DE1267665B - Stoffaustauschkolonne - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOId

Deutsche Kl.: 12 a - 5

P 12 67 665.2-43
27.Juni 1960
9. Mai 1968

Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne, in welcher mindestens ein Stoff mindestens teilweise von einer Phase in eine andere Phase übergeführt wird, bestehend aus mindestens einer Kontakteinrichtung.

Derartige Einrichtungen werden beispielsweise für Destillations-, Extraktions-, Absorptions- und Austauschverfahren (z. B. zur Anreicherung einer Phase an einem Isotop) benötigt. Bei allen diesen Verfahren ist es zur Erzielung eines raschen und guten Austausches erforderlich, die zu mischenden Phasen in einen innigen Kontakt miteinander zu bringen.

Bei diesen Vorrichtungen ist man bestrebt, mit einem hohen Durchsatz zu arbeiten. Zu einer Vergrößerung des Durchsatzes ist es zweckmäßig, die Durchsatzgeschwindigkeit der in Austausch zu bringenden Phasen an jeder Stelle der Kontakteinrichtung wesentlich zu steigern.

Bei den bekannten Kolonnen, bei welchen die Förderung der Phasen unter Ausnutzung einer Temperaturdifferenz und einer daraus resultierenden Druckdifferenz für die gasförmige Phase und der Schwerkraft für die flüssige Phase stattfindet, kann ein erheblicher Durchsatz sinnvoll nur durch Vergrößerung des Kolonnenquerschnitts erzielt werden. Wenn man bei den bekannten Destillationskolonnen beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Phasen vergrößern würde, so reicht die Trennwirkung der Phasen nur unter Ausnutzung der Schwerkraft nicht mehr aus, besonders wenn zwischen dem spezifischen Gewicht der flüssigen und der gasförmigen Phasen kein wesentlicher Unterschied besteht, können die abwärts strömenden flüssigen Teilchen von dem Gasstrom mitgerissen werden. Die Erfindung geht davon aus, daß es in diesem Fall erforderlich ist, zu einer Trennung der Phasen Kräfte heranzuziehen, die ein Vielfaches der Schwerkraft betragen. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades ist es bei einem Stoffaustausch weiterhin erforderlich, für eine ausreichende Durchmischung der Phasen zu sorgen, wobei zusätzlich ein genügendes Zeitintervall zur Verfügung stehen muß, damit sich das Reaktionsgleichgewicht einstellen kann. Außerdem sollte das Volumenverhältnis zwischen Flüssigkeit und Gas im Reaktionsraum unabhängig von dem durch den Prozeß bestimmten Durchsatzverhältnis gewählt werden können, um günstige Verhältnisse für den Stoffaustausch zu erhalten.

Basierend auf diesen Erkenntnissen besteht die Erfindung darin, daß die Kontakteinrichtung mindestens eine Pumpe zum Transport und eine Strahlpumpe zum Mischen der Phasen enthält sowie einen Stoffaustauschkolonne

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Fortunato Hartmann, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 15. Juni 1960

Stoffaustauschraum und zu erneuter Trennung der Phasen daran anschließend einen Abscheider aufweist.

In vielen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, mehrere Kontakteinrichtungen in Serie zu schalten und die einzelnen Einrichtungen in einem gemeinsamen Rohr übereinander anzuordnen. Hierbei kann jede Kontakteinrichtung vorteilhaft derart ausgebildet sein, daß der Austauschraum in seiner äußeren Formgebung dem Rohr angepaßt ist unter Freilassung eines spaltförmigen Raumes, wobei weiterhin der Abscheideraum des Abscheiders in den Austauschraum eingelassen ist und mit letzterem über tangential im oberen Teil der gemeinsamen Wand des Abscheideraumes und des Austauschraumes angeordnete Düsen in Verbindung steht, und der untere Raum des Abscheideraumes als Niveaugefäß ausgebildet ist, aus welchem eine Überlaufleitung in das Niveaugefäß der darunter angeordneten Kontakteinrichtung bzw. in den Bodenraum der Kolonne führt, und wobei weiterhin das Niveaugefäß mit einem ebenfalls in den Austauschraum eingelassenen Ansaugraum der Strahlpumpe in Verbindung steht.

Die erfindungsgemäße Kontakteinrichtung kann vorteilhaft für Isotopen-Austauschreaktoren benutzt werden, die zur Anreicherung des schweren Isotops

(z. B. bei Wasserstoff des Deuteriums) dienen.

