DE1271675B

DE1271675B - Fuellkoerper fuer die Durchfuehrung von Waerme- und/oder Stoffaustauschvorgaengen

Info

Publication number: DE1271675B
Application number: DEP1271A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Josef Weishaupt
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1963-09-16
Filing date: 1963-09-16
Publication date: 1968-07-04

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 e-1/03

Nummer: 1271675

Aktenzeichen: P 12 71 675.5-43 (G 38699)

Anmeldetag: 16. September 1963

Auslegetag: 4. Juli 1968

Die Erfindung betrifft Füllkörper mit durchbrochenen Wänden zur Durchführung von Wärme- und/oder Stoffaustauschvorgängen, wie sie beispielsweise in Waschsäulen, Rektifizierkolonnen, Regeneratoren, Rieselkolonnen u. dgl. stattfinden, wobei der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 30 bis 60%, vorzugsweise etwa 50%, der gesamten Fläche aller Füllkörperwände beträgt.

Die bekannten Füllkörper lassen sich in drei Gruppen einteilen:

a) Füllkörper mit ungelochten Wänden wie Raschigringe mit oder ohne Steg, Berlsättel;

b) Füllkörper mit gelochten Wänden wie Pallringe nach dem deutschen Patent 853159 oder Perfo-Ringe nach dem deutschen Patent 1051814, bei denen die Lochung auf den mittleren Teil des Umfanges beschränkt ist;

c) Füllkörper aus Drahtwendeln oder Drahtgewebe, welches zu den verschiedensten Formen wie ao Ringen, Sätteln (»McMahon-Packung«), Doppelkegeln oder Dreieckpyramiden (»Stedman-Pakkung«) verarbeitet werden kann. Bei diesen Füllkörpern liegt der Gesamtquerschnitt der Öffnungen im allgemeinen bei etwa 50% der gesamten Fläche aller Füllkörperwände.

Füllkörper der Gruppe a), zu denen auch solche aus porösem Material zählen, haben einen verhältnismäßig hohen Druckabfall zur Folge. Außerdem kann zwischen dem die Außenfläche und dem die Innenfläche eines Füllkörpers benetzenden Film durch die Wand hindurch kein oder im Fall von porösen Füllkörpern höchstens ein minimaler Stoffaustausch stattfinden. Wesentlich ist schließlich, daß die Dicke des Rieselfilms an der Oberfläche derartiger Füllkörper örtlich sehr verschieden ist, was eine weitere Beeinträchtigung des Stoffaustausches bedeutet.

Ersetzt man in einer Kolonne Füllkörper der Gruppe a) durch ähnlich geformte und gleich große Füllkörper der Gruppe b), so kann man den Druckabfall erheblich senken. Gleichzeitig erhöht sich die Grenzgeschwindigkeit, d. h. diejenige Geschwindigkeit des Gases, bei welcher Flüssigkeit entgegen ihrer Strömungsrichtung mit dem Gas mitgerissen wird, um 30 bis 40%. Eine örtliche Stauung des ablaufenden Flüssigkeitsfilms läßt sich auch hier nicht vermeiden. Die optimale Wertungszahl, welche ein Maß für die Austauschwirkung darstellt, ändert sich dabei nur wenig.

Beim Übergang von Gruppe a) nach Gruppe c) hingegen steigt die Wertungszahl um den Faktor 4 Füllkörper für die Durchführung von Wärme-
und/oder Stoffaustauschvorgängen

Anmelder:

Linde Aktiengesellschaft,
6200 Wiesbaden, Hildastr. 2-10

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Josef Weishaupt, 8023 Pullach

bis 6, wobei Maschendrahtringe hinsichtlich der Wertungszahl gleich großen Drahtwendeln noch überlegen sind. Der Druckverlust dieser Füllkörper ist — gleiche Hauptabmessungen vorausgesetzt — etwa gleich dem der Gruppe a). Wegen ihrer guten Austauschwirkung, die vor allem dadurch bedingt ist, daß kein örtlicher Flüssigkeitsstau auftritt, werden die Füllkörper der Gruppe c) vorzugsweise für schwer trennbare Stoffgemische herangezogen, z. B. für die Isotopentrennung. Die Anwendung dieser Füllkörper blieb jedoch bisher wegen der komplizierten Herstellungsverfahren und des dadurch bedingten hohen Preises auf den Laborbetrieb oder allenfalls auf die Reindarstellung hochwertiger Produkte beschränkt.

