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Füllkörpersäule
Die Erfindung bezieht sich auf eine Füllkörpersäule,
z. B. auf eine mit Füllkörpern gefüllte Rektifizierkolonne, verhältnismäßig großen
Querschnitts die in parallel geschaltete Einzelkolonnen unterteilt ist.
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Es ist bekannt, daß auch bei gleichmäßiger Aufgabe der Rücklaufflüssigkeit
auf den Kopf von Füllkörperkolonnen und bei Vermeidung der Verarmung ihres Zentrums
an Flüssigkeit durch besondere Schüttung der Austausch zwischen Gasen bzw. Dämpfen
und Flüssigkeit nicht in dem zu erwartenden Maße gleichförmig erfolgt, daß vielmehr
ihr Trenneffekt, ausgedrückt in theoretischen Böden je m Kolonnenhöhe, mit zunehmendem
Kolonnendurchmesser bei gleicher Kolonnenhöhe abnimmt.
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Diese Abnahme des Trenneffektes bei zunehmendem Durchmesser bei sonst
gleichem Betrieb und gleichen Bedingungen zeigen die in Fig. I dargestellten Ergebnisse
von Versuchen mit Kolonnenquerschnitten von 50 bis 2000 mm Durchmesser, wobei der
Trenneffekt von Füllkörpersäulen über 600 mm Durchmesser unter denjenigen der üblichen
Glockenbödenkolonnen absinkt.
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Der Austausch zwischen Flüssigkeit und Dämpfen ist theoretisch proportional
der in der Kolonne mit Hilfe der Füllkörper geschaffenen Phasengrenzfläche. Praktisch
ist diese Phasengrenzfläche nun keineswegs identisch mit der Gesamtoberfläche der
eingebauten Füllkörper, und zwar selbst nicht bei praktisch idealer Gleichmäßigkeit
der Berieselung und Beachtung der Schüttregeln für gleichmäßige Verteilung, da sich,
wie nach den Versuchen zwingend angenommen werden muß, zwischen den Füllkörpern
von den
Dämpfen bevorzugte Kamine ausbilden, die neben den bevorzugten
Flüssigkeitskanälen verhindern, daß die gesamte eingebaute Füllkörperoberfläche
als Phasengrenzfläche zur Wirkung kommt.
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Es wurde nun beobachtet, daß die Entstehung solcher Dämpfekamine
innerhalb der Füllkörperpackung und im übrigen von bevorzugten Flüssigkeitskanälen
um so ausgeprägter ist, je größer der Kolonnendurchmesser ist. Diese Erscheinung
hängt außerdem noch ab von der Flüssigkeitsmenge, da die Entstehung solcher Kanäle
und Kamine um so eher eintritt, je geringer die Flüssigkeitsmenge, bezogen auf den
Kolonnenquerschnitt, ist und im übrigen auch je geringer die Dichte der Dämpfe,
je gröber die Körnung der Füllkörper, je geringer der Druckverlust in der Kolonne
und je höher die Kolonne ist, wobei die Bedeutung des Kolonnendurchmessers die der
anderen Faktoren weit übersteigt.
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Nach den der Erfindung zugrunde liegenden Beobachtungen bewirken
die Wände einer Kolonne offenbar eine mehr oder weniger zwangläufige Führung sowohl
der herabrieselnden Flüssigkeit als auch der aufsteigenden Dämpfe, wobei sich diese
Wirkung mit wachsendem Abstand der Wandung vom Zentrum progressiv verringert.
