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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Packung einer Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne und stellt
eine Kolonne bereit, die mit Strukturpackungs-Flächengebilden
bepackt ist, welche in einer neuen Art und Weise angeordnet sind.
Sie hat eine spezielle, jedoch nicht ausschließliche Anwendung bei Kolonnen,
speziell für
die kryogene Luftzerlegung, an einem Ort, wo diese Bewegungen unterworfen
sind, welche bewirken, dass die Kolonne aus der Vertikalen herausschwankt
oder sich neigt, wie zum Beispiel vor der Küste oder auf See.
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Es
ist bekannt, dass die Verwendung von Strukturpackung in Destillationskolonnen
dort viele Vorteile hat, wo ein geringer Druckabfall wichtig ist. Jedoch
hängt die
Leistung einer bepackten Kolonne stark vom Erzeugen und Aufrechterhalten
eines Ausgleichs zwischen dem Abwärtsstrom der Flüssigkeit und
dem Aufwärtsstrom
des Dampfes ab, und zwar lokal in der Packung. Diese Verteilung
der Flüssigkeit und
des Dampfes innerhalb der Packung wird durch die anfängliche
Bereitstellung dieser Fluide für
die Packung beeinflusst, und durch die speziellen Eigenschaften
der Packung.
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Die
Strukturpackung besteht typischerweise aus Flächengebilden aus Wellmetall,
welche in Sektionen miteinander verbunden sind, wobei sie eine Reihe
von quer zueinander verlaufenden offenen Kanälen ausbilden. Die Sektionen
stoßen
aneinander, um eine Schicht auszubilden, welche den Querschnitt
der Kolonne füllt.
Typischerweise sind mehrere Schichten sektionierter Strukturpackung
aufeinander bis zu einer geeigneten Höhe gestapelt, um eine bepackte
Kolonne herzustellen. Jede Schicht hat eine einzelne Richtung, zu
welcher die Packungs-Flächengebilde
und die durch sie ausgebildeten Kanäle parallel sind. Die Flüssigkeit
und der Dampf verbreiten sich leichter in der Richtung der Kanäle innerhalb
einer vorgegebenen Schicht, und indem sie den Kanälen folgen,
können
die Fluide aus verschiedenen Teilen der Kolonne sich innerhalb der Packung
vermischen und zusammenkommen. Typischerweise ist jede Schicht
in einem Winkel relativ zu benachbarten Schichten angeordnet, beispielsweise 90°, um die
Vermischung zu verstärken.
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Sowohl
bei stationären
als auch bei beweglichen Kolonnen entstehen Schwierigkeiten beim
Aufrechterhalten einer einheitlichen Flüssigkeits- und Dampfverteilung
innerhalb der Strukturpackung aufgrund der Wanderung der Fluide über den
Kolonnenquerschnitt, die den Kanälen
in der Packung folgt. Die Wanderung neigt dazu, lokale Ungleichgewichte der
Flüssigkeits-
und Dampfströmungen
zu erzeugen, was zu einer geringen Destillationsleistung führt. Eine
Erscheinungsform dieses Phänomens
ist die gut bekannte Beziehung zwischen Massentransfer-Wirkungsgrad und
dem Durchmesser der Strukturpackungs-Kolonne: kleine Kolonnen neigen
dazu, höhere
Massentransferraten zu haben als größere Kolonnen. In der Theorie
findet die schnelle Vermischung der gesamten Kolonneninhalte über den Querschnitt
in einer kleinen Kolonne leichter statt und mildert so die Effekte
der lokalen Strömungsungleichgewichte.
Nicht stationäre
Kolonneninstallationen, wie zum Beispiel Anwendungen vor der Küste oder auf
See, bringen spezielle Probleme bei der Aufrechterhaltung einer
einheitlichen Flüssigkeitsverteilung mit
sich. Die periodische Neigung der Kolonne neigt dazu, die Flüssigkeit
zu den Wänden
der Kolonne hin zu drängen,
was schwere Strömungsungleichgewichte
zwischen Flüssigkeit
und Dampf in der Packung erzeugt.
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Eine
Alternative zu strukturierter Packung ist spiralförmig gewickelte
Packung, welche aus einem kontinuierlichen Flächenmaterial ausgewählter Packung
aufgebaut ist, die auf einem Dorn aufgewickelt ist, beginnend vom
Inneren der Kolonne her und zur Außenseite der Kolonne hin gewunden.
Eine kontinuierliche, spiralförmige
Bahn für
die Flüssigkeit und/oder
den Dampf wird zwischen den gewellten Flächengebilden erzeugt, während diese
sich vom Inneren zur Außenseite
der Kolonne hin winden. Spiralförmig
gewickelte, bepackte Kolonnen haben ähnliche Schwierigkeiten bei
der Aufrechterhaltung der Strömungs-Einheitlichkeit,
aber weil eine Quervermischung nicht ebenso leicht auftreten kann,
können sie
nicht von der Leistungssteigerung der kleinen Kolonnen profitieren,
die bei Strukturpackungssystemen beobachtet wird. Ferner haben spiralgewickelte, gepackte
Kolonnen einen spiralförmigen
Weg zur Wand der Kolonne, welcher dort zur Ansammlung von Flüssigkeit
führen
kann, speziell bei einer Anwendung an Bord von Schiffen. Jedoch
kann eine spiralgewickelte Packung bei manchen Anwendungen Vorteile
gegenüber
einer strukturierten Packung haben, und zwar wegen der verringerten
radialen Migration von Flüssigkeit
und Dampf in der Kolonne.
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Der
Stand der Technik versucht, das lokale Gleichgewicht zwischen Dampf
und Flüssigkeitsströmungen in
der strukturierten Packung dadurch aufrecht zu erhalten, dass eine
Packungsschicht in einer großen
Kolonne in kleinere Sektionen partitioniert wird. Die Partitionierung
zwingt die Flüssigkeit,
die in einer partitionierten Sektion strömt, innerhalb der Sektion zu
bleiben, wodurch das Gleichgewicht zwischen Flüssigkeits- und Dampfströmungen aufrechterhalten
wird.
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Die
US-A-5,486,318 (McKeigue und Krishnamurthy) lehrt Variationen der
Packungspartitionierung durch die Verwendung von physischen Partitionen
oder durch die Verwendung von variierender Packungsausrichtung als
ein Partitionierungsmittel. Diese Variationen sind in 1 dargestellt. Die physische
Partitionierung P, die in 1a gezeigt
ist, ist eine perforierte Platte mit Perforationen, die groß genug
sind, so dass etwas Dampf hindurchgehen kann, aber zu klein sind,
dass eine wesentliche Menge an Flüssigkeit hindurch strömen könnte. Die
zweite Variation, gezeigt in 1b,
erfordert, dass jede Packungssektion an eine anliegende Sektion
der Packung senkrecht anstößt, so dass
die Kanäle
in den Packungs-Flächengebilden,
zum Beispiel in der Sektion A, begrenzt werden durch ein einzelnes
Packungs-Flächengebilde,
Flächengebilde
C, der anstoßenden
Sektion B. Die Kanäle
des Flächengebildes
C laufen in einer Ebene, die senkrecht zu derjenigen in Sektion
A liegt. Obwohl es in der US-A-5,486,318 nicht ausgeführt wird,
wird Flüssigkeit,
wenn sie in der Sektion A die Kanäle mehrerer Flächengebilde
nach unten zur Sektion B hin läuft, dazu
neigen, sich an einem einzelnen Flächengebilde anzusammeln, nämlich dem
Flächengebilde
C. Die Ansammlung der Flüssigkeit
aus mehreren Flächengebilden
auf einem Flächengebilde
resultiert in einer lokalen Kanalisierung, und sie verschlechtert deshalb
die Massenübertragungsleistung
der Kolonne.
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Die
GB-A-1,402,883 offenbart eine Gas-Flüssigkeits-Kontaktkolonne (siehe 4), die mit Tauscherelementen
bepackt ist. Jedes Element ist eine jalousieartige Anordnung, die
aus einer Vielzahl von quer beabstandeten, geneigten, parallelen Streifen
gebildet wird, und jede Packungsschicht der Kolonne hat eine zentrale
Sektion, die aus einem quer (relativ zu den Streifen) ausgerichteten
Paar von Elementen besteht, in welchem die Streifen den gegenüberliegenden
Richtungen geneigt sind. Eine Reihe von drei Elementen ist an jeder
Seite der zentralen Sektion vorgesehen, wobei die Streifen in jeder Reihe
sich senkrecht zu denjenigen in der zentralen Sektion erstrecken.
