DE10026064C1 - Flüssigkeitsverteilerkörper für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsverteilerkörper (1) für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen mit mehreren über den Kolonnenquerschnitt verteilten Kanälen (4), die mit der zu verteilenden Flüssigkeit (11) beschickbar sind, die an den Seitenwänden (5) rohrförmige Mittel (6) zum Verteilen der Flüssigkeit (11) über den Kolonnenquerschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) als gerade Röhrchen (6) ausgebildet sind, die beide Seitenwände (5) eines Kanals (4) durchdringen und die in dem Bereich, der sich innerhalb des Kanals befindet, eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (7) für die Flüssigkeit (11) aufweisen, daß mindestens zwei übereinander angeordnete Ebenen von Röhrchen (6) vorhanden sind und daß gegenüber den Austrittsöffnungen (8) der Röhrchen (6) Prallelemente (9) zum Ableiten von aus dem Röhrchen (6) austretender Flüssigkeit (11) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsverteiler für eine Stoff- und Wärmeaustauschkolonne mit mehreren über den Kolonnenquerschnitt verteilten Kanälen, die mit der zu verteilenden Flüssigkeit beschickbar sind, die an den Seitenwänden rohrförmige Mittel zum Verteilen der Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt aufweisen.

Flüssigkeitsverteiler für derartige Kolonnen bezwecken eine gleichmäßige Verteilung der Rücklauf- oder Zulaufflüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt bei einem möglichst geringen gas- und flüssigkeitsseitigem Druckverlust. Sie sollten möglichst unempfindlich gegen Verschmutzung sein.

Gebräuchliche Typen solcher Kolonnen, auf welche die Erfindung vorteilhaft Anwendung finden kann, sind insbesondere Kolonnen, bei denen die Austauschabschnitte aus geordneten Packungen, z. B. aus geriffelten, lamellenartigen Elementen, bestehen. Jedoch kann die Erfindung auch bei solchen Kolonnen verwendet werden, in denen die Austauschabschnitte aus regellosen Schüttungen von Füllkörpern, beispielsweise Raschigringen oder aus jeweils einem Bündel von vertikalen, parallel angeordneten Kanälen bestehen, wobei entweder bei größerem Durchmesser der einzelnen Kanäle diese mit Füllkörpern ausgefüllt sind oder bei kleinem Durchmesser der Kanäle die Kolonne als eine sogenannte Filmkolonne ausgebildet ist.

In derartigen Kolonnen kann z. B. eine Destillation, Rektifikation, Extraktion, Absorption, auch eine Abtrennung isotoper Elemente aus einem Stoff aufgrund einer chemischen Austauschreaktion wie auch ein Wärmeaustausch zwischen einer Flüssigkeit und einem dampf- bzw. gasförmigen Medium durchgeführt werden.

Bekanntlich hängt die Wirkung, in den erstgenannten Fällen die Trennwirkung und im letztgenannten Fall die Wärmeübertragung, wesentlich von einer gleichmäßigen und feinen Verteilung der Flüssigkeit auf die Oberfläche eines Austauschabschnittes ab. Von der großen Anzahl von Flüssigkeitsverteilern werden nachstehend einige bekannte und häufig angewendete Typen erwähnt.

So besteht beispielsweise eine bekannte Ausführungsform darin, Flüssigkeitsverteiler als Loch- oder Siebböden mit einer großen Anzahl von gleichmäßig angeordneten Lochungen oder Lochtüllen mit Überlaufsystemen auszubilden.

Diese Ausführungsform hat den Nachteil einer großen Abdeckung des Kolonnenquerschnittes, um eine einigermaßen gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung über den gesamten Kolonnenquerschnitt zu erreichen. Trotz den Dampfkaminen und dem möglichen Spalt zwischen Verteiler und Kolonnenwand ist der freie Querschnitt für den Dampfdurchtritt sehr eingeengt, was zu einem hohen Druckabfall führt. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, seitliche Röhrchen anzubringen. Diese Maßnahme erhöht zwar die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsverteilung, vermag jedoch den gasseitig großen Druckabfall nur geringfügig zu verringern.

Eine weitere gebräuchliche Ausführungsform besteht darin, Flüssigkeitsverteiler als Rinnen- oder Kastenverteiler auszubilden, die Schlitze oder V-förmige Einschnitte in den Seitenwänden für den Flüssigkeitsüberlauf bzw. Kapillarsysteme aufweisen.

