Einrichtung zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen, mit einer von einer seitlichen Wand umschlossenen rohrförmigen Kammer, die auf einer Seite mit Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit und Gas und auf der anderen Seite mit Mitteln zum Abführen von Flüssigkeit und Gas versehen ist.
Der Ausdruck Gas bezeichnet im folgenden auch Dämpfe.
Eine ähnliche Einrichtung ist bereits 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; hierbei entsteht eine grosse Berührungsfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas; dies ist sehr erwünscht, um die Masslenübertragung zwischen den beiden Phasen zu steigern. Nach der erwünschten Berührung müssen die beiden Phasen wieder getrennt werden. 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.
Bei der bekannten Einrichtung wird die Trennung der Flüssigkeitströpfchen von dem Gas durch die gleiche drehende Bewegung des Gases bewirkt, mittels deren die Flüssigkeitströpfchen erzeugt wurden. Hierbei werden die Tröpfchen nach aussen gegen die Wand der zylindrischen Kammer geschleudert, und die hierbei entstehende Flüssigkeitsschicht kann über Löcher oder Schlitze in der Wand der Kammer abströmen, während das Gas den Zylinder über dessen offenes Ende verlässt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenfläche der Seitenwand mindestens ein Vorsprung vorgesehen ist, und dass in Strömungsrichtung gesehen nach diesem Vorsprung ein Bauteil angeordnet ist, durch den das Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Gas in 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. Hierbei wird der Flüssigkeitsstrom in stärkerem Masse turbulent. Wenn ausserdem ein Gasstrom über die Oberfläche der Flüssigkeit hinwegstreicht, wird die Flüssigkeit längs des Hindernisses nach oben gedrückt, weggeblasen und gleichzeitig zerstäubt.
Bei Kohlenwasserstoffen mit einer Dampfdichte von 4 kg/m3 hat es sich z. B. gezeigt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases von 3 m/s 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 Teils 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.
Hierbei 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 anderen 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 20 S 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 leiner dickeren Flüssigkeitsschicht zu rechnen ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zum Zuführen der Flüssigkeit in der seitlichen Wand eine oder mehrere Öffnungen längs des Umfangs 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 Umfangsabstän- den 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 lerneut zerstäubt.
Aus konstruktiven Gründen ist es vorteilhaft, den die drehende Bewegung des Gemisches aus Flüssigkeitströpfchen und Gas bewirkenden Bauteil als einen durch Leitorgane gebildeten Zwischenboden auszubilden, der gleichachsig mit der seitlichen Wand der rohrförmigen Kammer angeordnet 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 eine möglichst günstige Möglichkeit gehabt haben, in Berührung mitein ander 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 eine Massenübertragung.
In Störungsrichtung gesehen, nach dem z. B. durch Leitorgane gebildeten Boden, befindet sich vorzugsweise 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 Teils der Seitenwand kann die gleiche Form haben wie der vor dem Boden lie gende Teil der Kammer. Jedoch ist es z. B. 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 Flüs sigkeit wird über den Rand seitlich nach aussen geschleudert. Die Flüssigkeit wird aufgefangen und kann durch Leitorgane abgeführt, und zwar zusammen mit dem übrigen Teil der Flüssigkeit in der Kammer, welcher sich bereits in einer seitlichen Richtung bewegt.
Eine überraschend günstige Wirkung dieses Trennvorgangs wird dann erzielt, wenn ausserhalb des von der rohrförmigen Wand umschlossenen Raums auf der Seite, auf welcher der durch Leitorgane gebildete Boden angeordnet ist, beispielsweise ein Ring vorgesehen ist, der an seinem inneren Rand vorzugsweise einen Rohrstutzen trägt, welcher sich rechtwinklig zu dem Ring und gleichachsig mit der rohrförmigen Wand erstreckt, wobei der Rohrstutzen der rohrförmigen Wand zugewandt sein kann, und wobei der Querschnitt des von dem Stutzen umschlossenen Raums eine ähnliche Form haben kann wie der Querschnitt der rohrförmigen Kammer, jedoch kleiner als dieser ist.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen beispielsweisen 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.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, 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 gewählt wird und dass der Abstand zwischen dem unteren Ende des Rohrstutzens und dem ihm gegenüberliegenden Rand der rohrförmigen Seitenwand vorzugsweise im Bereich vom 0,ifa- chen bis zum 0,4fachen des Durchmessers des rohrförmigen Behälters liegen soll. 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 der Mas sen- oder Stoffübertragung.
