DD158205A1

DD158205A1 - Stoffaustauscheinheit

Info

Publication number: DD158205A1
Application number: DD22943981A
Authority: DD
Inventors: Klaus Hoppe; Bernd Kulbe; Juergen Mueller; Juergen Keller; Guenter Schober; Peter Paul
Original assignee: Klaus Hoppe; Bernd Kulbe; Juergen Mueller; Juergen Keller; Guenter Schober; Peter Paul
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1981-04-23
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DD158205B1

Abstract

Die Erfindung wird eingesetzt bei Fluessigkeits/Gas- bzw. Dampf-Kontaktierung in Kolonnen. Ziel ist die Schaffung einer Stoffaustauscheinheit, durch die der Energieeinsatz gesenkt oder die Produktreinheit erhoeht wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stoffaustauscheinheit zu entwickeln aus einer abgestimmten Kombination eines Kreuzgegenstrombodens mit Fluessigkeitsfoerderwirkung mit die Trennleistung verbessernden und das Entrainment reduzierenden Einrichtungen. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass der Kreuzgegenstromboden als Ventilboden gestaltet ist, wobei die Raender der Ventilteller zur Packung hin schraeg nach oben gerichtet sind. Oberhalb der Bodenplatte ist in Abhaengigkeit von der Fluessigkeits- und Dampfbelastung des Bodens in mindestens der doppelten Hubhoehe der Ventile eine Packung angeordnet. Sie besteht aus perforierten Lamellen. Ueber der Packung ist eine direkt angrenzende die gesamte Bodenflaeche ueberdeckende horizontale Abscheideeinrichtung.

Description

a) Titel der Erfindung Stoffaustauacheinheit

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauscheinheit für die Gas/Dampf-Flussigkeits-Kontaktierung in Kolonnen*

Mit dieser Austauscheinheit werden verschiedene Prozesse, wie beispielsweise Rektifikation, Absorption, Desorption, Chemosorption und direkte Wärmeübertragung realisierte

°) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Gem. DD-PS 107 212 ist die Verwendung von Hochleistungspackungen zur- Verbesserung des Stoff- und Wärmeaustausches in Rektifisierkolonnen bekannt» Die Lösung ist dadurch gekennzeichnetj daß an den Phasengrenzgebieten der be~ lasteten Austauschboden in den kritischen Belastungs- zonen von Rektifizierkolonnen Hochleistungspackungen

angebracht werden,,wobei die Packungselemente der Hoch-. leistungspackuüg sowohl in die dampf- als auch flüssigkeitsbelästeten Zonen eines Austauschbodens hineinragen. Die Hochleistüngspackungen sind in den kritischen Belastungszonen j insbesondere im Bereich der EinlaufSektion und der Kopf Sektion der Rektifizierkolonne angeordnete.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß die angestrebte Trermwirkungsverbesserung nur bei solchen Kolonnensektionen

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wirksam wird, in denen die zulässige Dämpfegrenzge-SOhwindigkeit überschritten wird, und ein verstärktes Mitreißen von Flüssigkeitsteilchen auftritt» Dadurch kann die Trennwirkung nur partiell in den genannten Kolonnensektionen verbessert werden, Auswirkungen hinsichtlich der Verbesserung der Trennwirkung der gesamten Kolonne sind gering« '

Durch den Einsatz von Hochleistungspackungen als zusätzliches Element in den belastungsmäßig kritischen Sektionen ergibt sich eine deutliche Erhöhung des Druckverlustes, so daß zur Sicherung der Funktionsweise der Kolonne der Bodenabstand extrem groß ausgeführt werden muß«

Eine Verbesserung der Trennleistung aller Böden einer Kolonne durch Einsatz dieser Lösung tritt nicht ein, weil Boden und Packung in ihrer hydraulischen Arbeitsweise nicht aufeinander abgestimmt sind. Das ist damit begründet, daß mit dem vorgeschlagenen Austauschboden ohne zusätzliche Ausgestaltung keine gezielte Flüssigkeitseintragung bei normaler Belastung in die Packung erreicht werden kann.

