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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsverteiler
an einer Packung in einer Austauschkolonne für Wärme- und/oder Massentransportprozesse.
Die Vorrichtung und das Verfahren besitzen eine besondere Anwendung
in Tieftemperatur-Luftabscheidungsprozessen, die die Destillation
anwenden, obwohl die Vorrichtung und das Verfahren bei anderen Wärme- und/oder
Massentransportprozessen, die Flüssigkeitsverteiler
und eine Packung (z. B. eine zufällige oder
eine strukturierte Packung) verwenden, angewandt werden können.
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Der
Begriff ”Austauschkolonne”, wie er
hier verwendet wird, bedeutet eine Destillations- oder Fraktionierungskolonne
oder -zone, d. h. eine Kolonne oder Zone, in der Flüssig- und
Dampfphasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung
eines Fluidgemischs zu bewirken, indem beispielsweise die Dampf- und Flüssigphasen
an Packungselementen oder an einer Folge von vertikal beabstandeten
Austauschböden
oder Platten, die in der Kolonne bzw. Säule angebracht sind, in Kontakt gebracht
werden.
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Der
Begriff ”Packung” bedeutet
massive oder hohle Körper
mit vorgegebener Größe, Form
und Konfiguration, die als innere Säulenelemente verwendet werden,
um eine Oberfläche
für die
Flüssigkeit
zu schaffen, um einen Massentransport an der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche während der
Strömung
von zwei Phasen im Gegenstrom zu ermöglichen. Die allgemeinen Klassen
von Packungen sind ”zufällig” und ”strukturiert”.
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Eine ”zufällige Packung” bedeutet
eine Packung, bei der einzelne Elemente keine bestimmte Orientierung
zueinander oder zur Säulenachse
besitzen. Zufällige
Packungen sind kleine, hohle Strukturen mit großer Mantel- bzw. Oberfläche pro
Einheitsvolumen, die willkürlich
in eine Säule
geladen werden. Eine ”strukturierte
Packung” bedeutet
eine Packung, bei einzelne Elemente eine spezifische Orientierung
zueinander und zur Säulenachse
besitzen. Strukturierte Packungen sind gewöhnlich aus in Schichten oder
als Spiralwindungen gestapeltem Streckmetall- oder Drahtgewebesieb gefertigt; jedoch
können
andere Baumaterialien wie etwa blankes Blech verwendet werden.
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Die
Begriffe ”Öffnung”, ”Loch” und ”Apertur” werden
hier austauschbar verwendet und bedeuten eine Öffnung, durch die ein Fluid
hindurchgehen kann. Obwohl in der Zeichnung kreisförmige Öffnungen
gezeigt sind, können
die Öffnungen
andere Formen einschließlich
unregelmäßiger oder
regelmäßiger Formen
besitzen.
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Die
Tieftemperaturabscheidung von beispielsweise Luft wird ausgeführt, indem
Flüssigkeit und
Dampf in Gegenstromkontakt durch eine Destillationskolonne bzw.
Destillationssäule
geleitet werden. Eine Dampfphase des Gemischs steigt mit ständig zunehmender
Konzentration an stärker
flüchtigen Komponenten,
z. B. Stickstoff, hoch, während
eine Flüssigphase
des Gemischs mit ständig
zunehmender Konzentration an schwächer flüchtigen Komponenten, z. B.
Sauerstoff, absinkt.
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Um
die Flüssig-
und Gasphasen des Gemischs miteinander in Kontakt zu bringen und
den Massentransport zwischen den Phasen zu vollbringen, können verschiedene
Packungen oder Austauschböden
verwendet werden. Die Verwendung einer Packung für die Destillation ist Standardpraxis und
besitzt dort, wo der Druckabfall groß ist, viele Vorteile. Jedoch
ist die Leistung einer gepackten Säule stark von der Schaffung
und Beibehaltung eines Gleichgewichts zwischen dem Abwärtsströmen von
Flüssigkeit
und dem Aufwärtsströmen von Dampf
lokal in der Packung abhängig.
Die Verteilung der Flüssigkeit
und des Dampfes innerhalb der Packung wird dadurch beeinflusst,
wie diese Fluide anfänglich
der Packung übergeben
werden.
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Die
anfängliche Übergabe
von Flüssigkeit und
Dampf an die Packung erfolgt gewöhnlich
durch Verteiler. Ein Flüssigkeitsverteiler,
dessen Funktion es ist, die Packung gleichmäßig mit Flüssigkeit zu berieseln, ist über der
Packung angeordnet, während ein
Dampfverteiler, dessen Funktion es ist, einen gleichmäßigen Dampfstrom
unterhalb der Packung zu erzeugen, unter der Packung angeordnet
ist.
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Es
gibt drei Haupttypen von Flüssigkeitsverteilern-Rohr-,
Pfannen- und Muldenverteiler. Jeder Typ wird nachstehend kurz besprochen.
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Rohrverteiler
umfassen ein Verbindungsnetz von geschlossenen Rohren oder Röhrenleitungen, das
ein zentrales Rohr oder eine zentrale Rohrverzweigung und mehrere
Arme oder Zweige, die sich von dem zentralen Rohr strahlenförmig ausbreiten, umfasst.
Die Arme sind perforiert, um das Leiten der Flüssigkeit von dem zentralen
Rohr in die Arme zu ermöglichen,
um sie auf ein gepacktes Bett unterhalb des Rohrverteilers zu träufeln oder
zu sprühen.
