DE2845804A1

DE2845804A1 - Fuellkoerper fuer vorrichtungen zum inberuehrungbringen von gasen und fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2845804A1
Application number: DE19782845804
Authority: DE
Inventors: Kenneth Edwin Porter; Jun Ralph Frederick Stringle
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1977-11-01
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1979-05-03
Also published as: FR2407014A1; ZA785462B; GB2007109B; BR7806820A; AU521023B2; DE2845804C3; SE7810944L; NL178656C; IT7869402A0; JPS5939455Y2; DE2845804B2; NL7810439A; IN150224B; AU4091078A; FR2407014B1; US4303599A; MX148460A; CA1119945A; SE439115B; JPS5673520U

Description

DR. ING. F. WTJESTHOFF 8000 MUNCHJEJT 9O

DR. E. ν. PECBMANN SCIIWEIOEHSTH ASSE S

DR. ING. D. BEHRENS T₁=I-Er₀₁, (089) 00

DIFL. ING. R. GOETZ ™^{x 5} ** °⁷°

TELEGHAMME :

PATENTANWÄLTE photectpatent müwohek

7B45804

1A-51 443

Anmelder: NORTON COMPANY

1 New Bond Street,

Worcester, Massachusetts, USA

Titel: Füllkörper für Vorrichtungen

zum Inberuhrungbringen von Gasen und Flüssigkeiten

909818/079S

DR. ING. F. IVtrESTITOFF DR. E. ν. PECHMANN

DR. ING. D. BEHRENS DIPL. ING. R. GOETZ

PATENTANWÄLTE

8000 MÜNCHEN 90 SCIIWEIGEBSTHASSE 3 TEI₁EFON C 089) 66 20 Ul τεγ,εχ 5 24,070

FItOTECTPATENT

1 -51 443

BESCHREIBUNG

Füllkörper für Vorrichtungen zum Inberührungbringen von Gasen und Flüssigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf Füllkörper zur Verwendung in Vorrichtungen zum Inberührungbringen von Gasen und Flüssigkeiten, z.B. Stoffaustauschkolonnen, Füllkörper, die mit Hilfe schnell arbeitender Stanzpressen aus einem der Stanzpresse zugeführten Metallstreifen (Blechband) nach Art der bekannten Blech-Sattelkörper hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten der-~ artigen Füllkörper dahingehend zu verbessern, daß bei Erhalt guter Druc hströmungsbedingungen (möglichst niedriger Strömungswiderstand, gleichmäßige Durchströmung) ein größerer hydraulischer Radius zur Verbesserung der Austauschbedingungen und eine bessere Zufallsorientierung in der Packung erzielbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Ausgestaltungen in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Metallstreifen zugeschnitten und um eine gedachte Achse herum so gebogen, daß ein elliptisch gekrümmter Basisabschnitt mit einem in der entgegengesetzten Richtung gekrümmten Brückenabschnitt entsteht, wobei der Brückenabschnitt in Richtung auf die gedachte Achse versetzt ist.

schüttbaren Die Erfindung schafft einen/Füllkörper, der einen perforierten Basisabschnitt aufweist, dessen freie Enden so um eine Achse herum gebogen sind, daß sie mindestens teilweise einen Raum umschließen; ferner ist mindestens ein Brückenabschnitt vorhanden, der entgegengesetzt zur Krümmung des Basisabschnitts gekrümmt ist, von dem Basis-

909818/079S

51 443

abschnitt getragen wird und sich unter Einhaltung eines Abstandes von dem Basisabschnitt in den genannten Raum hinein erstreckt, wobei der Basisabschnitt im wesentlichen eine halbelliptische Form mit einem Scheitelabschnitt und Endabschnitten aufweist, wobei der Krümmungsradius des Scheitelabschnitts kurzer ist als derjenige der Endabschnitte, und wobei die zwischen dem Scheitelabschnitt des Basisabschnitts und dem unteren Teil des Brückenabschnitts gemessene Höhe des Basisabschnitts erheblich größer ist als die Wandstärke des Basisabschnitts, wenn diese parallel zu der genannten Achse am offenen Ende gemessen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Betrachtung derselben in Richtung der gedachten Achse;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Ausführungsform nach Flg. 1 bei Betrachtung derselben im rechten Winkel zu der gedachten Achse; und

Fig. 3 die Draufsicht des flachen Materialstreifens, aus dem der Füllkörper nach Fig· 1 und 2 hergestellt wird.

Gemäß der Zeichnung weist der erfindungsgemäße Füllkörper einen Basisabschnitt 10 und einen Brückenabschnitt 12 auf. Zu dem Brückenabschnitt 12 gehören zwei Hälften und zwei Zungen 14, die in den Raum hineinragen, welcher durch die betreffenden Flächen des Basisabschnitts 10 und den Brückenabschnitt 12 abgegrenzt wird.

Der Basisabschnitt 10 weist Flansche oder Abkantungen 16 auf, die dazu dienen, den Basisabschnitt so zu verstärken,

909818/0795

51 443

daß er eine ausreichende Starrheit erhält, und mittels welcher der Füllkörper in einem Abstand von benachbarten Füllkörpern gehalten wird, welche ein Bett bilden, in dem die Füllkörper regellos gelagert sind.

Gemäß Fig. 1 hat der Basisabschnitt 10 allgemein die Form eines Teils einer Ellipse, doch setzt er sich tatsächlich aus drei Abschnitten zusammen, die durch drei getrennte Krümmungs mitte!punkte bestimmt sind. Es ist jedoch auch möglich, dem Basisabschnitt eine hyperbolische, parabolische oder vieleckige Form zu geben; hierbei kommt es insbesondere darauf an, daß der Basisabschnitt eine Verjüngung in Richtung auf seinen oberen Teil aufweist. Der obere Teil des Basisabschnitts hat bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Krümmungsradius von etwa 9,6 mm, während der Krümmungs radius der End- oder Mantelabschnitte jeweils etwa 35 mm beträgt. Der Brückenabschnitt 12 hat einen Krümmungsradius von etwa 12,7 mm. Bei dieser Konstruktion hat der Raum, der einerseits durch den Basisabschnitt 10 und andererseits durch den Brückenabschnitt 12 abgegrenzt wird, in verschiedenen Richtungen nahezu gleich große Abmessungen, und es ist eine relativ gleichmäßige Flächenverteilung in der Umgebung dieses Raums vorhanden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel führt die halbelliptische Form dazu, daß sich ein Verhältnis von nahezu 1,0 zwischen der inneren Höhe der Öffnung und der maximalen Breite der Öffnung ergibt. Gemäß Figo 1 handelt es sich hierbei um die Abmessungen B und A. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß bei den vorteilhaftesten Füllkörpern nach der Erfindung der Wert des genannten Verhältnisses mindestens 0,97 beträgt; in jedem Fall soll das Verhältnis zwischen B und A den Wert von 0,75 nicht unterschreiten. Hierbei ergibt sich ein großer hydraulischer Radius, der als der Quotient aus der Querschnittsfläche und der Umfangslänge der Querschnittsfläche definiert ist. Gewöhnlich hat ein Kreis

909818/0795

51 443

den größten hydraulischen Radius, und bei Abweichungen von der Kreisform wird der hydraulische Radius kleiner. Bei den erfindungsgemäßen Füllkörper soll der größte hydraulische Radius erreicht werden, der sich bei der sich verjüngenden Gestalt des oberen Endabschnitts erzielen läßt.

Wie schon angedeutet, besteht ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung darin, daß die halbelliptische Form bzw. eine andere sich verjüngende Form des Basisabschnitts zu einer Konstruktion führt, die sich nicht im Gleichgewichtszustand an ihrer Nase abstützen kann. Daher ist ein erfindungsgemäßer Füllkörper stets bestrebt, nach einer Seite umzukippen, so daß die gedachte Achse senkrecht verläuft, oder gegenüber seiner Nase so umzukippen, daß der Füllkörper derart zur Ruhe kommt, daß sich die längere Achse der Ellipse unter einem erheblichen Winkel zur Senkrechten erstreckt. Dies bedeutet, daß die Gase, welche durch solche Füllkörper nach oben steigen, stets auf Öffnungen treffen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Unter Berücksichtigung der durch die Füllkörper dargebotenen Flächen ergibt sich daher eine sehr hohe Durchsatzleistung der Füllung. Würde der Füllkörper seine in Fig. 1 gezeigte Lage beibehalten, so daß die längere Achse der Ellipse senkrecht verlaufen würde, würden die in der die Füllung enthaltenen Kolonne hochsteigenden Gase auf eine Konstruktion treffen, die nahezu vollständig durch die Flächen 12, 10 und 14 verdeckt ist, welche sich allgemein quer zur Strömungsrichtung des Gases erstrecken.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der gekrümmte untere Abschnitt des Füllkörpers, d.h. der Brückenabschnitt 12, längs der gedachten Achse eine geringere Breite hat als der Kopfteil des halbelliptischen Abschnitts. Hierdurch wird die !Instabilität des Füllkörpers vergrößert, so daß der Füllkörper nicht dazu neigt, sich auf dem unteren Teil des gekrümmten Brückenabschnitts abzustützen. Da der Schwerpunkt des Füllkörpers höher liegt als dieser untere

909818/0795

-ßr-

51 443

Teil, und wegen der relativ geringen Breite des Brückenabschnitts neigt der Füllkörper dazu, zur einen oder anderen Seite umzukippen, statt eine Gleichgewichtslage einzunehmen und sich mit dem unteren Teil des gekrümmten Brückenabschnitts 12 abzustützen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß keine größeren breiten waagerechten Flächen innerhalb der Füllung der Kolonne vorhanden sind, und zwar selbst dann nicht, wenn sich Füllkörper mit einer Seite des halbelliptischen Abschnitts tangential zu einer waagerechten Linie abstützen. Dies ist auf die relativ große Offenheit des Füllkörpers zurückzuführen, die ihre Ursache in der großen Fläche des Brückenabschnitts 12 und der Zungen 14 hat. Die relativ breite Fläche des Basisabschnitts 10 ist gemäß Fig. 3 in mehrere erheblich kleinere Flächen unterteilt, so daß die Flüssigkeit, z.B. Wasser, beide Flächen der verschiedenen Teile des Füllkörpers berühren kann, und zwar sogar auch dann, wenn diese Flächen eine waagerechte Lage einnehmen.

Zwar sollen waagerechte Flächen von großer Breite vermieden werden, doch sollen die Flächen hinreichend breit sein, um eine waagerechte Verlagerung der Flüssigkeit, z.B. Wasser, herbeizuführen, damit alle Flächen jedes Füllkörpers benetzt werden, um ständig eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über den ganzen Querschnitt der Kolonne bzw. des Turms zu gewährleisten. Daher erhalten die Flächen eine ausreichende Breite, so daß sich die Flüssigkeit, z.B. Wasser, nicht auf den Flächen ansammelt und so von ihnen abtropft, als wenn an ihrer Stelle Drähte vorhanden wären.

Zu den Merkmalen der Erfindung gehört es ferner, daß die Öffnungen des Füllkörpers hinreichend groß sein müssen, damit die Flüssigkeit hindurchströmen kann, ohne daß sie Brücken bildet, wobei die verschiedenen Öffnungen abgeschlossen würden, die von dem Gas durchströmt werden sollen.

909818/0795

51 443

'I"

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Zungen oder Finger 14, welche in den Innenraum des Füllkörpers hineinragen, praktisch drei Strömungskanäle für das Gas abgrenzen, zu denen gemäß Fig. 1 ein unterer Kanal C und zwei obere Kanäle D und E gehören, die durch gedachte Linien getrennt sind, welche sich längs der Achse der Ellipse erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die drei Querschnittsflächen C, D und E nahezu die gleiche Größe, so daß das Gas gleichmäßig und unter Überwindung eines geringen Strömungswiderstandes parallel zu der gedachten Achse des Füllkörpers strömen kann, und daß zum Zweck des Stoffaustausches eine gleichmäßige Verteilung des Gases gewährleistet ist.

Zwar sind die Krümmungsradien, insbesondere diejenigen des Basisabschnitts 10 und des Brückenabschnitts 12, nicht von ausschlaggebender Bedeutung, doch üben sie den eingangs geschilderten Einfluß aus. Allgemein gesprochen sind die geometrischen Verhältnisse ohne Rücksicht darauf, ob die genannten Abschnitte vieleckig mit geraden Flächen oder als gleichmäßig gekrümmte Flächen oder elliptisch ausgebildet sind, derart, daß der Füllkörper nicht in einer Lage zur Ruhe kommt, in welcher seine längere Achse senkrecht und seine gedachte Achse waagerecht verläuft. Infolgedessen können seine gegeneinander versetzten Flächen nicht die projizierten Flächen in senkrechter Richtung vollständig überschatten, und zwar auch dann nicht, wenn die gedachte Achse waagerecht verläuft. Zu diesem Zweck gewährleistet die halbelliptische oder sich verjüngende Form des Basisabschnitts 10 die gewünschte !Instabilität, und die parallel zu der gedachten Achse des Brückenabschnitts geringe Breite bietet eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß der Füllkörper jeweils so zur Ruhe kommt, daß die gedachte Achse einen Winkel mit der Waagerechten bildet, d.h. daß der Füllkörper nicht die in Fig. 1 gezeigte Lage beibehält. Hierbei handelt es sich um eine sehr unstabile Lage, die auf die geringe Breite

909818/0795

51 443

der Stützfläche zurückzufuhren ist, welche durch die beiden Hälftendes Brückenabschnitts 12 gebildet werden; außerdem liegt der Schwerpunkt des Füllkörpers erheblich höher als der Brückenabschnitt. Hat der Füllkörper größere Abmessungen, kann man dem Brückenabschnitt 12 ebenfalls eine halbelliptische oder sich verjüngende Form geben, um zu verhindern, daß der Füllkörper auf dem Brückenabschnitt so zur Ruhe kommt, daß die längere Achse der Ellipse senkrecht verläuft.

Aus Fig. 1 und 2 ist ferner ersichtlich, daß die Flächen der Teile des Füllkörpers aus Metall sowohl am oberen Ende als auch am unteren Ende des umschlossenen Raums annähernd die gleiche Größe haben.

Ein erfindungsgemäßer Füllkörper, der allgemein die aus Fig. 1 und 2 ersichtliche Form hatte und die genannten Abmessungen besaß, wurde durch Versuche mit mehreren handelsüblichen Füllkörpern sowie mit Versuchsfüllkörpern verglichen, die im wesentlichen Fig. 3 der US-Patentanmeldung

hergestellt worden waren; die

letzteren Füllkörper sind in der nachstehenden Tabelle mit "Citten I" bezeichnet.

Die Füllkörper wurden in einer 380-mm-Laboratopiumsdestillationsvorrichtung geprüft, wobei mit Isooctan und Toluol bei vollständigem Rückfluß und atmosphärischem Druck gearbeitet wurde, um Angaben über den Durchsatz und den Wirkungsgrad der Destillation zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

909818/0795

51 443

Wirksamkeit der Füllkörper Packungsfaktor Füllkörpersäule, mm

Pall-Ring 25,4 mm 51 412

Pall-Ring 38 mm 34 506

Hy-Pack Nr. 1 44 436

Citten I 34 472

gem. Erfindung 24 433

Pall-Ring, 51 mm, Metall 23 643

Die Pall-Ringe aus Metall waren von der Art, welche durch die Norton Company hergestellt werden und auf Seite 3 des "Bulletin DC-11" dargestellt sind, welches erstmals 1971 und erneut im Jahre 1976 von der Norton Company veröffentlicht wurde (3M-31357-1276).

Die Hy-Pak-Riage Nr. 1 entsprechen allgemein der Darstellung auf Seite 2 der genannten Druckschrift aus dem Jahre 1976.

Wie erwähnt, entsprachen die Füllkörper der Bauart Citten I der Fig. 3 der weiter oben genannten US-Patentanmeldung. Bei den erfindungsgemäßen Füllkörpern handelte es sich um solche der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art.

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen .Füllkörper insgesamt den untersuchten anderen Füllkörpern überlegen sind. Sie zeigen einen besseren Wirkungsgrad und einen höheren Durchsatz als die Pall-Ringe (38 mm) bzw. die bei Destillationsanlagen verwendeten sog. Miniringe. Zwar ist der Wirkungsgrad n±ht ganz so gut wie bei den PaIl-Ringen mit einem Durchmesser von 25,4 mm, doch ist der Packungsfaktor erheblich besser. Die Leistung (Packungsfaktor) ist nahezu derjenigen eines Pall-Rings mit einem Durchmesser von 50,8 mm gleichwertig, wobei jedoch ein erheblich höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Hierzu sei bemerkt, daß der Packungsfaktor eine dimensionslose Zahlengröße ist, die empirisch ermittelt wird, wie es auf S. 4 und 5 in der ge-

909818/0795

■ί-

51 443.

284580Α

nannten Druckschrift DC-11 der Norton Company beschrieben ist. Es handelt sich umfeine relative Zahl, und je kleiner der Packungsfaktor ist, desto besser ist die Leistung einer mit den betreffenden Füllkörpern gefüllten Säule.

Unter Berücksichtigung der Grundgedanken der Erfindung ist es möglich, verschiedene Arten von Füllkörpern für verschiedene Verwendungszwecke zu konstruieren. Werden z.B. die Abmes. sungen des Füllkörpers vergrößert, ist es möglich, eine Wirksamkeit der Füllkörpersäule zu erreichen, die mit derjenigen von Pall-Ringen mit einem Durchmesser von 50,8 mm vergleichbar ist, wobei jedoch eine erheblich höhere Leistung erzielbar wird* Umgekehrt kann sich bei kleineren Abmessungen eine Wirksamkeit der Füllkörpersäule ergeben, die niedriger ist als diejenige von Pall-Ringen mit einem Durchmesser von 25,4 mm, wobei sich jedoch wiederum eine höhere Leistung ergibt.

909818/079S

Claims

ANSPRÜCHE

Füllkörper zur Verwendung als Bestandteil einer geschütteten Packung bei Vorrichtungen zum Inberührungbringen von Gasen und Flüssigkeiten, wobei der Füllkörper einen durchbrochenen Basisabschnitt aufweist, der freie Enden besitzt und um eine Achse herum so gekrümmt ist, daß er mindestens teilweise einen Raum umschließt, sowie mindestens einen Brückenabschnitt, der gegenüber dem Basisabschnitt in der entgegengesetzten Richtung gekrümmt ist, von dem Basisabschnitt getragen wird und sich unter Einhaltung eines Abstandes von dem Basisabschnitt in den genannten Raum hinein erstreckt, dadurch gekennzeichnet , daß der Basisabschnitt (10) eine allgemein halbelliptische Form mit einem Scheitelabschnitt und Endabschnitten hat, daß der Krümmungsradius des Scheitelabschnitts kürzer ist als derjenige der Endabschnitte, und daß die zwischen dem Scheitelabschnitt des Basisabschnitte und dem unteren Teil des Brückenabschnitts (12) gemessene Höhe des Basisabschnitts erheblich größer ist als die am offenen Ende parallel zu der genannten Achse gemessene Breite des Basisabschnitts.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) über das offene Ende des Basisabschnitts (10) hinausragt.

3. Füllkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) mindestens eine aus ihm herausgestanzte Zunge (14) aufweist, die in den genannten Raum hineinragt.

9Ö9818/079S

51 443

4o Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) parallel zu der genannten Achse eine kleinere Abmessung hat als der Basis· abschnitt (10) und daß der Schwerpunkt des Füllkörpers über dem Brückenabschnitt liegt, so daß der Füllkörper eine unstabile Lage einnimmt, wenn er beim Herabfallen in einem Turm bzw. einer Kolonne mit dem Brückenabschnitt zur Anlage an einem ihn unterstützenden Gegenstand kommt.

5. Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabschnitt (10) und der Brückenabschnitt die projizierte Fläche des Füllkörpers bei Betrachtung desselben von seiner Unterseite aus im wesentlichen vollständig verdecken, jedoch nicht bei Betrachtung des Füllkörpers in einer Richtung, die im rechten Winkel zu der genannten gedachten Achse und der längeren Achse des Füllkörpers verläuft.

6. Füllkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) zwei aus ihm herausgestanzte Zungen (14) aufweist, die in den genannten Raum hineinragen, und daß die Durchtrittsquerschnitte zwischen den Zungen einerseits und dem Basisabschnitt (10) andererseits etwa die gleiche Größe haben, wobei jeder dieser Durchtrittsquerschnitte auch etwa die gleiche Größe hat wie der zwischen den Zungen vorhandene Durchtrittsquerschnitt.

909818/0795