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Diese Erfindung betrifft eine Fluiddspergiervorrichtung
und ein Verfahren zur Bereitstellung eines Stoffaustauschsystems.
Diese Vorrichtung und dieses Verfahren beziehen sich insbesondere
auf eine neue Ventilanordnung für
die Verwendung bei Fraktioniersäulen
und anderen verwandten Vorrichtungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei einer typischen Anlage wird eine
Anzahl von horizontal angeordneten Flächen oder Böden in einem abgedichteten,
vertikal ausgerichteten Kessel angebracht, der in der Industrie
als Säule,
Kolonne oder Turm bekannt ist. Jeder der Böden kann zahlreiche Öffnungen
enthalten. Ein verhältnismäßig schwereres
Fluid wird an der oberen Fläche
des obersten Bodendecks eingeführt.
Das Einführen
dieses Fluids an einem Ende des horizontalen Bodens wird als am
aufstromigen Ende oder Abschnitt bezeichnet. Eine Querströmung bildet
sich, wenn das Fluid von dem aufstromigen Ende des Bodens zu dem
abstromigen Ende oder Abschnitt jedes Bodens quer herüberfließt. An dem
abstromigen Ende des Bodens befindet sich ein Wehr, der zu einem
Rücklaufrohr
(für Mitgerissenes)
führt.
Das Rücklaufrohr eines
oberen Bodens führt
nach unten zu einem nicht perforierten, abstromigen Bereich oder
Rücklaufrohrdichtbereich
auf den nächsten
unteren Boden.
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Ein leichteres Fluid wird in das
untere Ende der Säule
hinein eingeführt.
Wenn die schwerere Flüssigkeit über die
Bodenfläche
strömt,
steigt das leichtere Fluid durch die Öffnungen in den Böden nach
oben und in das schwerere Fluid, welches quer durch die Fläche des
Bodens und über
diese strömt, um
einen Blasen- oder aktiven Bereich zu erzeugen, wo es einen innigen
und aktiven Kontakt zwischen dem schwereren und leichteren Fluid
gibt. Einige Säulen
verwenden Mehrfachgruppen von Strömungspfaden, einschließlich einem
Rücklaufrohr,
einen aktiven Bereich und Übergangsbereich
für eine Rücklaufrohrdichtung
für jeden
Abschnitt.
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Viele Querströmungsböden sind einfache Siebböden, wo
die Deckfläche
Hunderte von kreisförmigen
Löchern
hat für
den Kontakt zwischen den Fluiden. Ein einfaches Loch, wie zum Beispiel
diese Art Öffnung,
gestattet es aber dem leichteren Fluid, gerade hoch zu schießen und
auf den Boden des oberen Bodendeckes zu prallen. Dies bezeichnet
man gewöhnlich
als Flutung bzw. Überflutung,
wodurch die Wirksamkeit und die Leistung der gesamten Säule verringert
wird und Verunreinigungen in den Fraktionierungsprozeß eingeführt werden
können.
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Um das Überfluten zu bekämpfen, haben
Einige Böden
Ventile, die in den Bodenöffnungen
zugeordnet sind, und bei anderen sind Einrichtungen über den
Löchern
oder Öffnungen
befestigt. Die Ventile können
aus im allgemeinen flachen Platten oder Blasenkappen bestehen, um
die steigenden Gase abzulenken. Diese Ventile erheben sich nach
oben und fallen infolge Schwerkraft durch das Einführen des Fluiddruckes
von unterhalb des Ventils herunter. Während jedes Ventil die Dampfströmung vom
Hochschießen
und Überfluten
des Bodendeckes ablenkt, führt
jedoch jedes einzelne Ventil einen kleinen Blockadebereich über jede Öffnung des
Bodendecks ein, wodurch die Wechselwirkung oder der Austausch zwischen
den Fluiden reduziert wird. Diese kleine, zentrale Fläche über jedem
Ventil ist eine stagnierende Zone oder ein inaktiver Bereich, wo
ein minimaler Stoffaustausch erfolgt.
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Zum Beispiel in der US-Patentschrift
Nr. 4,118,446 vom 3. Oktober 1978 von Burin et al. (Spalte 4, Zeilen
44–45)
wurde schon vorgeschlagen, Perforationen in nach oben beweglichen
Ventilabdeckplatten für
Bodenöffnungen
vorzusehen, um stagnierende Zonen in einer Stoffaustauschsäule mit Ventilböden auf
unterschiedlichen Höhen
in dieser zu eliminieren. Ein verhältnismäßig leichteres Fluid wird in
die Säule
unter den Böden
eingeführt,
um durch die Öffnungen
nach oben zu strömen,
während
ein schwereres Fluid über
den Böden
in die Säule
geführt
wird. Das schwerere Fluid fällt
durch Schwerkraft die Säule
hinab, indem es über
jeden Boden gelangt, während
das leichtere Fluid im Boden hochsteigt, die Ventilabdeckplatten
anhebt und einen innigen Kontakt zwischen den Fluiden verursacht.
Die Perforationen nach Burin et al. sind vorgesehen, um stagnierende
Zonen in dem unmittelbar über
den Kappen strömenden
schwereren Fluid auszuschalten.
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Während
die Ventilperforationen nach Burin et al. die Stagnationszonen zu
gewissem Grad ausschalten, gibt es ein Problem, daß Blasen
aus leichterem Fluid, welches aus den Perforationen nach oben und
durch die Stagnationszonen strömt,
dazu neigen, endgültigen
Wegen durch das schwerere Fluid zu folgen, wobei Abschnitte der
Stagnationsflächen
unbeschädigt
belassen werden. Außerdem
gibt es durch diese Arten von Perforationen für das leichtere Fluid die Möglichkeit,
zum Grund des oberen Bodens gerade nach oben zu schießen, wodurch
ein vorzeitiges Überfluten
und Verringern der Wirksamkeit und Leistung der Säule verursacht
werden.
