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Rektifizierapparat mit übereinander angeordneten Böden
Die Erfindung
bezieht sich insbesondere auf Rektifizierapparate mit Böden, aber auch allgemein
auf Apparate, in denen zu verfahrenstechnischen Zwecken eine Flüssigkeit von Gas
oder Gasen durchströmt wird.
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Bei solchen Rektifizierapparaten od. dgl. kennt man sowohl Siebböden
wie auch Glockenböden; die Flüssigkeit wird hierbei jeweils horizontal über die
etagenartig übereinander angeordneten Böden im Kreuzstrom zu einem von unten durch
die Böden aufsteigenden Gas geführt; bei diesem Vorgang findet ein Stoffaustausch
statt; die Flüssigkeit gelangt von Boden zu Boden in einem Durchlauf oder Ablauf
von oben nach unten. Die Böden sind hierbei übereinander in vertikalen Abständen
angeordnet, und die Flüssigkeit gelangt jeweils über einen überlauf von einem Boden
zu dem nächst unteren Boden; auf den verschiedenen Böden sind die Uberläufe bzw.
Abläufe und somit auch die Zuläufe meistens winkelversetzt angeordnet.
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Im Laufe der Zeit hat man für solche Apparate und für dieses Verfahren
etliche Verbesserungsvorschläge gemacht, die zum Teil auch Eingang in die Praxis
gefunden haben. Solche Verbesserungen bezogen sich zunächst auf die Flüssigkeitsführung
auf den Böden; man hat beispielsweise Ringböden eingeführt, Rinnen auf den Böden
angebracht und ebene Leitflächen verwandt (Patentschrift 705 047).
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Eine andere Gruppe von bekannten Verbesserungen bezieht sich auf die
Ausbildung der Glocken und beispielsweise auf eine Kombination von Leitflächen mit
Glocken (Patentschrift 705 047).
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Schließlich sind auch für Abläufe der Flüssigkeit Vorschläge einer
trichterähnlichen Ausführung bekanntgeworden (Patentschrift 655 ob7). Ferner hat
man zwischen je zwei benachbarten Böden auch Filterzonen eingeführt.
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Man bat bereits erkannt, daß die Flüssigkeitsführung auf einem Boden
ein kritisches Problem ist, da nämlich die Flüssigkeitsmenge und die Gas-
menge
in einem für den Stoffaustausch geeigneten Verhältnis stehen müssen, ferner daß
stagnierende oder vagabundierende Flüssigkeitsströme ungünstig sind. Ferner weiß
man, daß Niveauunterschiede des Flüssigkeitsstandes nach Möglichkeit klein gehalten
werden sollen, daß außerdem bei Ringböden unvorteilhafterweise innen größere Geschwindigkeiten
als außen auftreten, wobei noch zusätzlich der Nachteil gegeben ist, daß der Innenweg
kürzer als der äußere Weg ist entsprechend dem Radiusverhältnis und daß, weil innen
weniger Gasdurchtrittsstellen in dem Boden als außen vorhanden sind, der Stoffaustausch
in der inneren Region schwächer ist als in der äußeren Region eines solchen Ringbodens.
Außerdem weiß man bereits, daß das von unten die Flüssigkeit durohschreitende Gas
bei diesem Vorgang gewisse Flüssigkeitsmengen treibstrahlartig mit hochreißt, wobei
die mitgerissene Flüssigkeit zum Teil wieder zurückfällt, und daß infolgedessen
auf einem flüssigkeitsbedeckten Boden während des Betriebes ein stark brodelnder
Zustand herrscht, in dem unkontrollierte Nebenströmungen meist schädlichen Charakters
existieren. Man kennt auch die Forderung, daß während des Flüssigkeitsablaufes im
Betrieb stets ein gewisser Höhenstand der Flüssigkeit auf einem Boden bestehenbleiben
muß, da ein solcher Niveaustand gleichzeitig als Sicherheitsabschluß dient und somit
dem Gas tatsächlich den alleinigen Weg durch die gelochten oder siebartigen-Böden
und durch die Flüssigkeit aufzwingt.
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Diese Darlegungen zeigen bereits, daß der Bau einer im Betrieb voll
befriedigenden Rektifizierkolonne kein einfach zu lösendes Probletn ist, das mindestens
bislang sich genauer rechnerischer Erfassung entzieht und Ideshalb in der Praxis
immer wieder unangenehme Überraschungen insbesondere bei größer werdenden Projekten
bringt. Daraus erklärt sich, daß ein wirklich zufriedenstellend arbeitender Rektifizierapparat
mit Böden noch nicht mit einem tragbaren, also geringen Aufwand gebaut worden ist.
Die tieferen Gründe dieser Mängel liegen offensichtlich darin, daß die Betrachtung
des gesamten Problems zugunsten der Betrachtung jeweils einer Teilaufgabe in den
Hintergrund trat bzw. verlorenging und daß man sich dem Gesamtproblem überhaupt
noch nicht mit genügender Klarheit, Einsicht und Übersicht widmete. Ein weiterer
Grund dafür, daß auch beim neuesten Stand der Technik die geschilderten Mängel in
mehr oder minder starkem Umfang feststellbar sind, liegt erstaunlicherweise darin,
daß bestimmte Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem Gebiet der reinen und auch der
angewandten Strömungsphysik auf dem Gebiet der Erfindung nicht angewandt, und zwar
offensichtlich in ihrer Bedeutung für Rektifizierkolonnen überhaupt nicht erkannt
worden sind. Soweit nämlich strömungsphysikalische Mittel verwandt wurden, sind
dennoch, offenbar infolge ungeeigneter oder sogar unrichtiger Anwendung an sich
richtiger Mittel oder infolge der Anwendung von inihren strömungsphysikalischen,Wirkungenbereits
an sich ungeeigneten Mitteln, beträchtliche Nachteile verblieben. Diese Tatsache
wird besonders klar und anschaulich, wenn man die Verwendung von Leitflächen und
die Ausbildung der Abläufe, wie sie der Stand der Technik darbietet, strömungsphysikalisch
kritisch betrachtet.
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Bei Anwendung von Leitflächen hat man das Widerstandsprinzip mit
Grobregelung angewandt; man erreichte hierbei mittels großer Quersohnittsänderung
zwar letzten Endes einigermaßen eine gewünschte Geschwindigkeitsverteilung, hat
dabei aber entweder übersehen oder in Kauf genommen, daß örtlich relativ große sogenannte
Totwassergebiete, und zwar solche mit Rückströmungen, verbleiben, ferner daß an
den Umlenkungsecken bzw. im engsten Querschnitt starke Druckabsenkungen mit starker
örtlicher Niveauabsenkung der Flüssigkeit auftreten, besonders bei quer oder schräg
unter größerem Anstellwinkel von der Flüssigkeit angeströmten Platten. Hierbei treten
auch lokale aber geschwindigkeiten auf; der Niveauunterschied vom Anfang (Zulauf)
bis zum Ende (Ablauf) des Ringbodens ist dabei beträchtlich. Die schädliche Ein
wirkung dieser Mängel auf die Gleichmäßigkeit des Stoffaustausches liegt auf der
Stand. Man hat also hier Leitflächen (ein an sich geeignetes Mittel) in unzweckmäßiger
Ausführungsform und außerdem nach einem unrichtigen Prinzip, nämlich nach dem Widerstandsprinzip
mit Grobregelung anstatt nach dem Widerstandsprinz.ip mit Feinregelung oder nach
dem Stromlinienprinzip, angewandt.
