DD219677A1 - Packung fuer den stoff- und waermeaustausch - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolonnenpackung fuer die Kontaktierung fluider Stoffe, insbesondere auf dem Gebiet der Rektifikation, der direkten Waermeuebertragung und der Reaktionstechnik. Ziel ist die Schaffung einer konstruktiv einfachen, mattenartig stapelbaren Packung. Aufgabe ist die Verwirklichung einer wenig behinderten, druckverlustarmen Hauptstroemungskomponente unter Ausbildung einer groesseren Anzahl von stroemungsteilenden Kanten, bei konsequenter Einhaltung des Prinzips der Verflechtung von Teilstroemungen zur Erzeugung guter Selbstverteilungseigenschaften. Das wird dadurch erreicht, dass zu unterschiedlich grossen offenen Hohlkoerpern verformte Einzelelemente so vertikal gestapelt werden, dass groessere durchgaengige rinnenartige Kanaele entstehen, die sich in ihren Randzonen nur teilweise, jedoch mit einer groesseren Kantenzahl, ueberdecken. Die Erfindung ist in der chemischen, pharmazeutischen und der Lebensmittelindustrie einsetzbar. Fig. 1

Description

Packung für den Stoff* und Wärmeaustausch Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine geordnete Kolonnenpackung für die Kontaktierung fluider Stoffe, speziell für die Flüssig-Dampf-Gas) Kontaktierung auf dem Gebiet der Rektifikaton, Absorption, Gasbefeuchtung, der direkten Wärmeübertragung, flüssigflüssig-Extraktion sowie für die Vermischung geringviskoser und zähfließender Komponenten und Phasen mit Einsatzgebieten in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie.

Die Kolonnenpackung zeichnet sich durch eine hohe Intensität des Impulsaustausches und der Stoff- und Wärmeübertragung bei gleichzeitig günstigen Mischungs- und Verteilungseigenschaften und optimal niedrigem Druckverlust aus. J

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits Kolonnenpackungen bekannt, die aus mindestens gruppenweise parallel angeordneten, mattenartigen, rinnenbildenden Kontaktelementen aus räumlich verformtem Material oder mit speziell aus Öffnungen ausgeformten Leitvorrichtungen oder auch Streckformstoffen bestehen, die auch alternierend unter verschiedenen, von der Senkrechten abweichenden Winkeln gegeneinander orientiert sein können, dabei Kanäle mit einer Vorzugsströmungsrichtung bildend, wobei zusätzlich durch horizontal und vertikal alternierende Versetzung oder Verdrehung ständig die Strömungsrichtung zwischen benachbarten sowie höhenversetzt darunter und darüber angeordneten Elementen geändert wird, mit dem Ziel einer örtlich guten Durchmischung und einer hohen Austäuschintensität bei optimal niedrigem Druckverlust. Auf dem Gebiet statischer Mischer wird beispielsweise in der PS-CH 578 369 eine Einrichtung beschrieben, die aus schräg alternierend, senkrecht zur größten Flächenausdehnung gegeneinandergesetzten, zickzackartig-dachförmigen Streifen bzw. auch Riffelplatten schichtartig, Pakete bildend, zusammengesetzt ist. Die Einbauten sind auch für Stoff- und Wärmeaustauschprozesse einsetzbar, insbesondere für die Reaktionswärmeführung in Kolonnenapparaten, mit dem Ziel der Vermischung von Stoffteilströmen im Einzelelement, wobei nachteilig lediglich zwei Grundströme in einer Ebene schräg aneinander vorbei geführt werden. Nachteilig ist weiterhin, wie auch bei der DE-PS-1 253 673, daß bei symmetrischer Ausbildung der dachförmigen Elemente (mit Querschnitten gleichseitiger oder gleichschenkliger Dreiecke) lediglich quadratische, bestenfalls rechteckig ausgebildete Strömungskanäle entstehen, wobei höhenversetzt von Paket zu Paket, lediglich ein Strömungskanal mit vier vor- oder nachgeordneten anderen Kanälen kommunizieren kann. In einer Anzahl von Kolonnenpackungen mit zickzackartig-dachförmig gewinkelten perforierten Mattenmaterialien und bevorzugt orientierter Hauptströmungsrichtung, wie in der DD-WP 82 457 und in der Patentanmeldung DD-WP 206 326 wird versucht, über zusätzliche Durchtrittsöffnungen mit angebrachten Leitvorrichtungen, vorzugsweise als dreiseitig herausgebrochene kleinere Schnittflächen oder dachartig über zwei Schnittflächen herausgeformte Abdeckung, zwischen den Mattenschichten eine zusätzliche Prallwirkung und Vermischung des Stromes durch ein Elen\ent mit benachbarten Elementen zu erreichen. Nachteilig ist dabei, daß durch Leiteinrichtungen mit ihrem relativ starken Anstellwinkel zur Hauptströmungsrichtung zusätzliche Druckverluste in der in ihrer Ausbildung gestörten Kanalströmung entstehen. Neben der nicht ausreichend konsequenten Verwirklichung einer Strömungsverflechtung sind die Leiteinrichtungen auch bevorzugte Angriffsorte korrosiver Einflüsse.

