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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von Destillations- oder Waschkolonnen
Es
ist bekannt, mittels schnell rotierenden Tellern in einer Destillierkolonne die
Flüssigkeit schleierförmig zu zerstäuben und durch feststehende Leitvorrichtungen
die Flüssigkeit mittels ihrer Schwerkraft oder unter Ausnutzung ihrer Rotationsenergie
auf den nächsttieferen rotierenden Teller zurückzuführen. Es ist ferner bekannt,
derart rotierende Teller an ihrer Unterseite mit Schaufeln zu versehen, die nach
Art eines Radialgebläses den Dämpfen eine Beschleunigung erteilen und auf diese
Weise den Druckverlust ausgleichen, welchen die Dämpfe bei ihrer Strömung von Teller
zu Teller erfahren.
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Letzteres ist von besonderer Bedeutung, wenn Stoffe, die nur mit einer
große. Anzahl von Böden getrennt werden können, aus Gründen der Temperaturempfindlichkeit
einer Hochvakuumdestillation unterworfen werden sollen. Das Vakuum im Sumpf der
Kolonne wird schnell verschlechtert, wenn die Dämpfe auf ihrem Weg durch die Kolonne
einen Druckabfall erleiden; wenn dagegen durch die gerannte stufenweise Kompression
der Dämpfe innerhalb der Kolonne ein solcher Druckabfall vermieden werden kann,
herrscht im Sumpf dasselbe hohe Vakuum wie am Top.
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Die vorgeschlagene Ausbildung der Unterseite der rotierenden Teller
als Radialgebläse für die Dämpfeförderung hat jedoch den Nachteil, daß die Dämpfe
nach horizontalem Austritt aus den Schaufeln in dem zwischen dem rotierenden Teil
und dem Kolonnenmantel verbleibenden Ringraum um ISO° umgelenkt werden müssen, um
wieder in das nächstrotierende Lauf rad in der Nähe der Kolonnenmitte eintreten
zu können. Auf diese Weise nehmen die Dämpfe etwa einen zickzackförmigen Weg durch
die Kolonne. Da hierdurch von Stufe zu Stufe ein höherer Strömungswidersttand entsteht
und die Dämpfe
stellenweise durch verhältnismäßig enge Querschotte
strömen müssen, ist der zum Ausgleich des entstehenden Druckabfalls erforderliche
Energieaufwand verhältnismäßig hoch bzw. der Dämpfe durchsatz begrenzt.
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Erfindungsgemäß wird demgegenüber eine radiale Strömung der Dämpfe
bewußt dadurch vermieden, daß die radial arbeitenden Gebläseräder durch Propellerräder
ersetzt werden, ähnlich wie sie in Axialkompressoren Anwendung finden. Hierdurch
wird der Querschnitt der Kolonne für die Dämpfeströmung ausgenutzt und der Druckverlust
geringer.
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Infolgedessen ist esl möglich, eine größere Dämpfemenge durchzusetzen
als bei den Kolonnen m'it radial arbeitenden Laufrädern.
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Einem weiteren Teil der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß für den Wärme- und Stoffaustausch die Berührungsfläche und Berührungszeit zwischen
Dampf und Flüssigkeit maßgebend ist. So wurde gefunden, daß die Oberfläche der durch
Abschleuderung von einer rotierenden Scheibe zerstäubten Flüssigkeitströpfchen in
einen Ringraum hinein diesen keineswegs günstig ausfüllt. Der Vorgang läßt sich
folgendermaßen beschreiben: Die auf die rotierende Scheibe aufgegebene Flüssigkeit
wird durch die Zentrifugalkraft in radialer Richtung zu einer immer dünner werdenden
Schicht auseinandergezogen. Am Rand der rotierenden Scheibe findet ein Zerreißen
dieser Fiüssigkeitsschicht statt, und die entstehenden Tröpfchen. werden in den
zwischen der rotierenden Scheibe und dem Kolonnen. mantel verbleibenden Ringraum
geschleudert. Da die Querschnittsfläche dieses Ringraumes mit radialer Entfernung
von der Kolonnenmitte immer größer wird, können die Flüsstigkeitströpfchen auch
bei sehr kleinem Tröpfchendurchmesser diesen Querschnitt keineswegs günstig ausfüllen.
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Hinzu kommt noch, daß die Berührungszeit dieser Tröpfchen mit den
Dämpfen außerordentlich klein ist (sie liegt in der Größenordnung von eintausenSdstel
Sekunde) und daher der Stoffaustausch unbefriedigend wird.Die zusammenhängende dünne
Flüssigkeitshaut der rotierenden Scheibe wird erfindungsgemäß möglichst weit in
Richtung auf den Kolonnenmantel ausgedehnt. Dies ist, da die Dämpfe von unten nach
oben durch diese Ebene hindurchtreten müssen, dadurch zu verwirkl. ichen,, daß die
Schaufeln des obenerwähnten Axialgebläses an die rotierenden Teller angesetzt und
derartig schräg gestellt werden, daß die Flüssigkeitshaut sich auch über die Schaufeln
bis in die Nähe des Kolonnenmantels ausbreiten kann. Wenn man einen solchen mit
Schaufeln versehenen rotierenden Teller von oben betrachtet, so bewegt sich das
einzelne Flüsasigkeitsteikhen auf dieser Scheibe nicht radial, sondern in Form einer
Spirale nach außen. Hieraus folgt, daß die angesetzten Schaufeln, von oben gesehen,
ebenfalls die Krümmung dieser Spirale haben.
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Was die Form dieses rotierenden Tellers und seiner Schaufeln in seitlicher
Ansicht betrifft, so ist zweckmäßig ebenfald,s eine Krümmung vorhanden, d. h.
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Teller und Schaufeln sind mit zunehmendem Radius nach oben gekrümmt,
weil verhindert werden soll, daß die Schichtdicke der Flüssigkeitshaut immer weiter
in radialer Richtung abnimmt, wie es bei einer ebenen Scheibe der Fall wäre. Zu
diesem Zweck sind Teller und Schaufeln nach oben gekrümmt. Diese Krümmung läßt sich
für bestimmte Verhältmsse, d. h. für eine bestimmte Zähigkeit der Flüssigkeit und
dine bestimmte Drehzahl der Teller, für die gewünschte Schichtdicke formelmäflig
berechnen. Die Dämpfe streichen über die schräg gestellten Schaufeln und damit über
die auf diesen befindhehe Flüssigkeitsllaut. Durch die Schrägstellung der Schaufeln
hat man es in der Hand, die Strömungsgeschwindigkeit der Dämpfe in rein axialer
Richtung durch die Kolonne zu verändern.
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Bei starker Schrägstellung wird die Axialgeschwindligkeit der Dämpfe
verringert und damit die Berührungszeit mit der Flüssigkeitshaut vergrößert.
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Die Schaufeln sind z. B. so gesetzt, daß in der Ansicht von oben praktisch
kein Spalt zwischen ihnen sichtbar ist. Um den Querschnitt der Kolonne mog lichst
weitgehend für den Stoffaustausch auszunutzen, werden die Schaufeln möglichst lang
gebaut.
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Um zu verhindern, daß hierbei infolge der unterschliedllichen Umfangsgeschwindigkei
t die Dwrchtrittsgeschwindigkeit der Dämpfe am äußeren. Ende der Schaufeln wesentlich
größer als am inneren Ende ist, dies würde eine unterschiedliche Rektifizierwirkung
zur Folge haben, ist die Schrägstellung der Schaufeln nach außen hin zu verkleinern,
wie dies bei Axialgebläsen. üblich ist. Dieser Effekt wilrd im übrigen auch dadurch
erreicht, daß die Schaufelenden zwecks Erreichen einer gleichmäßigen Schichtdicke
der Flüssigkeit nach oben gekrümmt sind.
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Hierdurch werden nämlich die am Rand aufsteigenden Dämpfe etwas nach
innen geleitet und ihre Geschwindigkeit in rein axialer Richtung verringert.
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Für den einzelnen Anwendungsfall müssen die günstigste Form der Schaufeln
und die zweckmäßigste Drehzahl ermittelt werden.
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Die Gedanken der Erfindung sollen an dem in den Abbildungen dargestellten
Ausführungsbelspiel erläutert werden.
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Abb. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch die Kolonne, Abb. 2 der
dazugehörende Grundriß.
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Auf der rotierenden, Welle 1 sind die Verteilerteller 2 befestigt.
Die Verteilerteller 2 tragen die Schaufeln 3.
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Innen am Kolonnen. mantel 4 fließt die von den Schaufeln abgeschleuderte
Flüssigkeit herab und wird in der Sammelrinne 5 aufgefangen und in der Führungsrinne
6 zur Kolonnenmitte zurückgeführt.
