DD300773A7 - Vorrichtung zur fluessigkeitsverteilung und zum stoffaustausch in stoffaustauschkolonnen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsverteilung und zum Stoffaustausch in Stoffaustauschkolonnen, bei denen Gas und Flüssigkeit im Gegenstrom geführt werden. Erfindungsgemäß werden Siebböden mit einem freien Öffnungsquerschnitt von 20 bis 60% so ausgebildet, daß 2 bis 35% dieser Öffnungen mit einem nach der Oberseite des Bodens, die mit Flüssigkeit beaufschlagt wird, sich vergrößerndem Öffnungsquerschnitt versehen sind. Der Öffnungswinkel liegt dabei zwischen 30 Grad und 45 Grad und der größte Öffnungsquerschnitt auf der Oberseite des Bodens beträgt das 2- bis 4fache des kleinsten unteren Querschnittes dieser Öffnungen. Fig.1

Description

4. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Öffnungen maximal die Hälfte der Bodendicke beträgt.

5. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zweckmäßigerweise kreisförmig sind, und die Durchmesser vorzugsweise zwischen 5 und 15mm liegen.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsverteilung und zum Stoffaustausch in Stoffaustauschkolonnen, bei denen Gas und Flüssigkeit im Gegenstrom geführt werden. Die Vorrichtung kann überall dort angewandt werden, wo es auf eine gleichmäßige, gezielte Flüssigkeitsverteilung ankommt, um den Stoffaustausch zwischen einergas- bzw. dampfförmigen Phase und einer flüssigen Phase zu intensivieren. Vor allem sind solche gleichmäßigen und/oder gezielten Flüssigkeitsverteilungen bei Stoffaustauschprozessen mit verfahrensbedingt niedrigen Flüssigkeitsbelastungen notwendig. Das trifft sowohl für Stoffaustauschkolonnen mit Durchlaufböden als auch für solche mit Packungen, Einbauten und Füllkörpern zu. Besonders effektiv ist die Vorrichtung bei der Gas-Flüssigkeits-Absorption mit geringen bis mittleren Flüssigkeitsbelastungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Stoffaustauschverfahren mit Durchlaufböden verschiedener Bauart und Konstruktion bekannt, die in erster Linie die Funktion eines Stoffaustausches durch intensive Kontaktierung zwischen Gas bzw. Dampf und Flüssigkeit in den auf diesen Böden unter definierten Verfahrensbedingungen sich bildenden Sprudelschichten erfüllen. Flüssigkeitsstau und Druckverlust über diesen Durchlaufböden sind um so größer, je höher die Gas- bzw. Dampfgeschwindigkeit im freien Öffnungsquerschnitt Ist. Durchlauf böden dieser Art haben jedoch den Nachteil einer ungleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung über den gesamten Boden bzw. Kolonnenquerschnitt. Durch das besonders bei den effektiven höheren Gasgeschwindigkeiten auftretende Pulsieren der Flüssigkeitsschicht über diesen Böden entstehen bevorzugte Gebiete mit stärkeren und schwächeren Flüssigkeitsdurchläufen, die sich auch durch das Pulsieren der Flüssigkeit verändern können. Die so hervorgerufene ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung in Verbindung mit der sogenannten Randgängigkeit der Flüssigkeit wirkt sich besonders ungünstig bei größeren Gasdurchsätzen und Kolonnenquerschnitten aus. Es ist bekannt, diesen Nachteil durch Böden mit Flüssigkeitszwangsführung, insbesondeie Böden mit Überlaufwehren, zu beseitigen. Dabei geht jedoch das für den Stoffaustausch besonders effektive Durchlaufprinzip verloren. Die Durchlaufböden haben den großen Vcr^uil, daß das gesamte freie Volumen zwischen den Böden für den Stoffaustausch genutzt werden kann, wenn es gelingt, eine gleichmäßige oder definierte Flüssigkeitsverteilung über den gesamten Strömungsquerschnitt aufrecht zu erhalten. Außerdem ist bei fast allen Stoffaustauschapparaten mit Packungen oder Einbauten in bestimmten Abständen eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung, und sei es im Grenzfall nur einmal bei der Flüssigkeitsaufgabe, unbedingt erforderlich. Die bekannten Flüssigkeitsverteiler erfüllen jedoch nur den primären Zweck der gleichmäßigen oder gezielten Flüssigkeitsverteilung und haben im allgemeinen nur eine untergeordnete Wirkung und Bedeutung für den Stoffaustausch. Sie arbeiten hauptsächlich nach dem Wehr- bzw. Überlaufprinzip oder nach dem Düsenprinzip mit entsprechendem Vordruck. Dabei sind Gas- und Flüssigkeitsphase vor der Flüssigkeitsverteilung im wesentlichen voneinander getrennt, so daß keine nennenswerte Stoffaustauschwirkung besteht.

Bei Stoffaustauschkolonnen mit Überlaufböden wurden eine gezielte Flüssigkeitsführung und -Vermischung durch zusätzliche Transportöffnungen für die Gas- br/v. Dampfphase und perforierte Trennwände erreicht (DE-OS 2807882 und DD-PS 0153194). Aber auch bei dieser Lösung wird auf das Durchlaufprinzip bzw. totale Gegenstromprinzip zwischen Gas und Flüssigkeit verzichtet.

In der FR-PS 7901040 wurde zur Verbesserung der Flüssigkeitsführung und -verteilung für Durchlaufsiebböden oder-gitterböden mit hohem Öffnungsverhältnis vorgeschlagen, die Gesamtbodenzahl bzw. Stoffaustauschhöhe der Kolonne in mehrere Bereiche einzuteilen, in jedem Bereich eine gesonderte Flüssigkeitsverteilung mittels Düsen vorzunehmen und den freien Öffnungsquerschnitt der Durchlaufböden vom oberen zu den unteren Bereichen hin zu vergrößern. Diese Lösung hat jedoch den

Nachteil, daß sich die Flüssigkeitsbelastung vom Kopf bis zum Sumpf der Kolonne verändert und daß in jedem einzelnen Bereich trot2dem eine ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung vorhanden ist. Außerdem sind für diese Lösung hohe Flüssigkeitsbelastungen und -umlaufe erforderlich.

In der DE-AS1277822 ist ein Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparat mit Einsatzböden beschrieben, an dessen Öffnungen njch unten ragende Stutzen angeschlossen sind, die einen sich von unten nach oben erweiternden Querschnitt aufweisen. Ähnliche Lösungen sind in den DE-AS1172234 und DE-OS 2917922 beschrieben. Sämtliche Öffnungen dieser Böden sindgleichartig, mit sich stetig erweiternden Öffnungen versehen. Das Öffnungsverhältnis des Bodens liegt bei der DE-AS1277822 zwischen φ = 0,02 und 0,15. Gas und Flüssigkeit sollen dieselben Öffnungen in gleichem Maße durchströmen, was alle bekannten Nachteile der Flüssigkeitsverteilung in sich birgt. Das angegebene geringe Öffnungsverhältnis des Bodens führt zu nur geringen Gasgeschwindigkeiten und damit zu schlecht ausgebildeten Sprudelschichten.

Weiterhin ist aus dor DE-PS 2943687 eine trogartige Vorrichtung zum Sammeln und Verteilen der Flüssigkeit für Gegenstromkolonnen bekanntgeworden, wobei Dampfkamine und Röhrchen für die Flüssigkeitsableitung vorgesehen sind. Der Dampfaustritt ist oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet. Die Röhrchen für die Flüssigkeitsableitung sind nach unten über die Unterkante des Bodens hinaus verlängert. Die Dampf- bzw. Gasführung erfolgt dabei getrennt durch die gesonderten Kamine, die Flüssigkeitsführuny durch die Röhrchen nach dem Überlaufprinzip. Die Vorrichtung ist nur zur Flüssigkeitsverteilung über den Kolonnenquerschnitt geeignet, ein Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit findet dabei auf den Böden nicht statt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Mängel der Flüssigkeitsverteilung beim Stoffaustausch mit Regensiebböden beim totalen Gegenstromprinzip zu beseitigen und eine Möglichkeit zu finden, bei der eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung und ein intensiver Stoffaustausch gleichermaßen gewährleistet sind.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Stoffaustausch und zur Flüssigkeitsverteilung zu entwickeln, bei der die Hydrodynamik und Hydraulik der Gas-Flüssigkeits-Kontaktierung so funktionieren, daß neben einer gleichmäßigen Gasströmung auch eine gleichmäßige und gezielte Flüssigkeitsverteilung über den gesamten Querschnitt des Stoffaustauschapparates möglich wird und daß Flüssigkeitsverteilung und Stoffaustausch im totalen Gegenstrom stattfinden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Durchlaufsiebböden mit symmetrisch angeordneten Öffnungen bei einem freien Öffnungsquerschnitt von 20 bis 60% so ausgebildet sind, daß 2 bis 35% dieser Öffnungen mit einem nach der Oberseite des Bodens, die mit der Flüssigkeit beaufschlagt wird, sich vergrößernden Öffnungsquerschnitt versehen sind. Der Öffnungswinkel liegt dabei gegenüber der Lochachse zwischen 30° und 45°, und der größte Öffnungsquerschnitt auf der Oberseite des Bodens beträgt das 2- bis 4fache des kleinsten unteren Querschnittes der Öffnungen. Zweckmäßigerweise sind die Öffnungsquerschnitte auf der Unterseite des Bodens gleich groß. Weiterhin können alle oder ein Teil derjenigen Öffnungen, die auf der Oberseite des Bodens nicht erweitert wurden, auf der Unterseite des Bodens auf die gleiche Weise erweitert werden. Die Vergrößerung der Öffnungen sollte etwa die Hälfte der Bodendicke betragen. Zweckmäßigerweise sind die Öffnungen kreisförmig ausgestaltet, und ihr Durchmesser liegt vorzugsweise zwischen 5 und 15 mm.

