HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bestimmte Art von
Kolonnenfüllkörperelementen, wie sie in Masse- und
Wärmeübertragungsanwendungen in chemischen Verfahren verwendet
werden. Solche Elemente, die oft als regellos angeordnete
Füllkörper bezeichnet werden, sind dazu bestimmt, einen
großen Oberflächenbereich für den Kontakt von Gasen mit
Flüssigkeiten zur Verfügung zu stellen, während sich dabei
der geringstmögliche Gasphasendruckabfall innerhalb der
Säule ergibt. Die Elemente werden üblicherweise in einer
vertikalen Turmsäule eingefüllt und zu einer beträchtlichen
Tiefe aufgestapelt. Es besteht daher die Neigung, dass die
in Bodennähe befindlichen Elemente verformt oder
flachgedrückt werden, wodurch sich ein vergrößerter Widerstand
gegenüber dem Durchfluss durch den Turm und ein
unerwünschter Druckgradient innerhalb des Turms ergibt.
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Es ist auch wichtig, dass die Elemente sich nicht
ineinander schachteln, da dies örtlich begrenzte Bereiche nicht
einheitlichen Drucks erzeugte und, wenn dies weitverbreitet
ist, bedeutenden, nicht einheitlichen Druckabfall über den
Turm und eine nicht einheitliche Funktion ergäbe.
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Kolonnenfüllkörperelemente werden daher normalerweise so
gestaltet, dass sie Strukturen schaffen, die einer
bevorzugten Ausrichtung in der Turmsäule und der Verformung
unter den Drücken, denen sie beim Einsatz innerhalb des
Turms ausgesetzt sind, widerstehen, während sie trotzdem
eine offene Struktur und einen großen Oberflächenbereich
anbieten.
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Typische Strukturen des Typs, auf den oben Bezug genommen
wird, sind als Pall-Ringe und Raschig-Ringe bekannt. Wie
die Namen bereits widerspiegeln, sind diese von
zylindri
scher Struktur und mit verschiedenen Arten von inneren
Vorsprüngen ausgestattet, um die Oberfläche zu vergrößern.
Ein Beispiel solch eines Füllkörpers wird in EP A 199 514
beschrieben. Solche Strukturen sind widerstandsfähig
gegenüber Zusammendrücken, aber bewirken in einigen Anwendungen
unerwünschte Druckabfälle. Für solche Einsätze werden
offenere Strukturen bevorzugt, wie sie in USPP 4,303,599;
4,333,892; und 4,576,763 beschrieben wurden. Diese sind im
wesentlichen gekrümmte Metallblechstrukturen mit einem oder
mehr Streifenelementen, die aus dem Metall des Bogens
ausgeschnitten werden und nach innen in den Bogen so
hineingebogen sind, um eine Krümmung zu erzielen, die der
des Bogens entgegengesetzt ist, und eine Brücke zwischen
den offenen Enden des Bogens zu bilden. Diese
überbrückenden Schleifen sind hauptsächlich dazu da, um zusätzliche
Flüssigkeitsdurchgänge und Oberflächen zu bestimmen und der
Neigung der Elemente zu widerstehen, sich
"zusammenzupacken". Die Strukturen sind mit zunehmender Komplexität
mit der Absicht hergestellt worden, das Gewicht zu
verringern ohne dabei die Widerstandskraft gegen die Verdichtung
zu schwächen.
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Es hat sich herausgestellt, dass Füllkörperelemente, die
eine bevorzugte Ausrichtung einnehmen, wenn sie in einer
Turmsäule angeordnet werden, sehr wirksam sein können,
vorausgesetzt, sie weisen eine Konfiguration auf, die zur
Ausbildung einer relativ gleichförmigen Packdichte führt.
Solch eine Konfiguration ist nun entdeckt worden. Die
Elemente der Erfindung neigen dazu, in einer Turmsäule mit
einer bevorzugten Ausrichtung hineinzufallen und sich auf
solch eine Weise zusammenzupacken, dass eine verlangte
Dichte der Elemente sichergestellt ist, ohne dass sich ein
bedeutsamer Druckabfall ergibt. Auf Grund der inneren
Struktur der Elemente ergibt sich eine Körperoberfläche,
auf der der Flüssigkeits/Dampf-Kontakt stattfinden kann.
Diese innere Struktur neigt auch dazu, das Zusammenpacken
in dem Fall zu verhindern, in dem die bevorzugte
Ausrich
tung gestört wird und sich ein noch regelloseres
Zusammenpacken in Teilen der Turmsäule ergibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung umfasst ein regellos angeordnetes
Füllkörcerelement mit einem peripheren Körperelement in der
allgemeinen Form eines gleichseitigen Dreiecks mit Breiten- und
Tiefendimensionen, jeweils gemessen von einem Scheitelpunkt
zum naheliegendsten Punkt auf der gegenüberliegenden Basis
und entlang der Achse des Elements, wobei die Breite größer
als die Tiefe ist, wobei der Raum innerhalb des peripheren
Körperelements durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen von den
Innenflächen der Seiten des Körperelements eingenommen ist.
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Die Vorsprünge, die sich innerhalb des Körperelements
erstrecken, sind in der Form von Schleifen ausgebildet, die
benachbarte Seiten des dreieckigen peripheren
Körperelements verbinden. Diese Schleifen sind vorzugsweise
gleichmäßig so verteilt, dass jedes Paar von benachbarten Seiten
durch zumindest eine und vorzugsweise durch zwei Schleifen
verbunden ist.
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Das periphere Körperelement wird so beschrieben, dass es
die allgemeine Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweist,
und dies schließt Formen ein, bei denen die inneren Winkel
des Dreiecks von 60º um bis zu 5º oder sogar 10º abweichen.
Zusätzlich sind auch Formen mit umfasst, bei denen die
Seiten nach innen oder außen gebogen oder die
Scheitelpunkte etwas gerundet sind, vorausgesetzt, dass die allgemeine
Form noch erkennbar die eines Dreiecks ist. Solche
Abweichungen vom klassischen gleichseitigen Dreieck sind im
Wesentlichen unausweichliche Folgen von verschiedenen
Herstellungsverfahren und Materialien, wie es sich aus den
genauen Ausführungsformen, die im Folgenden besprochen
werden, ergeben wird.
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Die relativen Verhältnisse von Breite und Tiefe zueinander
sind vorzugsweise so, dass die Breite zumindest das 1,5-
fache und besser das 3-fache oder sogar mehr der Tiefe ist.
Dies verbessert die Chancen, dass, wenn die Elemente in
eine Turmsäule mit vielen anderen ähnlichen Elementen
hineingepackt werden, die bevorzugte Ausrichtung, die
eingenommen wird, die sein wird, bei der die axiale
Erstreckung im Wesentlichen vertikal zu liegen kommt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das periphere Körperelement weist die Form eines Rohrs mit
einer axialen Länge, die die Tiefenerstreckung darstellt,
und dem Querschnitt lotrecht zur Achse auf, der die
allgemeine Form eines gleichseitigen Dreiecks besitzt. Das Rohr
ist vorzugsweise mit Flanschen entlang zumindest eines
Bereichs eines Abschnitts der Peripherie der Enden
versehen. Wo die Struktur aus verformbarem Material hergestellt
ist, gewähren solche Flansche einen Grad an Steifigkeit.
Solche Steifigkeit kann weiter durch das Schaffen einer
Rippenverformung um die Peripherie des Rohrs zwischen den
Enden desselben verstärkt werden. Diese Rippe kann so
verformt werden, dass sie ins Innere und in den
Außenbereich des Körperelements vorragt.
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Es ist auch möglich, Öffnungen im peripheren Körperelement
zu schaffen, um die Zirkulation der Flüssigkeit, die
entlang der inneren und äußeren Oberfläche des peripheren
Körperelements zur gegenüberliegenden Seite des Elements
fließt, zu fördern.
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Die Vorsprünge innerhalb des peripheren Körperelements
weisen die Form von einzelnen Schleifen auf, die
benachbarte Seiten des dreieckigen peripheren Körperelements
verbinden. Die Schleifenvorsprünge werden bevorzugt in
Paaren unterschiedlicher Größe (eines größer und das andere
kleiner) für das Verbinden von benachbarten Seiten
verwen
det. Dies stellt sicher, dass mehr des Raums zwischen der
Schleife und dem peripheren Körperelement durch diese
Vorsprünge eingenommen wird.
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Die Schleife und das periphere Körperelement können auch
durch zungenförmige Vorsprünge, die entweder vom
Körperelement oder vorzugsweise von der Schleife selbst ausgehen,
eingenommen werden.
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Das Material, aus dem das Element ausgebildet ist, kann
jedes geeignete Material wie Metall (zum Beispiel
rostfreier Stahl), Kunststoff oder Keramik sein. Wo das
Material ein Metall ist, werden die Schleifen und/oder die
zungenförmigen Vorsprünge durch Schneiden einer geeigneten
Form aus dem peripheren Körperelement oder dem
Schleifenelement, wenn eines vorhanden ist, und Verformen des
geschnittenen Metalls aus der Ebene des Teils, aus dem es
ausgeschnitten wurde, geformt, um die Schleife oder die
Zunge auszubilden.
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Wo das Material eine extrudierte Form aus Kunststoff oder
Keramik ist, sind die Vorsprünge vorzugsweise Schleifen und
diese Schleifen sind vorzugsweise miteinander so verbunden,
dass sie eine extrudierte Form mit ausgezeichnetem
Widerstand gegen Zerquetschen oder Verformen schaffen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine Endseitenansicht einer aus Metall
hergestellten ersten Ausführungsform eines Elements nach
der Erfindung, wobei die Blickrichtung entlang der
Achse des Elements liegt.
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Fig. 2 zeigt eine Endseitenansicht einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung, die durch ein
Extrusionsverfahren hergestellt worden ist.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform ähnlich jener, die in
Fig. 1 gezeigt wird. Sie wird in zwei Teilen 3a
und 3b vorgestellt, die zeigen, wie eine Struktur
nach der Erfindung aus drei verbundenen einzelnen
Füllkörperelementen (gezeigt in Fig. 3a) aufgebaut
sein kann, wenn die freien Enden der drei
verbundenen Elemente miteinander verbunden werden.
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Fig. 4 ist ein Graph, in welchem der Metalleinsatz pro
theoretischem Boden über dem Kapazitätsfaktor für
vier verschiedene Füllkörperelemente ausgewertet
ist: drei Elemente nach dem Stand der Technik und
das vierte Element nach der Erfindung.
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Fig. 5 ist ein Graph des Flächeneinsatzes der Oberflächen
pro theoretischem Boden über dem Kapazitätsfaktor
für dieselben vier Elemente, die bereits in Fig. 4
untersucht wurden.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die hier beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die so zu verstehen sind, dass sie
besondere Ausführungsformen beschreiben und die nicht dazu
herangezogen werden können, irgendwelche notwendigen
Beschränkungen im wesentlichen Umfang dieser Erfindung
abzuleiten.
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Fig. 1 zeigt eine Endseitenansicht eines Elements, das ein
im Wesentlichen röhrenförmiges peripheres Körperelement 1
umfasst, das einen Querschnitt entlang der Achse des Rohrs,
der im Wesentlichen jener eines gleichseitigen Dreiecks
ist, und einen Querschnitt an einem beliebigem Abschnitt
des Körperelements aufweist, der im Wesentlichen U-förmig
als ein Ergebnis des Schaffens eines Flansches 2 an dem
axialen Ende des Rohrs ist.
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Das Element wird aus Metallblech hergestellt und
Hauptschleifen 3 werden durch das Schneiden von Streifen aus dem
peripheren Körperelement und ihr Verformen innerhalb des
dreieckigen Rohrkörperelements ausgebildet, um so
benachbarte Seiten des Dreiecks zu verbinden und einen
Schleifenraum zwischen der Schleife und einem Winkel des dreieckigen
Rohrkörperelements zu bestimmen. Zwei Sätze von
Metallzungenpaaren 4 werden aus jeder Schleife geschnitten und
verformt, so dass sie in die Schleifenräume hineinragen.
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Fig. 2 zeigt einen Aufbau, der besonders an die
Herstellung von Elementen nach der Erfindung mittels eines
Extrusionsverfahrens, zum Beispiel für ein keramisches
Verfahren, angepasst ist.
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Diese Zeichnung zeigt eine Endseitenansicht eines
extrudierten Elements 10, welches ein im Wesentlichen
dreieckiges Rohrkörperelement 11 mit Schleifen 12, die benachbarte
Seiten des Dreiecks verbinden und Räume 13 zwischen der
Schleife und dem Körperelement einschließen, die Durchgänge
innerhalb des Elements schaffen. Die Schleifen sind durch
Rippen 14 verbunden, die sich an einem gemeinsamen Punkt 15
treffen.
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Fig. 3 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung der
Elemente der Erfindung aus fertig erhältlichen
Füllkörperelementen nach dem Stand der Technik. Fig. 3a zeigt
Endseitenansichten von drei zufälligen Füllkörperelementen,
die Seite an Seite aufgelegt sind. Jedes umfasst ein
gebogenes Körperelement 21, aus dem Schleifen 22
herausgeschnitten und aus der Ebene des Körperelements heraus
verformt wurden, um einen Raum zwischen dem gebogenen
Körperelement und der Schleife zu bestimmen, in den Zungen
23, die aus der Schleife geschnitten wurden, zum
Hineinragen gebracht werden. Jedes gebogene Körperelement wird mit
Flanschen 24 ausgestattet, um dem Element einen U-förmigen
Querschnitt über den größeren Teil seiner Länge zu geben.
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Fig. 3b zeigt diese drei gebogenen Körperelemente durch
Schweißnähte 25 zusammengefügt, um so die Elemente in einer
einheitlichen Struktur ähnlich jener, die in Fig. 1
gezeigt wird, auszubilden, außer dass nur ein einzelnes
Paar von Zungenelementen innerhalb jedes Raums, der durch
Schleife und Winkel des dreieckigen Rohrkörperelements
bestimmt wird, geschaffen wird und dass in den Endflanschen
um die Enden des Rohrkörperelements Unterbrechungen
auftreten.
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Die einzelnen Füllkörperelemente, die wie in Fig. 3b
gezeigt zusammengefügt werden können, können beliebige der
Art sein, die gut bekannt auf diesem Gebiet der Technik
sind als auch offensichtliche Variationen solcher Elemente.
Diese umfassen die Strukturen, die in den US Patenten
4,303,599; 4,333,892; und 4,576,763 beschrieben werden.
Verbindungen der Elemente können durch den Einsatz einer
einfachen Schweißtechnik oder durch den Einsatz eines
eigenen Verbindungselements, das an beiden durch Einrast-,
Schweiß-, Löt- oder Schraubtechniken befestigt wird,
geschaffen werden.
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Die Füllkörperelemente nach der Erfindung wurden mit
bekannten im Handel befindlichen Füllkörperelementen
verglichen. Die Handelselemente waren
Hy-Pak(Metallfüllkörperringe, Intalox(Metallkolonnenfüllkörper und
metallische Pall-Ringe, jedes in verschiedener Größe. Hy-Pak und
Intalox sind eingetragene Marken der Norton Company und
alle drei Arten Füllkörperelemente sind von Norton Chemical
Process Products Corporation erhältlich.
