren mit den Überlaufrohrleitungen 121, 122, 123 und 124, die zu der
darunterlie6"enden Kontaktatufe 113 geführt sind.
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Der Film-Stoff- und wärmeaustauscher vom Rotortyp in der in Fig.
1 abgebildeten Variante hat folgende Funktionsweise: Die Welle 7, auf der die Kontaktstufen
9 befestigt sind, wird von einem in der Zeichnung nicht gezeigten Antrieb in Drehung
versetzt. Die Flüssigkeit wird durch den oberen Rohransatz 3 auf die obere Lrontaktstufe
9 abgegeben. Dabei wird der Strahl der Flüssigkeit durch die anten 13 der spi
ralförmigen
Bänder 10, 11 und 12 in kleine Spritzer gebrochen, die unter Einwirkung von Zentrifugalkräften
die hohle Oberfläche der Bänder 10, 11 und 12 berieseln. Die Flüssigkeit füllt die
oberen Kanäle 22 der Bänder 10, 11 und 12 aus.
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Die überschüssige Flüssigkeit strömt durch einen Vorsprung der längslaufenden
Zickzackstücke 21 in die unteren Kanäle 23 der Bänder 10, 11 und 12 über. Die Flüssigkeit
in Form eines Filmes bewegt sich längs der Bänder 10, 11 und 12 unter Binwirhung
von Zentrifugalkräften vom Zentrum zur Peripherie der Kontaktstufen 9. Von den umfangsseitigen
Enden der Bänder 10 strömt die Flüssigkeit auf die Bänder 11 und von den Enden der
Bänder 11 auf die Bänder 12 ab. Danach wird die Flüssigkeit auf die innere Oberfläche
des Gehäuses 1 geschleudert. Von dort fließt die Flüssigkeit in Form eines Filmes
in den ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 17 ab, und gelangt durch die Uberlaufrohrleftung
13 S auf die darunterliegende Kontaktstufe 9. Die von der untersten-Kontaktstufe
9 abgegebene Flüssigkeit wird durch den Rohransatz 5 aus dem Gehäuse 1 herausgeführt.
Das Gas tritt in das Gehäuse 1 durch den Rohransatz 2 ein und strömt in den Spalten
16 zwischen den spiralförmigen Bändern 10, 11 und 12 hindurch und kommt mit dem
Film der Flüssigkeit in Berührung, die die Bänder 10, 11 und 12 berieselt.
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Dabei wird das Gas infolge der durch die Zickzackstücke 21 verursachte
Verwirbelung vermischt, wodurch auch die Intensit't; des Stoff- und Inrmeaustauoches
erhöht wird. Durch
den Rohransatz 4 wird das Gas aus dem Apparat
entfernt.
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Analog ist die Funktionsweise des in Fig. 4 abgebildeten Film-stoff-
und Wärmeaustauschers. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß die Flüssigkeit
aus der Überlaufrohrleitung 40 und dem Rohransatz 26 in gelochte ringförmige Hülsen
42 eintritt, von wo aus sie durch Bohrungen 43 in verschiedene Kanäle 36, 37 und
38 verteilt wird. Außerdem ist das Gehäuse 24 in seiner Mitte noch mit einem Rohransatz
27 für die Einführung von Flüssigkeit versehen. Der Apparat ist zur Durchführung
einer Relct;ifikation vorgesehen. Der Rohransatz 27 dient zum Eintritt des getrennten
flüssigen Gemisches, der Rohransatz 26 für die Zuführung von Rücklaufkondensat.
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Der Film-Stoff- und Wärmeaustauscher von Rotortyp kann erfindungsgemäß
in der in Fig. 7 abgebildeten Variante zur Durchfüfung eines Rektifikationsprozesses,
z.B. der Salpetersäure in Gegenwart von Nagnesiumnitrat unter Vakuum eingesetzt
werden. Das Rücklaufkondensat (konzentrierte Salpe-tersäure) tritt durch den Rohransatz
49 in den Austauscher ein und gelangt auf die obere Kontaktstufe 56, von der es
dann in den ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 74 abgegeben wird. Aus diesem wird
die Flüssigkeit durch die Überlaufrohrleitung 75 der ringförmigen Hülse 64 und weiter
den oberen Kanälen 62 der Bänder 60 zugeführt. Durch die verengsten Enden 66 der
oberen Kanäle 62 wird die Flüssigkeit auf die Wandungen des Gehäuses 48 gerichtet.
Während der Bewegung der Salpetersäure durch die Kontaktstufen
56
und 57 erfolgt eine allmähliche Anhäufung von schwersiedender Komponente - von wasser
- in derselben infolge des Kontaktprozesses mit dem Gegenstrom der Dämpfe. Durch
den Rohransatz 50 tritt die konzentrierte 60%-ige Ausgangssalpetersaure im Gemisch
mit geringer Menge von Magnesiumnitratschmelze in die ringförmige Hülse 65 ein und
gelangt durch die Bohrungen 73 auf die zentralen Enden der unteren Kanäle 63 der
Kontaktstufe 57. Unter der Einwirkung der Zentrifugalkräfte strömt sie in Form eines
Filmes längs der Kanäle 63. Durch die verengten Enden 67 der unteren Kanäle 63 wird
das genannte Gemisch auf die landungen des Gehäuses 48 auf denselben ringförmigen
Abschnitt wie auch die Salpetersäure aus den verengten Enden 66 der oberen Kanäle
62 geleitet.
