DE1059888B

DE1059888B - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung eines Austausches von Stoff und/oder Waerme zwischen gasfoermigen und/oder fluessigen Medien

Info

Publication number: DE1059888B
Application number: DED26930A
Authority: DE
Inventors: Rolf Manteufel
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1957-11-30
Filing date: 1957-11-30
Publication date: 1959-06-25

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung eines Austausches von Stoff und/oder Wärme zwischen gasförmigen und/oder flüssigen Medien Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer Kolonne für den Stoff- und/oder Wärmeaustausch, wie z.B. zum Rektifizieren, Extrahieren oder Absorbieren, die neuartige Einbauten enthält und die außerdem mit Füllkörpern oder auch mit katalytisch wirkenden Einbauten betrieben werden kann.
Zum Austausch von Stoff und/oder Wärme sind Kolonnen der verschiedensten Art und Ausgestaltung bekannt, z. B. Bodenkolonnen in vielfältiger Ausführung mit Glocken- oder Siebböden, Rohrbündelkolonnen, Rieseiblechkolonnen od. dgl. Bei allen diesen Kolonnenarten wird angestrebt, die auszutauschenden Medien in möglichst definiertem Strom, und zwar bevorzugt im Gegenstrom und in gleichmäßiger Verteilung zu führen sowie unter weitgehender Ausnutzung des Kolonnenvolumens möglichst lange Verweilzeiten und eine intensive Berührung der Medien bei kurzen Diffusionswegen auf großen Phasengrenzflächen zu erreichen. Keine der bekannten Kolonnenbauarten ist allerdings geeignet, diese verschiedenartigen Anforderungen in optimaler Kombination zu erfüllen. Bei den Bodenkolonnen findet beispielsweise der Stoffaustausch infolge des erforderlichen Bodenabstandes nur unter maximal 200/obiger Ausnutzung der Kolonnenhöhe statt, da hierfür hauptsächlich die Höhe der auf den Böden der Kolonnen befindlichen Flüssigkeiten in Bc tracht kommt, abgesehen davon, daß der Austausch im wesentlichen auf die Bildung der Gasblase ode; des Flüssigkeitstropfens beschränkt ist. Bei den Füllkörperkolonnen andererseits läßt sich zwar eine große Phasengrenzfläche schaffen, jedoch muß man darauf verzichten, die Medien in bestimmten definierbaren Bahnen aneinander vorbeizuführen, so daß die Länge der Diffusionswege und die Dicke der Flüssigkeitsschichten in solchen Kolonnen in der Praxis sehr verschieden voneinander sind. Das führt jedoch zu einem ungleichmäßigen Stoffaustausch in der Kolonnenfüllung. Andere Kolonnen, wie z. B. Rieselblechkolonnen, erlauben zwar die Einstellung eines exakten Gegenstromes und eine gute Ausnutzung des Konzentrationsgefälles zwischen den Medien, weisen aber wieder den Nachteil auf, daß die Verweilzeit der Medien je Meter Kolonnenhöhe klein ist und Schwierigkeiten bei der Verteilung der Flüssigkeitsmengen auftreten sowie oft die Einstellung einer ausreichenden Turbulenz erschwert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun diese Schwierigkeiten und Nachteile weitestgehend dadurch überwunden, daß die durch die Einbauten geführten Gas- oder Flüssigkeitsströme bei konstantem Gesamtströmungsquerschnitt der Kolonne durch periodische Änderung des Strömungsquerschnittes der Einzelströme in Richtung der Längsachse der Kolonne mit wechselnder Strömungsgeschwindigkeit durch diese geführt werden.
Es ist bekannt, in aus Rohrbündeln bestehenden Kolonnen in den Rohren zur Erzeugung von Wirbelbewegungen in der Längsrichtung der Rohre parallellaufende Stäbe mit periodisch sich wiederholenden Ausstülpungen anzuordnen. Bei dieser bekannten Ausführung ändert sich der Gesamtströmungsquerschnitt in der Kolonne periodisch, während bei der Erfindung der Gesamtströmungsquerschnitt konstant bleibt, so daß keine toten Räume vorhanden sind und damit die Raumausnutzung außerordentlich gut ist.
Es sind weiterhin Kolonnen bekannt, bei denen durch wellenförmig gestaltete, als Platten oder Rohrstücke ausgebildete Einbauten eine bessere Durchmischung durch Richtungsänderung der Ströme und die dabei auftretende Fliehkraftwirkung erreicht werden soll. Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Richtungsänderung und Fliehkraftwirkung nicht ausgenutzt; vielmehr wird durch periodische Änderung des Strömungsquerschnitts der Einzelströme in Richtung der Längsachse der Kolonne ein Stoff- oder Wärmeaustausch durch periodische Zerteilung der Flüssigkeits- und/oder Gasströme erreicht.
Weiterhin sind Verfahren zum Durchmischen von Gasen oder Dämpfen bekannt, bei denen eine Vielzahl von Mischräumen mit übereinander abwechselnd verengten und erweiterten Durchgangs querschnitten verwendet werden. Hierdurch sollen entweder Druckschwankungen erzeugt oder eine besonders intensive Mischwirkung erreicht werden. Die bekannten Verfahren besitzen jedoch gleichfalls den Nachteil, daß die Raumausnutzung ungünstig ist und daher die Kolonnen verhältnismäßig groß ausgeführt sein müssen.
Die erfindungsgemäßen Kolonnen arbeiten durch die nebeneinanderliegenden Erweiterungen und Verengungen gewissermaßen als Impulskolonnen, wobei die Impulse für die Strömung und deren Veränderung in der Kolonne selbst durch die Art der Einbauten bewirkt werden.
Die Arbeitsweise der Kolonnen im Hinblick auf die Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit läßt sich an Hand der Beschreibung des Einzelaufbaues leicht erläutern. Die Kolonne zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie vertikale. gewellte Zwischenwände enthält, die im Längsschnitt scharfwinklig ausgebildet oder mit abgerundeten Ecken versehen sind. Die Anordnung dieser Zwischenwände ist erflndungsgemäß so getroffen, daß je zwei einander benachbarte Wände zwischen sich Austauschräume mit doppelt konischem Längsschnitt einschließen. Je zwei seitlich benachbarte Räume sind infolge der Ausgestaltung der Bleche um die halbe Höhe eines Austauschraumes gegeneinander versetzt.
Die die Austauschräume bildenden vertikalen Zwischenwände können etwa parallel nebeneinander in der Kolonne aufgestellt oder auch rohrbündelartig angeordnet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind sie ringförmig in eine runde Kolonne eingesetzt, so daß konzentrische Räume entstehen. Dabei können die verschiedenen Räume an ihren engsten und weitesten Stellen spaltförmige Öffnungen aufweisen, durch die seitlich benachbarte Räume miteinander in Verbindung stehen. Außerdem ist es möglich, nach einer weiteren Ausführungsform in den Austauschräumen Prallbleche einzusetzen, die die Trennnung von Gas und Flüssigkeit erleichtern, und bei ringförmigenAustauschkolonnen senkrecht stehende glatte Trennungswände vorzusehen, um auf diese Weise die Austauschräume in radialer Richtung zu unterteilen.
Ein Beispiel für die Ausgestaltung einer Kolonne gemäß der Erfindung ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. Die Abbildung gibt den Ausschnitt aus einer Kolonne wieder, deren Afantel in der Ansicht und im Grundriß mit 11 bezeichnet ist. Die wellenförmig gestalteten vertikalen Bleche 12, 12a und 12 b bilden die im Längsschnitt doppelt konischen Austauschräume 13. Diese sind zur besseren Dosierung und intensiveren Berührung der Medien in Richtung derLängsachse der Kolonnen gestreckt, so daß beispielsweise der Winkel a < 900 und der Winkel p > 900 ist. In den weiten Teilen der Austauschräume ergibt sich jeweils durch die Erhöhung des Querschnittes eine Ver minderung der Strömungsgeschwindigkeit der im Gegenstrom geführten gasförmigen und flüssigen Medien. Die Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit in den auf gleicher Höhe liegenden Erweiterungen der Austauschräume erfaßt jeweils die Hälfte der durch die Kolonne strömenden Volumina, so daß die Dämpfe bzw. Flüssigkeiten an den weitesten Stellen der konischen Räume sich jeweils fast mit der halben Geschwindigkeit im Vergleich zu dem auf den gesamten freien Querschnitt der Kolonne bezogenen Geschwindigkeitswert bewegen. Dadurch wird eine weitgehende Abscheidung der durch die Gase oder Dämpfe mitgeführten Flüssigkeitsteilchen erreicht. die überdies durch die Prallflächen 15 noch verbessert werden kann.
Da die vertikal angeordneten, die Austauschräume bildenden Zwischenwände außerdem eine definierte Führung der Gas- und Flüssigkeitsströme gewährleisten, ergibt die Kolonne gemäß der Erfindung einen exakt geleiteten Gegenstrom zwischen den beiden austauschenden Medien bei großer Phasengrenzfläche und kurzen Diffusionswegen und eine hohe Turbulenz, die die Durchmischung und den Austausch unter Aufrechterhaltung des Konzeutrationsgefälles zwischen den Medien fördert.
Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden somit die Anforderungen erfüllt, die eine optimale Austauschwirkung in bezug auf Stoff und/oder Wärme gewährleisten.
Wenn nach einer anderen Ausführungsform der Kolonne gemäß der Erfindung die konischen Wände an den weitesten und engsten Stellen mit spaltförmigen Öffnungen versehen sind, die eine Verbindung zwischen benachbarten Austauschräumen herstellen, so kann auch eine Strömung der Medien quer zur Längsachse der Kolonne erfolgen und damit, was unter Umständen erwünscht sein kann, eine gleichmäßige Konzentration über den Querschnitt der Kolonne erzielt werden. Diese Ausführungsform ist in Abb. 2 wiedergegeben, in der 21 die Kolonnenwand, 22 die gewellten vertikalen Wände und 23 die dadurch gebildeten Austauschräume bezeichnen. An der weitesten und engsten Stelle dieser Räume befinden sich spaltförmige Öffnungen 24.
Weiterhin ist es möglich, die ringförmigen konischen Stoffaustauschräume durch glatte vertikale Trennwände zu unterteilen, wie sie in Abb. 1 unter der Bezeichnung 14 dargestellt sind. Diese Ausführungsform verhindert die Entstehung von unerwünschten Strömen längs der Peripherie der ringförmigen Austauschräume und trägt zur Aufrechterhaltung stabiler Strömungsverhältnisse von oben nach unten bzw. von unten nach oben bei. In der Kolonne gemäß der Erfindung können auch katalysatorhaltige Medien. z. B. Dispersionen, mit Vorteil behandelt werden.
PATENTANSPRtJCHE 1. Verfahren zur Durchführung eines Austausches von Stoff und/oder Wärme zwischen gasförmigen und/oder flüssigen Medien ohne oder mit Katalysator in einer Kolonne mit Einbauten, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Einbauten geführten Gas- oder Flüssigkeitsströme bei konstantem Gesamtströmungsquerschnitt der Kolonne durch periodische Änderung des Strömungsquerschnittes der Einzelströme in Richtung derLängsachse der Kolonne mit wechselnder Strömungsgeschwindigkeit durch diese geführt werden.

Claims

2. Kolonne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie vertikale, gewellte Zwischenwände (12, 12 a.

12b) enthält, von denen je zwei benachbarte eine Mehrzahl von übereinanderliegenden Austauschräumen (13) von doppelkonischem Längsschnitt umschließen.

3. Kolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12, 12 a, 121>) scharfwinklig gefaltet sind.

4. Kolonne nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12, 12 a, 12 b) ringförmig und konzentrisch in der Kolonne angeordnet sind.

5. Kolonne nach Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Austauschräume (23) durch an den engsten und weitesten Stellen angebrachte spaltförmige Öffnungen (24) miteinander in Verbindung stehen.

6. Kolonne nach Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Austauschräumen Prallbleche (15), gegebenenfalls mit Öffnungen, angeordnet sind.

7. Kolonne nach Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den AustauschräumenFüllkörper enthalten sind.

8. Kolonne nach Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei ringförmiger Anordnung der Trennwände die gebildeten ringförmigen Austauschräume (13) durch senkrecht stehende glatte Trennwände (14) unterteilt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 522 673, 532 764, 553 036, 872 937, 905 972, 908 488, 913533.