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Austauschboden für direkt arbeitende C egenstromapparate
Allen direkt
arbeitenden Gegenstromapparaten, wie z.B. Destillier- und Absorptionskolonnen, Wasch-
und Kühl türmen, Extralçtionsliolonnen usw., bei welchen zwei oder mehrere Medien
von verschiedenem spezifischem Gewicht im Gegenstrom zueinander geführt werden,
ist die Aufgabe gemeinsam, die durchgeleiteten Medien zum Zwecke der beabsichtigten,
ein- oder wechselseitigen Beeinflussung auf ihrem Wege durch die Apparatur zu wiederholten
Malen in möglichst innige Berührung miteinander zu bringen.
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Aus diesem Grunde sind die vorerwähnten Apparate meistens mit Einbauten
ausgerustet, welche eine möglichst feine Aufteilung des aufsteigenden, leichteren
Mediums in dem schwereren, herabfließenden Medium erzwingen sollen, um auf diese
Weise, d. h. durch Schaffung einer größtmöglichen Berührungsfläche der beiden Medien,
den Diffusionsvorgang zu erleichtern bzw. zu beschleumgen.
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Darüber hinaus wurde aber bereits erkannt, daß die Intensität der
stattfindenden Dir'fusion keine6-wegs allein von der Größe der durch die Kolonneneinbauten
geschaffenen Berührungsfläche der im Gegenstrom geführten Stoffe, sondern vor allem
von der Geschwind'ißeit abhängt, mit welcher d.ie Grenzschichten dieser Austauschfläche
laufend erneuert werden. Als Folge dieser Erkenntnis sind daher heute schon Kolonneneinbauten
bekannt, welche die kinetische Energie des in der Apparatur aufsteigenden, leichteren
Mediums zur Erzeugung von Strömungszuständen benutzen, um im Sinne der obi\gen Voraussetzungen
die D:iffusionsvorgänge zu intensivieren.
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Dies hat man bei der Mehrzahl der üblichen direkten Gegenstromverfahren,
bei welchen das
spezifisch leichtere Medium aus Gasen oder Dämpfen
bzw. das spezifisch schwerere Medium aus einer Flüssigkeit besteht und bei denen
außerdem die aufsteigenden Gase oder Dämpfe im Vergleich zu der herablaufenden Flüssigkeit
nicht nur spezifisch bedeutend leichter, sondern glei'chzeitig auch im Hinblick
auf ihr Volumen ein Vielfaches des Plüssligkeitsvolumens ausmachen, praktisch dadurch
erreicht, daß die durch die Kolonnenböden in feinverteilter Form hindurchgeführten
Gase bzw. Dämpfe durch entsprechende Ausrichtung der Gasdurchtrittsschlitze in den
auf den Böden befind lichen Flüssigkeitsschichten eine starke Rotation um die Vertikalachse
der Apparatur erzeugen. Von der sich hieraus ergebenden, ständigen Erneuerung -
der Austauschfläche abgesehen, hat dieses Arbeitsprinzip infolge der dabei gleichzeitig
auftretenden Zentrifugalkräfte außerdem den Vorteil einer der intensiven Durchmischung
der Medien automatisch nachfolgenden, ebenso wirksamen Entmischung derselben, indem
die in Gas- bzw.
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Dämpfestrom mitgerissenen Flüssisgkei,tsltröpfchen bei derartigen
Austauschböden wesentlich intensiver und vollständiger abgeschieden werden, als
dies bei den normalen Kolonnenböden, wie z.B.
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Gloclçen- oder Siebböden, der Fall ist. Es ist klar, daß das letztgenannte
Phänomen für den mit der jeweiligen Gegenstromapp ar attir angestrebten Gesamteffekt
von gleicher Bedeutung ist wie die zuvor gchennzeicbneten Forderungen einer intensiven
Durchmischung bzw. Oberflächenerneuerung der zum Austausch zu blringenden Medien,
da andernfalls das Gegenstromprinzip stark beeinträchtigt bzw. überhaupt aufgeho,ben
würde.
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Der Anwendung dieser Erkenntnisse sind nun insofern Grenzen gesetzt,
als die Erzielung des beschriebenen Effektes ein gewisses- Mindestverhältnis der
verfügbaren kinetischen Energie des in der Apparatur aufsteigenden zu der Masse
des im Gegenstrom hierzu abfließenden Mediums voraussetzt, da andernfalls die kinetische
Energie des leichteren Mediums gegenüber der Masse des schwereren Mediums nicht
ausreicht.
