DD139522A1 - Kolonnenpackung fuer stoff-und waermeaustausch - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist für schwierige Trennprozesse des Gas- bzw. DampfFlüssigkeits-Kontaktes in der chemischen Industrie einsetzbar. Ziel ist die Schaffung einer Kolonnenpackung, mit der eine hohe Trennwirkung erreicht wird bei geringem Druckverlust, großer Belastbarkeit und bei weitgehender Vermeidung der Verschmutzungsanfälligkeit. Die Erfindung hat die Aufgabe, intensive Kontaktierungsbedingungen zvzischen den Medien zu verwirklichen durch gleichmäßige Verteilung der Phasen, ohne daß sich die Phasen wesentlich durchdringen. Dies wird dadurch erreicht, daß vier Lagen mit ausschließlicher punktförmiger Überdeckung der Mattenkanten aller vier Lagen eine Packungseinheit bilden, wobei die Längsachsen der forraperforierten Durchtrittsöffnungen von Matte zu Matte innerhalb einer Lage wechselnd im spitzen Winkel zur Kolonnenachse verlaufen. Mindestens eine zusätzliche Durchtrittsöffnung jedes Schenkels jeder Matte, ist so angeordnet, daß dieselben im Zwischenraum zwischen, zwei nebeneinanderliegenden Matten eine mindestens eingängige Schraubenlinie bilden. Die Erfindung wird in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet. - Fig.6

Description

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a) Titel der Erfindung Kolonnenpackung für Stoff- und Wärmeaustausch

b) Anwendungsgebiet der Erfindung .

Die Erfindung betrifft eine hocheffektive Kolonnenpackung, die für schwierige Trennprozesse des Gas- bzw.' Dampf-¹ Flüssigkeits-Kontaktes einsetzbar ist. Ihre Anwendung ist z.B. bei der Vakuumrektifikation mit Druckverlustforderungen in dafür vorgesehenen Kolonnenapparaten zweckmäßig. Neben der Destillation und Rektifikation bestehen auch Anwendungsmöglichkeiten-bei der Absorption, Desorption, Chemiesorption, direkten Wärmeübertragung und Gasbefeuchtung. ·

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Gemäß DT-PS Nr. 1024-057 ist eine Kolonnenpackung bekannt für die Kontaktierung von Flüssigkeit'mit Gas/Dampf. Sie' besteht im wesentlichen aus senkrechten im Abstand zueinander angeordneten platten- oder zylinderförmigen Strecknetallelementen.

Die einzelnen Elemente sind durch waagerecht liegende distanzhaltende Profileisen miteinander verbunden.

Diese Packung hat den Nachteil, daß ein hoher Druckverlust entsteht, da die dampfseitige Phase an Jedem Profil mehrmals um 90 umgelenkt wird, um wieder in die

Hauptströmungsrichtung zu gelangen. Außerdem muß der aufsteigende Dampfstrom die Streckmetallelemente und den daran abrieselnden Flüssigkeitsstrom ständig durchdringen, wodurch wiederum zusätzlicher Druckverlust hervorgerufen wird. Die hohen Druckverluste dieser Packung schränken das Anwendungsgebiet.stark ein. Der konstruktive Aufbau der Packung hat den Nachteil, daß zwei unterschiedliche Materialstrukturen eingesetzt werden, die bei der Fertigung der Packung miteinander verbunden werden müssen.

Eine weitere Packungsvariante ist im DT-AS 1 253 673 "beschrieben. Das wesentliche Kennzeichen der Packung besteht darin, daß jedes Einbauelement aus schachtförmig in parallelen Ebenen angeordneten geriffelten, einander berührenden Lamellen besteht. Die Eiffelungen benachbarter· - Lamellen haben dabei verschiedene Eichtungen und mindestens die Riffelung einer von zwei benachbarten Lamellen liegt im spitzen Winkel zur Kolonnenachse. Der Stoffaustauschteil der Kolonne ist mit mindestens zwei übereinander angeordneten Einbauelementen aufgefüllt, wobei die senkrechten Stellungen der Lamellen übereinander angeordneter Elemente gegeneinander um einen Winkel um die Kolonnenachse verschwenkt sind« Die Lamellen bestehen aus einem selbstbenetzenden Gewebe mit offenen Maschen.