Die Streifen in jeder Reihe sind in entgegengesetzter Richtung zu
denjenigen der beiden anliegenden Elemente und dem entsprechenden Element
der anderen Reihe geneigt.
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Die
US-A-3,109,876 offenbart eine Gas-Flüssigkeits-Kontaktkolonne, die
mit einer schachbrettartigen Anordnung aus Bündeln von Packungs-Flächengebilden
bepackt ist. Diese Anordnung stellt zentrale Kernbündel bereit,
die von einem Ring aus acht Bündeln
umgeben sind, wobei die Packungs-Flächengebilde aneinander anliegender
Bündel
sich in zueinander senkrechten Richtungen erstrecken. Die Anordnung
ist im Wesentlichen eine solche, wie sie in der 1B (Stand der Technik) der vorliegenden
Anmeldung gezeigt ist.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung von
Packungs-Flächengebilden
bereitzustellen, welche einen einheitlichen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in einer
bepackten Kolonne während
des Schwankens oder der Neigung bereitstellt, wie diese beispielsweise
bei kryogenen Luftzerlegungs-Destillationskolonnen
auftreten, die an Bord von Schiffen installiert sind.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Verbesserung bei einer Flüssigkeits-Dampfkontaktkolonne
mit einer hohlen Kolonne, die mit mindestens einer Schicht bepackt
ist, welche aus einer Vielzahl von Flächengebilden aus strukturierter
Packung besteht, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung
der Kolonne bereitstellen. Die Verbesserung besteht darin, dass
die Packungs-Flächengebilde,
in Axialrichtung der Kolonne gesehen, im Körper der Schicht in einer oder
mehreren Sektionen angeordnet sind, wobei mindestens ein Band einen
zentralen Kern umgibt, der, in Axialrichtung gesehen, einen polygonalen Querschnitt
mit mindestens vier Seiten hat, wobei das Band aus Segmenten gebildet
ist, von denen jedes, in Axialrichtung gesehen, einen trapezoiden Querschnitt
hat, wobei die Packungs-Flächengebilde in
jedem Segment sich geradlinig in einer anderen Richtung erstrecken,
als derjenigen in den benachbarten Segmenten des Bandes.
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Die
Sektionen der strukturierten Packung sind in einer neuen Art und
Weise angeordnet, um die Kolonne in mehrere kleinere Kolonnen zu
unterteilen und die Leistung der Kolonne gegenüber dem Stand der Technik zu
verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne
zur Verfügung,
mit einer hohlen Kolonne, die mit mindestens einer Schicht bepackt
ist, welcher aus einer Vielzahl von Flächengebilden aus strukturierter
Packung besteht, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt
in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Packungs-Flächengebilde,
in Axialrichtung der Kolonne gesehen, in dem Körper der Schicht in einer oder mehreren
Sektionen angeordnet sind, wobei mindestens ein Band einen zentralen
Kern umgibt, der, in Axialrichtung gesehen, einen polygonalen Querschnitt
mit mindestens vier Seiten hat, wobei das Band aus Segmenten gebildet
ist, von denen jedes, in Axialrichtung gesehen, einen trapezoiden
Querschnitt hat, wobei die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment
sich geradlinig in einer anderen Richtung erstrecken als diejenigen
in den benachbarten Segmenten desselben Bandes.
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Es
versteht sich, dass nahe der Wand der Kolonne die Packungs-Flächengebilde
gewöhnlich nicht
in derselben Weise angeordnet sein können wie im Körper der
Kolonne, und dementsprechend wird dafür gesorgt, dass die Packungssegmente
sich an die Kolonnenwand anpassen.
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Alle
Bezugnahmen hierin auf Querschnitte beziehen sich auf eine Blickrichtung
in Axialrichtung der Kolonne, wenn nichts anderes gesagt ist. Vorzugsweise
ist das Polygon regelmäßig, und
es ist derzeit bevorzugt, dass es eine gerade Anzahl von Seiten
hat, speziell dass es ein Quadrat oder ein regelmäßiges Sechseck
ist.