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Bei den Abläufen hat man sich zwar, aber ohne rechten Erfolg, um
gute Strömungsführung bemüht; man hat dabei wiederum entweder übersehen oder in
Kauf genommen, daß bi bei denAusführungen, die der Stand der Technik darbietet,
der Flüssigkeitsstrahl bestenfalls nur einerseits gut geführt sein kann, und zwar
an der Wandung, daß der Flüssigkeitsstrahl aber nach der Flüssigkeitsseite Wirbel
anfachen muß und außerdem als schräge von außen nach innen steiler wendende Fontäne
aus dem Ablauf herausschießt, was die Bedingungen für den Flüssigkeitseinlauf zum
nächsten Boden äußerst ungünstig gestaltet. Diese bereits schlechten Einlaufbedingungen
werden noch weiter beeinträchtigt durch sehr ungleichmäßige Überlaufgeschwin,digkeiten,
die fast stets zu beob achten sind'.
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Noch komplizierter werden die Verhältnisse dadurch, daß etagenartig
viele Böden hintereinandergeschaltet sind und daß dadurch im Verein mit den vielen
anderen kaum mehr jeweils in der Einzelwirkung rein zu erfassenden nachteiligen
Effekten der Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit und Gas in erhebliche Unordnung
gerät, jedenfalls aber gegenüber optimalen und sogar gegenüber den nicht einmal
besonders hochgeschraubten, der Berechnung zugrunde gelegten Werten abfällt.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, die Gesamtverhältnisse in
einer Rektifizierkolonne strömungsmäßiyC zu verbessern; die Erkenntnis gemäß der
Erfindung, gewonnen aus einer Gesamtschau der Verhältnisse, ist aber die, daß eine
Gesamtverbesserung nur dann möglich und sinnvoll ist,
wenn primär
die Strömungsverhältnisse auf jedem einzelnen Boden in Ordnung gebracht werden und
wenn dann auch die Strömungsbedingungen kurz vor, in bzw. kurz nach den Abläufen
bzw. Zuläufen verbessert werden. Grundsätzlich muß dabei darauf abgezielt werden,
daß die lokale Stärke des Stoffaustausches nicht allzusehr vom Mittelwert differiert
und möglichst einigermaßen gleichmäßig ist.
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Als Mittel gemäß der Erfindung zur Lösung der Probleme demäß der
Erfindung werden strömungsregelnde bzw. strömungsbeeinfiussende Mittel verwandt,
die nach dem Widerstandsprinzip und'oder nach dem Stromlinienprinzip wirken; die
Erfindung fordert die Anordnung solcher Mittel und außerdem die Gestaltung solcher
Mittel in der Weise, daß grobturbulente Strömung weitgehend vermieden wird; gerade
diese Maßnahme ist eine Abkehr vom Bekannten und ein wesentlicher Unterschied gegenüber
dem Stand der Technik.
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Im Sinn der Erfindung günstig nach dem Widerstandsprinzip wirkende
Mittel sind Siebe, Streifengitter oder äquivalente Einbauten bzw. Anordnungen; besonders
wirkungsvoll sind solche Mittel in Hintereinanderschaltung und gegebenenfalls in
versetzter Anordnung; beispielsweise ordnet man gemäß der Erfindung auf Böden, etwa
auf Ringsiebböden, von innen nach außen, beispielsweise radial, solche Mittel an,
und zwar vorzugsweise mit von innen nach außen schwächer werdender Drosselwirkung
(beispielsweise im Innenbereich versetzte Hintereinanderschaltung mehrerer Mittel
und im Auflenbereich nicht versetzte Hintereinanderschaltung bzw. einfache Anordnung
solcher Mittel), gegebenenfalls unter Freilassung der äußeren oder äußersten Siebbodenzone;
ferner schlägt die Erfindung mehrfache Anordnung solcher Gitterwiderstände od. dgl.
etwa in einer Winkelfolge von 45, 6o, goO u. dgl. vor, wobei aber auch diese radialen
oder nicht radialen Anordnungen mit unterschiedlichen Winkel abständen aufeinanderfolgen
können.
