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b e s c h r e i b u n g Einrichtung zum Herstellen einer Berührung
zwischen Flüssigkeiten und Gasen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, die es ermöglicht,
Flüssigkeiten und Gase in Beührng zu bringen ; diese Einrichtung besteht aus einer
rohrförmigen Kammer, die von einer seitlichen Wand umschlossen und auf einer Seite
mit Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas und auf der anderen Seite mit Mitteln
zum Ab£Whren von Flüssigkeit und Gas versehen ist.
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Der Ausdruck "Gas" bezeichet im folgenden auch Dämpfe.
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Sins ähnliche Einrichtung ist aus dem U. S. A,-Patent 2 808 897 bekannt.
Bei dieser Einrichtung wird das Gas in der gleichen Richtung wie die Flüssigkeit
durch eine zylindrische Kammer geleitet. Auf der Einlaßseite der zylindrischen Kammer
befindet sich ein durch Leitorgane gebildeter Boden, der das Gas veranlaßt, in dem
Zylinder eine drehende Bewegung auszuführen. Dort, wo der sich aus den leitorganen
zusammensetzende Boden angeordnet ist, sind eine oder mehrere Offnungen zum
Zuführen
von Flüssigkeit vorgesehen, z. B. in Fors von Locher in den leitorganen oder in
Form einer öffnung in der Mitte des druch die Leitorgane gebildeten Bodens. Druch
die drehenda Bewegung des Gases wird die Flüssigkeit in Tropfchen unterteilt, und
zu diesem Zweok kann zusätzlich ein ZeratEubor am Ende der Leitung zum Zuführen
der Flüssigkeit vorgesehen sein ; hierbei entsteht eine große Berührungsfläche zwischen
der Flüssigkeit und dem Gas ; dies ist sehr erwünscht, um die XassenEbertragung
zwischen den beiden Phasen zu steigern.
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Nach der erUnschten Berührung müssen die beiden Fasern wiedtr getrennt
werden, und insbesondere bei der Benutsung einer Binrichtung der genannten Art bei
der fraktionierten Destillation ist as von großer Bedeutung, daß diese Trennung
innerhalb einer kurzen Strecke möglichst vollständig erfolgt.
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Gemäß dem erwähnten U. S. A.-Patent wird die Trennung der flüssigkeitströpfchen
von dem Gas durch die gleiche drehende Bewegung des Gases bewirkt, mittels deren
die Flüssigkeitströpfchen erzeugt wurden. Hierbei werden die TRöfchen nach au5en
gegen die Wand der zylindrischen kammer geschleudert, und die hierbei entsehende
Flüsssigkeitsschicht kann über Löcher oder Schlitze in der Wand der Kammer abströmen,
während das Gas den zylinder über dessen offenes Ende verläßt. Gemäß dem genannten
U.s.a.-Patent läßt sich die Trennung der Flüssigkeitströpfohen von dem Gas dadurch
verbessern, daß man einen zweiten, durch Leitorgane gebildeten Boden kurz vor dem
Ende des Zylinders anordnet, um erneut die drehende Bewegung* des Gase zu verstärken,
die in der Zwischenzeit sohwdoher geworden ist.
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Gea§ß dem erwähnten U. S. A.-Patent entatehen somit die Tröpfchen
innerhalb des rotierenden Gasstroms, so daß die Massenübertragung in diesem Zeitpunkt
beginnen kann. Im gleichen ausgehblich kommt jedoch auch die Trennung der Flüssigkeit
von Gas unter dem Einfluß eben der gleichen drehenden Bewegung des GMCB zur Wirkung,
so daß der Wirkungsgrad der MassenUbertragung begrenst bleibt. Wenn man in jedem
Zylinder einen zweiten, duroh Leitorgane gebildeten Boden vorsieht, um die Trennwirkung
zu verbessern, wie es in dem erwdhnten U. S. A.-Patent beschrieben ist, ergibt sich
jedoch in jedem Zylinder ein erheblich grdßerer Druckabfall, und diese Tatsache
ist unerwünscht.