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Die Führungsrinne 6 ist, wie im Grundriß ersichtsich, entweder in
radialer Richtung gerade ausgebildet, wenn allein die Schwerkraft zur Rückführung
der Flüssigkeit benutzt wird, oder gekrümmt, wenn die der abgeschleuiderten Flüssigkeit
innewohnende Rotationsenergie zur Rückführung der Flüssigkeit ausgenutzt werden
soll. Die Flüssigkeit wird von den nächsttieferen Vertei Itellern 2 über dessen
Laufschaufeln 3 als zusammenhängende Flüssigkeitshaut ausgebreitet und von den Enden
der Laufschaufeln
wieder an den Kolonnenmantel abgeschleudert. Die
Laufschaufeln 3 sind, wie im Aufriß ers, ichtlich ist, nach oben gekrümmt, um eine
gleichmäßige Dicke der Flüssigkeitshaut zu erzielen. Im Grundriß (Abb. 2) sind die
Laufsehaufeln 3 ebenfalls gekrümmt, um der spiralförmigen Bewegung des einzelnen
Flüssigkeitsteilchens auf dem Teller und den Schaufeln Rechnung zu tragen. Betrachtet
man die Laufschaufeln 3 seitlich vom Kolonnenmantel aus, so ergibt sich das in Abb.
3 dargestellte Bild. Aus diesem ist die Schrägstellung der Schaufeln ersicht-Uch
und der Weg, den die Dämpfe zwischen je zwei Schaufeln nehmen. Bei dem Überstreichen
der mit Flüssigkeit bedeckten Schaufelloberfläche treten die Dämpfe mit der Flüssigkeit
in Stoffaustausch. Will man erreichen, daß die aus einer Schaufel austretenden Dämpfe
stoß frei in die nächste Laufschaufel eintreten, so kann ein Leitraid zwischen je
zwei Schaufeln eingeschaltet werden. Das Leitrad 7 ist mit dem Kolonnenmantel 4
fest verbunden. Die Krümmung der Leitschaufeln ist ebenfalls aus Abb. 3 zu ersehen.
Ist der Stoßverlust nicht nennenswert groß, so kann man unter Umständen auf die
Leiträder 7 verzichten, wodurch an Bauhöhe der Kolonne gespart wird.
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Den Hauptgedanken der Erfindung, den Stoffaustausch nicht in einem
Schleier zerstäubter Flüssigkeitstropfen, sondern auf einem zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm
vorzunehmen und zu diesem Zweck den rotierenden Teller möglichst über den ganzen
Kolonnenquerschnitt auszudehnen, kann man selbstverständlich auch bei einer Kolonne
mit radialer Förderung der Dämpfe verwirklichen. Bei den bisher bekannten Ausführungsformen
von rotierenden Kolonnen, bei denen die Dämpfe zickzackförmig von der Kolonnenmitte
in Richtung auf den Kolonnenmantel unterhalb des rotierenden Tellers und von dem
Kolonnenmantel in Richtung auf die Kolonnenmitte oberhalb des rotierenden Tellers)
strömen, dient der größere Teil des Kolonnenquerschnitts der Ausbreitung eines Schleiers
zerstäubter Flüssigkeitstropfen. Im Gegensatz dazu soll nach dem Gedanken der Erfindung
der Durchmesser der rotierenden Verteilerscheiben so groß sein, daß nur ein verhältnismäßig
kleiner Querschnitt zwischen dem Teller und dem Kolonnenmantel für den senkrechten
Durchtritt der Dämpfe von unten nach oben frei bleibt. Dieser frei bleibende Querschnitt
braucht nicht größer zu sein als der Querschnitt, welcher in der Kolonnenmitte für
die senkrechte Bewegung der Dämpfe vorhanden, ist. Letzter ist der Eintrittsquerschnitt
des laufrades, mit welchem die Dämpfe radial von der Kolonnenmitte nach außen gefördert
werden. Da die ringförmigen Querschnitte am Kolonnenmantel wegen des großen Durchmessers
nur eine geringe Breite zu haben brauchen, um denselben Querschnitt zu erzielen,
kann man den Verteilungsteller ohne weiteres bis in die Nähe des Kolonnenmantels
erstrecken. Man kann den Durchtrittsquerschnitt für die Dämpfe auch dadurch erzielen,
daß man den Verteilteller bis dicht an den Kolonnenmantel heranführt und ihn mit
lochförmigen Durchri ttsöffnungen versieht. Unter Umständen' können diese Schlitze
durch hauptsächlich in axialer Richtung fördernde Gebläseschaufeln gebildet werden,
wie es oben beschrieben wurde, so daß eine Kombination von radialen mit axialen
Laufschaufeln für die Dämpfeförderung zustande kommt.
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PATENTANspnÜcHE: 1. Verfahren zum Betrieb von Kolonnen zu Desti liations-
oder Waschzwecken, insbesondere zur Destillation unter Vakuum, mit rotierenden Verteilltellerrr,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit auf diesen Vertei 1 tellern möglichst
über den ganzen Kolonnenquerschnitt'al's zusammenhängender Flüssigkeitsfilm ausgebreitet
wird.