Der nach oben strömende
Dampf bewegt sich frei zwischen den einzelnen Armen hindurch. Die
Rohrverteiler empfangen die Flüssigkeit
von einem separaten Flüssigkeitssammler
oder einer externen Quelle, die durch die Wand der Säule verrohrt
ist. Obwohl Rohrverteiler einfach und kostengünstig zu konstruieren sind,
können
sie Flüssigkeit
nur unzureichend verteilen, wenn Dampf in den Armen eingeschlossen ist.
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Pfannenverteiler
umfassen eine Pfanne oder einen Topf mit Löchern im Boden für die Zufuhr
von Flüssigkeit
zu der darunter liegenden Packung und Rohre oder Steigleitungen
für den
Dampf, der sich durch den Verteiler nach oben bewegt. Pfannenverteiler
bilden häufig
eine vollständige
Abdichtung mit der Wand einer Säule.
Somit können
Pfannenverteiler sowohl als Flüssigkeitssammler
als auch als Verteiler dienen. Da große Pfannenverteiler nur kostenaufwändig zu
bauen sind, werden sie jedoch gewöhnlich in kleineren Säulen, d.
h. Säulen
mit Durchmessern von weniger als 1,5 Metern, verwendet.
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Muldenverteiler
umfassen eine Ansammlung von offenen Verbindungsmulden oder -kanälen mit Berieselungslöchern in
der Grundfläche,
um der sich unterhalb befindenden Packung Flüssigkeit zuzuführen. Wenigstens
eine obere Sammelmulde oder ein einfacher Topf über den unteren Mulden führt diesen Flüssigkeit
durch eine Reihe von Löchern
oder Überlaufkerben
zu. Dampf von der sich unterhalb befindenden Packung strömt zwischen
den Flüssigkeit enthaltenden
Mulden nach oben.
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1 zeigt
einen typischen Flüssigkeitsverteiler 10 des
Muldentyps. Flüssigkeit
von der Speiseanordnung 12 tritt in einen Vorverteiler 14 ein,
der die Flüssigkeit
zu dem Verteiler verteilt. Der Verteiler ist an einem kombinierten
Niederhalte-/Abstützrost (nicht
gezeigt) oberhalb der Packung (nicht gezeigt) angebracht.
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Nach
dem Eintritt in den Verteiler 10 strömt die Flüssigkeit in mehrere Kanäle oder
Mulden 18, die durch überall
im Verteiler vorhandene Dampfsteigrohre 16 beabstandet
sind. In 2 sind ein typischer Hauptkanal 17 und
mehrere Mulden oder Kanäle 18 beiderseits
des Hauptkanals 17 gezeigt. Die Flüssigkeit von dem Hauptkanal
tritt am Einlassende 20 des Kanals in die einzelnen Kanäle ein und strömt in einer
vom Einlassende weg führenden
Richtung 22. Flüssigkeitsströme 24 verlassen
dann die einzelnen Kanäle
durch Öffnungen
oder Löcher 26 in
dem Boden 28 des Kanals. Wenn die Flüssigkeit nicht in gleich verteilte
Richtungen strömt,
sind manche Bereiche der Packung unzureichend berieselte Bereiche 30,
wohingegen andere Bereiche der Packung übermäßig berieselte Bereiche 32 sind,
wie in 2 gezeigt ist. Außerdem kann ein Teil der Flüssigkeit
an innere Strukturen zwischen dem Boden des Verteilers und der Packung
wie etwa in 2 gezeigte Niederhalte-/Abstützroste 34 stoßen. Diese
inneren Strukturen können
den Verteiler abstützen
und/oder die Packung niederhalten.
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Die
Verteiler gemäß dem Stand
der Technik verwenden im Allgemeinen drei Typen von Verteilungsregulierungsmechanismen:
den Überlaufwehrtyp,
bei dem die Flüssigkeit
horizontal durch einen Spalt fließt, den Ausflussöffnungstyp,
bei dem die Flüssigkeit
vertikal oder horizontal, gewöhnlich
durch ein kreisförmiges
Loch, fließt,
und den Drucktyp, bei dem die Zufuhr unter Druck durch eine Reihe
von Sprühdüsen verteilt
wird. Der Ausflussöffnungstyp unterscheidet
sich dadurch, dass der Durchfluss von Flüssigkeit durch das Loch zur
Quadratwurzel der Flüssigkeitshöhe über der
Ausflussöffnung
proportional ist. Bei einem schmalen Überlaufwehr kann die Durchflussmenge
als proportional zu der mit dem Faktor 1,5 multiplizierten Flüssigkeitshöhe angenommen
werden. Die Verwendung von Ausflussöffnungen wird häufig bevorzugt,
weil dadurch, dass der Durchfluss zum Quadrat der Höhe proportional
ist, wenn eine vernünftige
Flüssigkeitstiefe
verwendet wird, die Auswirkungen von geringfügigen Änderungen des Flüssigkeitspegels
oder der Ebenheit des Verteilers geringer sind. Jedoch geht dies
auf Kosten der Verkleinerung des Betriebsbereichs eines einfachen
Verteilers, weil die verfügbare
Höhe für den Verteiler
häufig
begrenzt ist. Die Überlaufwehr-Verteilung
wird häufig
dann bevorzugt, wenn eine große Flüssigkeitsmenge
verteilt werden muss oder ein großer Arbeitsbereich gefordert
wird; außerdem
wird er im Vorverteilungsabschnitt des Verteilers bevorzugt.
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Im
Fall der Ausflussöffnungs-Verteilung spielt
die Dicke des Arbeitsöffnungsmaterials
eine große
Rolle beim Regulieren der Durchflussmenge und der Richtung des Flüssigkeitsstroms.
