DE1444389B

DE1444389B - Intermediate tray for a mass transfer column

Info

Publication number: DE1444389B
Authority: DE
Inventors: Walter Williamsville; Wang David I Jaw Buffalo N.Y. Brücken (V.St.A.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp

Description

Bei Stoffaustauschvorgängen in Kolonnen mit Platten und Böden, z. B. bei der Destillation, wird eine absteigende Flüssigkeit in innigen Kontakt mit einem aufsteigenden Dampf gebracht, indem die beiden Phasen wiederholt miteinander gemischt und entmischt werden. Der Grad des Stoffaustauschs einer gegebenen Komponente zwischen diesen Phasen wird zum großen Teil durch die Innigkeit dieses Kontaktes bestimmt. Größere Ausnutzung jedes Bodens erfordert daher eine Annäherung an das Phasengleichgewicht an allen Stellen des Bodens, jedoch wurde diese Bedingung bisher kaum erreicht.During mass transfer processes in columns with plates and floors, e.g. B. in distillation, a descending liquid is in intimate contact with one Brought rising steam by repeatedly mixing and separating the two phases with one another will. The degree of mass transfer of a given component between these phases will largely determined by the intimacy of this contact. Requires greater utilization of each soil hence an approximation of the phase equilibrium at all points on the ground, however this condition became hardly achieved so far.

Der Hauptgrund, der eine angemessene Annäherung an das Phasengleichgewicht verhindert hat, waren bei den bekannten Böden die inaktiven Bereiche der Kontaktoberfläche, an denen der Dampf nicht durch die Flüssigkeit hindurch gelangen konnte. Sie trugen daher nichts zum Stoffaustausch bei. Ferner neigen solche Bereiche dazu, Flüssigkeit zu dem darunterliegenden Boden abfließen zu lassen, wodurch das Flüssigkeit-Dampf-Verhältnis auf den Böden geändert wird.The main reason preventing adequate approach to phase equilibrium was at the known soils are the inactive areas of the contact surface where the steam cannot pass through the liquid could get through. They therefore did not contribute anything to the exchange of substances. Also tend to such areas allow liquid to drain to the underlying tray, thereby increasing the liquid-vapor ratio is changed on the floors.

Bei einer bekannten Stoffaustauschkolonne besitzt jeder der übereinander angeordneten Böden einen nach oben gebogenen Teil mit einer konkaven Lippe und einen nach unten gebogenen Teil mit einer konvexen Lippe. Der Abstand zwischen den sich überlappenden Teilen der Böden nimmt von oben nach unten ab, wodurch auch der Querschnitt für die Abführung der Flüssigkeit kleiner wird. Auch mit dieser Vorrichtung kann nicht verhindert werden, daß Teile der Kontaktoberfläche, insbesondere im Bereich des Flüssigkeitseintritts, bezüglich der Durchmischung von Gas und Flüssigkeit inaktiv sind.In a known mass transfer column, each of the trays arranged one above the other has one upwardly curved part with a concave lip and a downwardly curved part with a convex lip Lip. The distance between the overlapping parts of the floors increases from top to bottom as a result of which the cross-section for the discharge of the liquid is also smaller. Even with this device cannot prevent parts of the contact surface, especially in the area of the Liquid inlet, are inactive with regard to the mixing of gas and liquid.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und einen Zwischenboden für eine Stoffaustauschkolonne zu schaffen, der mit geringem Aufwand eine wirkungsvolle Druckmischung und gegenseitige Berührung von Gas und Flüssigkeit ermöglicht, ohne daß Bereiche der Kontaktoberfläche inaktiv bleiben.The object of the invention is to eliminate these disadvantages and to provide an intermediate tray for a mass transfer column to create, with little effort, an effective pressure mix and mutual Contact of gas and liquid is made possible without making areas of the contact surface inactive remain.

Diese Aufgabe wird bei Zwischenboden für eine Stoffaustauschkolonne mit je einem Flüssigkeitsein- und -auslaß sowie Dampfdurchlaßöffnungen, wobei entlang des Flüssigkeitseinlasses, in Strömungsrichtung gesehen, vor dem Hauptteil des Bodens zuerst eine über die Bodenfläche ansteigende und danach eine zur Bodenoberfläche abwärts geneigte Fläche vorgesehen ist, dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die abwärts geneigte Fläche Öffnungen aufweist, deren Wandungen so angeordnet sind, daß sie zur Fläche so geneigt sind, daß der Neigungswinkel im ersten Quadranten (F i g. 1 bis 3) liegt. Die Anordnung der-This task is carried out in the case of an intermediate tray for a mass transfer column, each with a liquid inlet and outlet as well as vapor passage openings, wherein along the liquid inlet, in the direction of flow seen, in front of the main part of the floor, first one rising above the floor area and then a downward sloping surface to the ground surface is provided, achieved in that according to the invention the downwardly inclined surface has openings, the walls of which are arranged so that they to the surface are inclined so that the angle of inclination is in the first quadrant (Figs. 1 to 3). The arrangement of the-

artiger Öffnungen bewirkt auch, daß die Blasenbildung über den ganzen Boden leicht eingeleitet und aufrechterhalten werden kann.Like openings also causes the blistering to be easily initiated and all over the bottom can be sustained.