Man kann mehrere erfindungsgemässe Einrichtungen parallel geschaltet 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 Säule aus erfindungsgemässen Einrichtungen aufzubauen, die gleichachsig hintereinandergeschaltet sind, so dass das Gas jeweils der nächsten Stufe und die Flüssigkeit - jeweils der vorangehenden Stufe zugeführt wird. Vom Austritt der Flüssigkeit aus einer rohrförmigen Kammer bis zum Eintritt in eine solche Kammer auf der vorangehenden Stufe strömt die Flüssigkeit im Gegenstrom zum Gas. Während der intensiven Berührung von Flüssigkeit und Gas innerhalb jeder Kammer fliesst die Flüssigkeit jedoch im Gleichstrom zum Gas.
Ferner ist es möglich, eine Säule dieser Art aufzubauen, die mehrere Platten oder Böden umfasst, zwischen denen erfindungsgemässe Einrichtungen parallel geschaltet sind.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch eine Einrichtung zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen.
Fig. 2 zeigt die Einrichtung nach Fig. 1 in einem Querschnitt längs der Linie A-A sowie längs der Linie B-B in Fig. 1.
Fig. 3 ist eine teilweise geschnitten gezeichnete perspektivische Darstellung einer solchen 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 hierbei 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. Wegen der dadurch bewirkten drehenden Bewegung des Gemisches werden die Flüssigkeitströpfchen seitlich nach aussen geschleudert.
Das Gas kann die Einrichtung über den Rohrstutzen 7 in Richtung des Pfeils 11 verlassen. Der Rohrstutzen 7 ist in einen Ring 8 eingebaut, und der Durchmesser des Rohrstutzens ist kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Kammer 1. Die Flüssigkeit wird zwischen dem Rohrstutzen 7 und einer zylindrischen Wand 9 gesammelt, wobei sie auf den Ring 8 trifft, um dann längs der Innenfläche der Wand 9 und über die Oberkante der Wand 1 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 werlaufenden 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 solchen Einrichtung veranschaulichen.
Nachstehend werden einige Ergebnisse behandelt, die mit Hilfe einer beispielsweisen Einrichtung erzielt wurden.
Es wurde ein Turm aufgebaut, der vier beispielsweise 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 FWüssigkeitszufüh- rungsschlitzen betrug 31 cm. Längs einer Strecke von 7,5 cm jenseits des Flüssigkeitszuführungsschlitzes 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 Neigungswinkel 300 betrug.
Der Abschnitt des Zylinders jenseits dieses Zwischenbodens hatte eine Länge von 8 cm; 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 aufrechtstehenden Anordnung gearbeitet, und die Flüssigkeit strömte jeweils unter der Wirkung der Schwerkraft zu der vorangehenden Einrichtung zurück.
Versuche wurden unter atmosphärischem Druck bei einem vollständigen Rückfluss mit einem Gemisch aus Benzol und Toluol im Mischungsverhältnis von 50 zu 50 Volumenprozent sowie mit einem ähnlichen Gemisch aus n-Heptan und Toluol durchgeführt. Der Durchflussparameter betrug 0,06, und der Dampfbelastungsfaktor variierte zwischen 0,3 und 0,7 m/s.
Bei diesen Versuchen zeigte es sich, dass die Menge der von dem Gas zur nächstfolgenden Stufe mitgerissenen Flüssigkeit bezogen auf die Rückflussmenge stets weniger als 1% betrug. Der Druckabfall je Meter der Kolonnenhöhe betrug 44 cm Wassersäule für die Versuche mit dem Benzol-Toluolgemisch und 52 cm Was sersäule für das Gemisch aus n-Heptan und Toluol bei einem Dampfbelastungsfaktor von 0,7 m/s.
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-Toluol-Gemisch 1,2 bis 1,5 und für das Gemisch aus n-Heptan und Toluol 0,9 bis 1,3 bei Dampfbelastungsfaktoren von 0,3 bis 0,7 m/s.