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Austauschboden für Kolonnen
Die Aufgabe eines Austauschbodens besteht
darin, eine möglichst intensive Berührung zwischen strömender Flüssigkeit und aufsteigendem
Dampf zu erreichen, da hierdurch der Grad der Trenn-bzw. Absorptionswirkung des
Bodens bedingt ist.
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Mit dieser Forderung verbindet sich im Hinblick auf die Größenabmessung
der Kolonnenapparatur der Wunsch nad einer möglichst hohen Belastbarkeit des Bodens
bzw. Apparates. Da aber im praktischen Betrieb von Kolonnenapparaten die anfallenden
Mengen des zu trennenden Flüssigkeitsgemisches häufig größeren Schwankungen untereworfen
sind, ergibt sich mit Rücksicht auf die Reinheit des Erzeugnisses für den Austauschboden
die weitere Forderung nach möglichster Konstanz seiner Trennwirkung bei wechselnder
Belastung. Ferner ist noch zu beachten, daß die zu trennenden Flüssigkeitsgemische
oftmals von Verunreinigungen begleitet sind, die sich auf den einzelnen Böden der
Kolonne ablagern und bei längerer Betriebsdauer zu Verstopfungen der Böden verbunden
mit Betriebsstörungen, führen können. Schließlich liegt es im Interesse einer guten
Ausnutzung der gesamten Bodenfläche, daß die Verteilung der Flüssigkeit auf dem
Boden eine möglichst gleichmäßige ist, um eine stellenweise Flüssigkeitsleere des
Bodens zu vermeiden.
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Keiner der bisherigen Bodenkonstruktionen ist es jedoch gelungen,
alle diese Bedingungen gleichzeitig zu erfüllen. Abgesehen davon, daß die absolute
l Höhe der Belastung bei den bisher bekannen Bodenkonstruktionen mit Rücksicht auf
die Trennwirkung der Böden nicht über einen verhältnismäßig geringen Betrag gesteigert
werden
kann, ist es vor allem bis heute nicht gelungen, eine Bodenform
zu schaffen, welche unabhängig von ihrer Belastung einen gleichbleibenden Verstärkungsgrad
aufweist.
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Der Gedanke, die schlechte Durchmischung von Flüssigkeit und Dampf,
wie sie bei den normalen Glockenböden meist anzutreffen ist, dadurch zu verbessern,
daß man die einzelnen Glorleen durch ringförmig ausgebildete und konzentrisch angeordnete
Tunnels ersetzt, wobei die auf dem Boden befindliche Flüssigkeit vom Kolonnenumfang
zur Kolonnenmitte strömt, scheitert an den ungünstigen Strömungsverhältnissen zwischen
Dampf und Flüssigkeit bei höheren Belastungen. Bei dieser Ausführungsart tritt der
Dampf aus den Rundtunnels radial nach innen und nach außen aus. Seine Strömungsrichtung
ist daher abwechselnd entgegen und gleichgesetzt zu der von außen nach innen wandernden
Flüssigkeit. IGleìchzeitig nimmt aber der kreisförmige Durchtrittsquerschnitt des
Dampfes von außen nach innen ab während die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
entsprechend der Kontinuitätsgleichung nach innen zunimmt. Diese Faktoren wirlçen
zusammen in der Weise, daß der Boden bei größeren Belastungen, d. h. bei größeren
Strömungsgeschwindigkeiten des Dampfes leergeblasen wird, indem die Flüssigkeit
durch den in ihrem Sinne strömenden Dampf mitgerissen und damit aus dem Austauschbereich
entfernt wird.
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Noch ungünstiger wirken sich diese Veiliältnisse aus, wie dies in
einem anderen Vorschlag zum Ausdruck gekommen ist, den Boden aus einzelnen konzentrischen
Ringen herzustellen, die von außen nach innen kaskadenartig übereinander angeordnet
sind, dergestalt, daß der aus ihnen zusammengesetzte Boden einem Stufenkonus gleicht.
Die Flüssigkeit wird in diesem Falle der als Auffangtasse ausgebildeten Konusspitze
aufgegeben und rieselt über die einzelnen Ringelemente nach dem zuunterst liegenden
Außenring herab, von wo aus sie durch radial angeordnete Ablaufrohre dem Zentrum
des nächstfolgenden Bodens wieder zugeleitet wird, während der Dampf durch die zylindrischen,
an ihren unteren Enden durchbrochenen Teile der einzelnen Ringelemente radial nach
außen aus tritt. Diese Anordnungsweise, indem hier von vornherein Dampf und Flüssigkeit
in der gleichen Richtung strömen, wirkt sich in der bereits erwähnten Erscheinung
des Leerblasens durch den Dampf erfahrungsgemäß noch bedeutend stärker aus, wodurch
der Belastbarkeit des Bodens naturgemäß sehr enge Grenzen gezogen sind.
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Es sind auch Austauschvorrichtungen bekanntgeworden, bei welchen
zwar auch eine Entgegenführung von Flüssigkeit und Dampf vorliegt, wobei aber, wie
beispielsweise bei einer Füllkörperkolonne. Flüssigkeit und Dampf den gleichen zur
Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt beilutzen. Eine derartige Anordnung hat
erfahrungsgemäß eine große Betriebsabhängigkeit zur Folge, da bei starken Belastungen
die erhöhte Stauwirkung des aufsteigenden Dampfes auf die ablaufende Flüssigkeit
sperrend wirkt.
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Es wurde nun gefunden, daß bei entsprecliender Anordnungweise der
Strömungsrichtungen von Dampf und Flüssigkeit auf einem Austauschboden für Kolonnen,
auf dem die Flüssigkeit über den ganzen Boden von Zutrittsstelle zur Ablaufstelle
geführt wird und bei dem auf dem ganzen Wege die Zuführungsstellen angeordnet sind,
wobei diese aus muidenförmig gestalteten Formelementen bestehen, deren Querschnitt
zur Flüssigkeitsströmung liegende Kanten unter überlappung die Dampfdurchtrittsõinungen
bilden, also eingangs aufgeführte Forderungen sich in einfacher und sicherer Weise
ausführen lassen.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, daß die
Dampfdurchtrittsstellen so angeordnet sind, daß der Dampf zur Erzielung einer Staues
der Flüssigkeit der Strömungsrichtung der Flüssigkeit direkt oder angenähert entgegengefül1rt
wird. Dabei geht die Erfindung von dem Gedanken aus, die dem aufsteigenden Dampf
innewohnende kinetische Energie in der Weise zu verwenden, daß der Austritt des
Dampfes aus dem Boden in die darüber befindliche Flüssigkeitsschicht auf der ganzen
Bodrenfläche in dem der Strömungsrichtung der Flüssigkeit entgegengesetztem Sinne
erfolgt. Durch die erzielte Stauung der Flüssigkeit durch den ihr entgegenströmenden
Dampf wird ihre Verweilzeit auf dem Boden verlängert, während bei allen bisher bekannten
Bodenformen die Geschwindigkeit des zur Reaktion kommenden Gases oder Dampfes ohne,
oder, wie die angeführten Beispiele zeigen, mitunter von nachteiligem Einfluß auf
die Verweil zeit der Flüssigkeit auf den Böden ist, und durch diesen Mangel bei
höheren Dampfgeschwind!igkeiten eine Verkürzung der Berührungszeit zwischen Flüssigkeit
und Dampf und als Folge ein Nachlassen der Trernwirkung des Bodens eintritt, wird
bei dieser Anordnung eine dynamische Kopplung zwischen der Verweilzeit der Flüssigkeit
auf dem Boden und der Geschwindigkeit des aufsteigenden Dampfes erreicht, dergestalt,
daß eine einer höheren Belastung entsprechende Geschwindigkeit des Dampfes auch
einen größeren Flüssigkeitsstau bewirkt. Hierdurch wird entsprechend der größeren
Verweilzeit die Berührungszeit zwischen Dampf und Flüssigkeit und damit auch die
Trennwirkung des Bodens automatisch auf ihrem ursprünglichen Maß gehalten. Dieser
Staueffekt hat außerdem zwangsläufig ein vollkommen gleichmäßiges Arbeiten des Bodens
auf seiner gesamten Fläche zur Folge, da sich an allen Stellen des Bodens ein dynamisches
Gleichgewicht zwischen der Stauhöhe der Flüssigkeit und der kinetischen Energie
des aus den Austrittsöffnungen des Bodens strömenden Dampfes einstellt. Dies gilt
besonders bei Verwendung von Böden mit zentral angeordnetem Ablaufrohr.
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Bei der Beurteilung der Strömungsverhältnisse eines derartigen Bodens
ist zu beachten, daß der Ablauf der Flüssigkeit von dem Boden analog zu
den
gebräuchlichen Bodentypen separat, d. h. über ein besonderes getauchtes Ablaufrohr
erfolgt, wodurch der Ablauf der Flüssigkeit stets und ganz unabhängig von der Geschwindigkeit
des aufsteigenden Dampfes gewährleistet wird, weil, wie bereits beschrieben, die
Stauwirkung des aufsteigenden Dampfes nur für die Verweilzeit der Flüssigkeit auf
dem Boden selbst von Einfluß ist, ohne jedoch, auch bei sehr großen Geschwindigkeiten,
den Ablauf der Flüssigkeit von dem Boden irgendwie zu behindern.
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Die Tatsache, daß die Strömungsrichtungen von Dampf und Flüssigkeit
auf dem ganzen Boden einheitlich und eindeutig festgelegt sind, birgt aber noch
den weiteren bedeutenden Vorteil in sich, daß in diesem Falle der mit hoher Geschwindigkeit
in die Flüssigkeit eintretende Dampf in dieser einen starken stationären Bewegungszustand
hervorruft, wodurch neben einer innigen Durchmischung vori Dampf und Flüssigkeit
aber auch eine weitgehende Sicherheit gegen Ablagerung von Festteilen gewährleistet
wird. Dieser Effekt läßt sich besonders wirksam gestalten, wenn man die Umgebung
der Dampfaustrittsstellen muldenförmig ausbildet.
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Hierdurch wird gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit des Bodens
erreicht.
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Tn der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in mehreren beispielsweisen
Ausführungsformen schematisch dargestellt, und zwar veranschaulicht Abb. 1 einen
Querschnitt durch den aus einzelnen Äfuldenringen gestalteten Austanschboden.
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Abb. 2 die dazugehörige Draufsicht: Abb. 3 stellt im vergrößerten
Maßstabe den Querschnitt durch eine Mufde dar mit den dahei sich ergebenden Strömungseffekten;
Abb. 4 stellt vier verschiedene Formen der Dampfaustrittsöffnungen dar; Abb. 5 veranschaulicht
den Querschnitt durch einen sektorartig aufgeteilten Austauschbodell. während Abb.
6 die dazugehörige Draufsicht darstellt; Abb. 7 veranschaulicht den Querschnitt
durch einen Austauschboden mit parallel zueinander verlaufendem Muldenkörper, während
Abb. 8 die dazugehörige Draufsicht darstellt.
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Bei der Ausführungsform des Austauschbodens nach den Abb. I bis 4
besteht dieser aus konzentrisch zueinander angeordneten, dachziegelartig übereinandergreifenden
muldenförmig gestalteten Rinnen I. Dabei sind die Durchtrittsstellen für die Dämpfe
so ausgebildet, daß der Dampf der Strömungsriclltung der Flüssigkeit direkt oder
angenähert entgegengeführt wird, wodurch eine Stauung der Flüssigkeit entsteht.
Dieses geht aus der Abb. 3 deutlich hervor. Um eine innige Durchmischung und Verteilung
des Dampfes in der Flüssigkeit zu erzielen, sind die Dampfaustrittsstellen 2 der
überlappenden Kanten, wie dies aus Abb. 4 hervorgeht, verschiedenartig profiliert.
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Wie aus Abb. 5 und 6 hervorgeht, kann der Austauschboden aber auch
in sektorförmige Abschnitte 3 unterteilt sein, bei denen ebenfalls die Dampfaustrittsstellen,
wie dies aus Abb. 4 hervorgeht, profiliert sind. Um eine gleichmäßige Verteilung
der Flüssigkeit über den ganzen Boden herbeizufùhren, und um einer eventuell entstehenden
Zentrifugalwirkung der Flüssigkeit entgegenzuarbeiten, werden die Strömungsquerschnitte
des Dampfes an den einzelnen Bodenstellen zweckmäßig vergrößert bzw. verkleinert.
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Aus Abb. 7 und 8 ist eine Anordnung ersichtlich, bei der die muldenförmigen
Rinnenkörper 4 parallel zueinander angeordnet sind.