Dabei ist hierfür ein niedriges mechanisches Druckgefälle aufzuwenden. * A low mechanical pressure gradient has to be used for this. *

Die in Tabelle A dargebotenen Ergebnisse veranschaulichen die Leistungsersparnis. Die Werte der Kolonnendruckersparnisse gemäß der Tabelle A beruhen auf Betriebsmaßnahmen mit flüssiger Luftzerlegung in der Oberkolonne eines normalen Doppelkolonnen-Luftzerlegers oder -fraktionators mit 45 Boden in der oberen Kolonne. Die gelochte Fläche gemäß den F i g. 1,2 und 3 wird dabei als Mittel zur Erzielung einer vollen Bodenaktivität benutzt.The results presented in Table A illustrate the power savings. The values of the Column pressure savings according to Table A are based on operational measures with liquid air separation in the top column of a normal double column air separator or fractionator with 45 trays in the upper column. The perforated area according to FIGS. 1,2 and 3 is used as a means of achieving this a full soil activity used.

Table A.

BodentypSoil type FlüssigkeitsflußLiquid flow Druckabfall
pro 45 Böden
kg/cm² Pressure drop
per 45 floors
kg / cm ² °/₀ Leistungserspar
nisse über normalem
Siebboden° / ₀ power savings
nits above normal
Sieve bottom 1. Normaler Siebboden
2. Normaler Siebboden mit geloch
ter schräger Fläche
3. Siebboden nur mit Dampfstoß
öffnungen
4. Siebboden mit Dampfstoßöffnun-
gen und mit gelochter, schräger
Fläche 1. Normal sieve bottom
2. Normal sieve bottom with perforated
the sloping surface
3. Sieve bottom only with a burst of steam
openings
4. Sieve bottom with steam jet opening
gen and with perforated, sloping
surface durch hydraulische Gefälle
durch hydraulische Gefälle
durch Dampf stoß, kein Ge
fälle
Dampfstoß, kein Gefälleby hydraulic gradient
by hydraulic gradient
puff through steam, no Ge
cases
Burst of steam, no gradient 2,69
2,57
1,98
1,7672.69
2.57
1.98
1,767 O
4,45
26,20
34O
4.45
26.20
34

Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der beanspruchten Vorrichtung.The drawings show exemplary embodiments of the claimed device.

F i g. 1 zeigt einen Aufrißquerschnitt eines Siebbodens mit schrägem Einlaß;F i g. Figure 1 shows an elevation cross-section of a sieve tray with an inclined inlet;

F i g. 2 zeigt einen Aufrißquerschnitt eines geschlitzten Siebbodens mit schrägem Einlaß;F i g. Figure 2 shows an elevation cross-section of a slotted screen bottom with an inclined inlet;

F i g. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teiles eines geschlitzten Siebbodens mit geneigtem Einlaß.F i g. 3 shows a perspective view of part of a slotted sieve bottom with an inclined Inlet.

F i g. 1 zeigt eine herkömmliche Fraktionierkolonne oder -turm 130 mit einer Mehrzahl gelochter oder siebartiger übereinander angeordneter Flüssigkeit-Gas-Kontaktböden. F i g. 1 shows a conventional fractionation column or tower 130 having a plurality of perforated or sieve-like liquid-gas contact trays arranged one above the other.