Auch mit dieser Packung ist ein optimal geringer Druckverlust im Verhältnis zur Trennv/irkung nicht erreichbar. Das wird dadurch hervorgerufen,.daß die Strömungskanäle für die Phasen innerhalb eines Einbauelementes zur Erreichung der Flüssigkeits- und Gasverteilung wechselnd geneigt angeordnet sind, so daß der gesamte Gas/Flüssigkeitsstrom mehrmals umgelenkt wird. Weiterhin ist nachteilig, daß ein Packungspaket aus nur zwei übereinander versetzten Elementen besteht, so daß sich in einer höheren Kolonne nach diesen zwei Elementen

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der konstruktive Aufbau und darait die verfahrenstechnischen Effekte mit ihren Nachteilen wiederholen. Die flüssige Phase kann sich am selbstbenetzenden Gewebe nur in einem Filmregime bewegen, ohne daß die Oberflächenstruktur des Gewebes einen eigenen Transporteffekt auf die Flüssigkeit ausübt. Dadurch ist keine ausreichend gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit gewährleistet. Die Struktur des Gewebes macht diese Packung außerordentlich verschmutzungsanfällig und grenzt damit den praktischen Einsatz maßgeblieh ein. Weiterhin wird kein gezielter Austausch bzw. Transporteffekt der Dampfphase von einer Lamellenseite zur anderen erreicht. Dieser Nachteil wirkt sich ungünstig auf die Trennwirkung aus.

d) Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kolonnenpackung, mit der eine hohe Trennwirkung erreicht wird bei geringem Druckverlust, großer Belastbarkeit und bei weitgehender Vermeidung der Verschmutzungsanfälligkeit.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, durch eine hocheffektive Kolonnenpackung intensive Kontaktierungsbedingungen zwischen dem aufwärts strömenden Dampf bzw. Gas und der abwärtsströmenden Flüssigkeit durch eine möglichst gleichmäßige Verteilung der flüssigen und gasförmigen Phase bei ständiger Kontaktflächenerneuerung auf der gesamten Packungs-30' oberfläche zu verwirklichen, ohne daß sich die strömenden Phasen im wesentlichen durchdringen.

Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß vier Lagen, die aus senkrechten, mit Zwischenräumen zueinander parallelen, in Richtung der Kolonnenachse abgewinkelten, formperforierten Matten bestehen, mit ausschließlich punktföriniger

Überdeckung der .Mattenkanten aller vier Lagen eine Packungseinheit bilden. Dabei erfolgt die Anordnung der formperforierten Durchtrittsöffnungen in den Matten so, daß die Längsachsen der formperforierten Durchtrittsöffnungen in den Matten von Matte zu Blatte innerhalb einer Lage v/echselnd in einem spitzen Winkel zur Richtung der Kolonnenachse verlaufen. Weiterhin sind zusätzliche Durchtrittsöffnungen in den Matten vorhanden, wobei mindestens eine zusätzliche Durchtrittsöffnung jedes Schenkels jeder Matte, die an ihrer Oberkante Leiteinrichtungen aus artgleichem Material besitzt, welche mit der Matte einen nach unten gerichteten spitzen Winkel bilden, so angeordnet ist, daß dieselben im Zwischenraum zwischen zwei, nebeneinander liegenden Matten eine mindestens eingängige Schraubenlinie bilden und daß der spitze Winkel der innerhalb einer Schraubenlinie benachbarten Leiteinrichtungen von Mattenseite zu Mattenseite wechselt.

Die Lagen innerhalb einer Packungseinheit werden ohne Distanz übereinander angeordnet und die Höhe einer Packungseinheit beträgt zwischen 800 und I5OO mm.