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Nach dem Stromlinienprinzip wirkende und im Sinn der Erfindung als
günstig anzusprechende Mittel oder Einbauten sind vorzugsweise vorsegelartig gestaffelte
Leitflächen, die zum Zweck der auf gleichmäßigen Stoffaustausch abzielenden Umlagee
rung des Geschwindigkeitsprofils der strömenden Flüssigkeit besonders bei Siebböden,
nicht nur bei Ringböden, sehr vorteilhaft verwendbar sind, und zwar unter Erweiterung
ihrer strömungsphysikalisch üblichen Verwendung auch dann, wenn weder Ablösungen
an oder neben Wänden zu beheben sind noch wenn gestört Zulaufströmungen in ungestörte
Strömungen umzuwandeln sind. Auch solche Mittel geben einen besonders günstigen
Effekt in mehrfacher Hintereinanderschaltung; man ordnet beispielsweise bei Ringsiebböden
etwa zwei bis vier Sätze vorsegelartig gestaffelter Leitflächen derart an, daß die
letzte innere Leitfläche eines Satzes am weitesten stromabwärts und zugleich am
nächsten zur Innenwand liegt.
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Diese beiden Kategorien von strömungsbeeinflussenden Mitteln, also
solche nach dem Widerstandsprinzip und solche nach dem Stromlinienprinzip, lassen
bei Beachtung an sich durchaus bekannter strömungsphysikalischer Regeln und Erfahrungen
bei Böden, z. B. bei Ringsiebböden, ohne Schwierigkeiten die erwünschte Strömungsart
bzw. Strömungsverteilung erreichen, z. B. eine Strömung der Flüssigkeit auf dem
Ringboden mit einer im Mittel konstanten Winkelgeschwindigkeit bei relativ sehr
geringen Strömungsstörungen lokaler Natur, also unter der erfindungsgemäß geforderten
Ausschaltung von Grobturbulenz und bei Erfüllung der Forderung einigermaßen gleichmäßigen
Stoffaustausches.
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Die Kombination von Mitteln nach dem Wilderstandsprinzip mit Mitteln
nach dem Stromlinienprinzip kann erfindungsgemäß ebenfalls verwandt werden, wobei
der Forderung nach Ausschaltung der Grobturbulenz und nach Erzielung vorbestimmbarer
und erwünschter Geschwindigkeitsverteilung (im Hinblick auf möglichst gleichmäßigen
Stoffaustausch) in praktisch gut ausreichendem Maße genügt wird. Solche Kombinationen
können sowohl in örtlicher Kombination bzw. Koordination wie auch in Hintereinanderschaltung
verwirklicht werden, wobei die Hintereinanderschaltung vorzugsweise im Gebiet des
Ablaufs in Frage kommt.
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Die Mittel aller genannten und äquivalenten Arten kann man gemäß
der Erfindung einzeln und gegeneinander einstellbar und/oder verstellbar gestalten
und anordnen. Die Höhe der Mittel soll kleiner als der Abstand zweier benachbarter
Böden, aber vorzugsweise größer als der auf dem betreffenden Boden vorgesehene Flüssigkeitsstand
sein.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen Abb. 1 bis 3 Ringböden in Draufsicht, Abb. 4 einen anderen Boden in Draufsicht,
Abb. 5 einen senkrechten Schnitt durch mehrere Böden in der Ablauf- und Einlaufzone,
etwa ein Schnitt V-V nach Abb. 3.
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Der Ringboden 1 gemäß Abb. 1 besitzt in bekannter Weise eine zylindrische
Innenwand 2, um die der Flüssigkeitsstrom 3 umläuft. Gemäß der Erfindung sind, in
diesem Fall radial, beispielsweise drei Gitter 4, 5, 6 hintereinander angeordnet,
und zwar mit von innen nach außen abnehmender Drosselwirkung. Diese Drosselwirkung
kann dadurch erzeugt sein, daß die Gitter 5 und 6 radial kürzere Länge besitzen
als das Gitter 4. Es kann auch die gegenseitige Versetzung der Gitteröffnungen der
Gitter 4, 5, 6 so gewählt sein, daß im Innenbereich die Drosselwirkung stärker ist.
