DE1151387B - Fraktionierkolonne fuer Metalldaempfe und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine turmartige Fraktionierkolonne von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt zum Fraktionieren eines Metalldampf gemisches mit übereinander angeordneten Trögen, in denen das flüssige Metall kaskadenartig herabfließt und in den jeweils darunterliegenden Trog fällt.

Bei bekannten Fraktionierkolonnen dieser Art sind die übereinander angeordneten Tröge aufeinandergestapelt und mit versetzten Öffnungen versehen. Die einzelnen Tröge weisen vom Trogboden ausgehende Querrippen auf, deren Höhe von der Öffnung ab fortschreitend zunimmt, so daß jeder Trog eine Reihe von Becken darstellt, deren Böden sämtlich in gleicher Höhe liegen. Der aufsteigende Metalldampf und das herabfließende Metall streichen hierbei in zickzackförmigen Bahnen an den Trogböden entlang, bilden jedoch keinen sehr innigen Kontakt miteinander, wodurch sich zum Erhalt einer wirklich wirksamen Fraktionierung eine große Höhe der Fraktionierkolonne ergibt. — Da die Tröge aus hitzebeständigem Material bestehen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, erhöht sich die Gefahr der Bildung von Rissen und Undichtigkeiten in dem Maße, in dem die Höhe der Fraktionierkolonne zunimmt.

Die Gefahr eines Brechens von Trögen, vor allem von untenliegenden Trögen, ergibt sich auch daraus, daß jeder Trog als Träger der über ihm aufgestapelten Tröge dient und somit ein sehr großes Gewicht tragen muß. Infolgedessen war es bisher notwendig, die Tröge sehr schwer und stabil und aus besonders hochwertigem Material, z. B. Siliciumcarbid, herzustellen, damit eine ausreichende Tragfähigkeit für die auf jedem Trog lastende Tragsäule wenigstens in etwa gewährleistet wurde.

Durch die bisherige Säulenbauart der Fraktionierkolonne wurde auch die Kapazität einer solchen Anlage beschränkt; denn nicht nur sind aus Siliciumcarbid bestehende Tröge auf eine praktische verwendbare Maximalgröße beschränkt, sondern es steht auch der Stabilitätsfaktor einer solchen Säule einer unbegrenzten Kolonnen- bzw. Säulenhöhe entgegen, vor allem dort, wo mit Bodenerschütterungen zu rechnen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fraktionierkolonne zu schaffen, durch welche die obigen Nachteile vermieden werden und durch welche insbesondere eine bedeutend verbesserte innige Verbindung zwischen Metalldampf und flüssigem Metall, eine größere Kapazität je Kolonne als bisher und ein weniger kostspieliger und störanfälliger Aufbau einer Fraktionierkolonne erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge-Fraktionierkolonne für Metalldämpfe
und Verfahren zu deren Betrieb

Anmelder:

American Metal Climax, Inc.,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Sdhmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. März 1958 (Nr. 718 596)

Erwin Casper Handwerk, Lehighton, Pa. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

löst, daß die rechteckigen Tröge lose und beweglich auf leistenartigen Vorsprüngen der Turmwände ruhen und die Oberseite der Tröge so unterteilt ist, daß eine Reihe von nach unten abgestuften, flachen Becken gebildet wird und daß Einrichtungen zum Führen der heißen Metalldämpfe in einem Aufwärtsstrom durch den Turm über diese Tröge in inniger Berührung mit dem herabfließenden Metall vorgesehen sind.

Durch die erfindungsgemäße Lösung der genannten Aufgabe wird eine einen Trog bildende, nach unten abgestuft verlaufende Reihe schmaler Becken gebildet, wodurch eine erhöhte Wirbelwirkung und eine bedeutend verbesserte innige Verbindung zwischen den Flüssigkeits- und Dampfmengen eines jeden Trogspiegels ermöglicht wird. Weiterhin wird eine unabhängige Lagerung bzw. Halterung der einzelnen hitzebeständigen Tröge erzielt, wodurch die übereinanderliegenden Tröge nicht mehr in der Weise voneinander abhängig sind, daß ein Trog als Träger der über diesem aufgestapelten Tröge dient. Dies trägt im großen Maße dazu bei, die Gefahr des Brechens von Trögen zu vermindern.