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Die US-Patentschrift 3,215,414 vom
2. November 1965 von Van't
Sant (Spalte 1, Zeilen 48–51 und
Spalte 3, Zeilen 3–6)
zeigt eine Ventilabdeckplatte mit gegenüberliegenden Ausnehmungen,
in welche ein gebogenes Führungsband
eingeklemmt wird, um sich über
die Ventilabdeckplatte und nach unten durch die Ausnehmungen zu
erstrecken und das Ventil zu führen,
während
es dann durch nach oben strömendes
Fluid angehoben wird. Ein teilweises Verschließen des Ventils erlaubt jederzeit
einen minimalen freien Durchgang von Fluid zwischen der Abdeckplatte
und dem Boden. Während
das Führungsband
von Van't Sant nützlich ist,
den leicht zusammengebauten, zweiteiligen Ventilkörper vorzusehen, wie
er sein sollte, ist jegliches Fluid, welches nach oben unter dem
Führungsband
entweicht, minimal und wird nicht über die Ventilabdeckplatte
zu der zentralen Stagnationszone gerichtet, wobei diese Zone unzerstört belassen
wird. Es gibt eine Notwendigkeit für eine Fluiddispergieranordnung
für das
Kontaktieren von Fluiden mit Bodenöffnungen, wobei eine feine
oder Mikrodispersion des leichteren Fluids über dem zentralen Abschnitt
der Abdeckplatte erreicht wird, wodurch in wirksamerer Weise die
Stagnationszone über
den einzelnen Ventilen aufgebrochen wird unter Vergrößerung des
Stoffaustauschs zwischen den Fluiden sowie Vergrößerung der Säulengebrauchsfähigkeit
und -leistung.
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FR-1,439,459 offenbart eine Fluiddispergiervorrichtung
mit säulenartigen
Lüftungslöchern.
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US
3,399,871 offenbart ein Bläschenventil für den Austausch
einer Flüssigphase
und einer Gasphase, welches aus einer relativ dünnen Scheibe besteht, die mit
rechteckigen Schlitzen gebildet ist, welche tangential auf einem
Kreis konzentrisch zu der Scheibe angeordnet und geeignet ausgestaltet
sind, um das Mitreißen
von Tröpfchen
bzw. das Ansaugenlassen zu verringern und einen selbstzentrierenden Effekt
vorzusehen.
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US
3,427,007 beschreibt eine Vorrichtung mit Gas- und Flüssigkeitskontakt
mit einer Bläschenturmplatte,
die geeignet ausgestaltet ist, um eine Flüssigkeit zu tragen, und die
mit einer Öffnung
gebildet ist, durch welche ein Gas oder Dampf nach oben durch die
Platte zur Kontaktierung der Flüssigkeit strömen kann.
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SU 766609 beschreibt eine Fluiddispergiervorrichtung.
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US
4,290,981 beschreibt ein Austauscherelement für die Böden einer
Austauschersäule
mit einem Zylinder mit Gitteröffnungen
in den Seitenwänden,
einer festen Abdeckplatte oben am Zylinder zum Ablenken von Gas
und einer bewegbaren Öffnungsventilplatte
innerhalb des Zylinders, welche normalerweise die Öffnung in
den Austauscherböden
abdeckt.
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SU 959798 beschreibt eine Fluiddispergiervorrichtung.
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SU 1012939 beschreibt eine Fluiddispergiervorrichtung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Fluiddispergiervorrichtung
der Art, wie sie in Destillations- und Absorptionssystemen für den Stoffaustausch
zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Stoffe bzw. Massen verwendet
wird. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fluiddispergiervorrichtung vorgesehen
mit:
- a. einer Abdeckplatte für eine Bodenöffnung,
wobei die Abdeckplatte mindestens eine Ausströmfluidlochung enthält;
- b. Mitteln zum Anordnen der Abdeckplatte über der Bodenöffnung unter
Schaffung von Fluidabzugdurchgängen
im Betrieb zwischen der Abdeckplatte und einem Bodendeck für eine Fluidströmung, die
durch die Bodenöffnung
nach oben strömt;
- c. einem Ausströmfluidablenkteil
für die
mindestens eine Fluidlochung, welches die Fluidlochung von einer
Seite zur anderen überspannt,
um mindestens zwei entgegengesetzt gerichtete Auslässe derart
vorzusehen, daß im
Betrieb mindestens zwei unterschiedliche Ausströmfluidströme voneinander weg über eine
mittige Zone der Abdeckplatte fließen; und
- d. wobei jede unterschiedliche Ausströmfluidströmung eine andere Größe hat als
die Fluidströmung,
welche durch die Fluidabzugsdurchgänge nach oben fließt, und
wobei ein Ausströmfluidstrom
zu einem mittigen Abschnitt der Abdeckplatte hin gerichtet ist.
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Die Abdeckplatte ist über der
Bodenöffnung angeordnet,
um einen Fluidabzugsdurchgang zwischen der Abdeckplatte und einer
Bodendeckfläche vorzusehen.
Leichteres Fluid strömt
nach oben durch die Bodenöffnung
zwischen dem Bodendeck und der Abdeckplatte, während schwereres Fluid über die Bodendeckfläche strömt.
