Stoffaustauschkolonne Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschko- lonne, die von einer Flüssigkeit und einem gas- oder dampfförmigen Mittel durchsetzt wird, mit vertikalen, lückenlos nebeneinanderliegenden Strömungskanälen.
In derartigen Stoffaustauschkolonnen kann zum Beispiel Destillation oder Rektifikation oder aber Extraktion (Absorption) etwa einer Komponente aus einem gasförmigen Gemisch mittels einer fremden, in Stoffaustausch mit dem Gemisch stehenden Ab trennflüssigkeit (Extraktions- oder Absorptionsflüs sigkeit) oder aber eine Abtrennung isotoper Elemente aus einem Stoff auf Grund einer chemischen Aus tauschreaktion vorgenommen werden, zum Beispiel die Trennung von Deuterium und- Wasserstoff.
Die Trennung von mit verschiedenen Isotopen gebildeten Molekülen, beispielsweise von schwerem und leich tem Wasser, lässt sich selbstverständlich ebenfalls in derartigen Austauschkolonnen durchführen.
Es ist das Ziel der Erfindung, die Wirksamkeit der bekannten Kolonnen mit vertikalen, lückenlos nebeneinanderliegenden Strömungskanälen zu ver bessern, d. h. einen hohen Trenneffekt herbeizufüh ren. Um mit den bekannten Kolonnen einen guten Trenneffekt eines Stoffgemisches zu realisieren, ist es wesentlich, dass die in die parallelen Kanäle ein gespeisten Flüssigkeits- und Dampfmengen unterein ander keine zu starken Streuungen aufweisen.
Da Streuungen jedoch bei den bekannten Kolonnen prak tisch nicht vermeidbar sind oder nur mit hohem apparativem Aufwand relativ klein gehalten werden können, ist eine wesentliche Verschlechterung der Wirksamkeit der Kolonnen und damit des Trenn effektes des Stoffgemisches die Folge.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei derartigen Kolonnen, deren Stoffaustauschteil aus vertikalen, lückenlos nebeneinanderliegenden Strömungskanälen besteht, nur dann eine Erhöhung des Trenneffektes gegenüber bekannten Kolonnen erreicht werden kann,
wenn innerhalb der einzelnen Kanäle für eine möglichst gute Flüssigkeitsverteilung und sowohl innerhalb -der Kanäle als aber auch über den gesamten Kolonnenquerschnitt für eine möglichst gleichmässige Verteilung und Vermischung des gas- oder dampfförmigen Mittels gesorgt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss so gelöst, dass die Strömungskanäle mit Füllkörpern aufgefüllt sind und die Begrenzungswände der Strömungska näle öffnungen für eine Verteilung des gas- oder dampfförmigen Mittels über den Kolonnenquerschnitt aufweisen, während die Flüssigkeit oben einmal auf die Kanäle verteilt wird und in den ihr zugeteilten Kanälen nach unten strömt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, d'ass die Begrenzungswände der Strö- mung5kanäle von mindestens einem Einbauelement mit wabenförmiger Struktur gebildet werden, wobei die die Strömungskanäle bildenden Waben eine recht eckige Form besitzen, und in den Strömungskanälen als Füllkörper jeweils mindestens zwei Packungs körper übereinander angeordnet sind, deren Abmes sungen dem Querschnitt der Strömungskanäle ange passt sind, wobei die Packungskörper aus Lamellen bestehen, die mindestens zum Teil geriffelt sind, und,
wobei weiterhin die senkrechten Stellungen der La mellen übereinander angeordneter Packungskörper um 90 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Vor- teilhaft bestehen hierbei die Packungskörper aus einander berührenden geriffelten Lamellen, wobei die Riffelungen von benachbarten Lamellen ver schiedene Richtungen haben und mindestens die Rif felung einer von zwei benachbarten Lamellen im Winkel zur Kolonnenachse liegt.
Die Packungskörper können aber auch derart ausgebildet sein, d.ass zwi- scheu je zwei geriffelten Lamellen eine ungeriffelte Lamelle angeordnet ist.
Weitere Merkmale ergeben sich anhand: der in den Zeichnungen dargestellten und im folgenden er läuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Rektifizierkolonne, die beispielsweise zur Trennung von leichtem und schwerem Wasser dienen kann, während, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Kolonne längs der Schnittlinie II-II der Fig. 1 zeigt.