Weiterhin kann die Kontakteinrichtung nach der Erfindung auch zur Durchführung von Destillationen

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benutzt werden, wobei mehrere Kontakteinrichtungen richtung von oben nach unten von der flüssigen und in Serie geschaltet werden und eine Kontakteinrich- von unten nach oben von der gasförmigen Phase tung einem theoretischen Trennboden in einer Destil- durchströmt. Ihre Wirkungsweise ist die folgende: lationskolonne entsprechen kann. An Stelle einer mit- Aus einer unteren nicht dargestellten Kontakteinrichtels Füllkörper bzw. Glockenboden od. dgl. bewirkten 5 tung wird in der Kontakteinrichtung I von der Durchmischung bei den bekannten Kolonnen wird bei Pumpe 2 Gas durch eine Leitung 7 angesaugt. Die der Erfindung die Mischung der dampfförmigen und pro Stufe umgewälzte Gasmenge kann durch die flüssigen Phase mittels einer Strahlpumpe bewirkt, Drehzahl und die Charakteristik der Gaspumpe fest- und die Reaktion findet in einem daran anschließen- gelegt werden. Durch Drehzahlvariationen ist es leicht den Austauschraum statt. An Stelle der in den be- ίο möglich, die Umwälzmenge der einzelnen Stufe der kannten Kolonnen durch Temperaturdifferenzen bzw. Durchsatzmenge der Kolonne anzupassen. Durch eine Schwerkraft bewirkten Förderung der Phasen erfolgt Leitung 8 strömt das Gas in den Mischejektor 3, in die Förderung bei der Erfindung durch Pumpen. Vor- welchen von der Flüssigkeitspumpe 1 durch eine Leiteilhaft wird als Abscheider ein Fliehkraftabscheider tung 9 ebenfalls die flüssige Phase einströmt. Die im verwendet, der die erneute Trennung des Gemisches 15 Ejektor gemischten Phasen werden durch eine Leiin die einzelnen Phasen nach stattgefundenem Aus- tung 10 in den Reaktionsraum 4 geführt, in welchem tausch in einem Austauschraum bewirkt. der Stoff austausch zwischen den beiden Phasen er-

Zusätzlich müssen selbstverständlich bei Verwen- folgt und sich das Reaktionsgleichgewicht einstellt, dung der erfindungsgemäßen Kontakteinrichtungen in Nach erfolgtem Stoffaustausch strömt das Gemisch einer Kolonne für Destillationen Kondenser zur Er- 20 durch eine Leitung 11 in einen Fliehkraftabscheizeugung des Rücklaufes und Verdampfer zur Erzeu- der 5, aus welchem durch eine Leitung 7 das Gas in gung der dampfförmigen Phase angeordnet sein. Je- die Gaspumpe 2 der oberen Kontakteinrichtung doch kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen strömt und die Flüssigkeit durch eine Leitung 13 in Einrichtungen ein großer Durchsatz erzielt werden, ein Niveaugefäß 6 abfließt, aus dessen Boden sie da die einzelnen Elemente der Trennvorrichtungen, 25 durch eine Leitung 14 teilweise wiederum der wie Pumpen, Mischeinrichtung, Abscheider, hoch be- Pumpe 1 zufließt. Eine Überlaufleitung 15 führt von lastbar sind. dem Niveaugefäß dieser Kontakteinrichtung in das

Auch bei Extraktions verfahren, bei welchen ein Niveaugefäß der unteren Stufe. Hierdurch wird eine bestimmter Anteil aus flüssigen Substanzgemischen einfache und sichere Methode für die Regelung des mit Hilfe geeigneter Lösungsmittel extrahiert wird, 30 Flüssigkeitsdurchsatzes ohne besondere Vorrichtunz. B. Uranextraktion aus einer wässerigen Lösung ten, wie automatische Regler, erzielt. Druckausmittels Äther, kann die Kontakteinrichtung vorteil- gleichsleitungen 16 und 17 gewährleisten ein sicheres haft benutzt werden. Arbeiten des Überlaufes, da hierdurch ein gasseitiger