Ein weiterer Nachteil auf Grund der fehlenden zusätzlichen Ausgestaltungen des Austauschbodens und der fehlenden hydraulischen Abstimmung zwischen Boden und Packung besteht darin, daß bei der vorgesehenen Anordnung der Packung teilweise in der Flüssigkeitsschicht des Bodens ein hoher Flüssigkeitsgradient vom Zu- zum Ablauf eintritt, wodurch der Arbeitsbereich des Bodens eingeschränkt ist und ein , ,starkes Abregnen der Flüssigkeit besonders am Zulauf nicht vermeidbar ist, .-·

Da die erfinderische Losung auf dem Boden keine zusätzlichen Einrichtungen zur gezielten Beaufschlagung der Packung mit Flüssigkeit vorsieht, wird der obere im Dampfraum befindliche Teil der Pa.ckung nur wenig mit Flüssigkeit benetzt, wodurch dieser Teil der Packung für den Stoffaustausch nicht wirksam wird«

Durch die Ausführung der Hochleistungspackung aus einheit-'lieh strukturiertem Material kann die Packung der unterschiedlichen Punktionen, sowohl zur Verbesserung der Trenc wirkung des Bodens als auch zur"Abscheidung der vom Böden mitgerissenen !Flüssigkeit, nicht gleichermaßen gerecht werdene

Bei der vorgesehenen Anordnung der einheitlich strukturier ten Packung im Phasengrenzgebiet Dampf/Flüssigkeit wird die Flüssigkeitsrückführung aus der Packung nicht erreicht und die erzielte Trennwirkungsverbesserung größtenteils wieder aufgehoben. ....·..

Durch die nur teilweise Überdeckung der aktiven Bodenfläcb tritt an den freien Flächen infolge der Gasbypaßströmung ein htfhes Entrainment auf. Dieser Nachteil wirkt sich be-' sonders negativ im Bereich des Flüssigkeitsablaufes aus.

Die einheitliche .Struktur des Materials ist für die hydraulische Arbeitsweise im Bereich der Kolonnenwand von Nachteil

Die in diesem Bereich ohnehin vorhandenen Toträume werden

dadurch noch vergrößert, wodurch insgesamt die Trenn~ wirkungsverbesserung wiederum teilweise kompensiert wird*

d) Zlel^der^^andung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Stoffaustauscheinheit, bei deren Einsatz die erforderlichen praktischen Bodenzahlen reduziert werden, bzw» eine Verringerung des erforderlichen Rücklaufverhältnisses möglich wirdj wodurch der Energieeinsatz gesenkt oder die Produktreinheit erhöhi wird.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stoffaustauscheinheit zu entwickeln aus einer hinsichtlich der

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Arbeitscharakteristik aufeinander abgestimmten Kombination eines Kreuzgegenstrombodens mit Flüssigkeitsförderwirkung mit die Trennleistung verbessernden und das Entrainment reduzierenden Einrichtungen. .

Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Kreuz» jgegenstromboden als Ventilboden gestaltet ist,, wobei die Ränder der Ventilteller zur Packung hin schräg nach oben gerichtet sind und die Anordnung der Ventile im Kreuzgegenstromboden gleichartig zur Orientierung der Elemente der darüberliegenden Packung verlauft. Oberhalb der Bodenplatte ist in Abhängigkeit von der Flüssigkeits- und Dampfbelastung des Bodens in mindestens der doppelten Hubhöhe der Ventile . eine Packung angeordnet. Sie besteht aus senkrechten in Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit und mit Distanz parallel zueinander verlaufenden perforierten Lamellen und weist einen Abstand auf zwischen sich und dem Zu- und Ablauf, sowie zur Kolonnenwandc Dabei ist die Perforation der Lamellen nach unten orientierte Über der Packung ist eine direkt angrenzende/ die gesamte Bodenfläche überdeckende, horizontale Abscheide einrichtung angeordnet«, Die Abscheideeinrichtung besteht aus formperföriertem senkrecht zur Kolonnenachse richtungsorientierten Material mit flüssig-' keitsabfuhrenden öffnungen.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß von den am Zulauf angrenzenden Ventilen bis maximal zur Bodenmitte bis 50% der Anzahl mit Ventiltellern versehen sind, deren Ränder bis zu 2/3 des Umfangs schräg nach unten gebogen sind. Dabei zeigt der nach unten gerichtete Teil .