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Auf diesem Abschnitt erfolgt eine intensive Vermischung von zwei Strömen
im Film. Da dadurch die Konzentration des Magnesiumnitrats etwas verringert wird,
erwärmt sich das entstehende Gemisch der FltissigICiten. Dabei wird der Überschuß
an Wärme mittels des Kühlmantels 76 reduziert. Die Temperatur des Gemisches bleibt
so unter Kontrolle. Dieses Gemisch wird in dem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider
77 gesammelt. Durch die überlaufrohrleitung 78 wird die Hälfte dieses Gemisches
unmittelbar in die oberen Kanäle 70 der Kontaktstufe 58 abgeführt. Die andere Hälfte
des Gemisches fließt durch die Überlaufrohrleitung 79 in die gelochte ringförmige
Hülse 72 ab, die mit den unteren Kanälen 71 der gleichen Kontaktstufe 58 kommuniziert.
Aus den oberen Kanal len 70 wird die Flüssigkit danach in den ringförmigen
Flüssigkeitsabscheider
80 und aus den unteren Kanälen 71 in den ringförmigen Flüssigkeitsabscbeider 81
abgegeben. Aus dem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 80 tritt die Flüssigkeit
durch die erlaufrohrleitung 82 in die oberen Kanäle 70 der darunterliegenden Kontaktstufe
58 ein. Aus dem ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 81 gelangt die Flüssigkeit durch
die Überlaufrohrleitung 83 und durch die ringförmige Hülse 72 in die unteren Kanäle
71 der gleichen Kontaktstufe 58. Aus dem unteren Teil des Austauschers wird die
Flüssigkeit, die lediglich eine geringe enge der Salpetersäure enthält, durch den
Rohransatz 51 abgeführt.
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Der hauptsächlich aus Wasser bestehende Dampf tritt in das Gehäuse
48 durch den Rohransatz 52 ein. Durch den Rohransatz 53 werden die Dämpfe der konzentrierten
Salpetersäure aus dem Gehäuse 48 abgeführt;.
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Der Film-Stoff- und ;ärmeaustauscher vom motortyp, der in Fig. 10
abgebildet ist, hat folgende XPunktionsweise: Das Gas strömt im Austauscher von
unten nach oben und kommt mit dem Film der Flüssigkeit in Berührung, die die angrenzenden
Kanäle 90, 91 und 92 der KonLaktstufen 86 berieselt. Die Flüssigkeit wird von der
Kontaktstufe 86 in verschiedenen Denen abgegeben , so daß die Flüssigkeit aus den
Kanälen- 90, 91 und 92 in die ringförmigen Flüssig keitsabscheider 97, 98 bzw. 99
gelangt. Durch die Überlaufrohrleitungen 100, 101 und 102 fließt die Flüssigkeit
auf die tiefer liegende Stufe 86 ab.
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Der Film-Stoff- und Wärmeaustauscher vom Rotortyp kann erfindungsgemäß
in der in Fig. 13 abgebildeten Variante nicht nur für den Stoffaustausch, sondern
auch für das Eindampfen der Flüssigkeit im Film eingesetzt werden.
-
Die Flüssigkeit gelangt durch den Rohransatz 114 auf die obere Kontaktstufe
112, von der sie dann auf die ',Jarldungen des Gehäuses 110 geschleudert wird. Sie
fließt dann in die Segmente 120 des ringförmigen Flüssigkeitsabscheiders 118 ab.
1>a:üch die Überlaufrohrleitungen 121, 122, 123 und 124 (Fig. 14) tritt die Flüssigkeit
unmittelbar in die verschiedenen angrenzenden Kanäle 127, 128, 129 und 130 (Blgo
13) der darunterliegenden Kontaktstufe 113 ein. Unter zinwirkung der Zentriffugalkraft
fließt die Elüssigkeit durch die Kanäle 127, 128, 129 und 130 vom Zentrum zur reripherie
der Kontakt;stufe 113. Durch die umfangsseitigen Enden 142, 143, 144 und 145 (ig.
14) der Kanäle 127, 128, 129 und 130 (Fig.
-
13) wird die Flüssigkeit in verschiedenen Ebenen auf die innere beheizte
Oberfläche des Gehäuses 110 abgeschleudert. Dabei entsteht ein gleichmäßig verwirbelter
Film der siedenden Flüssigkeit. Der nicht eingedampfte Teil der Flüssi0akeit wird
im ringförmigen Flüssigkeitsabscheider 118 gesammelt und wieder derselben Kontaktstufe
113 zugeleitet, die jedoch etwas tiefer angeordnet ist. Der Flüssigkeitsrückstand
wird aus dem Apparat durch den Rohransatz 115 abgeführt. Der entstandene Dampf wird
durch den Rohransatz 116 entfernt. Innerhalb des Gehäuses 110 erfolgt auf den berieselten
ringförmigen Bändern 125 der Kontaktprozeß zwischen Dämpfen und dem Flüssigkeits
film.
Da bei der Destillation von Flüssigkeitsgemischen der Siedepunkt der Flüssigkeit
beim Eindampfen schrittweise ansteigt, ist die Temperatur der aus dem unteren Teil
des Austauschers hochstelgenden Dämpfe höher als die Temperatur der Flüssigkeft;
auf den obenliegenden Kontaktstufen 86.
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Deswegen wird die Überhitzung des Dampfes infolge seines Kontaktes
mit dem Film der Flüssigkeit vermieden, die dabei teilweise eingedampft wird. Die
aus dem Apparat zu entfernenden Dämpfe sind bereits nicht mehr überhitzt.