DE102005045745A1

DE102005045745A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verteilung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102005045745A1
Application number: DE200510045745
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Meier; Jörg Dipl.-Ing. Leistner
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-04-12
Also published as: CA2623277A1; CN101267867A; EP1928567A1; WO2007033960A1; JP2009508684A; US20080245416A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteilung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten für Stoff- und Wärmetauschkolonnen, umfassend wenigstens einen Verteilerkanal oder eine Verteilerkanalanordnung, wobei der Verteilerkanal aus einer oberhalb desselben angeordneten Sammeleinrichtung über wenigstens einen Zulauf mit einer oder mehreren Flüssigkeiten in verschiedenen Phasen gespeist wird und wobei der Verteilerkanal Überlauf- und/oder Ablauföffnungen zur Verteilung der Flüssigkeiten aufweist. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verteilerkanal wenigstens einen Einbau zur Phasentrennung der Flüssigkeit aufweist und dass für jede der zu trennenden Phasen gesonderte Ab- und/oder Überlauföffnungen vorgesehen sind, deren Querschnitt und/oder Stauhöhe in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit so angeordnet sind, dass eine homogene Verteilung der Flüssigkeiten nach vorgegebenen Phasenteilen erzielt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verteilung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten für Stoff- und Wärmetauschkolonnen, umfassend wenigstens einen Verteilerkanal oder eine Verteilerkanalanordnung, wobei der Verteilerkanal aus einer vorzugsweise oberhalb desselben angeordneten Sammeleinrichtung über wenigstens einen Zulauf mit einer oder mehreren Flüssigkeiten in verschiedenen Phasen gespeist wird und wobei der Verteilerkanal Überlauf- und/oder Ablauföffnungen zur Verteilung der Flüssigkeiten aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verteilung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten auf einer Festkörperschüttung oder auf strukturierten Einbauten einer Kolonne.
Die Verteilung von Flüssigkeiten auf Festkörperschüttungen oder strukturierten Einbauten ist eine wichtige Aufgabe innerhalb einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Prozessen. Neben der Verteilung der Flüssigkeiten in Festbettreaktoren (Rohrreaktoren, Rieselbettreaktoren ...) werden Flüssigkeitsverteilungen in Trennkolonnen (Boden-, Fühlkörper- und Packungskolonnen) eingesetzt. Insbesondere das Trennergebnis in gepackten Kolonnen (Packung aus regellosen Füllkörperschüttungen oder strukturierten Packungseinbauten) zur thermischen Stofftrennung von Gemischen wird wesentlich durch eine homogene Flüssigkeitsverteilung bestimmt. Hierzu werden üblicherweise Vorrichtungen der eingangs genannten Art verwendet. Solche Vorrichtungen umfassen üblicherweise Verteilerrinnen, aus denen die Flüssigkeit durch über den gesamten Querschnitt verteilte Öffnungen abfließen kann. Die Öffnungen können auf der Unterseite, an den Seitenblechen der Verteilerrinnen oder an den Seiten von in den Verteilerrinnen angebrachten Ablaufröhrchen angeordnet sein. Ein homogenes Abfließverhalten wird durch Beeinflussung der Ablaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit einerseits über die Bemessung der Größe und Anzahl der Ausflussöffnungen und andererseits über die Wahl der Überstauhöhe der Flüssigkeit erreicht. Die Ablaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist proportional zur Wurzel der Stauhöhe der Flüssigkeit. Um eine ausreichende Verteilgüte der Flüssigkeit bei sehr großen zu berieselnden Flächen zu erzielen, sind mehrstufige Verteilerkonstruktionen bekannt. Diese sind im Wesentlichen für die homogene Verteilung einer flüssigen Phase bzw. einer Flüssigkeit mit bestimmten physikalischen Eigenschaften geeignet. Soll die Verteilung von mehreren Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeiten in unterschiedlichen Phasen vorgenommen werden, kommt es häufig zu einer zeitlich und/oder örtlich unzureichenden Verteilgüte. Eine solche ungleiche Flüssigkeitsverteilung (Maldistribution) bewirkt beispielsweise in Trennkolonnen eine Verminderung der Trennleistung.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US 6,189,566 B1 bekannt. Dort wird ein Flüssigkeitsverteiler für Packungskolonnen beschrieben, der besonders geeignet sein soll, ein flüssiges Medium zu verteilen, dass aus einer Mischung verschiedener Materialien besteht, die dazu neigt, Inhomogenitäten, beispielsweise als Ergebnis einer Segregation oder einer Polymerisation, aufzuweisen. Durch spezielle Einbauten sollen die beiden nicht miteinander mischbaren Phasen der Flüssigkeit innerhalb der Verteileranordnung intensiv vermischt werden. Hierzu wird vorgeschlagen, in die Verteilerrinnen Einbauten in Form von Umlenkblechen einzusetzen, die mit verhältnismäßig kleinen Öffnungsdurchtritten versehen sind. Hierdurch kommt es zu einer Verengung des Strömungsquerschnitts im Bereich der Einbauten und zu einer Beschleunigung der Strömung, die eine intensive Vermischung der Phasen gewährleisten soll. Diese Einbauten stellen Strömungswiderstände dar, die entsprechend Strömungsenergie zehren, was durch die Auslegung der Überstauhöhe der Verteilerrinnen berücksichtigt werden muss. Hierzu ist es erforderlich, die Bauhöhe der gesamten Verteilerrinnenanordnung bzw. der gesamten Verteilerkonstruktion entsprechend zu erhöhen. Darüber hinaus ist die Vermischung der Flüssigkeiten nicht stabil. Im Bereich von Strömungstotzonen kommt es partieller Entmischung der Flüssigkeiten, so dass eine homogene Verteilung der Flüssigkeiten mit der in der US 6,189,566 beschriebenen Konstruktion schlussendlich nicht gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verteilerkanal oder die Verteilerkanalanordnung wenigstens einen Einbau zur Phasentrennung der Flüssigkeit aufweist und dass für jede der zu trennenden Phasen gesonderte Ab- und/oder Überlauföffnungen vorgesehen sind, deren Querschnitt und/oder Stauhöhe in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten so angeordnet sind bzw. so gewählt sind, dass eine homogene Verteilung der Flüssigkeiten nach vorgegebenen Phasenanteilen erzielt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Homogenisierung zweier nicht miteinander mischbarer Phasen in der Regel instabil ist, so dass eine zeitweise Entmischung insbesondere in Strömungstotzonen kaum verhindert werden kann, so dass es insgesamt günstiger erscheint, die Phasen getrennt aus der Verteileranordnung auszubringen, und zwar derart, dass ein gleichmäßiges und homogenes Abfließen nach vorgegebenen Phasenanteilen bewerkstelligt wird.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist daher auch ein Verfahren zur Verteilung zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten auf einer Festkörperschüttung oder auf strukturierten Kolonne mittels mindestens eines Verteilerkanals oder einer Verteilerkanalanordnung vorgesehen, wobei der Verteilerkanal aus einem in Einbaulage vorzugsweise oberhalb angeordneten Sammelbehälter mit den Flüssigkeiten über wenigstens einen gemeinsamen Zulauf gespeist wird, und wobei die verschiedenen Phasen zunächst inhomogen verteilt sind. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb des Verteilerkanals oder innerhalb der Verteilerkanalanordnung eine Phasentrennung vorgenommen wird und dass die einzelnen Phasen getrennt abgeführt werden.
Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn als Einbauten wenigstens eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Kanaltrennung vorgesehen ist, die den Verteilerkanal in wenigstens zwei nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbindende Strömungswege unterteilt, wobei jedem Strömungsweg Ab- und/oder Überlauföffnungen zugeordnet sind. Durch die Längsteilung der Strömungswege werden Strömungswiderstände minimiert. Die verschiedenen Strömungswege sind nach Art der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden, so dass sich eine Phasentrennung nach unterschiedlichem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit einstellen kann. Dies wird durch eine möglichst laminate Strömungsführung innerhalb der Verteilerkanals unterstützt. Die entmischten Flüssigkeiten können dann getrennt über die jedem Strömungsweg Ab- und/oder Überlauföffnungen abgeführt werden. Über die Größe, Geometrie und Bauhöhe der Überlauföffnungen lassen sich die auszubringenden Phasenanteile bemessen. Vorzugsweise sind die Ab- und/oder Überlauföffnungen so bemessen und angeordnet, dass die auszubringenden Phasenanteile etwa gleich sind.
Bei einer bevorzugten Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verteilerkanal mit zwei Kanalteilungen versehen ist, die einen inneren und äußere miteinander kommunizierende Strömungswege bilden.
Bevorzugt ist der Verteilerkanal als in Einbaulage nach oben offene Rinne ausgebildet, die in Längsrichtung in wenigstens zwei Strömungswege geteilt ist, wobei als Kanalteilung wenigstens eine Zwischenwand vorgesehen ist, die auf ihrer dem Rinnenboden zugekehrten Seite unter Freilassung eines Überlaufspalts nicht oder nur teilweise an den Rinnenboden angeschlossen ist oder die an ihrem dem Rinnenboden zugekehrten Ende mit Überlaufdurchbrüchen versehen ist.
Die Strömungsteilung wird mittels einer derartigen Kanalteilung erzielt, wobei die Funktion umgekehrt der eines Wehres im herkömmlichen Sinne ist, der Überlauf erfolgt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels.
Bei einer Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der innere Strömungsweg über erste Überlauföffnungen mit einer ersten vorgegebenen Stauhöhe mit etwa längsmittig des Verteilerkanals angeordneten Auslässen, vorzugsweise in Form von Röhren, kommuniziert, wohingegen die äußeren Strömungswege mit zweiten äußeren Überlauföffnungen versehen ist, die in einer zweiten vorgegebenen Stauhöhe angeordnet sind. Die erste und zweite Stauhöhe können auch gleich sein.
Es ist zweckmäßig, wenn die zweiten Überlauföffnungen jeweils an beiden äußeren Seiten des Verteilerkanals vorgesehen sind.
Bei einer Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass an den äußeren Seiten des Verteilerkanals jeweils Schürzen vorgesehen sind, die jeweils mit den äußeren Seiten der Verteilerkanals Austrittsspalte für die aus den zweiten Überlauföffnungen austretende Flüssigkeit bilden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
1) eine schematische Ansicht eines Verteilerkanals gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt,
2) ein Draufsicht auf den in 1 dargestellten Verteilerkanal,
3) einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltung des Verteilerkanals gemäß der Erfindung und
4) eine Draufsicht auf den in 3 dargestellten Verteilerkanal.
In den Zeichnungen ist der Einfachheit halber nur der Verteilerkanal und dessen Funktionsprinzip verdeutlicht.
Die Zufuhr der Flüssigkeiten über einen Sammelbehälter sowie der genaue Verlauf des Verteilerkanals ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Die Erfindung ist so zu verstehen, dass eine Flüssigkeitsverteilervorrichtung aus einer Anordnung von Verteilerkanälen besteht, die entsprechend dem dargestellten Verteilerkanal ausgebildet sind, wobei die Kanäle möglichst den gesamten Querschnitt beispielsweise einer Packungskolonne abdecken. Diese Einzelheiten sind dem Fachmann bekannt und bedürfen deshalb keiner weiteren Erörterung.
Die Vorrichtung gemäß dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst im einfachsten Fall (1) einen mit 1 bezeichneten Verteilerkanal, der als eine sich in die Zeichnungsebene hinein erstreckende, im Querschnitt etwa U-förmige Rinne ausgebildet ist. Der Verteilerkanal 1 ist mittels einer wehrartigen Zwischenwand 2 in einen ersten Strömungsweg 3a und in einen zweiten Strömungsweg 3b unterteilt. Die Zwischenwand 2 erstreckt sich im Abstand vom Boden 4 des Verteilerkanals 1, so dass zwischen den Strömungswegen 3a, 3b ein Überlauf 5 gebildet wird. Anstelle eines durchgehenden Überlaufspalts können auch vereinzelte, im Abstand voneinander angeordnete Durchbrüche in der Zwischenwand 2 im Bereich des Bodens 4 des Verteilerkanals 1 vorgesehen sein.
Über einen mit 6 bezeichneten Zulauf, der nur schematisch in Form von Pfeilen dargestellt ist, werden zwei Flüssigkeiten in verschiedenen Phasen mit inhomogener Verteilung dem Strömungsweg 3b zugeführt. Der Zulauf 6 kann über eine vor Kopf quer verlaufende oberhalb angeordnete Zulaufrinne oder auf andere geeignete Art und Weise erfolgen. Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Dichte der beiden Phasen des Flüssigkeitsgemischs wird sich, da die Strömungswege 3a, 3b nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden sind, in beiden Strömungswegen 3a und 3b jeweils eine unterschiedliche Phasenverteilung einstellen, wie dies andeutungsweise in 1 dargestellt ist. Die spezifische schwerere Flüssigkeit 12a geht durch den Überlaufspalt 5 der Zwischenwand 2 hindurch und staut sich auf der dem Zulauf 6 abgewandten Seite der Zwischenwand 2 in dem Strömungsweg 3a über einem Rest der spezifisch schwereren Flüssigkeit 12a. Die spezifisch leichtere Flüssigkeit 12b verbleibt in dem Strömungsweg 3b. Mit 7 sind etwa längsmittig des Verteilerkanals 1 mit Abstand zueinander angeordnete Ablaufröhrchen bezeichnet, die mit nur andeutungsweise dargestellten Überlauföffnungen 8a, b an die Strömungswege 3a, 3b angeschlossen sind. Mit 12a ist die spezifisch schwerere Flüssigkeit, mit 12b die spezifisch leichtere Flüssigkeit bezeichnet.
Im Falle des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels können beispielsweise die Strömungswege 3a, 3b jeweils an unterschiedliche Ablaufröhrchen 7 angeschlossen sein, wobei die Überlauföffnungen in unterschiedlichen Höhen angeordnet sein können, je nach den physikalischen Eigenschaften der zu verteilenden Flüssigkeiten sowie je nach den vorgegebenen Phasenanteilen, mit welchen diese verteilt werden sollen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Strömungsweg 3a über erste Überlauföffnungen an das Überlaufröhrchen 7 angeschlossen, der zweite Strömungsweg 3b ist über zweite Überlauföffnungen 8b in etwa gleicher Höhe auf der gegenüberliegenden Seite an dasselbe Überlaufröhrchen angeschlossen.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verteilerkanals 1 sind zwei Zwischenwände 2 vorgesehen, die den Verteilerkanal 1 in einen inneren Strömungsweg 3a und in zwei äußere Strömungswege 3b unterteilt. Die äußeren Strömungswege 3b sind jeweils mit zweiten Überlauföffnungen 8b in der Außenwand 9 des Verteilerkanals versehen. Der innere Strömungsweg 3a ist über erste Überlauföffnungen 8a an die Ablaufröhrchen 7 angeschlossen. Bei der in 3 dargestellten Variante des Verteilerkanals 1 sammelt sich die spezifisch schwerere Flüssigkeit 12a in dem inneren Strömungsweg 3a. Diese tritt über die Überlauföffnungen 8a in die Ablaufröhrchen 7 ein, die spezifisch leichtere Flüssigkeit 12b verbleibt in den äußeren Strömungswegen 3b und tritt über die Überlauföffnungen 8b aus.
Die Verteilung der an den Außenwänden 9 des Verteilerkanals 1 austretenden Flüssigkeit weiterhin zu vergleichmäßigen sind außen an dem Verteilerkanal 1 jeweils Schürzen 10 in Form von Blechen oder dergleichen vorgesehen, die jeweils mit der Außenwand 9 des Verteilerkanals 1 einen Austrittsspalt 11 für die Flüssigkeit bilden.

1: Verteilerkanal
2: Zwischenwände
3a, b: Strömungswege
4: Boden
5: Überlaufspalt
6: Zulauf
7: Ablaufröhrchen
8, 8a, 8b: Überlauföffnungen
9: Außenwände des Verteilerkanals
10: Schürzen
11: Austrittsspalt
12a, b: Flüssigkeit

Claims

Vorrichtung zur Verteilung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten für Stoff- und Wärmetauschkolonnen, umfassend wenigstens einen Verteilerkanal (1) oder eine Verteilerkanalanordnung, wobei der Verteilerkanal (1) aus einer Sammeleinrichtung über wenigstens einen Zulauf mit einer oder mehreren Flüssigkeiten in verschiedenen Phasen gespeist wird und wobei der Verteilerkanal (1) Überlauf- und/oder Ablauföffnungen zur Verteilung der Flüssigkeiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (1) oder die Verteilerkanalanordnung wenigstens einen Einbau zur Phasentrennung der Flüssigkeiten aufweist und dass für jede der zu trennenden Phasen gesonderte Ab- und/oder Überlauföffnungen vorgesehen sind, deren Querschnitt und/oder Stauhöhe in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit so angeordnet sind, dass eine homogene Verteilung der Flüssigkeiten nach vorgegebenen Phasenanteilen erzielt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Einbau wenigstens eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Kanalteilung vorgesehen ist, der den Verteilerkanal (1) in wenigstens zwei nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbundene Strömungswege (3a, b) unterteilt, wobei jedem Strömungsweg (3a, b) Ab- und/oder Überlauföffnungen zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (1) mit zwei Kanalteilungen versehen ist, die innere und äußere miteinander kommunizierende Strömungswege (3a, 3b) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (1) als in Einbaulage nach oben offene Rinne ausgebildet ist, die in Längsrichtung in wenigstens zwei Strömungswege (3a, 3b) geteilt ist, wobei als Kanalteilung wenigstens eine Zwischenwand (2) vorgesehen ist, die auf ihrer dem Rinnenboden (4) zugewandten Seite unter Freilassung eines Überlaufspaltes (5) nicht oder nur teilweise an den Rinnenboden (4) angeschlossen ist oder die an ihrem dem Rinnenboden (4) zugekehrten Ende mit Überlaufdurchbrüchen versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strömungsweg (3b) über erste Überlauföffnungen (8b) mit einer ersten vorgegebenen Stauhöhe mit etwa längsmittig des Verteilerkanals (1) angeordneten Auslässen, vorzugsweise in Form von Ablaufröhrchen (7) kommuniziert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Strömungswege (3a) mit zweiten äußeren Überlauföffnungen (8b) versehen sind, die in einer zweiten vorgegebenen Stauhöhe angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Überlauföffnungen (8b) jeweils an beiden äußeren Seiten des Verteilerkanals (1) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den äußeren Seiten des Verteilerkanals (1) jeweils Schürzen (10) vorgesehen sind, die mit den äußeren Seiten des Verteilerkanals (1) jeweils Austrittsspalte (11) für die aus den zweiten Überlauföffnungen (8b) austretende Flüssigkeit bilden.
Verfahren zur Verteilung zweier nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten auf einer Festkörperschüttung oder auf strukturierten Einbauten einer Kolonne mittels wenigstens eines Verteilerkanals oder einer Verteilerkanalanordnung, die aus einem in Einbaulage oberhalb angeordneten Sammelbehälter mit den Flüssigkeiten über wenigstens einen gemeinsamen Zulauf gespeist wird, wobei die verschiedenen Phasen zunächst inhomogen verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Verteilerkanals oder innerhalb der Verteilerkanalanordnung eine Phasentrennung vorgenommen wird und dass die einzelnen Phasen getrennt abgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten eine Verteilung nach vorgegebenen Phasenanteilen vorgenommen wird.