DE2511358A1 - Fuellkoerper hoher porositaet fuer gas-fluessigkeits-kontakte und anwendungen solcher fuellkoerper - Google Patents
Fuellkoerper hoher porositaet fuer gas-fluessigkeits-kontakte und anwendungen solcher fuellkoerperInfo
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- Gas Separation By Absorption (AREA)
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Description
HcINZ-JOACHIM HUBER 8257
MÖNCHEN 2! I4. März 1975
ENTREPRISE DE RECHERCHES ET D1 ACTIVITY'S
PETROLIERES (ELF) Paris, Rue N€laton 7 (Frankreich)
Füllkörper hoher Porosität für Gas-Flüssigkeits-Kontakte
und Anwendungen solcher Füllkörper
Priorität aus der französischen Patentanmeldung
Nr, 74 08843 vom 15. März 1974
Die Wirksamkeit des Gas-Flüssigkeits-Kontakts in einer Blasensäule
ohne Füllkörper oder Hindernisse (Platten, Leitbleche .··) wird durch verschiedene hydrodynamische Erscheinungen
begrenzt; die wichtigste Erscheinung ist das Koaleszieren der Blasen und die axiale Vermischung von
Flüssigkeit und Blasen.
Die Blasenkoaleszenz führt zur Bildung von Gaspfropfen beträchtlichen Durchmessers, die wegen ihrer sehr geringen
Kontaktfläche einen förmlichen Gaskurzschluß zur Folge
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haben. In Säulen von ausreichend kleinem Durchmesser» entsteht
auf diese Weise ein förmglicher GasVerschluß.
Die axiale Vermischung der Flüssigkeit, die bei den Kontaktvorgängen
die Höhe der Übergangsanlage umso mehr vergrössert, je größer der Durchmesser der Säule ist, kann
die Wirksamkeit industrieller Absorptionssäulen von mehreren
Metern Höhe auf die Wirksamkeit von Säulen mit einer einzigen theoretischen Stufe herabsetzen, Die axiale
Vermischung hängt einerseits von der in der Flüssigkeit infolge des Gasdurchganges erzeugten Turbulenz ab und
andererseits von der Mitnahme eines Flüssigkeitsstreifens durch die Blasen,
Um diese beiden Wirkungen, die am häufigsten die Wirksamkeit einer Blasensäule sowohl im Gleichstrom- wie im
Gegenstromverfahren bis auf unzureichende Werte abfallen lassen, zu mildern, werden im allgemeinen Einbauten in Form
von Füllkörpern unterschiedlicher Form verwendet: Raschigringe, Berlsattel, Pallringe ..., deren Porosität oder Hohlraumanteil
im allgemeinen zwischen 55 und 80 % liegt. Bei Anwendung derartiger Einbauten läßt sich die Höhe der Übergangsanlagen
herabsetzen, sie führt aber zu anderen Nachteilen,
Die Begrenzung der Durchgangsfläche der Fluide hat nämlich
eine erhebliche Herabsetzung des maximal zulässigen Durchsatzes bei einer Gegenstrom-Strömung infolge Einengung
der Säule zur Folge,
Wenn ausserdem die zu behandelnde Flüssigkeit Partikel in Suspension mitführt, oder wenn während des Kontakts
derartige Teilchen ausfallen, können Verstopfungen der Füllkörper eintreten, die plötzlich eine Erhöhung des Druck-
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abfalls und eine Herabsetzung des zulässigen maximalen Durchsatzes zur Folge haben, was schließlich die Stilllegung
des Geräts, seine Reinigung oder den Austausch der Füllkörper erforderlich macht.
Es können sich auch Vorzugsbahnen ausbilden, förmliche
Flüssigkeits- und Gas-Kurzschlüsse, die die Wirksamkeit
der Anlage erheblich herabsetzen.
