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Austauschboden Bekanntlich ist allen Kolonnenapparaturen die Aufgabe
gemeinsam, die in ihnen aufsteigenden Gase bzw. Dämpfe in möglichst innige Berührung
mit der von oben nach unten geführten Flüssigkeit zu bringen, um einen intensiven
Stoff- bzw. Wärmeaustausch zu erreichen. Hierbei wird meistens gleichzeitig die
Forderung nach einem Minimum an Druckverlust erhoben, welchen das aufsteigende Gas
oder der Dampf beim Durchströmen der Kolonne bzw. ihrer Einbauten zu überwinden
hat. Diese beiden obigen Bedingungen wirken jedoch einander entgegen, und zwar um
so stärker, je höher die Anforderungen sind, die an die Apparatur im Hinblick auf
ihre Durchsatzleistung, bei gleichbleibender Austausch- bzw. Trennwirkung, gestellt
werden. In allen Fällen ist daher eine weitgehende Berücksichtigung eines der beiden
Faktoren zwangsläufig verbunden mit einer mehr oder weniger starken Vernachlässigung
des jeweiligen zweiten Faktors.
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Legt man bei der Dimensionierung der bisher bekannten Kolonneneinbauten
beispielsweise den Hauptwert auf einen geringen Druckabfall, so ist man erfahrungsgemäß
gezwungen, die Strömungsquerschnitte für das Gas bzw. den Dampf möglichst groß zu
halten. Damit vergrößert sich z. B. bei einem Siebboden die Neigung zum Durchregnen,
womit sich der Belastungsbereich der Apparatur verringert. Bei einem Glockenboden
hat die obenerwähnte Maßnahme zur Folge, daß das Gas bzw. der Dampf die Glockenränder
in großen Blasen verläßt, ein Nachteil, der durch das hiermit verbundene Pendeln
der Flüssigkeitsschicht auf dem Boden noch erheblich verschlimmert wird. Außerdem
arbeiten
infolge des notwendigen Niveaugefälles der Flüssigkeit von der Zulauf- zur Ablaufstelle
bei kleinem Druckabfall lediglich die in unmittelbarer Nähe der 'Ablaufstelle liegenden
Glocken. Bei Füllkörpersäulen und Hordenwäschern endlich wird eine Senkung des Strömungswiderstandes
durch Vergrößerung der Strömungsquerschnitte des Gases oder Dampfes stets erkauft
mit einer über den Kolonnenquerschnitt ungleichmäßigen Flüssigkeitsbeaufschlagung,
womit ebenfalls ein Rückgang der Austauschwirkung der Kolonne verbunden ist.
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Zusammenfassend läßt sich also über alle Kolonnensysteme hinsichtlich
ihrer Einbauten aussagen, daß sie zur Erreichung eines stabilen Strömungszustandes
als Voraussetzung für eine intensive Austauschwirkung stets einen bestimmten Mindestdruckabfall
benötigen, bei dessen Unterschreiten der Strömungszustand über den Kolonnenquerschnitt
unstabil und ungleichmäßig wird. Dieser Mindestdruckabfall. ist für alle Austauschsysteme
kennzeichnend und bei den bisherigen Kolonneneinbauten größtenteils dadurch bedingt,
daß die aufgegebene Flüssigkeit zu ihrer gleichmäßigen Verteilung- einen gewissen
Widerstand benötigt, da sie lediglich durch ihr Eigengewicht verteilt wird. Der
"Mindestdruckabfall bildet somit die notwendige Dämpfung, um die an sich labilen
Strömungsverhältnisse innerhalb einer Kolonne zu stabilisieren.
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Aus diesen Betrachtungen folgt, daß der Versuch, den Druckabfall von
Kolonneneinbauten lediglich durch Vergrößerung der Strömungsquerschnitte des Gases
bzw. Dampfes senken zu wollen, nur eine Scheinlösung bedeutet, indem die Beaufschlagung
des Austauschsystems durch das Gas bzw. den Dampf so weit gesteigert werden muß,
bis der obenerwähnte Mindestdruckabfall abermals erreicht wird. Man erkennt, daß
sich damit lediglich das Belastungsniveau der Kolonne nach oben verschoben hat,
was jedoch fast immer mit einem gleichzeitigen starken Rückgang ihrer Wasch- bzw.
Trennleistung erkauft wird, vor allem durch starkes Mitreißen von Flüssigkeitstropfen
durch den Gas-bzw. ,Dampfstrom.
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Es- ist auch bereits versucht worden, die im Apparate- bzw. Kolonnenbau
bisher übliche, rein statische Arbeitsweise aufzugeben und durch Erkenntnisse, der
Gaskinetik zu erweitern, indem man die Dampfaustrittsöffnungen der Kolonnenböden
so gestaltete und ausrichtete, daß das Gas bzw. der Dampf der Flüssigkeit. auf ihrem
Weg von der Zulauf- zur Ablaufstelle an allen Stellen des Bodens zur Erzielung eines
Staues einheitlich entgegengeführt wurde. Obwohl durch diesen Staueffekt die Strömungsverhältnisse
bedeutend stabiler und dadurch störende Erscheinungen, wie Pendeln der ..Flüssigkeit
usw., vermieden werden, sind damit die Möglichkeiten, die sich aus einer Behandlung
des .eingangs aufgezeigten Problems auf dynamischer Grundlage ergeben, noch nicht
ausgeschöpft, da hierdurch der Strömungszustand auf dem Boden lediglich in radialer
Richtung stabilisiert wird, während in tangentialer Richtung, d. h. rings um die
Vertikalachse der Kolonne bzw. der Böden, weiterhin ein labiler Strömungszustand
bestehenbleibt.
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Der weitere Vorschlag, die Flüssigkeit auf einen Böden in der Weise
aufzugeben bzw. abzuleiten, daß sie von der Zulauf- zur Ablaufstelle kreisringförmig
strömt, bedeutet ebenfalls eine rein statische Maßnahme. An dieser Tatsache ändert
auch der Umstand nichts, daß man die Dämpfe bzw. Gase in Richtung des Flüssigkeitsstromes
aus dem Boden austreten läßt, da die Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Dämpfe
bzw. Gase bei dieser Anordnung keinesfalls bis zur Erreichung eines dynamischen
Effektes gesteigert werden kann. Denn bereits bei der ersteren Anordnung tritt erfahrungsgemäß
eine Verschiebung der Winkelgeschwindigkeiten auf den einzelnen kreisringförmigen
Bahnen der strömenden Flüssigkeit auf, was infolge der Zentrifugalkraft bewirkt,
daß die Flüssigkeit besonders in der inneren, der Ablaufstelle zugewandten Zone
des Bodens nach außen wandert und damit einen einseitigenDämpfedurchtritt veranlaßt.
Dieser Übelstand wird naturgemäß noch verstärkt, wenn die Flüssigkeit durch den
in ihrer Strömungsrichtung austretenden Dampf bzw. Gas zusätzlich beschleunigt wird.
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Durch den vorliegenden Erfindungsgegenstand ist ein Austauschboden
für Kolonnen mit über dem Boden verteilten, in schräger Richtung durch diesen geführten
Durchtrittsstellen für die Gase bzw. Dämpfe geschaffen worden, der den eingangs
gestellten Forderungen nach gleichmäßigerArbeitsweise bei gleichzeitig geringemDruckverlust
in einfachster und sicherer Weise entspricht.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, daß der
Boden in zwei oder mehrere Felder mit reihenweise angeordneten, unter sich parallelen
Durchtrittsöffnungen für die Gase bzw. Dämpfe und Flüssigkeiten derart aufgeteilt
wird, daß durch entsprechende Lage der Einzelfelder beliebig gerichtete Rotationsströmungen
der auf dem Boden befindlichen Flüssigkeit erzeugt werden können. Diese Aufteilung
des Bodens in Einzelfelder bietet sowohl in konstruktiver wie verfahrensmäßiger
Hinsicht bedeutende Vorteile, denn einmal ist es auf diese Weise möglich, den Boden
derart zu gestalten, daß die Austrittsöffnungen innerhalb der einzelnen Felder sowohl
durch Zusammensetzen derselben aus einzelnen, in sich gleichen Formstäben bzw. Formelementen
wie auch durch Verwendung von einheitlich mit entsprechenden Öffnungen versehenen
Platten oder Blechen, wie z. B. Streckmetall, ausgebildet werden können.
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Verfahrensmäßig wird auf diese Weise erreicht, daß zwar die Vorteile
der Rotation als stabilster Strömungszustand voll erreicht und durch entsprechende,
mit einer endlichen Aufteilung des Bodens in einzelne Felder zwangsläufig verbundene
radiale Steuerung der Flüssigkeit der Zentrifugalkraft wirksam begegnet werden kann.
Darüber hinaus ist durch diese Stabilisierung des Strömungszustandes die Möglichkeit
gegeben, auf besondere
Abläufe der Flüssigkeit gegebenenfalls zu
verzichten, ohne ein störendes Schaukeln oder Pendeln der Flüssigkeit auf dem Boden
befürchten zu müssen.
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In der Zeichnung ist schematisch die Aufteilung des Bodens in verschiedene
Felder dargestellt, und zwar veranschaulicht Abb. i ein Vektordiagramm, aus dem
ersichtlich ist, in welcher Weise die auftretenden Kräfte in radiale und tangentiale
Komponenten zerlegt werden; Abb. 2 bis 6 zeigen die mannigfaltigen Formen der Aufteilungsmöglichkeit,
während Abb. 7 einen Längsschnitt durch mehrere übereinander angeordnete Böden veranschaulicht;
Abb. 8 zeigt die Draufsicht und den dazugehörigen Querschnitt des als mögliche Ausführungsform
zur Verwendung gelangenden Streckmetalls.
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Wie aus Abb. i hervorgeht, kann man durch einheitliche Drehung der
Austrittsöffnungen des Gases bzw. Dampfes gegen den jeweiligen Radius um den Winkel
a die kinetische Energie C des aus den entsprechend geformten Austrittsöffnungen
mehr oder weniger horizontal ausströmenden Gases oder Dampfes in eine radiale (C,,)
und eine tangentiale (Ct) Komponente zerlegen. Dabei läßt sich feststellen, daß
für den gewünschten Strömungseffekt grundsätzlich nur die Einheitlichkeit der Richtungen
von Ct und C,. an allen Stellen des Bodens entscheidend ist, um den für die Rotation
der Flüssigkeitsschicht notwendigen Impuls zu bewirken, da das Schwungmoment der
in Drehung versetzten Flüssigkeitsschicht genügt, um die notwendige Stabilität bereits
voll zu erreichen. Dieser Umstand ist insofern von grundlegender Bedeutung, als
er gestattet, Böden beliebigen Durchmessers und mit den beschriebenen Strömungseigenschaften
aus einzelnen in sich gleichbleibenden Profilstücken zusammenzusetzen, sofern sie
nur einen mehr oder weniger horizontalen Austritt des Gases bzw. Dampfes nach einer
Seite gewährleisten. Teilt man nämlich, wie aus Abb. 2 bis 6 zu ersehen ist, einen
Boden in zwei oder mehrere Zonen auf, wobei jede Zone einheitlich mit Profilstücken
oder mit entsprechend profilierten und mit Öffnungen versehenen Blechen oder Platten
ausgelegt ist, so entstehen aus diesen einzelnen Teilen des Bodens bei dessen Beaufschlagung
durch Gas oder Dampf bestimmte Kraftfelder, deren im gleichen Drehsinn liegenden
Impulse sich addieren, und die, wie die eingezeichneten Vektordiagramme in den Abb.
2 bis 6 erkennen lassen, je nach Zahl und Ausrichtung die mannigfaltigsten Variationen
erlauben. Innerhalb eines jeden Feldes zeigt das Vektordiagramm eine deutliche Größenänderung
der beiden Komponenten von Feldanfang zu Feldende (im Strömungssinn gesehen), wobei
zu beachten ist, daß die Betonung der einen oder anderen Komponente mit steigender
Unterteilung des Bodens zunimmt. Desgleichen ist aus diesen Abbildungen durch ihre
Unterteilung in a und b zu
ersehen, daß sich der jeweiligen Flüssigkeitsaufgabe
auf den Boden, entweder am Rand oder in der Mitte, durch entsprechende Ausrichtung
der Kraftfelder eingehend Rechnung tragen läßt (vgl. Abb.7), wobei man außerdem
den Drehsinn der Flüssigkeit von Boden zu Boden gleich oder wechseln lassen kann.
Der Strömungszustand auf einem derartigen Boden ist also, unabhängig von der Zahl
der Kraftfelder, stets dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit gleichzeitig
Radial- sowie Kreisbewegungen ausführt, wodurch ein Spiralstrom vom Rand zur Bodenmitte
oder umgekehrt, entsprechend der durch die einzelnen Kraftfelder vorgeschriebenen
Richtung entsteht. Hierbei besteht durch entsprechende Bemessung der Radialkomponente
jederzeit die Möglichkeit, unerwünschten Zentrifugalkräften, die bei starker Rotation
der Flüssigkeit auftreten können, wirksam zu begegnen.
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Der im Gas bzw. Dampf nach Verlassen der Flüssigkeitsschicht verbleibende
Anteil an kinetischer Energie setzt sich in dem darüber befindlichen Gas- bzw. Dampfraum
in reine Rotation um und ermöglicht auf diese Weise eine der jeweiligen Beaufschlagung
angepaßte Zentrifugalabscheidung mitgerissener Flüssigkeitströpfchen.
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Die vollkommene Stabilisierung des Strömungsbildes, verbunden mit
einer gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit über den ganzen Boden, gemäß der
beschriebenen Anordnung, kann nunmehr die bisher bei allen Einbauten erforderliche
und bereits eingangs gekennzeichnete Dämpfung nahezu restlos ersetzen, «ras eine
erhebliche Senkung des Strömungswiderstandes des Bodens durch Vergr5ßerung seines
Öffnungsverhältnisses weit über das bisher übliche Maß hinaus gestattet. So kann
man z. B. die einzelnen Felder eines Bodens nach Abb. 2 bis 6 ohne weiteres mit
den im Handel als Streckmetall bekannten Profilblechen auslegen, die ja durch ihre
besondere Herstellung ohnedies einen mehr oder weniger horizontalen Gas- bzw. Dampfaustritt
gewährleisten. Bei derartig zahlreichen und großen Öffnungen besteht neben der außerordentlichen
Senkung des Strömungswiderstandes ferner die Möglichkeit, die Flüssigkeit, deren
Weg über den Boden ja dynamisch bedingt ist, in der Mitte bzw. am Rand durch die
Öffnungen selbst ablaufen zu lassen und somit auf besondere Ablaufrohre zu verzichten,
ohne daß eine Behinderung des Flüssigkeitsablaufs durch das Gas bzw. den Dampf,
selbst bei sehr großen Beaufschlagungen, zu befürchten wäre. Auch in dieser Beziehung
bietet die Verwendung von Streckmetall große Vorteile, da dessen mehr oder weniger
rhombisch geformte Austrittsöffnungen (vgl. Abb. 8) das störungsfreie Abfließen
der Flüssigkeit gegen das Gas bzw, den Dampf besonders begünstigen.