Derartige Flüssigkeitsverteiler weisen zwar einen geringeren Druckabfall des Dampfes auf. Jedoch haben sie den wesentlichen Nachteil, daß der Verteiler exakt horizontal eingebaut werden muß. Geringste Abweichungen von der Horizontalen, Wellenbewegungen oder Gradienten in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit bewirken eine ungleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit und damit eine Verminderung der Trennleistung bzw. der Wärmeübertragung. Die Wellenbewegungen bzw. Gradienten sind die Folge relativ großer Flüssigkeitsmengen in den Kanälen, und diese können deshalb nicht beliebig eng gewählt werden.

Eine weitere bekannte Ausführungsform besteht darin, Flüssigkeitsverteiler als sogenannte Kasten- oder Rohrverteiler mit Lochungen an der Unterseite für den Flüssigkeitsablauf auszubilden. Diese Verteilungssysteme weisen jedoch den wesentlichen Nachteil auf, daß die Flüssigkeit nur unterhalb der Kästen bzw. der Rohre abströmen kann. Dieses hat zur Folge, daß eine große Anzahl von Kästen bzw. Rohren für eine feine Verteilung der Flüssigkeit erforderlich ist, was einerseits einen hohen gasseitigen Druckabfall bewirkt und andererseits konstruktiv aufwendig ist.

Weiter ist aus der DE-OS 29 45 103 ein Flüssigkeitsverteiler für eine Gegenstromkolonne bekannt, der als Rinnen- oder Kastenverteiler mit Durchtrittsöffnungen für die Flüssigkeit in den Seitenwänden versehen ist, wobei die Flüssigkeit durch als Zungen oder schnabelähnlich (vergl. FR-PS 703 029) ausgebildete Leitelemente nach unten geführt werden soll. Abgesehen davon daß die bekannte Ausführungsform konstruktiv äußerst aufwendig ist, weist sie in funktioneller Hinsicht die nachstehenden Nachteile auf. So kann abwärts strömende Flüssigkeit von den Kanten der Zungen von aufwärts strömende Gas bzw. Dampf abgerissen und vom Gas- bzw. Dampfstrom nach oben mitgerissen werden. Außerdem läuft die Flüssigkeit nicht als Strahl von den Zungen ab, sondern im wesentlichen als Tropfen, so daß bei großen Gasbelastungen die Tropfen ebenfalls vom Gas mitgerissen werden. Schließlich besteht noch die Gefahr, daß die äußeren Zungen mindestens bei hohen Gasbelastungen im Gasstrom vibrieren können was zur Zerstörung der Zungen führen kann.

Außerdem hat diese Bauforme bei größeren Tropfstellenzahlen gasseitig einen relativ großen Druckverlust, da die Leitbleche gasseitig den freien Strömungsquerschnitt einengen.

Schließlich offenbart die EP 0 112 978 A1 einen Flüssigkeitsverteiler, mit mehreren Kanälen, die mit der Flüssigkeit beschickbar sind, wobei an den Seitenwänden sogenannte Strömungskanäle, die als nach unten abgewinkelte Röhrchen ausgebildet sein können, zum Ableiten und Verteilender Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt angeordnet sind.

Dieser Verteiler hat den Nachteil, daß er bei gleicher Verteilungsgüte einen relativ geringen Belastungsbereich hat und daß er empfindlich gegen Verschmutzung ist. Unter Belastungsbereich eines Verteilerbodens versteht man das Verhältnis von der minimalen zur maximalen Flüssigkeitsmenge pro Stunde, bei dem die Abweichung des Durchsatzes pro Tropfstelle (entspricht hier einem Röhrchen, sonst auch einer Lochung) einen bestimmten Prozentwert nicht überschreitet. Der Durchsatz pro Röhrchen ist eine Funktion der Stauhöhe (Flüssigkeitssäule über dem Röhrchen/Loch), aber nicht linear, sondern entsprechend der Wurzelfunktion w ~ (2 gh)0.5, wie die unterste Kurve in Fig. 4 beispielhaft zeigt. Wenn z. B. bei einer Flüssigkeitssäule von 0.02 m die Abweichung vom Sollwert kleiner 5% ist und baulich gesehen eine Flüssigkeitssäule von 0.25 m zur Verfügung steht, beträgt die minimale Menge 0.02 m3/h und bei maximaler Flüssigkeitssäule 0.07 m3/h, d. h., der Belastungsbereich beträgt 1 : 3.5.

Da pro Tropfstelle nur eine Röhrchen zur Verfügung steht, ist diese Bauart besonders empfindlich gegen Verschmutzung.

Vor dem genannten Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsverteiler bereitzustellen, der einen hohen Belastungsbereich bei gleichbleibender Verteilungsgüte sowie einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweist und der unempfindlicher gegen Verschmutzung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Flüssigkeitsverteiler der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Flüssigkeitsverteilerkörper für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen mit mehreren über den Kolonnenquerschnitt verteilten Kanälen, die mit der zu verteilenden Flüssigkeit beschickbar sind, die an den Seitenwänden rohrförmige Mittel zum Verteilen der Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als gerade Röhrchen ausgebildet sind, die beide Seitenwände eines Kanals durchdringen, und die in dem Bereich, der sich innerhalb des Kanals befindet, eine oder mehrere Eintrittsöffnungen für die Flüssigkeit aufweisen, daß mindestens zwei übereinander angeordnete Ebenen von Röhrchen vorhanden sind und daß gegenüber den Austrittsöffnungen der Röhrchen Prallelemente zum Ableiten von aus den Röhrchen austretender Flüssigkeit angeordnet sind.

Besondere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Es können auch einzelne oder mehrere der in den Unteransprüchen offenbarten Merkmaie in beliebiger Kombination mit den Merkmaien des Hauptanspruchs erfinderische Lösungen der Aufgabe darstellen.

Die Röhrchen können gleiche oder unterschiedliche Längen oder gleiche oder unterschiedliche Innendurchmesser aufweisen, abhängig oder unabhängig von der Ebene, in der sie angeordnet sind, je nach der geforderten Art der Flüssigkeitsverteilung. Auch können die Prallelemente unterschiedliche Höhen- und Längenausdehnungen haben, je nach Art der geforderten Verteilung, da diese durch die Linienführung der Unterkante der Prallelemente bestimmt ist. Vorzugsweise sind sie u-förmig oder halbkreisförmig oder dreiecksförmig oder rund. Auf diese Weise kann der gesamte Kolonnenquerschnitt optimal mit Flüssigkeit versorgt werden. Stehen die Prallelemente in Form von Blechen genau senkrecht und sind die Röhrchen in den mehreren Ebenen genau übereinander angeordnet, ist der Strömungswiderstand des Verteilers optimal niedrig.

Der erfindungsgemäße Verteiler hat insbesondere den Vorteil, daß er extrem genau in Bezug auf den Innendurchmesser zu fertigen ist. Die Röhrchen können nämlich mit Präzisionswerkzeugen hergestellt werden und durch nicht so genau zu bohrende Löcher in den Seitenwänden der Kanäle gesteckt und dort festgeschweißt oder festgelötet werden. Bei den gebogenen Röhrchen aus der EP 0112978 oder den seitlichen Löchern aus der DE 29 45 103 ist diese Präzision bezüglich des Strömungsquerschnitts nicht möglich bzw. extrem aufwendig.

Durch den Einsatz von Präzisionröhrchen ergibt sich für jede Tropfstelle eine sehr gute Verteilungsgüte und durch die Anzahl der Röhrchen übereinander kann die Belastungskurve praktisch allen gewünschten Bedingungen angepaßt werden. Gegenüber bekannten Bauformen, bei denen die Röhrchen senkrecht in den U- oder kastenförmigen Fließkanälen stehen und die zu verteilende Flüssigkeit durch Bohrungen in die Röhrchen fließt und nach unten abläuft, ist der Druckverlust in den Kanälen in Fließrichtung erheblich geringer und der Flüssigkeitsgradient in den Kanälen damit kleiner, was auch die Verteilgüte verbessert. Bekannte Ausführungen dieser Bauart mit senkrecht stehenden Röhrchen haben pro Tropfstelle einen freien Fließquerschnitt von 50-60%, wohingegen unter gleichen geometrischen und hydraulischen Bedingungen selbst mit drei Röhrchen übereinander bei dem erfindungsgemäßen Verteiler der freie Fließquerschnitt pro Tropfstelle immer noch größer als 90% ist. Damit kann bei großen Durchmessern und langen Fließwegen auf eine sonst notwendige und aufwendige Vorverteilung verzichtet werden. Der gasseitige Druckverlust ist um den Faktor 2-4 geringer als der vergleichbarer Verteiler konventioneller Bauart.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausgestaltung beispielhaft erläutert. Eine Beschränkung in irgend einer Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.

Es zeigt

Fig. 1 Einen Flüssigkeitsverteiler in der Draufsicht;

Fig. 2 Detail X aus Fig. 1 in der Draufsicht;

Fig. 3 Ansicht A aus Fig. 2 im seitlichen Querschnitt.

Fig. 4 Belastungsdiagramm einer Tropfstelle mit drei übereinander angeordneten Röhrchen.

Ein Flüssigkeitsverteiler 1 in einer Kolonne 2 weist einen Zentralkanal 3 und mehrere, über den Kolonnenquerschnitt verteilte Seitenkanäle 4 auf. Diese sind mit dem Zentralkanal 3 verschraubt oder verschweißt und hydraulisch mit ihm über einen Ablauf 12 verbunden, so daß die Seitenkanäle 4 von dem Zentralkanal 3 aus mit Flüssigkeit 11 beschickbar sind. Durch Löcher in den Seitenwänden 5 der Seitenkanäle 4 sind erfindungsgemäß gerade Röhrchen 6 gesteckt und flüssigkeitsdicht befestigt, beispielsweise eingelötet oder geschweißt, und zwar je drei Röhrchen 6 in drei Ebenen übereinander. Ein seitlicher Versatz der Röhrchen 6 ist zwar möglich aber strömungstechnisch ungünstig. In dem Bereich der Röhrchen 6, der sich innerhalb des Seitenkanals 5 befindet, ist in die Röhrchen 6 eine Aussparung 7 als Eintrittsöffnung für die Flüssigkeit eingefräßt. Gegenüber den Austrittsöffnungen 8 der Röhrchen 6 sind Prallelemente 9, vorzugsweise gebogene Bleche, angeordnet. Im gezeigten Beispiel sind sie u-förmig gebogen und an den Seitenwänden 5 mittels Punktschweißung geheftet. Für die Zuleitung der Flüssigkeit 11 in den Verteiler ist ein Zentralrohr 10 vorhanden.

Beim Betrieb gelangt der zu verteilende Flüssigkeitsstrom, beispielsweise der Rücklauf der Kolonne, über das Zentralrohr 10 in den Zentralkanal 3 und von dort über die Abläufe 12 in die Seitenkanäle 4. Je nach Anzahl und Innendurchmesser der Röhrchen 6 stellt sich eine bestimmte, vom Zustrom abhängige Flüssigkeitssäule 11 innerhalb der Seitenkanäle 4 ein. Entsprechend deren Höhe strömt durch eines oder durch alle drei der übereinander angeordneten Röhrchen 6 die Flüssigkeit 11 durch die Austrittsöffnungen 8 aus, trifft auf die Prallbleche 9, verteilt sich entlang deren Oberfläche und fließt von der Unterkante der Prallbleche 9 auf eine darunter gelegene Packung.

Aufgrund der Anordnung der Röhrchen übereinander in mindestens zwei Ebenen wird die Belastbarkeit des Verteilers entscheidend verbessert, wie es beispielhaft in der Abb. 4 für Röhrchen in drei Ebenen gezeigt ist.

Wie aus der Abb. 4 leicht zu erkennen ist, ist der Belastungsbereich mit 3 Röhrchen in drei Ebenen ca. 1 : 10. Wird nun 1 Röhrchen durch Schmutzteilchen verstopft, ändert sich zwar die Durchflußmenge dieser Tropfstelle, aber sie ist nicht null, wie nur bei einem Loch. Durch Variation der Innendurchmesser der Röhrchen kann somit die Durchflußkennlinie einer Tropfstelle erheblich besser an die geforderten Bedingungen angepaßt werden. Bevorzugte Innendurchmesser sind 2,8 bis 4,5 mm.

Claims (5)

1. Flüssigkeitsverteilerkörper (1) für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen mit mehreren über den Kolonnenquerschnitt verteilten Kanälen (4), die mit der zu verteilenden Flüssigkeit (11) beschickbar sind, die an den Seitenwänden (5) rohrförmige Mittel (6) zum Verteilen der Flüssigkeit (11) über den Kolonnenquerschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) als gerade Röhrchen (6) ausgebildet sind, die beide Seitenwände (5) eines Kanals (4) durchdringen, und die in dem Bereich, der sich innerhalb des Kanals befindet, eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (7) für die Flüssigkeit (11) aufweisen, daß mindestens zwei übereinander angeordnete Ebenen von Röhrchen (6) vorhanden sind und daß gegenüber den Austrittsöffnungen (8) der Röhrchen (6) Prallelemente (9) zum Ableiten von aus den Röhrchen (6) austretender Flüssigkeit (11) angeordnet sind.

2. Flüssigkeitsverteilerkörper nach Anspruch 1, wobei drei übereinander angeordnete Ebenen von Röhrchen (6) vorhanden sind.

3. Flüssigkeitsverteilerkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innendurchmesser der Röhrchen (6) innerhalb einer Toleranz kleiner gleich 2% liegt.

4. Flüssigkeitsverteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Prallelemente (9) als Bleche ausgebildet sind, die die Austrittsöffnungen (8) von mindestens zwei übereinander angeordneten Röhrchen (6) u-förmig umgeben.

5. Flüssigkeitsverteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Eintrittsöffnung (7) eine Aussparung vorhanden ist.