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Die
Packungs-Flächengebilde
können
sich in jedweder rechtwinkligen Richtung erstrecken, solange die
sich von derjenigen in benachbarten Segmenten desselben Bandes unterscheidet,
aber wenn der Kern ein Polygon ist, ist es derzeit bevorzugt, dass
die Packungs-Flächengebilde
sich entweder rechtwinklig oder speziell parallel zu der benachbarten
Seite des Kerns erstrecken. Die Richtung gegenüber dem Kern kann in unterschiedlichen
Sektionen desselben Bandes unterschiedlich sein, obwohl es derzeit
bevorzugt ist, dass die Richtung in benachbarten Sektionen unterschiedlicher
Bänder
dieselbe ist. Bei einer Ausführungsform
erstrecken sich die Packungs-Flächengebilde
in abwechselnden Segmenten desselben Bandes parallel zu der benachbarten
Seite des polygonalen Kerns und die Packung in den dazwischen liegenden
Segmenten erstreckt sich senkrecht zu der benachbarten Seite des
Kerns.
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Geeigneterweise
ist jedes Segment eines Bandes identisch mit den Komplementärsegmenten des
Bandes. Jedes Segment kann an seinen Seiten durch eine sich axial
erstreckende Umfangswand begrenzt sein, aber die Segmente sind gewöhnlich lediglich
durch ihre Packungs-Ausrichtung abgegrenzt.
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Die
Packungs-Flächengebilde
in dem Körper der
oder jeder Schicht können
in einer Vielzahl von aneinander anstoßenden Sektionen oder in einer
einzelnen Sektion angeordnet sein. Bei jeder Ausführungsform,
speziell aber bei der letzteren, können zwei oder mehrere Bänder konzentrisch
den Kern umgeben. Die erstere Ausführungsform teilt die Kolonne
lokal in kleine Bereiche auf, und sie ist geeignet, die Leistung
jedweder bepackten Kolonne zu verbessern, während die letztere die Kolonne
radial partitioniert und speziell geeignet ist, die Leistung einer
auf einem Schiff oder die ähnlicherweise
angebrachten Kolonne zu verbessern, welche sich periodisch von einer
Seite zur anderen neigt. Die Kolonne kann mit zwei oder mehreren
Schichten von Packungs-Flächengebilden
bepackt sein, die gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet und winkelmäßig ausgerichtet
sind, so dass sie Segmente jeder Schicht nicht axial mit den entsprechenden
Segmenten der benachbarten Schichten ausgerichtet sind. Geeigneterweise
sind, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, die Packungs-Flächengebilde
im Körper
jeder Schicht in einer Vielzahl von solchen aneinander stoßenden Sektionen
angeordnet, und die Mittelpunkte von mindestens einigen Kernen jeder
Schicht sind koaxial mit den Mittelpunkten von Kernen in der benachbarten
Schicht bzw. den benachbarten Schichten ausgerichtet. Um eine solche
Ausrichtung zu erzielen, kann die Größe der Sektionen zwischen benachbarten
Schichten mit der Form und dem Muster des Kerns und der Segmente
variieren, die beiden Schichten angehören.
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Bei
einer derzeit bevorzugten Ausführungsform
ist die Kolonnenhülle
mit mindestens einer Schicht einer Vielzahl von strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in
der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde
in dem Körper
jeder Schicht so angeordnet sind, dass, in Axialrichtung der Kolonne
gesehen, eine Vielzahl von aneinander anstoßenden Sektionen vorhanden
sind, wobei in jeder davon mindestens ein Band einen zentralen regelmäßigen Polygonkern
umgibt, wobei das Band außer
Segmenten mit trapezoidem Querschnitt gebildet ist, die mit den
Komplementärsegmenten
des Bandes identisch sind, und sich die Packungs-Flächengebilde
in jedem Segment geradlinig in einer unterschiedlichen Richtung
gegenüber
den benachbarten Segmenten des Bandes erstrecken.
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Bei
einer weiteren derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit
mindestens einer Schicht bepackt, die aus einer Vielzahl von strukturierten
Packungs-Flächengebilden
gebildet wird, welche so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt
in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde
in dem Körper
jeder Schicht so angeordnet sind, dass, in Axialrichtung der Kolonne
gesehen, die Packungs-Flächengebilde
in jeder Schicht in einem oder mehreren Bändern angeordnet sind, die
konzentrisch einen zentralen, regelmäßig polygonalen Kern umgeben,
wobei das Band aus Segmenten mit trapezoidem Querschnitt ausgebildet
wird, der identisch mit Komplementärsegmenten des Bandes ist, und
wobei die Packungs-Flächengebilde
in jedem Segment sich geradlinig in einer unterschiedlichen Richtung
zu derjenigen in den benachbarten Segmenten des Bandes erstrecken.
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Bei
einer weiteren derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit
mindestens einer Schicht bepackt, die aus einer Vielzahl strukturierter
Packungs-Flächengebilde
besteht, welche so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in
der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde
in dem Körper
jeder Schicht so angeordnet sind, dass, gesehen in Axialrichtung
der Kolonne, Packungs-Flächengebilde
in jeder Schicht in zwei oder mehreren Bändern angeordnet sind, die
konzentrisch einen zentralen, regelmäßig hexagonalen Kern umgeben, wobei
alle Bänder
aus identischen Segmenten mit nicht gleichmäßigem hexagonalen Querschnitt
ausgebildet werden, und zwar symmetrisch um die Radialrichtung vom
Kernzentrum her.
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Bei
einer anderen derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit
mindestens einer Schicht bepackt, die aus einer Vielzahl von strukturierten
Packungs-Flächengebilden
ausgebildet wird, welche so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt
in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde
in dem Körper
jeder Schicht so angeordnet sind, dass, gesehen in Axialrichtung
der Kolonne, Packungs-Flächengebilde
in jeder Schicht in einen oder mehreren Bändern angeordnet sind, die
konzentrisch einen zentralen, regelmäßig polygonalen Kern mit einer
geraden Seitenanzahl umgeben, wobei das Band aus Segmenten mit trapezoidem
Querschnitt ausgebildet ist, die sich mit Segmenten mit rechtwinkligem Querschnitt
abwechseln, wobei die trapezoiden Segmente identisch mit den anderen
trapezoiden Segmenten des Bandes sind, und wobei die Packungs-Flächengebilde
sich parallel zu den Seiten des Kerns erstrecken, und wobei die
rechtwinkligen Segmente identisch mit den anderen rechtwinkligen Segmenten
des Bandes sind und Packungs-Flächengebilde
aufweisen, die sich senkrecht zu den zweiten des Kerns erstrecken.
Das Folgende ist eine Beschreibung, die nur beispielhaft ist und
auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt, und zwar für derzeit
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, welche in Sektionen angeordnet sind, die durch physische
Partitionen abgegrenzt sind, gemäß der US-A-5,486,318;
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1B einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, welche in Sektionen angeordnet sind, welche durch die
Packungs-Ausrichtung abgegrenzt sind, gemäß der US-A-5,486,318;
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2A ein schematischer Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, die in Sektionen angeordnet sind, und zwar gemäß einer
derzeit bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2B einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, welche in denselben Sektionen angeordnet sind, wie
in 2a, aber um 45° im Vergleich
mit der Ausrichtung der 2a verdreht sind;
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3A ein schematischer Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, welche in Sektionen in derselben Weise wie in 2b angeordnet sind, aber
mit kleineren Kernen und Segmenten;
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3B die Überlagerung des Querschnitts der 3a auf dem Querschnitt der 2a;
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4 ein schematischer Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, welche in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
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5A einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
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5B einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
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5C einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
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5D einen schematischen Querschnitt
einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bepackt ist;
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6 eine schematische Darstellung
eines Flüssigkeits-Verteilers,
der zur Verwendung mit Kolonnen gemäß der vorliegenden Erfindung
bevorzugt wird; und
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7 eine Aufsicht auf die
Flüssigkeits-Verteilungsplatte
des Verteilers der 6.
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Wie
zunächst
aus der 2A hervorgeht,
ist eine Kolonnenhülle 10 mit
Schichten aus gewellten Packungs-Flächengebilden (durch Wellenlinien
angedeutet) bepackt, um eine kryogene Luftzerlegungs-Destillationskolonne
auszubilden. In dem Körper
jeder Schicht sind die Packungs-Flächengebilde in mehreren aneinander
stoßenden
Sektionen 11 mit quadratischem Querschnitt angeordnet,
wobei jede aus einem quadratischen Kern 12 besteht, der
durch ein Band von vier trapezoiden Segmenten 13 umgeben
wird. Die Segmente 13 und die Kerne 12 sind durch
dicke Linien voneinander abgeteilt, und sie können durch physische Partitionen
abgegrenzt werden, die an keiner, an einigen oder an allen Schnittstellen
angeordnet werden, speziell zwischen benachbarten Sektionen. Wie
durch die gewellten Linien angedeutet, erstrecken sich die Packungs-Flächengebilde
in jedem Segment 13 in geradliniger Richtung zur benachbarten
Seite des Kerns 12.
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Flüssigkeit
und Dampf, welche über
die Grenzen einer jeden Sektion 11 eintreten, würden die Sektion
nicht durch eine horizontale Ebene verlassen, weil alle Kanäle der Packungs-Flächengebilde an
den Grenzen parallel zur Peripherie der Grenzen verlaufen.
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Wenn
man Schicht-zu-Schicht-Drehungen beachtet, sieht man, dass nur der
Kern 12 jeder Sektion 11 an jedem Schichtübergang
neu orientiert werden kann und noch dazu in der Lage ist, ein Eingrenzen
der Flüssigkeit
und des Dampfes auf einen individuellen Querschnittsbereich aufrecht
zu erhalten, der sich vom Oberteil der Kolonnenpackung zu deren Boden
hin erstreckt. Jedoch können
variierende Grade an Fluid-Einschluss bereitgestellt werden, durch (a)
keine Re-Orientierung der trapezoiden Segmente 13 und 90°-Re-Orientierung
der quadratischen Kerne 12 an benachbarten Schichten; (b)
45°-Re-Orientierung
der trapezoiden Segmente 13 und 45°-Re-Orientierung der quadratischen
Kerne 12 an benachbarten Schichten, oder (3) 45°-Rotation
von Schichten, während
das geometrische Zentrum 14 jeder Sektion 11 unter
allen Schichten gemeinsam bleibt. Gemäß der Option (a) würde die
Segmentierung, die in 2A gezeigt
ist, auf sich selbst überlagert,
wenn sie von Schicht zu Schicht geht, so dass alle Zentren 14 für jede Schicht
direkt übereinander liegen.
Die Flächengebilde
im Kern 12 würden
ihre Richtung um 90° an
jedem Schichtübergang ändern. Bei
der Option (b) ist jede Schicht 11 um 45° gedreht,
und die Zentren 14 für
jede andere Schicht sind ausgerichtet, aber die Zentren 14 für benachbarte
Schichten sind relativ zueinander verschoben. Die 2B zeigt die Ausrichtung einer Schicht,
die um 45° relativ
zur Schicht in 2A gedreht
ist. Die Option (3), gezeigt in 3,
umfasst ebenfalls eine 45°-Rotation,
erfordert aber, dass der Kern 12 und die Segmente 40 aller
Sektionen 11 in einer Schicht in der Größe im Vergleich mit benachbarten
Schichten bzw. einer benachbarten Schicht verringert sind, so dass
die geometrischen Zentren 14 in gedrehten und nicht gedrehten
Schichten sich vertikal zueinander ausrichten. Die 3A zeigt eine Schicht mit individuellen Elementen,
die in der Größe reduziert
und um 45° relativ
zu der Schicht in 2A verdreht
sind, während die 3B die Überlagerung der 2A und 3A zeigt. Wie oben erwähnt, ist
nur die Option (a), 2A mit
90°-Drehungen der Kerne 12 an
jedem Schichtübergang,
geeignet, um eine vollständige Partitionierung
der Fluide über
die Länge
der Packung in der Kolonne zu erzeugen.
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Eine
Variation der Dreh-Option der 2A umfasst
die Verwendung von physischen Partitionen an einigen oder allen
Grenzen der trapezoiden Segmente 13; jede Schicht kann
viele kleine Partitionen aufweisen, oder mehr als eine Schicht kann
wenige Partitionen verwenden, welche sich über zwei oder mehr Schichten
in die bepackte Kolonnensektion erstrecken und zwar bis zu einer
maximalen Länge,
die mit der gepackten Höhe
der Kolonne zusammenfällt.
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Um
die Leistung einer herkömmlichen
gepackten Kolonne zu steigern, ist die Fläche der Sektionen 11 geringer
als 1 m2, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 m2.
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Eine
alternative polygonale Anordnung von Packungs-Flächengebilden zum radialen Partitionieren
der Kolonne ist in 4 gezeigt.