Ebenso kann sie zur Durchführung von Gas- Druckausgleich zwischen den einzelnen Stufen herabsorptionen dienen, bei weichen bekanntlich Gase 35 gestellt wird und somit der Siphon in keiner Richvon Flüssigkeiten aufgenommen werden (z. B. Aus- tung ausgeblasen werden kann. Die Bypassleitung 17 waschung von Kohlendioxyd aus Synthesegas). Auch bewirkt zudem, daß beim Ausfall eine Kontakteinfür Waschvorgänge, z. B. die Abtrennung von Staub richtung, z. B. bei einem Motordefekt der Pumpe, das oder anderen festen Verunreinigungen eines Gases Gas von selbst zur nächsten Kontakteinrichtung weimittels einer Waschflüssigkeit, kann die Kontaktein- 40 terströmt, so daß sich dieser Ausfall in keiner Weise richtung nach der Erfindung verwendet werden. Die auf die übrigen Kontakteinrichtungen auswirken vorgenannten Anwendungsbeispiele stellen selbstver- kann. Auch der Flüssigkeitsdurchlauf ist unabhängig ständlich nur eine Auswahl von Verwendungsmög- von der Arbeitsweise der einzelnen Kontakteinrichlichkeiten für Kontakteinrichtungen dar, die allgemein tungen gewährleistet, indem die Flüssigkeit einfach dann angewendet werden können, wenn durch 45 von Niveaugefäß zu Niveaugefäß weiterfließt. Da so-Mischung von mindestens zwei Phasen mindestens mit das Volumenverhältnis zwischen Flüssigkeit und ein Stoff teilweise von einer in eine andere Phase Gas im Stoffaustauschraum unabhängig von dem übergeführt werden soll. durch den Prozeß bestimmten Durchsatzverhältnis ge-

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich an wählt werden kann, um günstige Verhältnisse für den Hand der in der Zeichnung dargestellten und im fol- 50 Stoffaustauschraum zu erhalten, kann beispielsweise genden erläuterten Ausführungsbeispiele. durch eine Flüssigkeitsrückmischung für jede einzelne

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Auf- Stufe in jeder eine wesentlich größere Flüssigkeitsbau einer Serienschaltung von erfindungsgemäß aus- menge umgewälzt werden, als die ganze Kolonne gebildeten Kontakteinrichtungen als Kolonne für den durchströmt.

Austausch zwischen einer flüssigen und einer gas- 55 Die F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfinförmigen Phase, während in dung, bei der die Kontakteinrichtungen, von denen

F i g. 2 eine spezielle konstruktive Ausführungs- nur zwei dargestellt sind, in einem gemeinsamen form einer Serienschaltung von Kontakteinrichtungen Druckrohr 20 eingebaut sind. Der Gasstrom der Kofür einen derartigen Austausch dargestellt ist. lonne erfüllt den ganzen Raum zwischen den einzel-

Die drei in F i g. 1 dargestellten Kontakteinrich- 60 nen Einrichtungen und dem Druckrohr. Die Einrichtungen I, II, III bestehen je aus den folgenden Kon- tungen müssen nicht gasdicht in das Druckrohr einstruktionselementen: einer Flüssigkeitspumpe 1, einer gebaut werden, weil ohnehin ein Gasbypass 21 Gaspumpe 2, einem Mischejektor 3, einem Aus- (analog Bypass 17 in Fi g. 1) zwischen Ober- und tauschraum 4, einem Fliehkraftabscheider 5 und Unterseite der einzelnen Kontakteinrichtungen voreinem Niveaugefäß 6 mit Überlauf. Die Kolonne, die 65 gesehen ist, wobei man allerdings danach strebt, daß beispielsweise für den Deuteriumaustausch zwischen möglichst wenig Gas in diesen Bypass strömt, was flüssigem Ammoniak und gasförmigem Wasserstoff durch entsprechende Einstellung der Drehzahlen der vorteilhaft verwendet werden kann, wird in Pfeil- Gaspumpen erreicht werden kann.

Claims (5)

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   Die Gaspumpe 22, deren Antriebsmotor sich voll- Strahlpumpe saugt aus dem Niveaugefäß 25, in welständig im Gasraum befindet und nicht mit der flüssi- ches unterhalb des Trennbodens 30 vom Niveaugefäß gen Phase in Kontakt kommt, saugt einfach aus dem 25 der oberen Kontakteinrichtung II flüssiger, be-Raum zwischen zwei Einrichtungen an, in welchen reits mit Deuterium angereicherter Ammoniak einauch das Gas von dem darunterliegenden Abscheide- 5 gespeist wird, Ammoniak an. Auf Grund der bereits raum 23 des Fliehkraftabscheiders strömt. Zwischen erläuterten Rücklaufmischung wird dem Niveaugefäß den einzelnen Kontakteinrichtungen besteht über- der Kontakteinrichtung I Ammoniak aus dem Fliehhaupt keine feste Verbindungsleitung, denn die Flüs- kraftabscheider derselben Einrichtung zugeführt, das sigkeitsüberlaufleitung 24 taucht nur in das Niveau- im Abscheideraum an der Innenwand des Gefäßes in gefäß 25 der darunterliegenden Kontakteinrichtung, io das Niveaugefäß herabrieselt und mit dem unteren, und zwar unterhalb eines mit einer Durchlaßöffnung durch die Trennwand 30 abgeteilten Raum des versehenen Trennbodens 30, ein. Die Flüssigkeit aus Niveaugefäßes durch eine genügend große Öffnung dem Niveaugefäß 25 wird von einem in den Stoff- 32 in Verbindung steht. Die bereits in der Strahlaustauschraum 26 mündenden Ejektorrohr 27 mit pumpe gemischen Phasen strömen durch den Ausdem aus der Pumpe 22 strömenden durch eine Düse 15 tauschraum 26, in welchem der eigentliche Stoffaus-31 getriebenen Gas angesaugt, dabei gemischt und in tausch, d. h. die Anreicherung des flüssigen Amden Stoffaustauschraum zur weiteren Mischung für moniaks mit Deuterium auf Kosten einer Verarmung die Reaktion geleitet. Bei dieser Ausführungsform des gasförmigen Wasserstoffes an Deuterium, stattwird, da einer der beiden Mengenströme durch den findet. Im Raum 26 strömen die beiden Phasen im Ejektor selbst angesaugt wird, eine Pumpe gespart. 20 Gleichstrom, was allgemein bei hohen Durchsatz-Es ist selbstverständlich auch möglich, an Stelle der geschwindigkeiten erforderlich ist. Die erneute Tren-Gaspumpe eine Flüssigkeitspumpe zu verwenden und nung der Phasen wird durch Drallerzeugung im Abdas Gas von der Strahlpumpe ansaugen zu lassen. scheideraum des Fliehkraftabscheiders nach Er-Die Größe des Reaktionsvolumens kann unabhängig reichung einer genügend hohen Strömungsgeschwinvon der Funktionsweise der übrigen Konstruktions- 25 digkeit in den tangential angeordneten Düsen 29, die elemente der Kontakteinrichtung den Erfordernissen den Raum 26 mit dem Fliehkraftabscheider verbindes Austauschproblems angepaßt werden, und zwar den, bewirkt. Der gasförmige Wasserstoff füllt den so, daß die notwendige Reaktionszeit für die zu ver- Raum des Abscheiders und den darüberliegenden arbeitenden Gas- und Flüssigkeitsmengen gewähr- Raum aus und wird von hier aus von der Pumpe der leistet ist. Durch Einbauten 28 im Stoffaustauschraum 30 darüberliegenden Einrichtung II angesaugt, während wird durch Querschnittsverengungen die Strömungs- das flüssige Ammoniak auf Grund seines größeren geschwindigkeit des Gemisches dauernd so hoch ge- spezifischen Gewichtes an der Wand des Abscheidehalten, daß keine Entmischung der Phasen stattfinden raumes in das Niveaugefäß der Kontakteinrichtung kann. Da der Austauschraum selbst an keine be- fließt, aus welchem es entsprechend einem gewählten stimmte Form gebunden ist, eignet er sich gut, ent- 35 Rücklaufverhältnis teilweise wieder vom Ejektor derstehende Zwischenräume der übrigen Konstruktions- selben Einrichtung angesaugt und teilweise durch die elemente auszufüllen. Der Druck des Gemisches im Überlaufleitung 24 der unteren Kontakteinrichtung Stoffaustauschraum nach der Strahlpumpe wird so zugeführt wird. Wie bereits beschrieben, erfolgt der groß gewählt, daß in den tangential an der Innen- Druckausgleich zwischen den einzelnen Kontakteinwand des Austauschraumes angeordneten Düsen 29 40 richtungen durch Bypässe 21, wobei noch beispielsdes Fliehkraftabscheiders, welche den Austauschraum weise durch äußere Kühlung des Druckrohres das mit dem Fliehkraftabscheideraum 23 verbinden, eine Gas auf einer bestimmten Temperatur gehalten wergenügend hohe Strömungsgeschwindigseit besteht, den kann. Wie bereits für F i g. 1 erläutert, gilt auch damit im Abscheideraum ein zur raschen Trennung hier, daß im Fall eine Kontakteinrichtung im Betrieb der beiden Phasen genügender Drall erzeugt wird. 45 auf Grund beispielsweise eines Motordefektes aus-Das untere Ende des Abscheideraumes ist als Niveau- fallen sollte, das Gas der nächst oberen Trennstufe gefäß 25 ausgebildet. zuströmt und ebenfalls die Flüssigkeit der nächst