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Die vorliegende Erfindung sieht nunmehr Mittel vor, um die erwähnten
Nachteile zu vermeiden ; zu diesem Zweck wird eine Trennung zwischen der Einrichtung
zum Erzeugen der tröfchen und der Einrichtung zum Trennen der Flüssigkeit vom Gas
vorgesehene Dies geschieht in der Weise, daß ständig Fltseigkeit tuber die ganze
Länge desjenigen Teils der Seitenwand zerstäubt wird, wo die MassenUbertragung zwischen
dem Gas und der Flüssigkeit erfolgt. Zu diesem Zweck wird die Wand in dem betreffenden
Teil der rohrförmigen Kammer mit besonderen Merkmalen versehen. Jeneeits dieses
Teils der Wand ist in dem verbleibenden Teil der rohrförmigen Kammer die Einrichtung
zum Trennen der Flüssigkeitströpfchen vom Gas angeordnet ; diese Trennung wird durch
Fliehkräfte bewirkt.
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Die Erfindung sieht somit eine Einrichtung vor, mittels deren Flüssigkeiten
und Gase in Berührung gebracht werden können ; die Einrichtung besteht aus einer
rohrförmigen Kammer,
die durch eine seitliche Wand abgegrenzt wird
; die Kammer ist auf einer Seite mit Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas
und auf der anderen Seite mit Mitteln zum AbfUhren von Flüssigkeit und Gas versehen,
wXhend auf der Innenfläche der seitlichen Wand ein oder mehrere Vorsprünge angeordnet
sind ; jenseits des oder der Vorsprünge ist ein Bauteil vorgesehen, durch welches
das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas in eine drehende Bewegung versetzt
wird.
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Die rohrformige Kammer kann als gerader Kreiszylinder ausgebildet
sein, jedoch kann man auch eine vieleckige Querschnittsform, z. B. einen regelmäßigen
sechseckigen Querschnitt, vorsehen.
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Wenn auf der Wand eine strömende Flüssigkeitsschicht vorhanden ist
und diese Wand einen Vorsprung trägt, der ein Hindernis für die strbmende Flüssigkeit
bildet, wird der Verlauf der Flüssigkeitsströmung durch den Vorsprung beeinflußt.
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Hierbei wird der Flüssigkeitsstrom in stErkerem Maße turbulent.
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Wenn außerdem ein Gasstrom dber die Oberfläche der FlUssigkeit hinwegstreicht,
wird die Flüssigkeit longs des Hindernisses nach oben gedrückt, und hierbei sind
Bedingungen denkbar, unter denen die Flüssigkeit in einem solchen Ausmaß longs des
Hindernisses nach oben gedrUckt wird, daß die Flüssigkeit weggeblasen und gleichzeitig
zerstäubt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung lassen sich diese Erscheinungen
leicht erzielen. Die FlUssigkeit wird der Innenfläche der seitlichen Wand durch
geeignete Mittel zugeführt.
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Der Gaastrom wird von derjenigen Seite aus durch die rohrformige
Kammer
geleitet, af welcher das organ zum Zuführen von Flüsaigkeit su der Wand angeordnet
ist. Bei einer genügend hohen Strömungsgemschwindigkeit des Gases wird die Flüssigkeit
durch den Gasstrom Längs der Wand mitgerissen. Bei Kohlenwassdrstoffen mit einer
Dampfdichte von 4 kg/m3 hat es sich z.B. gezeigt, da eine Strömugsgesxheindigkeit
des Gases von 3 m/s ausreicht. Die auf diese Weise in Bewegung versetzte Flüssigkeit
trifft auf das bzw. die hinderinsse, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgkge
abspielen. Die Länge desjenigen Teile der Wand, welcher die Vorsprünge trägt, kann
innerhalb weiter Grensen variieren, z. B. zwischen dem 0, 5-fachen und dem 5-fachen
des Kleinsten Druchmessers der rohrförmigen Kammer.
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Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Vorsprünge durch ein Netzwerk
von Streifen gebildet werden. Dies hat die Wirlung, daß die Flüssigkeit ohne RUcksicht
auf die Richtung g der Geströmung längs der Wand an den Vorsprüngen nach oben gedrückt
und scrstRubt wird. Es liegt jedoch auf der Hand, daß man auch die verschiedensten
anderen ausbildungsformen von Voraprüngen vorsehen kann, z. B. zugespitzte fortsätze,
einwelne Streifen odereinen durchlaufenden gewendelten Streifen oder mehrere derartige
gewendelte Streifen. Ferner können die Vorsprünge durch verformte teile oder Auswölbungen
der Behälterwand gebildet werden. aus kontruktiven Gründen ist es zweckmäßig, die
Streifen rechtwinklig zur Wand anzuordnen. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
die Edho der Stretfen so zu wählen, daß vie zwischen 1% und 20% des kleinsten Durchmessers
der
rohrförmigen Kammer liegt. Die Wähl der Hdhe der Streifen richtet
sich nach der Dicke der Flüssigkeitsschicht, d. h. w man wählt t eine größere Höhe,
wenn mit einer dickeren flüssigkeitseehiaht zu rechnen ist.