Ausflussöffnungen
können
allgemein in zwei Klassen eingeteilt werden – jene in dickem Material und
jene in dünnem
Material. Bei einem als dick einzustufenden Material muss sich der
Flüssigkeitsstrom
innerhalb der Dicke des Materials voll entwickeln, was Anlass zu
einem hohen L/D-Verhältnis
gibt, wobei L die Materialdicke ist und D der Durchmesser des Lochs
ist. Bei einem dünnen
Material ist das L/D-Verhältnis
niedriger, normalerweise kleiner als 1,0. Bei einer Ausflussöffnung in
einem dicken Material tritt der Strom im Allgemeinen mit der Achse
der Ausflussöffnung
ausgerichtet aus, während
in einem dünnen
Material der Strom unter einem Winkel zur Achse der Ausflussöffnung austritt,
wobei der Winkel durch die Richtung irgendeiner Querstromgeschwindigkeit
in der Flüssigkeit
oberhalb der Ausflussöffnung
bestimmt wird. Bei jedem Verteiler wird diese Querstromgeschwindigkeit durch
die natürliche
Bewegung der Flüssigkeit
zu den Verteilungsöffnungen
verursacht.
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Da
die Verwendung von dünnen
Materialien wegen der Einfachheit des Biegens und Herstellens häufig vorteilhaft
ist, werden viele Flüssigkeitsverteiler
unter Verwendung von Kanälen,
die aus dünnem Material
gefertigt und zu einer Form gebogen werden, konstruiert. Die Ausflussöffnungen
werden vor dem Biegeprozess zum Bilden der Muldenform durch dünnes Metallblech
gestanzt oder gebohrt. Bedauerlicherweise leidet eine Ausflussöffnung an
der Eigenschaft, dass die Querstromgeschwindigkeit in der Nähe des Einlasses
zur Ausflussöffnung
die Richtung des austretenden Stroms beeinflusst und diesen in die
Richtung der Querstromgeschwindigkeit drängt. Obwohl Experimente gezeigt
haben, dass eine relativ hohe Querstromgeschwindigkeit erforderlich
ist, um den wirklichen Durchfluss des Stroms wesentlich zu beeinflussen,
bedeutet die Tatsache, dass der Strom nicht mit der Achse der Ausflussöffnung ausgerichtet
austritt, zwei Probleme, die angetroffen werden: 1. landet der Strom
nicht dort, wo es erwartet wird, auf der Packung und 2. ist es während der
Qualitätsprüfung des
Verteilers schwierig, die Leistung genau zu messen. Ein Strom, der
eine ungenaue Bahn besitzt (d. h. nicht wie gewünscht zur Packung strömt), kann
mit anderen Komponenten wie etwa in 2 gezeigten
Niederhalte-/Abstützrosten 34 in Kontakt
kommen.
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Die
gebräuchlichste
Art und Weise der Beseitigung der Probleme, die mit Strömen verbunden sind,
die die Ausflussöffnungen
in nicht vertikaler Richtung verlassen, ist das Hinzufügen irgendeiner Art
Rohr zu der Auslassseite der Ausflussöffnung. Diese Rohre sind normalerweise
auf die Unterseite des Kanals teilgeschweißt, wobei sich die Ausflussöffnung in
der Mitte des Rohrs befindet. Das Rohr lenkt dann die Flüssigkeit
ungeachtet der wirklichen Bahn, die die Flüssigkeit besitzt, wenn sie
die Ausflussöffnung
verlässt,
gerade nach unten. Jedoch ist die Verwendung dieser Rohre sowohl
teuer, da jedes Rohr einzeln an dem Hauptkanal und/oder den Mulden
oder Kanälen
angefügt
werden muss, als auch beschwerlich, da die Rohre für eine Beschädigung während der
Handhabung anfällig
sind. Daher ist die Verwendung solcher Rohre normalerweise auf jene Bereiche
des Flüssigkeitsverteilers,
wo hohe Querstromgeschwindigkeiten erwartet werden, begrenzt. Ein
weiteres Problem bei den Rohren ist, dass die Rohre das Richtungsproblem
korrigieren, nachdem die Flüssigkeit
die Ausflussöffnung
verlassen hat. Jedoch können
in Extremfällen,
in denen der Durchfluss durch die Ausflussöffnung hoch ist, die Querstromgeschwindigkeiten
oberhalb der Ausflussöffnung
den Durchfluss durch die Ausflussöffnung wesentlich beeinflussen,
was zu einer ungleichmäßigen Verteilung von
Flüssigkeit
auf die Packung führt.
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Ein
weiterer Lösungsweg,
der die Probleme von Strömen,
die nicht vertikal von dem Verteiler weg fließen, angeht, ist in
US-A-5.051.214 (Chen
u. a.) offenbart, wo ein Vorverteiler über die Mulden ausgebreitet
ist, um die Flüssigkeit über einen
weiteren Bereich von dem Vorverteiler zu dem Verteiler zu transportieren.
Durch direktes Einleiten von Flüssigkeit
in die Mulden wird die Querstromgeschwindigkeit auf das, was dem
Zuführungsende
der Mulde entspräche,
reduziert. Der Hauptnachteil dieses Lösungswegs sind die Kosten des
komplexen Vorverteilers. Außerdem
benötigt
der Entwurf einen Teil des Raums an der Oberseite der Kanäle, wodurch
die für
die Flüssigkeit
verfügbare
Entwurfshöhe
und somit der Betriebsbereich des Verteilers reduziert wird.
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JP 09-075602 offenbart
ebenfalls einen Ausflussöffnungs-Verteiler,
bei dem ein Vorverteiler Flüssigkeit
einem Verteilungsgehäuse
zuführt,
von dem aus die Flüssigkeit
zu den Mulden strömt. Über den Aperturen
in dem Boden eines Kanals in dem Vorverteiler befinden sich entsprechende
diskrete Puffergehäuse,
die z. B. aus perforierter Platte oder Siebgewebe gebildet sind,
um einen nicht turbulenten, konstanten Flüssigkeitsstrom durch die Aperturen
in dem Verteilungsgehäuse
aufrechtzuerhalten.
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Es
wäre wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit
in einer Austauschkolonne mit einem Flüssigkeitsverteiler zu haben, die
die Auswirkungen einer Querstromgeschwindigkeit auf die Richtung
von Flüssigkeitsströmen von
dem Flüssigkeitsverteiler
abschwächen.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit
in einer Austauschkolonne mit einem Flüssigkeitsverteiler zu haben,
die den Haupt-Flüssigkeitsstrom
in Richtungen, die unerwünscht
sind, reduzieren oder verhindern.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit
in einer Austauschkolonne mit einem Flüssigkeitsverteiler zu haben,
die den Flüssigkeitsstrom
zu spezifischen Bereichen des Flüssigkeitsverteilers
besser steuern können.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit
in einer Austauschkolonne mit Packung zu haben, die eine unzureichende
Berieselung oder eine übermäßige Berieselung
der Packung beseitigen oder abschwächen können.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zu haben, die Schwierigkeiten,
Probleme, Beschränkungen,
Nachteile und Unzulänglichkeiten
des Standes der Technik beseitigen, um bessere und vorteilhaftere
Ergebnisse zu erbringen.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
ein Verfahren zum Aufbau eines Flüssigkeitsverteilers für Austauschkolonnen
zu haben, der eine bessere Flüssigkeitsverteilung
als Flüssigkeitsverteiler
des Standes der Technik leistet und der außerdem viele der Schwierigkeiten
und Nachteile des Standes der Technik beseitigt, um bessere und
vorteilhaftere Ergebnisse zu erbringen.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
ein neues, effizienteres Verfahren zur Verteilung von Flüssigkeit
und Dampf in Austauschkolonnen zu haben.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
einen Flüssigkeitsverteiler
zu haben, der sehr gute Leistungsmerkmale für Tieftemperaturanwendungen
wie etwa jene, die bei der Luftabscheidung eingesetzt werden, und
für andere
Wärme-
und/oder Massentransportanwendungen aufweist.
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Es
wäre ebenso
wünschenswert,
ein effizienteres Luftabscheidungsverfahren zu haben, das wirksamer
als der Stand der Technik ist.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Verteilung einer
Flüssigkeit
an einer ersten Packung in einer Austauschkolonne, ein Verfahren
zur Einstellung einer Strömungsrichtung
eines Flüssigkeitsstroms,
der eine Öffnung
in einem gestreckten Kanal innerhalb einer Platte zur Flüssigkeitsverteilung
an einer Packung in einer Austauschkolonne verlässt, und ein Verfahren zum
Aufbau eines Verteilers zum Verteilen einer Flüssigkeit an einer Packung in
einer Austauschkolonne.
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In
einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Verteilung einer Flüssigkeit
an einer ersten Packung in einer Austauschkolonne, wobei die Vorrichtung
eine Platte und mindestens ein gestrecktes inneres Leitelement umfasst.
Die Platte besitzt mindestens einen gestreckten Kanal, der eine ”erste” Längsachse,
einen Boden und mindestens eine Öffnung
im Boden aufweist. Das innere Leitelement besitzt eine im Wesentlichen zur
ersten Längsachse
parallele ”zweite” Längsachse,
wobei mindestens ein Teil des inneren Leitelements im Kanal angeordnet
ist, zur Abschwächung der
Auswirkung der Querstromgeschwindigkeit auf die Richtung eines Flüssigkeitsstroms
im Kanal durch Reduzierung oder Unterbindung des der mindestens
einen Öffnung
benachbarten Querstroms, wobei das Leitelement vertikal oder in
irgendeinem anderen Winkel relativ zu dem Boden angeordnet ist.
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Mindestens
ein Abschnitt des inneren Leitelements kann eine dreieckige Form
oder eine Zick-Zack-Form aufweisen. Ein Teil des inneren Leitelements
kann an die Öffnung
angrenzen. Mindestens ein Teil des inneren Leitelements kann perforiert sein.
Das innere Leitelement kann eine Vielzahl von Kanten aufweisen,
wobei mindestens eine Kante eine nichtlineare Form aufweist. Das
innere Leitelement kann eine Vielzahl von Perforationen aufweisen und
den Kanal in einen ”ersten” und ”zweiten” Unterkanal
teilen, die im Wesentlichen parallel und voneinander getrennt sind,
wobei die Unterkanäle über die Öffnungen
in Flüssigkeitsverbindung
stehen. Der erste Unterkanal weist mindestens eine Öffnung auf, während der
zweite Unterkanal keine Öffnung
oder eine geringere Anzahl von Öffnungen
als der erste Unterkanal aufweist.