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Für
die mindestens eine Fluidlochung überspannt ein Ausströmfluidablenkteil
die Fluidlochung, ein Ausströmfluidablenkteil überspannt
die Fluidlochung von einer Seite zu anderen, um wenigstens zwei
gegenüber
gerichtete Auslässe
vorzusehen. Der Aufbau des Ablenkteiles dispergiert bzw. verteilt das
Fluid in zwei unterschiedliche Ausströmfluidströme, die voneinander fort strömen und über eine
mittige Zone der Abdeckplatte gelangen. Diese zwei Ausströmfluidströme haben
unterschiedliche Größe gegenüber dem
Fluid, welches zwischen der Abdeckplatte und dem Bodendeck an dem
Fluidabzugsdurchgang gelangt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen zum Schaffen
eines Stoffaustauschsystems, wobei das Verfahren folgende Schritte
aufweist: Vorsehen einer Ventilanordnung mit einer Abdeckplatte
und Mitteln zum Positionieren der Abdeckplatte über eine Bodenöffnung in
einem Bodendeck des Stoffaustauschsystems, um zwischen der Bodenöffnung und dem
Bodendeck einen Fluidabzugsdurchgang zu bilden; Perforieren der
Abdeckplatte der Ventilanordnung zur Bildung mindestens einer Ausströmfluidlochung
in der Abdeckplatte; und Bilden eines integralen Ablenkteils über der
Fluidlochung von einer Seite zur anderen zur Schaffung mindestens
zweier entgegengesetzt gerichteter Auslässe derart, daß bei Benutzung
mindestens zwei unterschiedliche Ausströmfluidströmungen über einen mittigen Abschnitt der
Abdeckplatte voneinander weg fließen, wobei jede unterschiedliche
Ausströmfluidströmung eine andere
Größe hat als
eine Fluidströmung,
welche durch den Fluidabzugsdurchgang nach oben fließt, und
wobei eine Ausströmfluidströmung zu
einem Mittelabschnitt der Abdeckplatte gerichtet wird.
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Besondere Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand entsprechender abhängiger Ansprüche.
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Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist die Vorrichtung eine Ventilanordnung, und die Abdeckplatte
ruht über
dem Boden unter dieser mittels gleitbarer Beine. Mindestens zwei
Beine sind vorgesehen, um in die Bodenöffnung zu gleiten und sich
nach unten in diese zu erstrekken. Für jedes Bein bzw. jeden Schenkel
ist mindestens ein mit dem Boden in Eingriff tretender Vorsprung
auf dem Bein bzw. Schenkel vorgesehen, um die Aufwärtsverschiebung
der Abdeckplatte zu begrenzen, wenn der nach oben strömende Dampfdruck
gegen die Abdeckplatte drückt.
Hierdurch werden Fluidabzugsdurchgänge zwischen der Abdeckplatte
und dem Bodendeck gebildet.
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Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden mindestens zwei Perforationen oder Lochungen vorgesehen,
und die Schenkel befinden sich an Positionen, die zwischen den Lochungen
liegen, aber nach außen
von diesen im Abstand auf der Abdeckplatte angeordnet sind.
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Das Ausströmfluidablenkteil oder jedes
Ausströmfluidablenkteil
kann eine Rundbuckelbrücke über der
Fluidöffnung
sein.
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Die oder jede Rundbuckelbrücke kann
ein Abschnitt der Abdeckplatte sein, der durch Schaffung von Paaren
von parallelen Schlitzen in der Abdeckplatte und nach oben Drücken der
Abschnitte der Abdeckplatte zwischen den Schlitzen gebildet wurde, um
die Lochung vorzusehen, welche dort/unten zu den gegenüberliegend
gerichteten Auslässen
auf jeder Seite derselben führt.
Drei Lochungen mit Ablenkteilen können vorgesehen sein, und in
Draufsicht können
sie in einer V-Formation um die Mitte der Abdeckplatte angeordnet
sein, wobei die Rundbuckelbrücken
mit Ablenkteil sich längs
parallelen, im Abstand angeordneten Wegen erstrecken. Die Abdeckplattenschenkel
können
längliche
Wege sein, die sich von der Mitte der Abdeckplatte zwischen den
drei Ablenkteilen erstrecken. Das oder jedes Ablenkteil kann ein
Abschnitt der Ablenkplatte sein, der durch Schaffung eines Paars
von parallelen Schlitzen in der Ablenkplatte und nach oben Drücken der
Abschnitte der Ablenkplatte auf die äußeren Seiten des oder jedes Paares
von parallelen Schlitzen gebildet wird, um die Lochungen vorzusehen,
welche dort/nach unten zu entgegengesetzt gerichteten Auslässen auf
jeder Seite derselben führen.
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Die Ventilanordnung der vorliegenden
Erfindung schafft eine Feindispersion bzw. -zerstreuung des leichteren
Fluids über
einem traditionell inaktiven Bereich der Ventilanordnung. Hierdurch
wird eine größere aktive
Fläche
zur Verfügung
gestellt als bei herkömmlichen
Bodenanordnungen, die auf traditionelle Ventilausgestaltungen abstellen,
wodurch die Leistung des Stoffaustausches vergrößert wird und somit der Energiebedarf
verringert wird. Ein wirksamerer Stoffaustausch erlaubt einen verringerten
Energiebedarf für
das ganze Stoffaustauschsystem, während einer Erhöhung der
Leistung und Aufrechterhaltung der Reinheit der gewünschten
Produkte erreicht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die anliegenden Zeichnungen veranschaulichen
Beispiele der vorliegenden Erfindung.
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1 ist
eine vereinfachte, schematische Stoftaustauschsäule der vorliegenden Erfindung
unter Darstellung horizontaler Bodendecks, die mit Rücklaufrohren
(für Mitgerissenes)
in der Säule
verbunden sind;
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2 ist
eine Draufsicht auf ein horizontales Bodendeck;
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3 ist
eine Eckansicht einer herkömmlichen,
bekannten Ventilvorrichtung unter Verwendung bei den horizontalen
Bodendecks;
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4 ist
eine auseinandergezogene isometrische Ansicht eines beweglichen
Ventils und Bodens zur Schaffung einer Ventilbodenanordnung der Stoftaustauschsäule der 1;
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5 ist
eine Seitenansicht der 4,
wobei das bewegliche Ventil in den Boden der 1 und 2 eingeführt ist;
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6 ist
eine Draufsicht auf die Ventilanordnung der 4 und 5 unter
Darstellung der Perforationen bzw. Lochungen und der Ablenkteile;
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7 ist
eine Kurve zur Darstellung von Testergebnissen der Leistung der
in den 4 und 5 gezeigten Anordnung im
Vergleich zu den Leistungen einer herkömmlichen Ventilvorrichtung
in 3;
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die 8 und 9 sind Kurven unter Darstellung
von Testergebnissen des Eintrages bzw. des Eingeschleppten (von
dem Gas zu dem Boden transportierte Flüssigkeit/Flüssigkeitströpfchen tragender Dampf) des
schwereren Fluids in dem leichteren Fluid unter Verwendung der Anordnung,
die in den 4 und 5 gezeigt ist, und herkömmlicher
Ventilvorrichtungen, die in 3 gezeigt
sind;
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10 und 11 sind Kurven unter Darstellung des
Druckverlustes schwereren Fluids unter Verwendung der in den 4 und 5 gezeigten Anordnung und der in 3 gezeigten herkömmlichen
Ventilvorrichtungen; und
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12 ist
eine Eckenansicht einer festen Fluiddispergieranordnung und eines
Bodens einer Stoffaustausch (Transfer)-Säule.
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Beschreibung
der bevorzugten Beispiele
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Die folgenden Beschreibungen der 1 bis 12 beschreiben bevorzugte Beispiele der
Erfindung. Das Dispersionsbodenventil der vorliegenden Erfindung
ist zwar veranschaulicht, ist aber nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt.
Die beschreibenden Ausdrücke,
die sowohl in der Beschreibung als auch in den Ansprüchen verwendet
werden, bezwecken die Klarheit und Verständ lichkeit und bezwecken keinesfalls
eine Begrenzung auf das Gebiet des Stoffaustausches oder auf eine
vertikale Anordnung von Teilen, wie sie gewöhnlich bei Stoftaustauschturmsäulen der
Fall ist.
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Der Begriff „Fluid" ist von der Terminologie der Stoffaustauschanwendungen übernommen,
um allgemein und ohne Beschränkung
auf die Stoftaustauschtechnologie die Art von Feststoffen bzw. Schwebstoffen
oder Aerosolen zu beschreiben, welche durch das Ventil der vorliegenden
Erfindung strömen.
Die Feststoffe, Schwebstofte oder Aerosole in Stoffaustauschbetrieben
bestehen im allgemeinen aus Tröpfchen
oder Bläschen
auf dem Molekularniveau oder einem mikroskopischen Maßstab. In
typischer Weise ist ein „Dampf" oder „Gas" ein leichteres Fluid
und eine „Flüssigkeit" ein schwereres Fluid. Das
Dispersionsbodenventil der vorliegenden Erfindung wird in idealer
Weise in einer Hochdruckfluidumgebung verwendet, wie zum Beispiel
in einer mit Boden versehenen Turmsäule. In dieser Hochdruckfluidumgebung
ist die Trennung oder Fraktionierung von Dämpfen, Gasen und Flüssigkeiten
ermöglicht.
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Die Begriffe „Boden" und „Bodendeck" beziehen sich auf die Oberfläche in einer
Turmsäule
bei Verwendung in Stoffaustauschverfahren. Der Boden kann auch als
ein Fraktionierboden mit Fluidberührung beschrieben werden. Bei
einer typischen Bodenanlage befindet sich die obere Fläche des
Bodens zur Oberseite des Turmes hin und die untere Fläche des
Boden zum Grund des Turmes hin. Viele unterschiedliche Böden können in
einer mit Böden versehenen
oder Fraktionierkolonne bzw. -säule
enthalten sein. Verschiedene Bodenöffnungen sind über der
Bodendeckfläche
positioniert. Gewöhnlich
sind Ventile oder andere Vorrichtungen über den Bodenöffnungen
angeordnet, um die Strömung
von Dämpfen
durch die Flüssigkeiten
zu regulieren. Der Begriff Boden bedeutet jedoch hier einfach irgendeine
Oberfläche,
durch welche ein Ventil, wie zum Beispiel in der vorliegenden Erfindung,
angebracht ist.
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Die Ventilanordnung oder eine andere
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann so aufgebaut sein, daß sie in
die Stoftaustauscher-Fraktionierböden paßt. Das Dispergierbodenventil
ist allgemein und bei bevorzugten speziellen Ausführungsformen
veranschaulicht, beschrieben und beansprucht.
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Die Ventilanordnung oder andere Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise in die Öffnungen
der Böden
für die
Verwendung in einer Turmkolonne und Fluidumgebung eingeführt. Es
ist jedoch nicht beabsichtigt, die Anwendung der vorliegenden Erfindung
auf ein Ventil für
die Benutzung nur in einer Fluidumgebung oder einer Turmsäule zu beschränken.
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In der ganzen Beschreibung und in
den Ansprüchen
ist auf „beweglich,
bewegbar" Bezug
genommen, wie allgemein die Bewegung des Bodenventils beschrieben
wird, wenn es in das Bodendeck und die Öffnung eingeführt wird.
Im allgemeinen bewegt sich die Ventilanordnung oder andere Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise nach oben und nach unten
relativ zu dem Bodendeck. Durch diese Bewegung hat das Fluid die
Möglichkeit, von
einer Seite des Bodendecks zu der anderen Seite zu gelangen und
die Fraktionierung der Fluide zu erreichen, welche durch die Stoffaustauschtechnologie
gefordert wird. Der Abstand zwischen dem Bodendeck und dem Dispersionsventil
bestimmt einen Fluidabzugsdurchgang oder eine Öffnung, durch welche nach oben
fließende
Teilchen hindurchgelangen.
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In den 1 und 2 sind in einfachem Schema
ein vertikal ausgerichteter Turm oder eine Säule oder Kolonne 50 und
eine Draufsicht des Bodendecks 1 gezeigt. Eine Anzahl von
Bodendecks 1 ist horizontal im Abstand angeordnet und in
der Kolonne 50 montiert. Flüssigkeit wird zu dem obersten
Bodendeck durch eine Fluidleitung 61 an einem aufstromigen
Ende 56 des Bodendecks zugeführt. Rücklaufrohrdurchgänge 65 führen von
einem Bodendeck nach unten zu dem nächsten unteren Bodendeck am abstromigen
Ende 57. Ein leichteres Fluid oder ein Dampf wird am Boden
des Turmes durch die Beschickungsleitung 62 eingeführt. Sobald
die schwerere Flüssigkeit
quer über
die Bodendeckfläche 1 strömt, steigt
der Dampf durch die Öffnungen 50 in
dem Boden auf, um einen Blasen- oder aktiven Bereich 55 zu erzeugen.
In dem aktiven Bereich 55 entsteht ein inniger und aktiver
Kontakt zwischen dem schwereren Fluid und dem leichteren Dampf.
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3 zeigt
eine bekannte Ventilanordnung 70 herkömmlichen Aufbaues. Die Ventilanordnung 70 weist
eine nicht perforierte bzw. nicht gelochte Abdeckplatte 71 mit
Beinen bzw. Schenkeln 73, 73A, 73B auf,
um es dem Ventil zu erlauben, in dem Bodendeck 1 angebracht
zu werden.
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In den 4 und 5 ist eine mit Fluiden in Kontakt
kommende Säule,
eine Bodenöffnung 10, eine
Fluide dispergierende Anordnung, die allgemein mit 18 bezeichnet
ist, gezeigt mit:
- a) einer Ausströmfluidlochung 200, 201 und 202 mit
einer Abdeckplatte 21 für
die Bodenöffnung 10 des
Bodens 1;
- b) nach unten sich erstreckenden Abdeckplattenschenkeln 23, 23A und 23B,
um die Abdeckplatte 21 im Betrieb über der Bodenöffnung 10 zu
haltern und zu positionieren und Fluidabzugsdurchgänge, die
mit 110 bezeichnet sind, zwischen der Abdeckplatte 21 und
dem Bodendeck 1 für
Fluid 11 vorzusehen, welches nach oben durch die Öffnung 10 hindurchströmt;
- c) einem Ausströmfluidablenkteil 224, 225 bzw. 226 für die oder
jede Lochung 200, 201 bzw. 202, wobei
das Abdeckteil die Lochung 200, 201 und 202 von
einer Seite zur anderen überspannt,
um mindestens zwei entgegengesetzt gerichtete Auslässe vorzusehen,
wie sie zum Beispiel mit 22 und 22A bezeichnet
sind, die im Betrieb mindestens zwei unterschiedliche Ausströmfluidströme 200/220A, 221/221A und 222/222A bilden,
wobei die Ströme über eine
Mittelzone Z der Abdeckplatte 21 voneinander weg strömen; und
- d) wobei die Ausströmfluidablenkteile 224, 225 und 226 die
leichteren Fluidströme 200/200A, 221/221A und 222/222A berühren, um
die Fluidströme
in feinere Fluidströme
zu zerstreuen als der Fluidstrom 110/110A, welcher
durch die Fluidabzugsdurchgänge 20 hindurchgeht.
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In diesem Beispiel der vorliegenden
Erfindung ist die Anordnung 18 eine Ventilanordnung, und die
Abdeckplatte 21 sitzt auf dem Boden über der darunter befindlichen Öffnung 10,
die Beine bzw. Schenkel 23, 23A und 23B befinden
sich gleitbar in der Bodenöffnung 10 und
erstrecken sich in dieser nach unten. Für jeden Schenkel 23, 23A und 233B ist mindestens
ein mit dem Boden in Eingriff stehender Vorsprung 230, 230A bzw. 230B auf
dem Schenkel 23, 23A und 23B für die Begrenzung
der Verschiebung der Abdeckplatte nach oben durch nach oben strömendes Fluid
vorgesehen, um die Fluidabzugsdurchgänge, wie sie zum Beispiel mit 20 bezeichnet sind,
aufzudecken. Bei diesem Beispiel der vorliegenden Erfindung sind
drei Lochungen 200, 201 und 202 vorgesehen,
und die Schenkel 23, 23A und 23B befinden
sich an Positionen, die zwischen den Lochungen 200, 201 und 202 liegen,
befinden sich aber auf der Abdeckplatte 21 nach außen im Abstand
von den Lochungen. Wie in 6 gezeigt
ist, sind die Ausströmfluidlochungen
in einer V-förmigen
Formation derart angeordnet, daß die
Fluidströme über einen herkömmlich inaktiven
und mittigen Bereich des Ventils Z gelangen.
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Die Schenkel 23, 23A und 233B verhindern ein
seitliches Verschieben der Abdeckplatte 21 über den
Boden 1.
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Die Ventilanordnung 18 ist
aus einem Material hergestellt, vorzugsweise Metall, welches für die Anwendung
der Berührung
der Fluide geeignet ist, bei welcher die (nicht gezeigte) Säule verwendet
werden soll. Das Ventil kann aus anderen Materialien aufgebaut sein,
wie zum Beispiel aus Kunststoffen, wenn die Ventilanordnung bei
Stoffaustausch verwendet wird, wenn die Fluide mit dem Kunststoff nicht
Wechselwirken. Aus Kunststoff aufgebaute Ventile verringern die
Kosten der Ausrüstung
für die Säule.
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Bei dem Beispiel der vorliegenden
Erfindung ist die Abdeckplatte 21 kreisförmig, um
eine kreisförmige Öffnung 20 abzudecken,
und die drei Beine bzw. Schenkel 23, 23A und 23B sind
einstöckig
mit dieser und am Umfang in einem Abstand um 120° voneinander angeordnet, um
längs Wegen
zu liegen, die sich von der Mitte der Abdeckplatte 21 zwischen den
Ablenkteilen 224, 225 und 226 erstrecken.
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Die mit dem Boden in Eingriff tretenden
Vorsprünge 230,
230Aund 230B sind in der vorläufigen Patentanmeldung
mit dem Aktenzeichen 60/061,501, angemeldet am 10. Oktober 1997
von Karl T. Chuang mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung
für die
Bodenventilanbringung" beschrieben.
Zwei Typen von Vorsprüngen
mit Bodeneingriff sind gezeigt. Diese sind:
- i)
der Vorsprung 230 für
den Bodeneingriff, der ein mittiger Zungenabschnitt des Schenkels 23 ist, welcher
aus einem umgekehrten, länglichen, u-förmigen geschnittenen
Abschnitt des Schenkels 23 gebildet ist und herausgebogen
ist, um sich von dort in einer Richtung nach oben, vorzugsweise
unter einem spitzen Winkel, nach außen zu erstrecken; und
- ii) ein Bodeneingriffsvorsprung 230A, der ein Seitenzungenabschnitt
des Schenkels 23A ist und aus einem umgekehrten, L-förmigen Schnittabschnitt
des Schenkels 23A gebildet ist, der aus dem Schenkel herausgebogen
wurde, um sich nach außen
von diesem in einer Richtung nach oben zu erstrecken, vorzugsweise
unter einem spitzen Winkel.
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Der Abstand 15 zwischen
dem oberen Ende des mit dem Boden in Eingriff, kommenden Vorsprunges 230 und
der Abdeckplatte 21 bestimmt die maximale Höhe des Abzugsdurchgangs 110,
wenn die Abdeckplatte 21 dadurch vollständig verschoben wurde, daß sie durch
ein leichteres Fluid in die in 5 gezeigte
Position nach oben getrieben wurde.
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Die Bodenöffnung 10 kann mit
mindestens einer Antidrehlasche versehen sein, wie zum Beispiel mit
1A in 4 bezeichnet ist.
Die Lasche 1A ragt einwärts
radial von dem Umfang der Bodenöffnung 10 so
etwas vor, daß wenn
sich der Schenkel 23 in der Öffnung 10 befindet,
die Drehung der Abdeckplatte 21 in der Öffnung 10 beschränkt ist.
Dies ermöglicht
einen gleichmäßigeren
Durchgang von Fluid durch alle die Abzugsdurchgänge, die zum Beispiel mit 110 bezeichnet
sind, und sichert Berechnungen für
eine mehr vorhersagbare Fluidströmungsrate, wobei
die Berechnungen zum Erreichen einer höheren Wirksamkeit durchgeführt werden.
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Antihaftlaschen, wie sie in den 4, 5 und 6 zum
Beispiel mit 24 bezeichnet sind, ragen von der Abdeckplatte 21 etwas
nach unten vor. Die Laschen 24 stellen sicher, daß es zwischen
der Unterseite der Abdeckplatte 21 und dem Boden immer
einen Spalt gibt. Dadurch wird vermieden, daß die Abdeckplatte 21 während der
Benutzung ganz an den Boden 1 angesaugt wird, so daß die Abdeckplatte 21 getrieben werden
kann.
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In dem in den 4 und 5 gezeigten
Beispiel werden die Ausströmfluidablenkteile 224, 225 und 226 als
Rundbuckelbrücken,
Sonnendachvorsprünge,
Muldendach bzw. Fallschirmkappe unter Vorsehen von Ausströmfluidöftnungen
beschrieben, wie sie zum Beispiel mit 22 auf gegenüberliegenden
Seiten der Ausströmfluidablenkteile 224, 225 und 226 bezeichnet
sind. Beim Blick von oben befinden sich die drei Ausströmfluidablenkteile 224, 225 und 226 in einer
V-Formation rund um die Mitte der Abdeckplatte 21 und erstrecken
sich nach oben von einer Seite zur anderen über die Lochungen 200, 201 und 202 und überspannen
diese längs
parallelen, im Abstand liegenden Wegen und können durch Schneiden paralleler
Schlitze in die Abdeckplatte 21 und entweder Hochdrücken des
Abschnittes der Abdeckplatte 21 zwischen den Leisten durch
Prägen
vorgesehen werden oder durch Formen einer nach oben gekrümmten Brücke oder
einer Fallschirmkappe oder eines Muldenvordaches zur Schaffung der
Pertoration bzw. Lochungen 200, 201 und 202,
wobei die Ausströmfluidablenkteile 224, 225 und 226 diese überspannen.
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Bei anderen Beispielen der vorliegenden
Erfindung können
die Bodenöffnung 10 und
die Abdeckplatte 21, einschließlich der Lochungen 200, 201 und 202,
eine andere geometrische Form haben, zum Beispiel rund, quadratisch
oder dreieckig. Während
drei Lochungen 200, 201 und 202 in dieser
Ausführungsform
vorgesehen sind, kann die Anzahl, Größe und Gestaltung der Lochungen
und der Ausströmfluidöffnungen,
wie sie zum Beispiel mit 22 bezeichnet sind, durch die
Größe der Öffnungen 10 in dem
Boden 1 und dem gewünschten
Dispergiereffekt der dispergierten Flüssigkeit bestimmt werden.
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Im Betrieb fließt ein verhältnismäßig schwererer Fluidstrom über die
Oberseite des Bodens 1 in der Richtung des Pfeils X, während ein
verhältnismäßig leichteres
Fluid 11 durch die Öffnung 120 ( 4) nach oben strömt und die
Anordnung 1 anhebt, so daß diese die Abzugsdurchgänge freigibt,
wie mit 10 bezeichnet ist. Ein Abschnitt des leichteren, durch die Öffnung 10 gelangenden
Fluids 11 zieht als Ströme verhältnismäßig großer Tröpfchen oder
Blasen 110 und 110A aus den Fluidabzugsdurchgängen 20 ab, wie
bei 10 bezeichnet ist, und in den schwereren Strom, während ein
anderer Abschnitt desselben nach oben durch die Lochungen 200, 201 und 202 geht,
um durch die Ablenkteile 224, 225 und 226 als zwei
aus den entgegengesetzt gerichteten Auslässen, wie sie mit 22 und 22A bezeichnet
sind, austretende Ströme
verhältnismäßig feinerer
Blasen 220 und 220A in die schwereren Ströme abgelenkt
zu werden.
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Die Ströme feinerer Blasen 220 und 220A strömen voneinander
weg in entgegengesetzten Richtungen, bilden die zum Beispiel mit 22 und 22A bezeichneten
Auslässe über der
Abdeckplatte 21, bevor sie durch die schwerere Flüssigkeit
nach oben steigen. Dieses Fließmuster
der feineren Blasen 220 und 220A
- i) führt
feinere Blasen 220 und 220A in Abschnitte des
schwereren Fluid in der Mittelzone Z der Abdeckplatte, welche sonst
eine Stagnationszone wäre,
d. h. frei von Blasen leichteren Fluid irgendeiner Größe und
- ii) schafft einen größeren Oberflächenkontakt
zwischen den leichteren und schwereren Fluiden,
und diese
zwei Merkmale vergrößern den
Wirkungsgrad der Anordnung 18 und des Bodens 1,
wodurch die Betriebskosten dadurch verringert werden, daß die Reaktionsgeschwindigkeit
im Vergleich mit herkömmlichen
Anordnungs- und Bodenausgestaltungen erhöht wird. Anders gesagt, gibt
es eine verbesserte und gleichmäßige Wechselwirkung
zwischen den leichteren und schwereren Fluiden ohne die Notwendigkeit
einer Erhöhung
der Anzahl der Anordnungen 18 im Vergleich zu herkömmlichen
Anordnungen und Böden.
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Die folgenden Versuche wurden durchgeführt, um
die vorliegende Erfindung zu verifizieren, wobei die in den 4 und 5 gezeigte Anordnung und die in 3 gezeigten herkömmlichen
Ventile verwendet wurden.
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Versuch I
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In diesem Versuch wurde Isopropyl-alkoholreicher
Dampf nach oben als das leichtere Fluid durch eine Kolonne gepumpt,
die den Boden enthielt, während
Methylalkohol-Flüssigkeit
durch die Klonne nach unten als das schwerere Fluid gelangte, um über den
Boden zu strömen.
Dies erfolgte für
den Stoffaustausch und Wärmeaustausch
zwischen dem Dampf und der Flüssigkeit
bei verschiedenen Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeiten
von 0,12 GPM/(Zollüberlauflänge) bis
0,59 GPM/ (Zollüberlauflänge) für das Isopropyl-Alkohol/Methylalkohol-System.
In einer Luft-Wasser-Kolonne wurde eine konstante Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit
von 0,29 GPM/(Zollüberlauflänge) aufgebracht.
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In 7 veranschaulicht
F die Quadratwurzel der kinetischen Energie des Dampfes für eine Oberflächendampfgeschwindigkeit
von 0,46 m/s bis 2,3 m/s, wobei E der Austauscherwirkungsgrad ist,
d. h. als ein Verhältnis
der Veränderung
der Zusammensetzung des Bodens zu der Veränderung, die es bei einem theoretischen
Boden gäbe.
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In 7 stellt
-•- einen
herkömmlichen
Boden dar, bei dem 8% der Bodenoberfläche perforiert ist, und mit
Abdeckplatten, die keine Lochungen enthalten. In 7 veranschaulicht -∎- den Boden
des -•-
mit perforierter Abdeckplatte und -o- veranschaulicht den Boden
des -•-,
wobei die Abdeckplatte Perforationen bzw. Lochungen und Ablenkteile
hat, wie in den 4 und 5 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt ist.
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Wie aus 7 zu sehen ist, bietet die Ventilanordnung
der 4 und 5 etwa eine 10%-ige Erhöhung des
Wirkungsgrades gegenüber
dem herkömmlichen
Boden bei dem normalen Betriebsbereich der getesteten Ströme.
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Die Ergebnisse wurden mit einer Testsäule von
300 mm Durchmesser erhalten, in welcher drei Böden eingebaut waren, wobei
der Mittelboden als Testboden diente. Manometerzapfstellen waren über und
unter dem Testboden angeordnet, um den trockenen oder Gesamtboden-Druckabfall
zu messen. Der obere Boden wurde benutzt, um den Eintrag zu sammeln,
welcher durch Aufzeichnung der Zeit gemessen wurde, die zum Füllen eines
Behälters
verstrich. Der obere Boden war auch mit einer 30-mm Schicht eines
Gitters zum Ausschalten von Nebel bedeckt, um sicherzustellen, daß das eingetragene bzw.
mitgerissene Wasser nicht aus der Säule herausgetragen wurde. Der
Grundboden war als Luftverteiler und Tropfsammler ausgestaltet.
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Die 8 und 9 zeigen Eintragsvergleiche für Luft,
die als leichteres Fluid nach oben strömt, und Wasser, welches als
schwereres Fluid nach unten strömt.
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Wie man aus den 8 und 9 sieht,
verursacht die Anordnung der 4 und 5 viel geringeren Flüssigkeitseintrag
des Gases und höhere
Förderkapazität des Gasvolumens
als herkömmliche
Böden.
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Die 10 und 11 zeigen Druckabfallvergleiche
für das
Wasser, welches in den Luft/Wassersystemen der 8 und 9 nach
unten strömt.
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Wie man aus den 10 und 11 sieht,
ist der Wasserdruckabfall für
die in den 4 und 5 gezeigte Anordnung etwa
10 bis 20% geringer als jene der herkömmlichen Ventilanordnungen
der 3, je nach den Fließgeschwindigkeiten
der Fluide. Man fand, daß die
in den 4 und 5 gezeigte Anordnung in der
Lage war, einen größeren Abzug über das leichtere
Fluid zu schaffen, um durch einen Boden nach oben zu gelangen, als
der herkömmlicher
Böden.
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Es wird nun auf 12 Bezug genommen, wo ähnliche
Teile wie die in den 4 und 5 gezeigten durch dieselben
Bezugszahlen bezeichnet sind, und die vorherige Beschreibung stellt
auf ihre Beschreibung ab, und es ist eine feste Fluiddispergieranordnung
gezeigt, die im Boden 1 allgemein mit 120 bezeichnet
ist.
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Eine Abdeckplatte 121 ist
am Boden 1 durch drei nach unten verlaufende Abdeckplattenbeine oder
-schenkel angebracht, von denen zwei gezeigt und mit 123 und 123A bezeichnet
sind. Die Schenkel 123 und 123A sind in gleichem
Abstand voneinander um die Abdeckplatte 121 herum angeordnet
und sichern die Abdeckplatte 121 in einer festen, erhabenen
Position über
der Öffnung 10 im
Boden 1, um Abzugsdurchgänge 124 bis 126 zwischen
dem Boden 1 und der Abdeckplatte 121 für durch
die Öffnung 10 nach
oben strömendes
Fluid vorzusehen.
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Drei Ausströmfluidlochungen 100, 100A und 100B sind
in der Abdeckplatte 121 vorgesehen, wobei jede ein Ausströmfluidablenkteil 122, 122A bzw. 122B hat,
welches die Lochung 100, 100A und 100B überspannt,
um entgegengesetzt gerichtete Auslässe, wie zum Beispiel 128 und 128A vorzusehen.
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Die Abdeckplatte 121, die
Schenkel, wie zum Beispiel 123 und 123A, und die
Teile 122, 122A und 122B sind einstückig mit
dem Bodendeck und aus diesem gepreßt. Bei anderen Ausführungsformen können die
Abdeckplatte 121, die Schenkel 123 und 123A und
die Teile 122, 122A und 122B einstückig und
aus Blech gepreßt
sein und in dem Boden durch federnde Aufhängung der Schenkel in die Öffnung 10 hinein
angebracht sein, bis (nicht gezeigte) Vorsprünge die Abdeckplatte 121 auf
einer festen Höhe über der Öffnung 10 sichern.
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Im Betrieb arbeitet die in 12 gezeigte Anordnung auf
dieselbe Weise wie die, welche unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben wurde, mit der Ausnahme,
daß die
Abdeckplatte
121 in Position über der Öffnung 10 befestigt
ist und nicht von dem verhältnismäßig leichteren
Fluid angehoben wird.
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Während
die Erfindung bezüglich
ihrer bevorzugten Beispiele beschrieben worden ist, können andere,
unterschiedliche Konstruktionen verwendet werden. Zum Beispiel können die
Lochungen mit Ablenkteilen in alle anderen Konfigurationen der Ventilabdeckplatten
oder Kappen eingebaut sein, zum Beispiel quadratische, rechteckige,
dreieckig oder in anderen Formen, wie für die Spezifikationen des Turmes
erforderlich sind. Auch können
unterschiedliche Gestaltungen und Anzahl von Lochungen und Ablenkteilen
in verschiedene Ventile eingebaut werden. Ferner können die
Lochungen mit den Ablenkteilen in verschiedene Ventile eingebaut
sein. Darüber
hinaus können
die Lochungen mit den Ablenkteilen bei anderen herkömmlichen
Ventilausgestaltungen angepaßt
und verwendet werden, wie zum Beispiel andere Schwimmerventile und
andere feste Ventile, wie zum Beispiel Blasenkappen, um den Oberflächenkontakt
zwischen den leichteren und schwereren Fluiden zu erhöhen und
feinere Fluidtröpfchen
und -bläschen
gemäß Bedarf
zu erzeugen.
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Diese und verschiedene andere Modifikationen
können
vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung, wie er durch
die anliegenden Ansprüche
definiert ist, zu verlassen.