Die bisher ungelöst gebliebene Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Füllkörper zu schaffen, der hinsichtlich der Austauschwirkung, insbesondere hinsichtlich des gleichmäßigen Flüssigkeitsablaufs, den besten bisher bekannten Füllkörpern, nämlich denen aus Maschendraht, möglichst gleichkommt, sich aber mit einfacheren Mitteln in großen Stückzahlen herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Querschnitte bei kreisrunden, quadratischen oder polygonalen Löchern mit annähernd gleicher Länge bzw. Breite ^ 3 mm² und die Querschnitte bei Langlöchern ^ 6 mm² sind.

809 568/474

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Querschnitte der kreisrunden, quadratischen oder polygonalen Löcher mit annähernd gleicher Länge bzw. Höhe und Breite ^ 1 mm² und die Querschnitte der Langlöcher <£ 2 mm² sind.

Die Löcher können jede beliebige Form haben; Langlöcher können z.B. als Rechtecke mit oder ohne abgerundete Ecken, als Rauten oder rautenähnlich oder als Ellipsen ausgebildet sein. '

Aus der Tatsache, daß bei Füllkörpern, deren Gesamtöffnungsquerschnitt, wie eingangs erwähnt, 30 bis 60% der gesamten Fläche aller Füllkörperwände beträgt, die Lochquerschnitte die erfindungsgemäß vorgesehenen Dimensionen haben, folgt, daß die Löcher über mehr als 50%, vorzugsweise über die gesamte Fläche aller Füllkörperwände verteilt sein müssen, da andernfalls die Stegstärke und damit die Festigkeit zu gering wären.

Die Lochung erfolgt in den meisten Fällen durch Stanzen. Eine weitere Methode, das zu verwendende Material mit Löchern zu versehen, besteht darin, dem Rohmaterial gleichmäßig in einer dieses nicht angreifenden Flüssigkeit lösbare Füllstoffteilchen beizumischen und sie nach Fertigstellung aufzulösen. Bei Füllkörpern aus Porzellan besteht ferner die Möglichkeit, das ungebrannte Material mit Füllstoffen zu versetzen, welche beim Brennen zerfallen.

Die gegenseitige Anordnung der kreisrunden oder quadratischen Löcher oder polygonalen Löcher mit annähernd gleicher Länge bzw. Höhe und Breite soll vornehmlich so erfolgen, daß die Mittelpunkte der Löcher auf den Ecken von gleichseitigen Dreiecken liegen. Hierdurch wird eine dichtere Anordnung der Löcher und damit eine besonders weitgehende Annäherung an die Verhältnisse bei Drahtgewebefüllkörpern erreicht. Für die Anordnung der quadratischen Löcher sei auch die Möglichkeit der parallelen und der diagonalen Quadratlochung erwähnt. Langlöcher werden empfehlenswerterweise ineinander versetzt angeordnet.

Der Füllkörper gemäß der Erfindung kann noch dadurch verbessert werden, daß man ihn aus zweckmäßig vor dem Lochen gerilltem, vorzugsweise kreuzweise gerilltem Material herstellt. Es ist günstig, hierbei eine Rillentiefe und Rillenweite von 0,1 bis 0,4 mm, insbesondere von 0,2 bis 0,3 mm, einzuhalten. Die Rillen werden zweckmäßig durch einen Walzvorgang erzeugt.