   Bei Durchführung eines Stoffaustauschverfahrens unteren Kontakteinrichtung durch die Überlauf-

   zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase, leitung 24 zufließt. Es sei betont, daß F i g. 2 nur eine

   beispielsweise zur Anreicherung von flüssigem 50 vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zur

   Ammoniak an Deuterium durch Stoffaustausch mit Durchführung eines Stoffaustauschverfahrens zwi-

   gasförmigem Wasserstoff bei einer bestimmten Tem- sehen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase

   peratur, ist die Wirkungsweise einer Kolonne gemäß darstellt und von der Erfindung alle Ausführungs-

   F i g. 2 die folgende: In die Kolonne wird an ihrem formen umfaßt werden sollen, in welchen die erfin-

   oberen, nicht dargestellten Ende durch eine Einlaß- 55 dungsgemäßen Merkmale verwirklicht sind,
   leitung 24 flüssiges Ammoniak in das Niveaugefäß

   der obersten Kontakteinrichtung im Druckrohr ein- Patentansprüche:
   geleitet, während am unteren, nicht dargestellten 1. Stoffaustauschkolonne, in welcher min-Ende der Kolonne durch eine Einlaßöffnung gasför- destens ein Stoff mindestens teilweise von einer miger Wasserstoff in die Kolonne strömt. Bezeichnet 60 Phase in eine andere Phase übergeführt wird, beman die beiden dargestellten Kontakteinrichtungen stehend aus mindestens einer Kontakteinrichtung, mit I und II, so saugt die Gaspumpe22 der Kontakt- dadurch gekennzeichnet, daß die Koneinrichtung I aus ihrer Umgebung und dem Ab- takteinrichtung mindestens eine Pumpe (1, 2) zum scheideraum des Fliehkraftabscheiders der unteren Transport und eine Strahlpumpe (3) zum Mischen dargestellten Kontakteinrichtung in diesem bereits 65 der Phasen enthält sowie einen Stoffaustauschdurch Stoff austausch mit flüssigem Ammoniak ab- raum (4) und zu erneuter Trennung der Phasen gereicherten Wasserstoff an und pumpt diesen in die daran anschließend einen Abscheider (5) auf-Strahlpumpe 27 der Kontakteinrichtung I. Diese weist.
2. 2. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider (5) als Fliehkraftabscheider ausgebildet ist.
3. 3. Stoff austauschkolonne nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kontakteinrichtungen (I, II) in einem gemeinsamen Rohr (20) übereinander angeordnet sind.
4. 4. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kontakteinrichtung (I, II) derart ausgebildet ist, daß der Austauschraum (26) in seiner äußeren Formgebung dem Rohr (20) angepaßt ist unter Freilassung eines spaltförmigen Raumes (21), wobei weiterhin der Abscheideraum (23) des Abscheiders in den Austauschraum (26) eingelassen ist und mit letzterem über tangential im oberen Teil der gemeinsamen Wand des Abscheideraumes (23) und des Austauschraumes (26) angeordnete Düsen (29) in Verbindung steht und der untere

   Raum des Abscheideraumes (23) als Niveaugefäß (25) ausgebildet ist, aus welchem eine Überlaufleitung (24) in das Niveaugefäß der darunter angeordneten Kontakteinrichtung bzw. in den Bodenraum der Kolonne führt, und wobei weiterhin das Niveaugefäß (25) mit einem ebenfalls in den Austauschraum (26) eingelassenen Ansaugraum der Strahlpumpe (27, 31) in Verbindung steht.
5. 5. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Niveaugefäß (25) ein horizontaler Trennboden (30) mit einer Durchlaßöffnung (32) angeordnet ist und daß die Flüssigkeitsleitung (24), welche der Kontakteinrichtung die frisch zu behandelnde Phase zuführt, in das Niveaugefäß durch die Durchlaßöffnung unterhalb des Trennbodens einmündet, wobei die Durchlaßöffnung einen größeren Durchmesser als die Flüssigkeitsleitung (24) besitzt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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