zum Zulauf.

Entsprechend der Flüssigkeitsbelastung der Stoffaustauscheinheit liegt die Oberkante des Ablaufwehres unterhalb, auf gleicher Höhe oder oberhalb der Unterkante der über dem Kreuzgegenstromboden angeordneten Packung*

Die Perforation in den Lamellen ist beidseitig im Wechselangeordnet und die Größe der Perforation nimmt in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes ab.

Die Distans der parallel zueinander verlaufenden Lamellen in Richtung zu den beiden Randzonen der Packung an der Kolonnenwand nimmt zu. Der parallele Verlauf der Lamellen ist zickzackförmig oder gerade gestaltet

Ton besonderem Vorteil der Erfindung ist, daß die Richtung der Durchtrittsöffnungen in der Abscheideeinrichtung in

Abhängigkeit vom Kolonnendurchmesser gleich oder unterschiedlich verläuft.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels nähe erläutert* Dieses Beispiel bezieht sich auf die Neuausführung einer Kolonne«

Die"dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig, 1: Stoffaustauscheinheit im Schnitt Fig. 2: Schnitt AA aus Fig_e 1 Fig«, 3* Schnitt BB aus Fig. 1

Die Stoffaustauscheinheit besteht im wesentlichen aus drei Elementen, dem Kreuzgegenstromboden 1 mit Ablaufwehr 2, der darüberliegenden Packung 3 und der Abscheideeinrichtur, Der ICreuzgegenstromboden 1 ist als Ventilboden ausgebildet Die Ventile 5 sind gerne, Fig. 1 bis Bodenmitte zu 50% mit

Ventiltellern 6 versehen, deren Ränder 7 zu 1/3 &^es Umfange schräg nach unten gerichtet sind. Der nach unten gerich- te.te Teil 8 zeigt zum Zulauf 9 hin. In einem Abstand, der der 3~-f&chen maximalen Hubhöhe der Ventile 5 entspricht, iet eine Packung 3 angeordnet« Diese besteht aus perforier ten Lamellen 10_s die mit Distanz parallel zueinander vom Zu- zum Ablauf 9? ΊΊ des Kreuzgegenstrombodens 1 verlaufer

Gemäß Fig. 2 ist der parallele Verlauf der Lamellen 10 zickzackförmig gestaltet. Die Teilung der Ventile 5 ist diesem Verlauf angepaßt,

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Zur Sicherung einer gleichmäßigen Plussigkeitsverteilung über die gesamte Breite des Kreuzgegenstrombodens 1 und eines ungestörten Flüssigkeitsabflusses sind die Lamellen kürzer als der Abstand zwischen Zu- und Ablauf 9l Ί1? so daß ein freier Baum am Zulauf 9 und Ablauf 11 besteht. Zur Vermeidung von Toträumen sind die Lamellen 10 im Bereich der Kolonnenwand 13 mit größerem Abstand zueinander angeordnet. Dabei besteht außerdem wie am Zu- und Ablauf 9? 11 äes Kreuzgegenstrombodens 1 ein freier Kaum 12 zwischen Packung 3 und Kolonnenwand 13· Aus Fig, 3 is"*³ äie wechselseitige Perforation der Lamellen ersichtlich» Von oben gesehen weist diese Perforation keine freien Durchtritte auf

. unmittelbar über der Packung 3 ist die Abscheideeinrichtung 4 angeordnet, die die gesamte Bodenfläche einschließlich des Ablaufes 11.überdeckt.

Diese Abscheideeinrichtung 4 ist gemäß Fig. 1 zweilagig gestaltet und besteht wiederum aus fonnperforiertem Material? bei dem die Richtung der Durchtrittsöffnungen 14 wechselt innerhalb Jeder Lage und ist von Lage zu Lage versetzte Die Größe der Perforation im Material der Abscheideeinrichtung 4 nimmt von Lage zu Lage.nach oben ab. Bei Verwendung der erfinderischen Lösung für die Rekonstruktion vorhandener Kolonnen mit Kreuzgegenstromböden ohne Tränsporteffekt wird die Packung 3 über dem Kreuzgegenstromboden 1 so hoch angeordnet, daß der durch die Packung 3 entstehende zusätzliche Flüssigkeitsgradient gering bleibt·

Die Wirkungsweise der Erfindung ist wie folgt:

Hachde.m die Flüssigkeit aus dem Zulauf auf die aktive Bodenfläche geströmt ist, wird sie durch den Gas- bzw. Dampfstrom, der durch die spezielle Gestaltung der Ventile eine Förderwirkung besitzt, teils schräg nach oben in die Packung und teils in Richtung zum Ablauf gefördert.

Durch die Benetzung der Packung stellt für den Stoffaus-. tausch gegenüber konventionellen Böden eine wesentlich größere Fläche zur Kontaktierung der Phasen zur Verfügung, Durch die erfindungsgemäße Förderwirkung der Ventile auch in Richtung des Ablaufs wird der Flüssigkeitsgradient zwischen dem Zu- und Ablauf abgebaut, so daß eine gleichmäßige Begasung des Bodens erreicht wird* Die Oberfläche des aufsteigenden Flüssigkeitsfilmes wird durch die in den Lamellen vorhandene Perforation vergröße: und ständig erneuert.

Die nach unten gerichtete Perforation der Lamellen führt dabei zu einer teilweisen Bückführung der Flüssigkeit auf den Boden. Dadurch wird das Entrainment verringert uns ein zusätzlicher Rektifiziereffekt erzielt.

Die in der Packung noch nicht abgeschiedene Flüssigkeit gelangt mit deta Gas- bzw« Dampfstrom in die über der Packung angeordnete Abscheideeinrichtung« Hier wird sie durch Prallwirkung abgeschieden und durch die Eichtungsorientierung der Perforation zur Kolonnenwand transportiert.

Mit der erfindungsgemäßera Stoffaustauscheinheit wird aufgrund der beschriebenen Vergrößerung der.Phasengrenzfläche und deren ständiger Erneuerung.eine beträchtliche Verbesserung der Trennwirkung erzielt« Gleichzeitig tritt durch die Wirkungsweise der Abscheideeinrichtung, d.h. bei erhöhten Gasbelastungen wird die mi" geriseene Flüssigkeit auf den Kreuzgegenstromboden zurückgeführt, so daß keine negative Beeinflussung durch Rück-Vermischung eintritt, eine. Vergrößerung.des Arbeitsbereiches ein. .

Diese Vorteile bewirken, daß gegenüber bekannten Stoffaustauscheinrichtungen die Kolonnenhöhe durch Verringeruni der Bodenanzahl reduziert wird .bzw. bei Beibehaltung der vorhandenen 'Bodenzahl das Rücklaufverhältnis abgesenkt wird, so daß die Kolonne energetisch effektiver arbeitet

und der Kolonnendurchmesser durch die verminderten inneren Volumenströme-kleiner dimensioniert werden kann, bzw* die Verarbeitungskapazität der Kolonne ansteigt. Damit wird bei jedem Anwendungsfall die Raum/Zeit-Ausbeute positiv beeinflußt.

Claims

- 1 Erfind u ngsanspruch

1· Stoffaustauscneinheit, "bestehend aus Kreuzgegenstromboden mit Ablaufwehr u-nd darüber angeordneter Packung, dadurch, gekennzeichnet, daß der Kreuzgegenstromboden (1) als Ventilboden gestaltet ist, wobei die Ränder. (7) der Ventilteller (6) zur Packung (3) hin schräg nach oben gerichtet sind und die Anordnung der Ventile (5) im Kreuzgegenstromboden (1) gleichartig zur Orientierung der Elemente der darüber liegenden Packung ('. verläuft und daß in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsund Dampfbelastung des Ventilbodens in mindestens der doppelten Hubhöhe der Ventile (5) oberhalb der Bodenplatte eine Packung (3), bestehend aus senkrechten in Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit und mit Distanz •parallel zueinander verlaufenden perforierten Lamellen (K angeordnet ist» ujid die einen Abstand zwischen sich und dem Zu- und Ablauf (9i H)» sowie zur Kolonnenwand (13) aufweist, wobei die Perforation der Lamellen (10) nach unten orientiert ist und daß darüber eine direkt an~ grenzende die gesamte Bodenfläche überdeckende horizontale Abscheideeinrichtung (4) angeordnet ist, die aus formperforiertem senkrecht zur Kolonnenachse richtungsorientierten Material mit flüssigkeitsabführenden Öffnung!

besteht_e . .

2«, Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den am Zulauf (9) angrenzenden Ventilen bis maximal zur Bodeninitte bis 50 % der Anzahl mit

mit Ventiltellern (6) versehen sind, deren Ränder (7) bis zu 1/3 des Umfangs schräg nach unten gebogen sind, ' wobei der nach unten gerichtete Teil (8) zum Zulauf (9) zeigt. ·

.

3» Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der Flüssigkeitsbelastung der Stoffaustauscheinheit die Oberkante des Ablaufwehres (2) unterhalb, auf gleicher Höhe oder oberhalb der Unterkante der über dem Kreuzgegenstromboden (1) angeordneten Packung (3) liegt.

4. Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforation in den Lamellen (10) beidseitig im Wechsel angeordnet ist.

5. Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 bis A-, dadurch . gekennzeichnet, daß die Größe der Perforation in den Lamellen (10) in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes abnimmt.

6· Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz der parallel zueinander verlaufenden Lamellen (10) in Richtung zu den beiden Randzonen der Packung (3) an der Kolonnenwand (13) zunimmt.

7. Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der parallele Verlauf der Lamellen (10) zickzackförmig oder gerade gestaltet ist.

8. Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Durchtrittsöffnungen (14) in der .Abscheideeinrichtung.-(4) in Abhängigkeit vom Kolonnendurchmesser über den'gesamten Querschnitt gleich oder unterschiedlich verläuft«

9. Stoffaustauscheinheit nach Punkt 1 Ms 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrlagiger Abscheideeinrichtung (4) die Richtung der Durchtrittsöffnungen (14) über den Querschnitt von Lage zu Lage versetzt verläuft.

10. Stoffaustauscheinheit nach Punkt. 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Perforation in der Abscheideeinrichtung (4) in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes abnimmt.

11. Stoffaustauscheinheit nach Punkt-1.und 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Rekonstruktion existie render Bodenkolonnen ansteile des Ventilbodens für die Stoffaustauscheinheit die Hauptbestandteile des vorhandenen Kreuzgegenstrombodens angeordnet bleiben, wobei der Abstand zwischen der Oberkante·der Austauschelemente des vorhandenen Kreuzgegenstrombodens u-nd "der Packung gemäß Punkt 1 das Doppelte der Höhe des Ablaufwehres beträgt.

Seiten Zeichnungen