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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf Ausrüstungen für Wärme- und Stoffaustauschprozesse
zwischen einem Gas oder Dampf und einer Flüssigkeit, und betrifft Fliehkraft-Wirbel-Kontaktböden,
die in vertikalen Rektifikations-, Absorptions-, Wasch- und Kontaktkolonnen installiert
werden, in den sich die Flüssigkeit von oben nach unten bewegt und sich dabei mit
dem Gas oder Dampf in Kontakt befindet, das bzw. der in der Kolonne von unten nach
oben strömt, wobei die flüssige Phase feste Bestandteile oder Polymerisationsprodukte
entha Die Erfindung kann am zweckmäßigsten für Rektifikations- und Absorptionsprozesse
und für das Waschen von Gasen in Kolonnen mit einem Durchmesser von 3 bis 4 m verwendet
werden bei sehr hohen Flüssigkeitsflächenbelastungen von etwa 100 m3/m2.h und mehr
(extraktive Rektifikation), wobei die flüssige Phase feste Bestandteile oder Polymerisationsprodukte
enthält.
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Die Erfindung kann außerdem vor-teilhaft in Kolonnen mit einem Durchmesser
von 5 bis 7 m angewendet werden, in denen ein effektiver Kontakt zwischen sehr großen
Gas- oder Dampfmengen und sehr kleinen Flüssigkeitsmengen, die feste Bestandteile
oder Polymerisationsprodukte enthalten (Vakuumrektifikation und sanitäre Reinigung
von Industrieabgasen) geschaffen werden muß.
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Bekannt ist ein Boden für Destillierkolonnen und Rieseltürme (GB-PS
682721) mit geneigten Öffnungen, durch die der Dampf oder das Gas nach oben in die
Flüssigkeitsschicht, die sich auf dem Boden befindet, strömt. Die Öffnungen haben
die Form von Schlitzen und sind in radial gerichteten Reihen derart angeordnet,
daß der Dampf oder das Gas aus den Schlitzen tangential relativ zur vertikalen Achse
der Kolonne und unter einem kleinen Winkel zur Oberfläche des Bodens austritt und
die auf dem Boden befindliche
Flüssigkeit in eine gleichmäßige Drehbewegung
versetzt. In der Mitte des Bodens befindet sich ein Aufnahmegerät mit blindem Boden
für die Aufnahme der Flüssigkeit vom darüber liegenden Boden. Am Außenrand hat der-Boden
eine ringförmige Rinne für den Abfluß der Flüssigkeit auf den darunter liegenden
Boden mit einer Zahnschwelle, um einen minimalen und gleichen Flüssigkeitsstand
auf dem Boden zu gewährleisten.
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Die Abflußrohre für die Flüssigkeit vom oberen Boden und für die Schaffung
eines hydraulischen Verschlusses führen in das Aufnahmegefäß in der Mitte des Bodens
derart, daß sich im Aufnahmegefäß dauernd Flüssigkeit befindet und sich eine Ruhe
zone bildet, wo sich feste Bestandteile und Polymerisationsprodukte absetzen können.
Derartige in einer Destillierkolonne oder einem Rieselturm untereinander angebrachte
Böden gewährleisten einen Kontakt des von unten nach oben in der Kolonne aufsteigenden
Dampfes oder Gases mit der von oben nach unten fließenden Flüssigkeit.
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Der Boden funktioniert folgendermaßen: Die Flüssigkeit gelangt durch
die Abflußrohre vom oberen Boden in das in der Mitte gelegene, mit Flüssigkeit für
die Schaffung eines #hydraulischen Verschlusses gefüllte Aufnahmegefäß, in das die
Enden der Abflußrohre getaucht sind. über die obere Schwelle des Aufnahmegefäßes
fließt die Flüssigkeit auf den Boden, wo sie unter Einwirkung des aus geneigt ausgeführten
Öffnungen im Boden austretenden Dampfes oder Gases in eine Drehbewegung um die Achse
der Kolonne versetzt wird und sich vom Zentrum zum Außenrand bewegt, wobei sie sich
im Kontakt mit dem Dampf oder Gas befindet, und fließt in die ringförmige Randrinne
ab, aus der sie durch Abflußrohre in das Aufnahmegefäß des darunter liegenden Bodens
fließt. Der Dampf oder das Gas strömt durch die relativ zur Achse der Kolonne tangential
und unter einem kleinen Winkel zur Oberfläche des Bodens gerichteten Öffnungen in
die auf dem Boden befindliche ~Flüssigkeitsschicht und bringt die Flüssigkeit in
eine gleichmäßige Drehbewegung. So wird auf jedem Boden ein Kontakt zwischen dem
Dampf oder Gas und der Flüssigkeit
hergestellt. Es ist ersichtlich,
daß sich in dem in der Mitte gelegenen Aufnahmegefäß dauernd Flüssigkeit befindet,
wodurch eine Ruhezone entsteht und man deshalb keine thermisch unbeständigen und
polymerisierenden oder feste Bestandteile enthaltenden Flüssigkeiten verwenden darf.
Außerdem strömt die Flüssigkeit aus dem Aufnahmegefäß über dessen Rand und verliert
die kinetische Energie, die sie beim Austritt aus den Abflußrohren gehabt hat. Dadurch
entsteht auf dem Boden bei starker Flüssigkeitsbelastung ein radial gerichteter
Gradient der Höhe der Flüssigkeitsschicht, w durch die Flüssigkeit ungleichmäßig
über den Querschnitt des Bodens verteilt ist, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung
des Dampfes oder Gases über den Querschnitt des Bodens und zu einer wesentlichen
Verringerung der Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens führt (Effektivität
nach Merfri). In den Kolonnen mit einem großen Durchmesser über 2 - 3 m bei großer
Flüssigkeitsbelastung ist eine große Anzahl Abflußrohre erforderlich, die den Querschnitt
der Kolonne verringern und viel Werkstoff erfordern. Bei hohen Geschwindigkeiten
des Dampfes oder Gases steigt die Geschwindigkeit der Drehbewegung der Flüssigkeit
auf dem Boden und, folglich, verringert sich die Verweildauer des Kontakts der Flüssigkeit
mit dem Dampf oder Gas, was zur Verringerung der Effektivität des Stoffaustausches
des Kontaktbodens führt.
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Bekannt ist auch ein Fliehkraft-Wirbel-Kontaktboden für die Durchfüi#ung
von Wärme- und Stoffaustauschprozessen zwischen einem Gas oder Dampf und einer Flüssigkeit
(US-PS 4065528), der eine horizontale runde Scheibe enthält, in dieser Scheibe außerhalb
der Grenzen der Projektion eines ringförmigen hydraulischen Verschlusses auf die
Scheibe ausgebildete bogenförmige, in relativ zum Zentrum des ringförmigen hydraulischen
Verschlusses konzentrischen Kreisen angeordnete Schlitze mit tangential gerichteten
Achsen für den Durchgang des Gases oder Dampfes vorgesehen sind und vertikale, krummlinige
Platten in Form einer archimedischen Spirale, die auf der Scheibe mit den bogenförmigen
Schlitzen befestigt sind und aus dem Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
auseinander gehen und in
Richtung des Gas- oder Dampfaustritts
aus den bogenförmigen Schlitzen gebogen sind, ferner eine überlaufvorrichtung für
den Abfluß der Flüssigkeit vom oberen auf den unteren Boden vorhanden ist, die sich
am Außenrand der Scheibe befindet und noch eine Abflußtasche und wenigstens ein
Abflußrohr, das die Abflußtasche mit dem ringförmigen hydraulischen Verschluß verbindet,
vorgesehen sind.
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Ein solcher Boden ist durch die Einfachheit der Konstruktion, einem
geringen hyd#raulischen Widerstand und das Fehlen von Ruhezonen gekennzeichnet,
wodurch eine hohe Betriebssicherheit beim Vorhandensein von festen Bestandteilen
oder von Polymerisationsprodukten in der Flüssigkeit gewährleistet wird.
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Beim Betrieb des Bodens fließt die Flüssigkeit durch die Abflußrohre
ins Zentrum des ringförmigen, hydraulischen Durchflußverschlusses in den Raum des
inneren Ringes des Verschlusses, aus dem ein kleiner Teil der Flüssigkeit durch
den Zwischenraum zwischen dem inneren Ring und de#r Scheibe des Bodens abfließt,
während der übrige, größere Teil der Flüssigkeit über den oberen Rand des inneren
Ringes in den Zwischenraum zwischen dem äußeren und inneren Ring überläuft, diesen
Zwischenraum füllt und auf die runde Scheibe des Bodens in den Zwischenraum zwischen
dem Außenring und der Scheibe des Bodens fließt, wobei der innere Ring mit Flüssigkeit
gefüllt ist und die Abflußrohre in die Flüssigkeit eintauchen, wodurch der hydraulische
Verschluß gewährleistet wird.