Schließlich können die Füllkörper auch hohe Herstellungskosten verursachen, wenn man einen Werkstoff benutzen muß,
der korrosionsfest gegenüber den in der Säule bewegten chemischen Produkten ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten bei den nach einem Gleichstrom- oder einem
Gegenstromverfahren bei eingeschlossenem Gas ablaufenden Gas-Flüssig-Kontakt-Vorgängen, d.h., wenn die Flüssigkeit
die geschlossene Phase bildet, mit Hilfe einer neuen Art von Füllkörpern zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Füllkörper ist gekennzeichnet durch
einen Aufbau aus zwei aufeinandergelegten und zu einem Rohr zusammengerollten Gitterschichten, von denen die eine als
Träger betrachtet wird und eben ist, während die zweite waffeiförmig gepreßt, gefaltet oder gewellt ist.
Da diese Elemente sehr einfach und mit geringen Kosten anzufertigen
sind, ist es möglich, mit ihrer Hilfe die Betriebssicherheit und die niedrigen Kosten der Blasensäulen
und der Wirksamkeit von Füllkörpersäulen miteinander zu vereinigen.
Die beiden Gitterschichten können Maschen von beliebiger
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Form, quadratische, sechseckige oder sonstige Maschen aufweisen,
wobei die Abmessungen der Maschen des Stützgitters gleich denen der waffeIförmigen, gefalteten oder gewellten
Gitterschicht oder ungleich deren Abmessungen sein können.
Das Gitter kann geflochten oder geschweißt sein, und die Wahl richtet sich nur nach seiner Korrosionsbeständigkeit
gegenüber den Flüssigkeiten und Gasen, mit denen es in Berührung kommt· Das Gittermaterial wird ebenfalls im Hinblick
auf seine mechanische Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit gewählt. Es kann aus Metall, aus Kunststoff
oder aus kunststoffummanteltem Metall hergestellt werden. Bei Schuß und Kette des Gitters kann das eine Element
aus Kunststoff oder kunststoffummanteltem Metall und das andere aus Metall bestehen, wobei in bestimmten Fällen
die Benetzung noch verbessert werden kann. Die Formung des gefalteten, wabenförmig geformten oder gewellten Gitters
erfolgt mechanisch nach schnellen und wirtschaftlichen industriellen Verfahren. Die Rohre lassen sich in allen zweckentsprechenden
Abmessungen herstellen.
Man kann auch Rohre herstellen, deren Durchmesser sehr wenig grosser ist als der Durchmesser der zu beschickenden
Säule. Die Elastizität der Rohre erlaubt ihren Einbau in die Säule ohne Schwierigkeiten, Ihr geringes Gewicht
macht jede zusätzliche Staueinrichtung entbehrlich, und sie können in Schichten übereinander angeordnet werden.
Wenn sie kleine Abmessungen haben, kann man sie einfach in der Kolonne aufschichten.
Eine solche Art von Füllkörpern ist somit für jede Montage und für die Abmessungen jedes Austauschers oder Reaktionsgefäßes
geeignet.
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Die erfindungsgemäßen Füllkörper haben somit, zusammengefaßt,
die nachstehend aufgezählten Vorteile:
sehr einfache Herstellung von Elementen mit jedem Volumen und in allen Abmessungen.
- Sehr niedrige Herstellungskosten.
- Allen Säulen, Kolben, Rohrleitungen oder Reaktoren beliebiger Art, in denen ein Gas-Flüssig-Kontakt aufgebaut
wird, leicht anzupassen.
Hohe Festigtet gegen Zusammendrücken und Verformung sowie ausgezeichnetes Verhalten beim Arbeiten bei hohen
Temperaturen.
- Schließlich eine verbesserte Wirksamkeit gegenüber Blasensäulen ohne Füllkörper und gegenüber Blasensäulen
mit Gitterringen als Füllkörper.
