DD158205B1 - Stoffaustauscheinheit - Google Patents

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauscheinheit fur die Gas/Dampf-Flussigkeits-Kontaktierung in Kolonnen Mit dieser Austauscheinheit werden verschiedene Prozesse, wie beispielsweise Rektifikation, Absorption, Desorption, Chemosorption und direkte Wärmeübertragung realisiert

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Gem DD-PS 107 212 ist die Verwendung von Hochleistungspackungen zur Verbesserung des Stoff und Wärmeaustausches in Rektifizierkolonnen bekannt Die Losung ist dadurch gekennzeichnet, daß an den Phasengrenzgebieten der belasteten Austauschboden in den kritischen Belastungszonen von Rektifizierkolonnen Hochleistungspackungen angebracht werden, wobei die Packungselemente der Hochleistungspackung sowohl in die dampf- als auch flussigkeitsbelasteten Zonen eines Austauschbodens hineinragen Die Hochleistungspackungen sind in den kritischen Belastungszonen, insbesondere im Bereich der Einlaufsektion und der Kopfsektion der Rektifizierkolonne angeordnet

Diese Losung hat den Nachteil, daß die angestrebte Trennwirkungsverbesserung nur bei solchen Kolonnensektionen wirksam wird, in denen die zulassige Dampfegrenzgeschwindigkeit überschritten wird und ein verstärktes Mitreißen von Flussigkeitsteilchen 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 zusatzliches Element in den belastungsmaßig 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 derTrennleistung aller Boden einer Kolonne durch Einsatz dieser Losung tritt nicht ein, weil Boden und Packung in ihrer hydraulischen Arbeitsweise nicht aufemande' abgestimmt sind Das ist damit begründet, daß mit dem vorgeschlagenen Austauschboden ohne zusatzliche Ausgestaltung keine gezielte Flussigkeitseintragung bei normaler Belastung in die Packung erreicht werden kann

Ein weiterer Nachteil auf Grund derfehlenden zusatzlichen Ausgestaltungen des Austausch bodens und derfehlenden hydraulischen Abstimmung zwischen Boden und Packung besteht darin, daß bei der vorgesehenen Anordnung der Packung teilweise in der Flussigkeitsschicht des Bodens ein hoher Flussigkeitsgradient vom Zu- zum Ablauf eintritt, wodurch der Arbeitsbereich des Bodens eingeschränkt ist und ein starkes Abregnen der Flüssigkeit besonders am Zulauf nicht vermeidbar

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 Packung nur wenig mit Flüssigkeit benetzt, wodurch dieser Teil der Packung fur den Stoffaustausch nicht wirksam wird

Durch die Ausfuhrung der Hochleistungspackung aus einheitlich strukturiertem Material kann die Packung der unterschiedlichen Funktionen, sowohl zur Verbesserung der Trennwirkung des Bodens als auch zur Abscheidung der vom Boden mitgerissenen Flüssigkeit, nicht gleichermaßen gerecht werden

Bei der vorgesehenen Anordnung der einheitlich strukturierten Packung im Phasengrenzgebiet Dampf/Flussigkeit wird die Flussigkeitsruckfuhrung aus der Packung nicht erreicht und die erzielte Trennwirkungsverbesserung größtenteils wieder aufgehoben

Durch die nur teilweise Uberdeckung der aktiven Bodenflache tritt an den freien Flachen infolge der Gasbypaßstromung ein hohes Entrainment auf Dieser Nachteil wirkt sich besonders negativ im Bereich des Flussigkeitsablaufes aus Die einheitliche Struktur des Materials ist fur die hydraulische Arbeitsweise im Bereich der Kolonnenwand von Nachteil Die in diesem Bereich ohnehin vorhandenen Totraume werden dadurch noch vergrößert, wodurch insgesamt die Trennwirkungsverbesserung wiederum teilweise kompensiert wird.

Ziel der Erfindung

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

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stoffaustauscheinheit zu entwickeln aus einer hinsichtlich der Arbeitscharakteristik aufeinander abgestimmten Kombination eines Kreuzgegenstrombodens mit Flussigkeitsforderwirkung mit die Trennleistung verbessernden und das Entrainment reduzierenden Einrichtungen Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht daß der Kreuzgegenstromboden als Ventilboden gestaltet ist, wobei die Anordnung der Ventile im Kreuzgegenstromboden gleichartig zur Orientierung der Elemente der darubesiegenden Packung verlauft Oberhalb der Bodenplatte ist in Abhängigkeit von der Flussigkeits- und Dampfbelastung des Ventilbodens in mindestens der doppelten Hubhohe der Ventile eine Packung angeordnet Sie besteht aus senkrechten in Hauptstromungsrichtung der Flüssigkeit und mit Distanz parallel zueinander verlaufenden perforierten Lamellen und weist einen Abstand auf zwischen sich und dem Zu- und Ablauf sowie zur Kolonnenwand Dabei ist die Perforation der Lamellen nach unten orientiert Die über der Packung direkt angrenzende Abscheideeinrichtung besteht ausformperforiertem und senkrecht zur Kolonnenachse richtungsorientiertem Material mit flussigkeitsabfuhrenden Offnungen

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 Rander bis zu ²/3des Umfanges schräg nach unten gebogen sind Dabei zeigt der nach unten gerichtete Teil zum Zulauf

Die Perforation in den Lamellen ist beidseitig im Wechsel angeordnet und die Große der Perforation nimmt in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes ab

Die Distanz der parallel zueinander verlaufenden Lamellen in.Richtung zu den beiden Randzonen der Packung an der Kolonnenwand nimmt zu Der parallele Verlauf der Lamellen ist zickzackformig oder gerade gestaltet Bei mehrlagiger Abscheideeinrichtung verlauft die Richtung der Durchtrittsoffnungen über den Querschnitt von Lage zu Lage versetzt

Die Große der Perforation in der Abscheideeinrichtung nimmt in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes ab Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß anstelle des Ventilbodens ein Kreuzgegenstromboden ohne Transporteffekt angeordnet ist

Die Erfindung wird an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert Dieses Beispiel bezieht sich auf die Neuausfuhrung einer Kolonne

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 Stoffaustauscheinheit im Schnitt, Fig.2' Schnitt AA aus Fig 1, Fig 3 Schnitt BBausFig 1,

Die Stoffaustauscheinheit besteht im wesentlichen aus drei Elementen, dem Kreuzgegenstromboden 1 mit Ablaufwehr 2, der daruberliegenden Packung 3 und der Abscheideeinrichtung 4 Der Kreuzgegenstromboden 1 ist als Ventilboden ausgebildet Die Ventile 5 sind gem Fig 1 bis Bodenmitte zu 50% mit Ventiltellern 6 versehen, deren Rander 7 zu Ѵз des Umfanges schräg nach unten gerichtet sind Der nach unten gerichtete Teil 8 zeigt zum Zulauf 9 hin In einem Abstand, der der 3fachen maximalen Hubhohe der Ventile 5 entspricht, ist eine Packung 3 angeordnet Diese besteht aus perforierten Lamellen 10, die mit Distanz parallel zueinander vom Zu- zum Ablauf 9, 11 des Kreuzgegenstrombodens 1 verlaufen Gemäß Fig 2 ist der parallele Verlauf der Lamellen 10 zickzackformig gestaltet Die Teilung der Ventile 5 ist diesem Verlauf angepaßt

Zur Sicherung einer gleichmäßigen Flussigkeitsverteilung über die gesamte Breite des Kreuzgegenstrombodens 1 und eines ungestörten Flussigekeitsabflusses sind die Lamellen 10 kurzer als der Abstand zwischen Zu- und Ablauf 9, 11, so daß ein freier Raum am Zulauf 9 und Ablauf 11 besteht Zur Vermeidung vonTotraumen sind die Lamellen 10 im Bereich der Kolonnenwand 13 mit größerem Abstand zueinander angeordnet Dabei besteht außerdem wie am Zu- und Ablauf 9, 11 des Kreuzgegestrom bodens 1 ein freier Raum 12 zwischen Packung 3 und Kolonnen wand 13 Aus Fig 3 ist die wechselseitige Perforation der Lamellen 10 ersichtlich Von oben gesehen weist diese Perforation keine freien Durchtntte auf

Unmittelbar über der Packung 3 ist die Abscheideeinrichtung 4 angeordnet, die die gesamte Bodenflache einschließlich des Ablaufes 11 überdeckt

Diese Abscheideeinrichtung 4 ist gemäß Fig 1 zwei lag ig gestaltet und besteht wiederum aus form perforiertem Material, bei dem die Richtung der Durchtrittsoffnungen 14 wechselt innerhalb jeder Lage und ist von Lage zu Lage versetzt Die Große der Perforation im Material der Abscheideeinrichtung 4 nimmt von Lage zu Lage nach oben ab.

Bei Verwendung der erfinderischen Losung fur die Rekonstruktion vorhandener Kolonnen mit Kreuzgegenstromboden 1

ohne Transporteffekt wird die Packung 3 über dem Kreuzgegenstromboden 1 so hoch angeordnet, daß der durch die Packung entstehende zusatzliche Flussigkeitsgradient gering bleibt

Die Wirkungsweise der Erfindung ist wie folgt

Nachdem die Flüssigkeit aus dem Zulauf auf die aktive Bodenflache geströmt ist, wird sie durch den Gas- bzw Dampfstrom teils schräg nach oben in die Packung und teils in Richtung zum Ablauf gefordert Durch die Benetzung der Packung steht fur den Stoffaustausch gegenüber konventionellen Boden eine wesentlich größere Flache zur Kontaktierung der Phasen zur Verfugung Der Flussigkeitsgradient zwischen dem Zu- und Ablauf wird abgebaut, so daß eine gleichmäßige Begasung des Bodens erreicht wird.

Die Oberflache des aufsteigenden Flussigkeitsfilmes wird durch die in den Lamellen vorhandene Perforation vergrößert und standig erneuert

Die nach unten gerichtete Perforation der Lamellen fuhrt dabei zu einer teilweisen Rückführung der Flüssigkeit auf den Boden Dadurch wird das Entrainment verringert und ein zusatzlicher Rektifiziereffekt erzielt Die in der Packung noch nicht abgeschiedene Flüssigkeit gelangt mit dem Gas- bzw Dampfstrom in die über der Packung angeordnete Abscheideeinrichtung Hier wird sie durch Prallwirkung abgeschieden und durch die Richtungsonentierung der Perforation zur Kolonnenwand transportiert

Mit der erfindungsgemaßen Stoffaustauscheinheit wird aufgrund der beschriebenen Vergrößerung der Phasengrenzfläche und deren standiger Erneuerung eine betrachtliche Verbesserung der Trennwirkung erzielt Gleichzeitig tritt durch die Wirkungsweise der Abscheideeinnchtung, d h bei erhöhten Gasbelastungen wird die mitgerissene Flüssigkeit auf den Kreuzgegenstromboden zurückgeführt, so daß keine negative Beeinflussung durch Ruckvermischung eintritt, eine Vergrößerung des Arbeitsbereiches ein

Diese Vorteile bewirken, daß gegenüber bekannten Stoffaustauscheinnchtungen die Kolonnenhohe durch Verringerung der Bodenanzahl reduziert wird bzw bei Beibehaltung der vorhandenen Bodenzahl das Rucklaufverhaltnis abgesenkt wird, so daß die Kolonne energetisch effektiver arbeitet und der Kolonnendurchmesser durch die verminderten inneren Volumenstrome kleiner dimensioniert werden kann, bzw die Verarbeitungskapazitat der Kolonne ansteigt Damit wird bei jedem Anwendungsfall die Raum/Zeit-Ausbeute positiv beeinflußt

Claims (9)

Erfindungsanspruch:

1 Stoffaustauscheinheit, bestehend aus Kreuzgegenstromboden mit Ablaufwehr, darüber angeordneter Packung und einer darüber direkt angrenzenden die gesamte Bodenflache überdeckenden horizontalen Abscheideeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzgegenstromboden (1) als Ventilboden gestaltet ist, wobei die Anordnung der Ventile (5) im Kreuzgegenstromboden (1) gleichartig zur Orientierung der Elemente der daruberliegenden Packung (3), verlauft und daß in Abhängigkeit von derFlussigkeits-und Dampf belastung des Ventil bodens in mindestens der doppelten Hubhohe der Vent ι Ie (5) oberhalb der Bodenplatte eine Packung (3) bestehend aus senkrechten, in Hauptstromungsrichtung der Flüssigkeit und mit Distanz parallel zueinander verlauf enden perforierten Lamellen (10), angeordnet ist, und die einen Abstand zwischen sich und dem Zu- und Ablauf (9, 11) sowie zur Kolonnen wand (13) aufweist, wobei die Perforation der Lamellen (10) nach unten orientiert ist und daß die Abscheideeinrichtung (4) aus formperforiertem und senkrecht zur Kolonnenachse nchtungsorientiertem Material mit flussigkeitsabfuhrenden Offnungen besteht

2 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den am Zulauf (9) angrenzenden Ventilen (5) bis maximal zur Bodenmitte bis 50% der Anzahl mit Ventiltellern (6) versehen sind, deren Rander (77 bis zu Ѵз des Umfanges schräg nach unten gebogen sind, wobei der nach unten gerichtete Teil (8) zum Zulauf (9) zeigt

3 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforation in den Lamellen (10) beidseitig im Wechsel angeordnet ist

4 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Große der Perforation in den Lamellen (10) in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes abnimmt

5 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 bis 4, 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

6 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der parallele Verlauf der Lamellen (10) zickzackformig oder gerade gestaltet ist

7 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrlagiger Abscheideeinrichtung (4) die Richtung der Durchtrittsoffnungen (14) über den Querschnitt von Lage zu Lage versetzt verlauft

8 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Große der Perforation in der Abscheideeinrichtung (4) in Richtung des aufsteigenden Dampfstromes abnimmt

9 Stoffaustauscheinheit nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Ventilbodens ein Kreuzgegenstromboden (1) ohne Transporteffekt angeordnet ist