DE3001594A1

DE3001594A1 - Kolonnenfuellkoerperelement

Info

Publication number: DE3001594A1
Application number: DE19803001594
Authority: DE
Inventors: Earl H Foote; Frank D Moore; Jun Ralph F Stringle
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1979-01-17
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4195043A; JPS5717569B2; GB2039773A; JPS5597222A; FR2446662A1; GB2039773B; CA1107635A

Description

DR.-ING. FRANZ PATENTANWÄLTE _DR phil. freda ^uesthoff (1,27-1,5«)

WUESTHOFF - v. PECHMANN - BEHRENS - GO£TZ _wil.-ng. gerhard puls («„2-_Wx)

£( DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICB DR.-ING. DIETER BEHRENS MANDATAiRES agre£s pres l'office european des brevets dipl.-inc; dipl.-virtsch.-ing. Rupert goetz

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE

telefon: (089) 6620 ji telegramm: protectpatent telex: 524070

1A - 52778

Kolonnenfü!!körperelement

Die Erfindung bezieht sich auf willkürlich einsetzbare, sich selbst orientierende, im Präzisionsspritzgußverfahren aus Kunststoff hergestellte spiralförmige Kolonnenfüllkörperelemente mit Zellstruktur .z.B. für Kontaktbehandlungs- bzw. Aufbereitungskolonnen, -behälter oder -geräte für Strömungsmedien wie Flüssigkeiten und/oder Gase, insbesondere für Abwasseraufbereitungsanlagen.

Bei Transport- und Abwasseraufbereitungsanlagen ist es erforderlich, ein Bett von Füllkörperelementen vorzusehen, die willkürlich einsetzbar sind, sich horizontal selbst orientieren, eine große Anzahl von kurzen, nicht fluchtenden, im wesentlichen vertikalen Zellen und häufig unterbrochene Oberflächen haben, um eine durchgehende Strömung zu unterbrechen, die eine hohe Widerstandskraft gegen Verschmutzung haben und Feststoffe und biologische Stoffe zum Niederschlag bringen.

Nicht spiralförmige, willkürlich einsetzbare und sich selbst orientierende Füllkörperelemente sind aus den US-PS 2 055 162, 2 376 349, 3 914 351, 3 957 931 und 4 067 936 bekannt. Andere mit spiraliger gewellter Rippenform, die gestapelt bzw. geschichtet und nicht willkürlich einsetzbar sind, sind aus der US-PS 2 940 186 und der GB-PS 937 597 bekannt.

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Andere bekannte Elemente haben eine maximale Querabmessung bzw. einen Durchmesser größer als die axiale Höhe bzw. Länge zwischen gegenüberliegenden Seiten bzw. Enden. Sie haben damit die Tendenz, wenn sie gestapelt sind, in dieser Position zu bleiben, und wenn sie willkürlich eingesetzt werden, eine Lage einzunehmen, bei der ihre maximale Querabmessung und ihre gegenüberliegenden Seiten im wesentlichen horizontal verlaufen.

In der genannten Britischen Patentschrift sind kontinuierliche Rippen aus thermoplastischem Material beschrieben, die spiralförmig wickelbar sind, um Elemente anderer geometrischer Form wie in Rechteck- oder Quadratform zu bilden.

Wenn Elemente mit großen vertikalen Abmessungen in einem Bett gestapelt werden, ergibt sich im wesentlichen keine Flüssigkeitsquerströmung normal zur Gas- und Flüssigkeitsströmungsrichtung. Daher bleibt der ursprüngliche Verlauf der Flüssigkeitsverteilung über dem Bett im wesentlichen durch das Bett ununterbrochen. Damit bleiben trockene Bereiche am oberen Ende des Bettes durch das gesamte Bett trocken, so daß sich ein Volumenverlust der Füllkörperelemente bei Massentransport ergibt.

Die Füllkörperelemente der Erfindung haben eine höhere Leistungsfähigkeit, da sie sich horizontal selbst orientieren, gegen Verschmutzung widerstandsfähig sind und Feststoffe und biologische Stoffe zum Niederschlag bringen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich im wesentlichen die gesamte Oberfläche vertikal orientiert, und die kürzeren vertikalen Oberflächen benachbarter nicht fluchtender Elemente den Flüssigkeits- bzw. Abwasserstrom häufig unterbrechen. Die Strömungsunterbrechung begünstigt die Sauerstoffaufnahme bzw. den Massentransport. Da die spiralförmigen Füllkörperelemente keinen gleichmäßigen Radius haben, besteht eine größere Tendenz, wenn sie eingefüllt werden, sich willkürlich

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bezüglich irgendeines Querschnittes der Kolonne normal zur Gas- und Flüssigkeitsströmungsrichtung zu orientieren. Dadurch wird eine Musterbildung der Elemente im Bett vermieden und eine verbesserte innere Flüssigkeitsverteilung erreicht. Da die Elemente willkürlich eingesetzt werden und keine gestapelten Teile mit langen vertikalen Abmessungen sind, spricht sie auf die Qualität und die Ungleichmäßigkeit der anfänglichen Flüssigkeitsverteilung über dem Bett weniger an.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Kolonnenfüllkörperelement zu schaffen, das willkürlich einsetzbar ist und sich selbst orientiert und möglichst viele unterbrochene Flächen aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Jedes Element besteht somit aus einer kontinuierlichen Spiralwand mit inneren und äußeren getrennten Windungen gekrümmter oder polygonaler Form, die sich um eine Spiralachse erstrecken und durch radiale winkelmäßig versetzte Rippen getrennt sind. Die maximale Querabmessung bzw. Breite jedes Elements ist größer als seine axiale Höhe bzw. Länge, so daß es, wenn es in einen Behälter eingesetzt wird, mit seiner maximalen Querabmessung und den gegenüberliegenden Seiten im wesentlichen horizontal selbst orientiert.

Das Element hat gerade oder sich trichterförmig öffnende Endzellen unterschiedlicher Größe, die entweder von bogenförmigen, geraden oder ebenen Wandteilen der Spiralwand und den radialen Rippen unterschiedlicher Länge umgeben sind. Benachbarte Wandteile der Spiralwand und der radialen Rippen fluchten entweder in der gleichen Ebene oder sind relativ zueinander und zur Ebene der Spiralachse entgegen-

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gesetzt geneigt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine Seitenansicht des Füllkörperelements der Fig. 2,

Figur 2 eine Aufsicht des Elements in Fig. 1 ,

Figur 3 einen Querschnitt einer radialen Rippe längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Figur 4 einen Querschnitt -einer geneigten Rippe längs der Linie 4-4 in Fig. 2,

Figur 5 einen Querschnitt eines geneigten Wandteils der Spiralwand längs der Linie 5-5 in Fig. 2,

Figur 6 einen Querschnitt eines gegenüberliegenden Wandteils der Spiralwand längs der Linie 6-6 in Fig. 2, und

Figur 7 eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

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Die Pig. 1 bis 6 zeigen ein bevorzugtes durch Präzisionsspritzgießen hergestelltes, spiralförmiges und polygones, aus Kunststoff bestehendes Kolonnenfüllkörperelement mit Zellstruktur. Das Element 10 hat parallele einander gegenüberliegende Ober- und Unterseiten 12 und 14. Eine kontinuierliche, polygonale spiralförmige Wand 16 erstreckt sich in mehr als einer und ggf. mehr als zwei getrennten Windungen, um die Spiralachse axial zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements 10. Die spiralförmige Wand 16 hat z.B. aneinandergrenzende gerade, flache, winkelige Wandteile 18, 20, die relativ zueinander und zur Achse χ des Elements 10 gegensinnig geneigt sind. Es ist auch möglich, daß eine oder mehrere oder alle Wandteile 18, 20 eine gewellte oder sägezahnartige Anordnung mit gekrümmten oder geraden Flächen an einer oder beiden Seiten oder einer Kombination hiervon haben.

Die abwechselnd geneigten Wandteile 18 divergieren ausgehend von der Seite 12 und der Achse x,wie die Fig. 2 und 6 zeigen, während die entgegengesetzt geneigten Wandteile 20 dazwischen von der Seite 12 zur Achse χ konvergieren, wie die Fig. 2 und 5 zeigen. Die Beziehung ist bei Betrachtung von der gegenüberliegenden Seite 14 des Elements 10 umgekehrt.

Winkelförmig versetzte radiale Rippen verbinden die innere und äußere Windung der Wand 16 und den zentralen Teil des Elements 10. Die Rippen bestehen aus benachbart entgegengesetzt geneigten inneren und äußeren Wandteilen 24 und Die beiden inneren Wandteile 24, die an gegenüberliegenden winkelförmig versetzten Seiten einer inneren Zelle liegen, sind relativ zueinander, den äußeren beiden entgegengesetzt geneigten Wandteilen 26 an gegenüberliegenden, winkelförmig versetzten Seiten der benachbarten äußeren Zelle und zu einer radialen Ebene, die durch die Achse χ verläuft, entgegengesetzt geneigt.