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Solche Anordnungen 4, 5, 6 sind im Beispiel der Abb. 1 vierfach gewählt,
und zwar in Aufeinanderfolge mit jeweils einem Zwischenwinkel von go°.
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Der Ablauf 7 ist angedeutet. Der Boden 1 kann ein Siebringboden oder
ein Glockenringboden sein.
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Gemäß Abb. 2 sind auf dem Boden 1 drei Sätze 8, 9, 10 vorsegelartig
gestaffelter Leitflächen angeordnet, und zwar so, daß bei Strömung 3 jeweils die
äußerste Teilfläche ii eines Satzes 8, 9, 10 am weitesten stromaufwärts und am nächsten
zur Außenwand liegt, während die jeweils innerste
Teilfläche am
weitesten stromabwärts und am nächsten zur Innenwand 2 liegt. Auch diese Anordnungen
8, 9, in können in gleichen oder verschiedenen Winkeln aufeinanderfolgen. Auch hier
kann es sich um Sieb- oder Glockenringböden handeln.
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Bei Abb. 3 trägt der Ringboden I kombinierte Mittel. Je einem Satz
12 vorsegelartig gestaffelter Leitflächen sind etwa zwei Drosselgitter I3, 14 vorgeschaltet,
die sich in ihrer Ausgestaltung der allgemeinen Krümmung des Leitfiächensatzes 12
anpassen. Ein weiterer winkelversetzter Leitflächensatz 15 kann mit oder ohneDrosselgitter
vorgesehen sein. Vor dem Ablauf 7 sind Drosselgitter I6, I7 angeordnet, während
hinter dem Zulauf ein oder -mehrere Drosselgitter I8 angeordnet sein können.
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Gemäß Abb. 4 handelt es sich um einen Kreisboden 19 mit Zulauf 20
und Ablauf 21. Zur gleichmäßigen Ausbreitung und Verteilung der Strömung 22 können
Leitflächensätze 23, 24, und zwar beispielsweise in spiegelbildlicher Anordnung-zu
einem zur Strömung vorzugsweise konkaven vollwandigen oder gitterförmig durchbrochenen
Leitblech 25, angeordnet sein.
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Gemäß Abb. 5 sind drei Böden I übereinander angeordnet (in an sich
bekannter Weise sind Schottwände 26 vorgesehen), und zwar winkelversetzt in den
verschiedenen Etagen. Der Ablauf wird gebildet aus einem Überlaufblech 27 und dem
dann folgenden Ablaufraum 28. Vor dem Überlaufblech 27 sind Drosselgitter od. dgl.
29, 30 (sie entsprechen etwa in Abb. 3 den Drosselgittern I6, I7) fest oder verstellbar
angeordnet, ferner sind im Ablauf ein oder mehrere unter Umständen ebenfalls gegeneinander
versetzte Drosselgitter 3I, 32, 33 vorgesehen. Die Wände 34, 35 des Ablaufs 28 bilden
den Einlauf für die nächste Etage, also zum nächsten Boden 1. Zweckmäßigerweise
wird gemäß der Erfindung hinter dem Einlaufkanal 34, 35 ebenfalls ein strömungsregelndes
Mittel vorgesehen, das hier aus mehreren kreissegmentförmiggestaltetenDrosselgittern
36, 37, 38, 39, 40, 4I besteht und durch entsprechende Ausbildung oder Versetzung
oben stärkere und gegebenenfalls auch, radial betrachtet etwa nach Abb. 3, innen
stärkere Drosselwirkung besitzt als seitlich bzw. unten. Die Drosselgitter 36, 37,
38, 39, 40, 4I der Abb. 5 entsprechen etwa den Drosselgittern I8 der Abb. 3.