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Die Graphen, die als Fig. 4 und 5 vorliegen, zeigen diese
drei Füllkörperelemente nach Stand der Technik in einer
Vielfalt von Größen und vergleicht sie mit einer Probe
einer Metallfüllkörperfüllung nach der Erfindung. Diese
wurde hergestellt, wie in Fig. 3 dargestellt, indem drei
Intalox(Metallkolonnenfüllkörpereinheiten verbunden wurden,
um eine Vorrichtung mit einer im Wesentlichen
dreiblättrigen Struktur auszubilden.
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Die horizontale Achse in beiden Graphen ist der
Kapazitätsfaktor, welcher ein Maß für den Durchsatz darstellt, der
erforderlich ist, um einen vorgeschriebenen Grad an
Trennung in einem gegebenen Vorgang zu erzielen. Er ist
daher ein Maß für die Kapazität einer Turmsäule, die die
Elemente in sich umfasst. Je höher der Kapazitätsfaktor,
desto besser die Funktion des Elements.
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Die vertikale Achse in Fig. 4, "HETP x Metalleinsatz"
steht für den Metalleinsatz pro theoretischem Boden pro
Einheitsturmquerschnittsfläche. Ein "theoretischer Boden"
ist die Höhe eines Turms, der theoretisch erforderlich ist,
um einen vorgeschriebenen Grad an Trennung zu erzielen (was
eine Konstante für ein gegebenes Verfahren ist). Die
vertikale Achse zeigt daher den Kehrwert des Wirkungsgrads, mit
dem das Metall eingesetzt wird. Daher ist die Leistung der
Füllkörperfüllung umso besser je niederer der auf der
vertikalen Achse aufgezeigte Wert ist. Daher sind die
erstrebenswertesten Produkte jene, die sich mit niederen
Werten auf der vertikalen Achse und mit hohen Werten auf
der horizontalen Achse finden. Wie leicht ersichtlich ist,
wies der Füllkörper nach der Erfindung den wirkungsvollsten
Metalleinsatz aller bewerteten Produkte auf, was mit sich
bringt, dass das Gewicht der für das Erzielen einer
gegebenen Trennung erforderlichen Füllkörper weniger als die
Hälfte des nächstgelegenen der Handelsfüllkörpermaterialien
nach dem Stand der Technik beträgt. Dies hat
offensichtliche Folgerungen in Bezug auf die Kosten der Elemente und
den Aufbau der Türme, die die Füllkörperelemente aufnehmen,
und besonders auf die Tiefe der Füllkörperfüllung, bevor
eine bedeutsame Verformung der unteren Schichten der
Füllkörperelemente erwartet werden kann.
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In Fig. 5 stellt die vertikale Achse die erforderliche
Fläche der Füllkörperoberflächen (pro
Einheitsturmquerschnittsfläche) dar, um einen theoretischen Boden zu
erzeugen. Daher gilt, je niederer der Wert auf der vertikalen
Achse, desto wirkungsvoller ist das Füllkörperelement. Der
Kapazitätsfaktor, der auf der horizontalen Achse
ausgewiesen wird, ist derselbe, der in der oben besprochenen Fig.
4 auftritt. Daher sind die besten Elemente wiederum
diejenigen, die in Richtung des rechten unteren Quadranten des
Graphs auftreten. Hier besitzen bestimmte Füllkörper nach
dem Stand der Technik bessere Werte, aber der Bezug auf
Fig. 4 zeigt, dass dies auf Kosten eines viel höheren
Gewichts erzielt wird. Dies stellt eine ernste Beschränkung
für die Gestaltungsmöglichkeiten eines Turms dar, der
solche Füllkörperelemente aufnehmen soll.