Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Innenanordnungen, häufig als "Turm-Innere (tower internals)"
bezeichnet, die in Behältern verwendet werden, welche in Chemieanlagen und Ölraffinerien
für Stoff und Wärmeaustauschanwendungen, wie Destillation, Fraktionierung, Absorption,
Waschen, Kontaktieren, Strippen und Quenchen, eingesetzt werden. Sie betrifft insbesondere
Vorrichtungen, die Flüssigkeiten an den oberen Enden solcher Türme derart verteilen, daß die
Flüssigkeit gleichmäßig über die Stoffaustauschoberflächen verbreitet wird. Derartige
Vorrichtungen werden üblicherweise als "Sammelwannen (Sickergruben, sumps)" oder
"Kanäle (troughs)" bezeichnet, und ihre Funktion ist es, die Flüssigkeit zu kanalisieren und sie
so gleichmäßig wie möglich durch Lochungen in den Böden und Seiten der Sammelwannen
oder Kanäle zu verteilen. Sammelwannen sind Hauptleitungen für die Flüssigkeit, und diese
verteilen üblicherweise die Flüssigkeit auf eine Reihe von seitlichen Kanälen, die von der
Sammelwanne abzweigen und als Kanäle bezeichnet werden. Wenn ein Turm nur eine
Sammelwanne aufweist, breitet diese sich üblicherweise über den gesamten Durchmesser
eines Turms aus und kann somit beliebig von einem Meter bis über vier Meter betragen.
Größere Türme können zwei parallele Sammelwannen aufweisen, die sich entlang Gurtungen
(chords) des Querschnitts des Turms ausbreiten und kürzer als der gesamte Durchmesser sind.
Dies liegt daran, daß die Sammelwannen ein großes Volumen an Flüssigkeit tragen müssen
und das Gewicht dieser Flüssigkeit übermäßige Belastungen auf die Anordnung ausüben
kann. Die Anzahl an seitlichen Kanälen, die Flüssigkeit aus der Sammelwanne verteilen,
hängt von der Größe des Turms ab, aber im allgemeinen verlaufen zwei oder drei seitliche
Kanäle auf jeder Seite der Sammelwanne.
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Im Querschnitt sind die Sammelwannen und Kanäle üblicherweise U-förmig, obwohl sie auch
einen V-förmigen Boden aufweisen können. Die Sammelwannen sind üblicherweise in
geraden Längen aufgebaut, die Verbindungen, insbesondere Verbindungen mit den seitlichen
Verteilerkanälen im rechten Winkel zu der Linie der Sammelwanne in häufigen Abständen
herstellen. Typischerweise wurden diese durch Schweißen eines Flansches auf das Ende des
mit der Sammelwanne zu verbindenden Seitenkanals erzeugt. Dieser wird dann in
Paßgenauigkeit mit einem geeigneten Lochschnitt in der Seite der Sammelwanne angeordnet, und
der Flansch wird mit der Sammelwanne mit einer Dichtung zwischen den Kontaktoberflächen
zur Vermeidung undichter Stellen verschraubt. Bei dieser Anordnung ergeben sich eine Reihe
von Problemen dadurch, daß das Flanschmaterial üblicherweise ein stärkeres Maß (gauge)
aufweisen muß als das Kanalmaterial, um die Steifigkeit der Verbindung sicherzustellen und
solche Biegungen zu vermeiden, die einen Defekt an den Schweißstellen verursachen können.
Schweißstellendefekte stellen ebenfalls ein Problem dar, da sie zu undichten Stellen und der
Notwendigkeit von ständiger Wartung des Verteilungssystems führen.
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Ein weiterer Nachteil des Schweißens eines Flansches mit starkem Maß an einen Kanal mit
dünnem Maß besteht darin, daß dies zu einer Krümmung des Kanalmaterials führen kann.
Zusätzlich ist es schwierig, eine vollständige Übereinstimmung zwischen dem Flansch und
dem Kanal sicherzustellen, was sich als entscheidend für die endgültigen
Flüssigkeitverteilungscharakteristika des Systems von Kanälen und Sammelwanne herausgestellt hat. In der
Vergangenheit führte jede nicht korrekte Ausrichtung der Teile zu erhöhten Kosten bei der
Herstellungsnacharbeitung oder der Installation vor Ort. Wenn die in dem System verteilten
Flüssigkeiten korrodierend sind (wie es in Raffinerie- und Chemieanwendungen üblich ist),
müssen teure, nicht-korrodierende Metalle verwendet werden. Die Eliminierung des
Metallflansches mit starkem Maß und die Verminderung bei den damit verbundenen
Schweißvorgängen, die durchgeführt werden müssen, führt zu wesentlichen
Kostenersparungen ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit.
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Es besteht damit ein Bedarf an der Entwicklung eines Kanalverbindungssystems, das teures
und umfangreiches Schweißen oder die Verwendung von Flanschmaterialien mit starker
Feinheit zur Bewirkung von Anschlüssen nicht einschließt. Ein derartiges System wird durch
die vorliegende Erfindung bereitgestellt.
Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Verteilerkanal bereit, der so angepaßt ist, mit einem
Bauteil (Element) mit einer flachen Oberfläche verbunden zu werden, wobei der Kanal
gegenüberliegende Containmentwände und einen an die Containmentwände an deren unteren
Enden angefügten Kanalboden umfaßt, wobei mindestens ein Ende des Kanals durch die
Bereitstellung eines Innenflansches innerhalb des Kanals modifiziert ist, der so angepaßt ist,
um mit dem Bauteil verschraubt zu werden, mit welchem der Kanal verbunden werden soll,
und der durch die Inwärtsfaltung der Enden der Containmentwände und des Bodens des
Kanals gebildet ist.
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Der Innenflansch erstreckt sich, wie der Name impliziert, innerhalb des Kanals von den
Containmentwänden und vom Boden, um einen kontinuierlichen Flansch zu bilden, der sich
innerhalb des Kanals und an dessen Ende erstreckt. Der Flansch wird vorzugsweise durch
Bildung von rechtwinkligen Inwärtsdeformationen eines Teils von jeder der Wände, die dem
Ende benachbart sind, und vom Boden des Kanals zwischen beiden Abschnitten bereitgestellt.
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Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung gleichermaßen auf die Verbindung von
Sammelwannen mit Bauteilen anwendbar ist, und daß der Ausdruck "Kanal", wenn er bei der
Beschreibung der Erfindung verwendet wird, eher in einem allgemeinen Sinne eines
Flüssigkeitskanals verwendet wird, als in dem besonderen Sinne der Technik, in deren
Zusammenhang seine Verwendung hier beschrieben wird.
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Das Bauteil, mit welchem der Kanal verbunden werden soll, kann ein weiterer Kanal mit
einem auf ähnliche Weise modifizierten Ende sein. Es kann ebenfalls eine Sammelwanne mit
einem geeigneten Lochschnitt in einer Containmentwand sein, wobei in diesem Fall das
modifizierte Ende mit dem Abschnitt der Containmentwand der Sammelwanne verschraubt
werden würde, welcher das Loch umgibt. Das Bauteil kann ebenfalls eine Abschlußplatte, die
den Kanal oder die Sammelwanne an diesem Ende abschließt, oder ein Loch in der
Sammelwannenwand sein. Es ist denkbar, daß das Bauteil ebenfalls ein Teil der Ausstattung
sein kann, durch welche die Flüssigkeit in das Kanalsystem verteilt wird. Somit stellt die Art
des Bauteils, mit dem der Kanal verbunden wird, keine wesentliche Beschränkung der
vorliegenden Erfindung dar.
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Die Inwärtsbiegung der Containmentwände und des Bodens des Kanals wird normalerweise
von einer Faltung eines Abschnitts des Wand- und Bodenmaterials begleitet, der der
Verbindung benachbart ist. Diese Faltung kann man in das Innere des Kanals hineinragen
lassen, oder sie kann gegen die Wand oder den Boden flachgeschlagen werden. Mit einem
typischen in Verteilerkanälen verwendeten Metallblattmaterial ist eine derartige Faltung
unzweckmäßig, und das Material, das die Faltung bilden würde, wird stärker bevorzugt
weggeschnitten, bevor das Metall derart gefaltet wird, daß sich die inwärtsdeformierten Seiten
und der Boden in einer Weise treffen, die es ihnen erlaubt, in einer dichten Weise miteinander
verbunden zu werden. Dies kann unter Verwendung einer Dichtungsverbindung gemacht
werden, wird aber üblicher durch Schweißen gemacht, falls das Material des Kanals aus
Metall ist. Somit befindet sich die einzige Verbindung in dem Flansch-Kanal-Aufbau, die auf
dichte Weise abgeschlossen werden muß, im Inneren des Kanals. Auf diese Weise kann das
Schweißen eines äußeren Flansches mit starkem Maß entlang den Enden von beiden
Containmentwänden und des Kanalbodens vollständig eliminiert werden.
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Alternativ und häufig bevorzugt kann die Verbindung zwischen den Containmentwänden und
dem Boden geschnitten werden, wobei die Seitenwände inwärts gefaltet sind und
anschließend der Boden inwärts gefaltet wird, so daß er mit den inwärts gefalteten Abschnitten
der Containmentwände überlappt. Offensichtlich kann die Reihenfolge des Faltens mit
ähnlichem Effekt umgedreht werden. In jedem Fall müssen die Kontaktstrecken zwischen den
Containmentwänden und dem umgedrehten Boden geeignet abgedichtet werden, wie
beispielsweise durch Schweißnähte.
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Der wie vorstehend beschrieben gebildete Innenflansch kann mit Löchern versehen werden,
die für die Aufnahme von Schrauben angepaßt sind, durch welche der Innenflansch mit jedem
gewünschten Bauteil verbunden werden kann. Wenn das andere Bauteil eine
Hauptsammelwanne ist, wird der Boden des Kanals notwendigerweise auf einem niedrigeren Niveau sein
als der Boden des Lochs in der Containmentwand der Sammelwanne. Wenn zwei
Kanalabschnitte Ende an Ende verbunden werden sollen, kann es wünschenswert sein, weitere
Löcher in den kontaktierenden Innenflanschen bereitzustellen, um einen Fluß selbst dann zu
erlauben, wenn die Höhe der Flüssigkeit in dem Kanal nicht die Höhe des Flansches
übersteigt.
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Das Material, aus dem der Verteilerkanal hergestellt ist, ist üblicherweise Metall, und diese
Verbindungstechnik ist insbesondere gut an derartige Materialien angepaßt. Es ist jedoch
denkbar, daß Kunststoffmaterialien für einige Anwendungen verwendet werden könnten, und
diese können ebenfalls bei der vorliegenden Erfindung mit Thermodeformation oder in situ-
Formation der Inwärtsflansche anstelle der mit Metallen verwendeten Techniken und unter
Verwendung von Dichtungsverbindungen anstelle des Schweißens als bevorzugte
Dichtungstechnik verwendet werden.
Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Sammelwanne und einen Kanal, die in der in dieser
Erfindung beschriebenen Weise verbunden sind. Der Querschnitt ist auf einer Höhe
vorgenommen, der die für die Verbindung zwischen dem Kanal und der Sammelwanne
bereitgestellte Öffnung zeigt.
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Fig. 2 ist ein Aufriß des Endes des in Fig. 1 gezeigten Kanals, bevor dieser mit der
Sammelwanne verbunden wird.
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Fig. 3 ist ein Seitenaufriß der Sammelwanne von Fig. 1, bevor der Kanal angebracht wird.
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Fig. 4 ist eine Querschnittansicht eines Kanal- und Sammelwannenaufbaus, der zu dem in
Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, mit dem Unterschied, daß die Sammelwanne mit Öffnungen für
zwei Kanalverbindungen versehen wurde, von denen eine durch eine Abschlußplatte
abgeschlossen wurde.
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Die Erfindung wird im weiteren mit Bezug auf die vorstehend beschriebenen Zeichnungen
und auf mit den Kanälen durchgeführte Dichtetests veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt eine Sammelwanne 1, an der ein Kanal 2 angebracht ist. Die offenen Enden der
Sammelwanne und des Kanals sind durch Endplatten 3 abgeschlossen. Die Abschlußplatten
sind durch Schrauben (nicht gezeigt) an inwärts gerichtete vertikale Streifen 4, die sich an den
Enden der senkrechten Wände des Kanals und der Sammelwanne befinden, und an inwärts
gerichtete horizontale Streifen 5 entlang des Bodens des Kanals und der Sammelwanne
angebracht. Der Verweis auf Fig. 2 zeigt, daß die Streifen derart geschnitten sind, daß zwei
Wandstreifen und ein Bodenstreifen zusammen einen kontinuierlichen Flansch bilden, wenn
die sich berührenden Ecken der Streifen entlang Schweißnähten 6 zusammengeschweißt sind.
Ähnliche Flansche sind an jedem Ende der Sammelwanne und an dem entgegengesetzten
Ende des Kanals angeordnet.
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Fig. 3 zeigt die Seite der Sammelwanne, bevor das Ende des in Fig. 2 gezeigten Kanals
daran angebracht wird. Eine Öffnung 8 in der Wand der Sammelwanne ist ausgelegt, eine
Verbindung mit dem Kanal bereitzustellen, wenn dieser an der Stelle unter Verwendung von
in Schraubendurchgangslöcher 7 eingesetzten Schrauben verschraubt wird.
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Flache Abschlußplatten 3 wurden mit den Innenflanschen an den offenen Enden der
Sammelwanne und des Kanals verschraubt.
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Die Sammelwanne war 39,3 cm tief und 16 cm breit und 28,2 cm lang. Die mit dem Kanal in
Verbindung stehende Öffnung war 5 cm · 6,8 cm und der Kanal war 14,6 cm breit, 38,1 cm
tief und hatte, unter Berücksichtigung des gewinkelten Endes, eine längste Länge von 54,4 cm
und eine kürzeste Länge von 34,45 cm. Der sowohl für Abschlußabdeckungen, Sammelwanne
und Kanal verwendete Stahl war ein rostfreier Stahl mit Feinheit 16 (gauge). Da das Ziel ist,
die Integrität des Verbindungssystems zu bewerten (d. h., ob bedeutende Mengen als Tropfen
an den Verbindungsstellen verloren wurden), waren die üblichen Lochungen in dem Kanal
und der Sammelwanne nicht vorhanden. Ansonsten waren die Materialien und die
Verbindungen exakt so, wie sie in einem handelsüblichen System verwendet werden würden.
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Bevor die Schrauben angebracht wurden, wurde der Flansch mit Klebstoff besprüht und ein
Dichtungsmaterial wurde auf die beklebte Oberfläche angebracht und eine zweite Schicht an
Dichtungsmaterial wurde auf die erste geklebt. Sorgfalt wurde verwendet, um sicherzustellen,
daß eine angemessene Dichtung der Dichtungsmaterialverbindungen erreicht wurde. Ein
Schraubenzieher wurde verwendet, um Löcher in dem Dichtungsmaterial zu öffnen, um den
Durchgang der Schrauben zu erlauben.
