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Füllkörperschicht Die Erfindung betrifft eine Füllkörperschicht zur
Destillation, Absorption, Nebelabscheidung und Filtration feiner Feststoffe aus
gasförmigen oder flüssigen Medien, deren Füllkörper aus je einer Drahtwindung bestehen.
Es ist bekannt, aus relativ dicht verfilzten Fasergerüsten Filterschichten aufzubauen,
deren Kapillarzwischenräume und deren Faserdicke im allgemeinen kleiner sind als
die Feststoffteilchen, welche sie aus gasförmigen oder flüssigen Medien entfernen
sollen. Die Feststoffteilchen dringen bei diesen Filtern kaum in das Fasergerüst
ein; sie bilden vielmehr einen Filterkuchen, der auf dem dichten Fasergerüst aufsitzt.
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Es ist auch bekannt, daß locker verfilzte Fasergerüste, wie z. B.
Watteschichten, deren Faserdicke im allgemeinen kleiner ist als die Feststoffteilchen,
und deren Kapillarzwischenräume im allgemeinen größer sind als die Feststoffteilchen,
ebenfalls als Filterschichten wirken, wobei die Feststoffteilchen vollständig in
das lockere Fasergerüst eindringen und sich darin absetzen. Auch locker verfilzte
Fasergerüste, deren Faserdicke und Kapillarzwischenräume im allgemeinen größer sind
als die der Feststoffteilchen, wie z. B. Stahldrahtwolle, Metalldrahtwolle, wirken
als Filterschicht.
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Die Reinigung solcher locker verfilzten Fasergerüste durch Rückströmen
des Mediums gegen die Filterstromrichtung oder durch mechanische Bewegung im Medium,
z. B. Vibrieren, Klopfen, Rütteln, von den Feststoffteilchen ist um so schwieriger,
je feiner die Faserdicke ist, und je lockerer das Fasergerüst aufgebaut ist, weil
entweder die Geschwindigkeiten des Mediums in den großen Kapillarzwischenräumen
nicht ausreichen, um die Haftfestigkeit der Feststoffteilchen zu überwinden oder
die mechanische Bewegung des Fasergerüstes durch Klopfen, Rütteln oder Vibrieren
eben durch den lockeren Aufbau so stark gedämpft wird, daß diese Wirkung unzureichend
ist.
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Weiterhin ist bekannt, daß eine Schüttung von im Vergleich zur Teilchengröße
der Feststoffe groben Körnern, die insbesondere eine rauhe grobporige Oberfläche
aufweisen, wie z. B. Koks, Sand oder keramisches Material, ebenfalls eine Filterwirkung
zeigt, die meist jedoch sehr erheblich nachläßt, wenn es bei der Abreinigung nicht
gelingt, aus den groben Poren der Oberfläche die feinen Feststoffteilchen jeweils
zu entfernen.
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Zur Destillation von Flüssigkeiten, zur Absorption und zur Nebelabscheidung
aus Gasen sind auch verschiedene rieselfähige Füllkörper mit relativ großer Oberfläche,
wie z. B. Raschigringe, Sattelkörper,
sowie nichtrieselfähige Füllkörper, wie z.
B. Drahtwollepackungen und wenig ausgezogene Drahtspiralen, bekannt, die sowohl
trocken als auch befeuchtet auch zu Filterschichten für Gase verwendet werden.
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Sowohl bei der Destillation wie bei der Verwendung als Filterschicht
tritt im Betrieb eine Verkrustung oder ein Festhaften von Feststoffen an diesen
Füllkörpern auf, wobei die Abreinigung schwer zugänglicher Oberflächenstellen sehr
schwierig ist.
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Es ist auch versucht worden, aus geraden Draht-oder Faserstücken
Filterschichten aufzubauen, welche rieselfähige Einzelkörper enthalten, die unter
gegenseitiger Bewegung bei der Umlagerung der Schüttung gereinigt werden können.
Hierbei zeigte es sich, daß nur relativ kurze Drahtstücke, deren Länge nur ein geringes
Vielfaches ihres Durchmessers beträgt, sich einigermaßen regellos lagerten und ein
den Kugelpackungen ähnliches Verhältnis von Füllkörperraum zu Zwischenraum aufwiesen,
während längere gerade oder gekrümmte Drahtstücke sich, soweit sie überhaupt rieselfähig
waren, in Bündeln aneinander lagerten und die verschiedenen, in der Schüttung möglichen
Lagen in Bündeln einnahmen. Diese Bündel haben wenige große Kapillarzwischenräume,
verhalten sich also wie dem Bündel entsprechende Drahtstücke, die im Vergleich zum
Bündeldurchmesser eine geringe Länge haben, und weisen ein den Kugel-bzw. Kornhaufwerken
vergleichbares Verhältnis von Körpervolumen zu Zwischenkörpervolumen auf.
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Es sind auch in einer Ebene gebogene Drahtwindungen bekannt, die
z. B. die Form eines Z oder U oder eines offenen Ringes haben können. Auch diese
Füllkörper verhaken sich ineinander und sind dadurch nicht selbstreinigend, wenn
sie umgewälzt werden.
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Es wurde nun gefunden, daß sich gut zu reinigende, rieselfähige Füllkörperschichten
zur Destillation, Absorption, Nebelabscheidung und Filtration
feiner
Feststoffe aus gasförmigen oder flüssigen Medien, deren Füllkörper aus je einer
Drahtwindung bestehen, aufbauen lassen, wenn erfindungsgemäß die Drahtwindung durch
Aufwickeln eines Drahtstückes von einer Länge entsprechend dem 8- bis 24fachen Durchmesser
auf einen gedachten Zylinder mit einem Durchmesser, der dem 0,5- bis Sfachen des
Drahtdurchmessers entspricht, hergestellt worden ist.
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Eine Schüttung solcher Körper vereinigt eine Reihe besonderer Vorteile:
Obwohl theoretisch eine bündelförmige Parallellagerung von solchen gleichgeformten
Körpern gleichen Windungssinnes unter Berührung längs der gesamten Länge zweier
oder mehrerer Körper möglich ist, tritt diese beim Schüttvorgang oder Rüttelvorgang
weitestgehend nicht ein. Es kann beobachtet werden, daß sich die Körper während
des Aufeinanderfallens gegenseitig von der Parallellagerung ablenken.
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Trotz der Krümmungen und der vergleichsweisen Länge ist die Schüttung
solcher Körper gut rieselfähig. Mit der Rieselfähigkeit verbindet sich der Vorteil
der Deformatiorisfestigkeit und der allseitigen Zugänglichkeit der Oberfläche der
Körper bei gegen seitig berührender Bewegung. Bei der Verwendung einer solchen Schüttung
als Kolonnenfüllkörper oder als Filterschicht können die anhaftenden Feststoffe
durch Umschütten oder Rieseln unter gegenseitigem Abputzen der Füllkörper während
der Bewegung von der Oberfläche abfallen oder leicht entfernt werden.
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Weiterhin weist die Schüttung solcher Füllkörper eine Vielzahl von
Spaltöffnungen von relativer Gleichförmigkeit auf. Im Vergleich zu einer-Schüttung
von Kugeln, welche mit dem Einzelfüllkörper volumengleich sind, hat eine solche
Drahtfüllkörperschüttung bei annähernd gleicher Oberfläche je Raumeinheit der Schüttung
und geringerem Durchgangswiderstand eine wesentlich größere Anzahl von Spaltöffnungen
je Oberflächeneinheit, welche sowohl bei der Verwendung als Kolonnenfüllkörper als
auch zu Filterschichten von großer Bedeutung ist.
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Im Vergleich zur lockersten Kugelpackung mit einem Zwischenraum-von
47,64°/o ist das Verhältnis von Füllkörperraum zu Zwischenraum wesentlich günstiger.
Eine Schüttung solcher Drahtfüllkörper hat etwa 70 bis 80a/o Zwischenraum, im eingerüttelten
Zustand etwa 60 bis 70 O/o. Damit ist der Durch gangswiderstand solcher Schüttungen
gegen gasförmige und flüssige Medien außerordentlich gering.
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Es wurde weiterhin gefunden, daß mit besonderem Vorteil Drahtfüllkörper
verwendet werden, von denen ein Anteil nach rechts gewunden und ein Anteil nach
links gewunden ist. Zwei solche gleich großen und gleichgekrümmten Körper verschiedenen
Richtungssinnes können sich im günstigsten Fall nur in drei Punkten berühren, nicht
aber parallel nebeneinander lagern. Damit wird die Gleichförmigkeit der Verteilung
der Spaltöffnungen in der Schüttung außerordentlich gefördert.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, in der Schüttung zwei
oder mehrere Sorten von Drahtfüllkörpern zu verwenden, welche im Rahmen der angegebenen
Dimensionen voneinander etwa abweichende Krümmungsradien aufweisen. Hierbei zeigt
sich ferner überraschend, daß, wenn die Hauptmenge aus Drahtfüllkörpern der erfindungsgemäßen
Form besteht, der Zusatz von geraden Drahtstücken von
etwa einer Länge entsprechend
dem 5- bis 20fachen Durchmesser bis zu einer Höchstmenge von etwa einem Drittel,
keineswegs zu deren bündelweiser Parallellagerung führt, noch die übrigen Vorteile
in bezug auf Zwischenraum, Gleichförmigkeit und Rieselfähigkeit wesentlich beeinträchtigt.
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Die vergleichsweise einfache, an der Oberfläche allseitig leicht
zugängliche Form der Füllkörper erleichtert außerordentlich die Herstellung und
Verwendung. Während die erfindungsgemäßen Drahtfüllkörper mit einem Drahtdurchmesser
von über 1 bis 2 mm sich vorzugsweise als Füllkörper für Destillationskolonnen,
Absorptionstürme, Wärmeaustauscher u. dgl. eignen, sind für die Filterung feiner,
flüssiger oder fester Stoffe aus gasförmigen und flüssigen Medien besonders Drahtdurchmesser
unter 1 mm geeignet. Die einfache Form macht es dabei möglich, mit der absoluten
Größe der Füllkörper sehr weit herunterzugehen, so daß Filterschichten mit sehr
engen Spalten bei hoher Durchlässigkeit entstehen.
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Damit werden die zu einem befriedigenden Filter; wirkungsgrad notwendigen
Schichthöhen der Füll; körperschüttung vergleichsweise außerordentlich niedrig,
sie liegen je nach den Ausgangsgegebenheiten in der Größenordnung von Dezimetern
bis Zentimetern. Es entspricht den Voraussetzungen einer Filtration -mit einem Füllkörperhaufwerk,
dessen Spaltquerschnitte größer sind als der Korndurchmesser des zu filtrierenden
Feststoffes, daß die Schichthöhe in erster Linie durch den notwendigen Filterwirkungsgrad
gegeben ist und nicht allein durch das räumliche Aufnahmevermögen für Feststoffe.
Es ist daher zweckmäßig, zur Filtration eines Gemisches von feinen und feinsten
Feststoffen im Medium die Filtration feiner Feststoffe mit feinen Füllkörperdurchmessern
vorzunehmen, welche noch feinste Feststoffe durchlassen, und den Restanteil an feinsten
Feststoffen mit feinsten Füllkörpern abzufiltern, weil der Durchflußwiderstand gleich
hoher Schichten feiner Füllkörper gegenüber feinsten Füllkörpern naturgemäß geringer
ist. Damit können die allgemeinen Vorteile des hohen Zwischenraumvolumens am besten
ausgenutzt werden.
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Die erfindungsgemäßen Füllkörper werden nach ihrem Verwendungszweck
aus entsprechendem anorganischem oder organischem Material hergestellt.
