DE3102763A1

DE3102763A1 - Phasenkontaktiervorrichtung und packungen hierfuer

Info

Publication number: DE3102763A1
Application number: DE19813102763
Authority: DE
Inventors: Ronald Birmingham Priestley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-28
Filing date: 1981-01-28
Publication date: 1982-01-14
Also published as: IN154151B; CA1166147A; AU6676981A; ZA81552B; BR8100462A; IT1143322B; NL8100381A; FR2474327A1; AU542210B2; JPS571439A; BE887269A; US4385012A; FR2474327B3; IT8167111A0

Description

WIEGAND NIEMANN KÖHLER GERNHARDT GLAESER

PATtNTANWXlTi

Europäern Potent Attorney*

MDNCHEN Λ TEUrON. 089-

OR. E, WIEGANOt * sj * TEI[ORAMMEi KARPATENT

(19M-1980) TEtEXi 529068 KARP D

DR. M. KÖHLER

DIPL.-ING. C. GERNHARDT

HAMBURG
DIPl.-ING. ). GLAESER

D-8000 MDNCHEN2

OIPl.-ING. W. NIEMANN HERZOG-WILHtIM-STR. 16

OF COUNSEL

28. Januar 1981

W. 45 873/81 - 13/le

Ronald Priestley
Birmingham (Großbritannien)

Phasenkontaktiervorrichtung und Packungen hierfür

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Λ-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasenkontaktiervorrichtung und insbesondere auf Packungen oder Füllkörper zur Verwendung darin.

In der modernen Verfahrenstechnik wird eine sehr große Vielzahl und Mannigfaltigkeit von Phasenkontaktiervorgängen unter Anwendung einer Vorrichtung mit einer Kontaktierkammer, welche eine Packung oder welche Füllkörper enthält, ausgeführt. Es sind sind zwei Grundtypen von Packungen bekannt, nämlich die sogenannten aufgeschütteten Packungen (dumped packings) und die regelmäßig angeordneten Packungen. Die vorliegende Erfindung: befaßt sich mit den· regelmäßig angeordneten Packungen und insbesondere mit Packungen, die aus einer Anordnung von Packungsplatten oder -blättern gebildet sind.

Beispiele für Phasenkontaktiervorrichtungen, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist, umfassen Gas/ Flüssigkeits-Kontaktvorrichtungen, z.B. eine Gasabsorptionsvorrichtung, Destillationsvorrichtung, Heiz- und Kühlvorrichtung, Befeuchter, biologische Oxidations- und biologische Filtrationsvorrichtungen. Gas/Flüssigkeits-Reaktoren und -Mischer und Kühltürme können ebenfalls mit Packungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet werden. Die britischen Patentschriften 1 055 797, 1 °55 798, 1 073 516, 1 106 566, 1 286 244, 1 444 197, 1 559 329 und 1 559 330 sowie die US-Patentschriften 3 599 943, 3 450 393 und 3 415 502 sind repräsentative Beispiele für den Stand der Technik auf diesem Fachgebiet.

Flüssigkeits/Flüssigkeits-Extraktions-Arbeitsweisen und Flüssigkeits/Flüssißkeits-Reaktoren und -Mischer können ebenfalls eine Kammer umfassen, welche eine Packung gemäß

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.5·

der vorliegenden Erfindung einschließt. Die Packung kann auch als Träger für einen festen Katalysator in katalytischen Reaktoren wirken. Die Packung oder der Füllkörper gemäß der vorliegenden Erfindung iat ebenfalls brauchbar hinsichtlich der Schaffung einer verbesserten Verteilung innerhalb eines Festbettes* ■ vie es z.B. bei den Adsorptions-, Ionenaustausch-und in kata^ytischen Reaktoren verwendet wird, worin ein guter Kontakt zwischen einem fließfähigen Medium und einem feststoff erwünscht ist.

