DD225052A1

DD225052A1 - Verfahren zum betreiben von rohrbuendel-kontaktapparaten im blasenregime

Info

Publication number: DD225052A1
Application number: DD26469784A
Authority: DD
Inventors: Klaus Hertwig; Friedrich Liepe; Gert Poppe; Volker Doelle
Original assignee: Koethen Ing Hochschule
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-07-24
Also published as: DD225052B1

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUM BETREIBEN VON ROHRBUENDEL-KONTAKTAPPARATEN IM BLASENREGIME, WOBEI DIE KONTAKTAPPARATE MIT EINZELROHRBEGASUNG UND VORZUGSWEISE MIT SEPARATER KUEHLUNG VERSEHEN SIND. DAS VERFAHREN IST VORZUGSWEISE FUER ABSORPTIONSZWECKE VORGESEHEN, ES IST JEDOCH AUCH FUER WAERMETAUSCHZWECKE GEEIGNET, Z. B. ZUR DIREKTEN GASKUEHLUNG. EIN SPEZIELLER ANWENDUNGSFALL BESTEHT IN DER ABSORPTION VON CHLOR IN ORGANISCHEN LOESUNGSMITTELN. MIT DEM VERFAHREN SOLL AUCH FUER EXPLOSIBLE GASGEMISCHE EIN SICHERER BETRIEB VON ABSORBERN EINFACHSTER KONSTRUKTION GEWAEHRLEISTET WERDEN. DIES WIRD MASSGEBLICH DADURCH ERREICHT, DASS DIE ABSORBER VOLLSTAENDIG GEFLUTET BETRIEBEN WERDEN UND IN JEDEM ABSORBER DER GROESSERE TEIL DER ROHRE MIT HOHER INTENSITAET UND DER RESTLICHE TEIL DER ROHRE MIT RELATIV GERINGER INTENSITAET BZW. NICHT BEGAST WIRD. DIE SICH EINSTELLENDEN ZIRKULATIONSSTROEMUNGEN ENTSPRECHEN WEITGEHEND VERMISCHTEN BEREICHEN, WOBEI MEHRERE UEBEREINANDER REALISIERTE ZIRKULATIONSSTROEMUNGEN EINEM STUFENKONZEPT MIT GUENSTIGEN TRIEBKRAFTVERHAELTNISSEN ENTSPRECHEN.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Rohrbündel-Kontaktapparaten im Blasenregime, wobei die Kontaktapparate mit Einzelrohrbegasung und vorzugsweise mit separater Kühlung versehen sind. Das Verfahren ist vorzugsweise für Absorptionszwecke vorgesehen, speziell für hohe Gas-Flüssigkeits-Verhältnisse.

Das Verfahren ist vor allem dann sehr vorteilhaft anwendbar, wenn sich die zu absorbierende Gaskomponente innerhalb eines explosiblen Gasgemisches befindet und möglichst vollständig absorbiert werden soll. Ein bevorzugter Anwendungsfall besteht in der Absorption von Chlor in organischen Lösungsmitteln, wobei eine weitgehende Rückgewinnung des Chlors in einer nachfolgenden Desorptionsstufe möglich ist.

Neben der Anwendung für Absorptionszwecke kann das Verfahren in bestimmten Fällen auch zusätzlich bzw. ausschließlich für Wärmetauschprozesse angewendet werden. So kann das Verfahren z. B. ausschließlich zur direkten Kühlung explosibler Gasgemische verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischem Lösungen

Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Betreiben von Rohrbündel-Kontaktapparaten (nachfolgend Absorber genannt!

bekannt. Bei der überwiegenden Anzahl der beschriebenen Lösungen (z.B. DD-PS 139091, DE-AS 1226084, DE-AS 2615612!

werden die Absorber im Filmregime betrieben. Bei dieser Betriebsweise ist es mit geringem technischen Aufwand möglich, die Absorptionsflüssigkeit innerhalb der Rohre des Rohrbündels im Gegenstrom zur Gasphase zu führen.

Eine bekannte technische Lösung dieser Variante (DE-AS 1226084) beinhaltet eine dreistufige Absorption, die aus zwei bei — 10°C betriebenen Filmabsorbern und einem bei -7O⁰C arbeitenden Absorptionsgefäß besteht. Mit diesem Verfahren wird der Notwendigkeit Rechnung getragen, daß das Abgas weitgehend chlorfrei sein muß.

Die Nachteile des Verfahrens bestehen darin, daß das notwendige Konzept der mehrstufigen Prozeßführung durch ebensoviele Apparate wie Prozeßstufen realisiert wird und damit ein relativ hoher Aufwand zu betreiben ist. Weiterhin liegt bei der Anwendung von Filmabsorbern das explosible Gasgemisch nicht als disperse Phase in der Stoffaustauschzone vor. Dem unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten günstigen Moment der Dispergierung des Gases in Blasenform wird damit nicht Rechnung getragen.

Es ist allerdings auch ein Verfahren bekannt (DE-OS 3126052), das auf einem mehrstufigen Absorber basiert, der im Blasenregime betrieben wird. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen relativ hohen apparativen Aufwand, um — bezogen auf den Gesamtapparat — eine Gegenstromführung der kontaktierenden Phasen zu realisieren. Der entscheidende Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß nach jeder Stufe eine Trennung von Gas- und Flüssigphase erfolgt. Dadurch entstehen in Teilbereichen des Absorbers größere zusammenhängende Gasräume, so daß dieses Verfahren für explosible Gasgemische ungeeignet ist.

Andere für die Realisierung von Absorptionsprozessen übliche Lösungen wie Bodenkolonnen, Sprühtürme oder Füllkörperkolonnen weisen ebenfalls den Nachteil auf, daß größere zusammenhängende Gasräume existieren.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, auch bei Einsatz explosibler Gasgemische einen sicheren Betrieb von Absorbern im Blasenregime zu gewährleisten, wobei zugleich mit einer möglichst geringen Anzahl von Absorbern einfachster Konstruktion eine möglichst niedrige Absorptivkonzentration bzw. Temperatur im Abgas erzielt werden soll.

Das Verfahren soll es insbesondere ermöglichen, den Betrieb vorgegebener Absorber ohne konstruktive Änderungen mit geringem Aufwand an eine bestimmte Absorptionsaufgabe anzupassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die vorstehende Zielstellung führt unter der Randbedingung, daß aus sicherheitstechnischen Gründen in allen Bereichen des Absorbers ein gut dispergiertes Gas-Flüssigkeits-Gemisch vorliegen muß, zu folgendem technischem Widerspruch: Einerseits

müssen zur Erzielung einer möglichst niedrigen Absorptivkonzentration bzw. Temperatur im Abgas zumindest im gasseitig letzten Absorber Gas-und Flüssigphase im Gegenstrom geführt werden. Andererseits liegt wegen der aus energieökonomischen Gründen notwendigen Minimierung der Flüssigkeitsmenge die auf den freien Rohrquerschnitt bezogene Gasphasengeschwindigkeit zwangsläufig über der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit. Eine Gegenstromführung ohne Trennung der Phasen in einer flüssigkeitsfreien Trennzone und Rückführung der Flüssigphase in separaten Rückführkanälen erscheint daher nicht realisierbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen technischen Widerspruch zu lösen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem

— mehrere, vorzugsweise zwei, Absorber vollständig geflutet sowie gasseitig in Reihen — und flüssigkeitsseitig in Parallelschaltung betrieben werden,

— in jedem Absorber der größere Teil der Rohre mit hoher Intensität und der restliche Teil der Rohre mit relativ geringer Intensität bzw. nicht begast wird, um zwischen den unterschiedlich stark begasten Rohren eine Zirkulationsströmung der Fiüssigphasezu erzeugen, wobei für die schwach bzw. nicht begaste Rohrgruppe vorzugsweise eine entlang dem Säulendurchmesser liegende Rohrreihe oder eine andere für die Ausbildung einer Zirkulationsströmung geeignete Konfiguration ausgewählt wird,

—. mindestens der letzte Absorber, der η > 2 Rohrbündelabschnitte aufweist, welche durch vollständig geflutete und Strömungsleiteinrichtungen enthaltende Leerräume getrennt sind, mit η > 2 übereinander angeordneten und vorzugsweise hydrodynamisch ähnlichen Zirkulationsströmungen der Flüssigphase betrieben wird,

— die η Zirkulationsströmungen eines Absorbers zur Realisierung des Gegenstromprinzips derart miteinander gekoppelt sind, daß jeweils ein Teilvolumenstrom einer Zirkulationsströmung über die schwach bzw. nicht begaste Rohrgruppe in die darunterliegende Zirkulationsströmung eingespeist wird, und

— die Absorber bei Werten von ca. 0,5 bis ca. 50 für das Verhältnis zwischen dem Flüssigkeitsvolumenstrom, der in den Rohren eines Rohrbündels bzw. Rohrbündelabschnittes zirkuliert, und dem Flüssigkeitsdurchsatz eines Absorbers betrieben werden.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das Verhältnis zwischen zirkulierendem Volumenstrom und Fiüssigkeitsdurchsatz durch Änderung der Begasungsintensität der schwach begasten Rohre und/oder durch Änderung ihrer Anzahl auf einen vorbestimmten Wert, vorzugsweise im Bereich von ca. 1 ...30, eingestellt. ·

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Blasenregime durchgängig erhalten bleibt und sich in keinem Fall größere zusammenhängende Gasräume bilden können. Dadurch wird auch bei explosiblen Gasgemischen ein zuverlässiger Betrieb der Absorber gewährleistet. .

Der Hauptvorteil der Erfindung besteht jedoch darin, daß durch die spezielle Art der Begasung und Strömungsführung in Form von η Zirkulationsströmungen ein Betriebsverhalten erzielt wird, das dem eines mehrstufigen Absorbers bzw. Kühlers entspricht, bei dem jede Stufe im Gleichstrom betrieben, aber durch die Führung der Gas- und der Flüssigkeitsphase insgesamt eine GegenstrOmschaltung erreicht wird. Im praktischen Betrieb wird damit durch die erfindungsgemäße Betriebsweise in konstruktiv einfach gestalteten Absorbern eine Stufenzahl realisiert, die der Anzahl der im Absorber erzeugten Zirkulationsströmungen nahekommt. Ein derartiges Betriebsverhalten wird bei dem Verfahren gemäß DE-OS 3126052 nur mit einem hohen apparativen Aufwand in Form zusätzlicher Rückführ-, Drückausgleichs- und Zirkulationsleitungen sowie separaten Begasungseinrichtungen für jede Stufe erreicht, ohne jedoch die notwendige technische Sicherheit bei Verwendung explosibler Gasgemische gewährleisten zu können.

In bestimmten Anwendungsfällen kann auch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutsam sein. Dieser Vorteil besteht darin, daß die mittlere Verweilzeit der Flüssigkeit im Rohrbündel bzw. Rohrbündelabschnitt in einfacher Weise durch Änderung der Begasungsintensität der schwach begasten Rohrgruppe auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden kann. Der Betrieb des Absorbers kann dadurch ohne konstruktive Änderungen des Absorbers der jeweiligen Absorptionsaufgabe weitgehend optimal angepaßt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden, dem die Absorption von Chlor in organischen Lösungsmitteln zugrunde liegt. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipschaltung zweier Absorber zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Fig. 1).

Die als Absorber 1 und 2 bezeichneten Rohrbündel-Kontaktapparate sind mit Einzelrohrbegasung und separater Kühlung ausgerüstet. Die Temperatur des Kühlmediums K beträgt ca. -20⁰C. Bezüglich der Gasphase G sind die Absorber in Reihe geschaltet. Die im Kreislauf befindliche Flüssigphase F wird etwa zu gleichen Teilen in den Absorber 1 und 2 dosiert. Im Absorber 1, in dem die Gasphase G und die Flüssigphase F im Gleichstrom geführt werden, befindet sich ein über die gesamte Höhe des Apparates durchgängiges Rohrbündel, wobei eine entlang eines Säulendurchmessers liegende Rohrreihe nicht begast wird. .Die auf den freien Rohrquerschnitt bezogene Gasphasengeschwindigkeit liegt über der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit, so daß Flüssigkeit mit dem Gasstrom nach oben gerissen wird, die durch die unbegasten Rohre wieder abwärts strömt. Dadurch liegen günstige Wärmeübertragungsverhältnisse und wegen der nahezu idealen Vermischung auch vernachlässigbar geringe Temperaturunterschiede vor. Das Blasenregime bleibt durchgängig erhalten.

Im Absorber 2 sind drei Rohrbündelabschnitte der Höhe H_R, zwischen denen sich Leerräume mit einer Höhe von etwa 0,2... 0,3H_R befinden, übereinander angeordnet und werden sowohl vom Gas-Flüssig-Gemisch in den Rohren als auch vom Kühlmedium in den Außenräumen hintereinander durchströmt. Die Begasung des ersten Rohrbündelabschnittes erfolgt analog der des ersten Absorbers. Die mittlere Rohrreihe wird also nicht begast und dient vornehmlich der Flüssigkeitszirkulation. Um ein ähnliches hydrodynamisches Verhalten in jedem Rohrbündelabschnitt zu erreichen, wird unterhalb jedes Rohrbündels eine horizontale Leitplatte mit einer Breite von 1,1... 1,2d_R (d_R = Rohrdurchmesser) und im Abstand d_R von der Unterkante des Bündels entlang dem Absorberdurchmesser so angebracht, daß ihre Lage bezüglich der ebenen Winkelposition den nicht begasten Rohren des ersten Rohrbündelabschnittes entspricht. Durch diese Prozeßführung ergibt sich eine intensive Durchmischung innerhalb jedes Rohrbündelabschnittes, weil auch im zweiten Absorber wegen immer noch beträchtlicher Gasphasengeschwindigkeiten eine Flüssigkeitszirkulation auftritt. Dagegen wird die Vermischung von einer Stufe zur anderen wegen der dazwischen angeordneten Leerräume gering sein. Man erreicht damit im zweiten Absorber eine Stufenzahl, die der Anzahl der Rohrbündelabschnitte nahekommt.

Claims

Erfindungsansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben von Rohrbündel-Kontaktapparaten im Blasenregime, insbesondere für Absorptionszwecke, wobei die Rohrbündel-Kontaktapparate (nachfolgend Absorber genannt) mit Einzelrohrbegasung und vorzugsweise mit separater Kühlung versehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß

— mehrere, vorzugsweise zwei Absorber vollständig geflutet sowie gasseitig in Reihen- und flüssigkeitsseitig in Parallelschaltung betrieben werden,

— in jedem Absorber der größere Teil der Rohre mit hoher Intensität und der restliche Teil der Rohre mit relativ geringer Intensität bzw. nicht begast wird, um zwischen den unterschiedlich stark begasten Rohren eine Zirkulationsströmung der Flüssigphase zu erzeugen, wobei für die schwach bzw. nicht begaste Rohrgruppe vorzugsweise eine entlang eines Säulendurchmessers liegende Rohrreihe oder eine andere für die Ausbildung einer Zirkulationsströmung geeignete Konfiguration ausgewählt wird,

— mindestens der letzte Absorber, der η > 2 Rohrbündelabschnitte aufweist, welche durch vollständig geflutete und Strömungsleiteinrichtungen enthaltende Leerräume getrennt sind, mit η > 2 übereinander angeordneten und vorzugsweise hydrodynamisch ähnlichen Zirkulationsströmungen der Flüssigphase betrieben wird,

— die π Zirkulationsströmungen eines Absorbers in den Leerräumen zwischen den Rohrbündelabschnitten durch Strömungsleiteinrichtungen vornehmlich horizontal geführt werden und in vertikaler Richtung möglichst nur die zur Aufrechterhaltung des Gegenstromprinzips notwendige Flüssigkeitsmenge transportiert wird, und

— die Absorber bei Weiten von ca. 0,5 bis ca. 50 für das Verhältnis zwischen dem Flüssigkeitsvolumenstrom, der in den Rohren eines Rohrbündels bzw. Rohrbündelabschnittes zirkuliert, und dem Flüssigkeitsdurchsatz eines Absorbers betrieben werden.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis zwischen zirkulierendem Volumenstrom und Flüssigkeitsdurchsatz durch Änderung der Begasungsintensität der schwach begasten Rohre und/oder Änderung ihrer Anzahl auf einen verbestimmten Wert, vorzugsweise im Bereich von ca. 1 ...30, eingestellt wird.

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