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Die Erfindung bezieht sich auf eine Stoffaustauschkolonne, z. B. Destillier-, Rektifizier- oder Waschkolonne, bei welcher für die Ableitung der Flüssigkeit von einem Austauschboden zum jeweils nächst tiefer gelegenen in der Kolonnenachse angeordnete Fallrohre mit Eintauchbechern sowie die Flüssigkeit in der Gegenrichtung zu der am Austauschboden herrschenden Flüssigkeitsströmung rückführende Leiteinrichtungen vorgesehen sind, wobei jedes Fallrohr mit seiner Austrittsöffnung unterhalb der Gasaustritts- öffnungen des jeweils tiefer gelegenen Austauschbodens in den zugeordneten Eintauchbecher einmündet.
Bei einer bekannten Ausführung dieser Art sind abwechselnd in der Kolonnenachse angeordnete Fallrohre und zur Kolonnenachse konzentrische Ringspalte vorgesehen, durch welche die Flüssigkeit abwärts strömt, wobei nur verhältnismässig geringe Bereiche der von der Flüssigkeit überströmten Fläche der Austauschböden mit Durchtrittsöffnungen für das Gas versehen sind. Eine solche Ausbildung hat den Nachteil, dass sie einerseits sehr kompliziert aufgebaut ist und anderseits die Stoffaustauschfläche doch eher klein ist.
Das unterhalb der Gasaustrittsöffnungen des jeweils nächst tiefer gelegenen Austauschbodens erfolgende Ausmünden der Fallrohre in den zugeordneten Eintauchbecher ist dabei allerdings insofern günstig, als auch bei starker Zerschäumung der Flüssigkeit auf den Austauschböden eine zuverlässige Ableitung der Flüssigkeit gegeben ist, was einen hohen Durchsatz von Flüssigkeit durch die Kolonne ermöglich, wodurch z. B. bei Rektifizierkolonnen das errechnete Rücklaufverhältnis, das den gewünschten Rektifikationsgrad bestimmt, eingehalten werden kann. Weiters kann die Bauhöhe verringert werden bzw. bei gleicher Bauhöhe eine höhere Anzahl von Austauschböden eingesetzt werden.
Erfindungsgemäss werden die Nachteile der bekannten Ausbildung unter Beibehaltung der Vorteile derselben dadurch vermieden, dass an jedem Austauschboden der dem Zulauf zugeordnete Eintauchbecher des vom nächst höher liegenden Austauschboden kommenden Fallrohres sowie das dem Ablauf zugeordnete Fallrohr befestigt ist, wobei der dem Zulauf zugeordnete Eintauchbecher teilweise in das dem Ablauf zugeordnete Fallrohr hineinragt, und dass die die Flüssigkeit in der Gegenrichtung zu der am Austauschboden herrschenden Flüssigkeitsströmung rückführenden Leiteinrichtungen als, vorzugsweise radial verlaufende, Rinnen oder Rohre ausgebildet sind. Es sind somit alle Austauschböden gleich aufgebaut, wodurch auf allen Austauschböden die Flüssigkeit in gleicher Richtung, z.
B. radial von aussen nach innen strömt, so dass die Flüssigkeit entsprechend gesteuert über die Austauschböden fliesst. Durch die radiale Überströmung können alle Flüssigkeitsteilchen annähernd gleich lang der Begasung ausgesetzt und die Niveauunterschiede der Flüssigkeit auf den Böden gering gehalten werden. Letzteres ergibt eine im wesentlichen gleichmässige Gasdurchsetzung über die gesamte Bodenfläche. Ausserdem ist die Montage der Kolonne wesentlich vereinfacht, da nicht auf besondere Bodenausbildungen Rücksicht genommen werden muss, sondern die Böden zusammen mit den daran befestigten Fallrohren und Eintauchbechern einfach an der Kolonnenwand montiert werden können.
