CZ302822B6

CZ302822B6 - Výpln

Info

Publication number: CZ302822B6
Application number: CZ20000251A
Authority: CZ
Inventors: Kessler@Alwin
Original assignee: Sulzer Chemtech Ag
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2011-11-30
Also published as: CA2294406C; AU1249900A; US6349567B1; CN1258395C; BR0000127A; CZ2000251A3; CA2294406A1; CN1261009A; AU762007B2; BR0000127B1; JP2000210555A; RU2181306C2; SG97834A1; PL337917A1

Abstract

Výpln (1) s krížovou kanálovou strukturou pro kolonu (2) pro výmenu hmoty má, pro vysokou specifickou úcinnost má, specifickou povrchovou plochou (a) a úhlem sklonu (.fi.) kanálu (13). Patrí ke tríde výplní s konkrétními hodnotami a = a.sub.cl .n.a .fi. = .fi..sub.cl.n., kde pro výplní (1) protékající fluida jsou predem stanoveny vždy stejne velké proudy fluida; pro výpln (1) empiricky stanovitelný pocet (n) teoretických pater na metr, to je velikost NTSM, je znázornitelná prostrednictvím první funkce f.sub.1 .n. (a, .fi.) promenných a a .fi.; odpor v proudení, který se vytvárí pro proud plynu protékající výplní (1), je charakterizovatelný tlakovou ztrátou (.DELTA.p) na metr jako druhá funkce f.sub.2.n. (a, .fi.); tlaková ztráta (.DELTA.p) zaujme pod vedlejší podmínkou pocet (n) je konstantní relativní minimum, pro které promenné (a) a (.fi.) zaujmou v závislosti na velikosti poctu (n) hodnoty a.sub.m.n. (n), prípadne .fi..sub.m.n. (n); a platí n > 4,5, a.sub.cl .n.< a.sub.m.n. (n), .fi..sub.cl .n. > .fi..sub.m.n. (n), jakož i .fi..sub.cl .n. > 45.degree.. Vynález se týká i kolony (2) pro výmenu hmoty s uvedenou výplní (1). Dále i zpusobu provozování kolony (2), kdy oddelování hmoty se provádí pri specifické úcinnosti výplne (1), kdy pocet (n) je vetší než zhruba 4,5 a s výhodou menší než zhruba 7.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká výplně s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu pro výměnu hmoty s vysokou specifickou účinností, kolony s takovou výplní, jakož i způsobu pro provozování takové kolony.

io

Dosavadní stav techniky

Výplně s křížovou kanálovou strukturou jsou již mnoho let známé, viz například DE-A26 01 890 Al. Jsou vytvořeny zpravidla zvíce nad sebou uspořádaných výplňových is elementů, přičemž každý výplňový element je vytvořen zvíce rovnoběžných vrstev. Vrstvy se navzájem dotýkají a vytvářejí společně proti sobě navzájem otevřené průtokové kanály, které jsou skloněny proti svislici, to je ose kolony, a tak je vytvořena křížová kanálová struktura.

Prostřednictvím takové kolonové výplně lze provádět výměnu hmot a/nebo tepla, to je mezi zkrápěcím filmem na povrchové ploše výplně a mezi proudem plynu, který protéká skrz kanály.

Ve standardní učebnici o destilaci, H. Z. Kister, „Distillation Design“, McGraw-Hill, r. 1992, strany 441 - 458, jsou diskutovány výplně s křížovou kanálovou strukturou pro provádění způsobu oddělování hmot. Tyto výplně jsou optimálně využitelné, pokud nejsou požadovány příliš velké specifické oddělovací účinnosti. Specifickou oddělovací účinnost je možné kvantifikovat pro25 střednictvím velikosti NTSM, která udává počet n teoretických pater na metr, nebo u beden prostřednictvím v palcích naměřené velikosti HETP, „height equivalent of a theoretical plate“, což jev podstatě reciproční hodnota k velikosti NTSM. Specifická oddělovací účinnost se zde považuje za velikou, když je NTSM větší než 4,5’’, to znamená, když je počet n > 4,5.

U známých využití se v praxi ukázalo, že třída výplní je optimálně využitelná tehdy, když je u nich úhel sklonu kanálů vždy stejně velký. Jako hodnota pro tento úhel sklonu je uvedeno v uvedené učebnici 45°, viz údaj v tabulce 8.1, zejména třída výplní „Mellapak®“ 125.Y, 250.Y, 350.Y a 500.Y. U třídy výplní „Mellapak®“ (dále výplně I25.Y, ...), nemá tento úhel hodnotu 45°, ale hodnotu 42,5°, přičemž tento úhel se ukázal jako výhodnější.

Vynálezce přišel do styku s problémem vytvořit výplně pro oddělovací kolony, u kterých je specifické oddělovací účinnost vysoká a které jsou zvláště vhodné při způsobu rozkládání vzduchu. Přitom zjistil, že se doporučuje provést z hlediska účinnosti výplní s křížovou kanálovou strukturou další pokusy se základními vrstvami, aby tak bylo možné na podkladě nově získaných poža40 davků navrhnout kritéria pro ekonomicky výhodnější výplně.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za úkol vytvořit výplň s křížovou kanálovou strukturou, která se vyznačuje vysokou specifickou oddělovací účinností, a která umožňuje pokud možno ekonomicky výhodný způsob oddělování. Vytčený úkol se řeší výplní s dále uvedenou třídou výplně.

Výplň s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu pro výměnu hmoty má mít vysokou specific50 kou účinnost. Výplň je specifikovatelná specifickou povrchovou plochou a úhlem sklonu ζ kanálů. Přitom přísluší ke třídě výplní s konkrétními a - a φ - <p_c] s dále uvedenými údaji, takže pro výplní protékající fluida jsou předem stanoveny vždy stejně velké proudy fluida, pro výplň empiricky stanovitelný počet n teoretických pater na metr, to je velikost NTSM, je znázornitelná prostřednictvím první funkce f (a, cp) proměnných a a <p, odpor v proudění, který se vytváří pro proud plynu protékající výplní, je charakterizovatelný tlakovou ztrátou Ap na metr jako druhá

- 1 CZ 302822 B6 funkce f₃ (a, <p); tlaková ztráta Δρ zaujme pod vedlejší podmínkou n = konstantní relativní minimum, pro které proměnné a a φ zaujmou v závislosti na velikostí n hodnoty a_m (n), případně tp_m (n), a platí n > 4,5, a aci < a_m (n), (p_ci >ζπ, (n), jakož i <p_cl > 45°.

Závislé patentové nároky 2 až 7 se týkají zvláštních provedení výplně podle vynálezu. Předmět patentového nároku 8 je kolona s takovou výplní a každý z nároků 9 a 10 se týká způsobu pro provozování kolony.

Vynález bude podrobně ilustrován na podkladě dvou příkladů.

Výplň 75O.Y, která má specifickou povrchovou plochu a = 750 m’^! a úhel sklonu kanálů φ = 42,5°, má 5,5 teoretických pater na metr, to je počet n = 5,5. Pokud je úhel zvýšen na 50°, je možné zmenšit pro oddělování hmoty potřebnou povrchovou plochu výplně na 500 m³/m\ čímž se redukují náklady na materiál výplně na 66 %. Přitom zůstává oddělovací výkon při prakticky nezměněném odporu v proudění výplně také beze změny, to znamená, že tlaková ztráta Δρ — 2 mbar/m při F = v_g^Pg ⁼ 1,5 Pa^0,5. Tak je možné ušetřit přídavný materiál při stejném dělicím výkonu, tedy účinnosti, avšak na náklady zvětšeného odporu v proudění, to je pro a = 450 m’¹ a φ = 57°, Δρ = 2,7 mbar/m.

Pro výplň 500. Y, to je povrchová plocha a = 500 m^-', úhel sklonu φ = 42,5°, je počet n = 4,5. Pro úhel sklonu φ = 46° je povrchová plocha a = 450 mto znamená, že materiálové náklady se redukují na 90 %, přičemž odpor v proudění je prakticky beze změny. Pro úhel sklonu φ = 50° je povrchová plocha a = 400 m¹. přičemž materiálové náklady se zmenší na 80%, ale odpor v proudění se zvětší na 123 % hodnoty očekávané pro výplň 500.Y.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen ve spojení s výkresovou částí.