Diese Wirksamkeit ist auf eine Porosität des Geflechts
zurückzuführen, die größer als 90 % ist und die eine sehr gute Verteilung des Gases herbeiführt, dessen Blasengröße
über die gesamte Säulenlänge unverändert bleibt. Die Blasengröße hängt von den Abmessungen der Gittermaschen sowie
den Maßen der gefalteten, waffeiförmigen oder gewellten
Schichten ab. Im Gegensatz zu den Blasensäulen ohne Füllkörper tritt eine Koaleszenz der Blasen nur ganz beschränkt
auf, denn die Blasen werden von den horizontalliegenden Gitterdrähten in viele Blasen mit kleinen Abmessungen zerteilt.
Dadurch ergibt sich eine sehr merkbare Erhöhung der mittleren Austauschflächen, die umso größer ist je größer
der Gasdurchsatz ist; das gilt für Gleichstrom- wie für Gegenstromvorgänge.
Die erfindungsgemäßen Füllkörper ermöglichen in einer vorgegebenen
Säule ausserdem einen viel grösseren Gasdurchsatz als in füllkörperlosen Säulen, in denen der Durchsatz
durch die Bildung von Gaspfropfen begrenzt ist.
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Schließlich ist festzustellen, daß diese Füllkörper eine Stabilisierung der beiden Phasen herbeiführen, indem die
Turbulenz der flüssigen Phase und damit die sich daraus ergebende axiale Schwankung begrenzt wird.
Bei Vorgängen, die im Gegenstrom ablaufen, ist dieser Einfluß besonders stark und führt zur Erhöhung der Kontaktwirkung
.
Die erfindungsgemäßen rohrförmigen Füllkörper lassen sich äusserst einfach herstellen.
Die Stützschicht besteht aus einem Gittergewebe aus Metall
und/oder Kunststoff, das geflochten oder geschweißt ist. Die Maschen erhalten beliebige geometrische Gestalt, sie
sind jedoch meistens quadratisch, rechteckig oder sechseckig, Ihre Abmessungen können zwischen 2 mm und 20 mm
schwanken und liegen vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 mm.
Die auf die Stützschicht gelegte gefaltete, gewellte oder waffeiförmige Schicht kann aus dem gleichen Material oder
einem anderen Material bestehen. Die Formgebung dieser zweiten Schicht wird mit Industriemaschinen bekannter Art vorgenommen,
die kontinuierlich mit großer Geschwindigkeit in Schichten von 2 m Breite ein gewünschtes Profil herstellen.
Fig. IA zeigt das Profil einer gefalteten Schicht, bei der die Abschnittslänge 1 der gebrochenen Linie zwischen
dem Zweifachen und dem Fünffachen der Maschengröße schw«nkt und bei einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 5 und
mm liegen kann. Der Winkel Qi der gebrochenen Linie variiert zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 75° und 105°.
Fig. IB gibt das Profil einer gewellten Schicht wieder. In
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diesem Fall variiert die Amplitude a der Verformung in
einem Verhältnis 1/8 bis 1 mit dem Abstand m zwischen zwei aufeinanderfolgenden, in die gleiche Richtung zeigenden
Wellenbergen.
Die geformte Schicht wird auf die Stützschicht gesetzt. Das Ganze wird aufgewickelt! wie es in den Fig. 2A und 2B
gezeigt ist.
Die auf diese Weise hergestellten Rollen haben folgende Eigenschaften:
- eine mehr als 90 % !«tragende Porosität.
- Hohe mechanische Festigkeit.
- Bemerkenswerte Elastizität, wodurch das Einfüllen von Füllkörpern erleichtert und ein Zusammendrücken der Füllkörperschichten
vermieden wird,
- Geringes Gewicht.
- Eignung als Füllkörper für Säulen und Reaktoren aller Abmessungen
und beliebiger Form.
Bezüglich dieser letztgenannten Eigenschaft läßt sich genauer sagen, daß die Rollen mit großen Abmessungen und mit
einem Durchmesser, der etwas größer als der der zu füllenden Säule ist,durch Zusammendrücken in die Säule eingeführt
werden, und daß für den Einbau dieser Füllkörper dank ihrer Elastizität und ihres geringen spezifischen Gewichts keine
besonderen Montierungen benötigt werden. Sie können nötigenfalls aufeinandergestapelt werden.