Durch das Ineinandergreifen der Eintauchbecher und der Fallrohre können lange Fallrohre eingesetzt werden, was strömungstechnisch sehr wünschenswert ist, wobei zwischen den einzelnen Böden geringe vertikale Abstände eingehalten werden können. Durch die Ausbildung der die Flüssigkeit in der Gegenrichtung zu der am Austauschboden herrschenden Flüssigkeitsströmung rückführenden Leiteinrichtungen als Rinnen oder Rohre wird der Stoffaustausch in den relativ niedrigen Räumen zwischen den einzelnen Böden nicht behindert, wobei die Flüssigkeitsrückführung kontrolliert und gleichmässig erfolgt. Die geringen vertikalen Abstände zwischen den einzelnen Böden haben sich insbesondere in energiemässiger Hinsicht als vorteilhaft erwiesen.
Zweckmässigerweise können die Fallrohre und die Eintauchbecher konisch ausgebildet sein. Dadurch braucht für das Ineinandergreifen der Eintauchbecher und der Fallrohre keine stufenförmige Absetzung des Durchmessers der einzelnen Teile vorgesehen zu werden, sondern es erfolgt ein die Strömungsverhältnisse in den Fallrohren günstig beeinflussender stetiger Übergang auf den geringeren Durchmesser.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Die Fig. 1 bis 5 zeigen jeweils einen Vertikalschnitt durch einen Teil von verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Stoffaustauschkolonne, wobei der Schnittverlauf in Fig. 6 angedeutet ist. Fig. 6 ist dabei eine Draufsicht auf einen Austauschboden gemäss Fig. 5.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 sind an der Kolonnenwandung-l-als Siebböden ausgebildete Austauschböden --2-- über ringförmige Verteilerrinnen --3-- befestigt. Die Gasaustritts- öffnungen in den Austauschböden sind mit --4-- bezeichnet. Die unteren Begrenzungen der Verteilerrinnen --3-- liegen dabei über dem Niveau des jeweiligen Bodens. Die Verteilerrinne --3-- ist vom zugehörigen Boden durch ein gezähntes Überlaufwehr-5-getrennt. In die Verteilerrinne --3-- münden
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vier radial angeordnete Rinnen --6--, die in gleicher Höhe wie die Verteilerrinnen liegen und mit dem
Eintauchbecher --8-- in Verbindung stehen, der dem vom nächst höher liegenden Boden kommenden
Fallrohr --7-- zugeordnet ist.
Die Fallrohre --7-- und die zugeordneten Eintauchbecher --8-- reichen dabei bis unterhalb des nächst tiefer gelegenen Austauschbodens --2--, wobei sie, sich gegenseitig übergreifend, in das dem nächst tiefer liegenden Boden zugeordnete Fallrohr hineinragen. Mit --9-- sind die Austrittsöffnungen der Fallrohre --7-- bezeichnet. Die Einlaufoffnungen-10-der Fallrohre liegen über dem Niveau des jeweiligen Bodens--2--, so dass durch den oberen Rand des Fallrohres --7-- ein Überlaufwehr gebildet ist. Jeder Einlauföffnung --10-- ist ein Ring --11-- als Schaumfänger vorgelagert.
Unterhalb jedes Bodens ist eine Auffangtasse --12-- angeordnet, welche bis in den Bereich zwischen äusserstem Bodenrand --2'-- und Kolonnenwandung --1-- reicht ; es verbleibt so zwischen dem äusseren
Rand der Auffangtasse --12-- und der Kolonnenwandung-l-ein Zwischenraum für das Durchströmen des aufsteigenden Gases, z. B. des dem Stoffaustausch dienenden Dampfes. An der Unterseite der
Auffangtasse ist im Bereich des äusseren Randes derselben, jedoch nicht an ihrem grössten Umfang, ein Abtropfring-13-angeordnet.
