DE102004056419A1

DE102004056419A1 - Geordnete Packung für Wärme und/oder Stoffaustausch

Info

Publication number: DE102004056419A1
Application number: DE102004056419A
Authority: DE
Inventors: Egon Zich; Helmut Jansen; Thomas Rietfort; Björn KAIBEL
Original assignee: Julius Montz GmbH
Current assignee: Julius Montz GmbH
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2006-05-24
Also published as: JP2008520420A; US8096533B2; WO2006056419A1; US20090020896A1; EP1814657A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine geordnete Packung für den Wärme- und/oder Stoffaustausch mit einzelnen, insbesondere horizontalen Schichten, wobei mindestens eine Schicht 1 der Kolonne eine größere Dichte und damit einen Anstau insbesondere ein Fluten auslöst, die um den Faktor 1,5 bis 10, vorzugsweise um den Faktor 2 bis 3 größer ist als die Oberflächer der darüber liegenden Schicht 2, wobei die über der Schicht 1 größerer Dichte liegende Schicht 2 schräg liegende Strömungskanäle bildet, die in ihrem unteren, an die Schicht 1 größerer Dichte angrenzenden Bereich stärker vertikal ausgerichtet sind als im darüber liegenden Bereich, und dass die Strömungskanäle in ihrem unteren Bereich einen größeren Querschnitt aufweisen als im darüber liegenden Bereich und sich mit diesem größeren Querschnitt zur darunter liegenden Schicht 1 hin öffnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine geordnete Packung für Wärme und/oder Stoffaustausch mit einzelnen insbesondere horizontalen Schichten, wobei mindestens eine Schicht der Kolonne eine größere Dichte und damit für einen Anstau, insbesondere ein Fluten, eine spezifische Oberfläche aufweist, die um den Faktor 1,5 bis 10, vorzugsweise um den Faktor 2 bis 3 größer ist als die Oberfläche der darüber liegenden Schicht, welche auch als Flüssigkeitsverteiler für Packungs- und/oder Füllkörperkolonnen eingesetzt werden kann.

In der EP 1 074 296 ist eine geordnete Packung beschrieben, bei der die Packungslagen jeweils aus zwei einzelnen Packungslagen mit unterschiedlicher Geometrie zusammengesetzt sind. Dabei wird jeweils eine unten angeordnete Packungslage mit enger Geometrie mit einer oben angeordneten Packungslage mit weiter Geometrie kombiniert. Die Packungen werden so betrieben, dass die untere Packungslage jeweils in einem Sprudelzustand mit hohem Stoffaustausch gefahren wird. Die darüber angeordnete grobe Packungslage wirkt als Tropfenabscheider und erfüllt zusätzlich die Funktion einer mit einem Flüssigkeitsfilm überströmten konventionellen Packung.

In der DE 100 10 810 ist eine Packung beschrieben, bei der einzelne Packungslagen mit enger Geometrie mit Packungslagen mit weiter Geometrie kombiniert werden. Die Packungen werden so betrieben, dass die Packungslagen mit enger Geometrie gezielt in einen Sprudelzustand versetzt werden und dadurch die Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt gleichmäßig verteilt wird.

Bei beiden Packungskombinationen ist ein möglichst weiter Arbeitsbereich angestrebt, in dem die Packungen ihren jeweiligen Aufgabenzweck erfüllen. Dies wurde bisher dadurch erreicht, dass bei der Auswahl der spezifischen Packungsoberflächen zwischen Packungslagen mit weiter Geometrie und Packungslagen mit enger Geometrie mindestens der Faktor 3 eingehalten wurde. Ein in der Praxis meist benötigter, besonders weiter Arbeitsbereich von 1:2 und darüber kann nur mit Unterschieden bei den Packungsoberflächen von 4 und mehr erzielt werden. Bei diesen hohen Unterschieden treten jedoch sehr hohe spezifische Packungsoberflächen von 1.000 m²/m³ und mehr auf, bei denen die hydraulischen Durchmesser der geordneten Packung Werte von 3 mm und kleiner erreichen. Diese Packungen sind erfahrungsgemäß sehr anfällig gegen Verschmutzung.

Ein weiterer Nachteil bei diesen hohen spezifischen Oberflächen tritt bei Flüssigkeiten mit hohen Oberflächenspannungen auf. Es zeigt sich, dass bei Packungslagen mit einer spezifischen Oberfläche von 1.000 m²/m³ und mehr die Strömungskanäle der Packungslagen während des Betriebs durch die Flüssigkeit teilweise dauerhaft hydraulisch verschlossen werden. Dieses Phänomen tritt nicht über den Packungsquerschnitt gleichmäßig verteilt, sondern in einem größeren, zusammenhängenden Bereich einer Packungslage auf. Dadurch ändert sich das Betriebsverhalten der Packungskombination derart, dass die Packungen in zufälliger, schlecht reproduzierbarer Weise früher hydraulisch versagen und die ausgerüstete Kolonne deutlich früher flutet, wodurch sich der Arbeitsbereich verkleinert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Packungskombination zu finden, die bei einfachem Aufbau einen breiteren Arbeitsbereich bietet, ohne das Verhältnis zwischen enger Packungslage und weiter Packungslage über den Faktor 3 hinaus zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Packung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ein Wärme- und/oder Stoffaustausch mit hoher Wirksamkeit erfolgt. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, den Flüssigkeitsdurchsatz von Packungslagen zu verbessern, deren Dichte größer ist als die der darüber oder darunter liegenden Packungslagen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die über der Schicht größerer Dichte liegende Schicht schräg liegende Strömungskanäle bildet, die in ihrem unteren, an die Schicht größerer Dichte angrenzenden Bereich stärker vertikal ausgerichtet sind als im darüber liegenden Bereich, und dass die Strömungskanäle in ihrem unteren Bereich einen größeren Querschnitt aufweisen als im darüber liegenden Bereich und sich mit diesem größeren Querschnitt zur darunter liegenden Schicht hin öffnen.

Diese Packungslagen mit höhenveränderlichen Strömungskanalwinkeln bieten in Kombination mit Packungslagen mit enger Geometrie einen deutlich erweiterten Arbeitsbereich. Es kommt bei geringer Packungshöhe zu hohen Leistungen, zu einer optimal geführten Sprudelschicht und zu geringeren Druckverlusten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1a Schichten größerer Dichte mit jeweils einer Schicht geringerer Dichte darüber,
1b mehrere Schichten geringerer Dichte über einer Schicht größerer Dichte,
2a Schichten größerer Dichte mit jeweils einer Schicht geringerer Dichte darüber, wobei die Schichten geringerer Dichte aus zwei Schichten zusammengesetzt sind, deren Kanäle/Rippen sekantenförmig ineinander übergehen,
2b mehrere Schichten geringerer Dichte über einer Schicht größerer Dichte, wobei die Schichten geringerer Dichte aus zwei Schichten zusammengesetzt sind, deren Kanäle/Rippen sekantenförmig ineinander übergehen,
3 den Druckverlustverlauf bei bekannter (6) und bei der erfindungsgemäßen (7) Bauform. Testsystem Luft/Wasser, Berieselungsdichte 10 m³/m²h, Dichtverhältnis 3.
Ein beispielhafter Aufbau wird in 1a und b gezeigt. Als Packungslage mit weiter Geometrie und unterschiedlich geneigten Strömungskanälen können bekannte Packungslagen eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Packungen Typ M der Fa. Julius Montz GmbH, Hilden oder auch Packungen Typ MellapakPlus oder BXPlus der Fa. Sulzer Chemtech, Winterthur mit bogenförmig gekrümmten Strömungskanälen. Es können jedoch auch Packungen Typ HC der FA. Koch-Glitsch, Wichita eingesetzt werden. Bevorzugt werden Packungslagen verwendet, die einen geänderten Strömungskanalwinkel nur im unteren Bereich der Packungslage aufweisen. Besonders bevorzugt werden Packungen eingesetzt, die im unteren Bereich der Packungslage einen ausgeprägten Bogen besitzen, der einen Höhenanteil von bis zu 1/3 der gesamten Packungslagenhöhe erreicht.
1a zeigt, dass sich Packungslagen bzw. Packungsschichten 1 größerer Dichte mit Lagen/Schichten 2 geringerer Dichte abwechseln, wobei die Schichten 2 in ihrem unteren an die Schicht 1 größerer Dichte angrenzenden Bereich stärker vertikal ausgerichtet sind als im darüber liegenden Bereich, wobei die Strömungskanäle in ihrem unteren Bereich einen größeren Querschnitt aufweisen als im darüber liegenden Bereich und sich mit diesem größeren Querschnitt zur darunter liegenden Schicht 1 hin öffnen. Dies führt dazu, dass die über der Schicht 1 größerer Dichte liegende Sprudelschicht in die Strömungskanäle der darüber liegenden Schicht 2 geringerer Dichte hineinreicht. Damit bilden die unteren Enden 3 bzw. Bereiche der Strömungskanäle erweiterte Räume, in die die Sprudelschicht hineinreicht, die über der Lage/Schicht 1 liegt.
Hierzu sind die Strömungskanäle der Schicht geringerer Dichte bevorzugt zwischen Rippen gelochter und/oder geschlitzter Bleche gebildet. Dabei können die Rippen stetig gebogen sein. Oder aber die schräg angeordneten Rippen sind gerade und die Rippen zwei- oder mehr übereinander angeordneter Schichten bilden gemeinsam eine sekantenförmige Krümmung, wie in 2a und 2b dargestellt.
Statt einem Wechsel der Lagen/Schichten können aber auch zwei oder mehr Schichten 2 geringerer Dichte über den Schichten 1 höherer Dichte liegen, wie dies 1b und 2b zeigen.
In der Packungslage 1 mit höherer Dichte sind bevorzugt gleichmäßig über deren Fläche verteilt nicht dargestellte Speicherbehälter eingebracht, die an ihrer Oberseite vollständig oder teilweise offen sind und in ihrer Unterseite und/oder in ihren Seitenflächen Auslassöffnungen aufweisen /DE 102004013381.6). Die Addition aller Öffnungsflächen aller Ausflussöffnungen ergeben eine Gesamt-Ausflussfläche, die kleiner ist als die Gesamt-Einlassfläche der oberen Einlassöffnung/en.
Eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung für die Führung der Flüssigkeit sind runde Töpfchen mit senkrechter/senkrechten Seitenwand/-wänden. In diesen Töpfchen sind im Topfboden Löcher vorgesehen. Die Größe der Löcher sowie deren Anzahl pro Topf richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzfall und wird individuell berechnet. Die rechnerische Dimensionierung von Ablaufbohrungen/Ausflussöffnungen entspricht der Dimensionierung von Ablaufbohrungen in konventionellen Flüssigkeitsverteilvorrichtungen und ist dem Fachmann geläufig.
Besonders bevorzugt sind runde Töpfchen mit möglichst kleinem Öffnungsdurchmesser und einer großen Anzahl von Auslassöffnungen. Die Abmessungen der Töpfchen ist von der Gesamtmenge der Flüssigkeit und Art der Kolonnenaufgabe abhängig.
In einer speziellen Ausführung weisen die Speicherbehälter eine nach unten sich verjüngende Form auf, insbesondere sind sie konisch bzw. kegelig geformt. In der/den Seitenwand/Seitenwänden sind die Ausflussöffnungen angeordnet.

Claims

Geordnete Packung für den Wärme und/oder Stoffaustausch mit einzelnen insbesondere horizontalen Schichten, wobei mindestens eine Schicht (1) der Kolonne eine größere Dichte aufweist und damit einen Anstau, insbesondere ein Fluten, auslöst, die um den Faktor 1,5 bis 10, vorzugsweise um den Faktor 2 bis 3 größer ist als die Dichte der darüber liegenden Schicht (2), dadurch gekennzeichnet , dass die über der Schicht (1) größerer Dichte liegende Schicht (2) schräg liegende Strömungskanäle bildet, die in ihrem unteren, an die Schicht (1) größerer Dichte angrenzenden Bereich stärker vertikal ausgerichtet sind als im darüber liegenden Bereich, und dass die Strömungskanäle in ihrem unteren Bereich einen größeren Querschnitt aufweisen als im darüber liegenden Bereich und sich mit diesem größeren Querschnitt zur darunter liegenden Schicht (1) hin öffnen.
Geordnete Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Packung auch als Flüssigkeitsverteiler eingesetzt werden kann, wobei die Schicht (1) der Kolonne einen Anstau, insbesondere ein Fluten, für die Verteilung der Flüssigkeit ermöglicht.
Geordnete Packung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über der Schicht (1) größerer Dichte liegende Sprudelschicht in die Strömungskanäle der darüber liegenden Schicht (2) geringerer Dichte hineinreicht.
Geordnete Packung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle der Schicht (2) geringerer Dichte zwischen Rippen gelochter und/oder geschlitzter Bleche gebildet sind.
Geordnete Packung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen stetig gebogen sind.
Geordnete Packung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg angeordneten Rippen gerade sind und die Rippen zwei- oder mehr übereinander angeordneter Schichten gemeinsam eine sekantenförmige Krümmung bilden.
Geordnete Packung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Packungslage (1) einzelne Speicherbehälter angeordnet sind, die an ihrer Oberseite vollständig oder teilweise offen sind und in ihrer Unterseite und/oder in ihren Seitenflächen Ausflussöffnungen aufweisen.
Geordnete Packung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Addition aller Öffnungsflächen aller Ausflussöffnungen eine Gesamt-Ausflussfläche ergibt, die kleiner ist als die Gesamt-Einlassfläche der oberen Einlassöffnung/en.
Geordnete Packung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbehälter in Packungslagen (1) angeordnet sind, die eine größere Dichte und/oder eine engere Geometrie aufweisen als mindestens eine darüber und/oder darunter befindliche Packungslage.
Geordnete Packung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbehälter aufweisende Packungslage (1) eine geringere Höhe aufweist als die Packungslagen (2, 3) ohne Speicherbehälter.