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VorrichtunS zum Durchmischen von Gas und Flüssigkeit =============================================
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung-mun Durchmischen von Gas und Flüssigkeit
in Kolonnen, insbesondere in Destillationskolonnen, Absorptionskolonnen und Diapergierkolonneq
jener Art, wie sie beispielsweise in der Erdölteohnik oder in der chemischen Großtechnik
eingesetzt werden.
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Zu den bislang zum Durchmischen von Gas oder Dampf und Flüssigkeit
verwendeten Kolonnenböden gehören (I) Glockenböden, (II) Siebböden und (III) Ventilböden.
Glockenböden erfordern einen größeren Rerstellungsaufwand als andere Kolonnenböden
und gestatten auch keine Selbetregulierung zwischen der niederströmenden Flüssigkeit
und dem aufsteigenden Gas, wodurch Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases oder Dampfes in bestmöglioher Weise ausgeglichen werden könnten. Wegen
dieser Nachteile sind sie in steigendem Maße von Ventilböden verdrängt worden, die
einen relativ einfachen Aufbau haben und darüber hinaus eine Selbstregulierung zulassen.
Kolonnenböden dieser Art sind mit Löchern versehen, über denen in regelmäßiger Anordnung
Hütchen, Glocken oder dergleichen auf
auf Führungsteilen, Füßen
oder sonstigen Organen in der Weise gelagert sind, daß die zwischen diesen Hütchen
oder ähnlichen Teilen einerseits und den Löchern andererseits verbleibenden Zwischenräume
je nach dem Durchsatz des aufsteigenden Gases (oder Dampfes) selbstregulierend einstellbar
sind. Siebböden (II) sind lediglich mit einer Vielzahl von Löchern versehen. Wegen
dieser denkbar einfachsten Bauweise und wegen des geringen Herstellungsaufwandes
finden sich für Kolonnenböden dieser Art vielfältige Anvendungsmöglichkeiten, zumal
sie unter optimalen Betriebsbedingungen auch äußerst leistungsfähig sind. Allerdings
ist der Spielraum für eine stabile Betriebsweise, innerhalb dessen Kolonnenböden
dieser Art voll leistungsfähig sind, begrenzt, und falls man die Blasengröße zu
verringern sucht, um zwischen dem Gas und der Flüssigkeit eine innigere Berührung
herbeizuführen, so läßt sich das gewünschte Resultat infolge einer Verstopfung der
Löcher oder aus anderen Gründen nicht erzielen. Drosselt man die Zufuhr des aufsteigenden
Gases (oder Dampfes), so hat dies auch leicht ein Durchsickern der über den Kolonnenboden
hinwegströmenden Flüssigkeit durch die Löcher zur Folge, so daß der Nutzgrad, der
dem Kolonnenboden zueigen ist, beim Betrieb mit geringer Belastung absinkt.
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Durch die Erfindung sollen die obigen Mängel au sge schaltet werden
und soll eine Anlage zum Durchmischen von Gasen und Flüssigkeiten geschaffen werden,
bei der Abdeckungsteile für die einzelnen Löcher, wie man sie bei den üblichen Ventilböden
kennt, nicht vorgesehen sind, sondern die stattdessen mit auf schwemmbaren oder
aufzuwirbelnden Füllkörpern gefüllt ist, die in eine auf dem Kolonnenboden befindliche
Flüssigkeit eingeschüttet sind, so daß die Durchmischung von Gas und FlüssXgkeit
infolge der freien Beveglichkeit-der fluktuierend aufwirbelnden Füllkörper intensiviert
wird, während gleichzeitig die den Siebböden an sich innewohnenden hervorragenden
Betriebseigenschaften unter Ausweitung des normalerweise begrenzten Spielraums für
eine stabile Betriebsweise besser zur Geltung gebracht werden, um so eine Leistungssteigerung
zu erzielen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung soll eine Ausführungsform
anhand der beigegebenen Zeichnungen beschrieben werden.
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In den Zeichnungen zeigens Figur 1 verschiedene Ansichten eines aufzuwirbelnden
Fall körpers
körpers, wie er in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Durchmischen von Gas und Flüssigkeit Verwendung findet; Figur 2 einen Füllkörper
von unterschiedlicher Formgebung; Figur 3 einen weiteren Füllkörper von unterschiedlicher
Formgebung; Figur 4 noch einen weiteren Füllkörper von untersohiedlicher Formgebung;
Figur 5 einen senkrechten Schnitt durch eine Anordnung mit Siebböden, auf -welche
die in den obigen Figuren gezeigten, aufzuwirbelnden Füllkörper aufgeschüttet sind;
Figur 6 eine Ansicht in einem entlang der Linie A-A der Figur 5 gelegten waagerechten
Schnitt; Figuren 7 und 8 Darstellungen zur Erläuterung des Verhaltens der aufgewirbelten
Füllkörper in einer Flüssigkeit; und Figur 9 eine graphische Darstellung zur vergleichenden
Gegenüberstellung der Betrieb scharakteri stik der erfindungsgemäßen Einrichtung
und der bekannten Einrichtung.
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Es sei zunächst auf Figur 1 Bezug genommen, in der ein schalenförmiger
Wirbelkörper oder Füllkörper 1 gezeigt ist, der aus einem Blech mit einer Stärke
von 0,1 bis 0,2 Millimeter ausgestanzt und hierauf in der Weise verformt wurde,
wie dies der Zeichnung zu entnehmen ist.
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Diese Füllkörper 1 bestehen aus einem nichtkorrodierenden Metall
wie etwa rostfreiem Stahl (beispielsweise SUS 27, SUS 32 usw.
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nach der japanischen Industrienorm) und das Stückgewicht beläuft sich
auf 0,4 bis 1,0 Gramm.
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Der Füllkörper 1 weist an seinem Rand zwei allgemein V-förmige Einkerbungen
21 und 22 auf. Diese Einkerbungen verhindern ein Ineinanderlagern der schalenförmigen
Füllkörper nach dem Einschütten, so daß die freie Beweglichkeit des einzelnen Füllkörpers
in der Flüssigkeit gewahrt bleibt. Der Füllkörper 1 kann aus einem beliebigen geeigneten
Material bestehen, wobei jedes Material in Betracht kommt, das den zu stellenden
Anforderungen wie bei spiel sweise
weise Korrosionsbeständigkeit,
Verschleißfestigkeit, Bearbeitbarkeit und den sonstigen Erfordernissen entspricht.
In Figur 2 ist der Fu~llkörper 1 nicht wie jener der Figur 1 mit Einkerbungen versehen,
sondern weist stattdessen zwei Zungen 31 32 auf, die sich von gegenüberliegenden
Randstellen aus gegeneinander einwärtserstrecken, wodurch gleichfalls ein Ineinanderschachteln
solcher schalenförmiger Füllkörper verhindert wird. Auch in diesem Fall können die
Wirbelkörper aus einem beliebigen geeigneten Werkstoff hergestellt sein.
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In Figur 3 hat der Füllkörper 1 im Unterschied zu dem der Figur 1
eine konische Form. Er weist jedoch ähnliche Einkerbungen 41 und auf, wodurch bei
diesem Wirbelkörper ebensogut wie bei dem der Figur 1 ein Ineinanderschachteln verhindert
werden kann. Doch brauchen die erfindungsgemäßen Wirbelkörper nicht wie die bisher
beschriebenen schalenförmig oder konisch ausgebildet und mit Einkerbungen oder Zungen
versehen zu sein, sondern man kann auch einen Blechstreifen in der Längsrichtung
wendeln, so daß ein spiralförmig eingerollter Füllkörper 5 wie der in Figur 4 gezeigte
entsteht. Die in der Flüssigkeit durcheinanderwirbelnden Füllkörper 1 und 5 brauchen
somit nicht die in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Ausbildung zu haben, sondern können
beliebig geformt sein, sofern ihre Form nur unregelmäßig ist oder sofern durch ihre
Form nur verhindert wird, daß sie sich ineinanderlagern oder ineinanderschachteln.
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In der Anordnung der Figur 5 sind zum Vergleich Siebböden mit aufgeschütteten
Wirbelkörpern, welche die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Formgebung haben,
mit üblichen Siebböden kombiniert.
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Wie aus dieser Figur zu entnehmen ist, handelt es sich bei der obersten
Stufe der hier gezeigten Kolonne um einen üblichen Siebboden, bei der mittleren
Stufe dagegen um einen üblichen Siebboden, auf den wahllos die erfindungsgemäßen
Füllkörper 1 und 5 aufgeschüttet sind, während es sich bei der untersten Stufe um
einen Kolonnenboden aus Drahtgeflecht handelt, der ebenfalls wahllos mit den Füllkörpern
1 und 5 bedeckt ist. In einem Kolonnenhauptkörper 10 ist in dessen oberem Teil ein
Siebboden 11 mit üblicher Bauweise vorgesehen. Es ist dafür Sorge getragen, daß
sich über dem Siebboden 11 jederzeit eine vorbestimmte Menge einer in eine Kammer
an der in der Betrachtungsrichtung der Figur rechten Seite der obersten Stufe einströmenden
den
Flüssigkeit A befindet, die hierauf über einen Überlauf 12 an der linken Seite durch
einen Niederführungsschacht 13 nach unten strömt. Die Flüssigkeit strömt dann über
den SiebbodenWl der mittleren Stufe hinweg, der mit Füllkörpern 1 und 5 bedeckt
ist, tritt in ein an der in der Betrachtungerichtung rechten Seite vorgesehener
Fallrohr 14 ein, fließt über einen als unterste Stufe eingebauten, aus Drahtgeflecht
bestehenden Boden 15 mit Füllkörpern l und 5 hinweg und strömt in einen Niederführungssohacht
16 an der linken Seite ein. Das aufsteigende Gas (oder der Dampf) B kommt beim Hochströmen
stets erneut mit der Flüssigkeit in Berührung. Es sind Rahmen 17 vorgesehen, die
dazu dienen, ein Verspritzen der Flüssigkeit zu verhindern.
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Bei den meisten Anlagen dieser Art, so beispielsweise in De stiilationskolonnen,
Absorption stürmen oder Diffusionstürmen, strömt die Flüssigkeit A im Betrieb durch
solche #iederführungsschächte 13, 14 und 16 von der obersten Stufe aus nach unten.
Beim Hinwegströmen über den Siebboden llt und über den Drahtgeflechtboden 15 wird
die Flüssigkeit mit dem Gas oder Dampf B in Berührung gebracht, das beziehungsweise
der ständig durch die Löcher oder durch das Maschenwerk der Kolonnenböden 11' und
15 nach oben strömt, wodurch der Xaterial- und Wärmetransport zustandekommt. Die
Kolonnenböden 11' und 15 sind jederzeit von einer bestimmten Menge der Flüssigkeit
A bedeckt, die sich aus der Höhe der Überläufe 12 und aus 8 dem Gleichgewiohtszustand
der Flüssigkeit mit dem Volumen des aufsteigenden Gases oder Dampfes bestimmt, worauf
die Flüssigkeit auf die unteren Stufen niederströmt.
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Soweit dies insbesondere den Kolonnenboden 11' betrifft, auf den
wahllos die Füllkörper 1 und 5 aufgeschüttet sind, sind die ablaufenden Betriebsvorgänge
in den Figuren 7 und 8 veranschaulicht.
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Ist der Durchsatz des auf strömenden Gases (oder Dampfes) B beträchtlich,
so werden die Füllkörper 1 von dem aufsteigenden Blasenstrom mitgerissen und bewegen
sich in allen Richtungen durcheinander, so daß eine Wirbelschicht C gebildet wird,
in der es infolge der heftigen Durchmischung der Flüssigkeit 1 und der Zerteilung
der Blasen über dem Siebboden 11' zu einer innigen Berührung zwischen dem Gas und
der Flüssigkeit kommt. Ist der Durchsatz des auf strömenden Gases (oder
(oder
Dampfes) B dagegen geringer, so setzen sich die wahllos auf den Kolonnenboden 11
aufgeschütteten Füllkörper 1 auf der Bodenfläche ab, wodurch zahlreiche kleine Zwischenräume
gebildet werden, die fein genug sind, um das Gas (oder den Dampf) in winzige Bläschen
zu zerteilen und um ein Durchsickern der Flüssigkeit zu verhindern.
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In dieser Weise wird also die Berührung zwischen dem Gas und der Flüssigkeit
intensiviert.
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Für die Aufrechterhaltung eines guten und gleichbleibenden Strömungsverhaltens
bei betrieblichen Belastungs schwankungen (nämlich bei Schwankungen im Durchsatz
des auf strömenden Gases oder Dampfes) sind in erster Linie zwei Faktoren ins Auge
zu fassen, und zwar (a) die Menge der vorgesehenen Füllkörper (die sich unter Berücksichtigung
des Betriebsbereiches aus dem Verhältnis eines optimalen Volumens zu dem der Flüssigkeit
noch verbleibenden Volumen bestimmt) und (b) die Form der Füllkörper (die nämlich
groß genug sein müssen, um nicht durch die Löcher in die nächstniedere Stufe herunterzufallen).
Diesen Umständen oder Bedingungen wird im Rahmen der Erfindung voll Rechnung getragen.
