DE2511497B2 - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Stoffaustausch zwischen heterogenen Systemen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gegenstand.

Das Hauptpatent 23 55 106 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stoffaustausch zwischen heterogenen Systemen in einer wenigstens einen Boden mit einem ersten und einem zweiten Durchlaß aufweisenden Austauschsäule, welcher von oben ein schwererer Mengenstrom und im Gegenstrom dazu von unten ein leichterer Mengenstrom zugeführt wird, die miteinander in einer Mischzone in eine Rotationsbewegung versetzt werden, wobei sich die in der Mischzone gebildete neue schwere Phase oberhalb des zweiten Durchlasses und die entsprechende leichtere Phase unterhalb des ersten Durchlasses anreichern, und

a) der von oben zugeführte schwerere Mengenstrom oberhalb des Bodens in eine vertikale Rotationsbewegung umgelenkt wird, die den lichten Querschnitt der Austauschsaule möglichst vollständig ausfüllt,

b) der von unten durch den ersten Durchlaß des Bodens nach oben hindurchtretende leichtere Mengenstrom von der vertikalen Rotationsbewegung miterfaßt und in dieser mit dem schwereren Mengenstrom vermischt wird,

c) die sich beim Stoffaustausch in dieser Mischzone bildende schwerere Phase unterhalb der Mischzone und die sich bildende leichtere Phase oberhalb der Mischzone anreichert und

d) nach Aufbau eines entsprechenden Druckgefälles die schwerere Phase durch den zweiten Durchlaß derart schnell von oben nach unten hindurch in den Raum unterhalb des Bodens strömt, daß dieser Mengenstrom hier in eine weitere vertikale Rotationsbewegung, jedoch mit entgegengesetztem Drehsinn, umgelenkt und mit dem von unten zugeführten leichteren Mengenstrom vermischt wird.

Die vertikale Rotationsbewegung der Mengenströme, bei welcher sich die Phasen des heterogenen Systems auf mehr oder weniger geschlossenen kreisförmigen, elliptischen od. dgl. Strömungsbahnen um eine, bezogen auf die Austauschsäule, horizontale Achse bewegen, führt in vorteilhafter Weise zu einer innigen Vermischung der Phasen untereinander und stellt dadurch den geforderten intensiven Stoffaustausch sicher. Dabei können dieser vertikalen Rotationsbewegung je nach den Gegebenheiten des Einzelfalles auch gewisse Querströmungen überlagert sein, ohne daß dadurch jedoch die erzielte vorteilhafte Wirkung in der Mischungszone in Frage gestellt wird.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren nebst zugehöriger Vorrichtung ermöglicht es, beim Stoffaustausch zwischen heterogenen Systemen mit geringem Aufwand für die Herstellung und den Betrieb der Austauschsäule optimale Ergebnisse zu erhalten. Insbesondere ist es dadurch möglich, bei Extraktionen oder Waschvorgängen mit einer — bezogen auf den zu behandelnden Mengenstrom — verhältnismäßig kleinen Menge an Extraktions- bzw. Waschmittel auszukommen. Außerdem weist die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Austauschsäule eine vorteilhafte große Flexibilität auf, so daß der Stoffaustausch auch bei sehr unterschiedlichen Mengenströmen mit derselben Anlage noch einwandfrei durchführbar ist

In zweckmüßiger Weiterbildung der Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen, die Vorrichtung für die Durchführung des erändungsgemäßen Verfahrens entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 auszubilden. Die Ablenkeinrichtung, die insbesondere als im Abstand vom Boden beispielsweise mittels eines Distanzstückes gehaltene Umlenkplatte ausgebildet ist, hindert den leichteren Mengenstrom daran, unter ungünstigen Umständen direkt im Randbereich der Auslauschsäule nach oben zu strömen, da sie in ihrem oberen Bereich mit dem Boden bzw. der Austauschsäule dicht verbunden ist so daß hier der leichtere Mengenstrom nicht hindurchtreten kann, dieser also gezwungen wird, zwischen dem unteren Bereich der Ablenkeinrichtung und dem nach unten geneigten Boden hindurchzutreten. Dabei wird dem Mengenstrom eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung des nach unten geneigten Bodens aufgezwungen, deren Größe dadurch beeinflußbar ist, in welchem Maße die Ablenkeinrichtung den ersten Durchlaß Oberdeckt

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die Ablenkeinrichtung gemäß Anspruch 2 auszubilden,

wodurch der leichtere Mengenstrom gezwungen wird, im oberen Bereich des Bodens entlang diesem nach unten zu strömen. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Wirbelbildung oberhalb des Bodens zu unterstützen, da der schwerere Mengenstrom und der leichtere anfänglich, d. h. im oberen Bereich des Bodens in die gleiche Richtung strömen. Das Maß der Wirbelunterstützring kann durch die Oberdeckung des ersten Durchlasses und des sich daran nach unten anschließenden Bodenteiles gesteuert werden. Selbstverständlich wird man dabei die Oberdeckung des Bodens mittels der Ablenkeinrichtung nicht so groß wählen, daß der leichtere MengeBstrom gezwungenermaßen zum zweiten Durchlaß strömt und durch diesen wieder nach unten hindurchtiitt Die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung im Bereich des ersten Durchlasses hindert den leichteren Mengenstrom, bei dem es sich um eine Phase, eine Suspension ocLdgL handeln kann, in vorteilhafter Weise auch daran, ohne wesentliche Vermischung mit dem schwereren Mengenstrom im Randbereich der Austauschsäule direkt zum zweiten Durchlaß eines darüber befindlichen Bodens zuströmen und durch diesen nach oben hindurchzutreten. Die erfindungsgemäße Ablenkeinrichtung ermöglicht insgesamt eine vorteilhafte Verbesserung des Bodenwirkungsgrades und vergrößert den Belastungsbereich oder die Flexibilität der Austauschsäule.

Bei Fest-Flüssig-Systemen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den wenigstens einen geneigten Boden der Austauschsäule gemäß Anspruch 3 auszubilden, und zwar insbesondere dann, wenn die Differenz zwischen der Dichte der Feststoffpartikel und der Flüssigkeit kleiner als 0,4 g/cm³, vorzugsweise kleiner als 0,2 g/cm³, und der mittere Durchmesser der Feststoffpartikel kleiner als 200 μ, vorzugsweise kleiner als 50 μ, sind. Dieser Abschnitt geringerer Neigung führt zu einer Feststoffanreicherung im Bereich des zweiten Durchlasses infolge der Richtungsumlenkung der Suspensionsströmung entlr ng des Bodens zum zweiten Durchlaß hin beim Erreichen des Abschnittes geringerer Neigung und infolge des größer werdenden Auftreffwinkels des Suspensionsstromes auf die Wandung der Austauschsäule. Gleichzeitig werden dadurch die Strömungsverhältnisse im zweiten Durchlaß stabilisiert Auf diese Weise wird iine weitere Verbesserung des Bodenwirkungsgrades erreicht Der erforderliche Abstand bei mehreren übereinander angeordneten Böden kann verringert werden, die Gesamthöhe der Austauschsäule dadurch verkleinert und (fcjnit der Aufwand für deren Fertigung in vorteilhafter Weise vermindert werden.

Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung ist bei einem geneigten Boden mit einem unteren Abschnitt geringerer Neigung oder auch gar keiner Neigung vorgesehen, diesen Abschnitt entsprechend Anspruch 4 mit zusätzlichen Durchtrittsöffnungen zu versehen, die beispielsweise schlitzförmig, kreisförmig, rechteckig od. dgl. sein können. Diese Maßnahme erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn bei einem Fest-Flüssig-System die vorstehend angegebene Dichtedifferenz größer als 0,2 g/cm³ und der mittlere l'artikeldurchmesser größer ab 100 μ sind. Dadurch werden eine zusätzliche Feststoffanreicherung im Bereich des Bodenabschnittes geringerer Neigung bzw. des zweiten Durchlasses und eine erhöhte Stabilisierung des Suspensions-Fallstromes, der im zweiten Durchlaß von oben nach unten him'archtritt, erreicht, was sich wiederum günstig auf den Bodenwirkungsgrad auswirkt Hinzu kommt, daß man ein engeres Verweilzeitspektrum der Feststoffpartikel erhält, da Partikel, die sich oberhalb eines Bodens bei der erfindungsgemäßen Rotationsbewegung auf einer äußeren Strömungsbnhn bewegen, beim Durchtritt zum nächst darunterliegenden Boden bevorzugt auf eine innere Strömungsbuhn und umgekehrt gelangen.

Um auf den Druckverlust im Bereich der beiden Durchlässe eines Bodens gewollt einwirken zu können, kann nach einem weiteren, im Anspruch 5 angegebenen Vorschlag der Erfindung eine Regeleinrichtung vorgesehen werden, die von außen von Hand oder auch mittels einer entsprechenden automatisch gesteuerten Verstelleinrichtung betätigt werden kann. Diese Regeleinrichtung ist vorzugsweise im Bereich des ersten Durchlasses unterhalb des Bodens in der Weise angeordnet, daß sie eine Veränderung des freien Strömungsquerschnittes zwischen der Austauscherwandung und dem oberen Bereich des Bodens ermöglicht Sie kann dazu z.B. als versehwenkbr-re Klappe oder

2G verschiebbarer Schieber ausgebildet sein. Durch diese gewollte Steuerung des Druckverlustes am Boden kann z. B. die Feststoffkonzentration im Bereich des zweiten Durchlasses geändert, die Austauschsäule unterschiedlichen Einsatzstoffen angepaßt und der Bodenwirkungsgrad auf den bestmöglichen Wert eingestellt werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen gezeigt und wird anhand dieser nachstehend noch näher erläutert Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung,

F i g. 1 a und 1 b einen Ausschnitt einer Austauschsäule im Längsschnitt und in der Draufsicht und

F i g. 2a und 2b eine Variante hierzu mit zusätzlichen Durchtrittsöffnungen im unteren Bodenbereich.
Die in Fig. la gezeigte Austauschsäule 1 mit den Böden 2, von denen hier nur zwei gezeigt sind und deren Neigung gegenüber der Horizontalen von einem Boden zum nächstfolgenden entgegengesetzt ist weurt im oberen Bereich der Böden 2 den ersten Durchlaß 3 und in deren unterem Bereich den zweiten Durchlaß 4 auf.

Die Böden 2 sind hier als im wesentlichen ebene Platten gezeigt könnten aber beispielsweise auch gekrümmt oder abgewinkelt z. B. um eine oder gegebenenfalls auch mehrere sich in Richtung vom ersten zum zweiten Durchlaß erstreckende Achsen, ausgebildet sein, sofern sich das aus Festigkeitsgründen, zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse, zum Vermeiden eines Absetzens der Feststoffpartikel auf den Böden od. dgl. als vorteilhaft erweisen sollte. An der Oberseite der Böden

2 ist über das Distanzstück 5 die plattenförmige Ablenkeinrichtung 6 angeordnet, die hier die Form eines

Kreisabschnittes hat und nicht nur den ersten Durchlaß

3 vollständig bedeckt, sondern sich mit ihrem unteren Bereich 6' auch noch über den Teil X des Bodens 2, der sich an den ersten Durchlaß 3 nach unten anschliedt,

« erstreckt, so daß zwischen beiden der Strömungskanal 7 ausgebildet ist

Im unteren Bereich, am zweiten Durchlaß 4 angrenzend weist de Boden 2 den Abschnitt 8 auf, der hier einstückig mit dem Boden 2 ausgebildet gezeigt ist, aber auch als separates Bauteil an diesen angesetzt sein könnte. Die Neigung dieses Abschnittes 8 ist gegenüber der des Bodens 2 geringer und beträgt hier 0°. Statt diesen Abschnitt geringerer Neigung als Ganzes eben auszubilden, kann er auch beispielsweise um eine senkrecht zur Zwischenebene stehende Achse gekrümmt ausgebildet oder auch aus mehreren je für sich ebenen streifenförmigen Elementen, zwischen denen — in der Zeichenebene betrachtet — jeweils ein mehr oder

weniger großer Knick ausgebildet ist, zusammengesetzt sein.

Unterhalb des ersten Durchlasses 3 ist die Regeleinrichtung 9 angeordnet, die hier als eine um die horizontale Achse IO gemäß dem Pfeil ti von außen verschwenkbare Klappte ausgebildet und so bemessen ist, daß sie gegebenenfalls den Strömungsweg zum ersten Durchlaß 3 hin völlig absperren kann.

Bei dieser schematischen Darstellung ist die Strömungsbahn des leichteren Mengenstromes durch die einfachen Pfeile K, die des schwereren Mengenstromes durch die Doppelpfeile iUdie Mischungszone der beiden Mengenströme mit der ausgeprägten Rotationsbewegung durch M, die Beruhigungszone für den schwereren Mengenstrom durch N und die für den leichteren Mengenstrom durch P angedeutet, wobei die Grenze zwischen den Bereichen M und P durch die leicht gewellte Linie 12 symbolisiert wird.

Die in der Fig. Ib dargestellte Draufsicht auf den obersten Boden 2 in Fi g. la läßt deutlich die Form des Bodens 2, der beiden Durchlässe 3, 4 und der Ablenkeinrichtung 6 erkennen.

Die Fig.2a und 2b, bei denen für die gleichen Bauteile, Mengenströme usw. die gleichen Bezugszeichen wie vorher verwendet wurden, zeigen einen

ίο Abschnitt 8 des Bodens 2, der wie in Fi g. 1 horizontal angeordnet, aber sehr viel breiter ist und zusätzliche Durchtrittsöffnungen 13 aufweist, die hier als in drei Reihen nebeneinander angeordnete Rechteckschlitzc ausgebildet sind und entsprechend den Pfeilen L den zusätzlichen Durchtritt des schwereren Mengenstromes ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   1, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Stoffaustausch zwischen heterogenen Systemen in einer wenigstens einen Boden mit einem ersten und einem zweiten Durchlaß aufweisenden Austauschsäule, welcher von oben ein schwererer Mengenstrom und im Gegenstrom dazu vein unten ein leichterer Mengenstrom zugeführt wird, die miteinander in einer Mischzone in eine ι ο Rotationsbewegung versetzt werden, wobei sich die in der Mischzone gebildete neue schwerere Phase oberhalb des zweiten Durchlasses und die entsprechende leichtere Phase unterhalb des ersten Durchlasses anreichern, nach Patent 23 55106, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eins Boden (2) gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet ist, wobei sich der erste Durchlaß (3) im oberen Bereich des Bodens (2) und der zweite Durchlaß (4) in dessen unterem Bereich befindet, und daß an der Oberseite des Bodens (2) eine den ersten Durchlaß (3) zumindest teilweise überdeckende Ablenkeinrichtung (6) angeordnet ist, zwischen deren unterem Bereich (6') und dem Boden (2) der leichtere Mengenstrom hindurchtritt
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (6) mit ihrem unteren Bereich (6') einen sich an den ersten Durchlaß (3) nach unten anschließenden und mit der Ablenkeinrichtung (6) einen Strömungskanal (7) bildenden Teil (2') des Bodens (2) überdeckt
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) in seinem unteren Bereich einen Abschnitt (8) geringerer Neigung gegenüber der Horizontalen, ve zugsweise einen horizontal angeordneten Abschnitt (8) aufweist, an den sich der zweite Durchlaß (4) anschließt
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Abschnitt (8) zusätzliche Durchtrittsöffnungen (13) aufweist
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des ersten Durchlasses (3) vorzugsweise unterhalb des Bodens (2) eine Regeleinrichtung (9) angeordnet ist

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