DE102006014334A1

DE102006014334A1 - Verfahren zum Betreiben einer Stoffaustauschkolonne und Kolonne für den Gegenstrom-Stoffaustausch

Info

Publication number: DE102006014334A1
Application number: DE200610014334
Authority: DE
Inventors: Christian Matten
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-04

Abstract

Das Verfahren dient zum Betreiben einer Stoffaustauschkolonne, die einen ersten, oberen Abschnitt (3) und einen zweiten, unteren Abschnitt (5) aufweist, der unterhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist und sich an den ersten Abschnitt anschließt. Eine Rücklaufflüssigkeit fällt aus dem ersten Abschnitt (5) in den zweiten Abschnitt. Der Querschnitt des zweiten Abschnitts weist einen ersten und einen zweiten Teilbereich auf. Die Rücklaufflüssigkeit regnet mit einer ersten Rücklaufberieselungsdichte aus dem ersten Abschnitt in den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts. Die Rücklaufflüssigkeit regnet mit einer zweiten Rücklaufberieselungsdichte aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts. Die zweite Rücklaufberieselungsdichte ist geringer als die erste Rücklaufberieselungsdichte. Eine Zuspeiseflüssigkeit wird von außerhalb der Kolonne über einen Flüssigkeitsverteiler (12) eingeführt, der im oberen Bereich des zweiten Abschnitts angeordnet ist. Die Zuspeiseflüssigkeit wird mit einer ersten Zuspeiseberieselungsdichte auf den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts und mit einer zweiten Zuspeiseberieselungsdichte auf den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts aufgegeben, wobei die zweite Zuspeiseberieselungsdichte höher als die erste Zuspeiseberieselungsdichte ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Kolonne für den Gegenstrom-Stoff- und -Wärmeaustausch und einen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Stoffaustauschkolonne für den Gegenstrom-Stoffaustausch zweier Medien, insbesondere eines aufsteigenden Gases und einer herabrieselnden Flüssigkeit. Stoffaustausch-Kolonnen werden beispielsweise für destillative Trennaufgaben, Wäschen und als Gaskühler eingesetzt. Sie können mit Stoffaustauschelementen wie Füllkörpern (ungeordneter Packung), geordneter Packung, Austauschböden oder einer Kombination derselben ausgestattet oder als Leerkolonne ausgebildet sein.
Derartige Kolonnen weisen die Grundform eines Zylinders auf, dessen Achse im Betriebszustand in vertikaler Richtung verläuft. Die hier verwendeten Angaben wie "oben" oder "unten" beziehen sich auf diese vertikale Ausrichtung der Kolonne. Im einfachsten Fall weist die Kolonne über ihre gesamte Höhe den gleichen kreisförmigen Querschnitt auf. Häufig variieren die Strömungsbedingungen jedoch über die Höhe der Kolonne und es ist sinnvoll, verschiedene Abschnitte einer Kolonne mit verschieden großen Querschnitten auszustatten. Dies kann durch entsprechende Veränderung des Durchmessers der Kolonnenwand geschehen oder auch durch Einziehen eines Hemdes, das den Innenquerschnitt der Kolonne bei gleichem Außenquerschnitt verkleinert. Bei einem solchen Fall, bei dem Rücklaufflüssigkeit aus einem oberen, engeren Abschnitt in einen daran anschließenden weiteren Abschnitt rieselt ist die Rücklaufberieselungsdichte in zwei Teilbereichen des Querschnitts des zweiten, unteren Abschnitts verschieden: In einem ersten Teilbereich, einer kreisförmigen, zentralen Fläche ist die Rücklaufberieselungsdichte hoch, nämlich so hoch wie im ersten Abschnitt; in einem zweiten Teilbereich, einer ringförmigen Fläche entlang der Kolonnenwand, ist die Rücklaufberieselungsdichte geringer, nämlich gleich null.
In einem anderen Anwendungsfall der Erfindung ist ein erster, oberer Abschnitt der Kolonne mit einer Trennwand ausgestattet und weist auf den beiden Seiten der Trennwand unterschiedliche Berieselungsdichten auf. Wenn der zweite, untere Abschnitt keine Trennwand und zum Beispiel den gleichen Querschnitt wieder oberer Abschnitt aufweist, befinden sich im Schatten des durch die Trennwand abgetrennten Teilbereichs des oberen Abschnitts wieder Teilbereiche des Querschnitts des unteren Abschnitts, die unterschiedliche Rücklaufberieselungsdichten aufweisen.
Solche und ähnliche Fälle, bei denen außerdem am Übergang zwischen den beiden Abschnitten eine Zuspeiseflüssigkeit von außerhalb der Kolonne eingeführt wird, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Um eine gleichmäßige Verteilung der Summe aus von oben herabrieselnder Flüssigkeit und Zuspeiseflüssigkeit zu erreichen, hat man bisher die aus dem oberen Abschnitt kommende Flüssigkeit ein einem Sammler aufgefangen, mit der Zuspeiseflüssigkeit vermischt und das Gemisch mittels eines konventionellen Flüssigkeitsverteilers auf den unteren Abschnitt verteilt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren besonders kostengünstig auszubilden und gleichzeitig eine hohe Wirksamkeit des Gegenstrom-Stoffaustauschs sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Oberstes Prinzip bei der Konstruktion eines Flüssigkeitsverteilers war bisher eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Zuspeiseflüssigkeit auf den gesamten Kolonnenquerschnitt. Von diesem Prinzip wird bei der Erfindung abgewichen, indem die Zuspeiseflüssigkeit gezielt ungleich verteilt wird. In dem Teilbereich, in dem die Rücklaufberieselungsdichte relativ gering (oder gleich null) ist, wird eine relativ hohe Zuspeiseberieselungsdichte eingestellt; dort, wo eine hohe Rücklaufberieselungsdichte vorhanden ist, wird die Zuspeiseberieselungsdichte auf einem niedrigeren Wert gehalten.
Bei dem Beispiel der Kolonne mit variierenden Querschnitt wird die Zuspeiseflüssigkeit gemäß der Erfindung zu einem relativ großen Anteil in den Randbereich des unteren Abschnitts geleitet, der so zu sagen im Schatten des Querschnitts des oberen Abschnitts liegt.
Der in der Erfindung eingesetzte Flüssigkeitsverteiler kann dabei jede bekannt Grundform aufweisen und beispielsweise als Trogverteiler (Kanalverteiler) als Rohrverteiler (mit eckigem oder rundem Rohrquerschnitt) oder als Sprühdüsenverteiler ausgebildet sein. Solche Grundformen sind beispielsweise aus Bomio et al., Chem.Tech., 43.Jg., Heft 11/12, 1991, S. 409, DE 3902275 A1 , EP 607887 B2 , EP 910445 B1 bekannt.
Vorzugsweise werden die Zuspeiseberieselungsdichten so eingestellt, dass die Summe aus erste Rücklaufberieselungsdichte und erster Zuspeiseberieselungsdichte und die Summe aus zweiter Rücklaufberieselungsdichte und zweiter Zuspeiseberieselungsdichte gleich oder im Wesentlichen gleich sind. Damit wird eine gleichmäßige Gesamtberieselungsdichte des zweiten Abschnitts erreicht, ohne dass die von oben kommende Rücklaufflüssigkeit gesammelt werden muss.
Die Variation der Zuspeiseberieselungsdichte wird durch eine entsprechende Konstruktion des Flüssigkeitsverteilers erreicht, zum Beispiel indem der Flüssigkeitsverteiler eine Vielzahl von Ausströmöffnungen zum Ausströmen der Zuspeiseflüssigkeit aufweist, wobei die Dichte und/oder die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln, größer ist als die Dichte und/oder die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln.
Vorzugsweise sind ist das Anordnungsmuster der Ausströmöffnungen in dem Flüssigkeitsverteiler konstant und die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln, ist größer als die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln. Die Ausströmöffnungen in demjenigen Teilbereich des Querschnitts des unteren Abschnitts, der von oben schwächer berieselt wird, weisen also grundsätzlich einen größeren Lochquerschnitt als die übrigen Ausströmöffnungen auf. Über den gesamten Querschnitt sind die Öffnungen dabei im gleichen Muster angeordnet und weisen insbesondere die gleichen Abstände auf. Im Idealfall erfüllt jede einzelne Austrittsöffnung diese Bedingung. Darauf kommt es jedoch bei der Erfindung nicht an. Allerdings muss mindestens die Mehrzahl der Austrittsöffnungen, die den zweiten Teilbereich berieseln, einen größeren Lochquerschnitt aufweisen als die Mehrzahl der Austrittsöffnungen, die den ersten Teilbereich berieseln.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung werden die gewünschten Ausströmbedingungen für den Flüssigkeitsverteiler nicht durch eine variable Anordnung von Öffnungen konstanten Durchmessers, sondern durch eine gleichmäßige Anordnung von Ausströmöffnungen variablen Lochquerschnitts bewirkt.
Bei der Erfindung wird vorzugsweise auf das Sammeln der Rücklaufflüssigkeit oberhalb des Flüssigkeitsverteilers verzichtet, das heißt dass die Rücklaufflüssigkeit aus dem ersten Abschnitt vor ihrem Einströmen in den zweiten Abschnitt nicht gesammelt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Kolonne für den Gegenstrom-Stoff- und -Wärmeaustausch gemäß Patentanspruch 6 und einen Flüssigkeitsverteiler gemäß Patentanspruch 7.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kolonne im Längsschnitt. Die Kolonne ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse 1 aufgebaut und weist eine Kolonnenwand 2 auf. In einem ersten, oberen Abschnitt 3 weist die Kolonne einen ersten Durchmesser 4 und damit einen ersten kreisförmigen Querschnitt (senkrecht zur Zeichenebene) auf. Ein anschließender zweiter, unterer Stoffaustauschabschnitt 5 weist einen zweiten, größeren Durchmesser 6 bzw. Querschnitt auf.
In dem Ausführungsbeispiel ist der obere Abschnitt 3 mit Füllkörpern 9 ausgestattet, die von einer Stützeinrichtung 10 gehalten werden. Der untere Abschnitt 5 ist dagegen als Boden-Abschnitt ausgeführt; in der Zeichnung ist der oberste Austauschboden 11 angedeutet.
Zwischen den beiden Abschnitten sind ein Gasabzug 7 und eine Zuleitung 8 für Zuspeiseflüssigkeit angeordnet. Letztere mündet in einen Flüssigkeitsverteiler 12, der als Rohrverteiler ausgebildet ist. Damit strömt im Betrieb der Kolonne sämtlich e aus dem oberen Abschnitt 3 herabfallende Rücklaufflüssigkeit an dem Flüssigkeitsverteiler vorbei auf den obersten Boden 11 des unteren Abschnitts, allerdings nur in dessen zentralen Teilbereich des Querschnitts ("erster Teilbereich"). Außerhalb ("zweiter Teilbereich") ist die Rücklaufberieselungsdichte geringer, nämlich null.
2 zeigt den Grundaufbau des Flüssigkeitsverteilers in einer Draufsicht, wobei die Zuleitung 8 für Zuspeiseflüssigkeit hier links dargestellt ist. Diese mündet in ein Hauptrohr 13 und wird von dort auf insgesamt sechzehn Verteilrohre 51 bis 66 verteilt, die senkrecht zum Hauptrohr 13 angeordnet sind und an ihrer Unterseite Ausströmöffnungen aufweisen. Der gestrichelt dargestellte Kreis 14 grenzt einen äußeren ringförmigen Querschnitt (den "zweiten Teilbereich") und einen zentralen kreisförmigen Querschnitt (den "ersten Teilbereich"), der in diesem Beispiel unmittelbar an den ringförmigen Querschnitt angrenzt, voneinander ab. Gemäß der Erfindung weisen die Ausströmöffnungen, die den in dem äußeren ringförmigen Querschnittsbereich außerhalb des Kreises 14 berieseln, einen größeren Öffnungsquerschnitt als die Ausströmöffnungen in dem zentralen kreisförmigen Querschnittsbereich innerhalb des Kreises 14.
In 3 ist die Lochanordnung innerhalb eines Verteilerrohrs 51 dargestellt. Diese Anordnung ist in allen Verteilerrohren gleich und wiederholt sich über eine feste Periode entlang der Länge der Verteilerrohre. Die Zeichnung von 3 zeigt einen Querschnitt durch das Verteilerrohr 51 in einem bestimmten Abstand vom Hauptrohr 13 (siehe Linie A-A in 2). In dem Beispiel sind dort vier Austrittsöffnungen 71 bis 74 angeordnet. Zwei davon, 72 und 73 befinden sich in einem ersten Winkelabstand α von der Senkrechten, zwei andere, 71 und 71 in einem größeren Winkelabstand β. Obwohl sich alle Löcher 71 bis 74 noch innerhalb des ersten Teilbereichs befinden, nämlich innerhalb des gestrichelten Kreises 14 in 2, bewirkt diese Anordnung, dass die beiden Öffnungen 71 und 72 (links in 3) wegen der zur Senkrechten geneigten Ausströmungsrichtung der Flüssigkeit bereits den zweiten Teilbereich außerhalb des gestrichelten Kreises 14 in 2 berieseln. Die Löcher 73 und 74 berieseln dagegen den ersten Teilbereich.
Gemäß der Erfindung weisen die Öffnungen 71 und 72 zunächst einen größeren Lochquerschnitt als andere Öffnungen auf, die auf dem Verteilerrohr im gleichen Winkelabstand von der Senkrechten näher an dem Hauptrohr angeordnet sind. Wegen der speziellen Anordnung außerhalb der Senkrechten sind in dem Ausführungsbeispiel die Öffnungen 71 und 72 aber auch größer als die Öffnungen 73 und 74.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Stoffaustauschkolonne, die einen ersten, oberen Abschnitt (3) und einen zweiten, unteren Abschnitt (5) aufweist, der unterhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist und sich an den ersten Abschnitt anschließt, wobei – eine Rücklaufflüssigkeit aus dem ersten Abschnitt (5) in den zweiten Abschnitt fällt, – der Querschnitt des zweiten Abschnitts einen ersten und einen zweiten Teilbereich aufweist, – die Rücklaufflüssigkeit mit einer ersten Rücklaufberieselungsdichte aus dem ersten Abschnitt in den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts regnet, – die Rücklaufflüssigkeit mit einer zweiten Rücklaufberieselungsdichte aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts regnet, – die zweite Rücklaufberieselungsdichte geringer als die erste Rücklaufberieselungsdichte ist und – eine Zuspeiseflüssigkeit von außerhalb der Kolonne über einen Flüssigkeitsverteiler (12) eingeführt wird, der im oberen Bereich des zweiten Abschnitts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zuspeiseflüssigkeit mit einer ersten Zuspeiseberieselungsdichte auf den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts und mit einer zweiten Zuspeiseberieselungsdichte auf den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts aufgegeben wird, – wobei die zweite Zuspeiseberieselungsdichte höher als die erste Zuspeiseberieselungsdichte ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus erste Rücklaufberieselungsdichte und erster Zuspeiseberieselungsdichte und die Summe aus zweiter Rücklaufberieselungsdichte und zweiter Zuspeiseberieselungsdichte gleich oder im Wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsverteiler eine Vielzahl von Ausströmöffnungen zum Ausströmen der Zuspeiseflüssigkeit aufweist, wobei die Dichte und/oder die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln, größer ist als die Dichte und/oder die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnungsmuster der Ausströmöffnungen in dem Flüssigkeitsverteiler konstant ist und die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln, größer ist als die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufflüssigkeit aus dem ersten Abschnitt vor ihrem Einströmen in den zweiten Abschnitt nicht gesammelt wird.
Kolonne für den Gegenstrom-Stoff- und -Wärmeaustausch mit einem ersten, oberen Abschnitt und einem zweiten, unteren Abschnitt der sich an den ersten Abschnitt anschließt, unterhalb des ersten Abschnitts angeordnet ist und einen Innenquerschnitt aufweist, der größer als der Innenquerschnitt des ersten Abschnitts ist, wobei im oberen Teil des zweiten Abschnitts ein Flüssigkeitsverteiler angeordnet ist, der von außerhalb der Kolonne mit einer Zuspeiseflüssigkeit beschickbar ist und der eine Vielzahl von Ausströmöffnungen zum Ausströmen der Zuspeiseflüssigkeit aufweist, wobei die Kolonne so ausgebildet ist, dass im Betrieb der Kolonne – eine Rücklaufflüssigkeit aus dem ersten Abschnitt (5) in den zweiten Abschnitt fällt, – der Querschnitt des zweiten Abschnitts einen ersten und einen zweiten Teilbereich aufweist, – die Rücklaufflüssigkeit mit einer ersten Rücklaufberieselungsdichte aus dem ersten Abschnitt in den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts regnet, – die Rücklaufflüssigkeit mit einer zweiten Rücklaufberieselungsdichte aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts regnet, – die zweite Rücklaufberieselungsdichte geringer als die erste Rücklaufberieselungsdichte ist, – eine Zuspeiseflüssigkeit von außerhalb der Kolonne über einen Flüssigkeitsverteiler (12) eingeführt wird, der im oberen Bereich des zweiten Abschnitts angeordnet ist und – die Zuspeiseflüssigkeit mit einer ersten Zuspeiseberieselungsdichte auf den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts und mit einer zweiten Zuspeiseberieselungsdichte auf den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts aufgegeben wird – wobei die zweite Zuspeiseberieselungsdichte höher als die erste Zuspeiseberieselungsdichte ist.
Flüssigkeitsverteiler zur Anwendung in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und oder in einer Kolonne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnungsmuster der Ausströmöffnungen in dem Flüssigkeitsverteiler konstant ist und Dichte und/oder die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den zweiten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln, größer ist als die Größe von Ausströmöffnungen, welche im Betrieb den ersten Teilbereich des Querschnitts des zweiten Abschnitts berieseln.