Während des Betriebes der Stoffaustauschkolonne sind die Austauschböden --2-- mit Flüssigkeit bedeckt, wobei diese für den Stoffaustausch durch das in der Kolonne aufsteigende Gas, z. B. Dampf, durchströmt wird (s. die strichlierten Pfeile). Die Flüssigkeit strömt in der Kolonne nach unten (s. die vollausgezogenen Pfeile), u. zw. fällt sie in dem vom nächst höher liegenden Boden kommenden Fallrohr - abwärts in den Eintauchbecher --8--, wird in dem Zwischenraum zwischen Fallrohrwandung und
Eintauchbecherwandung durch die nachströmende Flüssigkeit nach oben gedrückt und fliesst sodann durch die radialen Rinnen --6-- in die ringförmige Verteilerrinne --3--.
Bei gefüllter Verteilerrinne --3-- fällt die Flüssigkeit über das gezähnte Überlaufwehr-5-auf den Austauschboden--2--, überströmt diesen radial nach innen und fällt dann durch das jeweilige Fallrohr --7-- auf den nächst tiefer gelegenen Boden. Der sich zufolge des Gasdurchsatzes bildende Schaum wird durch den Schaumfängerring --11-- zurückgehalten, so dass die durch das Fallrohr abwärts strömende Flüssigkeit einen relativ hohen Anteil an Flüssigkeit und damit einen relativ geringen Anteil an Gasphase aufweist. Der Stoff- und Wärmeaustausch findet während des radialen Überströmens der Böden statt.
Das die Flüssigkeit durchströmende Gas wird durch die unterhalb des nächst höher gelegenen Bodens befindliche Auffangtasse --12-- nach aussen geleitet, durchströmt den Zwischenraum zwischen dem äusseren Rand der Auffangtasse --12-- und der Kolonnenwandung-l-und verteilt sich zwischen Auffangtasse und darüber liegendem Austauschboden. Darauf tritt das Gas durch die Gasaustrittsöffnungen --4-- des Bodens --2-- in die auf demselben befindliche Flüssigkeit ein und steigt in dieser auf. Die durch das Gas mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen scheiden sich an der Unterseite der Auffangtasse --12-- und beim Umströmen des Abtropfrandes --13-- an diesem ab und fallen auf den darunterliegenden Austauschboden zurück.
Während des normalen Betriebes sind die Auffangtassen --12-- weitgehend frei von Flüssigkeit, da diese durch den Gasstrom auf dem darüberliegenden Boden gehalten wird. Bei Verringerung bzw. Unterbrechung der Gaszufuhr füllen sich die Auffangtassen --12-- teilweise bzw. ganz mit Flüssigkeit, die durch die Gasaustrittsöffnungen --4-- des Austauschbodens --2-- durch tropft. Da der Rand der Auffangtasse --12-- höher gezogen ist als die Gasaustrittsöffnungen --4-- des darüberliegenden Bodens liegen, bleiben letztere immer durch Flüssigkeit bedeckt, so dass kein Gas durch freie Gasaustrittsöffnungen entweichen kann. Bei neuerlicher Erhöhung bzw. bei Beginn der Gaszufuhr wird die Flüssigkeit aus den Auffangtassen wieder auf die darüberliegenden Böden gedrückt.
Das vorstehend beschriebene Verhalten der beiden Medien setzt sich dann bei den jeweils nachfolgenden Austauschböden in gleicher Weise fort.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 sind die Kolonnenwandung mit --15--, die wieder als Siebböden ausgebildeten Austauschböden mit --16--, die ringförmigen Verteilerrinnen mit --17--, das gezähnte Überlaufwehr mit --18--, die radialen Rinnen mit --19--, die Fallrohre mit-20-, die Eintauchbecher mit --21--, die Auffangtassen mit --22-- und die Abtropfringe mit --23-- bezeichnet.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von jener gemäss Fig. 1 dadurch, dass die ringförmigen Verteilerrinnen --17-- durch den keine Gasaustrittsöffnungen aufweisenden äusseren Randbereich des Austauschbodens --16--, durch den schräg nach aussen hochgezogenen Rand desselben und, wie bei Fig. l, durch das gezähnte Überlaufwehr-18-gebildet sind. Die radialen Rinnen liegen dabei direkt auf dem Austauschboden auf. Da sich in den Auflagebereichen keine Flüssigkeit für den Stoffaustausch befindet,
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können die Gasaustrittsöffnungen der Böden in diesem Bereich ohne weiteres durch die Rinnen abgedeckt sein. Die radialen Rinnen können statt des dargestellten U-Profils V-förmiges Profil aufweisen, wodurch weniger von den Siebflächen abgedeckt wird.
Der Verlauf der Flüssigkeitsströmung ist wieder mit vollausgezogenen Pfeilen, der Verlauf des Gasstromes mit strichlierten Pfeilen angedeutet.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 sind die Kolonnenwandung mit --25--, die wieder als
Siebböden ausgebildeten Austauschböden mit --26--, die ringförmigen Verteilerrinnen mit --27--, die gezähnten'Überlaufwehre mit --28--, die an Rinnen vorgesehenen Rohre mit --29--, die Fallrohre mit --30--, die Eintauchbecher mit --31--, die Auffang- tassen mit --32-- und die Abtropfringe mit --33-- bezeichnet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den schon beschriebenen dadurch, dass die radialen Rohre --29-- unterhalb der jeweiligen Böden verlegt sind und von unten her in die ringförmigen Verteilerrinnen --27-- einmünden. Die ringförmigen
Verteilerrinnen sind dabei, wie bei der Ausführung nach Fig. 2, durch den äusseren Randbereich des
Bodens gebildet.
Die in der Kolonne abwärts strömende Flüssigkeit (wieder durch vollausgezogene Pfeile angedeutet) fällt durch die Fallrohre --30-- nach unten, steigt im Zwischenraum zwischen Fallrohrwandung und Eintauchbecherwandung nach oben, fliesst durch die radialen, gedeckten Rohre --29-- nach aussen und steigt von unten in der ringförmigen Verteilerrinne auf, bis sie über das gezähnte Überlaufwehr - auf den jeweiligen Austauschboden gelangt. Diesen überströmt die Flüssigkeit wieder radial nach innen und fällt über das entsprechende Fallrohr in gleicher Weise auf den nächst tiefer liegenden Boden.
Der Verlauf des Gasstromes ist gleich jenem bei den vorhergehenden Ausführungsformen und wieder durch strichlierte Pfeile angedeutet. Die gedeckten radialen Rinnen können auch durch Rohre mit rundem Querschnitt gebildet sein.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 4 werden die Austauschböden nicht radial nach innen, sondern radial nach aussen überströmt. Es sind die Kolonnenwandung mit --35-- und die ebenfalls als Siebböden ausgebildeten Austauschböden mit --36-- bezeichnet. --37-- ist eine durch den äusseren Bereich des jeweiligen Bodens --36--, durch dessen hochgezogenen Rand --36'-- und durch das gezähnte Überlaufwehr --38-- gebildete Sammelrinne, welche die auf den einzelnen Böden nach aussen strömende Flüssigkeit nach Überströmen des Überlaufwehres --38-- sammelt und den radialen Rohren --39-- zuleitet. Diese Rohre --39-- münden in die Fallrohre --40--. --41-- sind die Eintauchbecher, deren obere Ränder in gleicher Höhe wie die zugeordneten Böden liegen.
Die Auffangtassen sind mit --42-- und die daran vorgesehenen Abtropfringe mit --43-- bezeichnet.
Die vom nächst höher liegenden Austauschboden --36-- kommende Flüssigkeit steigt im Zwischenraum zwischen Wandung des Fallrohres --40-- und Wandung des Eintauchbechers --41-- nach oben, verteilt sich über den Boden --36-- und steigt auf diesem bis sie über das gezähnte Überlaufwehr --38-- in die ringförmige Sammelrinne --37-- fällt. Von dieser fliesst sie dann durch die radialen Rohre --39-- zu dem zum nächst tieferliegenden Boden führenden Fallrohr, durch welches sie dann in den Eintauchbecher - des nächst tiefer gelegenen Bodens fällt, um sich auf letzterem in der beschriebenen Weise zu verteilen. Der Flüssigkeitsstrom ist wieder durch vollausgezogene Pfeile, und der in gleicher Weise wie bei den übrigen Ausführungsformen verlaufende Gasstrom durch strichlierte Pfeile angedeutet.
Das Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 5 und 6 entspricht im wesentlichen jenem gemäss Fig. 2. Es sind jedoch keine ringförmigen Verteilerrinnen vorgesehen, von welchen aus. die Flüssigkeit, über den gesamten Umfang gleichmässig verteilt, auf die Böden aufgegeben wird, und weiters sind die Fallrohre nicht konisch, sondern durch zwei zylindrische Rohrteile verschiedenen Durchmessers gebildet, die über eine schräg verlaufende Stufe miteinander verbunden sind. Mit --45-- sind die Kolonnenwände, mit --46-die Austauschböden, mit --47-- die radialen Rinnen, mit --48-- die Fallrohre, mit --49-- die Eintauchbecher und mit --50-- die Auffangtassen bezeichnet.
Die Funktion dieser Ausführungsform gleicht weitgehend jener der Ausführung nach Fig. 2 ; es entfällt lediglich die Verteilung der Flüssigkeit über den gesamten Umfang der Austauschböden vor dem Überströmen derselben. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 und 6 fliesst nämlich die Flüssigkeit aus den radialen Rinnen --47-- direkt auf den jeweiligen Boden --46-- und verteilt sich über dessen gesamte Fläche.
Bei allen Ausführungsbeispielen sind jeweils ein Austauschboden, der dem Zulauf zugeordnete Eintauchbecher, das dem Ablauf zugeordnete Fallrohr, die radialen Rinnen bzw. Rohre und die Auffangtasse zu einer Baueinheit zusammengefasst. Dabei sind bei den Ausführungsbeispielen nach den
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Fig. 2 bis 6 die radialen Rinnen direkt am Austauschboden angebracht, so dass diese Rinnen als Versteifungselemente für den Boden dienen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stoffaustauschkolonne, z. B. Destillier-, Rektifizier- oder Waschkolonne, bei welcher für die Ableitung der von einem zum tiefer in der Kolonnenachse angeordnete Fallrohre mit Eintauchbechern sowie die Flüssigkeit in der Gegenrichtung zu der am Austauschboden herrschenden Flüssigkeitsströmung rückführende Leiteinrichtungen vorgesehen sind, wobei jedes Fallrohr mit seiner Austrittsöffnung unterhalb der Gasaustrittsöffnungen des jeweils tiefer gelegenen Austauschbodens in den zugeordneten Eintauchbecher einmündet, dadurch ge- k e n n z e i c h n e t, dass an jedem Austauschboden (2 ; 16 ; 26 ; 36 ; 46) der dem Zulauf zugeordnete Eintauchbecher (8 ; 21 ; 31 ;
41 ; 49) des vom nächst höher liegenden Austauschboden kommenden Fallrohres (7 ; 20 ; 30 ; 40 ; 48) sowie das dem Ablauf zugeordnete Fallrohr befestigt ist, wobei der dem Zulauf zugeordnete Eintauchbecher teilweise in das dem Ablauf zugeordnete Fallrohr hineinragt, und dass die die Flüssigkeit in der Gegenrichtung zu der am Austauschboden herrschenden Flüssigkeitsströmung rückführenden Leiteinrichtungen als, vorzugsweise radial verlaufende, Rinnen (6 ; 19 ; 17) oder Rohre (29 ; 39) ausgebildet sind.