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Letzteres trifft vor allem auf Gaswaschverfahren mit geringer Löslichkeit
des aus dem Gase auszuwaschenden Stoffes, wie z. B. C °2 oder C2 H2 in Wasser, sowie
auf alle kontinuierlichen Gegenstromextraktionsverfahren zu, da im ersten Falle
die große Masse der Flüssigkeit, im zweiten Falle die geringe Auftriebslcraft der
spezifisch leichteren Flüssigkeit das Zustandekommen einer wirksamen Rotation der
Medien um die Vertikalachse der Kolonne verhindert, und es folgt daraus, daß auch
die Verwendung der bisher bekannten dynamisch wirksamen Kolonneneinbauten in derartigen
Fällen keine Verbesserung erbringen würde.
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Andererseits geht aber aus den obigen Erläuterungen bezüglich des
Diffu&ionsvorganges klar hervor, daß eine solche Rotation der zum Austausch
zu bringenden Medien gerade in den zuletzt genannten Fällen ganz besondere Vorteile
erbringen müßte, indem damit einmal der Diffus-ionsvorgang, der ja in Flüssigkeiten
bedeutend langsamer verläuft, beschleunigt und außerdem die nach jeder Berührung
der Medien anschließend notwendige, a9zermaii'ge Entmischung erheblich gesteigert
bzw. verbessert würde.
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Es wurde nun gefunden, daß sich die aufgezeigten Vorteile (als Folge.
der Rotation der zum Austausch zu bringenden Medien auf den Kolonnenböden) auch
bei den zuletzt angeführten Verfahren voll erhalten lassen, wenn das vorgenannte
dynamische Arbeitsprinzip der Böden durch Verwendung besonderer Abläufe für das
schwerere Medium auch auf das letztere ausgedehnt und dabei durch entsprechende
Ausgestaltung dieser Abläufe eine periodisch wechselnde Beschleunigung bzw. Verzögerung
seiner Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist darin zu erblicken,
daß auf jedem nächstfolgenden Boden der Austritt des schwereren Mediums - aus den
Ablaufrohren bzw. Ablauftaschen zur Erzielung einer Rotationsströmung, verbunden
mit einem Kavitationseffekt an den Durchtrittsstellen des leichteren Mediums, in
einheitlichem und zur Aus tritts richtung des Leichteren Mediums gleichem Sinne
vorgesehen ist.
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Führt man nämlich das schwerere Medium in derartigen Fällen von Boden
zu Boden über besondere Ablaufrohre bzw. Ablauftaschen von genügend großem Strömungsquerschnitt
und läßt dasselbe auf jedem nächstfolgenden Boden, evtl. unter Zuhilfenahme besonderer
Leitbieche, in einheitlicher Richtung und in gleichem Sinne wie das aus den Durchtrittsstellen
des Bodens austretende leichtere Medium tangential oder angenähert tangential zur
Vertikalachse der Apparatur aus den entsprechend verengten Austrittsöffnungen dieser
Ablaufrohre bzw. Ablauftaschen austreten, so bilden sich auf den einzelnen Böden
zwangläufig Rotationsströmungen aus, da in diesem Falle zu der kinetischen Energie
des aus den Offnungen des Bodens austretenden, spezifisch leichteren Mediums auch
noch die in Bewegungsenergie umgesetzte Lagenenergie bzw. statische Höhe der Masse
des schwereren Mediums hinzuZçommt.
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Dabei ist die Bodenfläche slelstorenförmig unterteilt und gleichzeitig
der Zu- und Abfluß des schwereren Mediums derartig angeordnet bzw. ausgerichtet,
daß die Strömungswege beider Medien durch eine mit diesen Böden ausgerüstete Apparatur
ein- oder mehrgängigen Schraubenlinien entsprechen. Die Bodenfläche kann auch in
drei konzentrisch ineiinanderliegenden Zonen von kreis-oder polygonförmiger Gestalt
unterteilt sein, wobei der mittlere, ring- bzw. polygonförmige Flächenstreifen als
Austauschzone mit entsprechend tangential angeordneten Durchtrittsstellen für das
spezifisch leichtere Medium ausgebildet ist, während der Zu- bzw. Ablauf des schwereren
Mediums abwechselnd an der äußeren bzw. inneren Begrenzung der Austauschzone bzw.
umgekehrt erfolgt. Im Sinne des Erfindungsgedankens erfolgt der Austritt des schwereren
Mediums aus den konzentrisch außerhalb bzw. innerhalb der Aus-
tauschzone
angeordneten Ablaufrohren bzw. Ablauftascben zur Erzielung einer Rotationsströmung
und des bei dieser Anordunngsweise damit verbundenen Zenfrifugaleffektes über entsprechend
ausgerichtete Leitschaufeln bzw. Leitschaufelkränze.
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Die geschilderten Zusammenhänge erhellen aus den Figuren der Zeichnungen,
die ism einzelnen folgendes veransehaulichen: Fig. I den prinzipiellen Aufbau der
erfindungsgemäß zu gestaltenden Austauschböden, Fig. 2 den Grundriß eines sektorenmäßig
aufgeteilten Austauschbodens, Fig. 3 dessen seitliche Abwicklung, Fig. 4 den Grundriß
einer anderen Bauweise eines sektorenförmig aufgeteilten Austauschbodens, Fig. 5
den dazugehörigen Vertikalschnitt, Fig. 6 die Drau,fsicht auf einen kreisförmig
gestalteten Austauschboden.
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Gemäß Fig. I ist die Verwirklichung der geforderten Aufeinanderfolge
von beschleunigter bzw. verzögerter Strömung des schwereren Mediums (mit vollen
Pfeilen gezeichnet) itn Zusammenwirken mit dem leichteren Medium (gestrichelt gezeichnete
Pfeile) im Prinzip dargestellt.
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In der Ablauftasche, welche seitlich durch die Schotten d und durch
die Bodenfläche a begrenzt ist, wird das schwerere Medium infolge der Querschnittsverengung
des über der Bodenfläche einseitig angeordneten Auslaufs k gestaut und damit die
Ausgasung bzw. Entmischung des aus der vorhergehenden Austauschzone noch mitgeführten,
leichteren Mediums, wie in der Zeichnung angedeutet, gewährleistet. Gleichzeitig
wird durch den verengten Strömungsquerschnitt erreicht, daß das schwerere Medium
mit großer Geschwindigkeit aus dieser Drosselstelle austritt und daher anschließend
an den DurchtrittsstelLen für das leichtere Medium, die im gleichen Strömungssinne
ausgerichtet sind, eine Sogwirkung erzeugt, durch welche der Widerstand, den das
leichtere Medium beim Durchtritt durch die Bodenöffnungen zu überwinden hat, ganz
erheblich verringert wird. Aus dem in Fig. I angedeuteten Strömungsverlauf ist die
auf diese Weise erreichte intensive Durchmischung der beiden Medien innerhalb dieser
Zone deutlich zu ersehen.
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Zur Begünstigung der im Anschluß hieran erforderlichen neuerlichen
Entmischung ist die Berührungszone b, wie aus Fig. I zu erkennen, an ihrem hinteren
Ende zweckmäßigerweise durch ein Überlaufwehr begrenzt, welches durch die etwas
nach oben verlängerte, nachfolgende Schotte d gebildet wird und als Prallblech dient.
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Die neben den oben beschriebenen Effekten glei chzeitfg zustande
kommende Rotation der Medien auf den Böden geht aus Fig. 2 hervor, welche als Ausführungsbeispiel
einen in sechs Sektoren aufgeteilten Kolonnenboden darstellt, wobei jeweils zwei
gegenüberliegende Sektoren abwechselnd als Bodenflächea der Ablauftaschen, die nächstfolgenden
als Austauschzonen b mit entsprechender Ausrichtung der Durchtrittsstellen für das
leichtere Medium ausgebildet sind, während das letzte Sektorenpaar c frei bleibt
und den Abfluß für das schwerere Medium bildet.
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Der Abfluß des schwereren Mediums von Boden zu Boden in einheitlichem
Sinne wird, wie aus Fig. 3, welche den Boden nach Fig. 2 in seitlicher Abwicklung
zeigt, erkenntlich, durch radial angeordnete Schotten d erreicht, welche die Austauschzonen
eines Bodens mit den Bodenflächena der Ablauftaschen auf dem nächstfolgenden Boden
verbinden, wodurch die Strömungswege für beide Medien eindeutig festgelegt sind.
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Gleichzeitig ist aus Fig. 3 auch der ständige Wechsel von Beschleunigung
und Verzögerung der Strömungsgeschwindiglçeit des schwereren Mediums bzw. die damit
verfolgte Absicht mit großer Deutlichkeit zu ersehen. Man erkennt vor allem auch
aus Fig. 3, daß die Beeinflussung der Strömungsgeschwindiglçeit bei dieser Anordnungsweise
auf einfachem Wege durch Verlängerung der radial angeordneten Schotten d über die
Bodenflächen a nach unten hinaus erreicht werden kann, da auf diese Weise zwischen
ihrer Unterkante und dem nächsttiefen Boden ein Schütz entsteht. Schließlich ist
aus Fig. 3 auch der Weg des spezifisch leichteren Mediums von Boden zu Boden zu
ersehen. Der Weg der beiden Medien entspricht also bei der vorbeschriebenen Anordnung
im Prinzip einer doppel- oder evtl. auch mehrgängigen Schraubenlinie, und es ist
selbstverständlich, daß auf diese Weise, d. h. durch Fortfall der normalerweise
üblichen, ständigen Richtungsänderungen der strömenden Medien von Boden zu Boden,
deren Durchsatzmenge zusätzlich zu den beschriebenen Strömungseffekten erheblich
gesteigert werden kann.
