CH674895A5

CH674895A5 -

Info

Publication number: CH674895A5
Application number: CH1078/88A
Authority: CH
Inventors: Ulrich Buehlmann
Original assignee: Kuehni Ag
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1988-03-22
Publication date: 1990-07-31
Also published as: FR2629191A1; US4981265A; GB2218353A; GB2218353B; GB8906528D0; DE3907436A1; JPH01299634A; DE3907436C2; FR2629191B1

Description

1

CH 674 895 A5

2

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsverteiler für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen, mit mehreren horizontalen Kanälen, deren 5 Seitenwände mit abwärts verlaufenden Auslaufschlitzen versehen sind.

Flüssigkeitsverteiler für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen dienen dazu, die Flüssigkeit über die in die Kolonne eingesetzten Packungen oder 10 Füllkörperschüttungen zu verteilen. Für einen möglichst optimalen Austausch-Wirkungsgrad zwischen der Flüssigkeit und der Gasphase ist eine möglichst gleichmässige Verteilung der Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt erforderlich. Die ge- 15 samte Flüssigkeitsmenge sollte in eine Vielzahl gleich grosser Teilströme aufgeteilt werden, die gleichmässig über den gesamten Kolonnenquerschnitt angeordnet sind.

Derartige Flüssigkeitsverteiler werden haupt- 20 sächlich in Rektifizier- und Absorptionskolonnen eingesetzt, in welchen ein Dampf- oder Gasstrom und ein Flüssigkeitsstrom meist im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden. Für diese Anwendungen ist es von Bedeutung, dass die Flüssig- 25 keitsverteiler eine geringe Einbauhöhe aufweisen sowie in einem gössen Beiastungsbereich eingesetzt werden können.

Es ist eine grosse Anzahl von Flüssigkeitsverteilern bekannt, die in zwei Kategorien nach ihrem 30 grundlegenden Funktionsprinzip eingereiht werden können.

Die eine Gruppe umfasst Flüssigkeitsverteiler, die nach dem Ausflussprinzip arbeiten. Die Flüssigkeit wird über Öffnungen unterhalb des Flüssig- 35 keitsspiegels verteilt, wobei die Austrittsgeschwindigkeit nach dem Theorem von Toricelli proportional zur Wurzel aus der Stauhöhe h ist.

Bekannte Ausführungsformen dieser Art Flüssigkeitsverteiler sind Kasten- oder Rohrverteiler 40 mit Löchern an der Unterseite oder in der Seitenwand für den Austritt der Flüssigkeit. Solche Verteiler sind in der DE-OS 2 102 424 und der EP-A 0 112 978 beschrieben. Der generelle Nachteil dieser Verteiler ist der kleine Belastungsbereich und 45 die grosse benötigte Einbauhöhe bedingt durch den angegebenen Zusammenhang zwischen der Austrittsgeschwindigkeit und der Wurzel der Stauhöhe.

Sind die Austrittslöcher, was meist der Fall ist, an der Unterseite der Verteilrohre bzw. -kästen ange- 50 bracht, besteht zudem der Nachteil, dass die Austrittslöcher rasch verstopfen.

Die andere Gruppe von Flüssigkeitsverteilern arbeitet nach dem Überlaufprinzip. Die Flüssigkeit wird über rechteck- oder dreieckförmige Oberlauf- 55 wehre oder Schlitze verteilt, die in den Seitenwänden von offenen Kanälen angebracht sind. Die mittlere Austrittsgeschwindigkeit w ist hier proportional zu h3'2 für Rechteckschlitze resp. h5/2 für Dreieckschlitze. 60

Die Flüssigkeitsverteiler, die zu dieser Gruppe zählen, haben den Nachteil, dass die Verteilung der Flüssigkeit ungenau ist. Bereits relativ geringe Abweichungen von der Horizontalen bewirken vor allem bei geringen Stauhöhen h eine ungleichmässige 65

Verteilung der Flüssigkeit, was sich mit der angegebenen Beziehung zwischen Austrittsgeschwindigkeit und Stauhöhe nachweisen lässt.

