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Stoffaustauschkolonne In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten
ergibt sich die Notwendigkeit einer intensiven Durchmischung einer Flüssigkeit mit
Gasen hzw. Dämpfen. Insbesondere, wenn ein Phasenaustausch zwischen Flüssigkeiten
und Gasen erwünscht ist, wie z. B. in der Destillationstechnik, bildet eine gute
Durchwirbelung der Flüssigkeit mit den gasförmigen Bestandteilen eine Aufgabe von
großer technischer Wichtigkeit.
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Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen die in den Destillierkolonnen
iiber mehrere Kolonnenhöden bzw. -stufen abfließende Flüssigkeit mittels geeigneter
Zuführungen, z. B. Tauchleisten, Tauchglocken od. dgl., mit Gasen durchwirbelt wird.
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Es sind Anordnungen hekannt, bei denen die Flüssigkeit mittels eines
Leitblechsystems an den Tauchleisten vorbeigeführt wird, um einen möglichst langen
Kontaktweg zwischen eingespeistem Gas und Flüssigkeit sicherzustellen, ehe die Flüssigkeit
in den Ablauf für die nächstfolgende Stufe gelangt. Der Ablauf ist bei den bekannten
Vorrichtungen als Überlaufwehr gleichmäßiger Köhe ausgebildet, nach dessen Überquerung
die Flüssigkeit in einen im Boden der Kolonnenstufe befindlichen Ausfluß bzw. direkt
in die nächste Durchwirbelungsstufe gelangt.
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Diese bekannten Anordnungen weisen erhebliche Nachteile auf. Die
Anordnung der zur Flüssigkeitsfiihrung parallelen Leitbleche bedingt einen erheblichen
Material- und Kostenaufwand. Die in der Destillationstechnik aus naheliegenden Gründen
erwünschte Verwendung der Glastechnik ist insbesondere hei den heute üblichen Kolonnendurchmessern
nicht möglich. Die Leitbleche müssen deshalb aus einem hochwertigen Material hergestellt
werden und, da sie einen erheblichen Pralldruck der eingespeisten Gase bzw. Dämpfe
auszuhalten haben, außerdem mit Versteifungen versehen sein.
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Ein weiterer entscheidender Nachteil der bekannten Anordnungen besteht
darin, daß die mit dem Gas durchwirbelte Flüssigkeit nach dem Vorbeigleiten an den
Leitblechen gegen ein Überlaufwehr läuft und nach tiberströmen desselben direkt
in den Abfluß bzw. die nächstfolgende Stufe gelangt. Hierdurch wird ein Teil der
Flüssigkeit mitgerissen, bei dem der Phasenaustausch erst ungenügend stattgefunden
hat, wodurch der Wirkungsgrad der Anordnung pro Stufe verringert wird.
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Diese obengenannten Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
vermieden, welche es insbesondere gestattet, Kolonnenelemente einschließlich der
Durchwirbelungsstufen in Glas herzustellen.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Flüssigkeit
in die eine Kammerhälfte einer aus einem Kolonnenboden und den Begrenzungs-
wänden
gebildeten Kammer geleitet, deren beide Kammerhälften durch eine Trennwand voneinander
getrennt werden. Die Flüssigkeit gelangt dann durch Offnungen, Schlitze oder ähnliche
Ausführungen zwischen Treunwandung und Tauchleiste in die andere Kammerhälfte, in
der sich der Ausfluß befindet. Nach Durchquerung der genannten Offnungen gelangt
die Flüssigkeit in den außerhalb des durch die Offnungen bestimmten Strömungsfeldes
befindlichen Ausfluß, dessen Austrittsöffnung höher als der Kolonnenboden liegt.
In der Kammerhälfte, in der der Zufluß der Flüssigkeit sich befindet, wird mittels
einer Tauchleiste, Tauchglocke, Tauchmantel od. dgl. die Zufuhr des Dampfes bzw.
des Gases, mit der die Flüssigkeit durchwirbelt werden soll, in Richtung auf die
Trennwandung bewirkt. Die Höhe der Treunwandung ist natürlich vorzugsweise so gewählt,
daß kein Spritzwasser aus der einen Kammerhälfte in die Kammerhälfte gelangt, in
der der Abfluß sich befindet.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung mehrstufig aus gebildet, so daß
der Abfluß der einen Stufe den Zufluß der nächstfolgenden bildet. Hierbei können
in an sich bekannter Weise die zwei aufeinanderfolgenden Kammern eine Winkelversetzung
gleichartiger Kammerelemente von 1800 aufweisen, wenn die Kammern untereinander
in einem gemeinsamen Kolonnenrohr angeordnet sind. Um das erfindungsgemäß erreichte
ruhige Abfließen der gut durchwirhelten Oberflächenschichten der Flüssigkeit, in
denen der Phasenaustausch am weitesten fortgeschritten ist, in den Abfluß zu unterstützen,
kann um den sich iiber den Kolonnenboden erhebenden Abflußstutzen noch ein rohrförmiger
Mantel vorgesehen werden, der an der den Kolonnenboden berührenden Seite mit Schlitzen
versehen ist, durch welche die Flüssigkeit innerhalb des
Mantels
mit der außerhalb des Mantels befindlichen Flüssigkeit kommuniziert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie aus einfachsten
Vorrichtungselementen ausgeführt werden kann. Die üblichen Leitbleche für die Fliissigkeitsführung
entfallen. Die Überfiutungswehre und die durch sie bedingten oben erläuterten Nachteile
werden durch die Trennwandung vermieden.
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Gleichzeitig ermöglicht die unkompliziert ausgebildete Trennwandung,
den erheblichen Pralldruck der eintretenden Gase aufzuhalten, ohne daß Spezialbleche
mit Versteifungen vorgesehen zu werden brauchen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Trennwandung
aus einem quetschfußförmigen Glasansatz bestehen, der bei zylindrischer Anordnung
auf eine Diagonale des Kolonnenbodens verläuft und kurz vor den begrenzenden Wänden
abbricht, so daß sich seitliche Durchführungen für die Flüssigkeit ergeben, die
ein solches Strömungsfeld lxedingen, daß der vorzugsweise direkt hinter dem mittleren
Teil der Zwischenwandung liegende erhöhte Abfluß nicht von der Direktströmung erfaßt
wird, sondern in einem strömungstoten Gebiet liegt, so daß ein ruhiges, gleichmäßiges
Ablaufen der oberflächlichen Schichten des Gas-Flüssigkeits-Gemisches stattfindet.
Neben dem Vorteil der gesteigerten Wirksamkeit hinsichtlich des Phasenaustausches
ergibt sich noch zusätzlich die Möglichkeit, besondere Abflußkästen einzusparen,
wie sie üblicherweise unter den Kolonnenböden dem eigentlichen Abfluß vorgeschaltet
werden.
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Einer der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, daß auch bei
intensivsten Durchwirbelungsvorgängen in der Kammerhälfte, in der der Zufluß sich
befindet, nur eine unerhebliche Änderung des Strömungsfeldes in der anderen Kammerhälfte
eintritt. Hierdurch wird es ermöglicht, daß sich auf der Bodenfläche ein Konzentrationsgradient
entsprechend den Siedetemperaturen der Komponenten des Gases bzw. der Flüssigkeit
ausbildet. Die Intensität des Mischvorganges kann so erheblich größer gewählt werden
als bei den bekannten Anordnungen, bei denen das Mitreißen von Flüssigkeitsteilchen
durch die Gasströmung vermieden werden mußte. Die Intensität der Gasströmung kann
bei der erfindungsgemäßen Anordnung so gesteigert werden - nicht zuletzt durch die
Möglichkeit einer unkomplizierten und kompakten Ausbildung der Trennwand -, daß
der lange Strömungsweg längs des Leitbleches zur Durchwirbelung des Gases in seiner
Wirkung weit hinter der erfindungsgemäßen Durchwirbelung zurücksteht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Kolonnenboden,
insbesondere bei mehrstufigen Einheiten, die in ein gemeinsames Kolonnenrohr eingebaut
werden, kreisförmig ausgebildet sein, wobei die den Kolonnenboden begrenzende Kammerwand
und der Tauchmantel als koaxiale Zylinder ausgebildet sind. Der Durchmesser des
Tauchmantels ist natürlich wenigstens in dem Teil, der der Begrenzungswand der Kammer
gegenüberliegt, etwas kleiner als der Durchmesser der Kammerwandung um dem Gas einen
Durchtritt zwischen dem Zwischenraum der beiden Zylinder zu ermöglichen.
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Die Erfindung ist an Hand einiger Ausführungsbeispiele in den Figuren
veranschaulicht.
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Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine einzelne Kolonnenstufe gemäß der
Erfindung; Fig. 2 veranschaulicht eine Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß Fig.
1, in Richtung des Pfeiles F1 der Fig. 1 gesehen;
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform
der Erfindung im Schnitt; Fig. 4 ist eine Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß Fig.
3, längs des Pfeiles F2 der Fig. 3 gesehen; Fig. 5 veranschaulicht die Verwendung
eines den Abfluß umgebenden Mantels; Fig. 6 zeigt mehrere Kolonnenstufen.
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Der Zwischenboden 1 bildet mit den Begrenzungswänden 2 eine Kammer,
welche durch die Trennwandung 3 in zwei Kammerhälften 4 und 5 geteilt wird, Durch
den Zufluß 6 erfolgt die Zuführung der Flüssigkeit, die eventuell von einer vorhergehenden
Kolonnenstufe eingespeist wird. Zwischen die Wandung 2 der Bodenkammer und die Wandung
7 des Tauchmantels gelangt das durch die Pfeile 8 angedeutete Gas durch die Zwischenräume
der Zacken 9 in die Bodenflüssigkeit. Die Flüssigkeit gelangt durch den Spalt 10
zwischen der Trenuwandung 3 und der Wandung des Tauchmantels von der Kammerhälfte
4 in die Kammerhälfte 5, wo sich der Abfluß 11 befindet. Wie die das Strömungsfeld
angedeuteten Pfeile 12 anzeigen, liegt der Abfluß 11 in einem fast strömungsfreien
Gebiet. Flügelförmige Ansätze 11 a in der Offnung des Abflusses 11 können auch eventuell
vorhandene kleine Strömungskomponenten vollständig abbremsen.
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Fig. 3 und 4 veranschaulichen eine andere Ausführungsform, bei der
nur ein Durchtrittsspalt 10 für die Flüssigkeit vorgesehen ist. Der in der Kammerhälfte
4 befindliche Teil des Tauchmantels 7 ist mit relativ weit auseinanderstehenden
Zacken 9 a, der in der Kammerhälfte 5 befindliche Teil mit eng nebeneinanderliegenden
Zacken 9b versehen. Die Abstände der Zacken voneinander bestimmen die Stärke der
Durchwirbelung in den einzelnen Kammerteilen, so daß gemäß der Ausführungsform der
Fig. 3 und 4, besonders in der Kaminerhälfte 4, eine starke Durchwirbelung stattfindet.
Das durch die Pfeile 12 angedeutete Strömungsfeld weicht etwas von dem Strömungsfeld
gemäß Fig. 1 und 2 ab, so daß der Abfluß eine unsymmetrische Stellung im strömungsfreien
Gebiet einnimmt.
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Fig. 5 veranschaulicht unter Fortlassung einzelner, bereits in den
vorhergehenden Figuren erläuterter Konstruktionseinzelheiten die Anbringung eines
mantelförmigen Glaskörper 13 um den Abfluß 11. Die Flüssigkeit gelangt zwischen
die Zwischenräume der Zacken 14 in das Innere des Mantels, wodurch jeder schädliche
Strömungseffekt ausgeschaltet wird.
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Eine Kolonne mit mehreren Stufen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in Fig. 6 veranschaulicht.
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Der Tauchmantel ist hierbei mittels der Glasverstrebungen 15 an die
Wandung 16 des Kolonnenrohres befestigt.
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Wie bereits erwähnt, ermöglicht der relativ unkomplizierte Aufbau
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sämtliche Teile derselben in Glas auszuführen.
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So kann insbesondere die Trennwand mit dem Austauschboden als bauliche
Einheit ausgebildet werden, indem die Trennwand im Austauschboden in Form eines
Glasquetschfußes vorgesehen ist.