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Die Verwendung hitzebeständiger Metalle oder hitzebeständigen keramischen
Materials ermöglicht ihre Anwendung zur Destillation, Nebelabscheidung oder Filtration
bei hohen Temperaturen. Weiterhin können die Drahtfüllkörper auch mit katalytisch
wirkenden Stoffen oder Trägerstoffen für Katalysatoren hergestellt oder beschichtet
werden. Damit werden Katalysatorschüttungen von geringem Durchgangswiderstand, hoher
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und damit geringer Verweilzeit erzielt, welche
Eigenschaften in vielen Fällen von Vorteil sind. Es hat sich ferner von Vorteil
erwiesen, die Drahtfüllkörper mit geeigneten festen oder flüssigen, Stoffen zu beschichten,
welche gegenüber dem abzufilternden festen oder flüssigen Stoffen eine erhöhte Haftwirkung
ausüben können, wie z. B. Kohlenwasserstoffschichten gegenüber Ruß. Hierbei ist
sowohl der geringe Durchgangswiderstand der Schüttung, wie insbesondere die Rieselfähigkeit,
bei der Abreinigung unter Verwendung von Lösemitteln von großer Bedeutung.
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Weiterhin ermöglichen die Füllkörper beispielsweise einen äußerst
einfachen konstruktiven Aufbau von diskontinuierlichen Filtern derart, daß die Schüttung
in Ruhe vom Feststoffe tragenden Medium durchströmt wird und diese sich in der Vielzahl
von Spalten und an der Oberfläche der Drahtfüllkörper festsetzen. Ist dadurch der
Widerstand der Schüttung zu hoch angestiegen, so werden durch Umschütten oder Vibration
die Drahtfüllkörper in gegenseitig berührende Bewegung gebracht. Hierbei fallen
die Feststoffe entweder von selbst aus der Schüttung oder, soweit dies nicht der
Fall ist und die Feststoffe im Zwischenraum im gasförmigen oder flüssigen Medium
schweben, wird dieses Medium durch eine genügende Menge feststofffreien Mediums
verdrängt.
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Der geringe Strömungswiederstand der erfindungsgemäßen Füllkörperschichten
ermöglicht ferner die Anwendung in kontinuierlichen Filtern nach dem Prinzip der
Trommel- und Scheibenfilter. Dabei tritt an die Stelle von deren Filterschicht eine
zwischen geeignet durchlässigen Begrenzungsflächen gelagerte Füllkörperschicht.
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Weiterhin hat sich aber insbesondere bei den feinsten Durchmessern
der Drahtfüllkörper gezeigt, daß bei hohen Durchflußgeschwindigkeiten des flüssigen
oder gasförmigen Mediums die Neigung besteht, daß diese Drahtfüllkörper feinsten
Durchmessers bei Anströmung gegen die Schwerkraft im Medium aufschweben. Da die
Filterwirkung solcher Schüttungen aber wegen der geringen Spaltdurchmesser gerade
für feinste Feststoffe außerordentlich günstig ist, stört diese Erscheinung sehr
erheblich bei der Filtration.
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Es wurde gefunden, daß auch mit Drahtfüllkörpern feinsten Drahtdurchmessers,
auch bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten als sie der Sinkgeschwin-
digkeit im
betreffenden Medium entsprechen, filtriert werden kann, wenn die Drahtfüllkörper
aus magnetisierbarem Material hergestellt sind, die Schüttung vor der Verwendung
als Filterschicht in bekannter Weise magnetisiert wird und sie nach der Beladung
mit den Feststoffen in bekannter Weise in einem magnetischen Wechselfeld wieder
entmagnetisiert und dann durch Rieseln oder Umschütten abgereinigt wird. Die Schüttung
magnetisierter Drahtfüllkörper verhält sich dann nach Bedarf entweder wie eine Packung
verfilzter Drähte, welche hohe Geschwindigkeiten des durchströmenden Mediums ohne
Aufschweben der Einzelkörper erlaubt oder wie eine rieselfähige Schüttung, welche
Abreinigung durch gegenseitiges Abputzen der Körper gestattet.