DE102007007582A1

DE102007007582A1 - Gas-Flüssigkeits-Verteiler zur Einspeisung eines zweiphasigen Feeds in eine Kolonne

Info

Publication number: DE102007007582A1
Application number: DE200710007582
Authority: DE
Inventors: Christian Matten
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gas-Flüssigkeits-Verteiler zur Einspeisung eines zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Feeds (1) in eine Kolonne (3) und zur getrennten Verteilung des Gases und der Flüssigkeit in der Kolonne (3). Der Gas-Flüssigkeits-Verteiler weist einen oder mehrere Verteilerkanäle (2) auf, die jeweils Gasaustrittsöffnungen (33) und zumindest einen Ablaufschacht(18) für die Flüssigkeit mit zumindest einer Ablauföffnung (31) umfassen. Zur besseren Verteilung der Flüssigkeit und des Gases in der Kolonne (3) wird vorgeschlagen: (a) den zumindest einen Ablaufschacht (18) strömungsaufwärts der zumindest einen Ablauföffnung (31) mit einem siphonartig gestalteten Abschnitt (24) zu versehen und/oder (b) die Gasaustrittsfläche der Gasaustrittsöffnung/en (33), die eine Teilquerschnittsfläche eines oberhalb des Gas-Flüssigkeits-Verteilers befindlichen Stoffaustauschbetts mit Gas speist bzw. speisen, so zu dimensionieren, dass die Gasaustrittsfläche proportional ist zu dem Flächenanteil, den die Teilquerschnittsfläche (A<SUB>3</SUB>) an der Gesamtquerschnittsfläche des Stoffaustauschbetts (49) hat.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gas-Flüssigkeits-Verteiler zur Einspeisung eines zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Feeds in eine Kolonne und zur getrennten Verteilung des Gases und der Flüssigkeit in der Kolonne. Der Gas-Flüssigkeits-Verteiler weist zumindest einen Verteilerkanal auf, der Gasaustrittsöffnungen und zumindest einen Ablaufschacht mit zumindest einer Ablauföffnung für die Flüssigkeit umfasst. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Stoffaustauschkolonne mit einem derartigen Gas-Flüssigkeits-Verteiler. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „Gas" auch die Dampfphase eines Stoffes, einer Verbindung oder Mischungen derselben.
Ein vorstehend beschriebener Gas-Flüssigkeits-Verteiler ist beispielsweise in einer Artikelübersicht der Firma Saint-Gobain Norpro auf Seite B-7 als Modell 955 "Flashing Feed Pipe" beschrieben. Die Artikelübersicht ist unter folgender Internetadresse zu erhalten:

http://www.uamerica.edu.co/pub/Quimica/TransferenciaMasal/Torres%20empacadas i nternals.pdf.

Der gezeigte Gas-Flüssigkeits-Verteiler wird zur Trennung eines zweiphasigen Flüssigkeits-Dampf-Feeds und zur Verteilung der Flüssigkeit und des Dampfs in einer Stoffaustauschkolonne eingesetzt. Der Verteiler umfasst ein zentrales Rohr, in welches das zweiphasige Fluid eingespeist wird. Das zentrale Rohr umfasst Öffnungen für den Dampf und die Flüssigkeit. Es ist von einer Hülle umgeben, die seitliche Dampfaustrittsöffnungen aufweist und Ablaufrohre für die Flüssigkeit umfasst. Die Flüssigkeit wird über die Ablaufrohre auf einen unterhalb des Verteilers liegenden Flüssigkeits-Endverteiler aufgebracht. Als Flüssigkeits-Endverteiler kann beispielsweise der in der obigen Artikelübersicht auf Seite A-6 beschriebene und als Modell 106/107 bezeichnete Flüssigkeitsverteiler verwendet werden.
Üblicherweise enden die Ablaufrohre der "Flashing Feed Pipe" oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche des darunter befindlichen Flüssigkeits-Endverteilers. Dies hat jedoch den Nachteil, dass bei einem geringen Flüssigkeitsstrom auch Gas durch die Ablaufrohre nach unten austritt, was dazu führt, dass die Flüssigkeitsoberfläche auf dem Endverteiler aufgewirbelt wird. Das Aufwirbeln führt zu einer Ungleichverteilung der Flüssigkeit über die Querschnittsfläche eines unter dem Flüssigkeits-Endverteilers befindlichen Stoffaustauschbetts und damit zu einer verminderten Trennleistung der Kolonne in diesem Stoffaustauschbett.
Bei Einsatz des Gas-Flüssigkeits-Verteilers Modell 955 "Flashing Feed Pipe" wurde zudem eine ungenügende Gleichverteilung des Gases über der Querschnittsfläche eines über dem Verteiler liegenden Stoffaustauschbetts insbesondere bei hohen Flüssigkeitsbelastungen im darüber liegenden Stoffaustauschbetts beobachtet. Dies wirkt sich nachteilig auf den Stoffübergang im darüber liegenden Stoffaustauschbett und damit auf die Trennleistung der Stoffaustauschkolonne aus.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Gas-Flüssigkeits-Verteiler der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine verbesserte Verteilung des Gases und der Flüssigkeit in einer Stoffaustauschkolonne und damit eine Verbesserung des Stoffaustauschs und eine Erhöhung der Trennleistung einer Stoffaustauschkolonne ermöglicht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, eine Stoffaustauschkolonne bereitzustellen, die bei Einsatz eines eingangs genannten Gas-Flüssigkeits-Verteilers eine verbesserte Trennleistung aufweist.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Gas-Flüssigkeits-Verteiler mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder Anspruch 5 und mit einer Stoffaustauschkolonne mit den Merkmalen nach Anspruch 8.