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Die
Vorrichtung kann ein Steuerungs-Leitelement umfassen. Mindestens
ein Teil des Steuerungs-Leitelements ist in einem anderen Kanal
mit einer ”dritten”, in einem
Winkel zur ersten Längsachse stehenden
Längsachse
und in Flüssigkeitsverbindung
mit dem Kanal mit der ersten Längsachse
stehend angeordnet.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist eine Austauschkolonne zum Austausch
von Wärme und/oder
Masse zwischen einer Flüssigkeit
und einem Dampf, wobei die Austauschkolonne mindestens eine Vorrichtung
zur Verteilung einer Flüssigkeit an
einer Packung in der Austauschkolonne in Übereinstimmung mit der oben
besprochenen Vorrichtung der Erfindung aufweist.
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Ein
nochmals anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Tieftemperaturabscheidung,
insbesondere von Luft, mit Kontaktierung von Flüssigkeit und Dampf im Gegenstrom
in zumindest einer Destillationskolonne mit mindestens einer Massentransferzone,
wobei Flüssigkeits-Dampf-Kontakt durch
mindestens eine Packung hergestellt wird und wobei Flüssigkeit
an der Packung durch eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der oben
besprochenen Vorrichtung verteilt wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Einstellung
einer Strömungsrichtung
eines Flüssigkeitsstroms,
der eine Öffnung
in einem gestreckten Kanal innerhalb einer Platte zur Flüssigkeitsverteilung
an einer Packung in einer Austauschkolonne verlässt, wobei der gestreckte Kanal
eine ”erste” Längsachse,
einen Boden und mindestens eine Öffnung
im Boden aufweist. Mindestens ein gestrecktes inneres Leitelement
mit einer ”zweiten” Längsachse,
wobei sich mindestens ein Teil des inneren Leitelements innerhalb
des Kanals befindet, ist an einer Position angeordnet, und das Leitelement
ist vertikal oder in irgendeinem anderen Winkel relativ zu dem Boden
positioniert, wodurch die zweite Längsachse im Wesentlichen parallel
zur ersten Längsachse
ist und das Leitelement die Auswirkung einer Querstromgeschwindigkeit
auf die Richtung eines Flüssigkeitsstroms
in dem Kanal durch Reduzierung oder Unterbindung des der mindestens
einen Öffnung
benachbarten Querstroms abschwächt.
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Das
innere Leitelement kann so sein, wie es oben in Verbindung mit dem
Vorrichtungsaspekt der Erfindung beschrieben worden ist. Es kann
mindestens ein Steuerungs-Leitelement angeordnet sein, wobei mindestens
ein Teil des Steuerungs-Leitelements in einem anderen Kanal innerhalb
der Platte angeordnet ist und der Kanal eine ”dritte”, in einem Winkel zur ersten
Längsachse
stehende Längsachse aufweist
und in Flüssigkeitsverbindung
mit dem die erste Längsachse
aufweisenden Kanal steht.
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Die
vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Aufbau
eines Verteilers zum Verteilen einer Flüssigkeit an einer Packung in
einer Austauschkolonne mit dem Installieren eines Verteilers in
der Austauschkolonne, der eine Platte und mindestens ein gestrecktes
inneres Leitelement aufweist. Die Platte besitzt mindestens einen
gestreckten Kanal, wobei der Kanal eine ”erste” Längsachse, einen Boden und mindestens
eine Öffnung
im Boden aufweist. Das innere Leitelement besitzt eine im Wesentlichen
zur ersten Längsachse
parallele ”zweite” Längsachse,
wobei mindestens ein Teil des inneren Leitelements in dem Kanal
angeordnet und das Leitelement vertikal oder in irgend einem anderen
Winkel relativ zu dem Boden positioniert ist, wodurch das Leitelement
die Auswirkung einer Querstromgeschwindigkeit auf die Richtung eines
Flüssigkeitsstroms
in dem Kanal durch Reduzierung oder Unterbindung des der mindestens
einen Öffnung
benachbarten Querstroms abschwächt.
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Der
Verteiler kann mindestens ein Steuerungs-Leitelement umfassen, wobei
mindestens ein Teil des Steuerungs-Leitelements in einem anderen Kanal
innerhalb der Platte angeordnet ist und der andere Kanal eine ”dritte”, in einem
Winkel zur ersten Längsachse
des Kanals stehende Längsachse
aufweist.