Bei dieser Anordnung ist ein regelmäßig sechseckiger Kern 12 (gebildet
aus einem zentralen rechteckigen Abschnitt und zwei benachbarten
trapezoiden Abschnitten) von drei konzentrischen Bändern aus
trapezoiden Segmenten 13 umgeben. Physische Partitionen
können an
keiner, einigen oder allen Stellen zwischen benachbarten Segmenten
angeordnet werden. Wie bei der Anordnung der 2 und 3 wirkt
die Anordnung dahingehend, einen einheitlichen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt
aufrecht zu erhalten, wenn die Kolonne 10 nach vorne und
zurück
geneigt wird, wie zum Beispiel bei Anwendungen an Bord von Schiffen.
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Bei
der in 4 dargestellten
Ausführungsform
sind die Packungs-Flächengebilde
innerhalb der Grenzen einer Reihe von im Allgemeinen N-seitigen
polygonalen Bänder
mit sich steigender Größe über eine
Kolonne angeordnet, wobei N eine ganze Zahl ist, vorzugsweise gerade
und vorzugsweise im Bereich von 4–64. Die Polygone sind symmetrisch um
das Zentrum der Kolonne herum angeordnet. Nahe der Wand der Kolonne
kann die Polygonform nicht aufrecht erhalten werden, und die Packungssegmente
sind so hergestellt, dass sie sich an die Kolonnenwand anpassen.
Die Ausrichtung der Packungs-Flächengebilde
innerhalb jedes Segments ist tangential zu einem Kreis, der konzentrisch
mit der Kolonne ist, außer
in der Nähe
des Zentrums der Kolonne, wo der Kern durch eine Reihe von kleinen Segmenten
mit beliebiger Ausrichtung gefüllt
ist. Jede Schicht kann, wenn gewünscht,
um einen gewissen Winkel relativ zu den anliegenden Schichten gedreht
werden, vorzugsweise um einen Winkel π/N in Radian. Es ist zu erwarten,
dass der Bereich der größten Packungssegmente
in einer polygonalen Anordnung wesentlich den Bereich der individuellen Sektionen
der Ausführungsform überschreitet,
die in den 2 und 3 dargestellt ist, und zwar
für eine
Kolonne mit dem gleichen Durchmesser.
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Die 5A zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung ähnlich derjenigen
aus 4, wobei aber der
Kern 12 partitioniert ist.
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Die 5B zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung,
bei welcher der Kern 12 ein regelmäßiges Sechseck ist und durch
ein oder mehr Bänder
umgeben ist, die aus rechteckigen Segmenten 13a ausgebildet
sind, welche sich mit im Wesentlichen trapezoiden Segmenten 13 abwechseln.
Die Packungs-Flächengebilde
in Segmenten 13a erstrecken sich senkrecht vom Kern, während, wie
bei den anderen dargestellten Ausführungsformen, diejenigen in
den Segmenten 13 sich parallel zu der benachbarten Seite
des Kerns 12 erstrecken.
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Die 5C zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung ähnlich derjenigen
aus 5A, wobei aber der
Kern 12 ein regelmäßiges Sechseck
ist und durch ein oder mehrere Bänder
aus trapezoiden Segmenten 13 umgeben wird.
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Die 5D zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung,
bei welcher der Kern 12 ein regelmäßiges Sechseck ist und durch
zwei oder mehrere Bänder
umgeben wird, von denen jedes aus nicht regelmäßigen Sechsecken gebildet wird,
mit einer Basis von der gleichen Länge wie die Kernseiten und symmetrisch
um einen Radius vom Kernzentrum.
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Die
6 und
7 zeigen einen Flüssigkeits-Verteiler, der zur
Verwendung mit Kolonnen gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt wird. Der Verteiler stimmt mit einer bevorzugten
Ausführungsform
desjenigen überein,
der den Gegenstand der europäischen
Patentanmeldung Nr. 99300361.5 (
EP 0
930 088 ) mit demselben Anmeldetag bildet.