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Berner ist es vorteilhafte wenn zum Zuführen der Flüssigkeit in der
seitlichen Wand eine odor mehrere öffnungen lange des Umfangs am Zuführungsende
der Kammer vorhanden sind. Die Flüssigkeit kann dann direkt thor die weitliche Wand
strömen. um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über die querschnitsfläche
der seitlichen Wand zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, die seitliche Wand mit
einem Brans von Löchern zu versehen, die am Zuführungsende der Kammer in gleichmäßigen
Umfangsabständen verteilt sind. Ferner kann man einen in der Umfangsrichtung verlaufenden
Schlitz vorsehen.
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Weiterhin ist es möglich, die Flüssigkeit an einem Ende der rohrförmigen
Kammer über einen in der Mitte des Kammerquerschnitts angeordneten Billas zuzuführen.
Der dann auf die Wand gelangende Teil der Fküssigkeit wird in diesem Falle druch
die erfindungsgemäße Einrichtung erneut zerstäubt.
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Gemäß der Erfindung ist jenseits des oder der Vorsprünge ein Bauteil
angeordnet, durch das das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas in eine drehende
Bewegung versetzt wird. Aus konstruktiven Gründen ist es vorteilhaft, zu diesem
Zweck einen durch Leitorgane gebildeten Zwischenboden vorzusehen, der gleichachsig
mit der seitlichen Wand der rohrfarmigen Kammer angeordnet ist und an diese Wand
angrenzt. Bei dieser Anordnung wird eine Trennung der Flüssigkeit vom
Gas
erst dann bowirkt, wenn die Flüssigkeitströpfohen und das Gas bei den gegebenen
Abmessungen der seitlichen Wand eine möglichst günstige Möglichkeit gehabt haben,
in BerUhrung miteinander su treten. Der durch Leitorgane gebildete Boden hat in
erster Linie die Aufgabe, die Flüssigkeit von dem Gas zu trennen, und dieser Boden
kann zu diesem Zweck mit geeigneten bekannten Mitteln versehen sein, NatUrlich erfolgt
auch im Bereich dieses Bodens immer noch eine Massenübertragung.
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Jenseits des druch @eitorgane gebildeten Bodens befindet sich ein
weiterer Teil der Seitenwand mit einer Länge, die z. B. zwischen der Hälfte und
dem vollen Wert des kleinsten Durohmessers der rohrförmigen Kammer liegt. Der Querschnitt
dieses Teils der Seitenwand hat gewdhnlich die gleiche Form wie der vor dem Boden
liegende Teil der Kammer. Jedoch ist es auch möglich, für den zuerst erwEhnten Teil
einen kreisrunden Querschnitt zu wählen. Auf diesem Teil sammelt sich bereits ein
großer Teil der Flüssigkeit, und diese Flüssigkeit wird liber en Rand seitlich nach
amßen geschleudert. Die Fltissigkeit wird aufgefangen und durch Leitorgane abgeführt,
und zwar susammen mit dem Ubrigen Teil der Flüssigkeit in der Kammer, welcher sich
bereits in einer seitlichen Richtung bewegt. Eine tberraschend gUnstige Wirkung
dieses Trennvorgangs wird dann erzielt, wenn außerhalb des von der rohrformigen
Wand umsehlossenen Raums auf der Seite, auf welcher der durch Leitorgane gebildete
Boden angeordnet ist, ein Ring vorgesehen ist, der an seinem inneren Rand einen
Rohrstutzen trägt, welcher sich rechtwinklig zu dem Ring und gleichachsig mit der
rohrformigen Wand erstreckt, wobei der Rohrstutzen der
rohrförmigen
Wand zugewandt ist, und wobei der senkrechte Querschnitt des von dem Stutzen umsehloseemen
Raums eine ahnliche Form hat, jedoch kleiner ist als die rohrförmige Kammer.
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Es hat sich gezeigt, daß bei einer Einrichtung dieser Art die Menge
der Flüssigkeit, die von dem Gas mitgeführt wird, welches durch den Rohrstutzen
strdmt, etwa einem Zehntel der Menge der Flüssigkeit entspricht, welche von dem
Gas mitgefürt wird, wenn eine ähnliche Anordnung benutzt wird, bei der jedoch der
schmalere Ring mit dem Rohrstutzen fehlto Es hat sich gezeigt, daß das günstigste
Verhältnis zwischen dem kleinsten. Innendurchmesser des Rohrstutzens und dem kleinsten
Innendurchmesser der rohrförmigen Kammer im Bereich von 0, 8 bis 0, 95 liegt, und
daß der Abstand zwischen dem untern Ende des Rohrstutzens und dem ihm gegenüberliegenden
Rand der rohrförmigen Seitenwand im Bereich vom 0, 1-fachen bis zum 0, 4-fachen
des Durchmessers des rohrförmigen Behälters liegen soll. Wenn man für den Rohrstutzen
einen kleineren Innendurchmesser wählt, wird die Menge der von dem Gas mitgerissenen
Flüssigkeit kleiner, doch nimmt der dem Gas entgegenesetzte Strömungswiderstand
zu. Die richtige Wahl der Abmessungen hängt von den Bedingungen ab, unter denen
die Flüssigkeit mit dem Gas in Berührung gebracht werden soll, z. B. von der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases, der Geschwindigkeit der Flüssigkeitszufuhr und dem gewunschten ausmaß
der Massen-oder StoffUbertragung.
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Man kann mehrere erfindungsgemäße Einrichtungen parallelgeschaltet
an gemeinsame Leitungen zum Zuführen von Flüssigkeit
und Gas anschließen
und vie in einer gemeinsamen Umschließung anordnen, wobei sich Vorteile bezüglich
einer Erhdhung der Leistungsfähigkeit ergeben. Für eine Erhöhung des Wirkungsgrades
der Trennung ist es vorteilhaft, eine Säule aus erfindungsgemäen Einrichtungen aufzubauen,
die gleichachsig angeordnet und hintereinandergesahaltet sind, so daß das Gas jeweile
der nächsten Stufe und die Flüssigkeit jeweils der torangehenden Stufe zugeführt
wird. Ferner ist es mdglich, eine Seule dieser Art aufzuhauen, die mehrere Platten
oder BCden umfaßt, zwischen denen erfindungsgemäße Einrichtungen paralleleschaltet
sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein sankrechter Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung.
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Fig. 2 zeigt die Einrichtung nach Fig. 1 in einem Quersohnitt longs
der Linie A-A sowie länge der Linie B-B in Fig. 1.
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Fig. 3 ist eine teilweise geschnitten gezeichnete perspektiveische
Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
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In Rig. 1 ist die rohrförmige, z. B. zylindrische Seitenwand mit
1 bezeichnet. An ihrem unteren Ende befindet sich die Flüssigkeitszuführngselitung
2, die zu Löchern 3 führt, welche in der Wand 1 in Umfangsabständen verteilt sind.
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Dan Gas wird tuber das offene untere Ende 4 zugeführt.
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Die {ber die Offaungen 3 eintretende Flüssigkeit wird ton dem
Gasstrom
mitgerissen und trifft hierbei auf die Vorsprünge 5.
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In dem von den VorsprUngen 5 umschlossenen Raum werden Flüssiktitströpfchen
erzeugt. Danach duchströmt das Gemisch aus Flüssigkeitstropfchen und Gas don druch
Leitorgane gebildeten Boden 6. Wegen der drehenden Bewegung dos Gemisches werden
die Flüssigkeitströfchen seitlich nach auBen geschleudert. Das Gas kann die Einrichtung
tuber den Rohrstutzen 7 in Richtung des Pfels 11 verlassen. Der Rochrstuzten 7 ist
in einen Ring 8 eingebaut, und der Druchmesser des Rohratutzens ist kleiner ale
der Durchmesser der zylindrischen Kammer 1.