Bekannte Ausführungsformen dieser Art Flüssigkeitsverteiler haben den weiteren, wesentlichen Nachteil, dass eine gleichmässige Anordnung der Ablaufstellen über den Kolonnenquerschnitt nicht oder nur mangelhaft und zum Teil nur mit einer äusserst komplizierten Konstruktion erreicht wird. Bei den einfachen Rinnenverteilern mit Schlitzen in den Seitenwänden von offenen rechteckförmigen Kanälen ist der Ort der Flüssigkeits-Abtropfstellen nicht definiert. Bei kleinen Flüssigkeitsmengen läuft die Flüssigkeit der Kanalwand entlang nach unten und tropft ab. Bei grossen Flüssigkeitsmengen hingegen tritt die Flüssigkeit aus der Kanalwand und fällt unregelmässig und unkontrolliert in einem Abstand nach unten.

In der DE-OS 2 945 103 wird ein Flüssigkeitsverteiler beschrieben, der als Kastenverteiler sowohl mit Rechteck- als auch mit Dreieckschlitzen in den Seitenwänden versehen ist. Mit Hilfe einer zweiten zur Kanalwand parallelen Seitenwand wird die Flüssigkeit zu wechselseitig von der Kanalwand weggebogenen Ablaufzungen geführt. Abgesehen von der äusserst aufwendigen Ausführungsform ist keineswegs gewährleistet, dass auf jede Ablaufzunge die gleich grosse Flüssigkeitsmenge fliesst.

Aus der EP-A 231 841 ist ein Flüssigkeitsverteiler bekannt, bei dem durch in der Längsrichtung abgesetzte Verteilkanäle die Flüssigkeit parallel zur Kanalwand austritt und unmittelbar durch Umlenkeinrichtungen vertikal nach unten abgeleitet wird. Dieses Verteilsystem hat den wesentlichen Nachteil, dass die Flüssigkeit nur direkt unterhalb der Kästen abfliesst. Ja nach gewählter Anzahl von Ablaufstellen sind einerseits übermässig breite Kästen oder dann eine grosse Anzahl von Kästen notwendig, was einen hohen gasseitigen Druckabfall bewirkt. Weiter ist bei dieser Ausführungsform nachteilig, dass die Austrittsschlitze nicht mit der für eine gleichmässige Verteilung notwenigen Genauigkeit hergestellt werden können.

Aufgrund der geschilderten Nachteile werden Flüssigkeitsverteiler nach dem Überlaufprinzip kaum eingesetzt, obwohl sie den Vorteil eines grossen Belastungsbereiches haben, im allgemeinen nur eine geringe Einbauhöhe erfordern und auch wenig empfindlich gegen Verstopfung mit Feststoffen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem Überlaufprinzip arbeitenden Flüssigkeitsverteiler der eingangs genannten Art zu schaffen, der die grundlegenden Anforderungen nach einer exakt gleichmässigen Flüssigkeitsverteilung über den Kolonnenquerschnitt mit Hilfe einer einfachen und preisgünstigen Konstruktion erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist, gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte besondere Ausführungsarten der Erfindung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

2

3

CH 674 895 A5

4

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Stoffaustauschkolonne mit Flüssigkeitsverteiler,

Fig. 2 einen Teil eines Kanals eines Flüssigkeitsverteilers für Stoffaustauschkolonnen, mit zwei Auslaufschlitzen, denen je ein Leitelement zugeordnet ist;

Fig. 3 bis 6 je eine Ausführungsart der Leitelemente

Fig. 7 bis 9 eine Teildraufsicht auf Varianten des Flüssigkeitsverteilers der Stoffaustauschkolonne nach Fig. 1,

Fig. 10 einen Teil von Fig. 2, mit einem anders angeordneten Leitelement,

Fig. 11 einen Teil von Fig. 2 mit einer anderen Anordnung des Auslaufschlitzes und des zugehörigen Leitelements,

Fig. 12 einen Teil von Fig. 2 mit einer anderen Ausführung des Auslaufschlitzes und des zugehörigen Leitelements und

Fig. 13 verschiedene Anordnungen eines Leitelements an einem Auslaufschlitz.

Der Flüssigkeitsverteiler der Stoffaustauschkolonne 1 nach Fig. 1 besteht aus mehreren horizontalen, parallel zueinander angeordneten Kanälen 2, die unter einem quer über den Kanälen 2 angeordneten, üblichen Vorverteiler 3 verlaufen, der die Flüssigkeit gleichmässig auf die Kanäle 2 verteilt. Die Kanäle 2 sind im Querschnitt rechteckig, oben offen und bestehen aus zwei Seitenwänden 6 und 7 und einem Boden 8, wie Fig. 2 zeigt. An ihren Enden sind die Kanäle 2 geschlossen.

Nach Fig. 2 sind die Seitenwände 6 und 7 der Kanäle 2 mit langen, schmalen, vertikalen Schlitzen 10 versehen, die quer, vorzugsweise senkrecht zur Kanallängsrichtung durch die Seitenwände verlaufen und sich sowohl oben als auch unten nicht bis an den Rand der Seitenwand erstrecken. Die Schlitze können so auf einfache Weise und mit höchster Präzision mechanisch oder auch durch Drahterosion in die Seitenwand geschnitten werden. Die Schlitzbreite der Schlitze bewegt sich im Bereich von etwa 0,5-1,5 mm, die Schlitzlänge ist hingegen im Vergleich zur Schlitzbreite sehr lang und kann 60 bis 120 mm betragen. Durch diese extrem langgezogene Schlitzform wird bereits bei kleinen Flüssigkeitsmengen eine grosse Stauhöhe erreicht, so dass eine gleichmässige Flüssigkeitsverteilung auf die einzelnen Schlitze mit guter Genauigkeit gewährleistet ist.

An einen der Längsränder jedes Schlitzes 10 schliesst entlang der gesamten Schlitzlänge eine Leitfläche 11 eines plattenförmigen Leitelements 12 unmittelbar an. Mit dieser einfachen Anordnung werden gleichzeitig zwei wesentliche Effekte erzielt, die für die gleichmässige Flüssigkeitsverteilung entscheidend sind. Einerseits bewirkt die unmittelbar an den Schlitz anschliessende Leitfläche, dass die Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenkräfte auch bei den erforderlichen geringen Schlitzbreiten gleichmässig und bei allen Schlitzen auf gleicher Höhe durch den Schlitz ausfliesst. Andererseits nimmt die Leitfläche die gesamte Flüssigkeit auf, die durch den Schlitz fliesst und vertikal zur Kanalwand austritt. Die Flüssigkeit breitet sich auf der Leitfläche als Film 18 aus und fliesst zur Abtropfstelle, die in einem weitgehend frei wählbaren Abstand zum Kanal 2 angeordnet ist.

Der die Leitfläche 11 nach unten begrenzende Rand 14 ist so ausgestaltet, dass keine Flüssigkeit von ihm abtropfen kann, sondern ihm entlang zur Abtropfstelle fliesst. In Fig. 2 überragt der an die Seitenwand 6 bzw. 7 angrenzende Rand 13 der Leitfläche 11 die Seitenwand 6 bzw. 7 und den horizontalen Boden 8 des Kanals 2 nach unten. Der untere Rand 14 der Leitfläche 11 liegt demzufolge unterhalb des Bodens 8 und verläuft vom Kanal 2 weg schräg abwärts, also geneigt zur Horizontalen 15, so dass die Leitfläche 11 eine spitzwinklige äussere, untere Ecke 16 hat, welche die (einzige) Ablauf- bzw. Abtropfstelle für die gesamte, durch den Schlitz 10 auf die Leitfläche 11 laufende Flüssigkeit bildet. Der Winkel wird so gewählt, dass die Flüssigkeit dem Rand 14 folgt und nicht abtropft.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführung gezeigt, bei welcher der Rand 14 unmittelbar unterhalb des Schlitzes 10 beginnt. Er ist ebenfalls zur Horizontalen 15 geneigt, jedoch zusätzlich um 90° abgewinkelt. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn geringe Flüssigkeitsmengen eine relativ weite Distanz vom Kanal zur Abtropfstelle hin geführt werden sollen.

Schliesslich kann der untere Rand 14 auch horizontal verlaufen, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Dann muss er aber als Rinne 21 ausgebildet sein.

Damit die Flüssigkeit im gesamten Belastungsbereich, also sowohl bei kleinen und mittleren als auch bei sehr grossen Flüssigkeitsmengen an der vorgesehenen Abtropfstelle 16 als vertikaler Strahl nach unten abfliesst, ist vorzugsweise am Seitenrand 17 der Leitfläche 11, der dem Kanal 2 abgewandt ist, ein Ablenkelement angeordnet. Es hat die Aufgabe, die je nach Flüssigkeitsmenge verschieden stark über die Leitfläche 11 ausgebreitete Flüssigkeit zu sammeln und in einem Strahl vertikal nach unten abzulenken. Fig. 5 und 6 zeigen mögliche Ausführungsformen, in Form von vertikal verlaufenden Rinnen 23 bzw. 24 wobei der Seitenrand 17 des Leitelements 12 selbst zur Rinne geformt ist. Diese Rinne kann statt rechteckig oder V-förmig auch rund sein; sie braucht sich nicht bis zum oberen Ende der Leitfläche 11 zu erstrecken. Am zweckmässigsten haben sich nahezu geschlossene Rinnen erwiesen, wie z. B. die in Fig. 6 dargestellte Rinne 24, die lediglich einen schmalen Eintrittsschiitz für die Flüssigkeit offenlassen. Damit ist sichergestellt, dass die Flüssigkeit nicht nur abgelenkt, sondern auch in einem Strahl gesammelt wird. Selbstverständlich kann auch sowohl ein abgewinkelter Abschluss bzw. eine Rinne 21 (Fig. 3 bzw. 4) am unteren Rand 14 als auch eine Rinne 23 bzw. 24 (Fig. 5 bzw. 6) an dem dem Kanal abgewandten Seitenrand 17 der Leitfläche 11 vorgesehen werden, wobei in der Ecke 16 zwischen den beiden Rinnen eine Öffnung als Ablauf- bzw. Abtropfstelle zu bilden ist.

Das Leitelement 12 besteht also im wesentlichen aus einer Leitfläche 11, einem unteren Rand 14, der die Flüssigkeit wenigstens im unteren Bereich der Leitfläche 11 führt und nicht abtropfen lässt, sowie einem Ablenkelement, das die gesamte Flüssigkeit

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 674 895 A5

6

sammelt, vertikal nach unten ablenkt und als einzigen Strahl austreten lässt. Im einfachsten Fall besteht das Leitelement aus einer flachen Platte, deren Fläche und Ränder die eben beschriebenen Funktionen erfüllen.

Fig. 7 zeigt, wie mit Leitelementen 31, 32 unterschiedlicher Breite eine gleichmässige Verteilung der Ablauf- oder Abtropfstellen in Form einer Dreieck-Teilung erzielt werden kann. Zur optimalen Anpassung der Tropfstellenverteilung an den runden Kolonnenquerschnitt ist es, wie Fig. 8 bis 10 zeigen, vorteilhaft, wenn äussere Abtropfstellen bezüglich des Austrittsschlitzes 10 in Kanallängsrichtung verschoben angeordnet werden können. Dazu kann der Winkel alpha, den die am Kanalende angeordnete Leitfläche 11 mit der Seitenwand 6 bzw. 7 ein-schliesst, abweichend von Fig. 1 und 2 weniger als 90° betragen, wie Fig. 10 zeigt, so dass das Leitelement 12 schräg zur Kolonnenwand hin ragt. Eine andere Möglichkeit ist, wie Fig. 9 zeigt, das Leitelement 12 leicht gekrümmt, d.h. zur Kolonnenwand hin gebogen, auszuführen.

Um die aus dem Schlitz 10 austretende Flüssigkeit vor der nach oben gerichteten Gasströmung vor allem bei hohen Gasgeschwindigkeiten zu schützen, kann es vorteilhaft sein, den Schlitz, abweichend von Fig. 2 und 10 nicht vertikal, sondern schräg auszuführen, so dass auch die an einen Schlitzrand anschliessende Leitfläche geneigt ist, und die Flüssigkeit auf einer schiefen Ebene zur Ablauf- bzw. Abtropfstelle fliesst, vgl. den um den Winkel beta zur Vertikalen 26 geneigten Schlitz 28 und das entsprechend geneigt angeordnete Leitelement 29 mit der Leitfläche 30 in Fig. 11. Zusätzlich kann auch am Element 29 wie beim Element 12 eine Rinne 21 (Fig. 4) und/oder 23 bzw. 24 (Fig. 5 und 6) vorgesehen werden.

Die Schlitze brauchen nicht notwendig mit parallelen Rändern ausgeführt zu sein. Vielmehr kann die Schlitzweite auch von oben nach unten abnehmen (Fig. 12), wobei die Neigung der Leitelemente nach Fig. 11 vorteilhaft ist. Auch hier schliesst die Leitfläche 11 unmittelbar an den einen Längsrand des Schlitzes 10 an. Mit dieser Schlitzform kann der Belastungsbereich weiter gesteigert werden.

In Fig. 13 sind verschiedene Anordnungen eines Leitelements 12 an einem Auslaufschlitz 10 dargestellt. Nach Fig. 13a schliesst die Leitfläche 11 unmittelbar an einen der Schlitzränder an. Nach Fig. 13b bildet die Leitfläche 11 im Schlitz einen der Auslaufschlitzränder, wobei das Leitelement 12 auch eine der Auslaufschlitzwände bildet und die Seitenwand 6 zudem nach innen überragt. Nach Fig. 13c teilt das Leitelement 12 den Schlitz in zwei Auslaufschlitze, wobei eine Schräglage nach Fig. 10 oder 11 nicht anwendbar ist, zwei Leitflächen erhalten werden und eine oder mehrere Rinnen (Fig. 3, 4, 5, 6) wenn sie verwendet werden sollen, an beiden Seiten des Leitelements vorgesehen werden müssten.

Claims

Patentansprüche

1. Flüssigkeitsverteiler für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen, mit mehreren, horizontalen Kanälen (2), deren Seitenwände (6, 7) mit abwärts verlaufenden Auslaufschlitzen (10) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden Auslaufschlitz (10) eine von der Kanalseitenwand (6, 7) abstehende Leitfläche (11) eines Leitelements (12) unmittelbar anschliesst, das die gesamte aus dem Auslaufschlitz austretende Flüssigkeitsmenge aufnimmt und zu einer Ablauf- bzw. Abtropfstelle (16) leitet.

2. Flüssigkeitsverteiler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (14) mehrerer oder aller Leitelemente (12) derart ausgestaltet ist, dass Flüssigkeit nicht abtropft, sondern ihm entlangläuft.

3. Flüssigkeitsverteiler nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (14) mehrerer oder aller Leitelemente (12) vom Kanal (2) weg abwärts verläuft.

4. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (14) mehrerer oder aller Leitelemente (12) abgewinkelt ist.

5. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (14) mehrerer oder aller Leitelemente (12) eine Rinne (21) aufweist.

6. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Seitenwand (6,7) angrenzende Rand (13) mehrerer oder aller Leitelemente (12) die Seitenwand (6, 7) nach unten überragt.

7. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rand (14) mehrerer oder aller Leitelemente (12) unmittelbar unterhalb des Auslaufschlitzes (10) angeordnet ist.

8. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein unterer Teil des dem Kanal (2) abgewandten Randes mehrerer oder aller Leitelemente (12) ein Ablenkelement (23; 24) aufweist.

9. Flüssigkeitsverteiler nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement in Form einer an der Leitfläche (11) vorstehenden Rinne (23; 24) ausgeführt ist.

10. Flüssigkeitsverteiler nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (24) nahezu geschlossen ist und lediglich einen Eintrittsschlitz für die Flüssigkeit offenlässt.

11. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (11) mehrerer oder aller Leiteiemente (12) einen rechten Winkel mit der Kanalseitenwand (6) einschliesst.

12. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (11 ) mehrerer oder aller Leitelemente (12) einen spitzen Winkel (alpha) mit der Kanalseitenwand (6) einschliesst.

13. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Leitelemente (12) und die dazugehörigen Auslaufschlitze (28) einen spitzen Winkel (beta) mit der Vertikalen (26) einschliessen, so dass die ablaufende Flüssigkeit auf der durch die Leitfläche (30) gebildeten, steilen, schiefen Ebene abläuft.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

7

CH 674 895 A5

14. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch Leitelemente (31, 32) unterschiedlicher Breite.

15. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite der Auslaufschlitze 0,5-1,5 mm und die Schlitzlänge ein Vielfaches der Schlitzbreite, z.B. 100 mm beträgt.

16. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Auslaufschlitze unterschiedlicher Breite.

17. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite mehrerer oder aller Auslaufschlitze nach unten abnimmt.

18. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Patentansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufschlitze (10) quer, vorzugsweise senkrecht, zur Kanallängsrichtung durch die Seitenwände (6, 7) verlaufen und damit die Flüssigkeit quer bzw. senkrecht zur Kanallängsrichtung austreten lassen.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5