Durch die Erfindung wird auch eine bedeutend größere Veränderbarkeit bzw. Anpassungsfähigkeit an die gegebenen Verhältnisse einer Fraktionierkolonne in bezug auf deren Breite und Höhe erreicht. Die Kolonnen sind jetzt nicht mehr an die bisher notwendigen großen, mehretagigen Aufbauten gebunden, son-

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dem das Verhältnis von Höhe zu Breite einer Säule Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den gleichen

kann in jeder gewünschten Weise geändert werden, Teil der Fraktionierkolonne entlang der Linie 2-2 der ohne daß der Wirkungsgrad der Fraktionierung her- Fig. 1,

abgesetzt wird. Die bisher üblichen und notwendigen Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Teils

Kolonnenhöhen von 3 bis 4 Stockwerken können 5 einer Fraktionierkolonne, in der jeder Trog der Kodurch die Erfindung durch eine Gesamthöhe des lonne zwei stufenförmige Beckenreihen bildet, über Turmes innerhalb der Höhe eines Stockwerkes er- die die kondensierte Flüssigkeit herabströmt, setzt werden, wobei die zum gewünschten Grad der Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teils

Fraktionierung erforderliche Kondensationsoberfläche einer Fraktionierkolonne, in der eine abgewandelte ohne weiteres erreicht wird. Hieraus resultieren nicht io Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Tröge vernur bedeutende Einsparungen der Herstellungs-, Be- anschaulicht ist, und

triebs- und Wartungskosten, sondern es wird auch Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Teils

eine sehr viel größere Stabilität der Anlage erhalten. einer Fraktionierkolonne, die eine weitere abgewan-Schließlich wird auch die Kapazität einer Fraktio- delte Ausführungsform der Tröge gemäß Fig. 1 zeigt, nierkolonne mit den erfindungsgemäßen Merkmalen 15 Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Fraktionierkolonne bevergrößert, und zwar nicht nur weil die Beschrankung steht aus einem rechteckigen Turm 10 mit den Wander Troghöhe aus Stabilitätsgründen keine Rolle mehr düngen 11, 12 und 13, 14. Mehrere in senkrechter spielt, sondern auch weil durch die erfindungsgemäße Richtung im Abstand voneinander angeordnete Tröge Troganordnung billigeres, feuerfestes Material als 15 sind mit ihren Endteilen an den Wandungen 13,14 das bisher übliche Siliciumcarbid verwendet werden 20 befestigt.

kann, mit dem nahezu beliebige Troggrößen herge- Jeder Trog 15 besteht aus vier Trogteilen 16, die

stellt werden können. Abgesehen davon sind billige so angeordnet sind, daß eine Seite eines Trogteils 16 und in höherem Grade feuerfeste Ziegel als Trog- über und an der Seite eines weiteren Trogteils liegt, so material für die Trögherstellung nicht nur wirtschaft- daß eine Stufenreihe gebildet wird, über die die Flüslicher, sondern auch aus Korrosionsgründen besser, 25 sigkeit herabströmen kann, wenn sie über den aus da Ziegel der Korrosionseinwirkung des Eisens gegen- Trogelementen 16 bestehenden Trog 15 fließt. Wie über äußerst unempfindlich sind. Eisen nämlich, wel- aus der Zeichnung ersichtlich, ist jeder Trogteil 16 ches in nahezu sämtlichen Zinklegierungen vorhanden mit einer vorstehenden Lippe 17 und einem Überlauf ist, ist in höherem Grade schädlich für Siliciumcarbid- 18 an einer Seite versehen, um das Überfließen der tröge, was zur Folge hat, daß letztere in periodischen 30 Flüssigkeit von einem Trogteil 16 in den nächsten Abständen ausgewechselt werden müssen. Tröge aus Trogteil zu erleichtern. Die vorstehende Lippe 17 gefeuerfesten Ziegern hingegen halten unter denselben währleistet ferner eine bessere Abdichtung an der Korrosionswirkungen mindestens zweimal so lange. Stelle, wo die Seiten aneinandergrenzender Trogteile

Vorteilhaft ist jeder Trog aus einer Mehrzahl von über- und aneinanderliegen, so daß die Gefahr, daß Trogelementen im wesentlichen rechteckiger Form 35 aufsteigende heiße Dämpfe und herabströmende Flüszusammengesetzt, die sich jeweils mit ihrem einen sigkeit zwischen aneinandergrenzenden Trogteilen 16 Seitenteil überlappen und mit dem Seitenteil des hindurchsickern, stark vermindert wird, anderen Trogelementes im Anschlag liegen, wobei Die Innenseiten der Wandungen 13, 14 sind mit

jedes Trogelement einen Überlauf längs des Seiten- waagerechten Aussparungen oder, um es auf eine teiles aufweist, mit dem es das Trogelement über- 40 andere Weise zu sagen, mit waagerechten, vorsprinlappt. — Vorzugsweise sind auch Dampfablenkungs- genden leistenartigen Ansätzen 19 versehen, auf einrichtungen oberhalb eines unteren Beckens jedes denen die Trogteile 16 aufliegen und die somit die Troges angeordnet, um die aufsteigenden heißen einzige Halterung für die Teile 16 bilden. Der unterste Dämpfe. gegen die Oberfläche eines oberen Beckens Trogteil 16 jedes stufenförmigen Troges 15 liegt undieses Troges zu lenken. 45 mittelbar auf diesen Ansätzen 19 auf, während der

Es sei noch bemerkt, daß die Trogstufen nur eine nächsthöhere Trogteil 16 auf Abstandshaltern 20 auf-Höhe von etwa 12,7 bis 25,4 mm zu haben brauchen liegt, die zwischen dem Trogteil 16 und den Ansätzen und daß die über diese augenscheinlich kleinen Stufen 19 angeordnet sind; ähnliche Abstandshalter 21, 22 herabfließende Flüssigkeit bzw. das herabfließende sind zwischen den sich jeweils nach oben anschließen-Metall genügend Turbulenz besitzt, um die Frak- 50 den Trogteilen 16 und dem leistenartigen Ansatz 19 tionierwirkung zu erhöhen. Da ein wesentlicher Vor- vorgesehen. Der oberste Trogteil 16 jedes stufenteil der erfindungsgemäßen Kolonne in der Verminde- förmigen Troges 15 wird an seiner an der Wandung rung der Turmhohe besteht, ist es zweckmäßig, den 11 oder 12 anliegenden Seite außerdem von einer Gesamthöhenunterschied jeder stufenförmigen Trog- Leiste 23 und einem Abstandshalter 24 gehalten, reihe auf etwa 15 cm zu beschränken, wobei diese 55 Zur weiteren Verbesserung der Berührung zwischen Höhe dem Abstand zwischen der Oberfläche des den aufsteigenden heißen Dämpfen und der über die untersten Beckens und der Oberfläche des obersten stufenförmigen Tröge 15 herabfließenden Flüssigkeit Beckens dieser stufenförmigen Reihe entspricht. sind über dem unteren Ende jedes stufenförmigen

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich Troges 15 Ablenkflächen 25 angeordnet. Diese Abaus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an 60 lenkflächen 25 werden in einfacher Weise von geHand der Zeichnungen, und zwar zeigt schlitzten Stützen 26 gehalten, die auf einem Trogteil Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Teil 16 angeordnet sind und an den Leisten 19 der Waneiner aus hitzebeständigem Material bestehenden düngen 13, 14 anliegen. Vorzugsweise besteht jede Fraktionierkolonne nach der Erfindung, in der heiße Ablenkfläche 25 aus zwei Teilen, und eine in der Mitte Dämpfe mit einer Flüssigkeit in Berührung kommen, 65 mit Schlitzen versehene Stütze 27 wird in der Mitte die sich aus den Dämpfen niederschlägt und über des Trogteils 16 angeordnet.

mehrere Stufen, die in.jedem Trog der Kolonne vor- Jeder Trogteil 16 besitzt an seinen beiden Enden

gesehen sind, herabströmt, und seinen beiden Seiten eine erhöhte Kante 28, um

ein flaches Becken für die kondensierte Flüssigkeit zu bilden. Diese erhöhte Kante 28 ist an der Seite jedes Trogteils 16, an dem die Lippe 17 vorsteht, zum Teil ausgeschnitten, um den Überlauf 18 zu bilden.

Die erfindungsgemäße Fraktionierkolonne ist aus hitzebeständigem Material hergestellt. Geeignete hitzebeständige Materialien, die Zinkdämpfen und geschmolzenem Metall ausgesetzt werden können, sind z. B. Graphit, hochwertiger Schamottestein und Siliciumcarbid. Bei Verwendung der besten derzeit erhältlichen hitzebeständigen Materialien ist es ratsam, die Abmessungen der Trogteile 16 auf 90-60 cm zu beschränken. Im allgemeinen beträgt die Dicke der Trogteile 16 ungefähr 5 cm. Die erhöhten Kanten 28, die etwa 2,5 cm breit und 2,5 cm hoch sind, begrenzen auf jedem Trogteil 16 ein Becken, in dem die Flüssigkeit durch den Überlauf 18 nur etwa 12,7 mm hoch gehalten wird. Die Leisten 19, deren Breite nicht größer als etwa 5 cm ist, bilden eine ausreichende Halterung für die stufenförmigen Tröge 15.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte spezielle Ausführungsform einer Fraktionierkolonne zur Entfernung von Cadmium aus Zink besitzt etwa 17 cm dicke Wandungen aus hochwertigem Schamottestein. Jeder der Trogteile 16 ist etwa 80 cm lang und 60 cm breit. Jeweils vier Trogteile 16 sind so angeordnet, daß sie einen stufenförmigen Trog 15 der Kolonne bilden. Vierzehn stufenförmige Tröge 15 sind in gleichem Abstand voneinander in der Kolonne angeordnet, so daß der Abstand zwischen dem untersten Trog 15 und dem obersten Trog 15 nur etwa 4,50 m beträgt. Die Gesamtbreite der Kolonne zwischen den Wandungen 11 und 12 beläuft sich auf 2,70 m. Mit dieser Fraktionierkolonne wird Zink mit einer 99,99 °/oigen Reinheit bei einer täglichen Leistung von 50 t erzielt, wobei Cadmium aus dem der Fraktionierung unterworfenen Rohzink entfernt wird.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer Fraktionierkolonne, in der jeder Trog aus zwei Stufenreihen besteht. Einmal sind die Stufenreihen 31, 32 voneinander getrennt, so daß die Flüssigkeit von den Wandungen 33, 34 der Kolonne zur Mitte der Kolonne hinfließt. Die unmittelbar darunter angeordneten beiden Stufenreihen 31, 32 sind dann wieder miteinander verbunden, so daß die Flüssigkeit zum Teil über die Stufen 31 und zum Teil über die Stufen 32 fließt. Kurz, die Verwendung von Trögen mit zwei Stufenreihen ergibt eine Kolonne geringer Höhe und großer Leistungsfähigkeit. Zwischen den stufenförmigen Trögen sind Prallwände oder Ablenkflächen 35 vorgesehen, um das Zusammentreffen der heißen Dämpfe mit der über die stufenförmigen Tröge herabfließenden Flüssigkeit zu verbessern.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen stufenförmigen Tröge, in der jeder stufenförmige Trog 41 aus drei Trogteilen 42, 43, 44 mit geringer werdender Höhe besteht. Bei dieser Ausführungsform liegen die Unterseiten der stufenförmigen Tröge in einer Ebene, so daß sich weniger heiße Dämpfe unter den stufenförmigen Trögen 41 sammeln als unter den stufenförmigen Trögen 15 der Fig. 1. Über jedem Trogteil 44 ist eine einzige große Prallwand oder Ablenkfläche 45 angeordnet, um über dem Trogteil 44 eine hohe Dampfgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Fig. 5 zeigt einen stufenförmigen Trog 51, der aus drei Trogteilen 52 besteht, die so angeordnet sind, daß ihre Seiten über- und untereinanderliegen, wie dies auch bei den Trogteilen 16 der Fig. 1 der Fall war. Die Trogteile 52 bestehen jedoch aus einem dicken Teil 53 und einem dünnen Teil 54, so daß die über die Trogteile 52 herabfließende Flüssigkeit noch über eine Zwischenstufe 55 fließt. Mit anderen Worten, die Trogteile 52 können dazu verwendet werden, um die Anzahl der Stufen in einer Fraktionierkolonne zu erhöhen, damit der innige Kontakt zwischen den aufsteigenden heißen Dämpfen und der durch den Fraktionierturm herabfließenden kondensierten Flüssigkeit verbessert wird. Fig. 5 zeigt ferner eine andere Ausführungsform der Prallwände zum Ablenken der Dämpfe gegen die auf den Trögen befindliche Flüssigkeit. Über dem untersten Trogteil 52 jedes stufenförmigen Troges 51 ist ein Paar von Prallwänden oder Ablenkflächen 56 angeordnet, während sich über dem darüberliegenden Trogteil 52 nur eine einzige Ablenkfläche 57 befindet.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abänderungen der beschriebenen Fraktionierkolonne möglich. So können beispielsweise Heizvorrichtungen, insbesondere Strahlungsröhren aus hitzebeständigem Material, zwischen den erfindungsgemäßen stufenförmigen Trögen im unteren Teil der Fraktionierkolonne angeordnet werdbn, so daß die Temperatur in der Kolonne in gewünschter Weise eingestellt werden kann. Umgekehrt können auch hitzebeständige Röhren, durch die dann ein Gas für Kühlzwecke hindurchgeleitet wird, zwischen den stufenförmigen Trögen im oberen Teil einer Fraktionierkolonne vorgesehen werden, um die Kondensation der aufsteigenden heißen Dämpfe zu verbessern und dadurch einen ausreichenden Strom der Flüssigkeit über die stufenförmigen Tröge sicherzustellen.

Claims (7)

Patentansprüche·

1. Turmartige Fraktionierkolonne von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt zum Fraktionieren eines Metalldampfgemisches mit übereinander angeordneten Trögen, in denen das flüssige Metall kaskadenartig herabfließt und in den jeweils darunterliegenden Trog fällt, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Tröge lose und beweglich auf leistenartigen Vorsprüngen der Turmwände ruhen und die Oberseite der Tröge so unterteilt ist, daß eine Reihe von nach unten abgestuften, flachen Becken gebildet wird und daß Einrichtungen zum Führen der heißen Metalldämpfe in einem Aufwärtsstrom durch den Turm über diese Tröge in inniger Berührung mit dem herabfließenden Metall vorgesehen sind.

2. Fraktionierkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Trog aus einer Mehrzahl von Trogelementen im wesentlichen rechteckiger Form zusammengesetzt ist, die sich jeweils mit ihrem einen Seitenteil überlappen und mit dem Seitenteil des anderen Trogelements im Anschlag liegen, wobei jedes Trogelement einen Überlauf längs des Seitenteiles aufweist, mit dem es das andere Trogelement überlappt.

3. Fraktionierkolonne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Dampfablenkungseinrichtungen oberhalb eines unteren Beckens jedes Troges angeordnet sind, um die aufsteigenden heißen Dämpfe gegen die Oberfläche eines oberen Beckens dieses Troges zu lenken.

4. Fraktionierkolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil der Fraktionierkolonne zwischen den Trögen Rohre aus hitzebeständigem Material für Strahlungserhitzung angeordnet sind.

5. Verfahren zum Abscheiden von Zink durch fraktionierte Destillation in einer Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mehrere mit senkrechtem Abstand voneinander angeordnete Tröge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der über die Tröge fließenden Flüssigkeit Turbulenz aufrechterhalten wird, indem die Flüssigkeit in jedem der Tröge über mehrere nach unten führende Stufen herabfließt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die über das untere Ende der nach unten führenden Stufen jedes Troges fließenden Dämpfe gegen das obere Ende dieser nach unten führenden Stufenreihen abgelenkt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Wärme zwischen die Tröge im unteren Teil der Fraktionierkolonne eingeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 629133, 616 801;
USA.-Patentschrift Nr. 2174 559.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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