Na obr. 1 je znázorněna horní část kolony s výplňovými elementy.

Na obr. 2 je znázorněna část výplně s křížovou kanálovou strukturou, to je ideální tvar Mellapak R.

Na obr. 3 je znázorněn diagram, ve kterém je znázorněna tlaková ztráta v závislosti na specifické povrchové ploše pro výplň podle obr. 2.

Na obr. 4 je znázorněna tabulka s hodnotovými triply ke křivce zakreslené v diagramu na obr. 3.

Příklady provedení vynálezu

Kolona 2 pro výměnu hmoty s osou 20 podle obr. 1 má výplň 1 a kapalinový rozdělovač 21, který má napájecí trubku 210 a rozdělovačové kanály 211. Více výplňových elementů 10, 10\ 10 je uspořádáno nad sebou. U zvláštních provedení kolony 2 pro výměnu hmoty je ve výplňových elementech 10 rozlišitelné vždy spodní pásmo 102, střední pásmo 100 a horní pásmo 101. Ve spodním pásmu 102 a horním pásmu 101 na okrajích výplňových elementů 10 je na podkladě vhodného vytvarování redukován odpor v proudění ve srovnání s odporem ve středním pásmu 100. Taková výhodná provedení jsou známá z WO 98/16247.

Každý výplňový element 10 je vytvořen z více paralelních vrstev 11 \ 12\ jak je to patrno z obr. 2. Ve vrstvách JUT, 12 jsou prostřednictvím klikatě poskládaných fólií j_i, případně 12, vytvořeny rovnoběžné kanály 13 s trojúhelníkovými průřezy J_4. Fólie 11, _12 mohou být také například zvlněny sinusovitě, Kanály 13 jsou proti svislicím 20', tvořeným rovnoběžkou k ose 20 kolony 2 pro výměnu hmoty, skloněný a svírají s ní úhel sklonu (£>. V dotykové rovině 15 mezi sousedními vrstvami 11' a 12' se kříží otevřené kanály 13 vrstvy 12' s odpovídajícími kanály sousední vrstvy 1Γ. Trojúhelníkový průřez 14 má tvar rovnoramenného trojúhelníku s výškou h, která odpovídá šířce vrstvy 12', s rameny s a se základnou b. Úhel σ mezi rameny s a základnou b má ve většině případů hodnotu 45°. Specifická povrchová plocha a této výplně 1 je v ideálním případě, kdy nemají poskládané hrany žádné zaoblení, dána výrazem 2 V2/h.

Na obr. 3 jsou znázorněny výsledky základních pokusů pro výplně 1 se strukturou znázorněnou na obr. 2, přičemž úhel σ = 45° a hodnoty úhlu sklonu p(p jsou v oblasti mezi 20° a 70°. Tyto výsledky byly získány pro konstantní proudy F fluida a F = ^Jq_g - 1,5 Pa⁰’⁵, kde v_G je rychlost proudění a g_G je hustota fluida, např. plynu G. Empiricky lze počet n teoretických pater na metr, to je velikost NTSM, určit prostřednictvím první funkce fi (a, tg) variabilních a a (g. Odpor v proudění, který se vytváří pro proud plynu protékající výplní 1, je charakterizovatelný tlakovou ztrátou Δρ na metr, a to jako druhá funkce £ (a, (j)). Prostřednictvím eliminace úhlu sklonu <g z první funkce fj a druhé funkce f> lze vyjádřit tlakovou ztrátu Δρ jako funkci z povrchové plochy a a z počtu pater η. V diagramu na obr. 3 je tato funkce znázorněna jako soustava křivek Xf, 32, 33, 34, 35, 36, přičemž každá z nich představuje tlakovou ztrátu Δρ pro NTSM = konst., zejména počet n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 v závislosti na specifické povrchové ploše a. Každá z těchto křivek 31, 32, 33, 34, 35, 36 má relativní minimum, pro které vždy variabilní povrchová plocha a a úhel sklonu (£> zaujmou hodnoty a_m (n), případně (n). Minimální body leží na čeře ho vaně zakreslené křivce 30. Pro hodnoty a_raa% platí přibližně čísla uvedená v tabulce na obr. 4. Tyto číslové řady lze vyjádřit prostřednictvím přídavně na obr. 4 uvedených formulí. Pro jiné výplně i s křížovou kanálovou strukturou, pro které nemá úhel σ hodnotu 45° nebo které jsou vytvořeny například ze zvlněných fólií, je třeba samozřejmě očekávat jiná čísla pro hodnoty a_m a q>_m.