Bei all diesen Phasenkontaktierarbeitsgängen ist es erwünscht, eine intensive Kontaktwirkung zwischen den in Kontakt zu bringenden Phasen zu fördern. Im Falle von Flüssigkeiten kann dies dadurch erreicht werden, daß man die Flüssigkeit auf einem großen Oberflächenbereich einer Packung oder Füllung ausbreitet. Jedoch ist diese Maßnahme allein bisweilen unbefriedigend, da ein sehr hoher Oberflächenbereich einer Packung daau neigt, einen Widerstand gegenüber das Durchströmen durch sie zu ergeben, wobei dies nachteilig ist.

Gemäß einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird daher eine Packungsplatte oder ein Packungsblatt zur Verwendung beim Kontaktieren geschaffen, wobei diese Platte oder dieses Blatt eine im wesentlichen flache Unterlage oder Grundlage und eine Mehrzahl von parallelen geraden Rohrabschnitten, die in der Platte oder dem Blatt ausgebildet sind und abwechselnd auf jeder Seite der Ebene der flachen Grundlage oder Unterlage hervorstehen, wobei jeder Rohrabschnitt von seinem benachbarten Rohrabschnitt durch einen Streifen von der im wesentlichen flachen Grundlage oder Unterlage getrennt ist,und die

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Oberfläche des Rohrabschnittes gewellt oder korrugiert ist, umfaßt.

Für die Bildung einer Packung aus solchen Platten oder Blättern wird eine Mehrzahl von solchen Platten oder Blättern aneinander so angeordnet, daß die Rohrabschnitte eine Anordnung von Duröhgangswegen ausbilden, wohingegen die Wellungen oder Rippen Wellen oder Rippen auf den Wänden " dieser Durchgangswege ausbilden.

Die Spitzen und Täler der Wellungen oder Rippen laufen vorzugsweise in Ebenen, die im wesentlichen quer zu der Längsrichtung der Rohrabschnitte sind.

Wenn eine solche Packung oder Füllung in einer Phasenkontakt i er vorrichtung zur Anwendung gelangt, liefern die rohrförmigen Abschnitte Durchgangswege für das fließfähige Medium zwischen benachbarten Platten oder Blättern der Packung oder !Fällung, wohingegen die Wellungen oder Rippen die Turbulent in dem fließfähigen Medium, das durch diese Durchgangswege strömt, fördern. Durch sorgfältige Ausgestaltung der Rohrabschnittsgestalt und der Wellungen ist es möglich, Packungen oder Füllungen zu schaffen oder zu erzeugen, die einen annehmbaren Kompromiß zwischen einem sehr niedrigen Druckabfall über die Packung oder, !fällung (d.h. Energieaufwand für die Durchführung des au kontaktierenden Materials durch die Packung ist sehr gering) und einer-hohen Kontaktwirksamkeit in Begleitung mit einer hohen Turbulenz an der Oberfläche der Packung zu liefern.

Es wird angenommen, daß die Turbulenz, die von den Wellungen oder Rippen gefördert wird, sich mit der Turbulenz

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vereinigt, die von den Kanten der fl&cheÄ Streifen dort erzeugt wird, wo sie mit den korrigierten rohrförmigen Abschnitten zusammentreffen, um die verbesserten Massenübergangseigenschaften, welche bei Verwendung der Packungen gemäß der vorliegenden Erfindung beobachtet werden, zu ergeben. Die flachen Streifen unterstützen auch die Zunahme der Steifheit des Modells, das durch den Zusammenbau von solchen Packungsblätterh gebildet wird·

Bei sorgfältiger Ausgestaltung ist es möglich, Packungen oder Füllungen herzustellen, bei welchen eine Anzahl von Platten oder Blättern von gleicher Gestalt in einer Anordnung unter Ausbildung einer Packungseinheit zusammengebaut werden kann. Dies ist erwünscht sowohl im Hinblick auf die "Verringerung der Kosten der Herstellung der Platten oder Blätter (nur eine Form oder dgl. ist erforderlich) als auch im Hinblick auf die Abnahme der Komplexität des Zusammenbaues (es ist nur eine Art"von Platten oder Blättern für den Zusammenbau erforderlich)·

Die Packungsblätter oder -platten gemäß der vorliegenden Erfindung fallen in zwei deutlich unterscheidbare Arten, welche bevorzugte spezifische Ausführungsformen der Packungsplatten oder.-blätter gemäß der Erfindung darstellen.