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Bei Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr auf den Boden fließt sämtliche
Flüssigkeit aus dem ringförmigen hydraulischen Verschluß ab, wobei auch die festen
Bestandteile oder Polymerisationsprodukte nicht zurückbleiben. Das Gas oder der
Dampf steigt in der Kolonne von unten nach oben, strömt durch die tangential gerichteten
bogenförmigen Schlitze, tritt mit der Flüssigkeit in Wechselwirkung, die aus dem
ringförmigen hydraulischen Verschluß in der Mitte des Bodens fließt und überträgt
auf die Flüssigkeit einen Teil der kinetischen Energie, wodurch sich ein regelmäßig
drehender zweiphasiger Strom bildet: die Flüssigkeit vollführt eine radiale und
eine Drehbewegung vom Zentrum
zum Außenrand hin, während das Gas
oder der Dampf eine schraubenförmige Bewegung über dem Boden ausführt. Die Flüssigkeit
fließt von der Scheibe des Bodens in die ringförmige Abflußtasche und von dort durch
die Abflußrohre in den ringförmigen hydraulischen Verschluß des unteren Bodens usw.
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Der beschriebene Boden gewährleistet einen engen Kontakt zwischen
dem Gas oder Dampf und der Flüssigkeit bei hohen Flüssigkeits- und Gas- bzw. Dampfbelastungen
infolge der Schaffung einer effektiven Zusammenwirkung des Gases bzw. Dampfes mit
der Flüssigkeit im intensiv sich in einer horizontalen Ebene drehenden zweiphasigen
Strom, Nach dem effektiven Kontakt des Gases bzw. Dampfes mit der Flüssigkeit erfolgt
unter Einwirkung von Fliehkräften eine scharfe Trennung derselben, wodurch keine
Flüssigkeit bei hohen Geschwindigkeiten des Gases bzw. Dampfes mitgerissen wird.
Das Fehlen von Ruhezonen im ringförmigen hydraulischen Durchflußverschluß und die
minimale Längsbewegung der Flüssigkeit bei hohen Geschwindigkeiten der Flüssigkeit
schafft eine Struktur der Phasenströme, die dem Modell der idealen Verdrängung nahe
kommt und vergrößert das Konzentrationsgefälle der zwischen den Phasen verteilten
Komponenten und die Triebkraft des Prozesses, was im Endergebnis die Effektivität
des Stoffaustausches des Bodens (Effektivität nach Merfri) bei hohen Gas- bzw. Dampf-
und Flüssigkeitsbelastungen erhöht, d.h. die Erzielung höherer Konzentrationsgefälle
der im Gas bzw. Dampf und in der Flüssigkeit verteilten Komponenten fördert.
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Bei hohen Geschwindigkeiten des Gases bzw. Dampfes und einer intensiven
Drehung des zweiphasigen Stromes sind die Geschwin -digkeiten der Flüssigkeit in
der Randzone des Bodens am größten.
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Bei hohen linearen Geschwindigkeiten des Gases bzw. Dampfes und der
Flüssigkeit vollzieht sich der Massenaustausch zwischen den Phasen sowohl durch
konvektive Diffusion als auch durch wiederholte Erneuerung und Vergrößerung der
Oberfläche zwischen den Phasen am intensivsten. In der Randzone wird dieser Prozeß
des hocheffektiven Stoffaustausches im sich drehenden zweiphasigen Strom durch das
Abfließen der Flüssigkeit unter Einwirkung
der Schwerkraft in die
ringförmige Abflußtasche und die Verringerung der Kontaktdauer der Flüssigkeit mit
dem Gas bzw.
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Dampf Jedoch unterbrochen. Außerdem erfordert eine sehr hohe Flüssigkeits-Flächenbelastung
von 100 m3/m2 .h und mehr eine große Anzahl Abflußrohre, die den Querschnitt der
Kolonne verkleinern und wesentlich den Blechaufwand für die Abflußvorrichtungen,
Böden und die Kolonne im Ganzen erhöhen.
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Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, einen solchen Fliehkraft-Wirbel-Kontaktboden
zu entwickeln, durch den der Stoffaustausch zwischen den Phasen im sich drehenden
zweiphasigen Strom durch Verlängerung der Verweildauer des Kontaktes der Flüssigkeit
mit dem Gas oder Dampf in der Randzone des Bodens intensiviert und der Aufwand für
#die Abflußvorrichtungen verringert wird.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf einem Fliehkraft-Wirbel-Kontaktboden
filr Wärme- und Stoffaustauschprozesse zwischen einem Gas oder Dampf und einer Flüssigkeit,
in Stoffaustauschkolonnen, der eine horizontal angeordnete runde Scheibe, einen
ringförrnigen hydraulischen Verschluß aus zwei konzentrisch gelegenen zylindrischen
Ringen, die in einem gewissen Abstand von der Scheibenebene, der in Richtung zum
Außenring hin zum nimmt, befestigt sind, hat, in dieser Scheibe außerhalb der Grenzen
der Projektion des ringförmigen hydraulischen Verschlusses in Richtung zum Außenrand
hin ausgebildete bogenförmige, in relativ zum Zentrum des ringförmigen hydraulischen
Verschlusses konzentrischen Kreisen angeordnete tangentiale Schlitze vorgegehen
sind für den Durchgang des Gases bzw. Dampfes, ferner vertikal auf der Scheibe befestigte
krummlinige Platten in Form einer archimedischen Spirale, die vom Zentrum des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses auseinander gehen und in Richtung des Gas- bzw. Dampfaustritts
aus den bogenförmigen Schlitzen gebogen sind und eine überlaufvorrichtung für den
Abfluß der Flüssigkeit vom oberen auf den unteren #Boden der Kolonne, die sich in
der Randzone der Scheibe befindet, vorgesehen sind und ferner eine Abflußtasche
und wenigstens ein Abflußrohr, das die
Abflußtasche mit dem ringförmigen
hydraulischen Verschluß verbindet, gemäß der Erfindung die Abflußtasche durch eine
zylindrische Wand, eine horizontal an der grand der Kolonne befestigte Grundfläche
und durch zwei geneigte Ebenen gebildet ist, die symmetrisch zu einer durch die
Symmetrieachse der Scheibe des Bodens verlaufenden vertikalen Ebene liegen und deren
Schnittlinie in Richtung der Achse der Kolonne verläuft, und einen sich in Strömungsrichtung
der abfließenden Flüssigkeit erweiternden Querschnitt hat, wobei das Zentrum des
ringförmigen hydraulischen Verschlusses zum Zentrum der runden Scheibe des Bodens
um das 0,05- bis 0,1-fache des Durchmessers des Bodens entlang eines Radius' der
runden Scheibe des Bodens, der in der Zone eines Quadranten der Kreisfläche der
Scheibe liegt, der in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms hinter dem Quadranten
ist, in dem sich die Hälfte der Abflußtasche befindet, versetzt ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Fliehkraft-Wirbel-Kontaktboden erreicht
man durch Ausnutzung der Drehbewegung des zweiphasigen Stroms auf der Scheibe des
Bodens mit der radial-ringförmigen Bewegung der Flüssigkeit in einer horizontalen
Ebene vom Zentrum zum Außenrand hin und der schraubenförmigen, nach oben gerichteten
Bewegung des Gases bzw. Dampfes eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gases bzw.
Dampfes um das 1,5- bis 2,5-fache im Vergleich zu modernen Ventil- und Glockenböden
mit der Druckluftmischung und ohne mechanisches Mitreißen der Flüssigkeit. Außerdem
wird durch die entstehenden Fliehkräfte in dem sich in einer horizontalen Ebene
drehenden zweiphasigen Strom die Flüssigkeit scharf vom Gas bzw. Dampf nach dem
Kontakt getrennt. Dabei gelangt gereinigte Flüssigkeit ohne Schaum in die Abflußvorrichtungen
und Abflußrohre, wodurch die zulässige Geschwindigkeit der Flüssigkeit in den Abflußrohren
bis auf 0,5 - 0,7 m/s vergrößert werden kann im Gegensatz zu den Druckluftmischungsböden,
in deren Abflußvorrichtungen Schaum gelangt und wo die zulässige Geschwindigkeit
in den Abflußrohren nur 0,1 - 0,2 m/s beträgt.
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Durch die Drehung des zweiphasigen Stroms in einer horizontalen Ebene
mit radial-ringförmiger Bewegung der Flüssigkeit vom Zentrum zum Außenrand hin bei
hohen Geschwindigkeiten des Gases
bzw. Dampfes wird eine Intensivierung
des Stoffaustausches zwischen den Phasen durch wiederholtes Aufeinandertreffen der
sich überschneidenden Gas- bzw. Dampf- und Flüssigkeitsstrahlen erreicht, wobei
durch die entstehenden Fliehkräfte sich die Flüssigkeit vom Zentrum zum Außenrand
hin bewegt. Dadurch wird ein Gefälle in der Höhe der Flüssigkeitsschicht in ihrer
Bewegungsrichtung verhindert und eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit und
auch des Gases bzw. Dampfes über den Querschnitt des Bodens gewährleistet, was zu
einer Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches beiträgt (Effektivität nach
Merfri). Durch die vertikalen Platten in Form einer archimedischen Spirale bewirkt
man die Entstehung einer zusätzlichen Turbulenz des Gases bzw. Dampfes und der Flüssigkeit,
eine Dispergierung der Flüssigkeit und eine Vergrößerung und wiederholte Erneuerung
der Oberfläche zwischen den Phasen, was zu einer Intensivierung des Wärme- und Stoffaustausches
zwischen den Phasen und zu einer Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches
des Kontaktbodens fülift. Außerdem wird durch die Wirkung der krummlinigen Platten
in Form einer archimedischen Spirale eine Wellenbildung des sich drehenden zweiphasigen
Stroms verhindert, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der Phasenströme über den
Querschnitt des Bodens und zu einer Erhöhung der Effektivität des Wärme- und Stoffaustausches
zwischen den Phasen beiträgt. Die Ausführung der krummlinigen Platten in Form einer
archimedischen Spirale gewährleistet eine konstante Frontbreite des radial auseinanderlaufenden
sich drehenden Flüssigkeitsstroms zwischen benachbarten Platten, was ebenfalls die
Gleichmäßigkeit der Verteilung der Flüssigkeits- und Gas- bzw. Dampfströme über
den Querschnitt des Bodens fördert und die Effektivität des Wärme- und Stoffaustausches
zwischen den Phasen erhöht. Durch Veränderung der Abmessungen der krummlinigen Platten
(der Parameter der archimedischen Spirale und der Höhe der Platten) kann man die
vorgegebene Effektivität des Wärme- und Stoffaustausches zwischen den Phasen in
Abhängigkeit vom Verhältnis der Gas- bzw. Dampf-und Flüssigkeitsbelastung voraussehen.
Bei sehr kleinen Flüssigkeitsbelastungen und hohen Dampfgeschwindigkeiten (bei Vakuumrektifizierung)
vergrößert sich z.B. durch die krummlinigen
Platten in Form einer
archimedischen Spirale mit bestimmten Parametern die Verweildauer des Kontaktes
der Flüssigkeit mit dem Dampf, und die Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens
(Effektivität nach Merfri) kann um 1,3 bis 1,5-mal im Vergleich zu einer Variante
ohne krummlinige Platten in Form einer archimedischen Spirale vergrößert werden.
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In einem anderen Fall wird bei sehr großen Flüssigkeitsflächenbelastungen
und geringen Dampfgeschwindigkeiten (bei extraktiver Rektifikation), wenn die kinetische
Energie des Dampfes nicht ausreicht, um die Flüssigkeit in Drehung zu versetzen,
durch die krummlinigen Platten in Form einer archimedischen Spirale mit bestimmten
Parametern eine zusätzliche Drehung der Flüssigkeit in horizontaler Ebene erreicht
werden, was ebenfalls die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über den Querschnitt
des Bodens fördert und die Effektivität des Wärme-und Stoffaustausches zwischen
dem Dampf und der Flüssigkeit verbessert.
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In der Randzone der Scheibe des Bodens hat die Flüssigkeit die höchste
Umfangsgeschwindigkeit durch die ihr mitgeteilte kinetische Energie des Gases oder
Dampfes, das bzw. der aus den bogenförmigen Schlitzen mit tangential gerichteten
Achsen austritt und mit der Flüssigkeit kontaktiert. Da die Abflußtasche in der
Randzone der Scheibe des Bodens liegt, dreht sich die in schnelle Drehung versetzte
Flüssigkeit im zweiphasigen Strom im übrigen größeren Teil der Randzone der Scheibe
des Bodens weiter und kontaktiert mit dem Gas bzw. Dampf, wodurch die Kontaktdauer
der Flüssigkeit mit dem Gas bzw. Dampf und die Effektivität des Stoffaustausches
des Bodens (Effektivität nach Merfri) vergrößert wird.
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Durch den ringförmigen hydraulischen Verschluß, der aus zwei konzentrisch
angeordneten zylindrischen Ringen besteht, die in einem Abstand von der Scheibenebene
des Bodens, die sich zum Außenring hin vergrößert, angebracht sind, bildet sich
beim Abfluß der Flüssigkeit ins Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
aus der Austrittsöffnung des Abflußrohres ein
hydraulischer Durchflußverschluß,
da der untere Rand des inneren Rings tiefer liegt als der untere Rand des Abflußrohrs
und tiefer als der untere Rand des Außenrings, während der obere Rand des inneren
Rings höher als der untere Rand des Abflußrohrs liegt und tiefer als der obere Rand
des äußeren Rings.
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Dabei füllt die Flüssigkeit das Innenvolumen des inneren Rings, wobei
ein Teil der Flüssigkeit durch den Spalt zwischen dem inneren Ring und der Scheibe
des Bodens fließt. Der übrige Teil der Flüssigkeit fließt über den oberen Rand des
inneren Rings in den Raum zwischen dem äußeren und inneren Ring und gelangt durch
den Spalt zwischen dem Außenring und der Scheibe des Bodens auf die Scheibe des
Bodens mit den in ihr ausgebildeten, in konzentrischen Kreisen relativ zum Zentrum
des hydraulischen Verschlusses angeordneten bogenförmigen Schlitzen mit tangential
gerichteten Achsen, wo unter Einwirkung des aus den bogenförmigen Schlitzen austretenden
Gases bzw. Dampfes die Flüssigkeit in horizontaler Ebene in eine radiale und in
eine Drehbewegung vom Zentrum zum Außenrand hin versetzt wird, wobei sie mit dem
Gas bzw. Dampf kontaktiert. Bei sehr großen F.üssigkeitsbelastungen kann ein Teil
der Flüssigkeit aus dem Raum zwischen dem äußeren und inneren Ring über den oberen
Rand des äußeren Rings auf die Scheibe des Bodens fließen, der Hauptteil der Flüssigkeit
wird jedoch bei Beibehaltung seiner kinetischen Energie bei Abfluß aus dem Abflußrohr
unter den Ringen des hydraulischen Verschlusses fließen. In diesem Fall ist der
innere Ring dauernd mit Flüssigkeit gefüllt, und die Austrittsöffnung des Abflußrohres
ist in die Flüssigkeit getaucht, wodurc#h der hydraulische Verschluß gewährleistet
wird. Durch den Durchfluß der Flüssigkeit durch den hydraulischen Verschluß bleiben
in ihm keine festen Bestandteile oder Polymerisationsprodukte zurück. Bei Unterbrechung
des Zuflusses durch das Abflußrohr fließt jedoch die gesamte Flüssigkeit zusammen
mit den festen Bestandteilen aus dem ringförmigen hydraulischen Verschluß. Beim
Betrieb wird ein wesentlicher Teil der kinetischen Energie der aus dem Ab-Abflußrohr
austretenden Flüssigkeit für die Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
auf der Scheibe des Bodens
in radialer Richtung ausgenutzt, wodurch
das Höhengefälle der Flüssigkeitsschicht auf der Scheibe des Bodens verkleinert
und die Flüssigkeit und das Gas bzw. Dampf gleichmäßiger über den Querschnitt des
Bodens verteilt wird, was zu einer Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches
des Bodens führt. Besonders günstig wirkt sich dieser Vorteil auf die Erhöhung der
Effektivität des Stoffaustausches auf Kontaktböden mit einem großen Durchmesser
(3 - 4 m) aus. Das Fehlen von Ruhezonen im ringförmigen hydraulischen Durchflußverschluß
und auf der Scheibe des Bodens trägt ebenfalls zur Erhöhung der Effektivität des
Stoffaustausches des Kontaktbodens und zu einer Verkürzung der Verweildauer der
Flüssigkeit auf dem Boden und in der Kolonne bei, was bei der Trennung thermisch
unbeständiger und polymerisierender Gemische wichtig ist.
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Die oben dargestellte Konstruktion der Abflußtasche gestattet es,
einen großen Teil der Randzone der Scheibe des Bodens für die Verlängerung der Kontaktdauer
der sich bei hohen linearen Geschwindigkeiten drehenden Flüssigkeit mit dem Gas
bzw. Dampf für die Erhöhung der Effektivität des Massenaustausches zwischen der
Flüssigkeit und dem Gas bzw. Dampf auszunutzen, die Einlaßöffnung des Abflußrohrs,
die mit der Grundplatte der Abflußtasche verbunden ist, näher an die Austrittsöffnung
des Abflußrohrs, die in der Mitte der Scheibe des Bodens liegt, zu bringen und außerdem
die Fläche der Grundplatte der Abflußtasche und deren Volumen zu vergrößern, um
den Querschnitt der Einlaßöffnung des Abflußrohrs zu erweitern und um den Flüssigkeitsdurchsatz
der Abflußvorrichtungen zu vergrößern Ein Abflußrohr vom oberen auf den unteren
Boden verringert den baulichen Aufwand für die Abflußvorrichtungen und ermöglicht
eine rationelle Ausnutzung der Scheibenfläche des Bodens, da ein Abflußrohr weniger
Fläche in Anspruch nimmt als mehrere Abflußrohre bei vergleichbaren übrigen Umständen.
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Es ist zweckmäßig, einen Separationsring für die Bildung eines sich
drehenden zweiphasigen Stroms, der auf der Scheibe des Bodens befestigt ist und
von der Oberfläche der Scheibe des Bodens
um so viel absteht, daß
die Flüssigkeit durch den entstandenen Spalt hindurchströmen kann, vorzusehen, der
konzentrisch zu dem ringförmigen hydraulischen Verschluß gelegen ist, wobei die
Höhe der Wände des Separationgsrings größer als die Höhe der vertikalen krummlinigen
Platten ist.
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Der Separationsring gewährleistet die Bildung eines sich drehenden
zweiphasigen Stroms bei hohen Geschwindigkeiten des Gases bzw. Dampfes um das Zentrum
des ringförmigen hydraulischen Verschlusses. Er bewirkt eine Trennung der Phasen
nach deren Kontakt, wobei der Hauptteil der Flüssigkeit unter Einwirkung von Fliehkräften
von den Innenwänden des Separationsrings abgewiesen wird und nach unten fließt.
Der Hauptteil gelangt dann durch den Zwischenraum zwischen dem Separationsring und
der Scheibe des Bodens unter Einwirkung des sich drehenden zweiphasigen Stroms in
den ringförmigen-Raum zwischen den Wänden der Kolonne und dem Separationsring und
setzt die Drehbewegung in der Randzone der Scheibe des Bodens in Richtung zu der
Abflußtasche fort, während das Gas bzw. der Dampf nach der Trennung von der Flüssigkeit
eine schraubenförmige Bewegung nach oben unter den höher gelegenen Boden ausführt.
Durch den Separationsring werden hohe Geschwindigkeiten des Gases #bzw. Dampfes
ohne mechanisches Mitreißen von Flüssigkeit ermöglicht.
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Es ist zweckmäßig, daß die mit der Grundplatte der Abflußtasche verbundene
Eintritts öffnung des Abflußrohrs in der -Draufsicht die Form einer Ellipse hat,
da eine Ellipse im Vergleich zu einem Kreis bei gleicher Fläche einen größeren Umfang
hat, wodurch ein höherer Flüssigkeitsdurchlaß der Abflußrohre geschaffen, deren
Werkstoffaufwand verringert und der Querschnitt der Abflußvorrichtungen verkleinert
wird, was zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche der Scheibe des Bodens und zu
einer Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches des Bodens führt.
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Es ist zweckmäßig, daß der in Form eines Knies ausgeführte geneigte
Abschnitt des Abflußrohrs sich im Querschnitt entgegen der Fließrichtung der Flüssigkeit
erweitert und der vertikale
Abschnitt einen konstanten Querschnitt
eines Zylinders hat.
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Solch eine Konstruktion des Abflußrohrs gewährleistet einen hohen
Durchsatz, da man, um die Flüssigkeit mit einer geringeren Geschwindigkeit in Bewegung
zu setzen, einen geringeren Geschwindigkeitsdruck braucht, der durch den hydrostatischen
Druck erzielt wird und sich von unten nach oben der Höhe des Abflußrohrs nach verringert
Außerdem ermöglicht solch eine Konstruktion eine Verringerung des Querschnitts der
Abflußvorrichtungen und dadurch eine Vergrößerung der Kontaktfläche der Scheibe
des Bodens und eine Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens.
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Es ist zweckmäßig, daß der Boden einen in seiner Randzone gelegenen
Abflußkanal mit einem sich in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms erweiterndem
Querschnitt in vertikaler und radialer Richtung hat, wobei die EintriLtsöffnung
für die Flüssigkeit in den Kanal diametral gegenüber der Abflußtasche liegen muß,
während die Austrittsöffnung mit der Abflußtasche verbunden sein muß. Solch eine
Lösung gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in der Randzone
der Scheibe des Bodens, die teilweise in den Abflußkanal fließen wird, sobald sich
genügend Flüssigkeit durch den Zustrom von der Scheibe des Bodens in Drehrichtung
des zweiphasigen Stroms angesammelt hat, wodurch die Produktivität der Kolonne erhöht
wird und eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit und des Gases bzw. Dampfes
über den Querschnitt der Scheibe des Bodens erreicht wird, was wiederum die Effektivität
des Stoffaustausches des Kontaktbodens erhöht.
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Es ist zweckmäßig, daß die Scheibe des Bodens in der von der Projektion
des ringförmigen hydraulischen Verschlusses begrenzten Zone bogenförmige Schlitze
mit radial gerichteten Achsen hat, die einen Durchlaß des Gases bzw. Dampfes durch
die Schlitze in radialer Richtung vom Zentrum zum Außenrand hin ermöglichen, wodurch
die aktive Kontaktoberfläche der Flüssigkeit mit dem Gas bzw. Dampf vergrößert und
die Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens verbessert wird, umso mehr,
als in den Zwischenräumen zwischen den Ringen des hydraulischen
Verschlusses
und der Scheibe des Bodens die Flüssigkeit ebenfalls in radialer Richtung vom Zentrum
zum Außenrand hin mit großer kinetischer Energie fließt, wobei es zur Ejektion des
Gases bzw.-Dampfes durch die Schlitze kommt und ein geringeres Druckgefälle für
die Überwindung des Strömungswiderstandes des Gases bzw. Dampfes beim Durchtritt
durch die Schlitze notw#endig ist.
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Es ist zweckmäßig, daß der Boden mit einer vertikalen Zwischenwand
ausgerüstet is#t, die über der oberen Kante der Seitenwand der Abflußtasche zwischen
dem Separationsring und der Wand der Kolonne angebracht ist, wobei die vertikale
#Zwischenwand über der in Drehrichtung des zweiphasigen Stromes auf der Scheibe
des Bodens weiter entfernten oberen Kante der Seitenwand der Abflußtasche befestigt
ist und die Entfernung vom Außenrand der# Scheibe des Bodens und vom Separationsring
bis zur -vertikalen Zwischenwand 0,01 bis 0,1 der maximalen Breite der Abflußtasche
beträgt, während die Höhe der vertikalen Zwischenwand in Richtung vom #Separationsring
zum Außenrand der Scheibe des Bodens hin zunimmt und ihre mittlere Höhe 0,05 bis
0,1 des Durchmessers des Bodens beträgt.
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Durch die vertikale Zwischenwand wird das Abprallen des sich drehenden
Flüssigkeitsstroms über der Abflußtasche und dessen Zuleitung in die Abflußtasche
bei sehr hohen Flüssigkeitsbelastungen von ca 100 m3/m2.h und mehr begünstigt, wodurch
sich über der Abflußtasche unter Einwirkung des Staudrucks des sich drehenden zweiphasigen
Stroms eine zusätzliche Flüssigkeitsschicht bildet, die auch zur Erhöhung der Geschwindigkeit
der Flüssigkeit in den Abflußvorrichtungen des Bodens und zurErhöhung des Durchsatzes
der Flüssigkeit beiträgt. Außerdem verhindert die vertikale Zwischenwand, daß Flüssigkeit
aus der Abflußtasche auf die Scheibe des Bodens gelangt, was einem Rücklauf der
Flüssigkeit und einer Verringerung der Triebkraft des Prozesses und der Effektivität
des Stoffaustausches des Bodens gleich käme. Außerdem wird die Erhöhung der Effektivität
des Stoffaustausches des Kontaktbodens durch die Vergrößerung
der
Nutzfläche der Scheibe des Bodens infolge einer Verringerung des Querschnitts der
Abflußvorrichtung erzielt.
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Es ist zweckmäßig, auf dem Abflußrohr über dem ringförmigen hydraulischen
Verschluß in Richtung des Flüssigkeitsstroms eine horizontale Abprallscheibe anzubringen,
deren Durchmesser dem Durchmesser des äußeren Rings des ringförmigen hydraulischen
Verschlusses gleicht und die die nach dem Auftreffen auf die Scheibe des Bodens
beim Austritt aus dem Abflußrohr aufsteigende Flüssigkeit nach unten in den ringförmigen
hydraulischen Verschluß lenkt und ein Verspritzen und mechanisches Mitreissen der
Flüssigkeit auf einen höher gelegenen Boden verhindert.
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Es ist zweckmäßig, daß ein kleinerer Teil des Eintrittsquerschnitts
der Abflußtasche, der näher zum Zentrum des Bodens liegt, durch eine an den Seitenwänden
der Abflußtasche befestigte Platte verdeckt wird und bogenförmige Schlitze hat,
deren Abmessungen und Lage genau mit den bogenförmigen Schlitzen in der Scheibe
des Bodens übereinstimmen. Solch eine Lösung gewährleistet eine gleichmäßigere Verteilung
der Flüssigkeit in der Zone der Abflußtasche, da durch die Platte mit den bogenförmigen
Schlitzen der Weg der Flüssigkeit auf der Scheibe des Bodens verlängert wird, was
zu einer Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens führt.
Außerdem wird Gas bzw. Dampf durch die Schlitze in der Platte infolge Ejektion aus
der Abflußtasche abgesaugt. Dadurch verbessert sich die Funktion der Abflußvorrichtungen,
d.h. es verbessert sich deren Durchsatz bei hoher Flüssigkeitsbelastung.
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Es ist zweckmäßig, daß die Abflußtasche an ihrem Außenrand teilweise
mit einer Platte bedeckt Ist, die an den Seitenwänden der Abflußtasche befestigt
ist und bogenförmige Schlitze hat, deren Abmessungen und Lage genau mit den bogenförmigen
Schlitzen in der Scheibe des Bodens übereinstimmen. Solch eine Lösung verursacht
die Rezirkulation eines Teils der Flüssigkeit in der Randzone der Scheibe des Bodens,
der unter Einwirkung von Fliehkräften und Trägheitskräften über die Platte oberhalb
der
Abflußtasche in deren Randzone fließt und wieder eine Drehbewegung
in der Randzone der Scheibe des Bodens ausführt, wodurch die Höhe der Flüssigkeitsschicht
auf dem Boden und follich die Kontaktdauer des Gases bzw. Dampfes mit der Flüssigkeit
vergrößert und die Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens bei sehr
geringen Flüssigkeitsbelastungen und hohen Geschwindigkeiten des Gases bzw. Dampfes
(bei Vakuumrektifikation) verbessert wird. Durch die bogenförmigen Schlitze in der
Platte, die die Abflußtasche bedeckt, wird ebenfalls Gas bzw. Dampf infolge Ejektion
durch den Flüssigkeitsstrom, de#r sich mit hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche
der Platte mit den bogenförmigen Schlitzen bewegt, abgesaugt.
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Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
mit Hinweisen auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, und zwar zeigt: Fig. 1
den vertikalen Schnitt eines Teils einer Kolonne mit erfindungsgemäß en Fli ehkraft-Wirb
e l-Kontaktb öden, auf denen das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
relativ zum Zentrum der Scheibe des Bodens in die zur Abflußtasche entgegengesetzte
Richtung versetzt ist; Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1; Fig.
3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2; Fig. 4 einen Schnitt gemäß der
Linie IV-IV in Fig. 2; Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab; Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie -VI-VI in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 7 einen Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 6;# Fig. 8 einen Schnitt gemäß
der Linie VIII-VIII in Fig. 2; Fig. 9 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Bodens
im Grundriß, bei dem das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
relativ
zum Zentrum der Scheibe des Bodens auf einer Normalen zur Symmetrieachse der Abflußtasche
in Richtung des Anfangs der Drehbewegung des zweiphasigen Stroms auf dem Boden von
der Abflußtasche versetzt ist; Fig. 10 einen Schnitt gemäß der Linie X-X in Fig.
2; Fig. 11 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Bodens im Grundriß mit einer an den
Seitenwänden der Abflußtasche befestigten und näher zum Zentrum des Bodens gelegenen
Platte; Fig. 12 einen Schnitt gemäß der Linie XII-XII in Fig. 11; Fig. 13 eine Ansicht
des erfindungsgemäßen Bodens im Grundriß mit einer vertikalen Zwischenwand; Fig.
14 einen Schnitt gemäß der Linie XIV-XIV in Fig. 13; Fig. 15 eine Ansicht des erfindungsgemäßen
Bodens im Grundriß mit einer an den Seitenwänden der Abflußtasche befestigten Platte,
die teilweise die Abflußtasche in der Randzone des Bodens an der Wand der Kolonne
bedeckt; Fig. 16 einen Schnitt gemäß der Linie XVI-XVI in Fig. 15; Fig. 17 einen
Schnitt gemäß der Linie XVII-XVII in Fig. 6; Fig. 18 einen Schnitt gemäß der Linie
XVIII-XVIII in Fig. 6; In der Kolonne 1 sind übereinander Fliehkraft-Wirbel-Kontaktböden
montiert. Jeder von ihnen umfaßt eine horizontale runde Scheibe 2 (Fig. 1,2) mit
bogenförmigen Schlitzen 3 für den Durchtritt eines Gases oder von Dampf mit relativ
zum Zentrum eines hydraulischen Verschlusses 5 tangential gerichteten Achsen 4 (Fig.
3, 4), die unter einem gewissen Winkel zur Ebene der Scheibe 2 geneigt sind. Die
bogenförmigen Schlitze 3 sind in konzentrischen Kreisen um das Zentrum des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses 5 angeordnet. Der Boden enthält ebenfalls vertikale krummlinige
Platten 6 in Form einer archimedischen Spirale, die auf der Scheibe 2 des Bodens
mit den bogenförmigen Schlitzen 3 montiert sind, vom Zentrum des ringförmigen hydraulischen
Verschlusses 5 auseinander gehen und in Richtung des
Austritts
des Gases bzw. Dampfes aus den bogenförmigen Schlitzen 3 mit den Achsen 4 gebogen
sind. Der Boden ist außerdem mit einer Abflußvorrichtung, die die Flüssigkeit vom
oberen auf den unteren Boden der Kolonne 1 leitet, ausgerüstet, die in der Randzone
der Scheibe 2 liegt und eine Abflußtasche 7 mit sich von oben nach unten in Bewegungsrichtung
der Flüssigkeit erweiterndem Querschnitt, eine Grundplatte 8 (Fig. 8) und ein Abflußrohr
9 hat, das in Form eines Knies mit einem von unten nach oben gegen den Flüssigkeitsstrom
sich erweiternden geneigten Teil 10, einem vertIkalen, z.B. zylindrischen Teil 11,
einer elliptischen Ein trittsöffnung 12 und einer Austrittsöffnung 13 für den Abfluß
der Flüssigkeit aus der Abflußtasche 7 ins Zentrum des ringförmigen hydraulischen
Verschlusses 5 des tiefer gelegenen Bodens ausgebildet ist. Zwischen dem unteren
Rand des zylindrischen Teils 11 des Abflußrohrs 9 und der Ebene der Scheibe 2 des
Bodens ist ein Spalt 14 für den Durchfluß der Flüssigkeit vorgesehen. über der Scheibe
2 ist konzentrisch relativ zum Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
5 und zur Achse des zylindrischen Teils 11 des Abflußrohrs 9 ein Separationsring
15 angebracht.
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Zwischen dem unteren Rand 17 des Separationsrings 15 und der Ebene
der Scheibe 2 des Bodens ist ein Spalt 16 für den Durchfluß der Flüssigkeit vorhanden.
Der ringförmige hydraulische Verschluß 5 stellt zwei konzentrisch um den zylindrischen
Teil 11 des Abflußrohrs 9 angebrachte Ringe dar, und zwar einen inneren 18 und einen
äußeren 19 (Fig. 6, 7). Zwischen der unteren Kante 21 des inneren Rings 18 und der
Ebene der Scheibe 2 befindet sich ein Spalt 20, und zwischen der unteren Kante 23
des äußeren Rings 19 und der Ebene der Scheibe 2 befindet sich ein Spalt 22, wobei
die untere Kante 21 des inneren Rings 18 tiefer als die untere Kante des zylindrischen
Teils 11 des Abflußrohrs 9 und tiefer als die untere Kante 23 des äußeren Rings
19 liegt, während die obere Kante 24 des inneren Rings 18 höher liegt als die untere
Kante des zylindrischen Teils 11 des Abflußrohrs 9 und tiefer als die obere Kante
25 des äußeren Rings 19. Über den -Ringen 18 und 19 (Fig. 1) ist in einem Abstand
vom Ring 19 eine
horizontale Abprallscheibe 26 angebracht, die
am zylindrischen Teil 11 des Abflußrohrs 9 befestigt ist. Der Außendurchmesser der
Abprallscheibe 26 ist dem Durchmesser des Außenrings 19 gleich. Die Ringe 18 und
19 sind untereinander starr durch Platten 27 (Fig. 6, 7) verbunden und mit der Scheibe
2 durch Stäbe 28, während der Separationsring 15 (Fig. 2) durch Konsolen 29 an der
Scheibe 2 befestigt ist.
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Die Abflußtasche 7 (Fig. 5, 8) wird durch das Gehäuse der Kolonne
1, eine Grundplatte 8 und zwei geneigte Seitenwände 30 gebildet. Auf dem obersten
Boden ist ein vertikales Rohr mit einem ringförmigen hydraulischen Verschluß 5 für
den Zufluß der Flüssigkeit montiert (auf den Zeichnungen nicht abgebildet), die
Stutzen für die Weiterleitung der Flüssigkeit auf die Zwischenböden befinden sich
im Gehäuse der Kolonne 1 unmittelbar gegenüber den Abflußtaschen 7 (auf den Zeichnungen
nicht abgebildet).
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Das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses 5 ist relativ
zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens um 0,05 bis 0,1 des Durchmessers des Bodens
entlang eines Radius' der Scheibe 2 des Bodens versetzt. Dieser Radius liegt in
der Zone des Quadranten der Scheibe 2 des Bodens, der in Drehrichtung des zweiphasigen
Stroms auf dem Boden hinter dem Quadranten liegt, in dem sich die Hälfte der Abflußtasche
7 befindet.
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Der Radius, auf dem das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
5 relativ zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens entlang versetzt wird, kann zwei
äußerste Lagen einnehmen: Das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
5 kann relativ zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens in die der Abflußtasche 7 (Fig.
2) gegenüberliegende Richtung versetzt werden, und das Zentrum des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses 5 kann relativ zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens senkrecht
zur Symmetrieachse der Abflußtasche 7 in Richtung des Beginns der Drehbewegung des
zweiphasigen Stroms auf dem Boden von der Abflußtasche 7 (Fig. 9) versetzt werden.
Praktisch kann der Radius, auf dem das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
5 relativ zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens entlang versetzt wird,
in
Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen jede beliebige Zwischenlage zwischen
den beiden äußersten Lagen einnehmen (Fig. 2 und Fig. 9).
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Für den; Betrieb des Bodens bei sehr großen Flüssigkeitsflächenbelastungen
befindet sich in der Randzone der Scheibe 2 des Bodens ein Abflußkanal 31 (Fig.
2) mit sich in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms auf dem Boden in vertikaler
und radialer Richtung erweiterndem Querschnitt. Der Eingangsquerschnitt des Kanals
31 für die Flüssigkeit liegt der Zone um die Abflußtasche 7 diametral gegenüber,
der Ausgangsquerschnitt des Abflußkanals 31 ist mit der Abflußtasche 7 verbunden.
Der Abflußkanal 31 wird von der Außenseite durch die Wand der Kolonne 1 gebildet
und von der anderen Seite durch eine Seitenwand 32 (Fig. 10) und durch eine Bodenfläche
33, die so in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms auf dem Boden geneigt ist, daß
der Querschnitt des Abflußkanals 31 sich #durch die Neigung der Grundfläche 33 und
die Verbreiterung des Kanals 31 in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms auf dem
Boden erweitert. Ein kleinerer Teil des Eingangsquerschnitts der Abflußtasche 7,
der näher zum Zentrum des Bodens liegt, ist durch eine an den Seitenwänden 30 (Fig.
11) der Abflußtasche 7 befestigte Platte 34 (Fig. 11) verschlossen, die bogenförmige
Schlitze 35 (Fig. 12) hat, die nach den Abmessungen und der Anordnung auf konzentrischen
Kreisen und der tangentialen Richtung der Achsen 4 vollkommen mit den bogenförmigen
Schlitzen 3 in der Scheibe 2 des Bodens übereinstimmen.
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Für den Betrieb des Bodens bei sehr großen Flüssigkeitsbelastungen
ist über der oberen Kante der in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms auf dem Boden
weiter gelegenen Seitenwand 30 der Abflußtasche 7 eine an der Scheibe 2 des Bodens
befestigte vertikale Zwischenwand 36 (Fig. 13) angebracht, die von dem Separationsring
15 und von der Wand der Kolonne 1 um 0,01 bis 0,1 der maximalen Breite der Abflußtasche
7 entfernt ist. Die Höhe der vertikalen Zwischenwand 36 nimmt in Richtung vom Separationsring
15 zum Außenrand der Scheibe 2 des Bodens zu, ihre mittlere Höhe beträgt 0,05 bis
-0,1 des Durchmessers des Bodens In der Randzone
neben der Wand
der Kolonne 1 ist die Abflußtasche 7 teilweise durch eine an den Seitenwänden 30
der Abflußtasche 7 befestigte Platte 37 bedeckt (Fig. 15, 16), wobei die Platte
37 bogenförmige Schlitze 38 hat, die nach den Abmessungen, der Anordnung in konzentrischen
Kreisen und der tangentialen Richtung der Achsen 4 mit den bogenförmigen Schlitzen
3 in der Scheibe 2 des Bodens übereinstimmen.
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In der Scheibe 2 des Bodens sind in der von der Projektion des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses 5 begrenzten Zone bogenförmige Schlitze 39 (Fig. 6) mit
radial gerichteten und unter einem Winkel zur Ebene der Scheibe 2 geneigten Achsen
40 (Fig.
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17, 18) ausgebildet, die den Durchtritt des Gases bzw. Dampfes vom
Zentrum zum Außenrand der Scheibe 2 des Bodens ermöglichen.
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Die übereinander in der Kolonne montierten Fliehkraft-Wirbel-Kontaktböden
funktiollieren folgendermaßen: Das bzw. der in der Kolonne von unten nach oben aufsteigende
Gas oder Dampf gelang" unter die Scheiben 2 (Fig. 1) der Böden, strömt durch die
##ogenförmigen Schlitze 3 (Fig. 2, 3, 4) mit den tangential gerichteten Achsen 4,
wodurch auf jedem der Böden (Fig. 2) ein sich gleichförmig drehender Gas- bzw. Dampfstrom
entsteht, , der die aus dem ringförmigen hydraulischen Verschluß 5 (Fig. 6, 7) austretende
Flüssigkeit mit sich reißt und einen Teil der kinetischen Energie auf die Flüssigkeit
überträgt.
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Dadurch entsteht ein sich gleichförmig drehender zweiphasiger Strom
auf der Scheibe 2 des Bodens (Fig. 2). Ein Teil des Gases bzw. Dampfes strömt durch
die bogenförmigen Schlitze 39 (Fig. 6, 17, 18) mit den radial gerichteten Achsen
40, wird von der aus dem Abflußrohr 9 strömenden Flüssigkeit mitgerissen und gelangt
auf die Scheibe 2 des Bodens mit den bogenförmigen Schlitzen 3 mit tangential gerichteten
Achsen 4. Durch Ausnutzung der Fläche der Scheibe 2 des Bodens in der Zone unter
dem ringförmigen hydraulischen Verschluß 5 vergrößert sich die Nutzkontaktfläche
des Bodens und die zwischenphasige Fläche des Stoffaustausches, was zu einer Erhöhung
der Effektivität des Stoffaustausches des Bodens bei hohen Flüssigkeitsflächenbelastungen
von ca. 100m3/m2.
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h und mehr führt.
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Die Flüssigkeit fließt in den ringförmigen hydraulischen Verschluß
5 durch das Abflußrohr 9 und füllt den Innenraum des inneren Rings 18 (Fig. 1, 6,
7). Ein Teil der Flüssigkeit (die Hälfte) fließt durch den ringförmigen Spalt 20
zwischen der unteren Kante 21 des inneren Rings 18 und der Ebene der Scheibe 2,
der übrige# Teil der Flüssigkeit fließt über die obere Kante 24 des inneren Rings
18 in den Raum zwischen den Ringe#n 19 und 18 oder prallt an die Abprallscheibe
26 und gelangt auch in den Raum zwischen den Ringen 19 und 18 und fließt durch den
Spalt 22 zwischen der unteren Kante 23 des äußeren Rings 19 und der Ebene der Scheibe
2 auf die Scheibe 2 des Bodens mit den bogenförmigen Schlitzen 3 mit den tangential
gerichteten Achsen 4. Dort wird der sich drehende zweiphasige Strom von Gas oder
Dampf, das bzw. der durch die bogenförmigen Schlitze 3 mit den tangential gerichteten
Achsen 4 strömt, mitgerissen. Die Flüssigkeit vollführt dabei eine radiale und eine
Drehbewegung in einer horizontalen Ebene vom Zentrum des ringförmigen hydraulischen
Verschlusses 5 zum Außenrand der Scheibe 2 des Bodens, während das Gas bzw. der
Dampf eine schraubenförmige Bewegung unter den höher gelegenen Boden ausführt usw.
Auf diese Weise ist unter Betriebsbedingungen beim Flüssigkeitszustrom aus dem Abflußrohr
9 in den ringförmigen hydraulischen Verschluß 5 der innere #Ring 18 mit Flüssigkeit
gefüllt, und die Austrittsöffnung 13 des zylindrischen Teils 11 des Abflußrohrs
9 ist in die Flüssigkeit getaucht, d.h. der hydraulisc#he Verschluß ist gewährleistet.
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Bei Unterbrechung des Flüssigheitszustroms auf den Boden fließt jedoch
sämtliche Flüssigkeit aus dem ringförmigen hydraulischen Verschluß 5 und von der
Scheibe 2 des Bodens und hinterläßt nicht einmal feste Bestandteile oder Polymerisationsprodukte.
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Der sich drehende zweiphasige Strom wird gegen die krummlinigen Platten
6 (Fig. 2) in Form einer archimedischen Spirale geleitet, dadurch kommt es zu einer
zusätzlichen Verwirbelung des Gas- bzw. Dampfstroms, einem Aufeinandertreffen von
Gas- bzw.
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Dampf- und Flüssigkeitsvolumen in allen Richtungen, einem Dispergieren
der Flüssigkeit und einer wiederholten Erneuerung und Vergrößerung der Oberfläche
zwischen den Phasen, was eine Intensivierung
des Stoffaustausches
in den Phasen und eine Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens
verursacht (Effektivität nach Merfri). Der Separationsring 15 begrenzt den sich
regulär auf der Scheibe 2 des Bodens drehenden zweiphasigen Strom. Die Flüssigkeit,
die unter Einwirkung von Fliehkräften eine radiale und eine Drehbewegung in einer
horizontalen Ebene vom Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses 5 zum
Außenrand, d.h. zu den Wänden des Separationsrings 15, ausführt, fließt durch den
Spalt 16 zwischen der unteren Kante 17 des Separationsrings 15 und der Scheibe 2
des Bodens auf den Randteil der Scheibe 2 des Bodens, wo sie die Drehbewegung an
der Wand der Kolonne 1 unter Einwirkung der sich kreuzenden Stöße des Gases oder
Dampfes, das bzw. der nach oben steigt, ausführt. Das führt zur Bildung von zusätzlicher
hochturbulenter Schicht zwischen den Phasen auf dem größten Teil des Umfangs der
Scheibe 2 des Bodens, denn die Abflußtasche 7 nimmt einen wesentlich kleineren Teil
des Umfangs der Scheibe 2 des Bodens in Anspruch, obwohl es über der Abflußtasche
7 ebenfalls zu einem teilweisen Zusammenwirken des sich drehenden zweiphasigen Stromes
mit dem Gas bzw. Dampf kommt, wodurch ebenfalls die Effektivität des Stoffaustausches
des Kontaktbodens wesentlich erhöht wird. Ein Teil der Flüssigkeit, der auf die
inneren Winde des Separationsrings 15 aufprallt, fließt nach unten und gelangt ebenfalls
auf den Randteil der Scheibe 2 durch den Spalt 16, während das Gas bzw. der Dampf
nach der Lostrennung von der Flüssigkeit eine schraubenförmige Bewegung nach oben
ausführt. Durch die Installierung des Separationsrings 15 wird eine Geschwindigkeitserhöhung
des Gases bzw.
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Dampfes ohne mechanisches Mitreißen von Flüssigkeit gewährleistet.
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Durch das Versetzen des Zentrums des ringförmigen hydraulischen Verschlusses
5 relativ zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens (Fig. 1, 2) vergrößert sich entsprechend
der Zunahme der Höhe der Flüssigkeitsschicht in der Randzone der Scheibe 2 des Bodens
infolge des dauernden Zuflusses des zweiphasigen Stroms in
Drehrichtung
um den Umfang der Scheibe 2 des Bodens das Volumen des ringförmigen Raums zwischen
der Wand der Kolonne 1 und dem Separationsring 15, indem die Flüssigkeit, die durch
das bzw.
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den aus den Schlitzen 3 austretende Gas bzw. Dampf getrieben wird,
sich in Richtung zu der Abflußtasche 7 bewegt. Dabei kann die Höhe der Flüssigkeitsschicht
in diesem Raum wesentlich grösser sein als die Breite des Spaltes 16 zwischen dem
unteren Rand 17 des Separationsrings 15 und der Scheibe 2 des Bodens, besonders
bei hohen Flüssigkeitsflächenbelastungen von ca.
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100 m3/m2.h und mehr. Auf diese Weise ermöglicht der Raum zwischen
der Wand der Kolonne 1 und dem Separationsring 15 mit sich in Drehrichtung des zweiphasigen
Stromes auf dem Boden erweiternden Querschnitt infolge der Versetzung# des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses 5 relativ zum Zentrum der Scheibe 2 des Bodens einen
Abfluß der Flüssigkeit vom Boden mit gleichzeitigem effektiven Stoffaustausch der
Flüssigkeit mit dem Gas bzw. Dampf in der Randzone des Bodens. Dabei wird die intensive
Drehung des zweiphasigen Stroms auf der Scheibe 2 innerhalb des Separationsringes
15 bei hohen Geschwindigkeiten des Gases bzw.
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Dampfes uncl der Flüssigkeit nicht gestört, wodurch hohe Gas-bzw.
Dampf- und Flüssigkeftsbelastungen und eine hohe Effektivität des Stoffaustausches
(Effektivität nach Merfri) gewährleistet werden. Bei sehr hohen Flüssigkeitsflächenbelastungen
von über 100 m3/m2.h und großen Durchmessern der Böden nimmt die Flüssigkeitsbelastung
der Abflußkante der Scheibe 2 des Bodens wesentlich zu. Für diesen Fall ist der
Abflußkanal 31 (Fig. 2, 10) vorgesehen, der durch die Xand der Kolonne 1, die Seitenwand
32 und die Grundfläche 33 mit sich in Drehrichtung des zweiphasigen Stroms auf dem
Boden erweiterndem Querschnitt gebildet wird und dessen Sintrittsöffnung für die
Flüssigkeit diametral der Zone der Abflußtasche 7 gegenüber liegt, wo die Flüssigkeitsmenge
wesentlich zunimmt, die von der Scheibe 2 des Bodens fließt. Durch die Neigung der
Grundfläche 33 des Abflußkanals 31 in Richtung der Abflußtasche 7 fließt die Flüssigkeit,
die hohe kinetische Energie besitzt, die sie im sich drehenden zweiphasigen Strom
empfangen hat, mit hoher
Geschwindigkeit in die Segmentabflußtasche
7, wobei sie sich vom Gas bzw. Dampf trennt. Darum gelangt in die Abflußtasche 7
und in die Abflußrohre 9 (Fig. 1, 2) bereits entgaste Flüssigkeit ohne Gas oder
Dampf, und darum ist in den Abflußrohren 9 eine Geschwindigkeit von 0,5 bis 0,7
l/s zulässig, was eine Erhöhung der Leistung der Abflußvorrichtungen oder eine Verringerung
des Querschnitts der Abflußvorrichtungen ermöglicht und dadurch eine Vergrößerung
der Nutzkontaktfläche der Böden und folglich eine Erhöhung der Produktivität und
Effektivität des Stoffaustausches der Böden. Der sich von oben nach unten in Bewegungsrichtung
der Flüssigkeit erweiternde Querschnitt der Abflußtasche 7 schafft eine vergrößerte
untere Grundfläche 8, die für die Vergrößerung der elliptischen Eintrittsöffnung
12 des sich von unten nach oben erweiternden geneigten Teils 10 des Abflußrohrs
9 notwendig ist, die einen erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz der Abflußvorrichtungen
ermöglicht. Außerdem bewirkt die Vergrößerung der Breite der Grundfläche 8 der Abflußtasche
7 ein Versetzen der Eintrittsöffnung 12 des Abflußrohrs 9 in Richtung der Austrittsöffnung
13 des vertikalen Abschnitts 1 des Abflußrohrs 9, der im Zentrum des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses 5 des tiefer gelegenen Bodens liegt, was die konstruktive
Ausführung des Versetzens der Eintrittsöffnung 12 des Abflußrohrs 9 mit Hilfe eines
Verbindungsknies erleichtert.
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Aus der Abflußtasche 7 fließt die Flüssigkeit durch das Abflußrohr
9 in das Zentrum des ringförmigen hydraulischen Verschlusses 5 des tiefer liegenden
Bodens usw.
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Bei sehr hohen Flüssigkeitsbelastungen von 100 m3/m2.h und mehr wird
durch die Installierung einer über der oberen Kante der in Drehrichtung des zweiphasigen
Stroms auf der Scheibe 2 des Bodens weiter entfernt liegenden Seitenwand 30 der
Abflußtasche 7 angebrachten vertikalen Zwischenwand 36 (Fig. 13, 14) eine Vergrößerung
der hydrostatischen Flüssigkeitssäule über der Abflußtasche 7 verursacht, was eine
Erhöhung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit in den Abflußvorrichtungen und eine
Erhöhung
des Flüssigkeitsdurchsatzes zur Folge hat. Die Vergrösserung
der hydrostatischen F üssigkeitssäule geschieht durch# die Umwandlung der kinetischen
Energie des sich drehenden Flüssigkeitsstroms in der Randzone der Scheibe 2 des
Bodens beim Abfluß der Flüssigkeit in der Abflußtasche 7 und beim Aufprallen aus
die Zwischenwand 36, wobei die Vergrößerung der hydrostatischen Flüssigkeitssäule
die mittlere Höhe der vertikalen Zwischenwand 36 bei hohen Flüssigkeits- und Gas-
bzw. Dampfbelastungen erreichen kann.
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Bei hohen Fiüssigkeitsbelastungen vergrößert sich durch die den kleineren
Teil des Bintrittsquerschnitts der Abflußtasche 7 der näher zum Zentrum der Scheibe
2 des Bodens mit den bogenförmigen Schlitzen 35, die nach den Abmessungen und der
Anordnung in konzentrischen Kreisen und der tangentialen Richtung der Achsen 4 mit
den bogenförmigen Schlitzen 3 in der Scheibe 2 des Bodens übereinstimmen, gelegen
ist, bedeckende Platte 34 (Fig. 11, 12) die Kontaktdauer der Flüssigkeit mit dem
Gas bzw.
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Dampf auf der Scheibe 2 des Bodens in der Zone um die Abflußtasche
7, wodurch die Effektivität des Stoffaustausches des ontaRtbodens erhöht wird. Außerdem
kornmt es zur Ejektion des Gases bzw. Dampfes aus der Segmentabflußtasche 7 durch
die Schlitze 3, wodurch die Betriebsbedingunigen für die Abflußvorrichtungen infolge
der Abscheidung des Gases bzw. Dampfes verbessert werden.
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Daraus ist ersichtlich, daß die Platte 34 den Durchsatz der Abflußvorrichtungen
vergrößert, die Effektivität des Massenaustausches des Kontaktbodens durch Verlängerung
der Kontaktdauer der Flüssigkeit mit dem Gas bzw. Dampf erhöht, da die Flüssigkeit
aus der Abflußtasche 7 das Gas bzw. den Dampf, mit dem sie sich in Kontakt befindet,
ejektiert und außerdem eine Drehbewegung auf der Scheibe 2 des Bodens zusammen mit
dem Gas oder Dampf, das bzw. der teilweise in die Flüssigkeit übergeht, ausführt,
bevor sie auf die Platte 34 gelangt.
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Auf diese Weise gewährleistet die Versetzung des Zentrums des ringförmigen
hydraulischen Verschlusses 5 relativ zum Zentrum
des Bodens, die
Ausnutzung der oinseitigen Lage der Abflußtasche 7 auf dem Boden für die Verlängerung
der Kontaktdauer der Flüssigkeit mit dem Gas bzw. Dampf in der Randzone des Bodens,
die Ausnutzung des Abflußkanals 31 mit sich erweiterndem Querschnitt in der Randzone
des Bodens und der vertikalen Zwischenwand 36 für die Steigerung des hydrostatischen
Flüssigkeitsdrucks über der Abflußtasche 7 und auch die Schaffung des Kontakts des
Gases bzw. Dampfes mit der Flüssigkeit in der Zone der Scheibe 2 des Bodens unter
dem ringförmigen hydraulischen Verschluß 5 und in der Zone der Abflußtasche 7 in
Verbindung mit der Ausnutzung einer rationellen Zusammenwirkung der Phasen durch
die tangentiale Einführung des Gases bzw. Dampfes in die Flüssigkeit und die Schaffung
eines auf diese Weise geführten sich drehenden zweiphasigen Stroms im Beisein krummliniger
Platten 6 in Form einer archimedischen Spirale auf dem Boden und eines hydraulischen
Durchflußverschlusses 5 hohe hydrodynamische Kennwerte des Fliehkraft-Wirbel-Kontaktbodens,
und zwar einen hohen Gas- bzw. Dampfdurchsatz, der im auf den Gesamtquerschnitt
der Kolonne 1 bezogenen Geschwindigkeitsfaktor von über 3,3, einem Flüssigkeitsdurchsatz
von 100 m3/m2.h und mehr und einem um 1,5 bis 2,5 mal im Vergleich zu modernen,
pneumatisch betriebenen Ventil- und Glockenböden bei vergleichbaren Umständen geringeren
Strömungswiderstand zum Ausdruck kommt. Die hydrodynamische Struktur der Phasenströme,
die nahe an das Modell der idealen Verdrängung herankommt, schafft eine hohe und
stabile Effektivität des Stoffaustausches des Fliehkraft.Wirbel-Kontaktbodens (Effektivität
nach Merfri) in einem weiten Bereich der Gas- bzw. Dampf- und Flüssigi#eitsbelastung.
Außerdem ermöglicht die Verwendung einrohriger Abflu3vorrichtungen ungeachtet einer
gewissen Komplizierung der Abflußtaschen und des Knies der Abflußrohre eine wesentliche
Verrinerung des Werkstoffbedarfs für die Konstruktion der Böden, wodurch sie sich
besonders in Kolonnen mit einem Durchmesser von 3 bis 4 m bei hohen Flüssigkeitsflächenbelastungen
über 100 m3/m2.h, die typisch für die extraktive Rektifikation und Gastrennung bei
sehr hohen Drücken sind, auszeichnen.
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Du#rch die Verwendung vertikaler krummliniger Platten 6 in Form einer
archimedischen Spirale, die auf dem Kontaktboden mit dem sich drehenden zweiphasigen
Strom installiert sind, kann man leicht die Wirkung der Fliehkraft-Wirbel-Kontaktböden
ändern.
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Durch die Veränderung# der Parameter der Archimedes-Spirale kann man
eine vorgegebene hydrodynamische Lage und die Effektivität des Stoffaustausches
(Effektivität nach Merfri) sowohl bei hohen als auch sehr kleinen Flüssigkeitsbelastungen
voraussehen. So verwendet man z.B. die an den Seitenwänden 30 der Abflußtasche 7
befestigte und die Abflußtasche 7 teilweise am Außenrand an der Wand der Kolonne
1 bedeckende Platte 32 (Fig. 15), über die tein Teil der Flüssigkeit unter Einwirkung
hoher Geschwindigkeiten und von Fliehkräften auf die Scheibe 2 des Bodens für den
sich vielfach wiederhol#enden Kontakt mit dem Gas bzw. Dampf in der Randzone der
Scheibe 2 des Bodens fließt, für die Erhöhung der Effektivität des Stoffaustausches
bei sehr geringen Flüssigkeitsbelastungen und hohen Gas- bzw. Dampfgeschwindigkeiten
bei der Vakuumrektifikation auf dem Fliehkraft-Wirbel-Kontaktboden. Dadurch vergrößert
sich die Höhe der Flüssigkeitsschicht auf dem Boden und die mittlere Kontaktdauer
des Gases oder Dampfes mit der Flüssigkeit, was z.B. bei der Vakuumrektifikation
wesentlich die Effektivität des Stoffaustausches des Kontaktbodens erhöht (Effektivität
nach Merfri).
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Fliehkraft-Wirbel-Kontaktböden
in Rektifikations- und Absorptionskolonnen gewährleistet deren hohe Produktivität,
bezogen auf Gas, Dampf und Flüssigkeit, eine hohe Effektivität des Stoffaustausches
und einen niedrigen Bauaufwand für die Konstruktion, wodurch die Reinheit der zu
trennenden Stoffe erhöht und ihre Selbstkosten gesenkt werden.