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Die
Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Unter "Stoffaustauschkolonne" wird eine Kolonne
zum Wärme-
und/oder Stoffaustausch im Gegenstrom zwischen einem Gas und eine
einer Flüssigkeit
verstanden, die beispielsweise für
Destillations- oder Waschverfahren eingesetzt wird. Die Ortsangaben "oben" und "unten" beziehen sich auf die
Kolonne im Betriebszustand. "Dicht" bedeutet hier Undurchlässigkeit
für Gas
und Flüssigkeit
im Rahmen der im Normalbetrieb der Kolonne herrschenden Bedingungen.
Das "Zulaufrohr" eines Kaminhalsglocken-Bodens
wird in der Regel durch das untere Ende des "Ablaufrohrs" des darüber liegenden Bodens gebildet.
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Kaminhalsglocken-Böden der
eingangs genannten Art sind aus einem Prospekt der Firma Normschliff
Gerätebau
GmbH (http://www.normschliff.de/Abt51.pdf) bekannt und werden dort
auf Seite 5.1/13 unter der Überschrift "Glockenbodenkolonnen" beschrieben.
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Bei
Pilotanlagen, die bei Drücken
deutlich größer 1 bar
betrieben werden, sind Glaskolonnen nicht einsatzfähig. Druckbeständige Metall-Kolonnen verlangen
aber nach Einbauten aus dem entsprechenden Material (zum Beispiel
Aluminium oder Stahl). Deshalb werden bevorzugt geschüttete Füllkörper oder
strukturierte Packungen als Stoffaustauschelemente in Kolonnen in
Hoch-Druck Pilotanlagen eingesetzt. Diese Stoffaustauschelemente
haben aber den Nachteil, dass sie bei geringer hydraulischer Belastung
(kleine Strömungsgeschwindigkeiten,
insbesondere kleine Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
bezogen auf den Kolonnenquerschnitt) eine geringere Wirksamkeit
aufweisen, da sich der notwendige Kontakt beider Phasen aufgrund
möglicher
Bypass-Bildung verschlechtert. Solche erhöhten Anforderungen an die Wirksamkeit
der Kolonne bei geringer Belastung ergeben sich vor Allem bei Prozessen mit
chemischen Wäschen,
wo sich die Rückwaschsektion
der Waschkolonne durch kleine Flüssigkeitsströme auszeichnet
und wo Füllkörper beziehungsweise
strukturierte Packungen aufgrund kleinster Berieselungsschichten
nur sehr geringe Wirkung zeigen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aus Metall herstellbare
Stoffaustauschkolonne anzugeben, die bei geringer hydraulischer Belastung
eine besonders hohe Wirksamkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass das zentrale Flüssigkeitsreservoir
ein im Wesentlichen ringförmiges
Einlaufwehr aufweist, das auf der Oberseite der Abdeckung angeordnet
ist.
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Eine
Kaminhalsglocke mit Schlitzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, wie sie an sich als Glaseinbauteil bekannt ist, hat den Vorteil, dass
Gas und Flüssigkeit
zwangsweise in Kontakt kommen. Die neue Konstruktionsweise ermöglicht nun
erstmals deren Herstellung aus metallischen Werkstoffen. Die Abtauchung
des Zulaufrohres, das Flüssigkeit
von oben auf den Kaminhalsglocken-Boden einleitet, und bei Glas-Glocken
in einer Mulde der Glockenhaube des Kaminhalsglocken-Bodens erfolgt,
wird bei der ersten Variante der Erfindung dadurch ersetzt, dass
das Zulaufrohr in eine Flüssigkeitsreservoir
eingetaucht wird, das durch ein im Wesentlichen ringförmiges Einlaufwehr
gebildet wird. Eine solche Konstruktion kann auch in metallischen Werkstoffen
wie Aluminium oder Stahl kostengünstig ausgeführt werden.
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Vorzugsweise
wird das ringförmige
Einlaufwehr durch eine im Wesentlichen zylindermantelförmige Wand
gebildet wird, die oberhalb der Abdeckung angeordnet ist. Das Einlaufwehr
besteht zum Beispiel aus einem ringförmigen Blech, insbesondere aus
einem auf der Abdeckung aufgesetzten und oben offenen Rohr.
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Insbesondere
ist es günstig,
wenn die Abdeckung durch eine ebene Fläche gebildet wird. Dies ist fertigungstechnisch
besonders günstig.
Insbesondere können
Standard-Glockenhauben
verwendet werden, die auch in anderen Glockenböden zum Einsatz kommen.
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Dabei
wird der Boden des zentralen Flüssigkeitsreservoirs
vorzugsweise durch die Oberseite der Abdeckung gebildet, wodurch
sich eine relativ geringe Bauhöhe
ergeben kann. Die erfindungsgemäße Stoffaustauschkolonne
eignet sich daher insbesondere für
Pilotanlagen mit Kolonnendurchmessern von weniger als 500 mm, vorzugsweise
weniger als 200 mm, insbesondere von 200 mm bis 100 mm besonders
geeignet.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
die Flüssigkeit auf
allen Seiten gleichmäßig über den
oberen Rand des Einlaufwehrs ablaufen zu lassen. In vielen Fällen ist
es jedoch vorteilhaft, wenn auf der Seite der Kaminhalsglocke, die
der Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung gegenüber liegt,
ein Flüssigkeitsauslauf
zur Überleitung
von Flüssigkeit
aus dem zentralen Flüssigkeitsreservoir
in das äußere Flüssigkeitsreservoir
angeordnet ist. Die einlaufende Flüssigkeit wird also gezielt
gegenüber
dem Flüssigkeitsauslauf
in das zweite Flüssigkeitsreservoir
eingeleitet. Dies bewirkt eine weitere Erhöhung der Wirksamkeit des Bodens.
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Die
gezielte Ausrichtung des Flüssigkeitsaustritts
kann dadurch gefördert
werden, dass das Einlaufwehr im Bereich des Flüssigkeitsauslaufs des zentralen
Reservoirs Flüssigkeitsaustrittsöffnungen aufweist,
beispielsweise in Form von Schlitzen am oberen Rand des Einlaufwehrs.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Stoffaustauschkolonne gemäß Patentanspruch
7. In dieser Variante der Erfindung kann das zentrale Flüssigkeitsreservoir
auch durch eine entsprechende muldenförmige Verformung der Abdeckung,
beispielsweise durch Tiefziehen, hergestellt werden. Auf die Abdeckung
aufgesetzte Bauteile sind in diesem Fall unnötig. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind
in Patentanspruch 8 beschrieben.
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Die
Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Stoffaustauschkolonne
im Längsschnitt,
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2 und 3 die
Detailkonstruktion eines Bodens in Längsschnitt und Draufsicht und
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4 zwei
einander benachbarte Kaminhalsglocken-Böden dieser Kolonne in einer
gemeinsamen Längsschnittansicht.
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In 1 ist
eine Stoffaustauschkolonne dargestellt, die in dem Ausführungsbeispiel
als Waschkolonne dient. Sie weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen Kolonnenmantel 1 mit
vertikaler Achse 2 auf. Oben wird über eine erste Zuleitung 3 Waschflüssigkeit
zugeführt.
Gas, das unten über
eine zweite Zuleitung 4 eintritt, wird in der Kolonne in
Gegenstrom-Stoffaustausch mit der Waschflüssigkeit gebracht.
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Im
Inneren ist eine Mehrzahl von Kaminshalsglocken-Böden angeordnet,
von denen in 1 drei dargestellt sind, nämlich der
unterste Boden 100, der dem untersten Boden unmittelbar
benachbarte zweite Boden 200 und der oberste Boden 300,
die alle aus Stahl gefertigt sind. Zwischen den Böden 200 und 300 kann
eine unbegrenzte Anzahl weiterer Stoffaustauschböden derselben oder anderer
Bauart angeordnet sein. Eine erfindungsgemäße Stoffaustauschkolonne kann
jedoch auch nur einen, zwei oder drei Böden aufweisen. Mindestens einer
davon muss als Kaminhalsglocken-Boden gemäß Anspruch 1 ausgebildet sein.
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In
dem Beispiel sind alle Böden
identisch aufgebaut. Die 2 und 3 zeigen
den Boden 200 im Detail. Er weist eine Kaminhalsglocke
auf, deren Grundform durch einen äußeren Hals 201, einen inneren
Hals 202 und eine Abdeckung 203 gebildet wird.
Der äußere Hals 201 und
die Abdeckung 203 bilden zusammen eine Schlitzglockenhaube,
die in dem Ausführungsbeispiel
auch als ein einheitliches Bauteil hergestellt ist. Der äußere Hals 201 weist
in seinem unteren Abschnitt Gasdurchtrittsöffnungen 204 in Form
von vertikalen Spalten auf, von denen eine Vielzahl in regelmäßigem Abstand
entlang des Umfangs des äußeren Halses 201 angeordnet
ist. In seinem oberen Abschnitt weist der äußere Hals eine Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung 205 auf.
Diese mündet in
ein Ablaufrohr 206, dessen unteres Ende (in 2 nicht
dargestellt) das Zulaufrohr des darunter liegenden Bodens 100 bildet.
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Das
Zulaufrohr 207 des Bodens 200 endet im Abstand
a (Durchlaufspalt) über
der Oberseite der Abdeckung 203. Ein Einlaufwehr 208 wird
durch ein Rohrstück
der Höhe
b gebildet und ist an seiner Unterseite mit der Oberseite der Abdeckung 203 dicht verbunden
und bildet mit dieser ein zentrales, oberes Flüssigkeitsreservoir 209 der
Höhe b,
wobei b größer als
a ist.
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Der
innere Hals 202 ist dicht mit einem Abdichtungsboden 210 verbunden
und bildet mit diesem und der Kolonnenwand 1 ein äußeres, unteres Flüssigkeitsreservoir 211,
dessen Höhe
durch die untere Kante der Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung 205 gebildet
wird.
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Aus
dem Zulaufrohr kommende Flüssigkeit fließt in das
zentrale Reservoir 209 ein, welches das Zulaufrohr hydraulisch
verschließt,
sodass kein Gas eindringen kann. Wäre das Einlaufwehr 208 vollkommen
zylindersymmetrisch, würde
die Flüssigkeit gleichmäßig über dessen
Umfang in das untere Reservoir überlaufen.
In dem Ausführungsbeispiel
weist das Einlaufwehr 208 jedoch im Bereich eines Flüssigkeitsauslaufs 212 der
Breite c Flüssigkeitsaustrittsöffnungen
auf, die beispielsweise durch Schlitze im oberen Bereich des Einlaufwehr
gebildet werden (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Über diese Öffnungen
wird die Flüssigkeit
aus dem oberen Reservoir 209 gezielt auf die Seite der
Kaminhalsglocke gelenkt, die der Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung 205 gegenüber liegt.
Die damit erzwungene Strömung um
die Kaminhalsglocke herum ergibt eine höhere Verweildauer der Flüssigkeit
und damit eine höhere Wirksamkeit
des Kaminhalsglocken-Bodens.
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Die
Flüssigkeit
tritt aus dem unteren Reservoir 211 über die Flüssigkeitsdurchtrittsöffnung 205 wieder
aus und fließt über das
im Inneren des Halses angeordnet Ablaufrohr 206 zum darunter
liegenden Boden 100.
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Das
Anbringen von konzentrischem Einlaufwehr und Auslauf auf der Schlitzglockenhaube
ist durch geeignete Maßnahmen
(Schweißen
oder Verlöten)
leicht möglich.
Das für
kleine Flüssigkeitsströme geeignete
Ablaufrohr wird, durch Haube und Kaminhals gesteckt, auf der Kolonnenmittelachse
senkrecht durch den Kaminhals auf die Haube der unterhalb liegenden
Glocke geführt.
Der Ein-Glocken-Boden kann mittels Apparateflansch, Einschweißen oder
Schrauben auf Tragringe oder eine Kombination aus Vorgenannten mit
der Kolonnenwand verbunden werden.
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Die 4 zeigt
die beiden unteren Böden 100 und 200 im
Zusammenhang.
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Die
Stoffaustauschkolonne des Ausführungsbeispiels
weist einen Durchmesser von 150 mm auf. Der Durchmesser des äußeren Halses
beträgt
80 mm, derjenige des Ablaufrohrs 15 mm. Diese Maße müssen in jedem Einzelfall an
die hydraulischen Gegebenheiten angepasst werden.
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Der
in der Erfindung eingesetzte Kaminhalsglocken-Boden ermöglicht eine
Vielzahl von Variationen. Zum Beispiel können Anzahl, Höhe und Breite der Gasdurchtrittsöffnungen 204 über breite
Bereiche variiert werden. Dies macht die erfindungsgemäße Stoffaustauschkolonne
gerade für
Pilot-Anlagen sehr flexibel im Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz. Der notwendige
Bodenabstand d (4) ergibt sich aus diesen hydraulischen
Belastungen.