DE102005011228A1

DE102005011228A1 - Vorrichtung zum Gas/Flüssigkeit-Stoffaustausch

Info

Publication number: DE102005011228A1
Application number: DE200510011228
Authority: DE
Inventors: Alfons Prof. Dr.-Ing. Vogelpohl
Original assignee: Technocon GmbH
Current assignee: Technocon GmbH
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-21

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Gas/Flüssigkeit-Stoffaustausch angegeben, in welcher eine Packung angeordnet ist, durch die in der einen Richtung eine Flüssigkeit und in der entgegengesetzten Richtung ein Gas geleitet werden. Jede Packung besteht aus mindestens zwei Einzelteilen, in denen mehrere langgestreckte Elemente (1) parallel und mit Abstand zueinander an ihren beiden axialen Enden jeweils auf einer Flachseite eines ebenen, streifenförmigen Halters (2, 3) an demselben befestigt sind, dessen andere Flachseite als eine plane Anlagefläche bildende freie Flachseite ausgeführt ist. Die Abstände (A) zwischen den langgestreckten Elementen (1) sind zumindest an den in Gebrauchslage oben liegenden Haltern (2) derart bemessen, daß Flüssigkeit unter Vermeidung von Tropfenbildung zwischen denselben hindurchtreten kann. Die Einzelteile sind im Bereich ihrer dabei parallel zueinander liegenden Halter (2, 3) derart zu der Packung zusammengefügt, daß die Halter unter Bildung eiens Haufwerks jeweils mit ihrer freien Flachseite an den langgestreckten Elementen (1) des benachbarten Halters anliegen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Gas/Flüssigkeit-Stoffaustausch, in welcher eine Packung angeordnet ist, durch die in der einen Richtung eine Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeitsgemisch und in der entgegengesetzten Richtung ein Gas geleitet werden (DE-Z „chemie-anlagen + verfahren, Heft 5 und 6/1979, Seiten 1 bis 10).

Eine derartige Vorrichtung dient der Änderung der Zusammensetzung von Gas- oder Flüssigkeitsgemischen bei der Destillation oder der Absorption. Das Wort „Gas" umfaßt dabei auch das Medium „Dampf". Beispiele sind die Zerlegung von Erdöl in Benzin, Dieselöl, Asphalt und zahlreiche andere Stoffe, die Gewinnung von Alkohol aus Fermantationsbrühen, die Abtrennung von Produkten aus Reaktionsgemischen der chemischen und petrochemischen Industrie oder die Entfernung von Schadstoffen aus Abgasen von Verbrennungsanlagen.

Die technische Durchführung geschieht in der Regel in so genannten Destillations- oder Absorptionskolonnen – im folgenden kurz „Kolonnen" genannt –, in denen Gas im Gegenstrom zu einer Flüssigkeit, bei der es sich auch um ein Flüssigkeitsgemisch handeln kann, geführt wird. Hierdurch wird ein thermodynamisches Ungleichgewicht zwischen den beiden Phasen bewirkt, das dazu führt, daß ein Stoffübergang zwischen dem Gas und der Flüssigkeit stattfindet, wodurch die Zusammensetzung der beiden Phasen verändert wird. Unter geeignet gewählten Bedingungen kann eine vollständige Trennung eines Gas- oder Flüssigkeitsgemischs in seine reinen Bestandteile erreicht werden.

Um die Größe der Kolonnen und damit die Kosten möglichst gering zu halten, ist es u. a. notwendig, die auf das Volumen bezogene Kontaktfläche zwischen den beiden Phasen möglichst groß zu gestalten. Entsprechende Auswahlkriterien gehen aus der eingangs erwähnten DE-Z hervor. So können in zugehörige Flüssigkeitsverteiler-Systeme beispielsweise in Abständen Loch- oder Siebböden waagerecht eingebaut werden oder es können mit Überlauf arbeitende Verteiler eingesetzt werden, die als Rinnen- oder Kastenverteiler und als Tüllenverteiler gebaut sind. Es ist auch möglich, die Kolonnen mit so genannten Füllkörpern in Form regelloser Schüttungen oder geordneter Packungen zu versehen, auf welche sich die Erfindung bezieht. Mit solchen Packungen lassen sich auf das Volumen derselben bezogene Kontaktflächen zwischen den beiden Phasen im Bereich von etwa 100 m²/m³ bis 500 m²/m³ erreichen.

Packungen haben den Vorteil, daß sie aus geometrisch einfachen Formen bestehen, wie beispielsweise Rohrelementen, Drähten, Wendeln, Sattelkörpern, Rhomben, Blechen, und aus nahezu allen Materialien, wie Metall, Kunststoff, Glas oder Keramik hergestellt werden können. Zudem läßt sich in Kolonnen mit Packungen ein thermodynamisch vorteilhafter reiner Gegenstrom von Gas und Flüssigkeit erreichen. während in Kolonnen mit Böden ein für den Stoffübergang ungünstigerer Kreuzgegenstrom vorliegt. Die zu zerlegende Flüssigkeit muß dazu jedoch bei der Aufgabe auf die Packung möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Elemente der Packung verteilt werden, da jede Ungleichverteilung zu einer erheblichen Verschlechterung des Stoffübergangs führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Vorrichtung so zu gestalten, daß eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit in der Packung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

– daß jede Packung aus mindestens zwei Einzelteilen besteht, in denen mehrere langgestreckte Elemente parallel und mit Abstand zueinander an ihren beiden axialen Enden jeweils auf einer Flachseite eines ebenen, streifenförmigen Halters an demselben befestigt sind, dessen andere Flachseite als eine plane Anlagefläche bildende freie Flachseite ausgeführt ist,
– daß die Abstände zwischen den langgestreckten Elementen zumindest an den in Gebrauchslage oben liegenden Haltern derart bemessen sind, daß Flüssigkeit unter Vermeidung von Tropfenbildung zwischen denselben hindurch treten kann, und
– daß die Einzelteile im Bereich ihrer dabei parallel zueinander liegenden Halter derart zu der Packung zusammengefügt sind, daß die Halter unter Bildung eines Haufwerks jeweils mit ihrer freien Flachseite an den langgestreckten Elementen des benachbarten Halters anliegen.

In den durch das Zusammenfügen der Halter gebildeten Haufwerken sind die einzelnen Halter durch einen Freiraum voneinander getrennt, dessen Breite den Abmessungen der langgestreckten Elemente entspricht. Zwei benachbarte Halter liegen jeweils so dicht an den langgestreckten Elementen an, daß auf das entsprechende Haufwerk aufgegebene Flüssigkeit – dieses Wort steht weiter stellvertretend auch für ein Flüssigkeitsgemisch – zwischen diesen Teilen nicht hindurchtreten kann. Auf ein solches Haufwerk aufgegebene Flüssigkeit verteilt sich dadurch zwangsläufig gleichmäßig auf die Freiräume zwischen den Haltern, und zwar auf deren ganzer Länge. Der Abstand der langgestreckten Elemente voneinander ist in den Freiräumen zumindest bei dem in Gebrauchslage oben liegenden Haufwerk außerdem so gering, daß die Flüssigkeit unter Vermeidung von Tropfenbildung zwischen denselben hindurchtreten kann. Die Flüssigkeit gleitet dann an den langgestreckten Elementen nach unten und hat dabei ständigen Kontakt mit dem in Gegenrichtung eingeblasenen und an der Flüssigkeit vorbeibewegten Gas. Der angestrebte Stoffaustausch findet daher bei dieser Vorrichtung unter optimalen Bedingungen statt.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
1 schematisch ein Einzelteil einer Packung für die Vorrichtung nach der Erfindung.
2 eine Seitenansicht des Einzelteils nach 1.
3 eine Draufsicht auf einen Flüssigkeitsverteiler der Vorrichtung nach der Erfindung.
4 eine Einzelheit der Vorrichtung mit gekröpften langgestreckten Elementen.
5 einen Ausschnitt einer Packung mit abgekröpften Elementen.
6 und 7 eine gegenüber den 4 und 5 abgewandelten Ausführungsform.
8 eine Draufsicht auf die Packung nach 5.
9 eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit drei nebeneinander angeordneten Packungen.
„Langgestreckte Elemente" im Sinne der Erfindung können einzelne Drähte oder Stränge sein, in denen mindestens zwei Drähte miteinander verdrillt sind. Das Wort „Verdrillen" steht auch für Verseilen oder Flechten. Die langgestreckten Elemente können auch als Gitter, Geflecht oder Gewebe ausgeführt sein, in denen die Drähte vorgefertigt den Abstand voneinander haben, der für eine störungsfreie Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Erfindung erforderlich ist. Im folgenden wird der Einfachheit halber statt der Worte „langgestrecktes Element" das Wort „Draht" verwendet. Der Draht besteht in allen Ausführungsformen aus einem geeigneten Metall, aus einem geeigneten Kunststoff oder aus einem mit Kunststoff beschichteten Metall. Geeignete Materialien sind beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl, Polypropylen und mit Polypropylen beschichteter Stahl.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Einzelteil für eine Packung einer Vorrichtung zum Gas/Flüssigkeit-Stoffaustausch. In dem Einzelteil ist eine Anzahl von Drähten 1 parallel und mit Abstand zueinander vorhanden, die an einem oberen Halter 2 und einem unteren Halter 3 befestigt sind. Die Drähte 1 können einen Durchmesser haben, der zwischen 0,3 mm und 2,0 mm liegt. In bevorzugter Ausführungsform werden Drähte 1 mit einem Durchmesser von 1,0 mm verwendet.
Die Halter 2 und 3 sind als ebene Streifen aus Metall, Kunststoff oder mit Kunststoff beschichtetem Metall mit vorzugsweise rechteckigen Abmessungen ausgeführt. Es können die gleichen, weiter oben erwähnten Materialien wie für die Drähte verwendet werden. Die Halter 2 und 3 haben eine Flachseite 4 und eine freie Flachseite 5 (2). Die Drähte 1 sind auf der Flachseite 4 an den Haltern 2 und 3 befestigt, und zwar beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben. Die Länge l der Drähte 1, auf welcher dieselben an den Haltern 2 und 3 befestigt sind, ist so zu wählen, daß die Verbindung auch unter Einbau- und Betriebsbedingungen erhalten bleibt. Die freie Flachseite 5 der Halter 2 und 3 ist als plane Anlagefläche vorgesehen und daher frei von jeglichen Vorsprüngen. Insbesondere sind keine Drähte 1 an der freien Flachseite 4 der Halter 2 und 3 angebracht. Die Höhe h der Halter 2 und 3 ergibt sich neben Forderungen aus der Fertigung unter Berücksichtigung fluiddynamischer Gesichtspunkte.
In der Packung der Vorrichtung sind gemäß 3 mehrere entsprechend den 1 und 2 aufgebaute Einheiten zu einem Haufwerk zusammengefaßt. Es sollen mindestens zwei Einheiten sein. Die Halter 2 der Einheiten werden dazu so zusammengefügt, daß jeder Halter 2 mit seiner freien Flachseite 5 an den Drähten 1 des benachbarten Halters 2 anliegt. Die freien Flachseiten 5 der einzelnen Halter 2 können beim Zusammenfügen zusätzlich fest mit den Drähten 1 der jeweils benachbarten Halter 2 verbunden werden, und zwar beispielsweise wieder durch Schweißen, Löten oder Kleben. Es ergibt sich dadurch in dem Haufwerk eine dichte Anordnung der Halter 2 mit Freiräumen 6 zwischen je zwei Haltern 2, deren Breite gleich den Abmessungen der Drähte 1 ist. Das Haufwerk der Halter 2 ist in bevorzugter Ausführungsform von einer als Mantel wirkenden Abdeckung 7 umgeben, bei der es sich beispielsweise um ein Blech handelt, so daß sich ein rundum geschlossenes Haufwerk ergibt, das im folgenden als „Flüssigkeitsverteiler V" bezeichnet ist.
Die Drähte 1 sind zumindest an den Haltern 2, die sich in Gebrauchslage der Packung oben befindet, mit einem Abstand A voneinander befestigt, der so klein ist, daß von oben auf das Haufwerk gemäß 3 aufgegebene und damit in den Flüssigkeitsverteiler V eingefüllte Flüssigkeit unter Vermeidung von Tropfenbildung zwischen den Drähten hindurchtreten kann. Der Abstand A kann mit Vorteil gleich dem Durchmesser der Drähte 1 bemessen sein. Er wird in der Regel aber kleiner ausgeführt. Die aufgegebene Flüssigkeit fließt dann an den Drähten 1 nach unten in den Bereich der Halter 3, die dort zu einem als Flüssigkeitssammler S (9) dienenden Haufwerk mit ähnlichem oder gleichem Aufbau wie der Flüssigkeitsverteiler V zusammengefaßt sind.
Der Abstand der Drähte 1 voneinander in ihrer an den Haltern 3 festgelegten Position, die sich in Gebrauchslage der Packung unten befinden, kann genauso bemessen sein, wie es für die Halter 2 beschrieben ist. Er kann aber auch anders bemessen sein, da der Durchtritt der Flüssigkeit und eine mögliche Tropfenbildung im Flüssigkeitssammler S von untergeordneter Bedeutung sind. Auch im Flüssigkeitssammler S ist das Haufwerk aus nebeneinander liegenden Haltern 3 von einer als Mantel wirkenden Abdeckung rundum umgeben. Deren Bemessung wird mit Vorzug so gewählt, daß der Flüssigkeitsverteiler V einer zweiten, unter einer ersten Packung angeordneten Packung in Gebrauchslage in den Flüssigkeitssammler S der ersten Packung eingreift.
Beim Betrieb der Vorrichtung mit zumindest einer Packung, deren Einzelteile gemäß den 1 und 2 aufgebaut sind, wird dem Flüssigkeitsverteiler V eine Flüssigkeit aufgegeben. In Gegenrichtung wird der Packung von unten ein Gas zugeführt, das zum erwünschten Stoffaustausch auf einer möglichst großen Gesamtfläche – der Kontaktfläche – mit der an den Drähten 1 nach unten fließenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden soll.
Um die Kontaktfläche zu vergrößern, können die Drähte 1 in bevorzugter Ausführungsform zwischen den Haltern 2 und 3 abgekröpft sein. Sie sind dabei jeweils ausgehend von den Haltern 2 und 3 „nach außen" abgebogen und verlaufen im mittleren Bereich in einer parallel zu den Haltern 2 und 3 liegenden Richtung, so wie es in 4 für einen Draht dargestellt ist. Es wird dadurch gemäß 5 eine Art Käfig gebildet, der neben der vergrößerten Kontaktfläche insbesondere einen störungsfreien Durchtritt des Gases sicherstellt. Die Drähte 1 können zur Stabilisierung des Käfigs über Abstandshalter 8 miteinander verbunden sein.
5 zeigt als Ausführungsbeispiel den Zusammenbau von sieben Drähten 1 zu einer als Käfig ausgeführten Packung mit einem Flüssigkeitsverteiler V, in dem die einzelnen gekröpften Drähte 1 mit ihren Haltern 2 zu einem Haufwerk verbunden sind. Das Haufwerk ist von einer Abdeckung 7 umgeben, beispielsweise von einem Blech, so daß ein nach oben offener, als Flüssigkeitsverteiler V dienender Kasten K gebildet ist. Bei entsprechend fester Anbringung der Abdeckung 7 wird das Haufwerk allein durch den von der Abdeckung 7 ausgeübten Druck zusammengehalten. Die Abdeckung 7 kann auch fest mit den außen liegenden Drähten 1 bzw. Haltern 2 des Haufwerks verbunden sein, beispielsweise wieder durch Schweißen, Löten oder Kleben.
Die Drähte 1 können in dem Käfig der Packung auch so abgekröpft sein, daß sie sich gemäß den 6 und 7 in ihrem achsparallelen Bereich in zwei unterschiedlichen Lagen B und C befinden. Auch hier können zur Stabilisierung des Käfigs zwischen den einzelnen Drähten 1 einer Lage B oder C, aber auch zwischen den Drähten 1 der beiden unterschiedlichen Lagen Abstandshalter 8 angebracht sein. Das erscheint insbesondere deshalb erforderlich, weil der Abstand D zwischen den Drähten 1 der eigentlichen Packung größer ist als der Abstand E der Drähte 1 im Flüssigkeitsverteiler V.
8 zeigt eine Gesamtansicht eines Packungselements ohne Flüssigkeitsverteiler V, bestehend aus einem Flüssigkeitssammler S, der eigentlichen Packung und den zu einem Haufwerk zusammengefügten Haltern 3 am unteren Ende der Packung, aus dem Flüssigkeit frei abfließen kann. Der Flüssigkeitssammler S ist vorzugsweise so bemessen, daß er zum Aufbau einer Kolonne in einen Flüssigkeitsverteiler V einer darunter befindlichen Packung eingeschoben werden kann, so daß die aus der oberen Packung austretende Flüssigkeit mittels des Flüssigkeitsverteilers V der darunter liegenden Packung gleichmäßig auf dieselbe verteilt wird. Der Abstand der Drähte 1 voneinander und damit die Länge der Abstandshalter 8 sind in 8 des besseren Verständnisses wegen wesentlich zu groß dargestellt.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann grundsätzlich aus nur einer Packung bestehen. In der Praxis werden aber mehrere Packungen übereinander und nebeneinander in einer Kolonne montiert, damit sich eine ausreichend große Kontaktfläche ergibt. 9 zeigt beispielsweise drei Packungen gemäß 5, die in einer Kolonne nebeneinander angeordnet sind.
Die Flüssigkeit kann den Flüssigkeitsverteilern V einer Packung bzw. mehrerer Packungen zweckmäßig über übliche Vorverteiler zugeführt werden.

Claims

Vorrichtung zum Gas/Flüssigkeit-Stoffaustausch, in welcher eine Packung angeordnet ist, durch die in der einen Richtung eine Flüssigkeit und in der entgegengesetzten Richtung ein Gas geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, – daß jede Packung aus mindestens zwei Einzelteilen besteht, in denen mehrere langgestreckte Elemente (1) parallel und mit Abstand zueinander an ihren beiden axialen Enden jeweils auf einer Flachseite (4) eines ebenen, streifenförmigen Halters (2, 3) an demselben befestigt sind, dessen andere Flachseite als eine plane Anlagefläche bildende freie Flachseite (5) ausgeführt ist, – daß die Abstände (A) zwischen den langgestreckten Elementen (1) zumindest an den in Gebrauchslage oben liegenden Haltern (2) derart bemessen sind, daß Flüssigkeit unter Vermeidung von Tropfenbildung zwischen denselben hindurch treten kann, und – daß die Einzelteile im Bereich ihrer dabei parallel zueinander liegenden Halter (2, 3) derart zu der Packung zusammengefügt sind, daß die Halter unter Bildung eines Haufwerks jeweils mit ihrer freien Flachseite (5) an den langgestreckten Elementen (1) des benachbarten Halters anliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Elemente als Drähte ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Elemente aus mindestens zwei miteinander verdrillten Drähten bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Elemente in Drahtgittern, Drahtgeflechten oder Drahtgeweben zusammengefaßt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halter (2, 3) in den Haufwerken mit ihren freien Flachseiten (5) fest mit den langgestreckten Elementen (1) des jeweils benachbarten Halters verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß um die Haufwerke eine als Mantel wirkende bandförmige Abdeckung (7) herumgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Elemente (1) mit den Haltern (2, 3) verschweißt, verlötet oder verklebt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Elemente (1) von den beiden Haltern (2, 3) ausgehend, zur Bildung eines käfigartigen Gebildes jeweils abgekröpft sind.