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Diese Erscheinung gibt eine Erklärung für die Tatsache, daß, wie
auf Grund der Versuchsergebnisse Fig. I, KurveI, gefunden wurde (bei praktisch gleichmäßiger
Verteilung der Flüssigkeit am oberen Teil der Kolonne und Vermeidung einer bevorzugten
Ablenkung in der Kolonne), der Austausch in Füllkörperkolonnen ebenso wirkungsvoll
ist wie in Glockenbodenkolonnen gleicher Höhe, wenn der Kolonnendurchmesser in einer
Größenordnung von unterhalb etwa 600mm und in den Teilkolonnen gleichgehalten wird,
ja jene erheblich übertrifft, wenn der Durchmesser noch kleiner gewählt wird. Sei
es, daß bei solchen kleineren Durchmessern die zwangläufig führende Wirkung der
Wandung mehr zur Geltung kommt, sei es, daß hierbei infolge geringerer Druckdifferenzen
quer zur Kolonnenachse die Bildung von Dämpfekaminen in geringerem Ausmaß eintritt,
sei es, daß beide Faktoren zusammenwirken, jedenfalls nimmt, wie gefunden wurde,
die Austauschwirkung von Füllkörperkolonnen mit abnehmendem Durchmesser nach einer
logarithmischen Kurve zu.
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Aus diesem Grunde wurde schon vorgeschlagen (USA.-Patentschrift 2
037 3I6), für größere Leistungen ein Bündel von Kolonnen kleineren Durchmessers
in einen Apparat zusammenzufassen und durch komplizierte Vorrichtungen sowohl die
Dämpfemengen als auch die - Rückflußmengen auf jede Einzelkolonne möglichst gleichmäßig
zu verteilen, wobei für jede Einzelkolonne ein Einzeldephlegmator erforderlich wird
und der gesamte Kolonnenapparat einen wesentlich größeren Durchmesser erhält als
eine nicht unterteilte Kolonne, da zwischen den Einzelkolonnen erheblicher toter
Raum verbleibt. Ein solches Kolonnenbündel hat also den Nachteil komplizierter Bauart,
erheblichen Werkstoffaufwandes und zahlreicher Dichtflächen; ferner ist es sehr
problematisch, ob die thermische Verteilung der Rücklaufmengen durch Einzeldephlegmatoren
auf die Einzelkolonnen tatsächlich gleichmäßig erfolgt; jedenfalls hängt diese von
Zufälligkeiten in der Kühlwasserführung und Kühlwassertemperatur ab.
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Es wurde nun gefunden, daß man in einfachster Weise eine Kolonne
großen Querschnitts durch Längswände unterteilen kann, so daß Teilkolonnen gleichen
und verhältnismäßig kleinen Querschnitts geschaffen werden, die einen Querschnitt
erhalten der einem Durchmesser unterhalb 600 mm äquivalent ist; dadurch erhält die
Gesamtkolonne keinen größeren Durchmesser als eine nicht unterteilte Kolonne, und
man benötigt dazu nur ausschließlich den Werkstoffaufwand für die Trennwände.
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Auf diese Weise wird, da der Führungseffekt der Kolonnenwände in
allen Teilkolonnen gleich wirksam ist, eine Verbesserung gemäß den in Fig. I wiedergegebenen
Versuchen erzielt, d. h., so gebaute Füllkörpersäulen werden mit zunehmendem Gesamtdurchmesser
erst über 2000 mm schlechter als Glockenbödenkolonnen gleichen Durchmessers. Dies
ergibt sich durch Vergleich der Kurven 1 und II der Fig. I.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Unterteilung einerseits
durch eine eine zentrale Kolonne kleinen Querschnitts schaffende Ringtrennwand und
andererseits durch innerhalb des Ringes angebrachte radiale Trennwände geschaffen,
die Teilkolonnen von dem Querschnitt der zentralen Kolonne bilden.
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Wird z. B. eine Kolonne von einem Gesamtdurchmesser von D mm durch
eine zentrale Längsringwand von mm Durchmesser und durch radiale Längswände im Ringraum
in sechs gleichmäßigen Kolonnenabteilungen unterteilt, so entstehen sieben Teilkolonnen,
deren Querschnitt gleich ein Siebentel des Gesamtquerschnitts der Gesamtkolonne
ist. Beträgt z. B. der Durchmesser dieser Kolonne I500 mm, so wird auf diese Weise
ihr Gesamtquerschnitt von 1,767 m2 in sieben Einzeiquerschnitten von je o,252m2
entsprechend einem äquivalenten Durchmesser von 567 mm aufgeteilt. Man könnte die
Kolonne auch in 9,I3 oder mehr gleiche Teilkolonnen auflösen. Je größer die Zahl
der Teilkolonnen, desto weitreichender nähert sich ihr Querschnitt der Kreisform.
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Wird die ungeteilte Kolonne von 1500 mm Durchmesser in der gleichen
Weise betrieben wie die in Einzelkolonnen unterteilte Kolonne, d. h., ist die Mengenbelastung
je - cm2 Querschnitt gleich groß und die Flüssigkeitsaufgabe durch mechanische Unterteilung
auf die Einzelkolonnen z. B. also die Zahl der Abtropfstellen aus dem Rücklaufverteiler
in beiden Fällen gleich, dagegen im Falle der nicht unterteilten Kolonne die Dämpfeverteilung
am unteren Ende wie bisher zentral durchgeführt, und werden bei der unterteilten
Kolonne sieben oder mehr Dampfeintrittsstellen im Zentrum jeder Einzelkolonne vorgesehen
und alle sonstigen Bedingungen gleichgehalten, so wird die Wirkung der
nach
der Erfindung unterteilten Kolonne in der in Fig. I dargestellten Weise überlegen
der der nicht unterteilten Kolonne.
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In dem oben angezogenen Beispiel einer ungeteilten Kolonne von I500
mm Durchmesser nach Fig. 1 ergibt sich eine Wirksamkeit von etwa einem theoretischen
Boden je m Kolonnenhöhe.
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Wird die Kolonne aber in Teilkolonnen von je 567 mm äquivalentem Durchmesser
aufgeteilt, so ergibt sich eine Wirksamkeit von mehr als zwei theoretischen Böden
je m Kolonnenhöhe, wobei die Durchsatzleistung das Rücklaufverhältnis, die Füllkörper
und alle sonstigen baulichen und betrieblichen Daten gleich wie bei der nicht unterteilten
Kolonne sind.
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In der Zeichnung wird eine bevorzugte Ausführungsform einer unterteilten
Kolonne gemäß der Erfindung dargestellt.
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Fig. 2 zeigt die Kolonne schematisch im Schnitt, während Fig. 3 einen
Schnitt gemäß Linie A-A der Fig. 2 durch den Rücklaufverteiler und Fig. 4 einen
Schnitt gemäß Linie B-B der Fig. 2 darstellt.
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Die Kolonne I ist durch eine konzentrische Ringwand 2 und radiale
Wände 3 in dem Ringraum zwischen der Ringwand 2 und der Kolonnenaußenwand 4 in sieben
gleichmäßige Einzelkolonnen unterteilt, von denen jede den gleichen Querschnitt
hat.
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In dem gezeichneten Beispiel ist die Kolonne mit 25-mm-Raschigringen
gefüllt.
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Der Durchmesser der Gesamtkolonne beträgt I500 mm, die Höhe der Kolonne
beträgt 8ooo mm.
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Die Dämpfe treten in die Kolonne I am Dampfeintritt 5 ein und verteilen
sich von dem Raum 6 aus zu den einzelnen im Zentrum jeder Einzelkolonne gelegenen
Dampfeintritten 7, zu denen sie mittels der Leitungen 8 gelangen, in denen Drosselklappen
g vorgesehen sein können. Ferner sind in diesem Fall in den Rohren 8 unterhalb der
Drosselklappen g Stauränder IO zur Messung der Durchfluß menge vorgesehen.
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Jede Einzelkolonne ist hier mit einem Rücklauf mit Tauchverschluß
II versehen.
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Auf dem oberen Teil der Kolonne ist ein Kondensator 12 aufgesetzt,
in dem aufsteigende Dämpfe kondensiert und in das darunterliegende Ringgefäß I3
eingeführt werden. Von diesem Ringgefäß I3 aus gelangt die kondensierte Flüssigkeit
über ein Syphonrohr I4 zu einem zentralen Verteilungsgefäß I5 eines Rücklaufverteilers,
aus dem die Flüssigkeit gleichmäßig durch Kanäle I6 zu den Einzelverteilern I7 der
im Ring liegenden Einzelkolonnen geleitet wird.