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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsverteilungs-Wannenvorrichtung,
die eine Flüssigkeitsverteilung über der
Querschnittsfläche
eines der Wanne folgenden Behälters,
verbessert. Die Vorrichtung bringt auch die Flüssigkeits- und Dampfphasen
in engem Kontakt, um ein Wärme-
und Zusammensetzungsgleichgewicht zu erzielen. Die Vorrichtung wird
typischerweise in einem Wasserverarbeitungsreaktor eingesetzt.
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Die
meisten der bekannten Konstruktionen von Flüssigkeitsverteilungsvorrichtungen
fallen in eine von vier Kategorien. Die erste ist eine Reihenfolge
von Rinnen und Überlaufwehren,
um systematisch die Flüssigkeit
in mehrere Ströme
aufzuteilen, bevor sie mit dem Bett in Kontakt kommt. Dieser Typ
wird oft in Flüssigkeitskontaktoren
oder Gegenstromabsorbern verwendet. Ein Beispiel dieses Typs in
dem U.S. Patent Nr. 5,192,465 beschrieben.
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Ein
zweiter Typ einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung
ist eine perforierte horizontale Wanne. Diese kann oder kann nicht
eingeschnittene Wehre um die Perforationen herum aufweisen. Die
Wanne kann auch Kamine für
Dampfströmung
besitzen. Dieser Verteilungsvorrichtungstyp kann für eine grobe
Flüssigkeitsverteilung
in Verbindung mit einer feineren endgültigen Flüssigkeitsverteilungswanne verwendet
werden. Beispiele dieses Typs sind im U.S. Patent Nr. 4,836,989
offenbart.
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Der
dritte allgemeine Typ einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung
ist eine Kaminwanne. Diese Vorrichtung verwendet eine Reihe von
Standrohren, welche typischerweise in einem regelmäßigen quadratischen oder
dreieckigen Rastermuster auf einer horizontalen Wanne verteilt sind.
Die Standrohre weisen typischerweise Löcher in den Seiten für den Durchtritt
von Flüssigkeit
auf. Die Oberseiten der Standrohre sind offen, um den Durchfluss
von Dampf durch die Mitte der Kamine zu ermöglichen. Einige Konstruktionen
verwenden spezielle Fallrohrkamine, um den Großteil der Dampfströmung zu
hand haben. Dieser Typ ist aus dem U.S. Patent Nr. 4,126,540 und
U.S. Patent Nr. 3,353,924 bekannt.
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Der
vierte Typ einer Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung
ist ein Blasenglockenboden bzw. eine Blasenglockenwanne. Diese Vorrichtung
verwendet eine Reihe von Blasenglocken, die in einem regelmäßigen Rastermuster
auf einem horizontalen Boden bzw. einer Wanne angeordnet sind. Die
Blasenglocke ist eine Blasenglocke, die konzentrisch auf einem Standrohr
angeordnet ist. Die Seiten der Blasenglocke sind für eine Dampfströmung geschlitzt.
Flüssigkeit
strömt
unter die Blasenglocke und strömt
zusammen mit dem Dampf in den ringförmigen Bereich nach oben und
dann durch die Mitte des Standrohrs gemäß Beschreibung in dem U.S. Patent
Nr. 5,158,714 nach unten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird als ein "Dampf-Steigrohr-Verteilungsboden" bzw. als eine Wanne
bezeichnet. Sie ist horizontal in dem Behälter befestigt. Die Wanne kann
entweder eine unterteilte oder zusammenhängende Platte sein. Unabhängig davon,
ob unterteilt oder zusammenhängend,
sind alle Wannenränder
mit Dichtungen versehen oder anderweitig abgedichtet, um eine im
Wesentlichen lecksichere Fläche
bereitzustellen.
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Die
Wanne ist durch gleichmäßig beabstandete
Löcher
quer zu ihrer Oberfläche
perforiert. Die Löcher können rund,
quadratisch, rechteckig sein oder irgendeine anderer beliebige geometrische
Form aufweisen. Die Löcher
sind optimal in einem beliebigen quadratischen, dreieckigen, radialen
oder anderen symmetrischen Muster beabstandet. Wenn die horizontale
Wanne unterteilt ist, können
die Perforationslöcher
optimalerweise in jedem Wannenabschnitt angeordnet sein. In allen
Fällen
wird ein optimiertes Muster dazu verwendet, um einen im Wesentlichen
gleichmäßigen Abstand
zwischen allen Perforationen bereitzustellen, und um ein angenähert gleiches
Verhältnis
der Perforationslochfläche
zu der horizontalen Bodenfläche
quer zu der gesamten horizontalen Wanne bereitzustellen.
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Jede
Perforation ist mit einer umgedrehten "U"-förmigen Vorrichtung
ausgestattet, welche als ein "Dampf-Steigrohr" bezeichnet wird.
Die Dampf-Steigrohre sind an dem Boden in einer solchen Weise befestigt, dass
sie leckdicht sind.
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Auf
der Unterseite der Wanne ist ein Tropfrand für jede Perforation aufgebaut.
Dieser wird erreicht, indem man das Dampf-Steigrohr sich durch den
Boden hindurch erstrecken lässt,
indem ein getrenntes Stück an
dem Boden befestigt ist, indem die Wanne nach unten extrudiert ist,
oder durch irgendeine andere äquivalente
Einrichtung.
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Die
vorstehenden und weiteren Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Ansprüchen
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt eine erste Ausführungsform
des Dampf-Steigrohres der vorliegenden Erfindung dar.
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2 bis 5 stellen
alternative Ausführungsformen
des Dampf-Steigrohrs der vorliegenden Erfindung dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
Konstruktionskonzept des Dampf-Steigrohrs ist in 1 dargestellt.
Ein Schenkel (Abwärtsstromrohr) 1 des
umgekehrten "U" hat eine Öffnung 4 zwischen
den Schenkeln. Die Vorrichtung stellt dadurch einen Strömungspfad über die
Wanne hinweg bereit – Einlass
durch das Ende des kurzen Schenkels, vertikale Strömung durch
den kurzen Schenkel, Richtungsänderung
an der Oberseite des umgedrehten "U",
Abwärtsströmung durch
den langen Schenkel und Ausgabe durch das offene Ende des langen
Schenkels unterhalb der Wanne.
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Ein
vertikaler Schlitz 5 ist in die Seite des kurzen Schlitzes
gegenüber
dem längeren
Schlitz eingeschnitten. Die Oberkante des Schlitzes befindet sich
an oder unterhalb der Unterseite der inneren Öffnung zwischen den Schenkeln.
Alternativ könnten
zwei oder mehr Schlitze in die kurzen Schenkelseiten angrenzend an
oder gegenüber
dem längeren
Schenkel geschnitten sein.
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Im
Betrieb wird ein Flüssigkeitspegel
auf der Wanne aufrechterhalten. Der Flüssigkeitspegel des Dampf-Steigrohrs
befindet sich oberhalb des unteren Endes des kurzen Schenkels, jedoch
unterhalb des oberen Endes des Schlitzes in dem kurzen Schenkel.
Dampf tritt durch den Schlitz in den kurzen Schenkel ein und erzeugt
einen Druckabfall zwischen der Innenseite und Außenseite des Dampf-Steigrohrs.
Aufgrund des geringeren Druckes innerhalb des Dampf-Steigrohres
ist der Flüssigkeitspegel
innerhalb des Dampf-Steigrohrs höher
als außerhalb.
Der Dampf und die Flüssigkeit
mischen sich in dem kürzeren
Schenkel, wobei der Dampf die Flüssigkeit
anhebt, so dass sie nach oben und über die Verbindungswand zwischen
den kürzeren
und längeren
Schenkeln strömt.
Die Flüssigkeit
trennt sich teilweise, während
sie über
die Verbindungswand und entlang der längeren Schenkels strömt. An der Öffnung unter
der Wanne trennen sich die Flüssigkeit
und der Dampf weiter, wobei die Flüssigkeit an dem Tropfrand nach
unten rinnt.
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Alternative
Konstruktionsversionen des Dampf-Steigrohrs sind in den 2, 3, 4 und 5 dargestellt.
In 1 besitzen die Schenkel des umgekehrten "U" quadratische oder rechteckige Querschnitte.
In 2 besteht die Vorrichtung aus einem
einzigen runden Rohr 6 mit einer vertikalen Trennwand 7,
um die kurzen und langen Schenkel auszubilden. In 3 besteht
die Vorrichtung aus einem Paar nicht konzentrischer runder Rohre 8 und 9.
Der lange Schenkel ist das Rohr 9 mit dem kleineren Durchmesser,
während
der kurze Schenkel der ringförmige
Raum 10 innerhalb des größeren Rohres 8 ist.
In 4 wird eine "M"-förmige Vorrichtung verwendet,
wobei die äußeren Schenkel
das Äquivalent
zu den kurzen Schenkeln sind und der mittlere Schenkel das Äquivalent
zu dem längeren
Schenkel ist. Diese Version würde
eingesetzt werden, wenn hohe Flüssigkeits-
und Dampflasten vorliegen. 5 ist dasselbe
Grundkonzept wie 4 mit der Ausnahme,
dass der mittige Schenkel ein rundes Rohr ist. In allen Versionen
wurde das obere Ende als flache Platte dargestellt. Das obere Ende
könnte
auch gerundet, kuppelförmig,
spitz oder jede andere Geometrie sein.
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Die
bevorzugte Version des Dampf-Steigrohrs ist die in 5 dargestellte
Konstruktion. Diese Version kann für einen Betrieb über einem
breiten Bereich von Dampf/Flüssig keits-Lasten
ausgelegt werden, behält die
geometrischen Beziehungen, die für
die Funktionalität
erforderlich sind, bei und kann wirtschaftlich und effizient hergestellt
werden.
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Die
bekannte Wannenverteilungsvorrichtung ist mechanisch komplex und
sehr Ebenheits-empfindlich. Abhängig
von der Konstruktion der Übergänge zwischen
den Wannen kann die Verteilungsqualität auch gegenüber Verschmutzung
empfindlich sein.
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Die
bekannte perforierte Plattenkonstruktion ähnelt der Kaminkonstruktion.
Die Kaminkonstruktion wird bevorzugt, da sie für einen breiteren Bereich von
Flüssigkeit/Dampf-Lasten ausgelegt
werden kann und weniger verschmutzungsempfindlich ist.
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Der
Vorteil einer Dampf-Steigrohrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
gegenüber
der Kaminkonstruktion ist der wesentlich breitere Herunterfahrbereich,
welcher mit dem Dampf-Steigrohr möglich ist. Wenn der Flüssigkeitsstrom
abnimmt, muss ein korrekt ausgelegter Kamin entweder größer werden
oder kleinere in die Seite gebohrte Löcher aufweisen. Aufgrund von
Herstellungstoleranzen, Sorgfalt des Einbaus und Auslenkung aufgrund
der Betriebslast befinden sich nicht alle Verteilungsvorrichtungen
auf derselben Höhe
in dem Behälter.
Bei demselben Herunterfahrungspegel sind einige Löcher mit
Flüssigkeit
bedeckt und andere nicht. Dieses führt zu einer ungleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung über der
Oberfläche
unterhalb der Wanne. Mit einer geeigneten Konstruktion reduziert
die Dampf-Steigrohrvorrichtung die Flüssigkeitsströmungsdifferenz
zwischen Dampf-Steigrohren bei unterschiedlichen Höhen besser
als sie mit einer Kaminkonstruktion erzielt werden kann. Ein weiterer
Vorteil des Dampf-Steigrohrs gegenüber der Kaminkonstruktion ist
der gesteigerte Kontakt von Flüssigkeits-
und Dampfphasen. Der enge Kontakt, der in dem Aufwärtsströmungsabschnitt des
Dampf-Steigrohrs
auftritt, ermöglicht
engere Annäherungen
an das thermische und Zusammensetzungs-Gleichgewicht, als es in
einer Kaminwanne erzielt würde.
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Die
Dampf-Steigrohrvorrichtung ist im Konzept ähnlich der Blasenglockenvorrichtung,
besitzt jedoch mehrere Vorteile. Da die Dampf-Steigrohrvorrichtung
kleiner ist, können
mehr auf einer Verteilungswanne angeordnet werden, um eine bessere
Verteilung der Flüssigkeit
zu erzielen. Ferner befinden sich, da typische Abstandsmuster quadratische
oder dreieckige Raster sind, üblicherweise
Spalte in der Flüssigkeitsverteilungsüberdeckung
in der Nähe
der Behälterwand.
Mit einem kleineren Abstand wird die Größe die ser Spalte kleiner. Der
Gesamtbenetzungswirkungsgrad unterhalb der Wanne ist mit einem kleineren
Raster als mit einem größeren Raster
besser. Die Blasenglockenkonstruktion ist auf einen relativ großen Abstand
beschränkt,
und weitere Maßnahmen
wurden versucht, um den Flüssigkeitsstrom
aus der Blasenglocke, d.h., der in dem Shih-Patent beschriebenen Scherungsplatte
zu verbessern. Eine Erhöhung
der Anzahl der Blasenglocken mit einem verringerten Abstand würde zwar
die Anzahl von Verteilungspunkten erhöhen, würde jedoch negativ die Flüssigkeit/Dampf-Strömungsbeziehungen
durch jede Blasenglocke beeinflussen.
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Die
Verwendung von mehr Blasenglocken würde die Verkleinerung der Blasenglocken
mit entweder kleineren oder weniger Schlitzen erfordern. Die Verwendung
kleinerer Schlitze ist nicht praxisgerecht, da es eine minimale
Schlitzgröße aus Verschmutzungsgründen gibt.
Eine Verwendung von weniger Schlitzen ist nicht erwünscht, da
sie zu einer Kanalisierung des Dampfes in dem Ringraum führt und
ihn weniger effizient mit der der flüssigen Phase in Kontakt bringt.
Ein weiterer Vorteil der Dampf-Steigrohrkonstruktion besteht darin,
dass es ihre Einfachheit leichter und preiswerter macht, sie in
der von den Prozessbedingungen vorgeschriebenen optimalen Größe herzustellen.
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In
vielen Prozessen, in welchen diese Wanne verwendet wird, z.B. in
Wasserverarbeitungsreaktoren, können
große
Schwankungen in den Dampf- und Flüssigkeits-Phasenraten und den
physikalischen Eigenschaften über
der Zeit und während
Herunterfahrvorgängen
auftreten. Aufgrund von Herstellungstoleranzen und der Sorgfalt
beim Einbau gibt es unvermeidliche Schwankungen in der Verteilungswannenebenheit.
Flüssigkeit,
die auf die Verteilungswanne aus einem Einlassverteiler oder einem
Abkühlzonenmischer
tropfen können
ungleichmäßig verteilt
sein und können
zu Flüssigkeitshöhengradienten über der
Wanne aufgrund von Plätschern,
Wellen oder hydraulischer Förderhöhe aufweisen.
Eine optimierte Flüssigkeitsverteilerkonstruktion unter
Verwendung des Konzeptes des Dampf-Steigrohrs ist möglich, welche
eine bessere Flüssigkeitsverteilung
unterhalb der Wanne erreicht, als die, die für optimierte Konstruktionen
von Bodenwannen, einfachen Verteilungswannen mit perforierter Platte,
Kamintypverteilungswannen und konzentrischen Blasenglockenverteilungswannen
erzielt werden können.
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Die
Flüssigkeitsverteilungswannen
dieser Erfindung werden typischerweise in Wasserverarbeitungsreaktoren
einsetzt. Indem eine gleichmäßige Verteilung
der flüssigen Reaktanten über der
gesamten Reaktorquerschnittsfläche
erzielt wird, wird der gesamte Katalysator auf einem vorgegebenen
Pegel gleichmäßig benetzt.
Somit arbeiten alle Katalysatoren auf einem gegebenen Pegel mit
demselben Wirkungsgrad, was den Gesamtwirkungsgrad des Reaktors
erhöht.
Zusätzlich
hält die
gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung
gleichmäßige radiale
Temperaturprofile über
dem Reaktor aufrecht. Dieses führt
zu einer Minimierung von Reaktorspitzentemperaturen, was mit der
Zeit Verstopfen und die Katalysatordeaktivierungsrate vermindert.
Demzufolge arbeitet der Reaktor effizienter und mit einer längeren Zykluszeit.
Ertrag wird durch reduzierte Katalysatoranforderungen, höhere Verarbeitungsfähigkeit
und/oder längere
Zykluslängen
erzielt. Die Vorrichtung arbeitet sowohl für den Zweiphasenabwärtsstromreaktor
als auch den Kontaktor. Typische Anwendungen wären in der Wasserbehandlung,
Wasseraufspaltung, aromatischen Sättigung, katalytischen Entwachsung
und Wasserstoffraffinationsreaktoren.
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BEISPIEL
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Das
Verteilungsverhalten des Dampf-Steigrohrverteilers wurde gegenüber der
herkömmlichen
Blasenglocke (U.S. Patent Nr. 3,218,249, Beispiel IV) bei Atmosphärendruck,
Umgebungstemperatur und mit Wasser und Luft getestet.
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Die
in diesem Test verwendete Blasenglocke ist in dem vorstehenden U.S.
Patent dargestellt. Die Abmessungen waren wie folgt: Das Steigrohr
war ein Stahlrohr mit einem Außendurchmesser
von 79 mm, einer Wanddicke von 2,11 mm und einer Höhe von 180
mm. Die Blasenglocke bestand aus einem Stahlrohr mit 111 mm Innendurchmesser
mit einer Wanddicke von 2,11 mm und einer Höhe von 129 mm, wobei das obere
Ende mit einer ebenen Stahlplatte verschlossen war. Abstandshalter
waren in dem ringförmigen
Raum zwischen dem Steigrohr und der Blasenglocke angeordnet. Jede
Blasenglocke war mit sieben in gleichem Abstand angeordneten Schlitzen
von 6,4 mm Breite und 64 mm Höhe
ausgestattet. Die vertikale Höhe
von dem oberen Ende des Steigrohrs bis zu der Innenwand der Blasenglocke
war 19 mm.
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Das
in dem Test verwendete Vakuumsteigrohr ist in 4 dargestellt.
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Der
Test wurde in einem Testgestell mit zwei auf einer Wannenplatte
montierten identischen Verteilern durchgeführt. Die zwei Verteiler wurden
10 mm aus der Ebene versetzt montiert. Wasser und Luft wurden der Wanne
mit gesteuerten Raten zugeführt.
Das aus den zwei Verteilern austretende Wasser wurde gleichzeitig in
zwei Behältern über eine
bestimmt Zeitdauer gesammelt. Der Inhalt der Behälter wurde gewogen, um den Strom
aus dem unteren Verteiler und den Strom aus dem oberen Verteiler
zu finden.
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Die
Empfindlichkeit des Flüssigkeitsstroms
aus einem Verteiler gegenüber
einer Bodenebenheit wurde definiert als:
wobei:
- Wniedrig
- das Gewicht der aus
dem unteren Verteiler gesammelten Flüssigkeit ist.
- Whoch
- das Gewicht der aus
dem oberen Verteiler gesammelten Flüssigkeit ist.
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Der
Wasser- und Luftstrom zu der Wanne wurden variiert, um die tatsächlichen
Dampf/Flüssigkeits-Lastbedingungen
in einem Wasserverarbeitungsreaktor zu simulieren. In einem Wasserverarbeitungsreaktor
variiert der Dampf/Flüssigkeits-Strom
von Einheit zu Einheit in Abhängigkeit
von der Zusammensetzung des Öls,
der Behandlungsgasrate und der Zusammensetzung und dem Betriebsdruck
und der Temperatur des Reaktors. Drei typische Dampf/Flüssigkeits-Belastungsfälle wurden
in dem Experiment simuliert: Ein Fall mit hoher Flüssigkeitslast,
ein Fall mit mittlerer Flüssigkeitslast
und ein Fall mit niedriger Flüssigkeitslast.
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Auch
für einen
gegebenen Reaktor ist der Dampf/Flüssigkeits-Strom für den Betrieb
bei niedrigerer Reaktortemperatur und frischem Katalysator unterschiedlich
(Start of Run: SOR) als für
einen Betrieb mit höherer
Reaktortemperatur und deaktiviertem Katalysator (End of Run: EOR).
Dieser Effekt wurde ebenfalls in dem Test simuliert.
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Beide
Verteilertypen wurden bei den in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen
Wasser/Luft-Lasten getestet. Tabelle
1: Testbedingungen
wobei:
- Hdry
- die durchschnittliche
vertikale Höhe
(mm) der Schlitze ist, welche nicht von Flüssigkeit abgedeckt wird.
- H
- die gesamte Höhe (mm)
des Schlitzes.
- Qa SOR
- der volumetrische
Luftstrom (m3/h) ist, der in dem Experiment
verwendet wird, um SOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
- Qa EOR
- der volumetrische
Luftstrom (m3/h) ist, der in dem Experiment
verwendet wird, um EOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
- Qw SOR
- der volumetrische
Wasserstrom (m3/h) ist, der in dem Experiment
verwendet wird, um SOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
- Qw EOR
- der volumetrische
Wasserstrom (m3/h) ist, der in dem Experiment
verwendet wird, um EOR-Reaktorbedingungen zu simulieren.
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Das
gemessene Verteilungsverhalten in Form von Empfindlichkeit der Flüssigkeitsströmung gegenüber einer
Ebenenveränderung
von 10 mm gemäß Definition
durch Gleichung (1) ist in Tabelle 2 für den herkömmlichen Blasenglocken- und
in Tabelle 3 für
den Dampfhebeverteiler angegeben.
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Tabelle
2: Ergebnisse für
die herkömmliche
Blasenglocke
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Tabelle
3: Ergebnisse für
den Dampfhebeverteiler
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Wie
man sehen kann, besitzen die Dampfsteigrohre ein bedeutend besseres
Verteilungsverhalten als der Blasenglockenverteiler. Im Durchschnitt
ist die Empfindlichkeit der Flüssigkeitsströmung für den Blasenglockenverteiler
etwa viermal höher
als für
den Dampfhebeverteiler.