DD202508A5

DD202508A5 - Gas-fluessigkeitskontakt in vertikalkolonnen fuer stoff- und waermeaustauschprozesse

Info

Publication number: DD202508A5
Application number: DD82241986A
Authority: DD
Inventors: Ignacy Lachmann; Andrzej Plaskura; Tadeusz Byrka; Marta Koch; Zbigniew Leszcynski; Krzysztof Rogalski; Jozef Zyczynski
Original assignee: Prosynchem
Priority date: 1981-07-29
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1983-09-21
Also published as: GB2104798B; SU1204240A3; AT383286B; IT8222621A0; US4490310A; PL129859B1; ATA276482A; IT1152475B; IT8222621A1; FR2510424A1; GB2104798A; CS560882A2; DE3228045C2; JPS5867336A; SU1204240A1; CS275235B2; DE3228045A1; FR2510424B1; PL232397A1

Abstract

Das erfindungsgemaesse Verfahren des Gas-Fluessigkeit-Kontaktes und die Vorrichtung zu seiner Durchfuehrung finden Anwendung in Vertikalkolonnen fuer Stoff- und Waermeaustauschprozesse. Ziel der Erfindung ist die Intensivierung der Stoff- und Waermeaustauschprozesse zwischen den Medien und ein Kolonnenbetrieb in breiten Stroemungsgrenzen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Gas-Fluessigkeitskontaktzeit in Fuellungen von Vertikalkolonnen bei gleichzeitiger Vergroesserung der Phasengrenzflaechen zu verlaengern, ohne die Fuellungsflaeche uebermaessig ausbauen zu muessen. Diese wird erfuellt, indem der Gas-Fluessigkeit-Kontakt neben dem Gegenstromkontakt ebenfalls in gleichstroemiger Winkelbewegung und im Kreuzstrom miteinander in Beruehrung kommen, dagegen der Medienkontakt zwischen den Fuellungsschichten in turbulenter Bewegung erfolgt. Die zu den Schichten zusammengesetzten Fuellkoerper sind in ihrem unteren Teil durch entsprechende Gestaltung der Waende als Duesen ausgebildet, die den Gasstrom lenken und eine Wirbelbewegung des Fluessigkeits-Gasstromes erzeugen. Anwendungsgebiete der Erfindung sind Operationen wie Destilation, Rektifikation, Extraktion, Absorption, Desorption, Gastrocknung und -anfeuchtung oder Entstaubung. Fig. 1

Description

Berlin, den 18.1.1983

AP F 28 С/241 986/3 61 189/27

Gas-Flüssigkeitskontakt in Vertikalkolonnen für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren des Gas-Flüssigkeitskontaktes in Vertikalkolonnen für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse, insbesondere in solchen Operationen wie Destillation und Rektifikation« Extraktion, Absorption, Desorption, Gastrocknung und -anfeuchtung oder auch Entstaubung, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Stoff- und IVärraeaustauschprozesse, die auf der Bildung von Gas- und Flüssigkeitsströmen in Kolonnen mit Füllung beruhen, verlaufen gewöhnlich in Gegenstrombewegung. In den bekannten und angewandten Arten des direkten Stoff- und Wärmeaustausches erfolgt der Austausch durch den Kontakt des Gases mit dem Flüssigkeitsfilm in Gegenstrombewegung· Die Flüssigkeit fließt an den Wänden der Kolonne und auf dar Oberfläche der Füllkörper herab und kommt mit dem hinaufströmenden Gas in Berührung.

Per Phasenkontakt findet auf der Oberfläche des Flüssigkeitsfilmes statt, wobei in Hinsicht auf die Gegenstrombewegung die Zeit des Kontaktes sehr kurz ist.

Die Zeitdauer des Phasenkontaktes und die Phasengrenzfläche sind in dieser Situation von der Gestaltung der Füllkörper-Oberfläche abhängig.

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Eine übermäBige Vergrößerung derselben ist jedoch durch den Anstieg der Strönungsvviderstände begrenzt.

Um einen intensiven Stoff- und Wärmeaustausch zu erreichen, realisieren die bisher angewandten Füllungen meistens das Prinzip der maximalen Oberflächenentwicklung, Für Industriezwecke v/erden solche Standardfüllungen verwendet wie Rashiringe. Berl- bzw· Intaloxsattelkörper, weiter solche Standardfüllungen wie Ausschnittsringe, Perforringe wie auch spezielle Füllkörper.

Den kompaktesten Aufbau besitzen Paketfüllungen, die aus Paketen von vertikalen bzw. horizontalen Blechen bzw« Röhren zusammengesetzt und durch einen gleichmäßigen Kontakt der Flüssig-Gasphase im Querschnitt gekennzeichnet sind·

Bei vertikalen bzw· horizontalen Blechen fließt die Flüssigkeit als dünner Film herab, und der Phasenkontakt findet auf seiner Oberfläche statt.

Eine der Füllungsabarten sind Rostfüllungen, die in ihrer Wirkung an die Siebböden erinnern. Diese sind aus Lochblechen angefertigt und so geformt, daß sie Kanäle mit Quadratquerschnitt bilden. Die Flüssigkeit fließt an den Wänden herab und vermischt sich mit dem Gasstrom.

Bekannt sind auch zellulare Füllungen in Form von Gittern mit Quadratzellen, wobei die Zellen im unteren Teil so gebogen sind, daß eine Spalte entsteht, durch welche Gas hineinströmt, das in den Zellen den Flüssigkeitsstrom zerteilt, was bedeutend die Kontaktfläche vergrößert.

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Die bisher angewandten Lösungen besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen und Unzulänglichkeiten.

So sind zum Beispiel die Standardfüllungen durch eine geringe Flexibilität gekennzeichnet, die durch die Überfüllungsmöglichkeit, das Fehlen der gleichmäßigen Oberflächenbenetzung und Schlierenbildung entsteht.

Die modernen Standardfüllungen erlauben zwar, die Belastungen zu steigern, weisen jedoch im Vergleich mit den Standardfüllungen einen 2- bis 3fachen Anstieg der Strömungswiderstände auf und sind in Hinsicht auf die komplizierte Form auch schwieriger auszuführen·

Die Paketfüllungen ermöglichen im Verhältnis zu den Standardfüllungen die Belastungssteigerung, einen besseren Phasenkontakt, die Erzielung größerer Geschwindigkeiten und die Herabsetzung der Strömungswiderstände· Sie haben jedoch viel kompliziertere Formen, was ihre Ausführung erschwert·

Zellulare Füllungen mit oben geöffneten Füllkörpern und einer Spalte im unteren Teil sind leicht auszuführen und ermöglichen bei industriellen Anwendungen, Gasgeschwindigkeiten bis 5 m/s (berechnet für den leeren Kolonnenquerschnitt) bei niedrigen Strömungswiderständen·

Bei dieser Füllung kann der Gasstrom jedoch lediglich innerhalb des zellularen Füllkörpers in turbulente Bewegung geblecht und der Flüssigkeitsstrom zerteilt werden· Bei zu großen Flüssigkeits- und Gasbelastungen wird die Flüssigkeit aus den zellularen Füllkörpern hinausgedrängt bzw» über die Füllung wird eine Schaumschicht hinaufgetrieben, was zur Verkürzung der Kontaktzeit führt.

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Ziel der Erfindung

Oas Ziel der Erfindung besteht in der Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens für den Gas-Flüssigkeitskontakt in Vertikalkolonnen für Stoff- und «Värmeaustauschprozesse, mit deren Hilfe der Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den Medien intensiviert und ein Kolonnenbetrieb in breiten Ströraungsgrenzen ermöglicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird, besteht darin, mit Hilfe des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens des Gas-Flüssigkeitskontaktes in der Füllung, die aus Schichten wiederholbarer Füllkörper mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Vieleckes zusammengesetzt ist, von Gegenstrom-Vertikalkolonnen für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse die Gas-Flüssigkeitskontaktzeit bei gleichzeitiger Vergrößerung der Phasengrenzfläche zu verlängern, ohne die Füllungsfläche übermäEig ausbauen zu müssen.

Das Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens des Gas-Flüssigkeitskontaktes in der Füllung von ©egenstrom-Vertikalkolonnen für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse besteht darin, daß neben dem Gegenstromkontakt innerhalb der Füllkörper und in den Füllungsschicht-Zwischenräumen Gas und Flüssigkeit ebenfalls in Gleich- und Kreuzstrom-Wirbelbewegung miteinander in Berührung kommen. Diese Bewegungen werden durch eine entsprechende Gestaltung der Wände erzielt. Zwischen den Füllungsschichten erfolgt der Medienkontakt in einer turbulen-

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ten Bewegung, die durch die Gestaltung und gegenseitige Anordnung Ein- und Ausläufe der Füllkörper hervorgerufen wird. Durch die Anwendung der Gleichstrombewegung bei gleichzeitiger Wirbelung der Ströme innerhalb der Füllkörper wird die Phasenkontaktzeit verlängert und der Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den Strömen intensiviert. Die Wirbelung des Gas-Flüssigkeitsstromes verbessert nicht nur den Wärme- und Stoffaustausch, sondern sichert ebenfalls gegen Absetzen von Verunreinigungen an den Wänden der Füllkörper.

Das Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens des Gas-Flüssigkeitskontaktes in der Füllung von Gegeästrom-Vertikalkolonnen für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse, die aus Schichten wiederholbarer Füllkörper mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Vieleckes zusammengesetzt ist, besteht darin, daß jeder der Füllkörper in seinem unteren Teil in der Form einer Düse gestaltet ist, die durch zwei überlappende gegenüberliegende Wände des Füllkörpers entsteht. Diese Wände bilden gleichzeitig Spalten mit den übrigen Wänden. Die Düse ist so angeordnet, daß der Gasstrom auf die vertikale Wand des Füllkörpers gerichtet wird. Diese Wand besitzt in ihrem oberen Teil Biegungen, es sind Radial- bzw. Winkelbiegungen denkbar, die zugleich eine Verengung des Elementquerschnittes verursachen.

Durch die Biegung wird gleichzeitig die Wirbelung der Flüssigkeits- und Gasströmung gesteigert.

Die wiederholbaren Füllkörper sind schichtenweise angeordnet, wobei die Anordnung der angrenzenden Schichten in horizontalen Ebenen beliebig sein kann, weil die Ein- und Auslauf-

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konstruktion der einzelnen Füllkörper in jeder Lage einen Gas-Flüssigkeitskontakt zwischen den Schichten in turbulenter Bewegung gewährleistet.

Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die vertikalen Abstände arischen den folgen· den Schichten der Füllung je nach den Parametern der Gas-Flüssigkeit sströme von 0 bis zur 3fachen Höhe der Schicht betragen. Für optimale Füllungs-Betriebsbedingungen beträgt der günstigste Abstand 0 bis 1,0 zu der Höhe einer Schicht.

Das Verfahren des Flüssigkeits-Gaskontaktes gemäß der Erfindung sowie die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ermöglichen einen Apparatbet rieb in breiten Strömungsgrenzen beider Medien. Dieser Gas-Flüssigkeitskontakt läßt bei stabilem Kolonnenbetrieb die Anwendung großer Gasgeschwindigkeiten der Reihe 5 m/s und eine Flüssigkeitsbelastung bis 20 kg/m . s zu.

Die erreichten Gasgeschwindigkeiten sind durchschnittlich 5mal höher als bei Standardfüllungen (Raschigringe) bei den· selben Strömungswiderständen in bezug auf 1 ra Füllungsschichthöhe·

Im Vergleich mit den zellularen Füllungen ermöglicht die Anwendung des Gas-Flüssigkeitskontaktes gemäß Erfindung bei derselben Höhe und denselben Flüssigkeits-Gasströmungen eine Erhöhung der Wärme- und Stoffaustauschbeiwerte um durchschnittlich 100 %.

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Ausführunqsbeispiel

Nachstehend soll dia Erfindung an einem Seispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung stellen dar:

Fig. 1: den Schnitt zweier Schichten von Füllkörpern in schematischer Darstellung, das Zusammenwirken der Füllkörper veranschaulichend;

Fig. 2: den Querschnitt einer Schicht der Füllung.

Das Verfahren des Gas-Flüssigkeitskontaktes gemäß der Erfindung sowie die Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens wurden in einer Vertikalkolonne mit dem Durchmesser von φ 200 mm verwendet. In dieser Vertikalkolonne wurden fünf Schichten 1 der Füllung angeordnet mit Abmessungen der Füllkörper 2 von 20 χ 20 χ 40 mm. In den folgenden Schichten 1 wurden die Füllkörper 2 in horizontalen Ebenen einander gegenüber unter einem beliebigen Winkel angeordnet. Die Spaltender Düsen 3 in den Füllkörpern 2 waren dieselben und betrugen 3 mm im kleinsten Querschnitt. In die Vertikalkolonne wurde mit Hilfe eines Ventilators in einem Elektrovorwärmer erhitzte Luft gefördert» Das Wasser wurde in die Vertikalkolonne mittels einer Pumpe aus einem Behälter gefördert· Die über der Füllung angeordnete Brause gewährleistete im Kolonnenquerschnitt eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung·

Ober der Brause war ein Tropfenabscheider angebracht· Die Luft- und Wassertemperatüren wurden mit Fa-Ko-Thermoelementen gemessen« Der Abfall des statischen Gasdruckes bei Strömung durch die Füllung wurde mit dem Wasser-Differenzmanometer gemessen. Die Feuchtigkeit der strömenden Luft

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wurde vor und nach der Vertikalkolonne anhand der Anzeigen des "Feuchtigkeitsthermometers" bestimmt. Der Luftdurch-

2 satz wurde während der Proben von 1,30 bis zu 3,46 kg/m variiert· Ein stabiler Kolonnenbetrieb wurde bei der

2 Wasserbelastung von 1,64 bis 15,12 kg/га .s erreicht.

In dem geprüften Flüssigkeits-Gasströmungsbereich haben sich die Wärraedurchgangszahlen im Bereich von 18 050 bis 122 688 w/m gestaltet·

Die mit dem zellularen Füllkörpersystem durchgeführten Vergleichsversuche haben nachgewiesen, daß bei denselben Betriebsbedingungen die Warmeübergangszahlen für die Lösung gemäß der Erfindung um 120 % höher waren als bei der zellularen Füllung.

'«Vie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Füllung aus Schichten 1 wiederholbarer Füllkörper 2 mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Vieleckes. Die Füllkörper 2 sind in ihrem unteren Teil in Form einer Düse 3 gestaltet, die durch zwei überlappende gegenüberliegende Wände 5; 6 des Füllkörpers 2 gebildet wird. Diese Vs/ände 5; 6 bilden gleichzeitig Spalten mit den übrigen Wänden. Die Düse 3 ist so angeordnet, daß der Gasstrom auf die vertikale Wand 5 des Füllkörpers 2 gerichtet wird, die in ihrem oberen Teil eine Biegung 7, beispielsweise eine Radialbiegung, aufweist«

Die Bewegungen der Gas- und Flüssigkeitsströme sind in Fig. 1 gezeigt, wobei die Gasströme mit einer unterbrochenen und die Flüssigkeitsströme mit einer kontinuierlichen Linie gekennzeichnet wurden«

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Das Gas fließt in den Füllkörper 2 von unten durch die Düse 3 hinein, die die Geschwindigkeitserhöhung desselben verursacht. Die Flüssigkeit wird in den Füllkörper von oben im Gegenstrom zugeführt.

Das aus der Düse 3 herausströmende Gas reißt die herabfließende Flüssigkeit mit und setzt einen Teil derselben rückführend in Wirbel-Gleichstrombewegung.

Die weitere Wirbelung erfolgt dank der Biegung 7 der Wand im oberen Teil* wobei auch an dieser Stelle ein Mitreißen der von oben zufließenden Flüssigkeit durch den wirbelnden Strom stattfindet.

Die innerhalb des Füllkörpers 2 auftretende gleichströmige Wirbelbewegung der Flüssigkeit und des Gases verlängert die Phasenkontaktzeit, intensiviert den Stoff- und Wärmeaustausch und beseitigt überdies die Bildungsmöglichkeit von "toten" Räumen, was das Absetzen von Verunreinigungen in der Füllung verhindert.

Ein Teil des Gasstromes kommt aus dem Füllkörper 2 durch die Verengung in seinem oberen Teil heraus und wird im Zwischenschichtraum durch die gegenseitig angeordneten Ein- und Ausläufe der Füllkörper 2 in eine turbulente Bewegung versetzt. Gleichzeitig erfolgt die Mischung des Gases mit der herabfließenden Flüssigkeit, was die Phasenkontaktflache zusätzlich vergrößert.

Die im unteren Teil der Füllkörper 2 zwischen der Düse 3 und den angrenzenden Wänden 5; 6 entstandenen Spalten bewirken, daß ein Teil des Gases in die Füllkörper 2 gerichtet wird, in Querrichtung zu den aus den Düsen 3 herausfließenden Strömen» Das steigert ebenfalls die Intensität des Phasenkontaktes·

Claims

13.1.1983 A? F 28 С/241 936/3 AC 61 139/27 Erf induncjsanspruch

1. Verfahren des Gas-Flüssigkeitskontaktes in der Füllung, die aus Schichten wiederholbarer Füllkörper mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Vieleckes zusammengesetzt ist, von Gegenstrom-Vertikalkolonnen für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse, gekennzeichnet dadurch, daß neben dem Gegenstromkontakt in den Füllkörpern (2) und den Zwischenschicht räumen Gas und Flüssigkeit in jedem dieser Füllkörper (2) ebenfalls in gleichströraiger Wirbelbewegung und im Kreuzstrom miteinander in Berührung kommen, dagegen der Medienkontakt zwischen den Schichten (1) in turbulenter Bewegung erfolgt,

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Füllkörper (2) in ihrem unteren Teil in der Form einer Düse (3) gestaltet sind, die durch zwei überlappende, gegenüberliegende Wände (5; 6) des Füllkörpers (2) entsteht, welche gleichzeitig Spalten zwischen diesen und den übrigen bilden, wobei die Düse (3) den Gasstrom auf die vertikale Wand (5) des Füllkörpers (2) richtend angeordnet ist und die vertikale Wand (5) in ihrem oberen Teil die Wirbelbewegung des Flüssigkeits-Gasstromes steigernde und gleichzeitig eine Verengung des Querschnittes der Füllkörper (2) bildende Biegungen (7) aufweist«

3_# Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die vertikalen Abstände zwischen den folgenden Schichten (1) von 0 bis zur 3fachen Höhe der Schicht (1) betragen, vorzugsweise von 0 bis zu 1,0 bei beliebiger Anordnung der Schichten (1) in horizontalen Ebenen.

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