In Fig. 3 sind perspektivisch die einzelnen La mellen eines als Füllkörper dienenden Packungs körpers dargestellt.
Die Fig.4 zeigt einen Ausschnitt einer Rektifi- zierkolonne, bei der zwischen zwei Stoffaustauschab- schnitten ein Mischraum angeordnet ist.
Die in der Fig. 1 dargestellte Rektifizierkolonne 1 besitzt einen quadratischen Querschnitt (vgl. Fig. 2) und dient zur Durchführung einer Blasenrektifika tion. Das zu rektifizierende Gemisch befindet sich im Bodenteil der Kolonne und wird mittels einer Heizungseinrichtung, von der die Heizschlange 2 dargestellt ist, verdampft.
Das dampfförmige Ge misch durchströmt den erfindungsgemäss ausgebilde ten Stoffaustauschteil 3 der Kolonne, der im folgen den noch näher erläutert wird, und tritt hierin mit der die Strömungskanäle 4 herabströmenden Flüssig keit in Stoffaustausch. Das dampfförmige Kopfpro dukt, bei Rektifikation die leichter flüchtige Kompo nente des Gemisches, verlässt die Kolonne durch eine Leitung 5 und wird in einem Rücklaufkondensator 6 verflüssigt.
Ein Teil des Kondensats wird durch eine Leitung 7 in den Kopfteil 8 der Kolonne als Rücklauf zurückgeführt, während ein anderer Teil des Kon densats über eine Leitung 9 entnommen werden kann.
Aus dem Kopfteil 8 wird der Rücklauf dosiert, z. B. über eine aus Kapillaren 10 bestehende Ver- teilvorrichtung, auf den Querschnitt der einzelnen Strömungskanäle aufgegeben.
Die Strömungskanäle werden von einem Einbau element 11 mit wabenförmiger Struktur gebildet, wobei die die Strömungskanäle bildenden Waben 4 quadratisch sind und die Wabenwände Öffnungen 12 aufweisen, deren Verteilung und Anzahl so gewählt wird, dass eine gleichmässige Verteilung des dampf- förmigen Mittels über den Kolonnenquerschnitt er folgen kann. Bei einem Öffnungsdurchmesser von einigen Millimetern, z.
B. etwa 2 mm, wird vermie den, dass sich die Öffnungen mit Flüssigkeit vollsau gen können, was in diesem Fall einen Gasdurchtritt verhindern, zumindest erschweren würde.
Das Einbauelement kann aus Blech, aber auch aus einem anderen Material, wie z. B. Kunststoff, bestehen. In den die Strömungskanäle bildenden Wa ben sind als Füllkörper Packungskörper 13 über einander angeordnet, deren Abmessungen dem Quer schnitt der Waben angepasst sind. Die Packungskör per bestehen im Ausführungsbeispiel, wie in Fig.3 perspektivisch dargestellt wird, aus geriffelten La mellen 14, die einander berühren, wobei die Riffe lungen von benachbarten Lamellen verschiedene Richtungen haben.
Die Packungskörper, deren La mellen zur Herbeiführung einer guten Gasverteilung über den Querschnitt des Packungskörpers gelocht sind und die aus Metall, aus Kunststoff, vorzugsweise aus einem selbstbenetzenden Material mit Gewebe struktur, ausgeführt werden, weisen ausser einem ge ringen Druckabfall eine sehr gute Verteilwirkung der in Kontakt miteinander zu bringenden Flüssigkeit mit dem dampfförmigen Mittel auf, wodurch eine hohe Bodenzahl erreicht wird und somit die Ko lonnenhöhe reduziert werden kann. In konstruktiver Hinsicht sind die Packungskörper ausserdem einfach herstellbar.
Wie experimentelle Ergebnisse zeigen, kann der Durchmesser eines derartigen Packungskörpers nicht beliebig gross gemacht werden unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der angegebenen guten Eigenschaf ten. Wenn z. B. eine Kolonne mit einem Durchmesser von 100 cm von Packungskörpern mit gleichen Ab messungen aufgefüllt wird, so zeigen diese Packungs körper nicht mehr eine ausreichend gute Verteil- wirkung der Flüssigkeit, so dass die mit der Erfindung angestrebten Ziele nicht mehr erreicht werden:.