In einer Veröffentlichung (R. Manteufel, Verfahrenstechnik 10 (1975) 6,381-86) werden die Vorzüge einer sogenannten Impulspackung ausgewiesen, die aus pyramidenstumpfartigen einzelnen Formhohlkörpern derartig zusammengesetzt ist, daß räumlich alternierende Querschnittsänderungen im und am Element austauschfördernde Wirkungen erzeugen. Die Packung besitzt gute Selbstverteilungseigenschaften, die allerdings statistisch und nicht über den Kolonnenquerschnitt mit gezieltem Richtungswechsel erzeugt werden. Unvorteilhaft ist, daß die Einzelelemente in kleinsten Einheiten orientiert gepackt werden müssen. Eine druckverlustarme intensive und großräumige Quervermischung durch zwangsweise Strömungsverzweigung auf benachbarte Austauschelemente tritt auch bei einer Packung (DD-WP 145 154), erzeugt aus geneigten, pyramidale Grundkörper ausbildende Flächenelemente zur Führung örtlich auftretender Kreuz-Gegenströme, nichtauf. Ejn weiterer Vorschlag (DD-WP 204 851) vereinigt^war die Vorteile einer zwangsweise erzeugten Impulswirkung im Element bei gleichzeitiger alternierender Querauslenkung der Strömung innerhalb einzelner, in der Hauptströmungsrichtung aufeinanderfolgender Packungspakete bei fertigungsgünstiger Herstellung aus Mattehmaterial, besitzt aber andererseits auch den herstellungstechnischen Nachteil einer Erfordernis von komplizierten, Durchdringungskörper ausbildende verwundener und in sich verstreckter Flächen, mitunter auch gekrümmter Biegekanten. ' ·

Damit folgt, daß das Problem einer Schaffung druckverlustarmer Packungen mit rinnenartig-kanalisierter Strömungsführung bei alternierender querverteilender Richtungsauslenkung, mit Ausbildung einergrößeren Anzatit von Kanten für die Neu- und Umverteilung auch höherer Flüssigkeitsanteile auf benachbarte und in Strömungsrichtung nachfolgende Elemente, bei gleichzeitig einfacher Fertigbarkeit aus verfügbaren Plattenvoll- oder Mattenmaterial, bisher noch nicht befriedigend gelöst ist.

Ziel der Erfindung . ^v ' ' · '

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer konstruktiv und fertigungstechnisch einfachen mattenartigen Kolonnenpackung mit im Vergleich zu bekannten Lösungen erniedrigtem Verhältnis von Druckverlust zu Austauschwirksamkeit.

Aufgabe der Erfindung ' ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Anordnung von senkrecht zur Kolonnenachse in Schichten zusammengesetzten Einzelelementen eine Kolonnenpackung zu entwickeln, die gute Selbstverteilungseigenschaften für beide Phasen über den · Kolonnenquerschnitt bei Einhaltung einer Vorzugsrichtung für das spezifisch leichtere und geringer viskose Fluid, bezogen auf die Kolonnen-oder Reaktorachse, erlaubt.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß durch die alternierende Anordnung von Strömungskanälen unterschiedlichen Querschnitts erreicht wird, daß gezielt örtlich periodische Strömungsräume für das spezifisch leichtere Fluid (z.B. Dampf, Gas) und Zonen vorwiegender Flüssigkeitsführung unter Erzeugung innerer Rezirkulation entstehen. Durch eine fertigungsgunstige, parallele Anordnung der Biegekanten und einer größeren Anzahl der sich von Paket zu Paket überschneidenden Kanten, mit einer erhöhten Anzahl von Abtropfpunkten bei partieller Gegenstromführung beider Phasen erfolgt eine mischungsintensive Verflechtung von Teilströmen unter Beibehaltung einer Hauptströmungsrichtung, die durch vorteilhafte Ausbildung spitze Winkel einschließende Zwickelräume zur Sammlung der Flüssigkeit hervorrufen.

Dünnwandiges streifenartiges Kontaktplatten-oder -mattenmaterial, speziell bestehend aus Streckformstoffen, wird so zickzackartig-dachförmig zusammengefügt, daß Hohlkörper unterschiedlichen Volumens, bei jedoch gleichgroßen, in der Hauptströmungsrichtung beidseitig offenen Grund- und Deckflächen mit mindestens vier Seiten entstehen, die zum Vektor der Hauptströmungsrichtung parallel oder unter einem spitzen positiven Winkel so orientiert sind, daß die benachbarten Elemente einer benachbart parallel angeordneten Schicht dazu zentralsymmetrisch gespiegelt unter gleichem, jedoch negativ /ur Hauptströmungsrichtung spitzem Winkel angeordnet sind. Die Elemente einer Schicht weisen dabei mit ihren zickzackartig dachförmigen Flächen, bezogen auf eine Kollonenquerachse, alternierend spitze und stumpfe Winkel auf, dabei versetzte Hohlkörper mit rhomboidalen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitten bildend. Einzelne, aus Schichten gebildete Pakete werden übereinander, vorzugsweise in Richtung des Hauptströmungsvektors, unter einem von einer Geraden in Querrichtung unterschiedlichen Winkel so gedreht gestapelt, daß sich die Elemente eines Paketes mit den Elementen des in Strörnüngsrichtung hachgeordneten Paketes an ihren Kanten jeweils mindestens sechsmal punktförmig überschneiden, wobei jedes Element eines Paketes mit mindestens fünf Elementen des anderen Paketes etwa gleichteilig oder zu <

unterschiedlichen Flächenanteilen in Verbindung steht.

Besonders günstige Wirkungen entstehen durch die Ausbildung unterschiedlich großer Kontakträume, wobei das spezifisch leichtere Fluid energieverlustarm durch rinnenartige Kanäle größeren Querschnitts strömen kann, sowohl im Inr/eren der Elemente einer Schicht, als auch durch Elemente vor- und nachgedrdneter Schichten. Die spezifisch schwerere Phase bewegt sich bevorzugt entlang der reibenden Wandflächen) besonders in den Zwickelräumen. Hierbei entsteht eine austauschfördernde interne Rezirkulation, die von der Hauptströmung weitgehend abgetrennt ist und die Packung auch für die Prozeßführung unter Vakuum empfiehlt. Sowohl die unterschiedliche Symmetrie als auch (in anderen Varianten) unregelmäßige Begrenzung und Neigung der Kontakträume, im Maßstab kleinerer Elementareinheiten, garantiert erfindungsgemäß trotz bevorzugter Strömungsführung für eine Phase einen guten Ausgleich sich etwaiger radial ausbildender Ungleichyerteilungen beider Fluide. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Packung bestehen in der einfachen Gestaltung der Einzelelemente und in ihrer fertigungsgünstigen Streifenanordnung bei einander parallelen Biegekannten, wobei Sowohl schneidende als auch kantende Verformungstechnologien in einem Arbeitsgang einsetzbar sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Zwei herausgehobene Streifen einer Elementschicht in Schrägaufsicht mit dem Grundkörper rhomboidales gerades

Prisma; im Verbund eines Packungspaketes (einer Elementschicht), ,

Fig.2: wie Fig. J, jedoch mit dem Grundkörper rhomboidales schiefes Prisma, Fig. 3: Aufsicht auf zwei übereinanderliegende Elementschichtstreifen, Fig.4: wie Fig.3, jedoch mit zentralsymmetrischer Spiegelung der Elementstreifen, Fig. 5: Elementarzelle der Packung nach Fig. 1 und 3, Fig.6: auf Fig.4 übertragene Elementarzelle gemäß Fig. 5 und

Fig.7: wie Fig.3, jedoch mit in Querrichtung lediglich zueinander versetzt angeordneten Elementstreifen. Anhand der Zeichnungen werden vier Ausführungsmöglichkeiten erläutert, ohne dadurch das Wesen der Erfindung einzuschränken. Die Erfindung besteht aus innerhalb eines Rohres oder Kolonnenmantels angeordneten unperforierten oder perforierten Elementstreifen 1, die so um Biegekanten 2 verformt sind, daß mehrere offene Grund- und Deckflächen bildende, untere und obere Kanten 3 innerhalb eines Streifens in Querrichtung aufeinanderfolgend zueinander spitze, stumpfe und angenähert oder genau rechte Winkel bilden (Fig. 1 und 3). Die längs einer der beiden Diagonalen eines Elements 4 verlaufende Querachse ist dabei Bestandteil einer durch die Biegekanten 2 (Fig. 1) verlaufenden Symmetrieebene für die beiden zueinander gehörenden Streifen 1 und V. In einer Elementschicht 5 entstehen dabei rhomboidale gerade Prismen, die jeweils zueinadoi um 90° verdreht und versetzt sind. Zwischen zwei jeweils einander zugeordneten Elementstreifen 1 und 1' entstehen als Hohlkörper Quader, die jeweils um einen halben spitzen Öffnungswinkel der offene Grund- und Deckflächen bildenden Rhomben zueinander verdreht sind. Die erfindungsgemäße entstehenden Zwickelräume zweier benachbarter Schichten überlappen sich jeweils in den Randzonen der Elemente 4, dabei im Inneren der Elemente 4 größere Freiräume für eine wenig behinderte, druckverlustarme Strömung des spezifisch leichteren Fluids lassend. Mit der in Fig. 5 gemäß Fig. 1'und 3 festgelegten ^

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Elementarzelle der Packung ist ersichtlich, daß jede Kante 3 mindestens in zwei Punkten von einer entsprechenden Kante der vor- oder nachgeordneten Elementschicht geschnitten wird, so daß eine größere Anzahl von Tropfkanten 6 für eine günstige Neuverteilung des spezifisch schwereren Fluids entsteht. Im Beispiel sind je Elementarzelle.über zwei Schichten 5 zwölf Berührungspunkte 7 enthalten (8 im Zelleninneren, 4 auf dem Zellenrand). Es resultieren zwölf Tropfkanten 6. In einer Abänderung dieses Prinzips sind die beiden Elementstreifen 1 und 1' in Querrichtung, von Streifen 1 zum benachbarten Streifen 1'um jeweils die Strecke einer kürzeren oder längeren Basislinie (abhängig von der Orientierung der Rhomben) gegeneinander verschoben (Fig.4), so daß als Kontakträume auch unregelmäßig geformte Polyeder (lediglich mit einer zentralen Symmetrieachsein einem Element 4) entstehen. In dieser Anordnung sind immerhin noch sechs Berührungspunkte 7 (4 im Inneren der Elementarzelle gemäß Fig. 5,2 auf deren Rand) mit acht Tropfkanten 7 (Fig. 6) vorhanden. Eine besonders günstige, lagestabile Anordnung der Elementstreifen 1 entsteht, wenn diese gemäß Fig. 7, als Streifen V um die Querachse gespiegelt, jedoch 1 gegenüber 1' um die Strecke der längeren Basislinie versetzt so in der Elementschicht gestapelt werden, daß die Scheitelpunkte der gebildeten spitzen und stumpfen Winkel koinzidieren. Dabei erhöht sich zweckmäßig die Anzahl der bevorzugt flüssigphaseführenden spitzwinkligen Zwickelräume, die Zahl der Berührungspunkte in der mit Fig. 5 gebildeten ursprünglichen Elementarzelle auf 18, dabei gleichzeitig größere Hohlkörper als Elemente 4 für die bevorzugte Strömung des spezifisch leichteren Fluids (größere Vermischungsräume in Querrichtung) freilassend. Eine weitere Abänderung entsteht dadurch, daß die Biegekanten 2 gegen die Vertikale unter spitzem Winkel geneigt sind, sowohl alternierend von Streifen 1 zu Streifen 1'innerhalb einer Schicht 5, als auch unter dem gleichen spitzen Winkel von Schicht zur angrenzenden Schicht 5, jedoch bei unter spitzem Winkel verschiedener Ausrichtung im Raum (Fig. 2). Dabei entsteht in unterschiedlichen horizontalen Schnittebenen einer Schicht 5 ein Fig.4 analoges Schnittbild. Die unterschiedlich geneigten Biegekanten 2 innerhalb einer Schicht berühren sich dabei punktförmig, an ihren horizontalen unteren und oberen Kanten 3 Elementarzellen gemäß Fig. 6 bildend.

Die spitzen Winkel der zwischen den Streifen 1 und V gebildeten Rhomben liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 45° und 75°, bei gleich oder ungleichlanger Ausbildung zweier in Querrichtung aufeinanderfolgenden Kanten 3, vorzugsweise in ' Verhältnis 1:1 bis 1:1,5. Das Verhältnis der Länge der vertikalen Kante 2 zu einer längeren Kante 3 beträgt 3:1 bis 5:1. Die Wirkungsweise der erfindungsgemißen Einrichtung ist wie folgt:

Die erfindungsgemäße Packung arbeitet bei Rektifikation und Absorption im Gegenstrom beider Phasen, mit partiellem Gleichstrom in den größeren Kontaktelementen; indertechnischen Reaktionsführung, als Extraktorund Mischer im Gleichstrom beider Phasen, hier vorzugsweise mit Kplbervströrnung. ι

Im ersten Falle steigt der Dampf (das Gas) in senkrechter Hauptrichtung aufwärts und durchdringt die in aufeinanderfolgenden Schichten 5 angeordneten Elemente 4 in zur Hauptachse paralleler Richtung oder in einem spitzen Winkel, alternierend abweichend vor der vertikalen Strömungskomponente. Die Flüssigkeit benetzt die Innen- und Außenflächen eines jeden Elements 4, wobei das Gas tangential scherend auf die Flüssigkeit auftrifft. Die Biegekanten 2 wirken sowohl als Stromteiler und Abreißkanten (für die nächst höhere) als auch als Tropfkanten (für die nächst tiefergelegenen) Schicht 5. Zwischen übereinanderliegenden Elementen 4 wird (mit dem Ausnahmefall identischer Orientierung) konsequent das Prinzip der Stromteilung, -umlagerung und Verflechtung, für beide Phasen gleichermaßen, verwirklicht. Die unter spitzem Öffnungswinkel ausgebildeten Zwickelräume der Elemente 4 sind bevorzugte Sammlungsorte für die flüssige Phase und sorgen für deren gute Querverteilung innerhalb der Packung.

Claims (4)

1. \ -1- 257 429

   Erfindungsansprüche: -

   1. Packung für den Stoff-und Wärmeaustausch, die aus senkrecht zur Kolonnenachse in Reihen und Schichten zusammengefaßten regulär geordneten, rinnenbildenden Einzelelementen aus zickzackartig verformten streifenartigen Voll- oder Manenmaterial besteht; dabei Kontakträume örtlich wechselnder Orientierung bezüglich einer Vorzugsrichtung bildend, dadurch gekennzeichnet, daß Elementstreifen (1 und 1') zu Elementen (4) in Elementschichten (5), Hohlkörper in alternierend unterschiedlicher Orientierung, Gestaltung und Abmessung darstellend, zusammengefaßt werden, wobei die unteren und oberen Kanten (3) offene horizontale Grund- und Deckflächen bezüglich der Vertikalen oder der im spitzen Winkel dazu geneigten körperbildenden Biegekanten (2) erzeugen, hierbei die Kanten (3) miteinander in Querrichtung von (1)in alternierender Reihenfolge spitze, angenähert rechte und stumpfe Winkel ausbilden, deren Scheitelpunkte jeweils in den Biegekanten (2) liegen. , .
2. 2. Packung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus jeweils den Streifend und T) zwischen zwei symmetrisch gespiegelten unteren und oberen Kanten (3) gebildeten spitzen Winkel vorzugsweise im Bereich zwischen 4S^ö,und 75° liegen. , , . '
3. 3. Packung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei in Querrichtung aufeinanderfolgende Kanten (3) eines Streifens (Dein Längenverhältnis von vorzugsweise 1:1 bis 1:1,5 aufweisen.
4. 4. Packung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementstreifen (1) gegenüber ihrem Analoga (1') in Querrichtung versetzt oder symmetrisch gespiegelt und in Querrichtung versetzt innerhalb einer Elementschicht (4) .'lnyoorrinet sind.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen