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Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Absorptionskolonnen
Zur mehrstufigen Absorption von Gasen oder Dämpfen durch Flüssigkeiten sind in der Literatur sehr viele Apparate beschrieben, wie einerseits Kolonnen mit Füllkörpern oder Bodenkolonnen und ander- seits Apparate mit Flüssigkeitszerstäubung, u. zw. mit mechanischer oder mit pneumatischer Zerstäubung.
Handelt es sich um eine sehr geringe Konzentration eines auszuwaschenden Gasteiles oder um ein in der Flüssigkeit sehr schlecht lösliches Gas, so ist die Bodenkolonne der zuverlässigste Apparatetyp.
Bodenkolonnen können mit Glocken- oder mit Siebböden ausgerüstet sein. Die letzteren bringen durch die erzielbare feine Gasverteilung den höchsten Wirkungsgrad.
Die Absorptionsleistung eines solchen Siebbodenapparates wird durch die Grösse der Bläschen, in die das Gas verteilt wird, also durch die Grösse der Löcher des Bodens bedingt. Die Durchmischung der Flüssigkeit erfolgt durch die kinetische Energie des aus dem Loch austretenden Gasstrahles. Je höher dessen Geschwindigkeit ist, desto höher ist aber auch der Druckverlust je Boden. Um einen Gegenstrom der Flüssigkeit in der Kolonne zu erzielen, müssen die einzelnen Böden üblicherweise mit Überläufen ausgestattet sein. Die notwendige Höhe des Überlaufes, d. h., der Abstand zweier Böden, muss so gross sein, dass der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule den Druckverlust des Gases im Boden überwindet, da sonst das Gas unter Umgehung des Siebbodens durch den Überlauf strömen würde.
Will man den Absorptionswirkungsgrad des Bodens durch Verkleinerung der Löcher des Siebbodens verbessern, so bedingt dies einen grösseren Bodenabstand. Das gesamte Volumen des Absorptionsapparates ist daher ein Produkt zweier gegenläufiger Funktionen, die sich weitgehend kompensieren.
Der Grund dafür ist, dass, wie schon angeführt, die gesamte Vermischungsleistung durch die kinetische Energie des Gases zugeführt werden muss, diese aber nur auf Kosten des Druckabfalles erhöht werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, diese Vermischungsleistung auf andere Weise als über die kinetische Energie des Gases zuzuführen, nämlich durch mechanische Energie. Es ist möglich, das Flüssigkeits-Gasgemisch auf jedem Boden durch einen rotierenden Rührer innig zu vermischen. Durch die Zentrifugalkraft wird jedoch die Flüssigkeit am Boden gegen die Aussenwände geschleudert, so dass das Gas in der Mitte des Bodens wegen des geringen Gegendrucks der dort niedrigeren Flüssigkeitssäule bevorzugt ohne ausreichenden Kontakt mit der Flüssigkeit durchströmt. Ausserdem bietet die Lagerung und Abdichtung der rasch rotierenden Welle besonders bei Absorptionsapparaten die bei höherem Druck arbeiten, technische Schwierigkeiten.
Erfindungsgemäss wird daher die mechanische Energie nicht durch eine rotierende, sondern durch eine vibrierende Bewegung zugeführt. Diese bewirkt, dass sowohl die gasförmige als auch die flüssige Phase innig durch-und beide miteinander vermischt werden. Dazu wird in einem Abstand von 10 bis 60 mm über der Gasverteilungsplatte ein Schwingteller angebracht, dessen Durchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der Kolonne ist. Der Schwingteller ist zu 20-60% seiner Fläche von Löchern mit 3-15 mm Durchmesser oder von Schlitzen durchbrochen oder als Drahtnetz ausgebildet. Die Löcher können sowohl geradwandig als auch zur Erzielung besonderer Rühreffekte trichterförmig nach oben oder unten erweitert sein ; das Netz kann aus besonders profiliertem Draht bestehen.
Sind-wie meistens-mehrere Böden übereinander angeordnet, so können alle Schwingteller durch vertikale Gestänge miteinander verbunden sein und zentral angetrieben werden.
Die durch die Schwingplatten oder-teuer zuführbare Energie ist wesentlich grösser als die durch rotierende Rührer übertragbare. Es sind Rührleistungen bis 1000 W je Liter Flüssigkeit erzielbar.
Die durch die Schwingung zugeführte Energie ist dabei proportional der Frequenz und der Amplitude.
Durch einfachen Vorversuch kann man Frequenz und Amplitude den durch die Abmessungen der Kolonne sowie durch die Eigenschaften von Gas und Flüssigkeit und schliesslich durch den gewünschten Durchsatz gegebenen Verhältnissen anpassen. Im allgemeinen wird man bestrebt sein, zur Erzeugung der Schwingung die Frequenz des örtlichen Wechselstromnetzes zu benützen. Die zugeführte Rührenergie ist dann proportional der Amplitude der Schwingung. Die Erzeugung der Schwingung kann auf beliebige Art, vorzugsweise aber durch Elektromagnete erfolgen.
Die Verbesserung des Wirkungsgrades hängt von der bereits ohne Rühren erzielbaren Austauschleistung ab. Es wäre unzweckmässig, einen Austauschvorgang, der bereits einen hohen Bodenwirkungs-
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grad aufweist, durch eine derart intensive Durchmischung beschleunigen zu wollen, da ein Wirkungsgrad von 100% ja nicht überschritten werden kann. Bei Austauschvorgängen, deren Wirkungsgrad aber nur
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fache möglich. Da bei solchen Verfahren sonst sehr beträchtliche Absorptionsräume benötigt werden, ist die dabei eintretende Ersparnis wesentlich grösser als der Aufwand für die zuzuführende Rührleistung.
Dies gilt besonders bei Apparaturen, die unter erhöhtem Druck arbeiten, weil bei diesen die Kosten des Apparatevolumens besonders hoch sind.
Die sonstigen Einrichtungen der Absorptionskolonne werden durch den Einbau der Schwingteller nicht berührt. Insbesondere bleiben die Überläufe und die Gasverteilungsplatten der üblichen Konstruktionen verwendbar. Die beschriebene Verfahrensverbesserung ist somit bei allen chemischen und physikalischen Austausch- und Absorptionsvorgängen anwendbar, für die Kolonnenapparate mit Bodeneinbauten angewendet werden konnten und können.
Nach einem älteren Vorschlag wird in mit Bodeneinbauten versehenen Destillationskolonnen für stark schäumende Flüssigkeiten ein relativ zum Kolonnendurchmesser kleiner Kolben vorgesehen, der, von Nocken angehoben durch sein eigenes Gewicht zurückfällt und dadurch in einem mit Löchern versehenen, kleineren zylindrischen Teil der Böden den Schaum in die Flüssigkeit über den Böden zurückdrücken und dadurch zerstören soll. Sowohl die Zweckbestimmung als auch die konstruktive Ausgestaltung und die Wirkung dieser älteren Vorrichtung haben keine Parallelen mit der vorliegend beschriebenen erfindunggemässen Einrichtung, abgesehen davon, dass beim älteren Vorschlag nicht daran gedacht war, Absorptionsoder Desorptionsvorgänge durch kräftige Zufuhr mechanischer Energie mittels rascher Schwingungen
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wenden.
Beispiel :
In einer Glaskolonne mit 55 mm Innendurchmesser werden je Stunde 5001 Luft durch eine Siebplatte,
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von 6 mm Durchmesser enthält, angebracht und mit einer Frequenz von 100 Hz und einer Amplitude von 3, 5 mm bewegt. Unter denselben Bedingungen wie oben, ergibt sich eine Stoffübergangszahl von 5, 5 Mol 02/h l atm. Der Druckabfall steigt unter diesen Bedingungen von 124 mm WS ohne Schwingteller auf 132 mm WS mit bewegtem Schwingteller.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Absorptionskolonnen mit fest angeordneten Bodeneinbauten, insbesondere solchen mit Siebböden, durch Zufuhr mechanischer Energie auf den Böden mittels bewegter Einbauten, gekennzeichnet durch ein, oberhalb der Gasverteilerplatte und in geringem Abstande von dieser angeordnetes, als Drahtnetz, Schlitz- oder Lochplatte ausgebildetes Schwingungsorgan annähernd vom Durchmesser der Kolonne, das durch ein Gestänge mit einem Schwingungsgenerator verbunden ist, der dem Schwingungsorgan eine rasche senkrechte Bewegung innerhalb der Flüssigkeit erteilt, die erheblich schneller als der freie Fall des Schwingungsorgans ist.