Gemäß einer dieser Ausführungsforaön ist jede bzw. jedes der Packungsplatten oder -blätter im wesentlichen rechteckig und die Hauptkorrugationen;verlaufen parallel zu einer der Kanten der Platte öder des Blattes. Bei dieser Art werden die Platten oder Blatter unter Ausbildung von rechteckigen parallelepipeden Packungseinheiten angeordnet, wobei in jeder hiervon die Durchgänge, die von

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den Rohrsektoren oder -abschnitten gebildet sind, senkrecht zu zwei gegenüberliegenden Flächen des rechtwinkligen Parallelepipeds verläuft. Eine derartige Packungseinheit ist besonders brauchbar bei Anwendung von Gas/ Flüssigkeits-Kontaktiervorgängen, z.B. Kühltürmen, worin die Packungseinheiten mit den Rohren oder Durchgangswegen im wesentlichen senkrecht angeordnet sind. Die Wellungen oder Rippen können derartig sein, daß die Durchgänge im wesentlichen von konstantem Querschnitt oder von variierendem Querschnitt sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man in benachbarten Rohrabschnitten die Wellungen um 180 oder weniger außer Phase gegeneinander versetzt. Durch die Variierung der Phase der Wellungen oder Rippen in benachbarten Abschnitten kann ein geeigneter oder zufriedenstellender Kompromiß zwischen Druckabfall und optimalem Masaenübergang ausgewählt werden·

Eine zweite, besonders bevorzugte Art von Packungsplatten oder -blättern ist eine solche, bei welcher die einzelnen Packungsplatten oder -blätter Jeweils im wesentlichen rechteckig . sind, wohingegen die Rohrabschnitte in einem spitzen Winkel zu einer Kante der Platte, z.B. in einem Winkel von im wesentlichen 45°, verlaufen. Die Packungseinheiten können aus einer Mehrzahl von solchen Platten oder Blättern zusammengebaut sein, wobei die Rohrabschnitte in benachbarten Platten im rechten Winkel verlaufen. Dies liefert eine außerordentlich offene, aber verwickelte Struktur, wobei gefunden wurde, daß beim Mischen eines fließfähigen Mediums oder einer Flüssigkeit eine außerordentlich gute Mischung des fließfähigen Mediums zusammen mit einer geringen Druckabnahme über die Packungseinheit

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und mit einem sehr hohen Massen- odgr Wärmeübergangskoeffizienten erreicht wird.

Bei beiden der vorstehend aufgeführten Arten wird mühelos erreicht, daß die sich treffenden Stellen, an welchen benachbarte Bereiche zusammengehalten werden, regelmäßig und gleichmäßig in Abstand gehalten Bind und an den Spitzen der Rippen oder Wellungen liegen« Selbst wenn der Winkel zwischen den Rohrabschnitten in benachbarten Platten oder Blättern anders ist als 0° oder 90°» indem man die Wellenlängen der Wellungen oder Rippen in geeigneter Weise mit Bezug auf den Abstand der Rohrabechnltte anordnet, können beliebige Zwischenwinkel ausgewählt werden, während dennoch eine regelmäßige Anordnung "fön Berührungspunkten zwischen benachbarten Platten oder iföättern auf den Spitzen der Wellungen oder Rippen für dem Zweck der Verbindung von solchen Platten oder Blättern angeordnet sind.

Die Packungsplatten oder -blätter können aus einer großen Vielzahl von Materialien nach geeigneten Maßnahmen für solche Materialien hergestellt weasäen. Von besonderer Brauchbarkeit sind Platten oder Blätter, die aus thermoplastischen Bahnen- oder Blättermatferialien unter Vakuumoder Preßformung oder nach einem geiisLgneten Gießverfahren hergestellt wurden. MetalIpackungeö können z.B durch Pressen hergestellt werden, obgleich darauf geachtet werden muß, daß bei der Ausbildung der Rippen oder Wellungen einer solchen Packung gewährleistet sein . muß, daß das Metall in zufriedenstellender Weise jsu der erwünschten Gestalt geformt werden kann. Es kann dabei erforderlich sein, sehr stark plastische oder deformierbare Legierungen für die Erzielung der gewünschten Korrugationen oder

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Rippen zu verwenden. Das Material der Platten oder Blätter kann homogen und fjiissigkeitsundurchlässig sein oder es kann perforiert sein oder aus einer expandierten Gitterstruktur bestellen. Es kann ebenfalls aus gewebtem oder gestricktem oder gewirktem Material sein.

Ebenso wie die Eolirabschnittsausbildungen und die Korrugationen kann jede Platte oder Jedes Blatt mit einer feinen sekundären Korrugation oder Wellung oder Vertiefung versehen sein, die mit Bezug auf die Korrugation der Rohrabschnitte gering ist. Eine derartige sekundäre Korrugation oder Vertiefung fördert die Ausbreitung der Flüssigkeit über die Platten- oder Blattoberfläche bei Gas/Flüssigkeits-Kontaktieranwendungen.

Um den Zusammenbau der Platten oder Blätter zu erleichtern, kann eine Anzahl von Verbindungsgliedern, beispielsweise Anschläge oder abgeflachte Bereiche, vorgesehen sein, wobei derartige Verbindungen oder Verbindungsglieder in Nähe des Bereiches zu liegen kommen, wo zwei Platten oder Blätter während der Anordnungsausbildung zusammengelegt werden und die in Eingriff gelangen, können, beispielsweise durch Matrizen- und Patrizeneingreifteile, oder die aneinander beispielsweise durch Klammern, Klipse, Stapel, Bindeglieder, Haftung- oder Schweißverbindungen befestigt werden können. Die Abstände zwischen den Platten oder Blättern können durch die Anordnung von derartigen Verbindungsgliedern variiert werden und können auch durch die Änderung de.s Ausmaßes, in welchem derartige Verbindungsglieder aus den flachen Unterlagen oaer Trägern der Platten hervorstehen, variiert werden. Der Abstand derartiger Verbindungsglieder von der flachen Unterlage kann im Falle der

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im Vakuum gebildeten thermoplastischen Blätter oder Platten durch Verwendung von austauschbaren, gelenkgliederbildenden Zapfen und Bohrungen in den Formwerkzeugen sowie Sätzen von Zapfen und Bohrungen unterschiedlicher Höhe und Tiefe mühelos eingestellt werden.

Die genaue Konfiguration der Rohrabschnitte und der Wellungen oder Bohrungen kann in starkem Ausmaß variieren. Eine spezifische Rohrabschnittskonfiguration von Brauchbarkeit ist diejenige einer Aufeinanderfolge von halbkreisförmigen oder halbsinusförmigen Abschnitten, die alternatierend entgegengesetzt mit Bezug auf die Ebene der Platte, welche von der im wesentlichen flachen Unterlage vorgegeben ist, ausgerichtet ist·

Eine bevorzugte !Corrugation oder Wellung oder Bippenbildung ist eine solche, bei welcher im Längsschnitt die Rohrwand ein Profil von abwechselnd entgegengesetzt gekrümmten Teilen, verbunden mit relativ kurzen, geradlinigen Verbindungsteilen aufweist·

Packungen oder Füllungen gemäß der vorliegenden Erfindung können aus einer Anzahl von Packungseinheiten, wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise von rechteckiger, parallelepipeder Form aufgebaut sein. Um solche rechtwinkligen Gestalten zu erhalten, können sie von einem Gurt oder einer Umhüllung oder einer Einwieklimg umgeben sein. Ein Kunststoffnetz- oder eine Kunststoffgitterumwicklung ist bei einer Anzahl von Anwendungen brauchbar.

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Erwünschtenfalls können zwischen benachbarten Platten oder Bahnen der Paßkungseinheiten perforierte Bahnen aus einem Material, z.B. einem Fasertuch, das im wesentlichen flach ist und den Gesamtoberflächenbereich der Pakcung erhöht, vorgesehen sein.