Die Vorteile des Füllkörpers gemäß der Erfindung so ergeben sich aus folgenden Überlegungen:

Bei regelloser Schüttung beispielsweise von Ringen ist die mittlere Neigung der Ringachse gegenüber der Horizontale merklich kleiner als 45°. Die Austauschwirkung von Füllkörpern der Gruppen a) und b) wird nun dadurch beeinträchtigt, daß die Flüssigkeit, wenn ein Ring mit nur kleiner Achsneigung in der Schüttung liegt, auf der Ringinnenseite durch das aufsteigende Gas am Ablaufen gehindert wird. Die Dicke des Rieselfilms an der Oberfläche der Füllkörper ist daher örtlich sehr verschieden. Der Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß sich auch an den Berührungspunkten der einzelnen Körper die Flüssigkeit vor allem wegen der Grenzflächenspannung ansammelt. Je größer aber die Fümdicke ist, um so kleiner ist die mit einer bestimmten Flüssigkeitsmenge erzielbare Austauschfläche und damit die Austauschwirkung. Wesentlich ist ferner, daß die Filme unterschiedlicher Dicke ungleichmäßig ablaufen, so daß sich Flüssigkeitsteilchen mit teilweise sehr unterschiedlicher Verweilzeit und somit auch Gleichgewichtsstörung mischen, ein Vorgang, der den Stoffaustausch stark beeinträchtigt.

Bei den Füllkörpern gemäß der Erfindung gibt es jedoch ebenso wie bei den Füllkörpern der Gruppe c) bei normalen Bedingungen keinen örtlichen Flüssigkeitsstau, da wegen der Kapillarwirkung die gesamte konvexe und konkave Oberfläche mit einem Film nahezu gleicher Dicke bedeckt ist, der wegen der sehr feingliedrigen Lochung gleichmäßig ablaufen kann.

Die Füllkörper gemäß der Erfindung kommen also hinsichtlich ihrer Austauschwirkung den bekannten Füllkörpern der Gruppe c) nahe, sind dabei aber wesentlich einfacher herzustellen als diese, denn man kann an Stelle von Draht oder Drahtgewebe Blech als Ausgangsmaterial wählen und dieses entsprechend den angegebenen Abmessungen feingliedrig lochen oder nach dem bekannten Verfahren der Streckmetallherstellung mit Schlitzen versehen. Als Werkstoff können Bänder aus Blech oder verformbarem Kunststoff, insbesondere faserverstärkte Kunststoffolie, verwendet werden.

Wird das Ausgangsmaterial vor dem Lochen bzw. Strecken gerillt, so wird der Flüssigkeitsablauf noch besser dem bei den Draht- oder Drahtgewebefüllkörpern angeglichen. Die Rillung, insbesondere die kreuzförmige Rillung, verteilt den Film gleichmäßig über die Oberfläche des Füllkörpers. Eine ausgeprägte Bachbildung wird durch die Perforierung vermieden.

Mit den so vorbereiteten Werkstoffen können Füllkörper in den verschiedenartigsten Formen hergestellt werden, z. B. Ringe, Ringe mit Steg und Sättel, wie sie in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt sind.

Die Herstellungskosten für die Füllkörper gemäß der Erfindung liegen weit unter denen der Gruppe c), da die Aufbereitungsarbeiten für das Bandmaterial durch einen rasch ablaufenden Prozeß und in einer Maschineneinheit durchgeführt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Füllkörper mit durchbrochenen Wänden zur Durchführung von Wärme- und/oder Stoffaustauschvorgängen, wobei der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 30 bis 60%, vorzugsweise etwa 50%, der gesamten Fläche aller Füllkörperwände beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte bei kreisrunden, quadratischen oder polygonalen Löchern mit annähernd gleicher Länge bzw. Höhe und Breite <j 3 mm² und die Querschnitte bei Langlöchern ^ 6 mm² sind.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der kreisrunden, quadratischen oder polygonalen Löcher mit annähernd gleicher Länge bzw. Höhe und Breite ^ 1 mm² und die Querschnitte der Langlöcher <Ξ 2 mm² sind.

3. Füllkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisrunden oder quadratischen Löcher oder die polygonalen Löcher mit annähernd gleicher Länge bzw. Höhe und Breite so angeordnet sind, daß ihre Mittelpunkte auf den Ecken von gleichseitigen Dreiecken liegen.

4. Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus gerilltem Material hergestellt ist.

5. Füllkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus kreuzförmig gerilltem Material hergestellt ist.

6. Füllkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillentiefe und Rillenweite 0,1 bis 0,4 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 mm, beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 853 287; deutsche Auslegeschrift Nr. 1115 278; französische Patentschriften Nr. 983 046,1051732; USA.-Patentschrift Nr. 2921776.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen