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Selbstregelndes Austauschelement für Böden
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Die Erfindung betrifft ein selbstregelndes Austauschelement mit veränderlichem
Durchschnittsquerschnitt fUr Böden in Stoffaustauschkolonnen, in denen flüssige
und gasförmige Fluide in direkten Kontakt miteinander gebracht werden.
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Ventile als Austauschelementesind in E. Kirschbaum, Destillier- und
Rektifiziertechnik, Springer-Verlag 1969, Seite 367, beschrieben. Der Ventilboden,
auf dem sich die zu rektifizierende Flüssigkeit ansammelt, ist mit Bohrungen versehen,
die mit Ventiltellern verschlossen sind. FUhrungselemente, die zugleich eine Hubbegrenzung
darstellen, ermöglichen es, daß die Ventilteller durch den Druck des nach oben strömenden
Dampfes angehoben werden und auf diese Weise einen die durchfließende Dampfmenge
durch den Dampfdruck der durchströmenden Dampfmenge selbsttätig regulierenden Durchströmquerschnitt
freigeben.
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Ein entscheidender Nachteil der bekannten Austauschelemente zeigt
sich, wenn der Flüssigkeitsstand sich Uber dem Bodenquerschnitt ändert, wie das
z.B. beim Einsatz von Rektifiziersäulen auf Produktionsinseln im Offshore-Bereich
der
Fall ist In den Bereichen mit höherem Flüssigkeitsstand verkleinern
sich die Durchtrittsöffnungen durch den auf dem Ventilboden lastenden größeren statischen
Flüssigkeitsdruck, während sich umgekehrt in Bereichen mit niedrigerem Flüssigkeitsstand
die Ventile weiter öffnen. Je mehr Flüssigkeit somit auf dem Boden lastet, desto
geringer und je weniger Flüssigkeit auf ihm lastet, desto höher ist also der Dampfdurchsatz.
Diese Eigenschaft der bisher bekannten Ventilböden verschlechtert die rektifizierende
Wirkung einer 5 toffaustauschkolonne erheblich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein selbstregelndes
Austauschelement zu entwickeln, mit dem ohne erheblichen technischen Aufwand ein
gleichmäßiges rektifikatorisches Verhalten von Stoffaustauschkolonnen auch bei sich
über dem Bodenquerschnitt änderndem Flüssigkeitsstand erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Austauschelement
eine vom Boden nach unten weisende, in ihrem oberen Bereich mit Durchtrittsöffnungen
versehene Hülse aufweist, eine in der Hülse nach oben und unten bewegbare, durch
Federkraft nach oben gedrückte Haube mit herabgezogenen Seitenwangen, die den Querschnitt
der Hülse verschließt und mit obere und und untere Endlagen der Haube begrenzenden
Anschlägen, wobei die Durchtrittsöffnungen von den Seitenwangen in der oberen Endlage
im wesentlichen verschlossen und in der unteren Endlage freigegeben werden.
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Beim Betrieb der Stoffaustauschkolonne wird die Haube durch Federkraft
zunächst an den oberen Anschlag gedrückt, wobei ihre Seitenwangen die Durchtrittsöffnungen
an der Hülse verschließen. Durch die auf dem Boden angestaute Flüssigkeit wird nun
die Haube nach unten gedrückt und gibt die Durchtrittsöffnungen frei. Je mehr Flüssigkeit
auf dem Austausch-
element lastet, umso tiefer wird die Haube herabgedrückt
und umso größer ist auch der freigegebene Durchtrittsquerschnitt.
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Analog verkleinert sich der Durchtrittsquerschnitt bei geringerer
Flüssigkeitsbelastung.
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Durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird die Regelung
des Austauschelements nicht mehr durch ein Zusammenspiel von Dampfstrom und Flüssigkeitssäule
erzielt, sondern durch deren Trennung, wobei die Flüssigkeitssäule die Stellgröße
und der Dampfstrom die Regelgröße darstellen. Es stellt sich somit immer ein optimales
Verhältnis Flüssigkeitshöhe/ Dampfdurchsatz ein.
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Aus herstellungstechnischen Gründen weist die Hülse bei einer bevorzugten
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist
die Hülse an ihrer Unterseite mit einem Boden versehen.
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Der Hülseboden dient als unterer Anschlag fUr die Haube. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Hülsenboden als Auflage für eine an der Haube angreifende
Druckfeder ausgebildet ist.
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Da die Haube in der Regel nicht flüssigkeitsdicht mit der Hülse abschließt,
tropft Flüssigkeit auf den Hülsenboden durch.
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Damit sich keine Flüssigkeit auf dem Hülsenboden ansammeln kann, was
die Beweglichkeit der Haube behindern würde, ist gemäß einer Modifikation des Erfindungsgegenstandes
der Hülse boden mit mindestens einem Loch versehen.
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Eine besonders gleichmäßige Veränderung des Druchtrittsquerschnitts
läßt sich erzielen, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
die Durchtrittsöffnungen durch parallel zur Bewegungsrichtung der Haube verlaufende
Schlitze gebildet sind. Selbstverständlich ist aber
auch eine andere
Form der Durchtrittsöffnungen möglich.
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Durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung steigt der Dampfdurchsatz
gerade an den Stellen, wo dies besonders erwünscht ist, nämlich dort, wo auch die
Flüssigkeitsbelastung besonders hoch ist und umgekehrt.
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Die Verteilung und Anzahl der Austauschelemente auf dem Boden richtet
sich nach den jeweiligen Anforderungen.
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Die Einsatzmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Austauschelements
lassensich durch Variation der Feder, der Größe und Anordnung der Durchtrittsöffnungen,
des freien Weges für die Haube und des Durchmessers der Hülse über einen weiten
Bereich variieren.
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Bevorzugtes Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Austauschelement
sind Rektifiziersäulen.
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Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes werden anhand eines
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Hierbei zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes #ustauschelement, Figuren
2a und 2b die Regelcharakteristik eines erfindungsgemäßen Austauschelements.
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Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Austauschelement 2, das in einer
oeffnung eines Bodens 1 einer Stoffaustauschkolonne angebracht ist. Das Austauschelement
2 besteht im wesentlichen aus einer am Boden 1 befestigten und von diesem nach unten
weisenden Hülse 3. Die Hülse 3 weist in ihrem oberen Bereich Durchtrittsöffnungen
4 in Form von Längsschlitzen auf. In
der Hülse 3 ist nach oben und
unten beweglich eine Haube 5 angeordnet, die den freien Querschnitt der Hülse 3
überdeckt.
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Die Haube 5 weist herabgezogene Seitenwangen auf, die parallel zur
Seitenwand der Hülse 3 verlaufen. Der Weg der Haube 5 wird nach obendurch einen
Anschlag 11 und unten durch einen Hülsenboden 7 begrenzt, der die Hülse 3 unten
abschließt. Die Größe und Lage der Durchtrittsöffnungen 4 und der Seitenwangen der
Haube 5 sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Durchtrittsöffnungen 4 in der
oberen Endlage der Haube 5 von den Seitenwangen im wesentlich en verschlossen und
in der unteren Endlage freigegeben werden.
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Eine Spiralfeder 6, die sich am Hülsenboden 7 abstützt, drückt die
Haube 5 nach oben. Damit Flüssigkeit, die möglicherweise durch den nicht völlig
dichten Spalt zwischen Hülse 3 und Haube 5 auf den Hülsenboden 7 tropft, abfließen
kann, ist im Hülsenboden 7 ein Loch 8 vorgesehen. Selbstverständlich können auch
mehrere Löcher vorgesehen sein.
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Durch das Gewicht der sich auf dem Boden 1 ansammelnden Flüssigkeit
9 wird die Haube 5, Je nach Höhe der Flüssigkeitssäule, mehr oder weniger nach unten
gedrückt und gibt dabei die Durchtrittsöffnungen 4 mehr oder weniger frei. Eine
mehr oder weniger große Dampfmenge 10 gelangt dadurch in die Flüssigkeit. Regelnde
Größe ist einzig die Standhöhe der Flüssigkeit 9 auf dem Boden 1.
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Die Regelcharakteristik des erfindungsgemäßen Austauschelements zeigen
die Figuren 2a und 2b. In Figur 2a ist die Absenktiefe y der Haube 5 als Funktion
der Höhe x der auf der Haube 5 lastenden Flüssigkeitssäule dargestellt. Bis zu einer
gewissen Höhe xe hält die Federkraft dem Druck der Flüssigkeitssäule stand und gibt
dann proportional zur Zunahme der Flüssigkeit nach, bis die Haube 5 bei xl am unteren
Anschlag ansteht. Der Dampfdurchsatz t durch die Durch-
trittsöffnungen
4, der proportional der relativen Querschnittsöffnung ff ist, ist in Abhängigkeit
von der Standhöhe h der Flüssigkeit 9 auf dem Boden 1 in Figur 2b dargestellt. Zunächst
strömt nur eine kleine Dampfmenge durch die von der Haube nicht gänzlich verschlossenen
Durchtrittsoeffnungen 4. Sobald die Haube abzusinken beginnt (Standhöhe ho) nimmt
der Dampfdurchsatz proportional zur Standhöhe zu, bis die Haube am unteren Anschlag
ansteht (Standhöhe h1). Auch bei größerer Flüssigkeitsbelastung kann nun der Dampfdurchsatz
nicht mehr größer werden.