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Vorrichtung zur Destillation oder Gasabsorption
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Destillation oder Gasabsorption, die es ermöglicht, Flüssigkeiten und Gase in Berührung zu bringen ; diese Vorrichtung besteht aus einer rohrförmigen Kammer, die von einer seitlichen Wand umschlossen und auf einer Seite mit Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas und auf der andern Seite mit Mitteln zum Abführen von Flüssigkeit und Gas versehen ist.
Der Ausdruck "Gas" bezeichnet im folgenden auch Dämpfe.
Eine ähnliche Einrichtung ist aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 808,897 bekannt. Bei dieser Einrichtung wird das Gas in der gleichen Richtung wie die Flüssigkeit durch eine zylindrische Kammer geleitet.
Auf der Einlassseite der zylindrischen Kammer befindet sich ein durch Leitorgane gebildeter Boden, der das Gas veranlasst, in dem Zylinder eine drehende Bewegung auszuführen.
Dort, wo der sich aus den Leitorganen zusammensetzende Boden angeordnet ist, sind eine oder mehrere Öffnungen zum Zuführen von Flüssigkeit vorgesehen, z. B. in Form von Löchern in den Leitorganen oder in Form einer Öffnung in der Mitte des durch die Leitorgane gebildeten Bodens. Durch die drehende Bewegung des Gases wird die Flüssigkeit in Tröpfchen unterteilt, und zu diesem Zweck kann zusätzlich ein Zerstäuber am Ende der Leitung zum Zuführen der Flüssigkeit vorgesehen sein ; dadurch entsteht eine grosse Berührungsfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas ; dies ist sehr erwünscht, um den Stoffaustausch zwischen den beiden Phasen zu steigern.
Nach der erwünschten Berührung müssen die beiden Phasen wieder getrennt werden, und insbesondere bei der Benutzung einer Einrichtung der genannten Art bei der fraktionierten Destillation ist es von grosser Bedeutung, dass diese Trennung innerhalb einer kurzen Strecke möglichst vollständig erfolgt. Gemäss der erwähnten USA-Patentschrift wird die Trennung der Flüssigkeitströpfchen von dem Gas durch die gleiche drehende Bewegung des Gases bewirkt, mittels deren die Flüssigkeitströpfchen erzeugt wurden. Hiebei werden die Tröpfchen nach aussen gegen die Wand der zylindrischen Kammer geschleudert, und die dabei entstehende Flüssigkeitsschicht kann über Löcher oder Schlitze in der Wand der Kammer abströmen, während das Gas den Zylinder über dessen offenes Ende verlässt.
Gemäss der genannten Patentschrift lässt sich die Trennung der Flüssigkeitströpfchen von dem Gas dadurch verbessern, dass man einen zweiten, durch Leitorgane gebildeten Boden kurz vor dem Ende des Zylinders anordnet, um erneut die drehende Bewegung des Gases zu verstärken, die in der Zwischenzeit schwächer geworden ist.
Gemäss der erwähnten USA-Patentschrift entstehen somit die Tröpfchen innerhalb des rotierenden Gasstromes, so dass die Massenübertragung in diesem Zeitpunkt beginnen kann. Im gleichen Augenblick kommt jedoch auch die Trennung der Flüssigkeit vom Gas unter dem Einfluss eben der gleichen drehenden Bewegung des Gases zur Wirkung, so dass der Wirkungsgrad des Stoffaustausches begrenzt bleibt. Wenn man in jedem Zylinder einen zweiten, durch Leitorgane gebildeten Boden vorsieht, um die Trennwirkung zu verbessern, wie es in der genannten USA-Patentschrift beschrieben ist, ergibt sich jedoch in jedem Zylinder ein erheblich grösserer Druckabfall, was unerwünscht ist.
Die Erfindung sieht nunmehr Mittel vor, um die erwähnten Nachteile zu vermeiden ; zu diesem Zweck wird eine Trennung zwischen der Einrichtung zum Erzeugen der Tröpfchen und der Einrichtung zum Trennen der Flüssigkeit vom Gas vorgesehen. Dies geschieht in der Weise, dass ständig Flüssigkeit
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über die ganze Länge desjenigen Teiles der Seitenwand zerstäubt wird, wo der Stoffaustausch zwischen dem Gas und der Flüssigkeit erfolgt. Zu diesem Zweck wird die Wand in dem betreffenden Teil der rohrförmigen Kammer mit besonderen Elementen versehen. Jenseits dieses Teiles der Wand ist in dem verbleibenden Teil der rohrförmigen Kammer die Einrichtung zum Trennen der Flüssigkeitströpfchen vom Gas angeordnet ; diese Trennung kann durch Fliehkräfte bewirkt werden.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung, mittels welcher Flüssigkeiten und Gase in Berührung gebracht werden können ; die Einrichtung besteht aus einer rohrförmigen Kammer, die durch eine seitliche Wand umschlossen wird und auf einer Seite mit Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas und auf der andern Seite mit Mitteln zum Abführen von Flüssigkeit und Gas versehen ist, während auf der Innenfläche der seitlichen Wand ein oder mehrere Vorsprünge angeordnet sind ; jenseits des oder der Vorsprünge ist ein Bauteil vorgesehen, durch welchen das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas in eine drehende Bewegung versetzt wird.
Die rohrförmige Kammer kann als gerader Kreiszylinder ausgebildet sein, jedoch kann man auch eine vieleckige Querschnittsform, z. B. einen regelmässigen sechseckigen Querschnitt, vorsehen.
Wenn auf der Wand eine strömende Flüssigkeitsschicht vorhanden ist und diese Wand einen Vorsprung trägt, der ein Hindernis für die strömende Flüssigkeit bildet, wird der Verlauf der Flüssigkeitsströmung durch den Vorsprung beeinflusst. Dabei wird der Flüssigkeitsstrom in stärkerem Masse turbulent. Wenn ausserdem ein Gasstrom über die Oberfläche der Flüssigkeit hinwegstreicht, wird die Flüssigkeit längs des Hindernissen nach oben gedrückt und hiebei sind Bedingungen denkbar, unter denen die Flüssigkeit in einem solchen Ausmass längs des Hindernisses nach oben gedrückt wird, dass die Flüssigkeit weggeblasen und gleichzeitig zerstäubt wird.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung lassen sich diese Erscheinungen leicht erzielen. Die Flüssigkeit wird der Innenfläche der seitlichen Wand durch geeignete Mittel zugeführt. Der Gasstrom wird von derjenigen Seite aus durch die rohrförmige Kammer geleitet, auf welcher das Organ zum Zuführen von Flüssigkeit zu der Wand angeordnet ist. Bei einer genügend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird die Flüssigkeit durch den Gasstrom längs der Wand mitgerissen. Bei Kohlenwasserstoffen mit einer Dampfdichte von 4 kg/m3 hat es sich z. B. gezeigt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases von 3 m/sec ausreicht. Die auf diese Weise in Bewegung versetzte Flüssigkeit trifft auf das bzw. die Hindernisse, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge abspielen.
Die Länge desjenigen Teiles der Wand, welcher die Vorsprünge trägt, kann innerhalb weiter Grenzen variieren, z. B. zwischen dem 0,5fachen und dem 5fachen des kleinsten Durchmessers der rohrförmigen Kammer.
Hiebei ist es vorteilhaft, wenn die Vorsprünge durch ein Netzwerk von Streifen gebildet werden.
Dies hat die Wirkung, dass die Flüssigkeit ohne Rücksicht auf die Richtung der Gasströmung längs der Wand an den Vorsprüngen nach oben gedrückt und zerstäubt wird. Es liegt jedoch auf der Hand, dass man auch die verschiedensten andern Ausbildungsformen von Vorsprüngen vorsehen kann, z. B. zugespitzte Fortsätze, einzelne Streifen oder einen durchlaufenden gewendelten Streifen oder mehrere derartige gewendelte Streifen. Ferner können die Vorsprünge durch verformte Teile oder Auswölbungen der Behälterwand gebildet werden.
Aus konstruktiven Gründen ist es zweckmässig, die Streifen rechtwinklig zur Wand anzuordnen. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Höhe der Streifen so zu wählen, dass sie zwischen 1 und 2 o des kleinsten Durchmessers der rohrförmigen Kammer liegt. Die Wahl der Höhe der Streifen richtet sich nach der Dicke der Flüssigkeitsschicht, d. h. man wählt eine grössere Höhe, wenn mit einer dickeren Flüssigkeitsschicht zu rechnen ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zum Zuführen der Flüssigkeit in der seitlichen Wand eine oder mehrere Öffnungen längs des Umfanges am Zuführungsende der Kammer vorhanden sind. Die Flüssigkeit kann dann direkt über die seitliche Wand strömen. Um eine möglichst gleichmässige Verteilung der Flüssigkeit über die Querschnittsfläche der seitlichen Wand zu gewährleisten, ist es zweckmässig, die seitliche Wand mit einem Kranz von Löchern zu versehen, die am Zuführungsende der Kammer in gleichmässigen Umfangsabständen verteilt sind. Ferner kann man einen in der Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz vorsehen.
Weiterhin ist es möglich, die Flüssigkeit an einem Ende der rohrförmigen Kammer über einen in der Mitte des Kammerquerschnitts angeordneten Einlass zuzuführen. Der dann auf die Wand gelangende Teil der Flüssigkeit wird in diesem Falle durch die erfindungsgemässe Einrichtung erneut zerstäubt.
Gemäss der Erfindung ist jenseits des oder der Vorsprünge ein Bauteil angeordnet, durch den das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas in eine drehende Bewegung versetzt wird. Aus konstruktiven Gründen ist es vorteilhaft, zu diesem Zweck einen durch Leitorgane gebildeten Zwischenboden vorzusehen,
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der gleichachsig mit der seitlichenWand der rohrförmigen Kammer angeoidnet ist und an diese Wand angrenzt. Bei dieser Anordnung wird eine Trennung der Flüssigkeit vom Gas erst dann bewirkt, wenn die Flüssigkeitströpfchen und das Gas bei den gegebenen Abmessungen der seitlichen Wand ausreichend Gelegenheit gehabt haben, miteinander in Berührung zu treten.
Der durch Leitorgane gebildete Boden hat in erster Linie die Aufgabe, die Flüssigkeit von dem Gas zu trennen, und dieser Boden kann zu diesem Zweck mit geeigneten bekannten Mitteln versehen sein. Natürlich erfolgt auch im Bereich dieses Bodens immer noch ein Stoffaustausch.
Jenseits des durch Leitorgane gebildeten Bodens befindet sich ein weiterer Teil der Seitenwand mit einer Länge, die z. B. zwischen der Hälfte und dem vollen Wert des kleinsten Durchmessers der rohrförmigen Kammer liegt. Der Querschnitt dieses Teiles der Seitenwand hat gewöhnlich die gleiche Form wie der vor dem Boden liegende Teil der Kammer. Jedoch ist es auch möglich, für den zuerst erwähnten Teil einen kreisrunden Querschnitt zu wählen. Auf diesem Teil sammelt sich bereits ein grosser Teil der Flüssigkeit, und diese Flüssigkeit wird über den Rand seitlich nach aussen geschleudert. Die Flüssigkeit wird aufgefangen und durch Leitorgane abgeführt, u. zw. zusammen mit dem übrigen Teil der Flüssigkeit in der Kammer, welcher sich bereits in einer seitlichen Richtung bewegt.
Eine überraschend günstige Wirkung dieses Trennvorganges wird dann erzielt, wenn ausserhalb des von der rohrförmigen Wand umschlossenen Raumes auf der Seite, auf welcher der durch Leitorgane gebildete Boden angeordnet ist, ein Ring vorgesehen ist, der an seinem inneren Rand einen Rohrstutzen trägt, welcher sich rechtwinklig zu dem Ring und gleichachsig mit der rohrförmigen Wand erstreckt, wobei der Rohrstutzen der rohrförmigen Wand zugewandt ist, und wobei der senkrechte Querschnitt des von dem Stutzen umschlossenen Raumes eine ähnliche Form hat, jedoch kleiner ist als die rohrförmige Kammer.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer Einrichtung dieser Art die Menge der Flüssigkeit, die von dem Gas mitgeführt wird, welches durch den Rohrstutzen strömt, etwa einem Zehntel der Menge der Flüssigkeit entspricht, welche von dem Gas mitgeführt wird, wenn eine ähnliche Anordnung benutzt wird, bei der jedoch der schmalere Ring mit dem Rohrstutzen fehlt. Weiters wurde festgestellt, dass das günstigste Verhältnis zwischen dem kleinsten Innendurchmesser des Rohrstutzens und dem kleinsten Innendurchmesser der rohrförmigen Kammer im Bereich von 0,8 bis 0,95 liegt, und dass der Abstand zwischen dem unteren Ende des Rohrstutzens und dem ihm gegenüberliegenden Rand der rohrförmigen Seitenwand im Bereich vom 0, lfachen bis zum 0, 4fachen des Durchmessers des rohrförmigen Behälters liegt.
Wenn man für den Rohrstutzen einen kleineren Innendurchmesser wählt, wird die Menge der von dem Gas mitgerissenen Flüssigkeit kleiner, doch nimmt der dem Gas entgegengesetzte Strömungswiderstand zu. Die richtige Wahl der Abmessungen hängt von den Bedingungen ab, unter denen die Flüssigkeit mit dem Gas in Berührung gebracht werden soll, z. B. von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, der Geschwindigkeit der Flüssigkeitszufuhr und dem gewünschten Ausmass des Stoffaustausches.
Man kann mehrere erfindungsgemässe Einrichtungen parallelgeschaltet an gemeinsame Leitungen zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas anschliessen und sie in einer gemeinsamen Umschliessung anordnen, wobei sich Vorteile bezüglich einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit ergeben. Für eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Trennung ist es vorteilhaft, eine Kolonne aus erfindungsgemässen Einrichtungen aufzubauen, die gleichachsig angeordnet und hintereinandergeschaltet sind, so dass das Gas jeweils der nächsten Stufe und die Flüssigkeit jeweils der vorangehenden Stufe zugeführt wird. Ferner ist es möglich, eine Kolonne dieser Art aufzubauen, die mehrere Platten oder Böden umfasst, zwischen denen erfindungsgemässe Einrichtungen parallelgeschaltet sind.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Darin zeigt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemässe Einrichtung, während Fig. 2 dieselbe Einrichtung in einem Querschnitt längs der Linie A-A sowie längs der Linie B-B in Fig. 1 darstellt. Fig. 3 ist eine teilweise im Schnitt gezeichnete perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Einrichtung.
In Fig. 1 ist die rohrförmige, z. B. zylindrische Seitenwand mit 1 bezeichnet. An ihrem unteren Ende befindet sich die Flüssigkeitszuführungsleitung 2, die zu Löchern 3 führt, welche in der Wand 1 in Umfangsabständen verteilt sind. Das Gas wird über das offene untere Ende 4 zugeführt. Die über die Öffnungen 3 eintretende Flüssigkeit wird von dem Gasstrom mitgerissen und trifft hiebei auf die Vorsprünge 5. In dem von den Vorsprüngen 5 umschlossenen Raum werden Flüssigkeitströpfchen erzeugt. Danach durchströmt das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas den durch Leitorgane gebildeten Boden 6. Infolge der drehenden Bewegung des Gemisches werden die Flüssigkeitströpfchen seitlich nach aussen geschleudert. Das Gas kann die Einrichtung über den Rohrstutzen 7 in Richtung des Pfeiles 11 verlassen.
Der Rohrstutzen 7 ist in einen Ring 8 eingebaut ; der Durchmesser des Rohrstutzens ist
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kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Kammer 1. Die Flüssigkeit wird zwischen dem Rohrstutzen 7 und einer runden Wand 9 gesammelt, wobei sie auf den Ring 8 trifft, um dann längs der Innenfläche der Wand 9 und über die Oberkante der Wand l in Richtung des Pfeils 10 nach unten zu strömen ; der weitere Verlauf der Flüssigkeitsströmung ist in Fig. 1 nicht dargestellt.
Der in Fig. 2 gezeigte Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1 gibt die Draufsicht des aus Leitorganen bestehenden Bodens 6 wieder. Der Schnitt längs der Linie B-B zeigt eine mögliche Anordnung der Vorsprünge 5, von denen die senkrecht verlaufenden im Querschnitt dargestellt sind, während einer der waagrechten Vorsprünge 5 in der Draufsicht erscheint.
Fig. 3 soll lediglich eine mögliche Anordnung der Teile bei einer erfindungsgemässen Einrichtung veranschaulichen.
Nachstehend werden einige Ergebnisse angegeben, die mit Hilfe einer erfindungsgemässen Einrichtung erzielt wurden.
Es wurde ein'Turm aufgebaut, der vier erfindungsgemässe Einrichtungen mit zylindrischen Wänden umfasste, die gleichachsig angeordnet und hintereinandergeschaltet waren. Der Durchmesser jedes Zylinders 1 betrug 18 cm. Die Zufuhr der Flüssigkeit erfolgte über einen in der Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz von 1, 5 cm Breite in der Seitenwand. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Flüssigkeitszuführungsschlitzen betrug 31 cm. In einem Abstand von 7,5 cm nach dem Flüssigkeitszuführungsschlitz war ein Netzwerk aus Streifen angeordnet. Dieses Netzwerk bestand aus rechteckigen Profilen mit einer Seitenlänge von 3, 7 cm, wobei die Höhe jedes Streifens 1, 5 cm betrug. Jenseits dieser Streifen befand sich ein Zwischenboden mit flachen Leitorganen, deren Neigungswinkel300 betrug.
Der Abschnitt des Zylinders nach diesem Zwischenboden war 8 cm lang ; der Durchmesser des Rohrstutzens zum Auffangen der Flüssigkeit hatte einen Durchmesser von 15 cm, der Stutzen sprang gegenüber dem Ring um 1 cm vor und zwischen der Unterseite bzw. dem unteren Ende des Stutzens und dem ihm gegenüberliegenden Rand des Zylinders war ein Abstand von 4 cm vorhanden.
Es wurde mit einer aufrecht stehenden Anordnung gearbeitet, wobei die Flüssigkeit jeweils unter der Wirkung der Schwerkraft zu der vorangehenden Einrichtung zurückströmte.
Versuche wurden unter atmosphärischem Druck bei einem vollständigen Rückfluss mit einem Gemisch aus Benzol und Toluol im Mischungsverhältnis von 50 zu 50 Vol. -0/0 sowie mit einem ähnlichen Gemisch
EMI4.1
faktor variierte zwischen 0,3 und 0,7 m/sec.
Bei diesen Versuchen zeigte sich, dass die Menge der von dem Gas zur nächstfolgenden Stufe mitgerissenen Flüssigkeit, bezogen auf die Rückflussmenge, stets weniger als 10/0 betrug. Der Druckabfall je Meter der Kolonnenhöhe betrug 44 cm Wassersäule für die Versuche mit dem Benzol-Toluolgemisch und 52 cm Wassersäule für das Gemisch aus n-Heptan und Toluol bei einem Dampfbelastungsfaktor von 0,7 m/sec.
Der Wirkungsgrad der mit Hilfe der Kolonne erzielten Trennung betrug, ausgedrückt als Zahl der theoretisch je Meter der Kolonnenhöhe erforderlichen Böden, für die Versuche mit dem Benzol-Toluolgemisch 1, 2 - 1, 5 und für das Gemisch aus n-Heptan und Toluol 0, 9 - 1, 3 bei Dampfbelastungsfaktoren von 0,3 bis 0,7 m/sec.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Destillation oder Gasabsorption, worin Flüssigkeiten und Gase miteinander in Berührung gebracht werden, mit einer von einer seitlichen Wand umschlossenen rohrförmigen Kammer mit einem an beiden Seiten offenen Ende, wobei die Kammer auf einer Seite mit Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas versehen ist, die in der Kammer miteinander in Berührung gebracht und durch die Kammer hindurchgeführt werden, und die Kammer auf der andern Seite mit Mitteln zum Abführen von Flüssigkeit und Gas versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenfläche der Seitenwand ein oder mehrere Vorsprünge jenseits des Einlasses der Flüssigkeit und des Gases vorgesehen sind und dass jenseits des bzw.
der Vorsprünge ein Bauteil angeordnet ist, durch den das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas geführt und dabei in drehende Bewegung versetzt wird.