Die Realisierung der Erfindung erlaubt eine konstruktive Packungsoberfläche pro nr Packungsvolumen von mehr als 200 m" Die Leiteinrichtungen an den zusätzlichen Durchtrittsöff-• nungen stellen gleichzeitig Distanzhalter von Matte zu Matte dar«

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der spitze Winkel der Längsachsen der formperforierten Durchtrittsöffnungen in den Matten zwischen 10° und 40° beträgt und daß die Längsachsen der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen mit den Leiteinrichtungen in den Matten von Matte zu Matte innerhalb einer Lage wechselnd unter einem spitzen Winkel zur Richtung der Kolonnenachse angeordnet sind. . .

f) Ausführungsbeispiel

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Seitenansicht einer Packungseinheit

Fig. 2 Draufsicht auf eine Packungseinheit nach Fig. 1 mit in Viertelkreisen getrennter Dar

stellung der Anordnung jeder Lage

Fig. 3 Detail einer Draufsicht auf Fig. 1

(ohne Darstellung der Leiteinrichtungen)

Fig. 4 a,b Beispiele für die Anordnung nebeneinanderliegender Matten in einer Draufsicht (ohne Darstellung der Leiteinrichtungen)

Fig. 3 Seitenansicht der Matten 3.1 und 3.2 aus Fig.4·

mit je einem Detail für die Streckmetall-Schlitz-Anordnung innerhalb der Matte (ohne Darstellung der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen und Leiteinrichtungen)

Fig. 6 Ausschnitt aus einer Lage in perspektivischer Ansicht

Fig. 7 Draufsicht auf Fig. 6 in nichtperspektivischer ' Ansicht.

Die erfindungsgeraäße hocheffektive Kolonnenpackung besteht aus einer Packungseinheit 6, zu der vier besonders angeordnete Lagen 1 gehören, die wiederum aus besonders strukturierten Matten 3 mit besonders angeordneten zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 mit besonders angeordneten Leiteinrichtungen 9 bestehen.

Die Matten 3 stehen senkrecht. Innerhalb einer Lage 1 sind die Matten 3 zueinander parallel mit Zwischenräumen 2 zwischen ihnen angeordnet.

Die Matten 3 sind so abgewinkelt, daß die Schenkel 12 in ihrer Hauptausdehnung in Richtung der Kolonnenachse verlaufen. Die Matten 3 bestehen aus formperforiertem Material (z.B. Streckmetall).

Fig. Ί zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Packungseinheit 6, die aus den Lagen 1.1. bis 1.4·. besteht, die ohne Zwischenraum aufeinanderstellen.

Mindestens eine Packungseinheit 6 ist zur erfindungsgemäßen Erreichung eines hohen Trenneffektes der Kolonnenpackung- erforderlich.

• Die Fig. 2 zeigt die Versetzung der Lagenanordnung von

Ί5 Lage 1.1. zu Lage 1.2. bis zu Lage 1.4. um je 90°.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß erfindungsgemäß die 90 -Versetzung von Lage 1.1. zu Lage 1.2. bis zur Lage 1.4. so vorgenommen worden ist, daß sich die Mattenkanten 5 der Lagen 1.1. bis 1.4·. ausschließlich punktförmig überdecken.

Fig. 4-a. zeigt in einer Draufsicht die bereits in Fig. 2 und 3 verwendete Möglichkeit der mit Zwischenräumen 2 versehenen Anordnung von Matten 3 (hier die Matten 3·^· und 3·2.), während Fig. 4-b (wie im folgenden auch Fig.

und 7) eine weitere bevorzugte parallele Anordnungsmöglichkeit der Matten 3 (hier die Matten 3.1. und 3.2.) zeigt. Aus Fig. 5 geht die besondere Strukturierung der Matten hervor. Die Längsachsen 7 der formperforierten Durchtritts-. Öffnungen 8 sind in den Matten 3 in einem spitzen Winkel zur Richtung der Kolonnenachse angeordnet. Dieser spitze Winkel 10 (hier 3O⁰) wechselt jeweils von Matte 3 zu Matte 3 innerhalb einer Lage (hier zwischen den Matten 3.I.' und 3.2) .

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer Lage 1 mit mehreren perspektivisch hintereinanderstehenden Matten 3 (hier die Matten 3·''· "bis 3.7.)» bei denen nur in den Matten 3·2. und 3.3* die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4- mit den

Leiteinrichtungen 9 aus Gründen der Übersichtlichkeit eingezeichnet worden sind. Die Leiteinrichtungen 9 sind an den Oberkanten 11 der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 dadurch befestigt, daß das Mattenmaterial beim Herausstanzen der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 nur an drei Seiten eingeschnitten wurde.

Die Leiteinrichtungen 9 bilden mit der Matte 3 einen nach unten gerichteten*Winkel 13 (hier 45°)· Die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 sind in jedem Zwischenraum 2 so angeordnet, daß sie auf einer gedachten rechtsdrehenden eingängigen Schraubenlinie 14 liegen, d.h. in jedem Schenkel 12 der Lage 1j der einen Zwischenraum 2 begrenzt, befindet sich eine zusätzliche Durchtrittsöffnung 4. In der Matte 3·2. Riesen die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 in der unteren Mattenhälfte, während sie in der Matte 3·3· in der oberen Mattenhälfte liegen.

Der spitze Y/inkel 13 der innerhalb einer Schraubenlinie 14 benachbarten Leiteinrichtungen 9 wechselt von Mattenseite zu Mattenseite. Die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 mit ihren Leiteinrichtungen 9 können verschiedene geometrische Formen wie z.B. Rechtecke, Dreiecke, Vierecke, Teile von Kreisen oder Ellipsen haben. Die Längsachsen 15 der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 mit ihren Leiteinrichtungen 9 können parallel zur .Sichtung der Kolonnenachse verlaufen, wie in Fig. 6 gezeigt, aber insbesondere auch von Matte 3 zu Matte 3 innerhalb ' einer Lage 1 wechselnd unter dem spitzen Winkel 10 zur Richtung der Kolonnenachse angeordnet sein.

30' ' Die Leiteinrichtungen 9 sind in Fig. 6 so dimensioniert, daß sie auch als Distanzhalter zur Gewährleistung der Zwischenräume 2 zwischen den Matten 3 dienen und ca. 5C% des Querschnitts eines Zwischenraums 2 bedecken. Fig. 7 zeigt als nichtperspektivische Draufsicht zu Fig. 6 die besondere Gestaltung und Anordnung der Leiteinrichtungen 9 innerhalb einer Lage 1. Deutlich wird die gleichmäßige Verteilung der Leiteinrichtungen 9 über der Hohe

(vergleiche mit Fig. 6), die einen Teil der Gas- bzw. Dampfströmung zwingt, eine vorbestimmte Bahn zu benutzen.

Die Wirkungsweise der erfindungsgeuiäßen hocheffektiven Kolonnenpackung ist wie folgt:.

Gas bzw. Dampf und Flüssigkeit passieren die Kolonnenpackung im Gegenstrom. . . " . Zur Führung der flüssigen Phase:

Die Flüssigkeit bewegt sich innerhalb einer Lage zunächst vorzugsweise als Film, die formperforierten Durchtrittsöffnungen 8 schließend, von oben nach unten. Die Filmoberfläche wird durch die verschmutzungsunempfindliche Struktur des formperforierten Materials ständig erneuert. Die zur Kolonnenachse geneigte Anordnung der Längsachsen 7 der formperforierten Durchtrittsöffnungen bewirkt, daß ein großer Anteil der Flüssigkeit nicht einfach senkrecht, sondern mit einer seitlichen Strömungskomponente nach unten strömt, wodurch der Strömungsweg und die an sich kurze Aufenthaltszeit verlängert werden.

' Außerdem wird damit eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung auf der gesamten Mattenoberfläche ohne bevorzugte Strömungswege z.B. in den Abwinkelungsecken garantiert, ohne daß komplizierte geneigte Abwinkelungen realisiert werden müssen.

Die pro Schenkel 12 jeder Lage 1 mindestens einmal vorhandene Leiteinrichtung 9 bewirkt als Distanzhalter eine weitere Umverteilung eines Flüssigkeitsanteils von einer Matte 3 zur anderen Matte 3 bzw. schafft Abrißkanten zur teilweisen Dispergierung der Flüssigkeit» Fallende oder steigende Tropfen werden durch tiefer- bzw. höherliegende Leiteinrichtungen 9 wieder aufgefangen. Die erfindungsgemäße viermalige Versetzung der Lagen 1 übereinander bewirkt eine hohe Anzahl von Abriß- bzw. Auffangpunkten für Flüssigkeitstropfen bzw. eine starke Umverteilung

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der als Film von Lage 1 zu Lage 1 überströmenden Flüssigkeit.

So v/erden flüssigkeitsseitig sehr günstige Kontaktierungsbedingungen im Film- und teilweisen Tropfen-Spray-Regime geschaffen.

Zur Strömung der gas- bzw. dampfförmigen Phase:

Die Gas/Dampfρhase passiert, ohne großräumige Umlenkungen und ohne die flüssige Phase durchdringen zu müssen, energieverlustarm die erfindungsgemäße Packungseinheit 6.

Die besondere Anordnung der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen und der-Leiteinrichtungen 9 innerhalb jeder Lage 1 bewirkt eine gezielte kurzwegige Ablenkung eines Anteils des Gas/ Dampf Stroms aus einer Matte 3 in andere Matten 3 (siehe Fig. 7)j so daß ein G_as/Dampfstrom-Anteil innerhalb einer Lage 1 vier Zwischenräume 2 passiert und dabei sich wiederum mit vier Gas/Dampfstrom-Anteilen aus weiteren benachbarten Zwischenräumen 2 kontaktiert

Diese Strömung eines Gas/Dampf-Anteils auf einer (anderen als der für die Anordnung der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 4 vorgegebenen) Schraubenlinie bewirkt einen leichten örtlichen Dralleffekt des Gas/Dampfes in und zwischen den Zwischenräumen 2, führt zu einer direkten Anblasung und Aufwirbelung des herabströmenden Flüssigkeitsfilms bzw., führt fliegende Tropfen wieder auf die Filmoberfläche zurück und schafft so sehr günstige Kontaktierungsbedi.ngungen zwischen Gas/Dampf und Flüssigkeit

Zu einer weiteren gezielten Gas/Dampfstrom-Umverteilung kommt es an den Übergangen der Lagen 1.

Claims (7)

Erfindungsanspruch

1. Kolonnenpackung für Stoff- und Wärmeaustausch aus mehreren übereinanderliegenden um 90 versetzten Lagen, die aus senkrechten, mit Zwischenräumen zueinander parallelen, in Richtung der Kolonnenachse abgewinkelten, formperforierten Matten bestehen und zusätzliche Durchtrittsöffnungen haben, dadurch gekennzeichnet, daß vier Lagen (1) mit ausschließlicher punktförmiger Überdeckung der Mattenkanten (5) aller vier Lagen (1) eine Packungseinheit (6) bilden, wobei die Längsachsen (7) der formperforierten Durchtrittsöffnungen (8) in den Matten (3) von Matte (3) zu Matte (3) innerhalb einer Lage (1) wechselnd in einem spitzen Winkel (10) zur Richtung der Kolonnenachse verlaufen und daß mindestens eine zusätzliche Durchtrittsöffnung (4) jedes Schenkels (12) jeder Matte (3), die an ihrer Oberkante (11) Leiteinrichtungen (9) aus artgleichem Material besitzt, welche mit der Matte (3) einen nach unten gerichteten spitzen Winkel (I3) bilden, so angeordnet ist, daß dieselben im Zwischenraum (2) zwischen zwei nebeneinanderliegenden Matten (3) eine mindestens eingängige Schraubenlinie (14) bilden und daß der spitze Winkel (13) der innerhalb einer Schraubenlinie (14) benachbarten Leiteinrichtungen (9) von Mattenseite zu Mattenseite wechselt.

2c Kolonnenpackung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen (1.1. bis 1.4.) innerhalb einer Packungseinheit (6) ohne Distanz übereinander* angeordnet sind.

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2 Packungsoberfläche von mehr als 200 m vorhanden ist.

3
zeichnet, daß pro nr Packungsvolumen eine konstruktive

3· Kolonnenpackung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohe einer Packungseinheit (6) zwischen 800 und 1500 mm beträgt.

4. Kolonnenpackung nach Punkt 1 bis 3i dadurch gekenn-

5. Kolonnenpackung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtungen (9) gleichzeitig Distanzhalter von Matte (3) zu Matte (3) darstellen.

6. Kolonnenpackung nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (10) der Längsachsen (7) der formperforierten Durchtrittsoffnungen (8) in den Matten (3) zwischen 10° bis 40° beträgt.

7. Kolonnenpackung nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (15) der zusätzlichen Durchtrittsoffnungen (4) mit den Leiteinrichtungen (9)

'in den Matten (3) von Matte (3) zu Matte (3) innerhalb einer Lage (1) wechselnd unter dem spitzen Winkel (10) zur Richtung der Kolonnenachse angeordnet sind.

HierzuJLieiten Zeichnungen