Teilt man hingegen eine Kolonne von einem Durchmesser von 100 cm in 25 bis 100 Strömungskanäle auf, so ,dass zur Auffüllung der Kanäle Packungskörper von 10 bis 20 cm Durchmesser erforderlich werden, wird bei gleichmässiger Aufgabe der Flüssigkeit am Kopf der Kolonne auf die Querschnitte der die Kanäle füllenden Packungskörper erreicht, dass die Flüssig keit die Kolonne in senkrechter Richtung von oben nach unten durchströmt, wobei sie sich über das Volumen der einzelnen Packungskörper gleichmässig verteilt und vermischt, ohne jedoch durch die Be grenzungswände der Kanäle hindurchzuströmen.
Wie aus den Fig. 1 und 2 des Ausführungsbei spiels ersichtlich, sind die Packungskörper hinsicht lich der Richtung ihrer Lamellen gegeneinander um 90 versetzt angeordnet, um die Verteilwirkung der Flüssigkeit über dien Querschnitt der einzelnen Ka näle weiter zu verbessern. In den Fig. 1 und 2 sind einfachheitshalber nur die Richtungen der Lamellen ebenen angegeben, während tatsächlich die Lamellen:, wie aus Fig. 3 hervorgeht, geriffelt sind.
Das im Bodenteil der Kolonne verdampfte Ge misch, welches die Kolonne von unten nach oben durchsetzt, kann sich jedoch auf Grund der in den Wabenwänden angeordneten Öffnungen über den ge samten Kolonnenquerschnitt verteilen.
In konstruktiver Hinsicht wird die Herstellung des in den Zeichnungen dargestellten Stoffaustauschteiles äusserst einfach. Zweckmässig kann zunächst eine vertikale Lage dier Waben hergestellt werden und in ,diese die Packungskörper eingelegt werden, sodann wird die nächste Lage an die erste angefügt, bei spielsweise bei Metallstruktur angeschweisst. Nun wird die nächste Schicht Packungskörper eingelegt, und so fort. Bei Verwendung anderer Füllkörper, beispielsweise Raschig-Ringe, werden hingegen die Füllkörper in die fertige, in die Kolonne eingefügte Wabenstruktur eingefüllt.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einer Stoffaus tauschkolonne 20, beispielsweise einer Rektifizier kolonne, dargestellt, in welcher das zu rektifizierend dampfförmige Gemisch in einen Zwischenraum 21 zwischen zwei erfindungsgemäss ausgebildeten; Stoff austauschabschnitten 22 und 23 über eine Leitung 24 in die Kolonne eingespeist wird. Die Stoffaus tauschabschnitte sind hierbei analog der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ausgebildet.
Das heisst, die Einbauelemente besitzen einen quadra tischen Querschnitt, der in diesem Fall allerdings nicht mit dem Querschnitt des Kolonnenmantels übereinstimmt. Die Einbauelemente sind am Ko lonnenmantel 25 befestigt.
Grundsätzlich kann der Stoffaustauschteil einer Kolonne aus mehreren durch freie Zwischenräume voneinander getrennte Austauschabschnitte unterteilt sein. In den Zwischenräumen kann dann eine zu sätzliche Vermischung des dampfförmigen Mittels erfolgen, wobei vorteilhaft die mit ihrer Oberseite an einen Zwischenraum angrenzenden Packungs körper derart ausgebildet sind, :dass zwischen je zwei geriffelten Lamellen eine urigeriffelte Lamelle ange ordnet ist.
Hierdurch wird der in den Zwischenraum austretenden Strömung des Dampfes eine seitliche Komponente aufgezwungen und die Mischung der aus den einzelnen Kanälen austretenden Dampfströme durch eine Verwirbelung verbessert.
Durch eine zackenförmige Ausbildung der Unter seite der Lamellen der an einen Zwischenraum an grenzenden Packungskörper wird erreicht, dass die Flüssigkeit in gleichmässiger Verteilung durch den Zwischenraum auf den Querschnitt der Packungs körper in den darunter befindlichen Strömungska nälen aufgegeben wird.
In denjenigen Fällen, wo Füllkörper anderer Art, wie z. B. Raschig-Ringe, verwendet werden, wird zweckmässig jeder Stoffaustauschabschnitt an seiner oberen Seite mit einem Rost mit schräggestellten Leitelementen abgedeckt.