Demnach wird ein Gas-Flüssigkeits-Verteiler zur Einspeisung eines zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Feeds in eine Kolonne und zur getrennten Verteilung des Gases und der Flüssigkeit in der Kolonne bereitgestellt, welcher zumindest einen Verteilerkanal aufweist, der Gasaustrittsöffnungen und zumindest einen Ablaufschacht mit zumindest einer Ablauföffnung für die Flüssigkeit umfasst. Erfindungsgemäß weist der Ablaufschacht einen siphonartig gestalteten Abschnitt auf, der sich strömungsaufwärts der zumindest einen Ablauföffnung befindet, d.h. der sich in Strömungsrichtung der Flüssigkeit vor der zumindest einen Ablauföffnung befindet.
In dem siphonartig gestalteten Abschnitt des Ablaufschachts ist stets Flüssigkeit vorhanden. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über die Strömungsquerschnittsfläche des Ablaufschachts, da sich die Flüssigkeit zunächst in dem siphonartig gestalteten Abschnitt des Ablaufschachts sammelt, bevor sie durch die Ablauföffnung austritt. Die sich im siphonartig gestalteten Abschnitt des Ablaufschachts sammelnde Flüssigkeit bildet einen statischen Flüssigkeitsverschluss, sodass kein Gas über den Ablaufschacht aus der Ablauföffnung austreten kann. Ein Aufwirbeln der Flüssigkeit auf einem unter dem Gas-Flüssigkeits-Verteiler befindlichen Flüssigkeits-Endverteiler wird dadurch verhindert. Damit ist eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung über die Querschnittsfläche eines unterhalb des Flüssigkeits-Endverteilers befindlichen Stoffaustauschbetts gewährleistet, was zu einer guten Trennleistung der Kolonne führt.
Statt eines siphonartig gestalteten Abschnitts im Ablaufschacht wäre auch denkbar, den Ablaufschacht in die auf einem darunter befindlichen Flüssigkeits-Endverteiler aufgestaute Flüssigkeit eintauchen zu lassen, um einen gasdichten Flüssigkeitsverschluss herzustellen. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass stets ein hoher Flüssigkeitspegel auf dem Flüssigkeits-Endverteiler benötigt würde, was zu einer unerwünschten Vergrößerung der Bauhöhe einer Stoffaustauschkolonne führen würde.
Bei dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeits-Verteiler erstrecken sich der Ablaufschacht und der siphonartig gestaltete Abschnitt des Ablaufschachts vorzugsweise über die Länge des Verteilerkanals. Dies bedeutet, dass der Verteilerkanal vorzugsweise einen einzigen Ablaufschacht aufweist, der sich in etwa über die gesamte Länge des Verteilerkanals erstreckt, wobei sich der siphonartig gestaltete Abschnitt des Verteilerkanals ebenfalls vorzugsweise in etwa über die gesamte Länge des Verteilerkanals erstreckt. Vorteil hiervon ist, dass die Flüssigkeit über die gesamte Länge des Verteilerkanals gleichmäßig verteilt aus dem Ablaufschacht über die Ablauföffnung abfließen kann. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Verteilerkanal mehrere Ablaufschächte, beispielsweise in Form von Ablaufrohren aufweist, die beispielsweise jeweils einen siphonartigen Flüssigkeitsverschluss aufweisen.
Vorzugsweise ist der siphonartig gestaltete Abschnitt des Ablaufschachts gebildet durch eine Rinne, in die eine in Längsrichtung der Rinne verlaufende Wand hineinragt, deren untere Kante unterhalb des niedrigsten Rinnenrandes der Rinne liegt. Eine derartige Konstruktion ist auf einfache Weise aus (Metall-)Blechen zu fertigen und damit kostengünstig.
Bei dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeits-Verteiler weist der Ablaufschacht in Strömungsrichtung der Flüssigkeit einen zum siphonartigen Abschnitt hin sich verkleinernden Strömungsquerschnitt auf. Dies hat den Vorteil, dass sich im Betrieb des Gas-Flüssigkeits-Verteilers zusätzlich zu dem statischen Flüssigkeitsverschluss im siphonartig gestalteten Abschnitt des Ablaufschachts Flüssigkeit strömungsaufwärts des Siphons aufstauen kann, was zu einem zusätzlichen, dynamischen Flüssigkeitsverschluss der Ablauföffnung führt. Vorzugsweise wird der Gas-Flüssigkeits-Verteiler so betrieben, dass sich ein derartiger dynamischer Flüssigkeitsverschluss ausbildet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch mit einem Gas-Flüssigkeits-Verteiler der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem die Gasaustrittsöffnungen entlang des Verteilerkanals in ihrer jeweiligen Gasaustrittsfläche, insbesondere in ihrem Durchmesser variieren, und/oder die Gasaustrittsöffnungen in ihrer Anzahl pro Längeneinheit des Verteilerkanals entlang des Verteilerkanals variieren. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Gasaustrittsöffnungen entlang des Verteilerkanals so zu verteilen und/oder zu dimensionieren, dass die Gasaustrittsfläche der Gasaustrittsöffnung/en, die eine Teilquerschnittsfläche eines Stoffaustauschbetts speist bzw. speisen, proportional ist zu dem Flächenanteil, den die Teilquerschnittsfläche an der Gesamtquerschnittsfläche des Stoffaustauschbetts hat. Damit wird eine gleichmäßige Verteilung des im zweiphasigen Feeds enthaltenen Gasanteils über die gesamte Querschnittsfläche eines über dem Gas-Flüssigkeits-Verteilers befindlichen Stoffaustauschbetts gewährleistet. Die gleichmäßige Gasverteilung gewährt einen guten Stoffübergang zwischen Gas und Flüssigkeit im Stoffaustauschbett und damit eine gute Trennleistung der Kolonne. Damit tragen die in den Ansprüchen 1 und 5 genannten Merkmale unabhängig voneinander zu einer Verbesserung des Stoffübergangs in einer Stoffaustauschkolonne und damit zur Verbesserung der Trennleistung der Stoffaustauschkolonne bei.
Vorzugsweise umfasst der Verteilerkanal des erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeits-Verteilers ein inneres Kernrohr, in das das zweiphasige Feed eingespeist wird und das entlang des Verteilerkanals angeordnete Öffnungen für das Gas und Öffnungen für die Flüssigkeit aufweist, und eine das Kernrohr umgebende Hüllstruktur, die die Gasaustrittsöffnungen und den Ablaufschacht umfasst. Durch diese Anordnung sind mehrere Trennräume, einer innerhalb des Kernrohrs und einer zwischen dem Kernrohr und der Hüllstruktur, gebildet, in denen sich das Flüssigkeit und das Gas in mehreren Stufen auftrennen können.
Der Gas-Flüssigkeits-Verteiler der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise zumindest zwei Verteilerkanäle auf, wobei die Verteilerkanäle parallel zueinander und beabstandet voneinander in einer zur Längsachse der Kolonne senkrechten Ebene angeordnet sind. Damit ist eine besonders gute Verteilung des Gases und der Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt erreichbar, da jeder Verteilerkanal jeweils nur den halben bzw. einen entsprechenden Anteil des Kolonnenquerschnitts zu versorgen hat.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Stoffaustauschkolonne, die einen vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeits-Verteiler umfasst. Vorzugsweise wird diese für ein destillatives oder rektifikatives Verfahren verwendet, bei welchen der Dampf und die Flüssigkeit eines zweiphasigen Feeds getrennt voneinander in der Kolonne verteilt werden sollen. Besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Gas-Flüssigkeitsverteiler bei einer so genannten angestrengten Rektifikation eingesetzt, bei der in einem McCabe-Thiele-Diagramm die Arbeitsgerade und die Gleichgewichtskurve sehr nahe beieinander liegen, sodass eine große Anzahl von Trennstufen erforderlich und damit ein guter Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit und Dampf von großer Bedeutung ist.
Vorzugsweise umfasst die Stoffaustauschkolonne einen oberhalb des Gas-Flüssigkeits-Verteilers angeordneten Auflagerost für ein Stoffaustauschbett, der mehrere nebeneinander angeordnete Auflageelemente umfasst, wobei in einer Draufsicht auf den Auflagerost der zumindest eine Verteilerkanal quer, insbesondere senkrecht, zu Längskanten der Auflageelemente angeordnet ist. Durch die zwischen den Auflageelementen üblicherweise vorhandenen Spalte fließt während des Betriebs der Kolonne Flüssigkeit in Form von über den Kolonnenquerschnitt sich erstreckenden Flüssigkeitsvorhängen ab, die den Raum unterhalb des Auflagerosts in mehrere Teilräume unterteilen, zwischen denen ein Gasaustausch aufgrund der Flüssigkeitsvorhänge nicht möglich ist. In der obigen Anordnung quert der Verteilerkanal die Spalten und somit die Flüssigkeitsvorhänge, sodass jeder Teilraum und damit jedes Auflageelement mit Gas aus dem Verteilerkanal vorsorgt werden kann. Vorzugsweise ist daher jedem Auflageelement zumindest eine Gasaustrittsöffnung zugeordnet.
Bei der erfindungsgemäßen Stoffaustauschkolonne ist der Gas-Flüssigkeits-Verteiler vorzugsweise unterhalb eines Stoffaustauschbetts angeordnet, wobei die Gasaustrittsöffnungen entlang des Verteilerkanals so verteilt und/oder dimensioniert sind, dass die Gasaustrittsfläche der Gasaustrittsöffnung/en, die eine Teilquerschnittsfläche des Stoffaustauschbetts mit Gas speist bzw. speisen, proportional ist zu dem Flächenanteil, den die Teilquerschnittsfläche an der Gesamtquerschnittsfläche des Stoffaustauschbetts hat. Damit wird eine gleichmäßige Verteilung des im Feed enthaltenen Gases über die gesamte Querschnittsfläche des Stoffaustauschbetts erreicht.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Gas-Flüssigkeits-Verteilers gemäß der vorliegenden Erfindung, der in einer Stoffaustauschkolonne 3 angeordnet ist;
2 einen Schnitt durch den Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach 1 entlang der eingezeichneten Schnittlinie A-A;
3 eine vergrößerte Darstellung eines in 2 in unterbrochenen Linien gezeigten Ausschnitts des Gas-Flüssigkeits-Verteilers mit einem unter diesem befindlichen Flüssigkeits-Endverteiler 41;
4 eine Seitenansicht des Gas-Flüssigkeits-Verteilers nach 1 entlang der eingezeichneten Schnittlinie B-B durch die Kolonne 3;
5 eine Draufsicht auf einen Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach 1 bis 4 in einer Stoffaustauschkolonne 3 mit einem über diesem angeordneten Auflagerost 50 für ein Stoffaustauschbett 49;
6 einen Längsschnitt durch die Anordnung von 5 entlang der Linie C-C;
1 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Gas-Flüssigkeits-Verteilers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Gas-Flüssigkeits-Verteiler umfasst zwei Verteilerkanäle 2 gleichen Aufbaus, die in einer horizontalen Ebene liegen, parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Der Gas-Flüssigkeits-Verteiler ist in einer Stoffaustauschkolonne 3 eingebaut, von der hier nur die Kolonnenwand 4 gezeigt ist. Die Verteilerkanäle 2 sind an einen Einspeisekanal 6, der sich in zwei Seitenkanäle 7 verzweigt, angeschlossen. Der Einspeisekanal 6 ist über eine Flanschverbindung 9 mit einem Anschlussstück 8 an eine nicht dargestellte Einspeiseleitung in die Stoffaustauschkolonne 3 angeschlossen.
Die Verteilerkanäle 2 weisen jeweils ein inneres Kernrohr 10 auf, das von einer das Kernrohr 10 umschließenden Hüllstruktur 11 umgeben ist. Die Hüllstruktur 11 begrenzt einen Außenraum 12 um das Kernrohr 10. Die Seitenkanäle 7 sind jeweils an ein Kernrohr 10 eines der Verteilerkanäle 2 mittig angeschlossen.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch den Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach 1 entlang der eingezeichneten Schnittlinie A-A. Wie aus dieser Ansicht zu erkennen ist, liegen die beiden Verteilerkanäle 2 in einer zur Längsachse 13 der Kolonne 3 senkrechten Ebene.
Die nachfolgende 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in 2 in unterbrochenen Linien gezeigten Ausschnitts des Gas-Flüssigkeits-Verteilers und 4 eine Seitenansicht des Gas-Flüssigkeits-Verteilers nach 1 entlang der eingezeichneten Linie B-B.
Wie aus den 1 bis 3 zu ersehen ist, weisen die Kernrohre 10 der Verteilerkanäle 2 nach oben spaltenförmige Gasöffnungen 14 und nach unten kreisrunde Flüssigkeitsöffnungen 15 auf, die jeweils über die gesamte Länge des Kernrohrs 10 verteilt sind.
Die Hüllstruktur 11 der Verteilerkanäle 2 umfasst ein Oberteil 17, das einen mehr als halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des Kernrohrs 10. An das Oberteil 17 schließt sich nach unten hin ein Ablaufschacht 18 für Flüssigkeit an, der sich über die gesamte Länge des Verteilerkanals 2 erstreckt.
Der Ablaufschacht 18 umfasst, wie aus 3 zu ersehen, zwei Seitenwände 20 und 21, die zunächst trichterartig aufeinander zulaufen und damit nach unten hin den Ablaufschacht 18 in seinem Strömungsquerschnitt verkleinern. Die in der 3 linke Seitenwand 21 erstreckt sich ausgehend von dem trichterartigen Teil 19 des Ablaufschachts 18 nach unten und ist zweimal um etwa 90° nach innen gebogen. Sie bildet damit eine Rinne 22, die sich über die gesamte Länge des Verteilerkanals 2 erstreckt. Die in 3 rechte Seitenwand 20 verläuft ausgehend von dem trichterartigen Teil 19 des Ablaufschachts 18 senkrecht nach unten und endet unterhalb eines inneren Randes 23 der Rinne 22.
Eine an der Seitenwand 20 am unteren Ende des trichterartigen Teils 19 des Ablaufschachts 18 beginnende Innenwand 25 schließt den trichterartigen Teil 19 des Ablaufschachts 18 bis auf eine Öffnung 26 nach unten ab. Dadurch ist der Strömungsquerschnitt des Ablaufschachts 18 weiter reduziert.
Ausgehend von der Öffnung 26 am unteren Ende des trichterartigen Teils 19 verläuft die Innenwand 25 senkrecht nach unten bis in die Rinne 22 hinein und endet mit ihrer unteren Kante 27 unterhalb des Rinnenrandes 23. Zwischen der Innenwand 25 und dem Rinnenrand 23 ist eine Ablauföffnung 31 für Flüssigkeit aus dem Ablaufschacht 18 gebildet. Die Stirnseiten der Verteilerkanäle 2 sind, wie aus 1 zu ersehen, durch Endplatten 28 abgeschlossen, die eine in 2 in Schraffur angegebene Fläche besitzen. Durch die Rinne 22 und die in die Rinne 22 sich hinein erstreckende Innenwand 25 ist ein siphonartiger Abschnitt 24 des Ablaufschachts 18 gebildet. Zwischen der Öffnung 26 am unteren Ende des trichterartigen Teils 19 des Ablaufschachts 18 und der Ablauföffnung 31 besitzt der Ablaufschacht 18 einen gleich bleibenden Strömungsquerschnitt. Die Abstände zwischen der Seitenwand 21 und der Innenwand 25 sind in diesem Abschnitt des Ablaufschachts 18 stets gleich.
4 zeigt eine Seitenansicht eines der Verteilerkanäle 2 mit Blick auf die Seitenwand 20. Wie aus dieser Figur und 3 zu ersehen ist, weisen die Verteilerkanäle 2 seitlich in der Hüllstruktur 11, genauer in den Seitenwänden 20 und 21 eingebrachte Gasaustrittsöffnungen 33 auf, durch die Gas aus dem Außenraum 12 in die Kolonne 3 austreten kann. Die Gasaustrittsöffnungen 33 sind über die Länge der Verteilerkanäle 2 zu beiden Seiten verteilt angeordnet. Die Gasaustrittsöffnungen 33 besitzen im dargestellten Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt. Die Gasaustrittsöffnungen 33 weisen zum Teil verschiedene Durchmesser auf, was in Bezug auf die nachfolgenden 5 und 6 noch erläutert wird.
Wie weiter aus 4 zu ersehen ist, erstrecken sich der Ablaufschacht 18 und der siphonartig gestaltete Abschnitt 24 des Ablaufschachts 18 über die gesamte Länge des Verteilerkanals 2. Der Rinnenrand 23 ist gezackt ausgeführt, d.h. die mit der Bezugsziffer 34 im Weiteren bezeichnete Wehrwand, über die Flüssigkeit im Betrieb des Gas-Flüssigkeitsverteiler hinweg tritt, ist an ihrem oberen Rand 23 gezackt. Damit weist die Wehrwand 34 über die Länge des Verteilerkanals 2 abschnittsweise unterschiedliche Höhen auf, wobei die untere Kante 27 der Innenwand 25 stets unterhalb des untersten Niveaus des Rinnerandes 23 liegt. Vorteil der Zackung der Wehrwand 34 ist, dass bei einer eventuellen leichten Schräglage des Verteilerkanals 2 die Flüssigkeit über die gesamte Länge des Verteilerkanals gleichmäßig verteilt austritt. Bei einer Wehrwand mit geradem oberen Rand könnte die Flüssigkeit bei einer Schräglage des Verteilerkanals ungleichmäßig über die Länge des Verteilerkanals 2 austreten. Dies bedeutet, dass durch die Zacken geringe Höhenunterschiede zwischen den Enden eines Verteilerkanals 2 ausgeglichen werden können.
Die Seitenwände 20 und 21, die Innenwand 25 und die Endplatten 28, die den Ablaufschacht 18 mit seinem siphonartig gestalteten Abschnitt 24 bilden, sind bei der vorliegenden Ausführungsform aus Metallblechen gefertigt.
Im Folgenden soll nun die Funktionsweise des in den 1 bis 4 dargestellten Gas-Flüssigkeits-Verteilers erläutert werden. Der Begriff Gas umfasst auch die Dampfphase eines Stoffes, einer Verbindung oder Mischungen verschiedener Stoffe oder Verbindungen. Bei Stofftrennprozessen, wie Rektifikationen, werden ein Dampf und eine Flüssigkeit im Gegenstrom in einer Kolonne miteinander in Kontakt gebracht. Bei diesen Prozessen werden häufig auch zweiphasige Dampf-Flüssigkeits-Fluide in die Kolonne eingespeist, wobei die Flüssigkeit und der Dampf jedoch getrennt voneinander in der Kolonne verteilt werden sollen.
Wie aus 1 zu ersehen, wird ein zweiphasiger Gas-Flüssigkeits-Feedstrom 1, der Flüssigkeit und Gas umfasst, durch das Anschlussstück 8, den Einspeisekanal 6 und die Seitenkanäle 7 kontinuierlich in die Kernrohre 10 der Verteilerkanäle 2 eingespeist. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt für einen der Verteilerkanäle 2, da beide Verteilerkanäle 2 baugleich sind und somit die gleichen Vorgänge ablaufen.
Das zweiphasige Fluid 1 verteilt sich über die gesamte Länge des Kernrohrs 10. Dabei tritt, wie in 3 dargestellt, aus dem zweiphasigen Feedstrom abgetrenntes Gas nach oben über die Gasöffnungen 14 des Kernrohrs 10 in den Außenraum 12 zwischen dem Kernrohr 10 und der Hüllstruktur 11 aus. Durch die Flüssigkeitsöffnungen 15 unten am Kernrohr 10 tritt abgetrennte Flüssigkeit, die noch einen Gasanteil enthalten kann, aus und fließt in den Ablaufschacht 18 des Verteilerkanals 2 hinab, wobei weiteres Gas entweicht.
Aus dem Außenraum 12 tritt das Gas über die seitlichen Gasaustrittsöffnungen 33 des Verteilerkanals 2 in die Kolonne 3 aus. Die aus den unteren Öffnungen 15 der Kernrohre 10 austretende Flüssigkeit fließt in den trichterartigen Teil 19 des Ablaufschachts 18 ein, tritt durch die Öffnung 26 in den durch die Innenwand 25 und die Rinne 22 gebildeten Teil des Ablaufschachts 18 ein und tritt über die Wehrwand 36 aus der Ablauföffnung 31 schwallartig heraus. Die herabfließende Flüssigkeit staut sich auf einem Flüssigkeits-Endverteiler 41, der nur in einem Ausschnitt dargestellt ist. Um zu verhindern, dass Flüssigkeit in einen Kamin 42 des Flüssigkeits-Endverteilers 41, aus dem Gas nach oben austritt, hineinfließt, ist die rechte Seitenwand 20 über den trichterartigen Teil 19 des Ablaufschachts 18 hinaus nach unten verlängert ausgeführt. Sie bildet mit diesem unteren Teil einen Spritzschutz für die aus der Ablauföffnung 31 herausströmende Flüssigkeit. Mit der Bezugsziffer 44 ist ein auf dem Kamin befindlicher Deckel bezeichnet.
Wie in 3 gezeigt, ist der Gas-Flüssigkeits-Verteiler derart ausgelegt, dass sich im stationären Zustand bei normaler Last die Flüssigkeit bis in den trichterartigen Teil 19 des Ablaufschachts 18 aufstaut. Dieser Flüssigkeitspegel ist mit der Bezugsziffer 43 bezeichnet. Durch die aufgestaute Flüssigkeit ist die Ablauföffnung 31 verschlossen, sodass kein Gas nach unten durch die Ablauföffnung 31 aus dem Verteilerkanal 2 entweichen kann. Damit wird ein Aufwirbeln der Flüssigkeitsoberfläche auf dem Endverteiler 41 durch Gas verhindert. Eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über die Querschnittsfläche eines unterhalb des Flüssigkeitsendverteilers 41 liegenden Stoffaustauschbetts, das nicht dargestellt ist, ist damit gewährleistet.
Falls das zweiphasige Fluid 1 in seinen Gas- und Flüssigkeitsanteilen schwankt oder der Gas-Flüssigkeits-Verteiler nur bei kleiner Last betrieben wird, sinkt der Flüssigkeitspegel in dem Ablaufschacht 18. Durch den siphonartig gestalteten Abschnitt 24 am unteren Teil des Ablaufschachts 18 verbleibt auch bei kleinster Last und schwankenden Gas-Flüssigkeits-Anteilen stets ein Mindestpegel 43_min Flüssigkeit im Ablaufschacht 18, der die Ablauföffnung 31 verschließt, sodass kein Gas durch die Ablauföffnung 31 austreten kann. Zudem wird durch die in dem Siphon 24 aufgestaute Flüssigkeit ein stets gleich verteilter Ablauf der Flüssigkeit über die gesamte Länge des Verteilerkanals 2 gewährleistet.
Somit kommt zu dem statischen Flüssigkeitsverschluss im siphonartig gestalteten unteren Abschnitt 24 des Ablaufschachts 18, der auch vorhanden ist, wenn keine Flüssigkeit von oben nachläuft, noch ein dynamischer Flüssigkeitsverschluss bei normaler Last durch sich aufstauende Flüssigkeit im Ablaufschacht 18 hinzu.
Abweichend von der in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeits-Verteilers sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Verteilerkanäle 2 statt eines Ablaufschachts 18 mehrere Ablaufschächte in Form von Ablaufrohren aufweisen, die haarnadelförmig nach oben gebogen sind, sodass siphonartige Abschnitte wie bei einem Waschbeckenabflussrohr ausgebildet sind. Vorteilhafterweise stehen diese siphonartigen Abschnitte der Ablaufrohre eines Verteilerkanals in Strömungsverbindung miteinander, um eine gleichmäßiges Ablaufen der Flüssigkeit über die gesamte Länge der Verteilerkanäle zu gewährleisten.
Die 5 und 6 zeigen den Gas-Flüssigkeitsverteiler der 1 bis 4 in der Stoffaustauschkolonne 3 mit einem über dem Gas-Flüssigkeits-Verteiler angeordneten Auflagerost 50 für ein Stoffaustauschbett 49 aus einer regellosen Schüttung von Füllkörpern 51. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Auflagerost 50 mit dem darunter angeordneten Gas-Flüssigkeits-Verteiler. 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie C-C von 5 und damit eine Seitenansicht einer der Verteilerkanäle 2.
Der Auflagerost 50 umfasst mehrere streifenförmige Auflageelemente 53, die parallel nebeneinander auf einer nicht dargestellten Halterung aufgelegt sind. Die Auflageelemente 53 sind jeweils durch einen Spalt 54 voneinander beabstandet. Sie besitzen jeweils Gasdurchtrittslöcher 52, durch welche Gas von unterhalb des Auflagerosts 50 in die auf dem Auflagerost aufliegende Füllkörperschüttung 49 übertreten kann. In der Zeichnung sind nur wenige der Löcher 52 gezeigt, die jedoch über alle Auflageelemente 53 gleichmäßig verteilt sind.
Im Betrieb der Stoffaustauschkolonne regnet Flüssigkeit durch die Spalten 54 zwischen den Auflageelementen 53 hindurch. Dabei können weitgehend geschlossene Flüssigkeitsvorhänge 55 entstehen, die sich jeweils über den jeweiligen Kolonnenquerschnitt erstrecken und den Raum unterhalb des Auflagerosts 50 in mehrere Teilräume 57 zerteilen, zwischen denen ein Gasaustausch kaum möglich ist.
Wie aus 5 in der Draufsicht zu ersehen, sind die beiden Verteilerkanäle 2 senkrecht zu den Längskanten 58 der Auflageelemente 53 ausgerichtet. Damit liegen die Verteilerkanäle 2 jeweils mit zumindest einem Abschnitt in jeweils einem der Teilräume 57. Bei der vorliegenden Ausführungsform fallen zwei Gasaustrittsöffnungen 33 des hinteren Verteilerkanals 2 und zwei Gasaustrittsöffnungen 33 des vorderen Verteilerkanals in jeweils einen Teilraum 57, d.h. insgesamt vier Gasaustrittsöffnungen 33 fallen in einen Teilraum 57. Abweichend von der dargestellten Ausführungsform würde zur Versorgung eines Teilraumes 57 eine Gasaustrittsöffnung 33 ausreichen. Dies bedeutet, dass der Gas-Flüssigkeits-Verteiler gemäß der vorliegenden Erfindung auch nur einen Verteilerkanal 2 aufweisen könnte, was jedoch nicht dargestellt ist.
In 5 ist eine Teilfläche A₃ der Gesamtquerschnittsfläche des Auflagerosts 50 bzw. des Stoffaustauschbetts 49, die der halben Fläche des dort befindlichen Auflageelements 53 entspricht, durch Schraffur hervorgehoben. Die beiden Austrittsöffnungen 33₍₃₎ eines darunter befindlichen Verteilerkanalabschnitts 59 des vorderen Verteilerkanals 2 versorgen diese Teilfläche A₃ mit Gas. Die gesamte Gasaustrittsfläche, d.h. Strömungsquerschnittsfläche, der beiden Gasaustrittsöffnungen 33₍₃₎ ist proportional zu dem Flächenanteil, den die Teilfläche A₃ an der Gesamtquerschnittsfläche des Auflagerosts 50 bzw. des Stoffaustauschbetts 49 hat. Dies gilt auch für die anderen Austrittsöffnungen 33₍₁₎ , 33₍₂₎ und 33₍₄₎ der Verteilerkanäle 2 in Bezug auf die mit den jeweiligen Austrittsöffnungen 33₍₁₎ , 33₍₂₎ , 33₍₃₎ und 33₍₄₎ mit Gas zu versorgenden Teilflächen des Auflagerosts 50 bzw. des Stoffaustauschbetts. Die kreisrunden Gasaustrittsöffnungen 33 weisen daher entlang der beiden Verteilerkanäle 2 verschiedene Durchmesser d₁, d₂, d₃, d₄ auf, wobei die folgende Beziehung gilt: d₁ > d₂ > d₃ > d₄. Dies bedeutet, dass die Durchmesser d₁, d₂, d₃, d₄ der Gasaustrittsöffnungen 33 zu den Enden der Verteilerkanäle 2 hin bzw. zur Wand der Kolonne 3 hin abnehmen, da auch die jeweiligen zu versorgenden Teilflächen kleiner werden.
Die Gasaustrittsöffnungen 33 weisen bei der vorliegenden Ausführungsform entlang der beiden Verteilerkanäle 2 zum Teil verschiedene Abstände s₁, s₂, s₃, s₄ voneinander auf. In der vorliegenden Ausführungsform gilt folgende Beziehung 2·s₁ = s₂ = s₃; s₄ < s₃. Die Gasaustrittsöffnungen 33₍₁₎ , 33₍₂₎ , 33₍₃₎ und 33₍₄₎ sind jeweils ungefähr mittig zwischen den Längskanten 58 eines Auflageelements 53 angeordnet.
Mit der in 5 und 6 gezeigten Anordnung und Dimensionierung der Gasaustrittsöffnungen 33 der Verteilerkanäle 2 ist eine gleichmäßige Verteilung des aus dem Gas-Flüssigkeits-Verteilers austretenden Gases über die Querschnittsfläche des auf den Auflagerosts 50 aufliegenden Stoffaustauschbetts 49 gewährleistet. Hierdurch ergeben sich ein guter Stoffübergang zwischen dem Gas und der Flüssigkeit in dem Stoffaustauschbett 49 und damit eine gute Trennleistung der Stoffaustauschkolonne 3.
Um eine gleichmäßige Gasverteilung zu erhalten, besteht abweichend von der Ausführungsform nach 5 und 6 auch die Möglichkeit, die Verteilerkanäle 2 mit Gasaustrittsöffnungen gleichen Durchmessers zu versehen, jedoch die Anzahl an Gasaustrittsöffnungen entlang der Verteilerkanäle 2 pro Längeneinheit der Verteilerkanäle 2 in Abhängigkeit von der jeweiligen zu versorgenden Teilquerschnittsfläche des Stoffaustauschbetts 49 zu variieren.

Claims

Gas-Flüssigkeits-Verteiler zur Einspeisung eines zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Feeds (1) in eine Kolonne (3) und zur getrennten Verteilung des Gases und der Flüssigkeit in der Kolonne (3) aufweisend: zumindest einen Verteilerkanal (2), der Gasaustrittsöffnungen (33) und zumindest einen Ablaufschacht (18) für die Flüssigkeit mit zumindest einer Ablauföffnung (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufschacht (18) strömungsaufwärts der Ablauföffnung (31) einen siphonartig gestalteten Abschnitt (24) aufweist.
Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ablaufschacht (18) und der siphonartig gestaltete Abschnitt (24) des Ablaufschachts (18) über die Länge des Verteilerkanals (2) erstrecken.
Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der siphonartig gestaltete Abschnitt (24) des Ablaufschachts (18) gebildet ist durch eine Rinne (22), in die eine in Längsrichtung der Rinne (22) verlaufende Wand (25) hineinragt, deren untere Kante (27) unterhalb des niedrigsten Rinnenrandes (23) der Rinne (22) liegt.
Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufschacht (18) in Strömungsrichtung der Flüssigkeit einen zum siphonartigen Abschnitt (24) hin sich verkleinernden Strömungsquerschnitt aufweist.
Gas-Flüssigkeits-Verteiler insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Einspeisung eines zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Feeds (1) in eine Kolonne (3) und zur getrennten Verteilung des Gases und der Flüssigkeit in der Kolonne (3) aufweisend: zumindest einen Verteilerkanal (2), der Gasaustrittsöffnungen (33) und zumindest einen Ablaufschacht (18) für die Flüssigkeit mit zumindest einer Ablauföffnung (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsöffnungen (33) entlang des Verteilerkanals (2) in ihrer jeweiligen Gasaustrittsfläche, insbesondere ihrem Durchmesser (d₁, d₂, d₃, d₄), variieren und/oder die Gasaustrittsöffnungen (33) in ihrer Anzahl pro Längeneinheit des Verteilerkanals 2 entlang des Verteilerkanals 2 variieren.
Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkanal (2) eine inneres Kernrohr (10), in das das zweiphasige Feed (1) eingespeist wird, mit entlang des Verteilerkanals (2) angeordneten Öffnungen (14) für das Gas und Öffnungen (15) für die Flüssigkeit und eine das Kernrohr (10) umgebende Hüllstruktur (11) mit den Gasaustrittsöffnungen (33) und dem Ablaufschacht (18) aufweist.
Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest zwei Verteilerkanäle (2) mit den Merkmalen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verteilerkanäle (2) parallel zueinander und beabstandet voneinander in einer zur Längsachse (13) der Kolonne (3) senkrechten Ebene angeordnet sind.
Stoffaustauschkolonne (3) gekennzeichnet durch einen Gas-Flüssigkeits-Verteiler nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Stoffaustauschkolonne (3) nach Anspruch 8 gekennzeichnet durch einen oberhalb des Gas-Flüssigkeits-Verteilers angeordneten Auflagerost (50) für ein Stoffaustauschbett (49), der mehrere nebeneinander angeordnete Auflageelemente (53) umfasst, wobei in einer Draufsicht auf den Auflagerost (50) der zumindest eine Verteilerkanal (2) quer, insbesondere senkrecht, zu Längskanten (58) der Auflageelemente (53) angeordnet ist.
Stoffaustauschkolonne (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Auflageelement (53) zumindest eine Gasaustrittsöffnung (33) zugeordnet ist.
Stoffaustauschkolonne (3) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas-Flüssigkeits-Verteiler unterhalb eines bzw. des Stoffaustauschbetts (49) angeordnet ist und die Gasaustrittsöffnungen (33) des Gas-Flüssigkeits-Verteilers entlang des Verteilerkanals (2) so verteilt und/oder dimensioniert sind, dass die Gasaustrittsfläche der Gasaustrittsöffnung/en (33), die eine Teilquerschnittsfläche (A₃) des Stoffaustauschbetts (49) mit Gas speist bzw. speisen, proportional ist zu dem Flächenanteil, den die Teilquerschnittsfläche (A₃) an der Gesamtquerschnittsfläche des Stoffaustauschbetts (49) hat.