Ein solcher Boden 110 ist vollständig dargestellt. Außerdem ist der Abgang 132 eines darüber befindlichen Bodens 134, ein Abdichtungstrog 136 und ein Teil eines darunter befindlichen Siebbodens 138 zu sehen. Diese Böden bestimmen eine Mehrzahl von vertikal im Abstand angeordneten Flüssigkeits-Gas-Kontaktstufen 140 und 142, durch die hindurch Dämpfe aufwärts im Turm 130 strömen. Jeder Boden 110, 134 und 138 ist an den Wänden des Turmes 130 durch Bodenhalter 144 abgestützt und gesichert. Alle Böden innerhalb des Turmes 130 sind wie im folgenden für den Boden 110 beschrieben ausgebildet. Unterhalb des Bodens 110 erstreckt sich ein Abgangskörper 146, der zusammen mit der Seitenwand des Turmes 130 einen Abgang 148 für den Durchtritt von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsauslaß 150 des Kontaktbodens 110 abwärts zum Flüssigkeitseinlaß 152 des Bodens 138 bildet. Den unteren Teilen der Abgänge 132 und 148 sind Abdichtungströge 136 benachbart, die Boden-Such a floor 110 is shown in full. In addition, the outlet 132 of a tray 134 located above, a sealing trough 136 and part of a sieve tray 138 located below can be seen. These trays define a plurality of vertically spaced apart liquid-gas contact stages 140 and 142 through which vapors flow upwardly in tower 130. Each floor 110, 134 and 138 is supported and secured to the walls of the tower 130 by floor brackets 144. All floors within the tower 130 are designed as described below for the floor 110. An outlet body 146 extends below the base 110 and , together with the side wall of the tower 130, forms an outlet 148 for the passage of liquid from the liquid outlet 150 of the contact base 110 down to the liquid inlet 152 of the base 138 . The lower parts of the outlets 132 and 148 are adjacent sealing troughs 136 , the floor

teile 104 sowie stumpfwinklig geneigte Wände 156 aufweisen. Mit den stumpfwinklig geneigten Wänden 156 stehen geneigte Bodenabschnitte 160 in Verbindung, die sich quer zu den Böden 110 und 138 und allen weiteren Böden innerhalb der Kolonne 130 erstrecken. Diese Abschnitte weisen eine flache geneigte Oberfläche 161 auf. Sie und die waagerechten Bodenabschnitte des Hauptteils des Bodens 110 mit der Oberfläche 162 bestehen aus einem Stück oder sind aneinandergefügt. Der waagerechte Bodenabschnitt hat Öffnungen 118, der geneigte Bodenabschnitt 160 hat Öffnungen 118 a, die durch Wände bestimmt sind, die im wesentlichen senkrecht zu der geneigten Oberfläche oder in einem in der Strömungsrichtung geneigten Winkel liegen.parts 104 and walls 156 inclined at obtuse angles. The walls 156 inclined at obtuse angles are connected to inclined base sections 160 which extend transversely to the bases 110 and 138 and all further bases within the column 130. These portions have a flat inclined surface 161 . They and the horizontal floor sections of the main part of the floor 110 with the surface 162 consist of one piece or are joined to one another. The horizontal bottom section has openings 118, the inclined bottom section 160 has openings 118 a, which are determined by walls which are substantially perpendicular to the inclined surface or at an angle inclined in the direction of flow.

Dabei kann die Oberfläche der Löcher in der abwärts geneigten Fläche 161 mit derjenigen des Hauptteils des Bodens 162 derart koordiniert werden, daß die Oberfläche der Löcher in der abwärts geneigten Fläche 161 prozentual der Oberfläche der Löcher im Hauptteil des Bodens 162 entspricht.The surface area of the holes in the downwardly sloping surface 161 can be coordinated with that of the main part of the bottom 162 such that the surface area of the holes in the downwardly sloping surface 161 corresponds as a percentage to the surface area of the holes in the main part of the bottom 162.

Sind Dampfstrahlöffnungen 113 zusätzlich angeordnet, wie es F i g. 3 zeigt, ist es von Vorzug, wenn der prozentuale Anteil der Oberfläche der Löcher 118 a an der abwärts geneigten Fläche 161 zwischen dem prozentualen Anteil der Oberfläche der Löcher 118 am Hauptteil 162 des Bodens und dem prozentualen Anteil der Oberfläche der Löcher 118 und der Dampfstrahlöffnungen 113 am Hauptteil 162 des Bodens liegt.Are steam jet openings 113 additionally arranged, as shown in FIG. 3 shows, it is preferable if the percentage of the surface of the holes 118 a on the downwardly sloping surface 161 between the percentage of the surface of the holes 118 on the main part 162 of the bottom and the percentage of the surface of the holes 118 and the steam jet openings 113 lies on the main part 162 of the floor.

' Tabelle B'Table B

Experimentelle Auswertung des mit gelochter, geneigter Fläche am Einlaß versehenen Bodens einer KolonneExperimental evaluation of the bottom of a column provided with a perforated, inclined surface at the inlet

how
cm how
cm Q_L\b m³/sec
m Q _L \ b m ³ / sec
m Vs m/sec Vs m / sec BemerkungenRemarks 1 2,91 2.9 0,00460.0046 0,560.56 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,00560.0056 0,630.63 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,00740.0074 0,720.72 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,00930.0093 0,790.79 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,0120.012 0,890.89 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,0150.015 0,950.95 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,01750.0175 1,001.00 voll aktivfully active 1 2,91 2.9 0,02050.0205 1,101.10 voll aktivfully active 00 0,00460.0046 0,660.66 voll aktivfully active 00 0,00560.0056 0,730.73 voll aktivfully active 00 0,00740.0074 0,790.79 voll aktivfully active 00 0,0930.093 0,820.82 voll aktivfully active 00 0,0120.012 0,880.88 voll aktivfully active 00 0,150.15 0,950.95 voll aktivfully active turbulent amturbulent on EinlaßInlet 00 0,01750.0175 1,001.00 voll aktivfully active turbulent amturbulent on EinlaßInlet 00 0,02050.0205 0,790.79 voll aktivfully active turbulent amturbulent on EinlaßInlet

Der in F i g. 2 und 3 gezeigte Boden unterscheidet sich vom Boden nach F i g. 1 im wesentlichen durch die aus der Oberfläche 123 mit der Fläche 162 gebildeten Dampfstrahlöffnungen 113, die in parallelen Reihen dem Auslaß 150 zugekehrt angeordnet sind.The in F i g. The floor shown in FIGS. 2 and 3 differs from the floor according to FIG. 1 essentially through the steam jet openings 113 formed from the surface 123 with the surface 162 , which are arranged in parallel rows facing the outlet 150.

Die Werte der Tabelle C wurden unter Betriebsbedingungen in einer Fraktionierkolonne einer Luftzerlegungsanlage gewonnen. Versuchsböden mit 64,8cm Länge und 30,5 cm Breite wurden mit und ohne geneigte, gelochte Flächen benutzt. Die Versuchsböden hatten die in F i g. 2 veranschaulichte Ausbildung. Die senkrecht zur Bodenoberfläche verlaufenden Durchbrechungen hatten einen Durchmesser von 0,91 mm. Die Dampfstrahlöffnungen oder -schlitze hatten eine durchschnittliche Dichte an der Bodenoberfläche von 0,36 Schlitze/cm², wobei jeder folgende annähernde Abmessungen besaß: Länge 4,7 mm, Höhe 0,6 mm. Die Oberfläche der Durchbrechungen und Dampfstrahlöffnungen stellte annähernd 14°/₀ des gesamten Bereiches dar.The values in Table C were obtained under operating conditions in a fractionation column of an air separation plant. Test floors with a length of 64.8 cm and a width of 30.5 cm were used with and without inclined, perforated surfaces. The test floors had the ones shown in FIG. 2 illustrated training. The perforations running perpendicular to the floor surface had a diameter of 0.91 mm. The steam jet orifices or slots had an average density at the bottom surface of 0.36 slots / cm ² , each having the following approximate dimensions: length 4.7 mm, height 0.6 mm. The surface of the openings and steam jet openings is provided almost 14 ° / ₀ of the total area.

Table C.

Vergleich der betriebenen Böden mit und ohne schräge, gelochte FlächeComparison of the operated floors with and without sloping, perforated surface

Ql m³/sec Ql m ³ / sec Ohne schräge,Without sloping, ; Fläche; surface Mit schräger,With oblique, BereichArea gelocht«perforated" BereichArea gelochter Flächeperforated surface inaktivinactive Vs m/sec Vs m / sec Schaumfoam inaktivinactive Sihaum-Sihaum- 7o7o 0,01250.0125 dickethickness 7o7o dickethickness 00 0,00820.0082 cmcm 19,519.5 cmcm 00 0,900.90 0,00820.0082 20,320.3 8,08.0 17,817.8 00 0,890.89 0,00860.0086 20,320.3 10,010.0 17,817.8 00 0,770.77 16,516.5 25,025.0 14,514.5 0,590.59 12,712.7 12,712.7

b = b =

Höhe des Auslaßwehrs,
Geschwindigkeit des Flusses der Bodenflüssigkeit, Height of the outlet weir,
Speed of the flow of soil liquid,

Oberflächliche Dampfgeschwindigkeit, Abmessungen der geneigten Fläche nach F i g. 3: α = 1,27 cm Höhe,
5 cm Boden, Φ = 14V₂°.Superficial steam velocity, dimensions of the inclined surface as shown in FIG. 3: α = 1.27 cm high,
5 cm bottom, Φ = 14V ₂ °.

Ein Vergleich der in Tabelle C erscheinenden Werte zeigt, daß die geneigte Lochfiäche eine Bodeninaktivität bei Flüssigkeits- und Dampfbelastungen völlig beseitigt, die bisher denselben Boden teilweise inaktiv machten.A comparison of the values appearing in Table C shows that the inclined hole surface is soil inactivity completely eliminated in the case of liquid and vapor pollution, the previously the same soil partially inactive did.

Die Abmessungen α und b der geneigten Fläche 160 in F i g. 3 können beträchtlich schwanken, je nach den Eigenschaften der in einem gegebenen Stoffaustauschvorgang vorhandenen Flüssigkeit und Dampf. Die Abmessung b ist die steuernde Abmessung. Die Werte von b sollen nicht größer als 2,5 cm sein. Praktisch würden indessen Werte von b von 0,6 bis 2,5 cm genügen, wenn der Neigungswinkel Φ (115) zwischen V₅ und 73,5 liegt. Oberhalb 2,5 cm wird die Mächtigkeit oder Tiefe der Flüssigkeit an der höchsten Stelle bei angemessenen Flüssigkeitslasten zu dünn, es ergibt sich ein Verblasen oder Verdampfen der klaren Flüssigkeit, wenn diese herunterfließt. Eine weitere Beschränkung der Dimension b rührt aus der Tatsache her, daß übermäßige Druckverluste am Abgang auftreten, wenn b > 2,5 cm ist. Liegen die Neigungswerte unter ¹Z₅, wird die Dimension b übermäßig, und ein wesentlicher Teil des Bodens wird so schräg, daß ernsthafte Herstellungsschwierigkeiten hervorgerufen werden; überschreiten die Neigungswerte ¹^₅, wird die Neigung zu steil und führt dazu, daß die Flüssigkeit dünn verläuft, was zu einem Ergebnis gleich demjenigen führt, das auftritt, wenn b = 2,5 cm, d. h., es tritt ein Zerblasen oder Verdampfen der Flüssigkeit auf. Neben den dargestellten Siebboden können auch ein verdrallter oder geschraubter, gewellter Fraktionierboden, ein gekräuselter, kreisförmiger Fluß und viele weitere Kontaktböden erfolgreich mit der beanspruchten schrägen Lochfläche ausgerüstet werden.The dimensions α and b of the inclined surface 160 in FIG. 3 can vary considerably depending on the properties of the liquid and vapor present in a given mass transfer process. Dimension b is the controlling dimension. The values of b should not be greater than 2.5 cm. In practice, however, values of b from 0.6 to 2.5 cm would suffice if the angle of inclination Φ (115) is between V ₅ and 73.5. Above 2.5 cm, the thickness or depth of the liquid at the highest point with appropriate liquid loads becomes too thin; the clear liquid fades or evaporates when it flows down. Another limitation of dimension b results from the fact that excessive pressure drops occur at the outlet when b > 2.5 cm. If the slope values are less than ¹ Z ₅ , the dimension b becomes excessive and a substantial part of the floor becomes so inclined that serious manufacturing difficulties are caused; if the slope values exceed ¹ ^ ₅ , the slope becomes too steep and causes the liquid to run thin, which leads to a result similar to that which occurs when b = 2.5 cm, that is, the blowing or evaporation of the Liquid on. In addition to the sieve tray shown, a twisted or screwed, corrugated fractionation tray, a rippled, circular flow and many other contact trays can be successfully equipped with the claimed inclined perforated surface.

Claims

Patent claims:

1. Intermediate tray for a mass transfer column, each with a liquid inlet and outlet as well as vapor passage openings, whereby along the liquid inlet, seen in the direction of flow, in front of the main part of the bottom first one over the Rising floor surface and then a downward sloping surface to the floor surface is provided is, characterized in that the downwardly inclined surface (161) has holes (118 a), the walls of which are arranged so that they are inclined to the surface (161) so that the The angle of inclination lies in the first quadrant.

2. Intermediate floor according to claim 1, characterized in that the walls are arranged are that they are substantially perpendicular to the surface (161).

3. Intermediate floor according to claim 1, wherein the main part of the floor is perforated, thereby characterized in that the surface area of the holes (118a) in the downwardly sloping surface (161) as a percentage corresponds to the surface area of the holes (118) in the main part of the base (162).

4. Intermediate floor according to claim 1, wherein the main part of the floor with holes and in addition is provided with inclined steam jet openings, characterized in that the percentage the surface of the holes (118 a) on the downward sloping surface (161) between the percentage Proportion of the surface of the holes (118) in the main part of the soil (162) and the percentage Proportion of the surface of the holes (118) and the steam jet openings (113) in the main part of the Bottom (162).

1 sheet of drawings