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Eine Abwandlung in der Verwirklichung der aufgezeigten Erkenntnisse
zeigt die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Bauweise eines Austauschbodens.
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Auch in diesem Falle ist der Boden selbst in mehrere Sektoren, z.B.
sechs, aufgeteilt, und die Strömungsrichtung der beiden Medien auf den Böden ist
auch hierbei gleichsinnig.
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Darüber hinaus strömt aber das schwerere Medium nunmehr nicht nur
schraubenförmig von oben nach unten, sondern gleiebzeitig in radialer Richtung abwechselnd
von innen nach außen und umgekehrt über die Böden, die bei dieser Anordnung nicht
sektorenartig, sondern, entsprechend der als Beispiel gewählten Aufteilung, sechseckig
ausgebildet sind, wobei die eigentliche Austauschzone b, deren in beschriebener
Weise ausgebildete Durchlaßöffnungen für das leichtere Medium einheitlich in tangentialem
Sinne ausgerichtet sind, abwechselnd außen und innen an die Bodenflächen al und
2 der vom darüberliegenden Boden herabgeführten Ablauftaschen bzw. an die mit gleicher
Eckzahl abwechselnd außen und innen ringsum geführten Schotten dl und d2 angrenzen.
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Die Ablauftaschen werden bei dieser Ausführungsart also einmal durch
den Hohlraum gebildet, der sich zwischen dem Kolonnenmantel und den Schotten dl
befindet, im anderen Falle durch den zentralen sechseckigen Holraum, der durch die
inneren Schotten d2 umgrenzt wird. Auf diese
Weise wird erreicht,
daß die zwischen dem äußeren und dem inneren Schottenkranz liegende Austauschzone
b abwechselnd von innen und von außen von dem schwereren Medium überströmt wird.
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Die gewünschte Rotationsbewegung wird bei dieser Anordnungsweise
dadurch erzielt, daß die vorerwähnten Schottenkränze dj und d2, welche das Umgehen
der Austauschzonen b durch das aufsteigende, spezifisch leichtere Medium verhindern,
an ihrem unteren Ende mit Leitschaufeln e ausgerüstet sind, welche bis zum nächsttieferen
Boden reichen und im dem hindurchtretenden schwereren Medium einen den Durchtrittsöffnungen
des leichteren Mediums gleichgerichteten Drall erzeugen.
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Die besonderen Vorteile dieser letzteren Ausführungsart des Bodens
liegen vor allem darin, daß einmal der Strömungsweg des schwereren Mediums über
die Austauschzone an allen Stellen gleichmäßig lang ist. Außerdem b,leiblt bei dieser
Anordnungsweise das Verhältnis zwischen dem Ko lonnenquerschnitt und der Länge der
durch die Unterkante der Schotten d1 und d2 mit dem darunterliegenden Boden gebildeten
Schütze unverändert, während dieselbe stich bei der ersteren Ausführungsart mit
steigendem Kolonnendurchr messer zuungunsten der Schützlänge verschiebt, wodurch
ein wachsender Bodenabstand bedingt ist, um den Abfluß des schwereren Mediums zu
gewährleisten.
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Hiervon abgesehen, bietet aber diese Anordnungsweise außerdem den
besonderen verfahrensteohnischein Vorteil, daß in dem zentralen Anlaufteil eines
jeden zweiten Bodens der angestrebte Entmilschungsvorgang durch die nach dem Dralisatz
in diesem Falle, d. h. bei der Wanderung des schwereren Mediums von außen nach innen
stark zunehtnendeWinkelgeschindiE,e,ilt bzw. die dadurch ausgelöste Zentri fugalwirkung
außerordentlich stark begünstigt wird.
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Selbstverständlich kann für die zuletzt beschriebene Ausführungsart
des Bodens auch jede andere Aufteilung bzw. Ausbildung der Austauschzone vom Quadrat
bis zum Kreise gewählt werden, wie letztere Ausführung in Fig. 6 dargestellt ist.