An ihrer Unterseite sind die Stoffaustauschabschnitte in diesem Fall von einem Tragrost abgeschlossen, der zweckmässig der- art ausgebildet ist, dass eine gleichmässige Flüssig keitsaufgabe auf die unterhalb des Zwischenraumes sich befindenden Querschnitte der Strömungskanäle erfolgt.
Mass transfer column The invention relates to a mass transfer column through which a liquid and a gaseous or vaporous medium pass, with vertical flow channels lying next to one another without gaps.
In such mass transfer columns, for example, distillation or rectification or extraction (absorption) of a component from a gaseous mixture by means of a foreign separating liquid (extraction or absorption liquid) that is in substance exchange with the mixture, or a separation of isotopic elements from a substance be made on the basis of a chemical exchange reaction, for example the separation of deuterium and hydrogen.
The separation of molecules formed with different isotopes, for example heavy and light water, can of course also be carried out in such exchange columns.
It is the aim of the invention to improve the effectiveness of the known columns with vertical, seamlessly adjacent flow channels, d. H. A high separation effect. In order to achieve a good separation effect of a mixture of substances with the known columns, it is essential that the quantities of liquid and steam fed into the parallel channels do not vary too widely.
However, since scattering in the known columns is practically unavoidable or can only be kept relatively small with a high outlay on equipment, the result is a substantial deterioration in the effectiveness of the columns and thus the separation effect of the mixture of substances.
The invention is based on the knowledge that in such columns, the mass transfer part of which consists of vertical, seamlessly adjacent flow channels, an increase in the separation effect compared to known columns can only be achieved,
if the best possible liquid distribution is ensured within the individual channels and the gaseous or vaporous agent is distributed and mixed as uniformly as possible both within the channels and over the entire column cross-section.
This object is achieved according to the invention in such a way that the flow channels are filled with fillers and the boundary walls of the flow channels have openings for a distribution of the gaseous or vaporous agent over the column cross-section, while the liquid is distributed over the top of the channels and in those allocated to it Channels flowing down.
An advantageous embodiment of the invention consists in that the boundary walls of the flow channels are formed by at least one built-in element with a honeycomb structure, the honeycombs forming the flow channels being rectangular in shape, and at least two packing bodies in each of the flow channels as fillers are arranged one above the other, the dimensions of which are adapted to the cross section of the flow channels, the packing bodies consisting of lamellae which are at least partially corrugated, and
furthermore, the vertical positions of the lamellae of packing bodies arranged one above the other are offset by 90 relative to one another. Advantageously, the packing bodies consist of corrugated lamellae touching one another, the corrugations of adjacent lamellae having different directions and at least the corrugation of one of two adjacent lamellae is at an angle to the column axis.
The packing bodies can, however, also be designed in such a way that one non-corrugated lamella is arranged between every two corrugated lamellae.
Further features emerge from: the exemplary embodiments of the invention shown in the drawings and explained below.
FIG. 1 shows a longitudinal section through a rectifying column which can be used, for example, to separate light and heavy water, while FIG. 2 shows a cross section through the column along section line II-II of FIG.
In Fig. 3, the individual lamellae of a packing body serving as a filler are shown in perspective.
FIG. 4 shows a section of a rectification column in which a mixing space is arranged between two mass transfer sections.
The rectifying column 1 shown in FIG. 1 has a square cross section (see FIG. 2) and is used to carry out a bubble rectification. The mixture to be rectified is located in the bottom part of the column and is evaporated by means of a heating device, of which the heating coil 2 is shown.
The vaporous Ge mixture flows through the inventively formed th mass transfer part 3 of the column, which will be explained in more detail in the following, and occurs here with the liquid flowing down the flow channels 4 in mass transfer. The vaporous head product, which is the more volatile component of the mixture in rectification, leaves the column through a line 5 and is liquefied in a reflux condenser 6.
Part of the condensate is returned as reflux through a line 7 into the head part 8 of the column, while another part of the condensate can be removed via a line 9.
From the head part 8, the return is metered, for. B. via a distribution device consisting of capillaries 10, applied to the cross section of the individual flow channels.