Minimální body křivky 30 mají zvláštní význam, protože křivky 31, 32, 33, 34, 35, 36 jsou vždy v okolí svého minima velmi ploché. Pro minimální body jsou odpory v proudění pro předem stanovený oddělovací výkon, tedy účinnost, nej menší. Je možné přejít k menší specifické povrchové ploše a, aniž by přitom odpor v proudění podstatně*vzrctetl, a to pří shodně zůstávající účinnosti. Při narůstajícím odstupu od minimálního bodu potom progresivně narůstá odpor v proudění. Někde se vytváří optimum. Kritéria pro optimum jsou jednak náklady na výplň, zejména materiál výplně, a jednak tlakové ztráty v proudu plynu při provozu kolony 2. Jak se má provést optimalizace závisí na zvláštních okolnostech jednotlivého případu.

Čerchovaná přímka 40, pro kterou platí úhel sklonu = 42°, poskytuje zhruba hodnoty Δρ tlakové ztráty pro známou třídu výplní 125.Y, viz spodní okraj diagramu na obr. 3. Jak je patrno, prochází tato přímka 40 pro a < 550 m^_l v malém odstupu vlevo vedle křivky 30 s minimálními body. To je v souladu se známou skutečností, že využití výplní 125.Y není výhodné pro příliš vysoké oddělovací výkony, to je účinnosti.

Přímka 40 protíná křivku 30 při povrchové ploše zhruba a = 550 m“To znamená, že pro zhruba a > 500 m“ nebo n > 4,5, viz křivka 34, není třída výplní 125.Y již vhodná pro ekonomicky výhodný způsob pro oddělování hmot. Proto musí být pro vysoké oddělovací výkony, to je účinnosti použita nová třída výplní, pro kterou platí a = ad, (|> = (&ι a dále uvedené podmínky: n > 4,5, ad < (n), > (^(n) jakož i <p_ci > 45°.

Prostřednictvím těchto podmínek, je omezena směrem vzhůru otevřená oblast nad křivkami 34', 50 a 30. Vzhledem k progresivnímu nárůstu odporu v proudění nemůže být tato oblast upravena libovolně směrem vzhůru. Omezení se vytváří prostřednictvím již uvedených optimalizací. Záměrně provedené omezení je přímka 60, na které je úhel sklonu konstantně shodný o hodnotě 55°. Šrafovaná oblast 3 potom stanovuje hodnoty a = ad a <£ = (gd, prostřednictvím kterých je definována třída výplní s křížovou kanálovou strukturou.

-3 CZ 302822 B6

Z praktických důvodů je účelné vytvořit dílčí třídu s n nebo NTSM jako volitelnými parametry, pro kterou je analogicky ke třídě výplní 125.Y úhel sklonu (g = (g_cl konstanta. S výhodou se zvolí pro ťg_c) hodnota 50° nebo jiná hodnota, která se může lišit od hodnoty 50° o zhruba 2° nebo 3°.