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Die Flansche auf den Enden des Kanals wurden an die Endplatten unter Verwendung von
"1 · 3/8"-Schrauben verschraubt. Die Schrauben an dem Boden hatten
"3/8"-Unterlegscheiben auf beiden Seiten, und alle Schrauben wurden auf 14 ft · lbs angezogen und dann
wieder geprüft. Die Schrauben an dem spitzen Winkel des abgeschlossenen Endes des Kanals
wurden abgeschnitten, um den Raum anzupassen.
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Der Kanal und die Sammelwanne wurden mit Wasser gefüllt, um die Dichtungen zu sättigen,
anschließend wurde das System auf eine Tiefe von 35,6 cm gefüllt. Nach einer Stunde sank
das Wasserniveau auf 32,3 cm. Dies belief sich auf eine Verlustrate von nur
0,00083 Gallons/Minute/Fuß (10 ml/min/m) der Verbindung. Dies ist eine sehr
zufriedenstellende Leistungsfähigkeit für einen derartigen Aufbau.
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Das vorstehende Experiment wurde in größerem Maßstab unter Verwendung des in Fig. 4
gezeigten Aufbaus wiederholt. Dieser Aufbau hatte dieselbe Anordnung von aus
zusammengeschweißten vertikalen Streifen 4 und Bodenstreifen (nicht gezeigt) gebildeten Flanschen;
daran geschraubten Abschlußplatten 3; einem Kanal 2, der an eine Seitenwand einer
Sammelwanne 1 um eine Öffnung 8 in der Seitenwand verschraubt ist, wodurch man
Flüssigkeit von der Sammelwanne in den Kanal fließen läßt. Zusätzlich wird eine ähnliche
Öffnung in der entgegengesetzten Wand durch eine Abschlußkappe verschlossen. In Fig. 4
sind die verschiedenen möglicherweise undichten Stellen mit A, B, C, D und E bezeichnet.
An den undichten Stellen A und D wurde die Abschlußplatte durch acht Schrauben befestigt;
vier entlang jedes vertikalen Streifens. An den Stellen B, C und E befanden sich neun
Schrauben; eine wurde jeweils entlang des Bodenstreifens (unterhalb der Öffnung im Fall der
undichten Stelle E) zu den vier entlang der vertikalen Streifen (oder in zwei vertikalen Linien
von vier auf jeder Seite der Öffnung im Fall der undichten Stelle E) zugefügt.
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Dieses System wurde auf dieselbe Weise wie vorstehend bei dem Test des in den Fig. 1
bis 3 veranschaulichten Systems zusammengesetzt.
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Um das System noch größerer Belastung auszusetzen, als durch das Füllen der Kanäle mit
Wasser erzeugt werden würde, wurden drei 2 Kubikfuß große Boxen auf den Kanal etwa
10 Inches (25,4 cm) entfernt von der Verbindung des Kanals und der Sammelwanne (Stelle
"D" in Fig. 4) gestapelt, um eine Punktbelastung bei D von 384 Pounds (174 kg)
bereit
zustellen. Auf diese Weise konnte die Integrität des Verbindungssystems unter extremeren
Bedingungen getestet werden, als sie herkömmlicherweise bei der Verwendung angetroffen
werden.
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In einer Stunde waren die Mengen, die an jeder undichten Stelle durchgelassen wurden, wie
folgt:
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A: 435 ml, B: 400 ml, C: 675 ml, D: 590 ml, E: 675 ml.
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Dies ergab eine berechnete Auslaufrate von 0,000825 Gallons/Minute/Fuß pro Verbindung.
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Da die Dimensionen des Aufbaus sehr viel größer waren als jene in den vorstehenden
Beispielen (Sammelwannenlänge 183 cm; Breite 15,24 cm und Tiefe 39,3 cm; Kanallänge
183 cm; Breite 14,3 cm und Tiefe 36,1 cm), war dies eine bemerkenswert reproduzierbare und
hervorragende Leistungsfähigkeit.