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Wie
aus 6 hervorgeht, umfasst
der Verteiler einen Kopftank 1, aus dem sich eine Hauptverteilungsleitung 2 zur
Versorgung mit Flüssigkeit
aus dem Kopftank erstreckt. Eine Vielzahl von Leitungsabzweigungen 3 erstreckt
sich aus der Hauptleitung 2 über rein von Reservoir-Zellen 4 in
einer Flüssigkeits-Verteilungsplatte 5 (siehe 7), die oberhalb der strukturierten
Packung 6 in einer Destillationskolonne (nicht gezeigt)
einer kryogenen Luftzerlegungseinheit angeordnet ist, welcher auf
einem Schiff (nicht gezeigt) angebracht ist. Jede Leitungsabzweigung 3 hat
eine Reihe von beabstandeten Versorgungsröhren 7, die individuell
mit einer entsprechenden Reservoirzelle 4 der jeweiligen
Reihe ausgerichtet ist.
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Wie
in 7 gezeigt ist, ist
die Verteilerplatte 5 eine kreisförmige Scheibe, welche den gesamten Querschnitt
der Kolonne oberhalb der Packung abdeckt und identische Bohrungen 4, 8 mit
quadratischem Querschnitt hat, die darin in einheitlichen, kreuz
und quer verlaufenden Reihen ausgebildet sind. Abwechselnde Bohrungen 8 (Dampfaufstiegspassagen)
sind sowohl am Oberteil als auch am Boden offen, um die freie Strömung von
Dampf durch sie hindurch gestatten, und die verbleibenden Bohrungen 4 (Reservoirzellen)
sind an ihren Basen bis auf ein zentrales Loch (nicht sichtbar)
blind geschlossen, um einen begrenzten Strom an Flüssigkeit
durch sie hindurch zu gestatten.
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Beispiel
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Ein
Verteiler, wie er oben unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben
wurde, wird auf eine kryogene Luftzerlegungskolonne mit 2,9 m Durchmesser
an Bord eines Schiffs aufgesetzt, welche mit strukturierten Packungs-Flächengebilden
gepackt ist, wie sie unten beschrieben werden. Die Kolonne produziert
ungefähr
1000 Tons/Tag (900 Tonnen) Sauerstoff mit einer Flüssigkeits-Strömungsrate
von 0,042 m3/s und einer Dampf-Strömungsrate
von 5,04 m3/s. Der Verteiler ist dimensioniert
für eine ±12°-Neigung
der Kolonne von der Vertikalen aus, mit einer 15-Sekunden-Periode
und einer durchschnittlichen Schlagseite von 2° aus der Vertikalen.
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Jede
Reservoirzelle in der Verteilerplatte ist ungefähr 0,050 m × 0,050 m quadratisch und 0,38
m hoch mit einer Lochgröße von 0,005
m, was ein 30 s-Inventar an Flüssigkeit
ergibt. Die Höhe
des Flüssigkeitspegels
im Kopftank liegt bei ungefähr
1,2 m und die Gesamthöhe
des Verteilersystems ist ungefähr
3 m. Dieses System ergibt eine Gesamt-Strömungsvariation von ±5% während des
Betriebes.
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Im
Gegensatz hierzu würde,
wenn dieselbe Kolonne mit einem herkömmlichen Leitungsverteiler ausgestattet
wäre, ein
Flüssigkeitspegel
von 7,5 m notwendig, um eine ±5%-Strömungsvariation
zu erzielen. Die Gesamthöhe
des herkömmlichen
Leitungsverteilers wäre
ungefähr
9 m (d. h. ungefähr dreimal
so viel wie beim Beispiels-Verteiler gemäß der vorliegenden Erfindung
notwendig ist).
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Die
Kolonne ist mit Packungs-Flächengebilden
bepackt, die in der Art und Weise, wie in 2a gezeigt, in 16 identischen, quadratischen
Sektionen angeordnet sind, jede mit 0,52 m-Seiten und Gebilde aus
einem quadratischen Kern von 0,12 m-Seiten, umgeben von vier trapezoiden
Segmenten, die jeweils aus 20 bis 40 Packungs-Flächengebilden
bestehen, abhängig
von der Wellenhöhe.
Acht trapezoide Elemente sind um die Peripherie der Kolonne herum
angeordnet, mit einigen unregelmäßig geformten
Elementen nahe der Wand, um den kreisförmigen Querschnitt aufzufüllen. Die
Kerne sind um 90° an
jeder abfolgenden Schicht gedreht, während die trapezoiden Segmente
nicht gedreht sind.
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Es
versteht sich für
Fachleute, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Details beschränkt ist, die
oben beschrieben wurden, und dort viele Modifikationen und Variationen
durchgeführt
werden können,
ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen.