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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer geordneten Packung ausgestatteten Behälters.
Geordnete Packungen sind speziell ausgestaltete Behältereinbauten für verschiedene Arten von Behältern oder Rohren, wobei hier als Beispiel Adsorberbehälter bzw. Adsorberkolonnen, Destillationskolonnen oder Festbettreaktoren genannt seien.
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Eine geordnete bzw. strukturierte Packung besteht typischerweise aus übereinandergelegten, gewellten und/oder gefalteten Metallplatten oder Drahtnetzen. Die Gestaltung der Metallplatten bzw. Drahtnetze soll einen optimalen Austausch zwischen unterschiedlichen Phasen eines eingespeisten Stoffgemisches, typischerweise zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase oder zwischen zwei flüssigen Phasen, gewährleisten, wobei typischerweise durch die Packung ein möglichst geringer Druckwiderstand verursacht werden soll.
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Üblicherweise werden beispielsweise in Luftzerlegungsanlagen, insbesondere in der Niederdrucksäule einer Luftzerlegungsanlage, geordnete Packungen mit einer spezifischen Oberfläche bzw. Packungsdichte von 250 bis 750 m2/m3 eingesetzt. Vereinzelt wurde auch vorgeschlagen, höhere Packungsdichten einzusetzen, um die Wirksamkeit bzw. Trennwirkung der Packung, also insbesondere die Wechselwirkung mit durch die Packung strömenden Phasen, zu erhöhen, indem beispielsweise die Höhe pro theoretischem Boden (HETP Height per Theoretical Plate) verringert wird. Damit lässt sich eine verminderte Bauhöhe erreichen. Eine besonders „dichte“ Packung gewährleistet somit eine besonders hohe spezifische Oberfläche. Eine hohe Packungsdichte weist allerdings den Nachteil auf, dass die Kapazität pro Kolonnenquerschnitt, also der bereitstellbare Stoffstrom durch die Kolonne, spürbar niedriger als bei geringerer Packungsdichte ist. Eine derartige Kolonne muss also bei gleicher Kapazität einen relativ großen Durchmesser aufweisen.
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Mit geordneten Packungen ausgestattete Behälter sind beispielsweise aus der
DE 2013 003 417 A1 , dort anhand des Beispiels einer Trennsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, und aus der
DE 10 2018 005 694 A1 , dort am Beispiel einer Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne, bekannt.
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Es werden standardmäßig nur geordnete Packungen mit bestimmten spezifischen Oberflächen vorgehalten. Typische Packungsdichten bzw. spezifische Oberflächen sind hierbei 64 m2 / m3,
125 m2 / m3, 250 m2 / m3, 350 m2 / m3, 430 m2 / m3, 500 m2 / m3, 750 m2 / m3, 950 m2/m3 und 1200 m2 / m3. Diese verschiedenen spezifischen Oberflächen werden in der Regel entweder als Packungen vom X-Typ oder Y-Typ bereitgestellt. Geordnete Packungen sind aus übereinander- bzw. nebeneinander angeordneten gewellten Blechen hergestellt, wobei gleichbleibende Neigungswinkel dieser gewellten Bleche von ca. 45° als Y-Typ, und von ca. 60° als X-Typ bezeichnet werden.
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Typischerweise werden bei einer Projektierung einer Anlage bzw. einer Kolonne oder eines Behälters zunächst eine möglicherweise geeignete Packung ausgewählt und überprüft, ob sie die Ziel-Anforderungen erfüllt. Beispielsweise werden hierbei eine Trennwirkung und/oder eine Kapazität, gegebenenfalls eine Kapazität pro Kolonnenquerschnitt, vorgegeben. Für den Fall, dass die Packung die Ziel-Anforderungen nicht erfüllt, wird beispielsweise die Standard-Packung mit der nächst geringeren oder nächst größeren spezifischen Oberfläche bzw. Packungsdichte geprüft.
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Dies führt insbesondere in Fällen, in denen eine Packung mit einer bestimmten Packungsdichte die Gestaltungsgrenzen, beispielsweise die gewünschte Kapazität, knapp verfehlt dazu, dass die Standard-Packung mit der nächst geringeren spezifischen Oberfläche verwendet werden muss, was zu einer verminderten Trennwirkung führt, so dass eine größere Höhe des Behälters bzw. der Kolonne zur Bereitstellung der gewünschten Trennwirkung bereitgestellt werden muss.
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Die beschriebene Problematik tritt insbesondere bei Kolonnen mit verschiedenen nacheinander geschalteten Abschnitten auf, welche jeweils unterschiedliche Anforderungen an Kapazität und Trennwirkung aufweisen.
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Wird beispielsweise ein bestimmter Anteil einer Phase zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt aus der Kolonne entnommen, wird für den zweiten Abschnitt eine entsprechend verminderte Kapazität benötigt. Steht keine entsprechende Standard-Packung zur Verfügung, muss die Standard-Packung mit der nächst niedrigeren spezifischen Oberfläche verwendet werden, was, wie erläutert, zur einer verminderten Trennwirkung führt.
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Die vorliegende Erfindung strebt eine Optimierung der Projektierung von mit Packungen ausgestatteten Behältern bzw. Kolonnen an.
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Die Erfindung schlägt daher ein Verfahren sowie einen Behälter bzw. eine Kolonne mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche vor.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen ein Verfahren zur Bereitstellung eines mit wenigstens einer geordneten Packung ausgestatteten zylindrischen Behälters, mit folgenden Schritten:
- -Vordefinieren oder Bereitstellen eines Behältermantels mit einem bestimmten Durchmesser,
- -Angabe von Ziel-Prozessbedingungen, die mit dem Behälter erzielbar sein sollen,
- -Berechnen einer Packungsdichte und/oder wenigstens eines Neigungswinkels für die wenigstens eine in den Behälter einzubringende geordnete Packung, mit der die Ziel-Prozessbedingung realisierbar sind,
- -Vergleich der berechneten Packungsdichte mit standardmäßig für geordnete Packungen verfügbaren Standard-Packungsdichten,
- -für den Fall, dass mit keiner der Standard-Packungsdichten die Ziel-Prozessbedingungen innerhalb eines ersten vorbestimmten Toleranzbereiches darstellbar sind, Anfertigen einer angepassten geordneten Packung mit einer Packungsdichte, mit der die Ziel-Prozessbedingungen innerhalb eines zweiten Toleranzbereiches realisierbar sind, und
- -Einbringung der angepassten geordneten Packung in den Behälter.
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Erfindungsgemäß wird ein Konzept einer stufenlosen Bereitstellung von spezifischen Oberflächen für Packungen vorgeschlagen. Bei Realisierung derartiger, an konkrete Bedürfnisse angepasste nicht-standardisierte spezifische Oberflächen- bzw. Packungsdichten können beispielsweise Packungen in optimaler Weise an vorgegebene Behältergrößen, insbesondere Behälterdurchmesser, angepasst werden. Insbesondere können auch unterschiedliche Prozessbedingungen in unterschiedlichen Abschnitten eines Behälters optimal aufeinander abgestimmt werden. Hiermit können beim Betrieb von Behältern bzw. Kolonnen signifikant Kosten eingespart werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der hier verwendete Begriff Behälter auch Kolonnen, und insbesondere Abschnitte von Kolonnen umfassen soll. Die Realisierung der Erfindung erweist sich insbesondere für Kolonnen mit verschiedenen Abschnitten beispielsweise mit unterschiedlichen Ziel-Prozessbedingungen als vorteilhaft, da, wie erwähnt, die Packungsdichten optimal an die verschiedenen Ziel-Prozessbedingungen angepasst werden können
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die Ziel-Prozessbedingungen eine Kapazität und/oder eine Trennwirkung. Kapazität und Trennwirkung eines Behälters hängen insbesondere von dem durch den Durchmesser definierten Behälterquerschnitt und der Packungsdichte und dem Neigungswinkel der eingesetzten Packung ab. Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung von Packungen mit genau berechneten und an konkrete Vorgaben angepassten Packungsdichten und Neigungswinkeln lassen sich Kapazität und Trennwirkung in einfacher Weise optimieren.
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Die ersten und zweiten Toleranzbereiche können unterschiedlich, insbesondere aber auch gleich groß sein.
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Zweckmäßigerweise weist die angepasste Packung eine Anzahl von übereinanderliegenden gewellten Blechen auf. Durch Anpassung der Blechdicke und/oder der Wellenstruktur, zum Beispiel bezüglich Amplitude (Höhe der einzelnen Wellen) oder Frequenz (Anzahl von Wellen pro Längeneinheit) und/oder Wellen- bzw. Crimpwinkel lassen sich mit derartigen Blechen in einfacher Weise gewünschte Packungsdichten realisieren. Voraussetzung für eine stufenlose Veränderung der Packungsoberfläche und -neigungswinkel ist Kenntnis der genauen Zusammenhänge bezüglich Kapazität und Wirksamkeit und Neigungswinkel, da stufenlose Geometrien in ihrer Gesamtheit nicht vermessen werden können.
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In besonders vorteilhafter Weise wird gemäß dem Berechnen einer optimierten Packungsdichte, mit der die Ziel-Prozessbedingungen erfüllbar sind, wenigstens ein Gestaltungsparameter der gewellten Bleche verändert.
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Besonders bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich, wenn der Behälter als Adsorberbehälter, Adsorberkolonne oder Behälter einer Destillationskolonne oder als Festbettreaktor ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise ist die geordnete Packung als geordnete Packung vom X-Typ oder Y-Typ ausgebildet.
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Die Erfindung wird nur anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
- 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines zylindrischen Behälters mit einer Anzahl von Packungen,
- 2 Bleche einer geordneten Packung im Detail, und
- 3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist schematisch ein Teil eines zylindrischen Behälters 10 mit einem Durchmesser D dargestellt, welcher eine Anzahl von geordneten Packungen 20, 20a-20e aufweist. Der Behälter 10 kann beispielsweise ein Nieder- oder Hochdruckbehälter einer Rektifikationskolonne sein, durch welche eingespeiste Stoffgemische bzw. sich hieraus ergebende Produktströme strömen, wobei in Aufwärtsrichtung eine Gasphase, und in Abwärtsrichtung eine flüssige Phase der Produktströme strömt. Auf die Darstellung von Einzelheiten der Konstruktion des Behälters 10 sowie gegebenenfalls in diesem vorgesehene Komponenten wie etwa Kondensatoren oder Reboiler, sowie der Wechselwirkung der Produktströme mit den geordneten Packungen kann vorliegend verzichtet werden. Es sei nur darauf hingewiesen, dass der Behälter zum Beispiel an Positionen 24,26, 32 eine Anzahl von Zuläufen, und an Positionen 22,28,30 eine Anzahl von Abläufen aufweist, über welche Produktströme dem Behälter 10 zugeführt oder aus diesem teilweise abgeleitet werden. Dies führt beispielsweise dazu, dass zwischen den geordneten Packungen 20d und 20c bei Position 24 ein Produktstrom zugeführt wird, so dass gegebenenfalls die Kapazität der Packung 20c größer sein muss als die Kapazität der Packung 20d. Andererseits ist beispielsweise gegebenenfalls für die Packung 20a aufgrund des Ablaufs 28 eine geringere Kapazität als für die Packung 20b vorsehbar.
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In 2 ist beispielhaft ein Ausschnitt aus einer der Packungen 20a-20e in größerem Detail dargestellt. Hierbei sind zur Veranschaulichung drei Schichten aus jeweils einem gewellten Blech dargestellt. Bei realen Packungen sind wesentlich mehr derartige Bleche übereinander angeordnet.
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Die gewellten bzw. gefalteten Metallbleche 101, 102, 103 sind beispielsweise so angeordnet, dass die Falze (z.B. 104, 105) diagonal bzw. schräg zur Längsachse L des Behälters 10 (siehe 1) verlaufen. Die Falze jeweils benachbarter Bleche verlaufen hierbei zweckmäßigerweise in einem Winkel, insbesondere einem rechten Winkel, zueinander. Die Falze jeweils übernächster Bleche 101, 103 weisen typischerweise in dieselbe Richtung. Hierdurch ergeben sich jeweils in unterschiedliche Richtungen verlaufende, durch die jeweiligen Falze definierte, schräg sich erstreckende Kanäle, durch welche die jeweiligen Produktströme strömen können. Die jeweiligen Metallbleche können mit Öffnungen 106 ausgebildet sein.
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Zur weiteren Veranschaulichung variierbarer Parameter der Bleche, über welche die Packungsdichte veränderbar ist, sind die Amplitude (mit A bezeichnet) sowie die Wellenlänge (als I bezeichnet) sowie ein Wellen- bzw. Neigungswinkel α eines Bleches eingezeichnet.
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Wie dem Fachmann geläufig ist, ist durch entsprechende Variation der Größen I, A und α sowie der Blechdicke die Packungsdichte bzw. spezifische Oberfläche (also Oberfläche pro Volumeneinheit) einer derartigen Packung 20 und/oder deren spezifische Kapazität variierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es in 3 dargestellt ist, wird zunächst in einem Schritt 1001 ein Behälter für eine bestimmte Anwendung mit einem bestimmten bzw. gewünschten Durchmesser vordefiniert und gegebenenfalls bereitgestellt. Eine obere Grenze für einen derartigen Durchmesser kann beispielsweise durch Transportrestriktionen vorgegeben sein.
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In einem anschließenden Schritt 1002 werden Ziel-Prozessbedingungen, die mit dem durch den Behälter erzielbar sein sollen, angegeben. Insbesondere kann hierbei der Behälter in unterschiedliche Abschnitte unterteilt werden, für die jeweils unterschiedliche Ziel-Prozessbedingungen realisiert werden sollen.
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In einem anschließenden Schritt 1003 erfolgt eine Berechnung einer für einen derartigen Behälter oder für jeden einzelnen Abschnitt optimalen Packungsdichte, mit der die Ziel-Prozessbedingungen darstellbar sind, berechnet.
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In einem anschließenden Schritt 1004 wird diese so berechnete optimierte Packungsdichte mit standardmäßig verfügbaren Standard-Packungsdichten verglichen. Für den Fall, dass keine dieser Standard-Packungsdichten die genannten Prozessbedingungen innerhalb eines ersten, vorbestimmbaren Toleranzbereiches ermöglicht, wird in einem anschließenden Schritt 1005 die Anfertigung einer angepassten bzw. individualisierten Packung mit einer Packungsdichte, mit der die gewünschten Ziel-Prozessbedingungen realisierbar sind, angefertigt, bzw. die Anfertigung wird in Auftrag gegeben, wobei hierfür ein zweiter Toleranzbereich angegeben werden kann, der insbesondere dem ersten Toleranzbereich entspricht. Insbesondere werden für jeden Abschnitt des Behälters die Packungen mit den jeweils berechneten angepassten Packungsdichten angefertigt.
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in einem abschließenden Schritt 1006 wird eine derartige geordnete Packung in einem dem vordefinierten Behälter entsprechenden Behälter eingebracht und befestigt. Unter Bezugnahme beispielsweise auf die 1 sei darauf hingewiesen, dass Schritt 1005 bei Vorsehung einer Anzahl von Packungen 20 auch die Anfertigung einer entsprechenden Anzahl von angepassten Packungen und deren Einbringung in einen Behälter umfasst.
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Die mit der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile werden nun weiter anhand eines Zahlenbeispiels weiter erläutert:
- Es sei davon ausgegangen, dass zum Erreichen der Ziel-Prozessbedingungen für einen ersten Abschnitt eines Behälters 10 mit einem vorgegebenen Durchmesser eine geordnete Packung vom X-Typ mit einer Packungsdichte von 450 m2/m3 benötigt würde. Bei Einsatz von Standard-Packungen vom X-Typ mit Packungsdichten von 350 m2/m3 würde die benötigte Trennwirkung dieses Abschnitts nicht bereitgestellt. Andererseits würde beispielsweise die Verwendung einer Packung mit der nächst höheren Standard-Packungsdichte von 500 m2/m3 die Kapazität des Behälters insgesamt beeinträchtigen, da zum Beispiel ein benachbarter Abschnitt eine Kapazität aufweist, welcher mit dieser Packungsdichte nicht realisierbar ist, und entsprechende Produktströme von dem weiteren Abschnitt in den ersten Abschnitt strömen.
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Erfindungsgemäß wird nun eine angepasste Packung vom X-Typ mit einer angepassten Packungsdichte von 450 m2/m3 hergestellt und in den Behälter eingebaut. Dies führt typischerweise für typische Behälter, wie sie beispielsweise in Cold-Boxen verwendet werden, zu Effektivitätssteigerungen von etwa 25%. Beispielsweise können derartige Behälter, die Packungen mit Packungsdichten von 450 m2/m3 verwenden, gegenüber herkömmlichen, die Packungen mit Packungsdichten von 350 m2/m3 verwenden, etwa 4 m niedriger ausgeführt sein, wobei das gesamte Packungsvolumen um typischerweise mehr als 700 m3 für einen Behälter bzw. eine Kolonne reduziert werden kann.
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Auch ist die Herstellung der Packungen mit angepasster Packungsdichte zeitsparend, da nur ein geringeres Packungsvolumen hergestellt werden muss.
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Besonders vorteilhaft ist, derartige angepasste Packungen mittels additiver Herstellung bzw. 3D-Druck herzustellen.
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Ziel ist, einen Behälter herzustellen, der in allen Abschnitten einen gleich großen Abstand zur Flut- oder Staugrenze aufweist (+/- 10% Abstand zu dieser Grenze). Dies geschieht nicht durch Variation des Durchmessers, sondern der inneren Gestaltung des Behälters mit einer Packung. Die Existenz eines Behälters mit diesen Merkmalen ist dem bislang mit steigender Abschnittszahl immer geringer werdendem Zufall überlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2013003417 A1 [0004]
- DE 102018005694 A1 [0004]