Die physikalische Größe (die Maße) der Rohrsektoren, der Wellungen oder Rippen und der einzelnen Packungsblätter und der Paokungseinheiten, die hieraus hergestellt werden, kann in breitem Ausmaß variieren und hängt von der besonderen Anwendung, die in Betracht gezogen ist, ab. Bei Wasserkühlungs-Anwendungsgebieten ist ein Blatt oder eine Platte

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von 30 bis 240 cm eine übliche Größe und eine Anordnung von solchen Blättern oder Platten, die z.B. zu Würfeln von 30 bis 240 cm Seitenlänge zusammengebaut sind, als geeignet angesehen. In diesem Fall kann der Abstand zwischen benachbarten Rohrabschnitten auf der gleichen Seite der Unterlage im Bereich von 2,5 bis 20 cm liegen, wobei die Wellenlängen der Wellungen oder Korrugationen 0,5 bis 20 cm und die Amplitude der Korrugation im Bereich von 0,25 bis 5 cm und der Blatt- oder Plattenabstand im Bereich von 3 bis 20 cm sein kann. Ein derartiges typisches Blatt oder eine derartige typische Platte kannsomit einen Rohrabschnittsabstand von 7 cm, eine Rippenwellenlänge von 7 cm, eine Korrugationsamplitude von 6 min, eine flache Unterlagenbreite von 3 mm und einen Blattabstand von 3 cm aufweisen. Der Plattenabstand kann weniger· als 3 cm, z.B. so wenig wie 1 cm oder selbst weniger bei Platten für Wärmeaustauschanwendungen betragen.

Die Breite der Platten oder Streifen von der im wesentlichen flachen Grundlage kann gleichbleibend sein oder kann variieren (in Abhängigkeit davon, ob die Korrugation in benachbarten Rohrabschnitten ia oder außerhalb der Phase sind).Ein typi

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scher Bereich von Breiten beträgt 2 bis 10 mm, jedoch kann die Breite sogar auf 0 abnehmen bei bestimmten Punkten entlang der Länge des Streifens, wo die Rohrabschnitte auf gegenüberliegenden Seiten des Streifens außerhalb der Phase sind. Anstelle von quadratischen Platten oder Blättern können nichtquadratische rechteckige Platten oder Blätter zu Anordnungen von rechteckigen parallelepipeden Gestalten zusammengebaut werden.

Erwünschtenfalls können bei bestimmten Anwendungsgebieten die Packungen mit Zuführungseinrichtungen für die Zufüh,-rung von fließfähigem Medium verbunden sein, um eine oder mehrere Durchgangswegsätze durch die Packung von anderen Durchgangswegen durch die Packung zu trennen. Derartige Anordnungen können wertvoll sein bei der Värmeübertragungsanwendung, wo eine Berührung oder ein Kontakt zwischen den fließfähigen Phasen,zwischen welchen eine Wärmeübertragung nicht erwünscht ist, vermieden werden soll. Die Platten oder Blätter können auch an ihren Kanten oder Wänden z.B. mit L- oder T-Profilstreifen verstärdt werden, um eine allgemeine Verstärkung und insbesondere eine Verstärkung der Kanten oder Ränder der Anordnung, wo sie auf dem Pakkungstragrahmen aufliegen, z. B. in einem Kühlturm, zu erhalten.

In der Zeichnung werden zw'ei Packungseinheiten gemäß der Erfindung dargestellt,

Fig. 1 zeigt eine Packungseinheit, in welcher die Rohrabschnitte in einem Winkel von 45° zu den im wesentlichen rechteckigen Platten oder Blättern, aus welchen die Packungseinheit hergestellt ist, verlaufen.

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Fig. 2 zeigt eine Packungseinheit, worin die Rohrabschnitte parallel zu der Seite der quadratischen Platten oder Blätter, aus welchen die Packungseinheit aufgebaut ist, verlaufen.

Mit Bezug auf Fig. 1 weist jedes Packungsblatt Rohrabschnitte A und Wellungen oder Korrugationen B auf und ist über seine Gesamtoberfläche mit Vertiefungen versehen.

Fig. 2 zeigt eine Packung worin jedes Blatt oder jede Platte Rohrabschnitte C und Rippen oder Korrugationen D aufweist und die über die gesamte Oberfläche mit Vertiefungen versehen ist. Die in der Packung von Fig. 1 gebildeten Durchgänge sind insgesamt parallel. Die Durchgänge,die in der Pakkung von Fig. 1 ausgebildet sind, bilden zwei orthogonale parallele Anordnungen oder Reihen, wie dies durch die Pfeile angezeigt ist.

Im Betrieb als Kühlturmpackung (worin warmes Wasser mit einem Gegenstrom von Luft gekühlt wird) zeigen die Packungselemente, die gemäß der vorliegenden Erfindung mit senkrechten Kanälen ausgebildet sind, die markanteste Zunahme in ihrer Wirksamkeit, verglichen mit der bevorzugten Konstruktion gemäß der britischen Patentschrift 1 286 244. Beispielsweise beträgt bei einer Wasserbelastung von 7322 kg/h.m und einer Luftgeschwindigkeit von 213 cm/sec das Ausmaß der Massenübertragung, gemessen durch die Höhe einer Üb er tr agungs einheit (H.T.TJ. ), 122 cm. Um dieses Ausmaß der Massenübertragung unter Verwendung der in der GB-PS 1 286 244 beschriebenen Konstruktion zu erreichen, ist eine um etwa 30 % größere Fläche von Kunststoffplatten oder -blättern erforderlich als dies im Falle der vorliegenden Erfindung notwendig ist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Blatt- oder plattenförmige Packung zur Verwendung in einer Phasenkontaktiervorrichtung , dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine im wesentlichen flache Unterlage, eine Mehrzahl von parallelen geraden Rohrabschnitten, die in der Platte ausgebildet sind_tund abwechselnd auf Jeder Seite der Ebene der flachen Unterlage vorstehen, umfaßt, wobei jeder Rohrabschnitt von dem benachbarten Rohrschnitt durch einen Streifen der im wesentlichen flachen Unterlage getrennt ist und die Oberfläche des Rohrabschnittes mit Rippen oder Korrugationen versehen ist.

2. Blatt- oder plattenförmige Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen und Täler der Rippen oder Korrugationen in Ebenen verlaufen, die im wesentlichen quer zu der Längsrichtung des Rohrabschnittes sind.

3. Blatt- oder plattenförmige Packung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen oder Eorrugationen in dem Rohrabschnitt derartig sind, daß im Längsschnitt &i€uRohrvrandung ein Profil von abwechselnd entgegengesetzt gekrümmten Teilen, die durch relativ kurze geradlinige Verbindungsteile verbunden sind, aufweist.

4. Blatt- oder plattenförmige Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Rohrabschnitte Verbindungsglieder tragen, die für das Eingreifen mit den Verbindungsgliedern einer

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identischen Platte oder eines identischen Blattes ausgebildet und angeordnet sind, um eine Anordnung oder einen Zusammenbau der Blätter oder Platten unter Ausbildung einer Packungseinheit durch Befestigung von einer Platte an der nächsten Platte über die Verbindungsglieder zu bilden.

5- Blatt- oder plattenförmige Packung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsglieder in Form von ineinander eingreifenden Gegenstücken (Matrizen und Patrizen) ausgebildet sind.

6. Blatt- oder plattenförmige Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Platte rechteckig ist und die Rohrabschnitte parallel zu zwei gegenüberliegenden Kanten derselben verlaufen.

7· Packungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Mehrzahl von Packungsplatten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.

8. Packungseinheit nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß sie in Form eines rechteckigen Parallelepipidon vorliegt, das um sein Äußeres ein Netzgehäuse oder Gittergehäuse trägt.

9- IContaktiervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Packungsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eine Packungseinheit nach den Ansprüche 7 oder 8 umfaßt.

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