Austauschboden für Kolonnen.
Die Erfindung betrifft einen Austausch- boden für Kolonnen, z. B. für Destillation, Absorption, Extraktion. Dabei können Flüssigkeiten, z. B. Wasser, mit Gasen oder Dämpfen, wie z. B. Luft, in möglichst guten Kon takt gebraeht werden.
Ein Austausehboden best. eht im wesentlichen aus einer in einen zylindrischen, verti kalen Behälter, die sogenannte Kolonne, eingebauten, ebenen Platte, welche zum Durchlassen der aufsteigenden Gase eine oder mehrere runde oder langgestreekte Offnun- gen mit erhöhter Umrandung enthält. Diese Öffnungen werden von darübergestülpten rmlenkvorrichtungenüberdeckt, die man als Glocken bezeichnet und die entsprechend der Form der Öffnungen gleichfalls kreis- rund oder langgestreckt ausgebildet sind.
Der gewünsehte Kontakt 7wischen den Gasen und der Flüssigkeit kommt dabei dadurch zustande, dass die aus den über der Bo d'enebeneerhöhtausmündendenÖffnungen ausströmenden Gase durch die Glocken wieder zur Bodenebene herabgeführt werden. Die Gase können erst unmittelbar oberhalb der Bodenebene aus den Glockenrändern in die horizontal über dem Boden von einer Zulauf- zu einer Ablaufstelle wandernde Flüssigkeit, welche durch die erhöht angeordnete Ablauf sfelle zu einer entsprechenden Schichtstärke auf dem Boden, aufgestaut ist, austreten und auf cliese Weise die Flüssigkeit durehsetzen.
Das eharakteristische Merkmal eines bekannten Glockenbodens besteht dabei gegen über andern Bodentypen darin, dass durch die vorerwähnte, raumliche Anordnung der Gas- zuführungs- sowie der Flüssigkeitsablaufstellen die erforderliche Flüssigkeitsschicht auf dem Boden in jedem Falle, d h. selbst bei sehr geringen Belastungen, vorhanden ist, wodurch die Wirkungsweise eines solchen Bo dens-zumindest theoretisch-auch im letzteren Fall voll erhalten bleibt.
Gerade dieser Eigenschaft, d. h. der weit- gehenden Unabhängigkeit des Glockenbodens von Belastmigsschwankungen, ist es zuzu schreiben, da# derselbe, angesichts der im praktischen Betrieb häufig eintretenden Not wendigkeit vorübergehender Durehsatzver minderungen, ungeachtet seines komplizierten Aufbaues un, trotz zahlreicher andersartiger Vorschläge, auch heute noch als die meist angewandte Bodenkonstruktion anzusehen ist.
Es wurde schon lange erkannt, dass der eigent- liche Berührungsvorgang zwischen den Gasen und der Flüssigkeit unbefriedigend ist, da sich derselbe im Grunde genommen lediglieh auf die kurze Entfernung vom Glockenrande zum Flüssigkeitsspiegel besehränkt, innerhalb dessen die aus den Glocken austretenden Gase die FJüssigkeitssehiehtin mehr oder weniger vertikaler Richtung durchsetzen.
Da eine Vergrö#erung dieses Berührungs- weges durch Erhöhung des Flüssigkeits- standes auf dem Boden erfahrungsgemäss- von den mechanischen Nachteilen, insbesondere von der damit automatiseh verbundenen Erhöhung des Strömungswiderstandes für die Gase ganz abgesehen-keinerlei merkbare Steigerung des Effektes erreichen lä#t, hat man sich schon seit langem bemüht, die Berührungsintensität zwischen Gas und Flüssigkeit durch besonders profilierte, d. h. mit Zacken oder Sehlitzen versehene, bzw. sogar perforiert ausgebildete Gloekenränder als Folge der dadurch bedingten feineren Aufteilung des Gasstromes zu verbessern.
Von einer gewissen Stabilisierung des Stromungszustandes auf dem Boden abgesehen, ist aber auch diesen Massnahmen in bezug auf die mit dem Boden zu erzielende Wir- kung kein wesentlieher Erfolg beschieden, da-insbesondere bei grösserem gasseitigen Belastungen - ein Gro#teil des Gases die Flüssigkeit in Gestalt von Kanälen durch- setzt und daher mit dEr Flüssigkeit nur an den Randzonen der auf diese Weise gebildeten Kanäle in Berührung kommt.
Diese Erscheinung lässt sich auch durch die in jüngster Zeit aufgetauchten Vor schlague betreffend Verwendung sogenannter Siebgloeken. nur ungenügend verbessern. Solche Siebglocken weisen eine siebbodenart.ig ausgebildete untere Umrandung auf.
Es ist zwar schon erkannt worden, da# sich die vorstehend aufgezeigte Kanalbildung bei gleichzeitiger Intensivielxmg des Kon- taktes zwischen Flüssigkeit und Gas im Prinzip dadurch vermeiden lasst, dass die Flüssig- keit durch entsprechend ausgerichtetes Einleiten der Gase in Drehung versetzt wird.
Es wurden. daher bereits Glockenkappen in Vorschlag gebracht, deren untere Umran dung, an Stelle der üblichen, rein radial ausgerichteten Schlitze, solche mit mehr oder weniger tangentialer Austrittsricht. ung, und zwar auf die Vertikalachse der Glocke bezo- gen, aufweisen.
Dieser Vorschlag übersieht, jedoch völlig die Tatsaehe, dass die in unmittelbarer Umgebung der einzelnen, auf diese Art ausgebil- deten Glocken befindliche und auf die vorstehend angegebene Weise in Drehung versetzte Flüssigkeit als Folge der dadurch ausgelösten Zentrifugalkräfte sich bei höherer Belastung zwangläufig vom Glockenrande fortbewegen muss und damit gerade zum Go- genteil dessen führt, was mit der beschriebe- nen Vorrichtung eigentlich erreicht werden sollte.
Der Gegenstand der Erfindung vermeidet nun diesen Fehler auf einfaehe Weise. Der erfindungsgemä#e Austauschboden zeichnet sich dadurch aus, dass der untere Rand der Hohlgloeke umlaufend schräg geschlitzt und von den Gasen radial von aussen nach innen durehströmt ist, um die sich innerhalb jeder Hohlglocke befindliche Flüssigkeit, in Rotation wu setzen.
Die auf diese Weise gleichfalls in Rotation versetzte Flüssigkeit wird nummehr - in eindeutigem Gegensatz zu der vorbesehrie- benen Anordnung-gerade durch die Zentri fugalkraft an den schräg geschlitzten Hohlgloekenrand herangeführt und gelant auf diese Weise mit den aus demselben nach innen austretenden Gasen in gute Berührung
Darüber hmaus kann durch diese Anord- nung erreicht werden, da# als Folge der Rotation bzw. der dadurch ausgelosten Zentri fugalkraft. der am untern Rand der Hohlglocke stattfindenden, intensiven Dureh misehung von Gas und Flüssigkeit in der darüberliegenden Zone eine ebenso wirksame Entmischung bzw.
Zentrifugalabscheidung der mitgerissenen Flüssigkeitstropfchen nach- folgt, so, dass die Gefahr eines Mitreissens von Flüssigkeit im Gasstrom wesentlich verringert wird, wodurch eine Senkung des Ahstandes von Boden : zn Boden lmd damit auch der Gesamthohe der Kolonnemöglich ist.
Auf beiliegender Zeichnung sind Ausfüh- rungbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigen :
Fig. 1 eine erste Ausführungsform in sehematiseher Darstellung,
Fig. 2 2 einen Schnitt gemä# der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Variante zu Fig. l, ebenfalls schematisch dargestellt,
Fig. 4 einen Schnitt gemäss der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 einen Radialschnitt zu Fig. 4,
Fig. 6 eine Einzelheit dazu, Fi,,. 7 eine weitere Ausführungsform,
Fig. 8 und 9 eine Variante eines Hohl glockenbodens in Ansieht und im Schnitt,
Fig 10 und 11 einen Vertikal-und einen Horizontalschnitt eines Elementes des Hohlglockenbodens,
Fig.
12 und 13 eine letzte Variante des Ilohlg'loekenbodens.
Der Kolonnenmantel ist mit 6 bezeiehnet.