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Die Flüssigkeit wird zwischen dem Rohrstutzen 7 und einer runden Wand
9 gesammelt, wobei ite auf den Ring 8 trifft, um dann längs der InnenflEeho der
Wand 9 und über die Oberkante der Wand 1 in Richtung des Pfeils 1Q nach unten zu
strömen ; der weitere Verlauf der flüssikgkeitsstr0mung ist in Fig. 1 nichet dargestellt.
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Der in Fig. 2 gezeigte Schnitt longs der Linie A-A in Fig. 1 gibt
die Draufsicht des aus Leitorganen beetehenden Bodens 6 wieder. Der Schnitt longs
der Linie B-B zeigt eine mögliche Anordnung der Vorsprünge 5, vonatenen die senkrecht
verlaufenden im querschnitt dargestellt sind, während einer der waagereehten Vorsprünge
5 in der Draufsicht erscheint.
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Fig. 3 soll lediglich eine mögliche Anordnung der Teile bei einer
erfindungsgemäßen Einrichtung veranschaulichen.
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Nachstehend werden einige Ergebnisse behandelt, die mit Hilfe einer
erfindungsgemäBen Einrichtung erzielt wurden.
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Es se ein Turn aufgebaut, der vier erfindungsemäße Einrichtungen
mit zylindrischen Wänden umfaßte, die gleichschsig ungeordnet und hintereinandergeschaltet
waren. Der Durchmesser ojedes Zylinders 1 betrug 18 cm. Die Zufuhr der Flüssigkeit
erfolgt über eine in der Umfangsrichtung verlaufenden Schlits von 1,5 cm Breite
in der Seitenwand. Der Abstand sischen zwei aufeinander folgenden Flüssigkeitszuführungsschlitzen
betrug 31 cm. Longs einer Strecke von 7, 5 on jenaeita des Flüssigkeitszuführungsschlitzes
war ein Netzwerk aus Streifen angeordnet. Diesea Netzwerk bestand aus rechtsokigen
Profile mit einer Seitenlänge von 3, 7 cm, wobei die Höhe jedes Streifens 1,5 cm
betrug. Jenseits dieser Streifen befand sich ein zwischenbeoden mit flachen Leitorgenen,
deren Neigungswinkel 30° betrug. Der Abschnitt des Zylinders jenneits dieses Zwischenbodens
hatte eine Länge von 8 cm ; der Durchmesser des Rohrstutzens zum Auffangen der Flüssigkeit
hatte einen Durchmesser von 15 cm, der Stutzen sprang gegentiber dem Ring un 1 an
vor, und zwischen der Unterseite bzw. dem unteren Ende des stutzen und dem ihm gegenUber
liegenden Rand des Zylinders war ein Abstand von 4 cm vorhanden.
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Es wurde mit einer aufrecht stehenden Anordnung gearbeitet, und die
Flüssigkeit strömte jeweils unter der wirkung der Schwerkraft zu der vorangehenden
Einrichtung zurück.
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Versuohe wurden unter atmosphärischem Druck bei einem vollständigen
Rückfluß mit einem Gemisch aus Benzol und Toluol im Mischungsverhältnis von 50 zu
50 Volumenprozent sowie mit einem ähnlichen Gemisch aus n-Heptan und Toluol durchgeführt.
Der Duchflußparameter betrug 0, 06, und der
Dampfbelastungsfaktor
variierte zwischen 0, 3 und 0,7 m/s.
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Bei diesen Versuohen zeigte en sich, dans dite Menge der von dem
Gas zur nächstfolgenden Stufe mitgerissenen Flüssigkeit bezogen auf die RUckflußmenge
etete weniger als 1% betrung.
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Der Druckabfall je Meter der Kolkonnenhöhe betrug 44 cm Watersäue
fUr die Verscuehe mit dem Benzol-Toluolgemiseh und 52 cm Wassersäurle ftfr das Gemisch
aus n-Heptan und Toluol bei einem Dampfbelastungsfaktor von 0, 7 m/s.
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Der Eirkungsgrad der Kit Hilfe der Kolonne erzielten Trennung betrug
ausgedrUckt ale Zahl der theoretisch je Meter der KolonnenhZhe erforderlichen Böden
ftir die Versuech3 mit dem Benzol-Toluolgemisch 1, 2 bis 1, 5 und fUr das Gemisch
aus n-Heptan und Toluol 9,9 bis 1, bie Dampfbelastungsfaktoren von 0, 3 bis 0, 7
m/s.
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Patentanspriiahe :