Jak je to patrno z diagramu na obr. 3, narůstá odpor v proudění na křivce 30 progresivně s narůstajícím n. Není proto účelné pro specifický oddělovací výkon, tedy účinnost, vytvářet vysoké hodnoty. Horní hranice pro n, která není s výhodou překračována, je dána pro n = 7.

io Výplň i podle vynálezu je zvláště vhodná pro provádění rozložení vzduchu. Prostřednictvím výplně i podle vynálezu lze například také provádět reakční destilaci. Při tomto způsobuje materiál na povrchových plochách výplně I nejméně částečně katalyticky účinný,

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

20 1. Výplň (1) s křížovou kanálovou strukturou pro kolonu (2) pro výměnu hmoty, s vysokou specifickou účinností, která je specifíkovatelná specifickou povrchovou plochou (a) a úhlem sklonu (φ) kanálů a která náleží třídě výplní s konkrétními hodnotami a = a_tl a φ — q>_c], vyznačující se tím, že pro výplní (1) protékající fluida jsou předem stanoveny vždy stejně velké proudy fluida; pro výplň (1) empiricky stanovitelný počet (n) teoretických pater na

25 metr, to je velikost NTSM, je znázornitelná prostřednictvím první funkce fj (a, φ) proměnných povrchové plochy (a) a úhlu sklonu (φ); odpor v proudění, který se vytváří pro proud plynu protékající výplní (1), je charakterizovatelný tlakovou ztrátou (Δρ) na metr jako druhá funkce f₂(a, φ); tlaková ztráta (Δρ) zaujme pod podmínkou počet (n) je konstantní relativní minimum, pro které proměnné (a) a (φ) zaujmou v závislosti na velikosti počtu (n) hodnoty a_m (n), případně <p_m

30 (n), a platí n > 4,5, (n), <p_c, > φ,,, (n), jakož i <p_ci > 45°.
2. Výplň podle nároku 1, vy z n a č u j í c í se t í m , že úhel sklonu <p_cl < 55°.
3. Výplň podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pro dílčí třídu výplní s poě35 tem (n) jako volitelným parametrem je úhel sklonu (<p_ci) konstanta, která má zhruba hodnotu 50°.
-4 CZ 302822 B6

4. Výplň podle jednoho z nároků laž3, vyznačující se tím, že kanály (13) jsou vytvořeny klikatě poskládanými fóliemi (11, 12) a že funkce a_m (n), případně ip_m (n) pro F = vc Vpc= 1,5 Pa⁰’^{4 5 6} jsou dány zhruba následujícími mnohočleny;

a_in = (152 — 13n + n²) NTSM, <p_m = 27° + n(n + 1) 0,5°.
5. Výplň podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že konkrétní hodnoty

45 povrchové plochy (a_cj) a úhlu sklonu (<p_ci) jsou stanoveny prostřednictvím optimalizace, která je provedena na podkladě kritérií, která závisejí na příslušném využití, a při této optimalizaci je možné udržet například optimálním způsobem jednak nízké náklady na výplň (1), zejména na materiál výplně (1) a jednak tlakové ztráty proudu plynu při provozu kolony (2) pro výměnu hmoty.
6. Výplň podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že v jedné koloně (2) pro výměnu hmoty je uspořádáno nad sebou více výplňových elementů (10, 10', 10), přičemž každý výplňový element (10, 10', 10) je vytvořen z více rovnoběžných vrstev (1 ]', 12').
7. Výplň podle nároku 6, vyznačující se tím, že ve výplňových elementech (10) je rozlišitelné vždy jedno horní pásmo (101), střední pásmo (100) a spodní pásmo (102) a že v horním pásmu (101) a ve spodním pásmu (102) na pokrajích výplňových elementů (10) je na pod5 klade vhodného vytvarování redukován odpor v proudění proti odporu v proudění ve středním pásmu (100).
8. Kolona (2) pro výměnu hmoty, vyznačující se tím, že má výplň (1) podle jednoho z nároků 1 až 7.

io
9. Způsob provozování kolony (2) pro výměnu hmoty podle nároku 8, vyznačující se tím, že oddělování hmoty se provádí při specifické účinnosti výplně (1), při které je počet (n) větší než zhruba 4,5 a při které je s výhodou počet (n) menší než zhruba 7.

i s
10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že pro rozkládání vzduchu nebo pro provádění relativní destilace je materiál na povrchových plochách výplně (1) nejméně částečně katalyticky aktivně účinný.