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PATENTANSPRÜCHE
1. Stoffaustauschkolonne, welche derart ausgebildet ist, dass sie im Gegenstrom von einer kontinuierlichen und mindestens einer dispersen Phase durchströmt werden kann, wobei in der Kolonne Einbauelemente angeordnet sind, die aus parallel zur Kolonnenachse liegenden, sich berührenden, Strömungskanäle bildenden Lamellen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kolonne zwei verschiedene Ausgestaltungsformen von Einbauelementen eingesetzt sind, wobei eine erste Ausgestaltungsform ausschliesslich aus geriffelten Lamellen besteht, wobei die Riffelungen einen Winkel gegen die Kolonnenachse einschliessen und die Riffelungen benachbarter Lamellen sich kreuzen und eine zweite Ausgestaltungsform, die sowohl Lamellen aufweist, deren Riffelungen einen Winkel gegen die Kolonnenachse einschliessen,
als auch ebene Zwischenbleche von der gleichen Flächengrösse wie die geriffelten Lamellen.
2. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausgestaltungsform aus Lamellen mit sich kreuzenden Riffelungen besteht, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Lamellen ein ebenes Zwischenblech angeordnet ist.
3. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausgestaltungsform aus jeweils zwei Gruppen von Lamellen mit paralleler Riffelrichtung mit ebenen Zwischenblechen besteht, wobei sich jeweils die Riffelungen der einen Gruppe mit den Riffelungen der anderen Gruppe kreuzen.
4. Stoffaustauschkolonne nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Ausgestaltungsformen von Einbauelementen längs der Kolonnenachse entweder abwechselnd einzeln oder gruppenweise abwechselnd angeordnet sind.
5. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in der Kolonne eingesetzten Einbauelemente der ersten Ausgestaltungsform nicht identisch mit der Anzahl der Einbauelemente der zweiten Ausgestaltungsform ist.
Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne, welche derart ausgebildet ist, dass sie im Gegenstrom von einer kontinuierlichen und mindestens einer dispersen Phase durchströmt werden kann, wobei in der Kolonne Einbauelemente angeordnet sind, die aus parallel zur Kolonnenachse liegenden, sich berührenden, Strömungskanäle bildenden Lamellen bestehen.
Aus der CH-PS 398 503 sind Stoffaustauschkolonnen bekannt, in welchen gleichartig ausgebildete Einbauelemente angeordnet sind.
Hierbei weisen die Lamellen eines jeden Einbauelementes eine Riffelung auf, welche die Strömungskanäle bildet, wobei die Riffelung eine wellen- oder zickzackförmige Kontur aufweisen kann. Die bekannten Einbauelemente werden vorzugsweise in Rektifikationskolonnen eingesetzt, wobei die flüssige Phase als Film über die Lamellenoberflächen abwärts und die aufwärtsströmende gasförmige Phase das freie Lückenvolumen des Einbauelementes ausfüllt.
Es handelt sich hierbei um einen Stoffaustausch zwischen zwei kontinuierlich strömenden Phasen.
In der genannten Patentschrift wird erwähnt, dass im Falle eine Oberflächenvergrösserung erwünscht ist, in den Einbauelementen zwischen je zwei geriffelten Lamellen eine ungeriffelte Lamelle eingeschoben werden kann. In diesem Falle ist die Grösse der ungeriffelten Lamellen mit derjenigen der geriffelten Lamellen identisch, d. h. sie decken sich gegenseitig vollständig ab.
Im Gegensatz hierzu spielt eine Oberflächenvergrösserung der Einbauelemente bei Stoffaustauschverfahren, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben sind, keine Rolle.
Die Erfindung bezieht sich hiernach auf eine Stoffaustauschkolonne, die derart ausgebildet ist, dass in ihr mindestens eine disperse Phase mit einer kontinuierlichen Phase in Kontakt gebracht werden kann.
Es kann sich hierbei um Extraktions- oder Absorptionskolonnen handeln, wobei entweder eine kontinuierlich die Einbauelemente abwärts bzw. aufwärtsdurchströmende flüssige Phase, welche das freie Lückenvolumen zwischen den Lagen eines Einbauelementes ausfüllt, mit mindestens einer die Zwischenräume der Lagen, d. h. die Strömungskanäle aufwärts bzw. abwärtsdurchströmenden, dispersen Phase in Kontakt gebracht wird.
Bei zwei dispersen Phasen kann es sich beispielsweise um ein unlösliches Gemisch von Dampf- bzw. Gasblasen und Flüssigkeitströpfchen handeln.
Bei Absorptionsverfahren, bei denen die disperse Phase dampf- bzw. gasförmig vorliegt, steigen die Dampf- bzw.
Gasblasen innerhalb der Strömungskanäle senkrecht auf.
Bei einer Flüssig-Flüssig-Extraktion steigt die flüssige Phase in Tröpfchenform aufwärts, falls sie leichter als die kontinuierliche Phase ist, bzw. sinkt nach unten, falls sie schwerer als die kontinuierliche Phase ist.
Wendet man die bekannten Einbauelemente, bei welchen sich die Strömungskanäle von jeweils zwei benachbarten Lamellen gegeneinander offen kreuzen, bei Extraktions- bzw.
Absorptionsverfahren an, so stellt man fest, dass die Querverteilung der dispersen Phase ungenügend ist, weil die disperse Phase die Einbauelemente nicht in der gewünschten Kanalrichtung, sondern, den Auftriebskräften gehorchend, mehrheitlich in direkter vertikaler Linie durchströmt.
Eine Folge davon besteht darin, dass die Verweilzeit der Tröpfchen bzw. Blasen in dem Einbauelement wegen überlagerter Zirkulationsströmungen zu kurz ist und dadurch die Stoffaustauschwirkung herabgesetzt wird, d. h. es braucht zur Einstellung der gewünschten Reinheit eine relativ grosse Anzahl von Einbauelementen und damit eine grosse Kolonnenhöhe, was wirtschaftlich unter Umständen kaum tragbar ist.
In Kolonnen mit grossem Durchmesser ist es unmöglich, eine absolut gleichmässige Vorverteilung der dispersen Phase zu erreichen. Lokale Ansammlungen der dispersen Phase bewirken jedoch die Ausbildung von grossräumigen Zirkulationsströmungen, welche die Wirksamkeit der Kolonne durch Rückvermischung stark herabsetzen können.
Würde man ausschliesslich die mit Zwischenblechen ausgerüsteten bekannten Einbauelemente verwenden, könnte wegen eines nur ungenügenden Konzentrationsausgleiches der dispersen Phase bzw. Phasen über den Kolonnenquerschnitt die erforderliche Trennwirkung nicht erreicht werden.
Die Aufteilung der Tropfen bzw. Blasen geschieht bevorzugt an den Kreuzungsstellen der gegeneinander offenen Lamellen. Anderseits sammelt sich die aufsteigende disperse Phase, wenn sie zu lange in einem geneigten Kanal strömt, in dessen oberem Teil und koalesziert. Dadurch würde die Stoffaustauschfläche in einer Kolonne mit ausschliesslich, mit Zwischenblechen ausgerüsteten Einbauelementen herabgesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stoffaustauschteil von Kolonnen, in welchen die im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Verfahren durchgeführt werden sollen, derart auszubilden, dass sowohl eine gute Quervertei
lung der dispersen Phase über den Kolonnenquerschnitt, eine Koaleszenz und erneute Dispersion der Blasen oderiund Tröpfchen der dispersen Phase-erreicht und eine unerwünschte Rückvermischung der kontinuierlichen Phase über die Kolonnenhöhe vermieden wird.
Im weiteren soll der Aufwand für die Erstverteilung der dispersen Phase mit einem Verteiler gering gehalten werden, was eine leistungsfähige Querverteilung in den Einbauelementen bedingt.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass in der Kolonne zwei verschiedene Ausgestaltungsformen von Einbauelementen eingesetzt sind, wobei eine erste Ausgestaltungsform ausschliesslich aus geriffelten Lamellen besteht, wobei die Riffelungen einen Winkel gegen die Kolonnenachse einschliessen und die Riffelungen benachbarter Lamellen sich kreuzen undeine zweite Ausführungsform, die sowohl Lamellen aufweist, deren Riffelungen einen Winkel gegen die Kolonnenachse einschliessen als auch ebene Zwischenbleche von der gleichen Flächengrösse wie die geriffelten Lamellen.
Gemäss einem Ausführungsbeispiel, welches sich insbesondere für kleinere Kolonnen eignet, besteht die zweite Ausgestaltungsform der Einbauelemente aus Lamellen mit sich kreuzenden Riffelungen, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Lamellen ein ebenes Zwischenblech angeordnet ist und die Elemente übereinander mit um 90" verdrehter Lamellenrichtung angeordnet sind.
Für Kolonnen mit einem grösseren Durchmesser ist es von besonderem Vorteil, die zweite Ausgestaltungsform der Einbauelemente derart auszubilden, dass jeweils zwei Gruppen von Lamellen mit paralleler Riffelrichtung mit ebenen Zwischenblechen angeordnet sind, wobei jeweils die Riffelungen der einen Gruppe mit den Riffelungen der anderen Gruppe sich kreuzen.
Die Erfindung ermöglicht es, die vorstehend beschriebene Aufgabe mit Hilfe einer Kombination von zwei Ausgestaltungsformen von Einbauelementen mit unterschiedlicher Wirkungsweise zu lösen. So dienen die Einbauelemente mit Zwischenblechen für den Quertransport der dispersen Phase und zur Unterdrückung der axialen Vermischung, während die Einbauelemente ohne Zwischenbleche für die Aufrechterhaltung der Dispersion und des Stoffaustausches sorgen.
Von besonderem Vorteil ist die Anwendung der Erfindung auf Kolonnen mit grossen Durchmesser. Da aus fabrikatorischen Gründen die Höhe eines Einbauelementes nicht beliebig gross gewählt werden kann, das Verhältnis dieser Höhe zum Durchmesser eines Einbauelementes aber massgebend für die Querverteilung der dispersen Phase ist, können mehrere Einbauelemente der zweiten Ausgestaltungsform gleichgerichtet übereinander in der Kolonne eingesetzt werden.
Die disperse Phase kann mit Hilfe einer beliebigen Verteilvorrichtung auf den unteren bzw. oberen Kolonnenquerschnitt aufgegeben werden.
Bei kleinerem Kolonnenquerschnitt kann die disperse Phase beispielsweise strahlförmig zugeführt werden, während man bei grossen Kolonnendurchmessern zweckmässig zum Beispiel einen Rohrverteiler mit Lochungen oder einen Siebboden verwendet.
Jedoch kann aus Fertigungsgründen ein Verteiler nicht beliebig fein unterteilt sein. Daher wird man vorteilhaft bei Kolonnen mit grossem Durchmesser ober- bzw. unterhalb der Verteilvorrichtung Einbauelemente einsetzen, wie sie in dem Kennzeichen des Anspruchs 3 beschrieben sind.
Diese Ausführungsform ermöglicht den Bereich der einzelnen Querströme entsprechend der gewünschten Querverteilung im Stoffaustauschteil der Kolonne festzulegen.
Die Erfindung ist nicht an eine bestimmte Reihenfolge bezüglich der Anordnung der beiden Typen von Einbauelementen gebunden.
Die Anordnung dieser verschiedenen Einbauelemente kann entsprechend dem in einer Kolonne durchzuführenden Prozess angepasst werden.
So kann es beispielsweise zweckmässig bzw. sogar erforderlich sein, Einbauelemente nicht nur am Eintritt der dispersen Phase in den Stoffaustauschteil anzuordnen, sondern auch im Bereich des Stoffaustauschteiles zwischen Einund Austritt der beiden Phasen. Dieses ist dann vorteilhaft, wenn eine erneute Querverteilung der dispersen Phase erforderlich erscheint.
Hierdurch werden übliche Zwischen sammler und -verteiler oder die Belastung begrenzende Siebböden überflüssig, und die Höhe des Stoffaustauschteiles kann unter Umständen erheblich reduziert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Teil-Längsschnitt durch eine Kolonne mit sieben Einbauelementen, die Fig. la und lb zeigen vergrösserte Teilquerschnitte durch die in Fig. 1 angeordneten Einbauelemente.
In Fig. 2 ist in einem Teil-Längsschnitt schematisch der untere Teil einer Kolonne mit einer gegenüber Fig. 1 varianten Ausführungsform von Einbauelementen dargestellt.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen perspektivische Darstellungen von drei verschiedenen Einbauelementen.
Der in Fig. 1 dargestellte Teilabschnitt einer Kolonne 1 zeigt den Einbau von sieben übereinander angeordneten Einbauelementen 2 und 3. Bei den Einbauelementen 2 handelt es sich, wie auch Fig. 1 a und Fig. 3 zeigen, um Einbauelemente, die aus geriffelten Lamellen 2' bestehen, wobei die Riffelungen 2" Strömungskanäle 2"' bilden und zwischen je zwei geriffelten Lamellen 2', deren Riffelungen 2" sich kreuzen, ebene Zwischenbleche 21V eingeschoben sind.
In Fig. 3 ist die Höhe des Einbauelementes 2 mit H und der Durchmesser mit D bezeichnet.
Die Einbauelemente 3 bestehen, wie auch Fig. 1 b und Fig. 4 zeigen, aus geriffelten Lamellen 3' mit Strömungskanälen 3"', wobei sich die Riffelungen 3" sich berührender Lamellen kreuzen und somit an den Kreuzungsstellen gegeneinander offen sind.
Im Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass die disperse Phase leichter als die kontinuierliche Phase ist und somit durch ein Zuführrohr 4 strahlförmig auf die Unterseite des untersten Einbauelementes 2 aufgegeben wird.
Im untersten Einbauelement 2 wird die disperse Phase über den Kolonnenquerschnitt längs paralleler Abschnitte des Zylinderquerschnittes verteilt. Die verteilte disperse Phase durchströmt sodann das darüber angeordnete Einbauelement 3, in welchem ein intensiver Stoffaustausch mit der die Strömungskanäle 3"' abwärts durchfliessenden kontinuierlichen, flüssigen Phase stattfindet.
Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind aufeinanderfolgende Einbauelemente 2 und 3 nicht um 90- gegeneinander verdreht, so dass deren Lamellen in parallelen Ebenen liegen.
Über dem zweituntersten Einbauelement 3 ist ein weiteres Einbauelement 2 angeordnet, dessen Lamellen und Zwischenbleche um 90 gegen die Kolonnenachse verschwenkt sind, so dass eine Querverteilung der dispersen Phase rechtwinklig in parallelen Abschnitten des Zylinderquerschnittes zu der Querverteilung im zweituntersten Einbauelement 3 erfolgt.
Unter der Annahme, dass nun die disperse Phase im erforderlichen Mass gleichmässig über den gesamten Kolon nenquerschnitt verteilt ist, sind über dem zweiten Einbauelement 2 weitere Einbauelemente 3 angeordnet, wobei jeweils benachbarte Einbauelemente 3 um 90" gegeneinander verschwenkt sind. Sollte eine ein- oder mehrmalige Querverteilung der dispersen Phase vor ihrem Austritt aus der Kolonne 1 erforderlich sein, können weitere Einbauelemente 2 im Stoffaustauschteil angeordnet werden.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel, bei welchem Einbauelemente 2 zur Querverteilung im Stoffaustauschteil der Kolonne 1 eingefügt sind, eignet sich insbesondere, wie an vorstehender Stelle erwähnt ist, für Kolonnen mit relativ kleinem Durchmesser.
Fig. 2 zeigt den unteren Stoffaustauschabschnitt einer Kolonne 5 mit sieben Einbauelementen 6 mit Zwischenblechen und mit zwei Einbauelementen 3 ohne Zwischenbleche.
Die unteren vier Einbauelemente 6 bestehen aus jeweils zwei Gruppen 7 von Lamellen 7' mit paralleler Riffelrichtung mit ebenen Zwischenblechen 7", wobei sich die Riffelungen der einen Gruppe mit den Riffelungen der benachbarten Gruppe kreuzen (vergl.auch Fig. 5).
Im Ausführungsbeispiel sind zwischen den einzelnen Lamellen und auch Lamellengruppen Zwischenbleche 7" bzw.
8 angeordnet; Jedoch sei darauf hingewiesen, dass diese Zwischenbleche 8 auch weggelassen werden können. Ebenfalls kann eine jede Gruppe auch aus mehr als zwei Lamellen mit paralleler Riffelung und Zwischenblechen bestehen. Dieses richtet sich nach dem gewünschten Bereich, in welchem eine Querverteilung der dispersen Phase in einer Richtung erfolgt und wird abhängig vom Kolonnendurchmesser bzw. von der Ausführung des Verteilers 9, der im Ausführungsbeispiel als Rohrverteiler mit Lochungen 9' ausgebildet ist, gewählt. Die Lochungen können aus Kostengründen nicht in beliebig kleinen Abständen vorgenommen werden.
Ausserdem ist eine gleichmässige Beaufschlagung aller Verteillöcher nur zu erreichen, wenn über den Austrittsöffnungen ein entsprechender Druckabfall vorliegt, wobei die dadurch entstehende erhöhte Austrittsgeschwindigkeit der dispersen Phase unerwünschte feine Tröpfchen entstehen lässt.
Im Ausführungsbeispiel sind im unteren Stoffaustauschabschnitt der Kolonne 5 jeweils zwei Einbauelemente 6 derart angeordnet, dass die Lamellen bzw. Zwischenbleche in derselben Ebene liegen, so dass die Strömungskanäle der beiden Einbauelemente nahezu kontinuierlich ineinander übergehen.
Hierdurch wird erreicht, dass eine gute Querverteilung der dispersen Phase über den Kolonnenquerschnitt erzielt wird, und die einzelnen Einbauelemente 6 von einer Höhe ausgeführt sein können, die noch fertigungsmässig günstig herstellbar ist.
Wäre die Riffelrichtung der Lamellen nicht paarweise gleich, sondern einzeln gegeneinander versetzt, so müsste aufgrund der Fertigungstoleranz der Elemente damit gerechnet werden, dass bei Lagenversatz die ursprüngliche Quertransportrichtung aus dem untersten Element nicht beibehalten, sondern entsprechend der Riffelrichtung in die Gegenrichtung weisen würde.
Die über den beiden untersten Einbauelementen 6 angeordneten beiden Einbauelemente sind analog ausgebildet, jedoch um einen Winkel von 90" gegenüber dem untersten Paar verschwenkt.
In Fig. 2 ist ein fünftes oberes Einbauelement 6 dargestellt. Im darüberliegenden Bereich des Stoffaustauschteiles der Kolonne 5 sind analog zu Fig. 1 zwei Einbauelemente 3 ohne Zwischenbleche, wie sie in Fig. 1 und 3 dargestellt sind, angeordnet, wobei die beiden Einbauelemente 3 um 90" gegeneinander verschwenkt sind.
Im darüberliegenden Bereich des Stoffaustauschteiles sind zwei gegeneinander um 90" verschwenkte Einbauelemente 6 angeordnet, in welchen eine erneute Quervermischung der dispersen Phase bewirkt wird.
Wie bereits an vorstehender Stelle erwähnt ist, umfasst die Erfindung alle möglichen Kombinationen der zwei im Anspruch 1 definierten Einbauelemente im Stoffaustauschteil einer Kolonne, in welcher Prozesse, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben sind, durchgeführt werden sollen.