The flow channels are formed by a built-in element 11 with a honeycomb structure, the honeycombs 4 forming the flow channels being square and the honeycomb walls having openings 12, the distribution and number of which is chosen so that a uniform distribution of the vaporous agent over the column cross-section can follow. With an opening diameter of a few millimeters, e.g.
B. about 2 mm, will avoid the fact that the openings can Vollsau conditions with liquid, which in this case would prevent gas passage, or at least make it more difficult.
The mounting element can be made of sheet metal, but also of another material, such as. B. plastic exist. In the Wa ben forming the flow channels, packing bodies 13 are arranged one above the other as fillers, the dimensions of which are adapted to the cross-section of the honeycomb. The Packungskör by consist in the embodiment, as shown in perspective in Figure 3, of corrugated lamellae 14 that touch each other, the reef lungs of adjacent lamellae have different directions.
The packing bodies, the lamellae of which are perforated to achieve good gas distribution over the cross section of the packing body and which are made of metal, plastic, preferably a self-wetting material with a fabric structure, have a very good distribution effect of the in Liquid to be brought into contact with one another with the vaporous medium, whereby a high number of plates is achieved and thus the height of the column can be reduced. In terms of construction, the packing bodies are also easy to manufacture.
As experimental results show, the diameter of such a packing body can not be made arbitrarily large while maintaining the specified good properties. If, for example, a column with a diameter of 100 cm is filled with packing bodies with the same dimensions, then these packing bodies no longer show a sufficiently good distribution effect of the liquid, so that the aims pursued by the invention are no longer achieved.
If, on the other hand, a column with a diameter of 100 cm is divided into 25 to 100 flow channels, so that packing bodies with a diameter of 10 to 20 cm are required to fill the channels, with uniform application of the liquid at the top of the column to the cross-sections of the The packing element filling channels ensures that the liquid flows through the column in a vertical direction from top to bottom, where it is evenly distributed and mixed over the volume of the individual packing elements, but without flowing through the boundary walls of the channels.
As can be seen from Figs. 1 and 2 of the Ausführungsbei game, the packing bodies are arranged offset Lich the direction of their lamellae from each other by 90 to further improve the distribution of the liquid over the cross-section of the individual channels. In Figs. 1 and 2, for the sake of simplicity, only the directions of the lamellae are indicated, while in fact the lamellae are corrugated, as can be seen from FIG.
The mixture evaporated in the bottom part of the column, which passes through the column from bottom to top, can, however, be distributed over the entire column cross-section due to the openings arranged in the honeycomb walls.
In terms of construction, the manufacture of the mass transfer part shown in the drawings is extremely simple. Appropriately, a vertical layer of the honeycombs can first be produced and the packing bodies inserted into these, then the next layer is attached to the first, for example welded on in the case of a metal structure. Now the next layer of packing body is inserted, and so on. When using other packing elements, for example Raschig rings, on the other hand, the packing elements are filled into the finished honeycomb structure inserted into the column.
4 shows a section of a material exchange column 20, for example a rectifying column, in which the vaporous mixture to be rectified in an intermediate space 21 between two formed according to the invention; Substance exchange sections 22 and 23 is fed via a line 24 into the column. The Stoffaus exchange sections are designed analogously to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
This means that the built-in elements have a square cross-section, which in this case does not, however, match the cross-section of the column jacket. The built-in elements are attached to the column jacket 25.
In principle, the mass transfer part of a column can be divided from several exchange sections separated from one another by free spaces. Additional mixing of the vaporous agent can then take place in the intermediate spaces, with the packing bodies adjoining an intermediate space with their upper side advantageously being designed in such a way that a rustic ribbed lamella is arranged between each two corrugated lamellae.
As a result, a lateral component is imposed on the flow of steam emerging into the space and the mixing of the steam flows emerging from the individual channels is improved by turbulence.
A serrated design of the underside of the lamellae of the packing body adjoining an interspace ensures that the liquid is evenly distributed through the interspace onto the cross section of the packing body in the flow channels below.
In those cases where packing of another type, such as. B. Raschig rings are used, each mass transfer section is expediently covered on its upper side with a grate with inclined guide elements.
In this case, the mass transfer sections are closed off on their underside by a support grid which is expediently designed in such a way that a uniform liquid is applied to the cross-sections of the flow channels located below the gap.