In diesen sind übereinander angeordnete, mit erhöhtem Aussenrand versehene Böden 1 in bekannter Weise befestigt. Jeder Boden weist in seiner Mitte, eine Ausnehmung auf, in welcher ein Ablaufrohr 3 mündet, das sich nach unten erstreckt und über dem Boden einer Tauehtasse 4 endet. Mit 5 sind Ablaufrinnen bezeichnet, die sich, radial und nach unten gerichtet, vom Rand der Tauchtasse bis über den näehst untenliegenden Boden erstrecken.
Der mit Aussenrand versehene Boden 1 ist von einer Hohlgloeke 2 überdeekt, welehe mit ihreräussernBegrenzung an den Kolonnen- mantel 6 dicht. ansehliesst Der untere, unter Umständen direkt auf dem Boden aufstehende Rand der Hohlgloeke 2 ist mit am Umfang verteilten, und einheitlich ausgerichteten, d. h. den gleichen Tangentialwinkel aufweisenden Schrägsehlitzen a versehen.
Dadurch wird ein mehr oder weniger tangential gerichteter Eintritt der Gase in die auf dem Boden be findlicheFlüssigkeitsschichterreicht, (siehe gestriehelte Pfeile) Die Ansammllmg der genannten Flüssigkeitssehicht wird durch das mit erhöhterÜberlaufkantezentralangeord- nete Ablaufrohr bewerkstelligt,
Die in Fig.
1 und 2 ausgezogen eingetra- genen Pfeile stellen den prinzipiellen Verlauf der Flüssigkeitsbewegungen auf dem Boden dar und lassen erkennen, da# die mit der besehriebenen Einrichtung erzielten Stromungsverhältnisse im Zusammenwirken mit dem angegebenen Flüssigkeitsweg von einem Bo- denzumnächstfolgendenüberdieTauchtasse 4 und die wieder nach aussen führenden Ab laufrinnen 5 eine denkbar intensive und völ- lig gleichmässige Berührung der im Gegenstrom zueinander geführten Medien gewähr- leisten.
Die vorstehenderläuterteAnordnung eignet sich speziell für Kolonnen mit kleine- rem Durchmesser, indem die einzelnen Boden, als sogenannte Laternen ausgebildet, von oben hintereinander in den aus nahtlosem Rohr gefertigten Kolonnenmantel 6 selbstdichtend eingeschobenwerdenkönnen, wodurch die üblichen,zurMontage erforderlichen seitlichen Handöcher in Fortfall kommen, was, insbesondere bei Kolonnen für höhere Drücke, eine erhebliche Ersparnis bedeutet.
Bei Kolonnen mit grösserem Durchmesser kann die oben entwickelte, prinzipielle Lösung nach zwei verschiedenen Richtungen hin verwendet werden :
Zunächst ist es einmal möglich, das be schriebene System unter Verwendung einer einzigen Hohlglocke beizubehalten und dabei lediglich die Einleitung der Gase in die Flüs sigkeit, angesichts der erforderlichen grösse ren'Stromungsquerschnitte,nichtdurch vertikal, sondern durez horizontal angeordnete und radial nach der Mittelachse verlaufende Schragsehlitze erfolgen zu lassen, wie dies in Fig. 3 und 4 in Längs- und Querschnitt gezeigt ist, indem an Stelle der in Fig.
1 und 2 dargestelltensenkrechtenSehlitzreihe a in diesem Falle horizontal an den untern Rand der in die Flüssigkeiteintauchenden Hohlglocke 2 anschliessende Bleche bzw. Platten 7, oder auch einzelne Fremdkörper verwendet werden,welche in bekannter Weise mit schräg bis angenähert horizontal geführten und zur Vertikalachse des Bodens in einheitlich tan gentialem oder radialem Sinne ausgerichteten Schlitzen versehen sind, wie dies insbesondere aus der Einzeldarstellung in der Fig. 6 sowie aus der von oben gesehenen Gesamtanordnung (Fig. 4) deutlich zu erkennen ist.
Die Plat-ten 7 können aus einem Stück bestehen oder aus konzentrisch ineinander an- geordneten Kreisringflächen bzw. aus sek torenformigen Teilen zusammengesetzt sein.
Auf diese Weise lässt sich die bereits in Fig. 1 angedeutete Zirkulationsbewegung, welche die in Drehung versetzte Flüssigkeit auf dem Boden infolge der Zentrifugalkräfte auch in radialer Richtung ausführt, entspreehend Fig. 3 und 4 bzw. Fig. 5 in ganz besonders wirksamer Weise Zll einer intensiven und umfassenden Berührung der Gase mit der Flüssigkeit heranziehen, indem die letztere auf der einmal vom zentral angeordneten Ablaufrohr 3 und au#erdem vom zylindri- schen Teil der Hohlgloeke begrenzten Kreis- ringfläche ober-bzw. unterhalb des in die Fliissigkeit eingetauchten Schlitzbodens mehrfach umgewälzt werden kann.
Diese Möglich- keit ist in Fig. 4 sowie insbesondere aus dem etwasgrosserdargestelltenRadialschnitt in der Fig. 5 an Hand der eingezeichneten Pfeile, deren ausgezogene Linien die Bewegungsrich- tung der Flüssigkeit angeben, während die gestricheltenLiniensichaufdie'Strömung der Gase beziehen, kenntlich Gemacht. Man ersieht daraus vor allem den spiraligen Weg, welchen die Flüssigkeit über den getauchten Schlitzboden 7 auszuführengezwungen ist.
Die Flüssigkeit strömt aus einer in unmittel- barer Umgebung des Ablaufrohres zum Zweeke ihres ungehinderten Durehtrittes frei gelassenen Ringfläche und wird anschlie#end dureh die tangential und radial nach au#en aus dem SehlitzbodenaustretendenGase be einflusst (Fig.
4). Die Rückführung der Flüs sigkeit naeh der Bodenmitte erfolgt unterhalb des Schlitzbodens, indem die Flüssigkeit in der äussern Randzone infolge des Nachlassens der Zentrifugalwirkung entweder direkt durch die Schlitze des Bodens hindurchregnet oder aber-insbesondere bei mitgeführten Festsubstanzen, wie diese als Folge von ehemischen Reaktionen entstehen können durch besondere, unmittelbar am Rande der Hohlglocke angeordmete, gleichmässig ver- teilte Ablaufrohre 8, welehe in diesem Falle mit ihrer Oberkante bündig, cl.
h. ohne Über- laufkante, mit der Oberseite des Sehlitzbo- dens 7 abschliessen, wieder auf den eigentlichen Boden 1 abgeführt wird :
Obwohl, wie bereits gesagt, die Zentri fugalwirkung innerhalb der Flüssigkeitals Folge ihrer mit wachsendem Radius stark ab nehmenden Winkelgeschwindigkeit, bei gro- sseren Bodenabmessungen in der äu#ern Randzone des Schlitzbodens erheblich nachlässt und damit die Rückführung derselben ermöglicht, kann es, insbesondere bei kleineren Durchmessern, unter Umständen zweck- mässig sein,
den letzten Vorgang durch radial naeh innen gerichtete und zur Horizontal- ebene schräg geneigte Leitsehaufeln 9, welche am zylindrischen Teil der Hohlglocke unmit- telbar über dem Schlitzboden umlaufend, bzw. wie in Fig. 4 angedeutet, unmittelbar hinter den Flüssig'keitsabläufen 8 angeordnet sind, zusätzlich zu verstärken.
Desgleichen erscheint es zweckmässig, ein Austreten der Gase durch die zur Flüssig- keitsumwälzung in der Umgebung des Ab- laufrohres freigelassene innere Kreisring- flache durch Anbringung einer nach unten ragenden Leiste 10 an der innern Begrenzung des Schlitzbodenszuverhindern(Fig.5).
Schliesslich ist aus Fig. 3 auch noeh zn erkennen, da# sieh bei einem Boden laut vor- stehend beschriebenem Stromungsbild die Frage der Flüssigkeits-, Zu-und Abführung g besonders einfach, gestaltenlässt.daes in diesem Falle möglich ist, die Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Ablaufstelle an der innern Begrenzung des Schlitzbodens zuzuführen, was in Fig.3durchdenrin'gsumdie Überlaufkante der Tauehtasse 4 geführten Schirm erreicht wird.
Es ist ganz selbstverständlich, dass die Anordnungbzw.AusrichtungderDurcli- trittsschlitze in dem die RotationderFlüssig- keit bewirkenden Schlitzboden 7 mannigfache Variationen zulä#t, ohne da# sich hierdurch irgendwelche grundsätzlichen Änderungen des dargelegten Arbeitsprinzips ergeben würden.
Wesentlich für die vorstehend aufgezeigte Erkenntnis ist einzig der Umstand, dass bei ent spreehender Tauchung des Schlitzbodens die durch tangentiales Einleiten der Gase in Drehung versetzte Flüssigkeitsschichtals Folge der dadurch ausgelösten Zentrifugalwirkung über den die gewünschte Ausrichtung der Gase bewirkenden Schlitzboden von innen nach aussen wandert und hierbei wahlweise durch entspre chendeAusrichtungdere'inzelnenSchlitzein radialem Sinne beschleunigt bzw. abgebremst werden kann.
Boden gemäss dem soeben entwiekelten Ar beitsprinzip sind infolge ihres geringen Strömungswiderstandes vor allem für solehe Pro zesse geeignet, bei welchen eine möglichst lange Verweilzeit der Flüssigkeit erwiinscht ist, zumal das Flüssigkeitsvolumen auf dem Boden durch entsprechendenAbstand des Auffangbodens 1 vom Schlitzboden 7 in. praltisch h beliebigen Grenzen variiert werden kann.
Aus diesem Grunde lä#t sich die beschriebene Einrichtung auch für Absorptionspro zessemitnur einmaliger Berührung von Gas und Flüssigkeit anwenden, wie dies z. B. für die NH3-Absorption durch Sehwefelsäure zu trifft, wobei in diesem Falle der Auffang- boden l unmittelbar durch den Behälter selbst, unter Einhaltung eines entsprechend hohen Flüssigkeitsspiegels, ersetzt wird.
Für alle direkten Gegenstromprozesse, wie Destillation, Absorption usw., bei welchen normalerweise die üblichenGlockenboden benützt werden, dürfte es dagegen bei grösseren Kolonnendurchmessern zweckmässiger sein, das eingangs ent. wickelte Prinzip auf die für GlockenbodengrösserenDurchmessers seit jeher gebräuchliche Methode einer Untertei- lung des Gasstromes in mehrere Einzelströme anzuwenden.
Der in Fig. 1 bis 4 für Eingloekenboden dargestellte, zur Aufnahme der Flüssigkeits- schicht dienende Auffangboden 1 wird in diesem Falle ersetzt durch dessen bekannte Aus führungsart mit zahlreichen, erhöht über der Bodenebene ausmündenden, kreisrunden Gasaustrittsöffnungen, welche meist in dreieckiger oder quadratiseher Aufteilung gleich- mässig über den Boden verteilt sind.
Die zur Erzielung des beschriebenen Effektes erforderlichen Hohlglocken, welche an ihrem untern Rand in beschriebener Weise umlaufend mit Schrägschlitzen versehen sind, ragen nun, auf der zwischen den Gaskaminen verbleibenden, freien Bodenfläche aufstehend, von oben naeh unten und sind im übrigen ihrerseits an ihrem obern Ende ebenfalls zu einem geschlossenen Boden zusammengefasst, wodurch die notwendige Gasumlenkung auf einfachem Wege erreicht wird.
Die VerwirklichungdieserMöglichkeit ist in Fig. 7 im Prinzip dargestellt. Der Auffangboden ist wiederum mit 1 bezeichnet, in welchem Gaskamine & gebildetsind.Über dem Boden befindet sich ein Hohlglockensystem 2, welches umlaufende Schrägsehlitze a aufweist. Die durchdieKamine & des Auf fangbodens 1 strömenden Gase werden mit Hilfe des darüber befindlichen Hohlglocken- systems umgelenkt.
Das Hohlgloekensystem stellt im Grunde genommen nichts anderes dar als ein mit umgekehrter Richtung und in entsprechend versetzter Aufteilung der Gaskamine angeordneter Auffangboden. Die Gase verlassen die auf dem Auffangboden aufstehenden Ränder der Hohlglocken durch die umlaufenden Schrägschlitze a in tangen tialer Richtung, wodurch der eingangs auf- gezeigte Strömungseffekt abermals gewähr- leistet ist.
Schliesslich ist es auch noch möglich, wie in Fig. 7 gestrichelt angedeutet, den Auffangboden 1 sowie das Hohlglockensystem 2 aus ein und demselben Konstruktionselement herzustellen, womit erreicht wird,, da# die aus den Kaminen austretenden Gase bereits an dieser Stelle durch die schrä geführten Aus trittsschlitze derselben in Rotation versetzt werden. Der damit in der Flüssigkeit erziel- bare, eingangs nachgewiesene Effekt ist in diesem Falle sehr vorteilhaft und erwünscht, da keine Flüssigkeit durch die Kamine abregnen soll.
Die praktische Aujsbildung der vorstehend angegebenen, prinzipiellen Konstruktion eines Kolonnenbodens mit mehreren parallel wirkenden Hohlglocken richtet sich nach den jeweiligen Grö#enverhältnissen bzw. Erfor- dernissen und unterliegt daher zahlreichen Variationen.
Bei der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführung ist der Boden nicht aus einem einzigen Stiiek gebildet, sondern aus einheitlichen und symmetrischen Flächenelementen zusammengesetzt. Die rechte Bodenhälfte B besteht aus dreieckigen Fläehenelementen Fi und die linke Bodenhälfte aus viereekigen Bodenelementen F2, wie dies aus Fig. 9 ersichtlich ist. Die Herstellung von Böden von grösserem Durehmesser wird in dieser Weise ganz besonders vereinfacht.
Es sind nur zwei Modelé von Flächenelementen mit relativ geringen Abmessungen herzustellen, deren entsprechend gegeneinander versetzt angeord- neten Kamine beim Zusammenbau in ge wünschter Weise ineinandergreifen und damit den erforderliehen Tauchverschluss herstellen.
In den Fig. 10 und 11 ist eine Ausfüh- rung gezeigt, bei welcher der Auffang-und Umlenkboden ledigliehausebenenPlatten.ss mit kreisrunden Öffnungen. B1 bestehen, in welche zylindrische Elemente a eingreifen.
Diese weisen an ihrem Mantel einen Ring- vorsprungssauf,welcherdichtend gegen die Platte B zur Auflage kommt. Bei dieser Ausführung kann sowohl das Hohlglockensystem wie auch der Gaskamin aus press-und giess- barem, insbesondere aus keramischem Material und Graphit in einfacher Weise hergestellt werden.
In bezug auf die Anordnung der Flüssig- keitszu- und -abläufe gelten für die zuletzt beschriebene Ausführungsart von Hohlglok- kenböden völlig dieselbenGesichtspunkte,wie diese für den Betrieb von normalen Glocken- böden massgebend sind, indem auch in diesem Falle ein Überstreichen der Flüssigkeit über die gesamte Bodenfläche unter Vermeidung toter Zonen anzustreben ist.
Schliesslieh ist in Fig. 12 und 13 eine Ausführlmg gezeigt, bei welcher der Boden in mehrere konzentrisch ineinander angeordnete Hohlgloeken 2 aufgelöst ist. Zu diesem Zwecke sind Profilringe 2'oder mehreekige Profilelemente 2"vorgesehen, wie dies aus der obern Hälfte A oder untern Hälfte B der Fig. 13 hervorgeht. Die Teile z' bzw. 2'' sind von einer zentral gelagerten, innern Auffang- sehale Sch ausgehend angeordnet und über- greifen einander mit ihren schräg geschlitzten Innenseiten von innen naeh aussen herdringartig.
Gleichzeitig bilden'sie miteinander durch ihre einheitliche Profilgebung einen erforderlichen Tauchverschlu#,
Von dieser letzterwähnten Variante abgesehen, sind natürlich, je naeh den speziellen Erfordernissen,noch.zahlreicheandereVa- riationsmoglichkeiten denkbar. Wichtig ist nur der Umstand,dassdieGase in die innerhalb einer oder mehrerer Hohlgloeken be findlicheFlüssigkeitvonaussennachinnen über einheitlich tangential ausgerichtete. vertikale oder horizontale Schrägschlitze eingeleitet werden.