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So kann beispielsweise der Kolonnenboden im Rahmen der Erfindung
zahlreiche Löcher aufweisen, die einen Durchmesser von 10 bis 20 Millimeter haben
können, wobei der Loohdurchmesser um etwa 2 Millimeter kleiner ist als der Durchmesser
des einzelnen Wirbelkörpers.
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Die Menge der Wirbelkörper auf jedem der Kolonnenböden kann so bemessen
sein, daß sich 1 bis 3 übereinandergelagerte Schichten ergeben, für gewöhnlich 1,5
Schichten.
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Ein aus Benzol und Toluol bestehendes binäres Stoff system wurde
einer Versuchsdestillation unterworfen, wobei mit den üblichen Siebböden gearbeitet
wurde, die hierbei entweder mit Füllkörpern 1 bedeckt oder aber von diesen entblößt
waren. Die Resultate sind in der graphischen Darstellung der Figur 9 zusammengefaßt.
In dieser graphischen Darstellung sind auf der Abezissenachse die Aufstiegsgeschwindigkeiten
des Gases (oder Dampfes) aufgetragen, die gleichzeitig den Arbeitsbereich darstellen,
während auf der Ordinatenachse der entsprechende Kolennenleistungsgrad aufgetragen
ist. Die Kurve X1
X1 gibt die Resultate wieder, die mit den leeren
Siebböden erzielt wurden, die Kurve 12 die Resultate bei einer 50prozentigen Beschikkung
der Siebböden mit schalenförmigen Füllkörpern 1, die Kurve 13 die Resultate bei
einer l00prozentigen Beschickung der Siebböden mit schalenförmigen Füllkörpern 1
und die Kurve X4 die Resultate bei einer 150prozentigen Beschickung ähnlicher Siebböden.
Das Fällungs-oder Beschickungsverhältnis wurde also variiert, wobei von der Aufschüttung
einer einzigen Schicht von Füllkörpern#uf jedem Kolonnenboden ausgegangen wurde,
was in diesem Rahmen als 100pro#entige Beschickung oder Füllung bewertet wurde.
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Wie aus der graphischen Darstellung hervorgeht, wird der Betriebsbereich,
innerhalb dessen ein üblicher Siebboden 11 betrieblich voll leistungsfähig ist,
durch die Erfindung erweitert, während dieser Betriebsbereich bislang eng begrenzt
war, was als ein inhärenter Mangel der bekannten konstruktiven Gestaltung betrachtet
werden muß. Die Kurven 12 bis 14 lassen erkennen, daß sich die Füllkörper 1 und
5 bei geringer Betriebebelastung (das heißt bei geringem Durchsatz an auf strömendem
Gas oder Dampf) auf dem Siebboden 111 absetzen, so daß sich die Durchtrittsöffnungen
für das aufsteigende Gas (oder den Dampf) verengen, wodurch ganz von selbst eine
optimale Durchmischung des Gases (oder Dampfes) und der Flüssigkeit über dem Siebboden
11' erreicht wird. Es ist auch klar, daß die Füllkörper 1 und 5 bei einen Betrieb
mit starker Belastung durcheinandervirbeln und hierbei das aufsteigende Gas oder
den Dampf in kleine Bläschen zerteilen, so daß das Mitreißen kleiner Flüssigkeitströpfchen
in die nächsthöhere Stufe unterbleibt und die auf dem Siebboden 11' befindliche
Flüssigkeit heftig bewegt wird, wodurch eine gute Durchmischung herbeigeführt wird.
Knapp zusammenfassend ließe sich feststellen, daß bei der durch die Erfindung geschaffenen
Vorrichtung übliche Siebböden vorgesehen sind, die unter den verschiedenartigen
bekannten Kolonnenböden die einfachste Bauweise haben und den geringsten Herstellungsaufwani
erfordern, wobei lediglich auf diese Siebböden in wahlloser Verteilung Füllkörper
aufgeschüttet sind. Durch diese einfache Maßnahme werden die den üblichen Siebböden
innewohnenden Mangel beseitigt, das heißt, der ansonsten begrenzte Bereich für eine
stabile Betriebsweise wird erweitert und außerdem wird auch ein höherer Leistungsgrad
unter optimalen Betriebsbedingungen erzielt
zielt, als er bei Kolonnenböden
sonstiger Art erreichbar ist. Die für die Siebböden zu verwendenden Füllkörper sind
die in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Füllkörper 1 und 5, wobei jeweils Füllkörper
der gleichen Art benutzt werden können oder auch Mischungen aus verschiedenartig
geformten Füllkörpern, was beides Resultate ähnlich den in Figur 9 zusammenfassend
dargestellten verbürgt.
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Die obige Ausführungsform der Erfindung beweist, daß der als unvermeidlicher
Nachteil der üblichen Siebböden in Kauf zu nehmende enge Bereich einer stabilen
Betriebsweise, in dem eine gute betriebliche Leistungsfähigkeit gewährleistet ist,
nunmehr erweitert werden kann. Im Rahmen der Erfindung werden FüLlkörper, die in
einem breiten Bereich unterschiedlicher Durchsätze des auf strömenden Gases (oder
Dampfes) zur Aufrechterhaltung einer guten Durohmisohungsleistung der Kolonnenböden
beitragen, in wahlloser Verteilung in eine auf einem Siebboden befindliche Flüssigkeit
gegeben, wo sie über dem Siebboden mit Hilfe des auf strömenden Gases eine Schwebe
schicht bilden. Bei einem Betrieb mit geringer Belastung twenn nur wenig Gas oder
Dampf zugeführt wird) setzen sich die wahllos in den Raum oberhalb des Ko lonnenbodens
eingefüll ten, duroheinanderwi rb emden Füll körper auf der Fläche des Kolonnenbodens
ab und bilden so eine Fd1-lungssöhicht mit zahlreichen kleinen Zwischenräumen, was
wiederum dazu beiträgt, die Gasblasen (oder Dampfblasen) äußerst fein zu zerteilen
und ein Durchtreten der Flüssigkeit zu verhindern, so daß eine gute Durchmischung
von Gas und Flüssigkeit gewährleistet bleibt.
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Bei einem Betrieb mit starker Belastung (wenn viel Gas oder Dampf
zugeführt wird) werden die wahllos verteilten Füllkörper über dem Kolonnenboden
in einer solchen Weise hochgewirbelt, daß sie hierbei die auf dem Siebboden befindliche
Flüssigkeit heftig bewegen und die beim Durchtritt durch die Löcher des Siebbodens
gebildeten Gas- oder Dampfblasen in zahllose feine Bläschen zerteilen, was sich
im Sinne guter Betriebeleistungen auswirkt. Figur die im Rahmen der Erfindung zu
vervendenden Siebböden ergeben sich keinerlei Einschränkungen hinsichtlich deæ Lochabstandes,
wie sie bei den üblichen Siebböden zu beachten sind, sondern der Lochabstand kann
in diesem Fall auf ein für die mechanische Festigkeit unerläßliches Minimum verringert
gert
werden, und demgemäß kann die Anzahl der vorgesehenen Löcher mehr als doppelt so
groß sein wie bei den üblichen Siebböden. Dies ist ein weiterer Umstand, der zu
der guten Durohmischungslei stung der erfindungsgemäßen Anordnung beiträgt. Da die
Füllkörper relativ einfach herzustellen sind, können sie ohne weiteres in Massenfertigung
erzeugt werden, wodurch sich der HerstellungsauSsand entsprechend verringert. Auch
ist ihr Gewicht gering, und man braucht sie lediglich auf die Siebböden aufzuschütten,
wenn diese zusammengebaut werden. Dies bietet die Gewähr für eine rationelle Eeretellungsseise
der Anlage, bei der sich keinerlei Einbauschwierigkeiten ergeben können, so daß
die Anlage in kürzester Zeit erstellt werden kann.
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Wie im obigen eingehend beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße
Vorrichtung so beschaffen, daß Kolonnenböden, die eine Vielzahl von Löchern aufweisen,
durch die ein Gas nach oben strömen kann, in wahlloser Verteilung mit Wirbelkörpern
beschickt werden, die bei der Zuführung eines in Blasenform durch eine auf den Kolonnenböden
befindliche Flüssigkeit aufsteigenden Gases'duraheinandergewirbelt werden können.
Durch die Erfindung wird demgemäß eine sehr leistungsfähige Anlage zum Durchmischen
von Gas und Flüssigkeit geschaffen, bei der die freie Beweglichkeit der. Wirbelkörper
die Intensität des Kontakts zwischen dem Gas und der Flüssigkeit erhöht, wobei gleichzeitig
die erwünschten betrieblichen Eigenheiten der Siebböden noch stärker zur Geltung
kommen, während die bei dieser Art von Kolonnenböden sonst zu verzeichnenden Mängel
beseitigt werden, insofern nämlich der normalerweise begrenzte Bereich einer stabilen
Betriebsweise erweitert wird, womit die Gewähr für eine bemerkenswerte Erhöhung
des Gesantleistungegrades gegeben ist.
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