Mit dem erfindungsgemäß gestalteten Boden wird bei einem Öffnungsverhältnis von φ = 0,2 bis 0,6 erreicht, daß eine gleichmäßige und gezielte Flüssigkeitsverteilung über dem Bodenquerschnitt erfolgt. Es bilden sich dadurch intensivere Sprudelschichten über den Böden aus. Durch gleichzeitigen Stoffaustausch und Flüssigkeitsverteilung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung steigt die Effektivität der Kolonne an. Damit ist bei gleicher Gasbelastung ein kleinerer Kolonnen- bzw. Bodendurchmesser ausreichend. Damit sinkt der Material- und Fertigungsaufwand für derartige Anlagen beträchtlich.

Ausföhrungsbelspiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen ist dargestellt

Fig. 1: ein Schnitt durch einen Sieblochboden mit einigen erweiterten Öffnungen Fig. 2: ein Schnitt durch einen Sieblochboden mit einigen durch spanlose Verformung erweiterten Öffnungen Fig.3: ein Schnitt durch zwei übereinanderliegende Sieblochböden mit unterschiedlichen Lochgrößen.

In einer Siebbodenkolonne, die ohne Überlauf der Böden in reinem Gegenstrom von Gas und Flüssigkeit betrieben wird, sind übereinander mehrere Siebböden angeordnet.

Über eine Rohgasleitung gelangt ein mit absorbierbaren Bestandteilen angereichertes Gas in die Absorptionskolonne und strömt von unten nach oben durch die Öffnungen der Durchlaufsiebböden. Im totalen Gegenstrom zum Gas wird ein flüssiges Absorptionsmittel zugeführt. Das von den absorbierbaren Bestandteilen befreite Gas verläßt die Absorptionskolonne, und das verbrauchte Absorptionsmittel wird ausgeschleust.

Die Gasgeschwindigkeit im freien Kolonnenquerschnitt liegt bei 2,6m/s und im freien Öffnungsquerschnitt der Böden auf der unteren Gaseintrittsseite bei 7,5m/s. Das Öffnungsverhältnis der Durchlaufsiebböden beträgt φ = 0,35; also 35% der Gesamtbodenfläche. Die Böden haben auf der Gaseintrittsseite gleichgroße Öffnungen mit einem Lochdurchmesser von 10 mm und einer Teilung von 16mm. Auf der oberen Gasaustrittsseite sind die Böden im Verhältnis 1:5 mit nach oben hin im Winkel von 45° erweiterten Öffnungen versehen. Diese erweiterten Öffnungen sind auf den übereinanderliegenden Böden abwechselnd in der Bodenmitte und an der Randzone des Bodenskonzentriert angeordnet, so daß das Absorptionsmittel vorzugsweise und wechselweise in der Bodenmitte und in der Randzone abläuft, dadurch wird der Stoffaustausch intensiviert.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Flüssigkeitsverteilung und zum Stoffaustausch in Stoffaustauschkolonnen, die als Durchlaufsiebböden mit symmetrisch angeordneten Öffnungen bei einem freien Öffnungsquerschnitt von 20 bis 60% ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 35% dieser Öffnungen mit einem nach der Oberseite des Bodens, die mit Flüssigkeit beaufschlagt wird, sich vergrößerndem Öffnungsquerschnitt versehen sind, daß der Öffnungswinkel gegenüber der

L ochachse zwischen 30° und 45° liegt und daß der größte Öffnungsquerschnitt auf der Oberseite des Bodens, das 2- bis 4fache des kleinsten unteren Querschnittes dieser Öffnungen beträgt.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsquerschnitte auf der Unterseite des Varteilerbodens gleich groß sind.

3. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder ein Teil derjenigen Öffnungen, die auf der Oberseite des Bodens nicht erweitert wurden auf der Unterseite des Bodens auf dieselbe Weise erweitert werden.