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Wie Fig. 2 durch Oberflächenschraffur zeigt, sind die Wandteile der spiralförmigen Wand und der Rippen, die abwechselnde Zellen innerhalb der Spiralwand um die Achse χ umschließen, geneigt und konvergieren zur Mitte der Zelle, während die Wandteile der Spiralwand und der Rippen, die die benachbarten bzw. dazwischen liegendenzelen umgeben,entgegengesetzt geneigt sind, und von der Mitte der Zelle nach außen divergieren. Das Füllkörperelement 10 hat damit mehrere entgegengesetzt trichterförmige Zellen, die von konvergierenden Wandteilen benachbarter Zellen umschlossen sind, die von divergierenden Wandteilen umschlossen sind.

Die Neigung der Wandteile 18 und 20 und der Rippen 24 und 26 relativ zu einer Ebene parallel zur Achse χ und/oder senkrecht zu den gegenüberliegenden Seiten 12 und 14 beträgt vorzugsweise etwa 4°, kann jedoch von 0 bis 20 betragen.

Die inneren Zellen des Elements 10 haben eine dreieckige Form und nehmen nach Größe, Fläche und Volumen fortschreitend von der kleinsten am inneren Ende bis zur größten am äußeren Ende der Windung der Spiralwand 16 zu.

Fig. 4 zeigt die Querschnittsform jeder der Rippen 24- und 26 des Elements 10 und die Fig. 5 und 6 die Querschnittsform der Wandteile 18 und 20, die zwischen den Rippen verlaufen. Die Wandteile 24 und 26 haben eine Dicke, die etwas größer als die der Wandteile 18 und 20 der Spiralwand 16 ist. Sie können jedoch im wesentlichen die gleiche Dicke haben; in jedem Falle sollte die Wanddicke ausreichend sein, um ein Zusammenklappen zu vermeiden und der Last einerFüllkörperkolonne in dem Bett einer gefüllten Kolonne zu widerstehen.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, hat das Element 10 auch eine innere, sich verjüngende Rippe 28 mit entgegengesetzt geneigten äußeren Wandflächen, die die Achse 10 mit dem

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inneren Ende der inneren Windung verbindet. Die Wanddicke der Rippe 28 nimmt vorzugsweise von ihrem dicksten Rand auf der einen Seite 12 zu einem dünneren Rand auf der gegenüberliegenden Seite 14 des Elements ab. Die Rippe 28 kann auch entgegengesetzt zu der Darstellung geneigt sein oder eine gleichmäßige Wanddicke haben.

Fig. 7 zeigt ein ähnliches spiralförmiges Füllkörperelement 40 mit im wesentlichen der gleichen Größe, der maximalen Querabmessung W und der Axialhöhe H zwischen ihren gegenüberliegenden Seiten wie das Element 10. Das Füllkörperelement 40 hat ebenfalls eine kontinuierliche kreisförmig gekrümmte Spiralwand 46, die sich in mehr als einer und ggf. mehr -als zwei getrennten Windungen um die Spiralachse χ und axial zwischen ihren gegenüberliegenden parallelen Seiten erstreckt.

Die innere und die äußere Windung der Spiralwand 46 haben benachbarte gekrümmte bzw. bogenförmige Wandteile 48 und 50 unterschiedlicher Bogenlänge, die sich axial parallel zur Achse χ und zwischen paarweisen, winkelig gleich versetzten Wandteilen innerer und äußerer Rippen 52,54 erstrecken.

Aufgrund kontinuierlicher Änderungen des Radius und des gleichen Winkelabstands der Rippen nehmen die Länge der bogenförmig gekrümmten Wandteile 48, 50, die radiale Länge der inneren Rippe 52 und die gesamte radiale Länge der Rippen 52 und 54 sowie die Größe der Zellen fortschreitend von dem kürzesten benachbarten inneren Enden zu den längsten benachbarten äußeren Enden der Windungen der Spiralwand 46 zu.

Die fluchtenden inneren und äußeren Rippen 52 und 54 verbinden die innere und äußere Windung und den zentralen axialen Teil des Elements 40. Sie erstrecken sich auch

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radial von der Achse χ aus und axial zwischen den gegenüberliegenden parallelen Seiten senkrecht zu der Achse.

Obwohl die willkürlich einsetzbaren Füllkörperelemente aus verschiedenen Keramik-, Metall- und Kunststoffmaterialien herstellbar sind, werden sie vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material wie Polyvinylchlorid, Polypropylen oder Polystyrol im Präzisionsspritzgußverfahren hergestellt.

Das ausgewählte Material hängt offensichtlich von der Umgebung und seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber den Materialien ab, mit dem es in der Umgebung in Berührung kommt. Die Füllkörperelemente können auch verschiedene Größen und spiralförmige geometrische Formen haben.

Die Füllkörperelemente 10 und 40 haben eine maximale Querabmessung bzw. Breite W, gemessen längs einer gegenüberliegenden Seite und einer Ebene, die durch die Achse χ und die Mitte der Rippen 28, 24 und 26 des Elements 10 und der Rippen 52 und 54 verläuft, die das innere und äußere Ende der Windungen des Elements 40 verbindet, die größer als die axiale Höhe bzw. Länge H zwischen gegenüberliegenden Seiten ist, vorzugsweise mit einem Verhältnis von maximaler Querabmessung W zu axialer Höhe H von 1,5 s 1 bis 5 :-1. Das Verhältnis von maximaler Querbreite W zu axialer Höhe H, das vorzugsweise größer als 1 : 1 ist, kann jedoch weitaus größer sein, beträgt jedoch in den meisten Fällen .nicht mehr als 10 : 1 .

Die äußeren, entgegengesetzt geneigten Wandteile 18, 20 und die bogenförmigen Wandteile 50 der äußeren Windungen der Spiralwand 16 und 46 müssen nicht, sind jedoch im allgemeinen parallel zu und abstandsgleich zu und von größerer Länge in der Spiralrichtung als die gegenüberliegenden inneren Wandteile der inneren Windungen. Nur

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wenn die inneren und äußeren Windungen der Spiralwand und 46 um die Achse χ im wesentlichen parallel zu und abstandsgleich voneinander verlaufen, hat jede Gruppe von äußeren Rippen 26 und 54 im wesentlichen gleiche radiale Länge. In jedem Falle ändert sich jedoch die Gesamtlänge der inneren und äußeren Rippen und jeder Gruppe von inneren Rippen fortschreitend von der geringsten nahe dem inneren Ende zu der größten nahe dem äußeren Ende der inneren Windungen.

Der Winkelabstand zwischen den Rippen 24 und 26 und und 54 um die Achse χ kann gleich oder ungleich sein. Wenn er ungleich ist, ändert sich die Größe und das Volumen der Zellengruppen in jeder Windung entsprechend. · Wenn jedoch die radial verlaufenden Rippen gleichen Winkelabstand um die Achse χ haben, nimmt jede Zellengruppe der inneren und äußeren Windungen nach Größe, Fläche und Volumen fortschreitend von der kleinsten am inneren Ende zu der größten am äußeren Ende der inneren und äußeren Windungen zu.

Wie Fig. 2 zeigt, hat das Element 10 drei innere und drei äußere Zellen, die durch drei abstandsgleiche Rippen 24 und 25, die in der oberen 18O°-Hälfte um 60° versetzt sind, und vier innere und vier äußere Zellen, die durch vier abstandsgleiche Rippen 24 und 26 getrennt sind, die in der unteren 18O°-Hälfte des Elemente um 45° versetzt sind. Jede Gruppe abstandsgleicher innerer und äußerer Zellen in der oberen und unteren Hälfte und zwischen den Windungen des Elements nimmt daher fortschreitend nach Größe, Fläche und Volumen für einen Winkelabstand von 180° zu. In gleicher Weise nimmt jede Gruppe von Wandteilen 18 und 20 in der oberen und unteren Hälfte des Elements 10 für jede 180°-Hälfte"der Länge nach fortschreitend zu.

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Das Element 40 in Fig. 7 hat drei Rippen und Zellen, die in jeder 18O°-Hälfte des Elements um 60° versetzt sind. Das Element 40 hat somit sechs winkelmäßig gleich versetzte Rippen und Zellen um die Achse x, wobei die inneren und äußeren Zellengruppen nach Größe von den kleinsten an den inneren Enden zu den größten an den äußeren Enden der Windungen fortschreitend zunehmen.

Die Wandteile 18, 20 und die Rippen 24 und 26 des Elements 10 können auch nur in einer Richtung geneigt oder auch gerade und parallel zu einer Ebene durch die Achse χ und senkrecht zu den gegenüberliegenden Seiten 12 und 14 verlaufen. Ähnlich können die fluchtenden Rippen 52 und 54 und die bogenförmigen Wandteile 48 und 50 des Elements 40 entgegengesetzt geneigt oder in einer Richtung geneigt sein. Die äußere und innere Windung des Elements 46 können auch gegen die oder weg von der Achse oder entgegengesetzt relativ zueinander und zur Achse χ geneigt sein.

Die Elemente können auch statt im Spritzgußverfahren polygonal und gebogen extrudiert \md auf die gewünschte axiale Länge H zugeschnitten werden-. Beim Extrudieren sind jedoch die Wandteile und deren Flächen nicht geneigt oder verjüngt, sondern parallel zur Achse x.

Die Wandteile der Spiralwand und der Rippen sind vorzugsweise undurchlässig* können jedoch öffnungen verschiedener Formen und Größen haben und nach innen oder außen gerichtete Vorsprünge parallel zur oder geneigt zur Achse χ haben.

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Claims

Patentansprüche

1. Willkürlich einsetzbares/ sich selbst orientierendes, sprialförmiges Kolonnenfüllkörperelement, g e k e η η zeichnet durch eine Spiralwand (16, 46) bestimmter Wanddicke und axialer Höhe, die sich in mehr als einer Windung mit Abstand um eine Achse *(x) und axial zwischen gegenüberliegenden Seiten (12„ 14) des Füllkörperelements (10, 40) erstreckt und eine innere Windung mit Abstand von der Achse und wenigstens einen Teil wenigstens einer äußeren Windung aufweist, die mit Abstand zur inneren Windung verläuft, winkelförmig versetzte radiale Rippen (26, 28), deren Wandteile axial zwischen den gegenüberliegenden Seiten (12„ 14) und radial zwischen der Achse und den aneinandergrenzenden Wandteilen (18, 20, 48„ 50) der inneren und äußeren Windungen der Spiralwand verlaufen, und offene Endzellen, die axial zwischen den gegenüberliegenden Seiten, winkelmäßig versetzten radialen Wandteilen der Rippen und aneinandergrenzenden Wandteilen der Spiralwand verlaufen,, und dadurch, daß die maximale Querabmessung (W) zwischen diametral gegenüberliegenden Wandteilen des Füllkörperelements,

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gemessen längs einer gegenüberliegenden Seite, größer als ihre axiale Länge (H) zwischen den gegenüberliegenden Seiten ist.

2. Füllkörperelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Spiralwand (46) eine gekrümmte Spiralform hat, und daß aneinandergrenzende bogenförmige Wandteile (48, 50) sich um die Achse (x) und zwischen winkelförmig versetzten radialen Wandteilen (54) der Rippen an winkelmäßig versetzten gegenüberliegenden Seiten der Zellen erstrecken.

3. Füllkörperelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralwand (16) eine polygonale Spiralform und aneinandergrenzende, winkelige Wandteile(18, 20) hat, die sich um die Achse (x) und zwischen winkelmäßig versetzten radialen Wandteilen (26, 28) der Rippen an winkelmäßig versetzten gegenüberliegenden Seiten der Zellen erstrecken.

4. Füllkörperelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die aneinandergrenzenden winkeligen Wandteile der Spiralwand relativ zur Achse und den gegenüberliegenden Seiten des Füllkörperelements geneigt sind.

5. Füllkörperelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die winkelmäßig ver-

.setzten radialen Wandteile der radialen Rippen relativ zur Achse und zu den gegenüberliegenden Seiten des Füllkörperelements geneigt sind.

6. Füllkörperelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die aneinandergrenzenden

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winkeligen Wandteile der Spiralwand relativ zueinander und zur Achse entgegengesetzt geneigt sind.

7. Füllkörperelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die winkelmäßig versetzten radialen Wandteile der Rippen an gegenüberliegenden Seiten der Zellen relativ zueinander und zur Achse entgegengesetzt geneigt sind.

8. Füllkörperelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen des Füllkörperelements abwechselnd und benachbart entgegengesetzt trichterförmige Zellen.sind, und daß die geneigten Wandteile der Spiralwand und der Rippen um die abwechselnd trichterförmigen Zellen gegeneinander und zur Mitte konvergieren, und die geneigten Wandteile der Spiralwand und der Rippen um die benachbarten trichterförmigen Zellen voneinander und von der Mitte aus divergieren.

9. Füllkörperelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die winkelmäßig versetzten radialen Rippen des Füllkörperelements in der gesamten radialen Länge zwischen der Achse und der äußeren Windung und in der radialen Länge zwischen der Achse und der inneren Windung unterschiedlich sind.

10. Füllkörperelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Zellen des Füllkörperelements nach Größe und Volumen unterschiedlich sind.

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