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Die
Erfindung wird nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Darstellung eines typischen Flüssigkeitsverteilers ist;
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2 eine
schematische Darstellung ist, die einen Flüssigkeitsstrom in einem Kanal
eines Flüssigkeitsverteilers
und einen Flüssigkeitsstrom
aus Öffnungen
am Boden des Kanals zu einer Packung unterhalb des Flüssigkeitsverteilers
zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung ist, die das Geschwindigkeitsprofil einer
in einem offenen Kanal mit Öffnungen
strömenden
Flüssigkeit
zeigt;
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4 eine
schematische Darstellung ist, die das Geschwindigkeitsprofil einer
in einem offenen Kanal ohne Öffnungen
strömenden
Flüssigkeit
zeigt;
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5 ein
schematischer Grundriss eines massiven inneren Leitelements mit
einer dreieckigen Form in einem Kanal mit Öffnungen für eine Ausführungsform der Erfindung ist;
die 6A, 6B und 6C schematische
Grundrisse von perforierten inneren Leitelementen mit verschiedenen
Formen in einem Kanal mit Öffnungen
für andere
Ausführungsformen
der Erfindung sind;
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7A ein
schematischer Grundriss ist, der ein perforiertes Leitelement in
einem Kanal mit Öffnungen
in einem Abschnitt des Kanals auf einer Seite des Leitelements für eine andere
Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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7B eine
schematische Darstellung ist, die eine Stirnansicht der in 7A gezeigten
Ausführungsform
zeigt;
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8 eine
schematische Darstellung ist, die innere Leitelemente in den Mulden
bzw. Kanälen
eines Flüssigkeitsverteilers
und ein Steuerungs-Leitelement am Einlass der Zuflussrinne des Verteilers zeigt;
und
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9 ein
schematischer Grundriss eines Flüssigkeitsverteilers
ist, der innere Leitelemente und Steuerungs-Leitelemente in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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Wie
in den 5 und 6A–6C gezeigt
ist, verwendet die vorliegende Erfindung innere Leitelemente 40 in
den Kanälen
oder Mulden 42 eines Flüssigkeitsverteilers
(nicht gezeigt), um eine verbesserte Leistung zu erzielen, indem
die Auswirkung einer Querstromgeschwindigkeit auf die Richtung eines
Flüssigkeitsstroms
in dem Flüssigkeitsverteiler
durch Reduzierung oder Unterbindung des zu einer Öffnung 44 in
einem Kanal 42 des Flüssigkeitsverteilers
benachbarten Querstroms abgeschwächt
werden. Die Verwendung von Steuerungs-Leitelementen 64, 68 innerhalb
von Bereichen, die normalerweise große offene Bereiche sind, wie
in 9 gezeigt ist, reduziert oder verhindert den Haupt-Flüssigkeitsstrom
in Richtungen, die unerwünscht
sind. Die Verwendung von Steuerungs-Leitelementen kann den Flüssigkeitsstrom
zu spezifischen Bereichen des Flüssigkeitsverteilers
steuern. Außerdem
kann in einer alternativen Ausführungsform,
wie sie in den 7A und 7B gezeigt
ist und die weiter unten besprochen wird, der Flüssigkeitsstrom längs der
Kanäle
oder Mulden des Flüssigkeitsverteilers
von dem Bereich oberhalb der Löcher
abgesondert werden.
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Um
auf die 3 und 4 zu verweisen, ist
in 4 das Geschwindigkeitsprofil 46 einer
Flüssigkeit
in einem offenen Kanal 42 ohne Öffnungen gezeigt, während in 3 das
Geschwindigkeitsprofil 48 einer Flüssigkeit in einem offenen Kanal 42 mit Öffnungen 44 im
Boden 50 des Kanals gezeigt ist. Wie in 3 gezeigt
ist, tritt die höchste
Geschwindigkeit in dem Kanal mit Öffnungen am Boden des Kanals
auf. Als Folge ergibt sich eine Auswirkung auf die Richtung der
Flüssigkeit,
die die Öffnungen
verlässt,
wie durch die Pfeile 52 angegeben ist.
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Außerdem ist
das Geschwindigkeitsprofil 48 in einem offenen Kanal 42 mit Öffnungen 44 (3) insofern,
als das Geschwindigkeitsprofil, wenn es verändert wird, schnell wiederkehrt, ”selbsterzeugend”. Wenn
beispielsweise ein einzelnes inneres Leitelement 40 wie
etwa das in 5 gezeigte innere Leitelement
am Boden (nicht gezeigt) eines Kanals 42 angeordnet ist
und nicht die gesamte Länge
des Kanals bedeckt, reduziert das innere Leitelement den Querstrom
am Boden oder an der Sohle des Kanals (d. h. ähnlich wie beim Boden des in 4 gezeigten Geschwindigkeitsprofils 46 eines
offenen Kanals ohne Öffnungen)
im Bereich in der Nähe
des inneren Leitelements auf null. Jedoch restauriert sich nach
einer relativ kurzen Strecke jenseits des inneren Leitelements das
invertierte Geschwindigkeitsprofil wieder selbst zu einem Geschwindigkeitsprofil,
wie jenem, das in 3 gezeigt ist.
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In
einer Ausführungsform
besitzt das innere Leitelement 40 eine dreieckige Form,
wie 5 zeigt. Jedoch können, um den gewünschten
Effekt zu erzeugen, andere Typen von Leitelementen einschließlich eines
Leitertyps, eines Typs mit Zinnen und anderer Formen verwendet werden.
Manche andere Formen der inneren Leitelemente umfassen die in den 6A, 6B und 6C gezeigten Zick-Zack-Formen. Die inneren
Leitelemente können je
nach Größe der Querstromgeschwindigkeit
entlang eines Kanals verlaufen.
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Die
inneren Leitelemente 40 können massiv sein, wie in 5 gezeigt
ist, oder perforiert sein, wie in den 6A bis 7B gezeigt
ist. Fachleute werden erkennen, dass viele Kombinationen möglich sind.
Beispielsweise müssen
die Perforationen nicht in einem regelmäßigen Muster, wie es in den 6A bis 7B gezeigt
ist, ausgeführt
sein. Außerdem können verschiedene
Abschnitte eines inneren Leitelements in einer Weise perforiert
sein, während
andere Abschnitte desselben Leitelements in einer anderen Weise
perforiert sein können
oder überhaupt
keine Perforationen besitzen können
(d. h., dass einer oder mehrere Abschnitte massiv sein können, während andere
Abschnitte perforiert sein können).
Außerdem
könnten
innerhalb desselben Flüssigkeitsverteilers
in jeder der verschiedenen Mulden verschiedene Varianten der inneren
Leitelemente verwendet werden, so dass der Verteiler eine Vielfalt
von inneren Leitelementen enthalten würde.
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Außerdem können die
Kanten der inneren Leitelemente 40 auf verschiedene Art
und Weise behandelt oder zugerichtet sein. Beispielsweise könnten die
oberen und/oder unteren Kanten der inneren Leitelemente eine nichtlineare
bzw. nicht geradlinige Form besitzen, z. B. gezahnt, gekerbt, gewellt
oder auf andere Weise zugerichtet sein.
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Wie
in 6C gezeigt ist, ist es je nach Größe der Querstromgeschwindigkeit
nicht notwendig, jede Öffnung 44 in
derselben Weise wie jede andere Öffnung
in einer Mulde oder einem Kanal 42 zu ”schützen” oder zu umgeben. Große Aufmerksamkeit muss
dem Abstand um die Öffnungen
geschenkt werden, um sicherzustellen, dass die Strömungsrichtung
durch eine Öffnung
in Richtung der Achse der Öffnung
liegt und dadurch, dass die inneren Leitelemente 40 zu
nahe an einer der beiden Seiten liegen, nicht nachteilig beeinflusst
wird.
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Da
die inneren Leitelemente 40 wie etwa jene, die in den 5, 6A, 6B und 6C gezeigt
sind, den hydraulischen Widerstand der Bereiche, in den die Leitelemente
angeordnet sind, und folglich die Flüssigkeitsströmungseigenschaften
des Verteilers verändern,
können ”Steuerungs-Leitelemente” 64, 68 auch
dazu verwendet werden, dem Einfluss der inneren Leitelemente entgegenzuwirken, wie
in 9 gezeigt ist. Die Steuerungs-Leitelemente werden
dazu verwendet, einen gleichen hydraulischen Widerstand in allen
Richtungen aufrechtzuerhalten, um den Einfluss der inneren Leitelemente
zu kompensieren und/oder Flüssigkeit
zu bestimmten Bereichen hin oder von diesen weg zu lenken, indem sie
den hydraulischen Widerstand der Strecke zu oder von jenem Bereich
wiederum verändern.
Ebenso wie die inneren Leitelemente können die Steuerungs-Leitelemente
massiv oder perforiert sein oder eine Kombination aus massiven und
perforierten Abschnitten besitzen. Außerdem können die Steuerungs-Leitelemente
in verschiedener Art und Weise, ähnlich
zu der für
die inneren Leitelemente oben besprochenen Kantenbehandlung oder
-zurichtung, behandelt oder zugerichtet sein.
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Wie
in 9 gezeigt ist, sind Steuerungs-Leitelemente 64 in
dem Hauptkanal 17' angeordnet,
und zwar dort, wo die Flüssigkeit
in den Flüssigkeitsverteiler 70 eintritt,
wobei zusätzliche
Leitelemente 68 am Einlass zu dem Zuflussrinnenbereich 66 angeordnet
sind. 8 liefert eine weitere Ansicht eines Steuerungs-Leitelements 68 am
Einlass des Zuflussrinnenbereichs. Dieses Steuerungs-Leitelement 68 hält den hydraulischen
Widerstand der Kanäle,
die keine inneren Leitelemente benötigen, auf dem hydraulischen
Widerstand der Kanäle 42,
wo die inneren Leitelemente 40 hinzugefügt worden sind. Dies hält die Ströme um den
Flüssigkeitsverteiler
so gleichmäßig wie
möglich
und verhindert, dass Bereiche wegen der Verwendung der inneren Leitelemente
einen stärkeren
Querstrom als zuvor erlangen.
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Die
Orte der inneren Leitelemente 40 und der Steuerungs-Leitelemente 64, 68 sind
nicht auf irgendwelche bestimmte gegebene Orte beschränkt. Die
inneren Leitelemente und die Steuerungs-Leitelemente können in
Abhängigkeit
von den genauen Details jedes Flüssigkeitsverteilers 70 über den
gesamten Verteiler frei gemischt werden. Beispielsweise können innere
Leitelemente über
den zentralen Flüssigkeitseintrittsbereich
von einem Kanal 42 zum nächsten ausgeführt sein
oder Steuerungs-Leitelemente an einem Ende mancher der Kanäle erforderlich
sein.
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Der
Zweck der Steuerungs-Leitelemente 64, 68 ist,
den hydraulischen Widerstand an verschiedenen Orion innerhalb des
Flüssigkeitsverteilers 70 auszugleichen,
damit sich möglichst
gleichmäßige Querstromgeschwindigkeiten
um den Flüssigkeitsverteiler 70 ergeben,
womit ”kritische
Punkte” der
Geschwindigkeit vermieden werden, so dass sich dann, wenn innere
Leitelemente 40 hinzugefügt werden, um die Auswirkung
von Querstromgeschwindigkeiten an den Öffnungen 44 abzuschwächen, der
Widerstand der Kanäle 42 verändert. Dies
bewirkt eine größere Durchflussmenge
in anderen Kanälen
und/oder den Zuflussrinnenbereichen 66 wobei die Ströme um den
Verteiler einen neuen Gleichgewichtszustand erreichen. Dann können in
den Kanälen
und/oder Zuflussrinnenbereichen ohne die inneren Leitelemente höhere Durchflussmengen
erfahren werden. Um dies zu kompensieren, können Steuerungs-Leitelemente hinzugefügt werden,
um die Widerstände
wieder auszugleichen.
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Normalerweise
strömt
die Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsverteiler,
der keine inneren Leitelemente besitzt, in der Weise, dass die Flüssigkeit
den Weg des geringsten Widerstands nimmt, um ihr Ziel zu erreichen.
Wenn innere Leitelemente 40 in dem Kanal 42 angeordnet
sind, wirkt jedoch der Einfluss der Hinzufügung der Wände der inneren Leitelemente
durch Reduzierung der für
die Flüssigkeit
zum Strömen
verfügbaren
Querschnittsfläche
als Barriere für
den Flüssigkeitsstrom.
Im Allgemeinen sind die Wände
der inneren Leitelemente ”vertikal”, d. h.
stehen in einem 90°-Winkel
zur Sohle oder dem Boden der Mulde bzw. des Kanals, obwohl die Wände unter anderen
Winkeln in Bezug auf die Sohle angeordnet sein können. Dieser zusätzliche
Widerstand bewirkt, dass die Flüssigkeit
eine andere Route, falls eine solche verfügbar ist, nimmt. Durch Hinzufügen von Steuerungs-Leitelementen 64, 68 an
strategischen Orten um den Flüssigkeitsverteiler 70,
wo keine inneren Leitelemente eingesetzt worden sind, kann der Flüssigkeitsstrom
um den Verteiler so gesteuert werden, dass er wieder dem Flüssigkeitsstrom
ohne innere Leitelemente entspricht oder besser als dieser ist.
Dies ist in 9 gezeigt. Ohne die Steuerungs-Leitelemente
können
die inneren Leitelemente verursachen, dass mehr Flüssigkeit
durch einen Bereich strömt,
als es geschehen würde,
wenn keine inneren Leitelemente verwendet werden.
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Eine
weitere Verwendung der Leitelemente der vorliegenden Erfindung ist,
die Fähigkeit
der Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsverteiler,
sich in jeder Richtung in Bereiche des Verteilers zu bewegen, die offener
sind, einzuschränken
und dadurch das Entstehen unbeschränkter und unerwarteter Strömungsmuster
zu verhindern. Beispielsweise weisen Teile eines Flüssigkeitsverteilers
um die Flüssigkeitseintrittspunkte
relativ große
offene Bereiche auf, in denen sich die Flüssigkeit frei bewegen kann.
Die Flüssigkeit
in diesen Bereichen kann turbulent sein, was Probleme bei den Strömen, die Öffnungen
in den Kanälen
dieser Bereiche verlassen, mit sich bringt. Die Verwendung der Leitelemente
der vorliegenden Erfindung kann diese Probleme abschwächen.
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Grundlegend
erhöht
die Hinzufügung
jedes Leitelements den Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom an jenem Punkt.
Durch Hinzufügung
eines zusätzlichen
Widerstands, beispielsweise in dem Hauptkanal, kann bis zu einem
gewissen Maße
eingeschränkt
werden, dass sich die Flüssigkeit
in jeder Richtung frei bewegen kann. Diese freie Bewegung in jeder
Richtung kann die oben erwähnten
Quergeschwindigkeiten in irgendeiner Richtung erzeugen und dadurch
eine Stromwinkligkeit verursachen. Eine geeignete Anordnung der
Leitelemente fixiert dies.
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In
den 7A und 7B ist
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform wird, anstatt ein
Leitelement längs des
Bodens der Kanäle
eines Flüssigkeitsverteilers anzuordnen,
ein aufrecht stehendes Leitelement 54 zwischen den sich
gegenüberliegenden
Wänden 56, 58 der
Mulde oder des Kanals angeordnet, wodurch ein Bereich 62 für einen
freien Flüssigkeitsstrom
die Mulde hinab und ein Bereich 60 ohne Strom die Mulde
hinab erzeugt wird. In dem strömungslosen
Bereich, der Öffnungen 44 enthält, ergibt
sich kein Fluss die Mulde hinab, wobei der gesamte Strom senkrecht zur
Muldenlänge
durch das aufrecht stehende Leitelement in diesen Bereich eintritt.
Der Bereich 62 für einen
freien Flüssigkeitsstrom
besitzt normalerweise keine Öffnungen,
obwohl dieser Bereich einige Öffnungen
besitzen könnte,
solange die Anzahl von Öffnungen
kleiner ist als die Anzahl von Öffnungen
des strömungslosen
Bereichs 60.
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Das
perforierte Leitelement 54 sollte so stark sein, dass es,
ohne sich zu biegen, an einer anderen Struktur (anderen Strukturen)
(nicht gezeigt) an der Unterseite und an der Oberseite des Leitelements angebracht
werden kann. Innere Abstützungen
(nicht gezeigt), die in regelmäßigen Intervallen
in dem Kanal angeordnet sind, können
dazu beitragen, das perforierte Leitelement an Ort und Stelle zu
halten. Vorzugsweise ist der strömungslose
Bereich 60 mit etwas, das ein freies Hindurchströmen der
Flüssigkeit verhindert,
wie etwa einer geschütteten
Packung (nicht gezeigt) gefüllt.
Wenn die inneren Abstützungen
eng genug beieinander angeordnet sind, kann dies angemessen sein
und damit die geschüttete
Packung erübrigen.
Eine große
Aufmerksamkeit muss dem Abstand über
den Öffnungen 44 geschenkt
werden, um sicherzustellen, dass der Strom durch die Öffnungen
nicht durch die Gegenwart des Materials, das verwendet wird, um
den hohen Widerstand zu verursachen, beeinflusst wird. Der Nutzeffekt
davon ist, dass sich die Flüssigkeit
mit der höchsten
Geschwindigkeit in dem Bereich 62 mit dem kleinen Widerstand
befindet, während
der Bereich 60 mit dem großen Widerstand einen sehr geringen
und ruhigen Strom zu den Öffnungen
aufweist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte spezifische
Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben worden ist, soll sie dennoch nicht durch
die gezeigten Einzelheiten begrenzt sein. Vielmehr können im
Umfang der folgenden Ansprüche
verschiedene Modifikationen an den Einzelheiten vorgenommen werden.