Bei Säulen mit großem Durchmesser, Kolben oder sonstigen Reaktoren unterschiedlicher Form werden zur Füllung kleine
Füllkörperrohre übereinandergesetzt·
Die Wirksamkeit der erfindungsgemäJ&en Füllkörperelemente
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läßt sich besser anhand der nachstehenden Beispiele erläutern; die Anwendung solcher Füllkörper erstreckt sich
auf alle Vorgänge mit Gas-Flüssig-Kontakt, die nach einem Gleichstrom- oder einem Gegenstromverfahren arbeiten und
bei denen die Flüssigkeit die geschlossene Phase darstellt.
Bei einer als Dispersionssäule bezeichneten Säule von 292 mm
Durchmesser wird im Gegenstrom Wasser als geschlossene Phase an einer aus Luft, die Kohlenstoffanhydrid mitführt, bestehenden
gasförmigen Phase vorbeigeführt. Es werden Vergleichsmessungen des mittleren Blasendurchmessers, der Größe
der Austauschfläche und der Transportleitung in folgenden
Fällen angestellt:
1) in der Säule befinden sich keine Füllkörperelemente.
2) In der Säule befinden sich Gitterringe der in Fig. 3 gezeichneten
Art, bestehend aus einem Gitter aus nichtrostendem Stahldraht mit geflochtenen, nicht verschweißten Drähten
von 0,970 mm Durchmesser in quadratischen Maschen von 4,55 mm, bei einer dem Durchmesser des Gitterringes
gleichen Höhe von 30 mm.
3) In der Säule befinden sich erfindungsgemäße Rollen von 300 mm Durchmesser und 400 mm Höhe aus einem Stützgewebe
mit quadratischen Maschen von 10 mm aus einem Draht von 0,5·0 mm aus nichtrostendem Stahl und einem gefalteten
Gewebe aus gleichem Werkstoff (vgl. Fig. 4). Das der Darstellung
in Fig. IA entsprechende Profil des gefalteten
Gewebes besitzt eine Länge 1 von 25 mm und einen Abstand von 30 mm zwischen zwei aufeinanderfolgenden Faltungskanten,
Aus den Kurven der Fig,5 läßt sich die Wirkung eines Füllkörpereinbaüs
auf den mittleren Blasendurchmesser entnehmen#
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und zwar zeigt sich für eine Durchlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit von V1 = 1,62 cm/see in der Säule, daß der
in Ordinatenrichtung aufgetragene mittlere Blasendurchmesser
eindeutig kleiner ist bei einer Säule, die mit röhrenförmigen Füllkörpern (Kurve T) ausgestattet ist, wo er sich
zwischen etwa 0,20 und 0,28 cm bewegt. Bei einer mit Gitterringen versehenen Säule (Kurve A) variiert der Blasendurchmesser
zwischen 0,28 und 0,32 cm. Die füllkörperfreie Säule
(Kurve V) zeigt einen mittleren Blasendurchmesser, der zwischen 0,30 und 0,35 cm variiert. Die Durchtrittsgeschwindigkeit
des Gases Vg in cm/sec ist in Abszissenrichtung aufgetragen.
Die mittlere Größe a der Austauschfläche für Flüssigkeitsdurchtrittsgeschwindigkeiten
zwischen 0 und 1,6 2 cm/sec zeigt ebenfalls die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Füllkörper,
In Fig. 6, in der in Ordinatenrichtung die Austauschflächen in cm" und in Abszissenrichtung die Gasgeschwindigkeiten
aufgetragen sind, entspricht die Kurve T den genannten Füllkörpern und zeigt, daß sich mehr als 5 cm" große
Austauschflächen erreichen lassen, während die Kurven A bzw. V, die einer mit Gitterringen gefüllten bzw. einer füllkörperfreien
Säule entsprechen, ein Maximum in der Gegen von ■+ aufweisen. Diese Verbesserung ist umso deutlicher, je höher
die Fluiddurchsätze sind. Wenn der Gasdurchsatz Vg erhöht
wird, so bildet sich in den Säulen A und V eine, pfropf artige instabile Strömung aus, die keine Messung der Austauschfläche
erlaubt, während die beanspruchten Füllkörper mit hoher Porosiöt zu einer stabilen Strömung mit kleinen Blasen
führen.
Messungen der Absorption von Kohlensäuregas in Wasser haben ausserdem gezeigt, daß die Gesamtübergangsleistung K_a deutlich
stärker ist, wenn eine Säule mit Füllkörperröhren mit
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- ίο -
hoher Porosität ausgerüstet ist, verglichen mit einer
füllkörperfreien Säule (dargestellt in Fig. 7). In Fig. 7 ist als Abszisse die Gasgeschwindigkeit Vn in cm/see und
-1
als Ordinate die Gesamtübergangsleistung KLa in see aufgezeichnet,
wobei die Flüssigkeitsgeschwindigkeit zwischen 0 und 1,62 cm/see gehalten ist.
Die Erhöhung der Gesamtübergangsleistung wird durch die Tatsache erklärt, daß die Austauschfläche y größer ist und andererseits
der Übergangskoeffizient in der füllkörperbeschickten Säule immer etwas grosser ist wegen einer besseren Erneuerung
der Austauschflächen.
Ausserdem haben diese Messungen gezeigt, daß die neuen Füllkörper mit hoher Porosität die AxialVermischung deutlich zu
begrenzen gestatten und damit die Wirksamkeit um ein beträchtliches Maß heraufsetzen. Daraus ergibt sich, daß die
Höhe der Übergangseinheit gegenüber den nicht mit Füllkörpern oder mit Füllkörpern bekannter Art versehenen Einheiten
herabgesetzt werden kann.
Ozonisierung von phenolhaltigen Abwässern.
Nach dem in der französischen Patentanmeldung 7H 0395 6 vom
6. Februar 1974 der Anmelderin beschriebenen Verfahren zur Ozonisierung von phenolhaltigen Abwässern (Bezeichnung;
"Industrielles Verfahren zur Behandlung von phenolhaltigen Gewässern mit Ozon") wird eine Säule von 2,50 m Höhe und
0,1 m Durchmesser verwendet, um ein Raffinerieabwasser, das 1 bis 5 ppm Phenol enthält, zu behandeln. Wenn die Säule keine
Füllkörper enthält und im Gegenstrom zwischen Gas und Flüssigkeit arbeitet, ist der maximal nutzbare Durchsatz von mit
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Ozon angereicherter Luft annähernd unabhängig von dem Flüssigkeitsdurchsatz und beträgt größenordnungsmässig
800 l/h, und die Ozonverluste liegen bei etwa 8 %. Bei höherem Durchsatz koaleszieren die Blasen schnell und bilden
Pfropfen, und der Ozonverlust ist dann etwa 20 bis 30 %. Werden Füllkörper in Rohrform mit großer Porosität benutzt,
die ein quadratisches Maschenbild mit 7 mm Seitenlänge, 1=2 cm, CfC = 90°, aufweisen, so kann man mit einem Gasdurchlaß
von 2000 l/h bei einem Ozonverlust in der Größenordnung von nur 4 % arbeiten, wobei der Flüssigkeitsdurchsatz
im gleichen Verhältnis wie der Gasdurchsatz erhöht werden kann. Ee ergibt sich also sowohl eine deutliche Zunahme des
maximalen Gasdurchsatzes als auch eine Zunahme der Wirksamkeit.
Blasen von Bitumen.
Die Qualität des Bitumens wird durch Einblasen von Luft, die eine Oxydation von bestimmten Molekülen und eine Verbesserung
der Härte des Erzeugnisses herbeiführt, verbessert.
Die Anwendung von Ftillkörpern der in Beispiel 2 beschriebenen
Art führt zu einem deutlich verbesserten Produkt, wobei der gleiche Luftdurchsatz und die gleiche Verweildauer des
Bitumens in der Blassäule beibehalten werden. Diese Produktgüte läßt sich erzielen, indem zweimal weniger Luft je Kilogramm
des behandelten Bitumens eingeblasen wird als in eine füllkörperfreie Säule. Bei der Anwendung von Füllkörpern
mit hoher Porosität sind die VerkokungsSchwierigkeiten beseitigt,
die im allgemeinen die Anwendung von Füllkörpern bei diesem Vorgang ausschlossen.
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Es ist festzustellen, daß die Füllkörper gemäß der Erfindung, mit hoher Porosität, die leicht und billig herzustellen
sind und in allen Säulen oder Reaktionsgefäßen ohne besondere Haltevorrichtungen angeordnet werden können,
die Wirksamkeit des Kontakts zwischen einem blasenartig in einer Flüssigkeit dispergiertem Gas bei einem Gleichstromvorgang
oder einem Gegenstromvorgang zwischen Flüssigkeit und Gas deutlich erhöhen, und zwar bei allen Absorptions-
oder Desorptionsvorgängen sowie bei Mitführungsvorgängen, die sich zwischen Gas und Flüssigkeit abspielen, wobei
eine chemische Reaktion ablaufen kann aber nicht ablaufen muß und Wärme übertragen werden kann, aber nicht übertragen
werden muß.
P aten tansprüche:
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Claims (1)
- Patentansprüche1, Füllkörper hoher Porosität für im Gleichstrom oder im Gegenstrom stattfindende Gas-Flüssig-Kontakte, einschließlich chemischer Reaktionen,dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei aufeinanderliegenden Gitterschichten bestehen und zu einem Rohr aufgerollt sind, wobei die eine Schicht als Stützschicht betrachtet wird und flach ausgeführt ist, während die zweite Schicht mechanisch vorgeformt ist.2, Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzdchnet, daß die mechanisch vorgeformte Schicht gefaltet, gewellt oder waffeiförmig nach einem Profil ausgeführt ist, dessen Form und Abmessungen vorbestimmt sind.3, Füllkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gefaltete Gitterschicht ein Profil aufweist, bei dem die Länge des Schrägteils der gebrochenen Linie zwei- bis fünfmal so groß ist wie die Größe der Gittermasche.1W Füllkörper nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel an der Spitze der gebrochenen Linie des Profils zwischen 30 und 150° variiert.509841/0613-IH-5. Füllkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellte Gitterschicht ein sinusförmiges Profil aufweist, dessen Amplitude im Verhältnis 1/8 bis 1 mit dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen, die in die gleiche Richtung zeigen, variiert.6, Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter, aus denen der Füllkörper besteht, aus Metalldraht oder Kunststoffdraht hergestellt sind, geflochten oder geschweißt sind und beliebige, meistens quadratische oder sechseckige Maschen bilden, wobei die Maschengröße zwischen 2 mm und 20 mm, vorteilhafterweise zwischen 5 mm und 15 mm variiert.Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterschichten, aus denen der Füllkörper besteht, aus einem beliebigen Metall oder Kunststoff hergestellt sind, das oder der beständig gegenüber den chemischen Stoffen ist, mit denen die Füllkörper in Berührung kommen.8, Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörperrohre in allen Abmessungen herstellbar sind, die den Säulen und Reaktionsgefäßen angepaßt sind, und daß sie in jeder Weise übereinandergeschichtet werden können.9, Anwendung von Füllkörpern nach Anspruch 1 für alle Vor-509841 /0613gänge, bei denen ein Gas in Form von Blasen innerhalb einer Flüssigkeit dispergiert ist, und die im Gleichstrom oder im Gegenstrom ablaufen, bei Absorptions- und Desorptionsvorgängen sowie bei chemischen Reaktionen,
insbesondere an phenolhaltigen Wässern und zum Blasen von Bitumen.509841 /0613
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