DE1444389C - Zwischenboden für eine Stoffaustauschkolonne - Google Patents

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.

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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und einen Zwischenboden für eine Stoffaustauschkoldnne zu schaffen, der mit geringem Aufwand eine wirkungsvolle Durchmischung und gegenseitige Berührung von Gas und Flüssigkeit ermöglicht, ohne daß Bereiche der Kontaktoberfläche inaktiv bleiben.

Diese Aufgabe wird bei Zwischenboden für eine Stoff austausch kolonne 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

s 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-

ao artiger öffnungen bewirkt auch, daß die Blasenbildung über den ganzen Boden leicht eingeleitet und aufrechterhalten werden kann.

Dabei ist hierfür ein niedriges mechanisches Druckgefälle aufzuwenden.

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.

	Tabelle A	Druckabfall pro 45 Böden kg/cm2	% Leistungserspar nisse über normalem Siebboden
Bodentyp	Flüssigkeitsfluß	2,69 2,57 1,98 1,767	O 4,45 26,20 34
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	durch hydraulische Gefälle durch hydraulische Gefälle durch Dampfstoß, kein Ge fälle Dampfstoß, kein Gefälle

Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der beanspruchten Vorrichtung.

F i g. 1 zeigt einen Aufrißquerschnitt eines Siebbodens mit schrägem Einlaß;

F i g. 2 zeigt einen Aufrißquerschnitt eines geschlitzten Siebbodens mit schrägem Einlaß;

F i g. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teiles eines geschlitzten Siebbodens mit geneigtem Einlaß.

F i g. 1 zeigt eine herkömmliche Fraktionierkolonne oder -turm 130 mit einer Mehrzahl gelochter oder siebartiger übereinander angeordneter FIüssigkeit-Gas-Kontaktbiklen.

Hin 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 139 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 HO beschrieben ausgebildet. Unterhalb des Bodens HO 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 HO abwärts zum Flüssigkeitseinlaß 152 des Bodens 138 bildet. Den unteren Teilen der Abgänge 132 und 148 sind Abdichtungströge 136 benachbart, die Boden-

teile 154 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 Bpdenabschnitte 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 118a, die durch Wände bestimmt sind, die im wesentlichen senkrecht zu der geneigten Oberfläche oder in einem in der Strömungsrichtung geneigten Winkel liegen.

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. ' -

Sind Dampf Strahlöffnungen 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.

" Tabelle B

Experimentelle Auswertung des mit gelochter, geneigter Fläche am Einlaß versehenen Bodens einer Kolonne

35

40

45

how cm	QtIb m3/sec m	V, m/sec	Bemerkungen
1 2,9	0,0046	0,56	voll aktiv
1 2,9	0,0056	0,63	voll aktiv
1 2,9	0,0074	0,72	voll aktiv
1 2,9	0,0093	0,79	voll aktiv
1 2,9	0,012	0,89	voll aktiv
1 2,9	0,015	0,95	voll aktiv
1 2,9	0,0175	1,00	voll aktiv
1 2,9	0,0205	1,10	voll aktiv
0	0,0046	0,66	voll aktiv
0	0,0056	0,73	voll aktiv
0	0,0074	0,79	voll aktiv
0	0,093	0,82	voll aktiv
0	0,012	0,88	voll aktiv
0	0,15	0,95	voll aktiv
			turbulent am
			Einlaß
0.	0,0175	1,00	voll aktiv
			turbulent am
			Einlaß
0	0,0205	0,79	voll aktiv
			turbulent am
			Einlaß

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.

Die Werte der Tabelle C wurden unter Betriebsbedingungen in einer Fraktionierkolonne einer Luftzerlegungsanlage gewonnen. Versuchsböden mit 64,8 cm 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/cm³, wobei jeder folgende annähernde Abmessungen besaß: Länge 4,7 mm, Höhe 0,6 mm. Die Oberfläche der Durchbrechungen und Dampfstrahlöffnungen stellte annähernd 14% des gesamten Bereiches dar.

Tabelle C

Vergleich der betriebenen Böden mit und qhne schräge, gelochte Fläche

how = Höhe des Auslaßwehrs,
Öl/6 = Geschwindigkeit des Flusses ~ der Bodenflüssigkeit,

Vg = Oberflächliche Dampfgeschwindigkeit, Abmessungen der geneigten Fläche nach F i g. 3: a = 1,27 cm Höhe,

Z> = 5 cm Boden, Φ = I47a°.

55

60

	Ql rn'/sec	Ohne schräge,	: Fläche	Mit schräger,	Bereich
		gelochte	Bereich	gelochter Fläche	inaktiv
V1 m/sec		Schaum	inaktiv	Schaum	Vo
	0,0125	dicke	°/o	dicke	0
	0,0082	cm	19,5	cm	0
0,90	0,0082	20,3	8,0	17,8	0
0,89	0,0086	20,3	10,0	17,8	0
0,77	16,5	25,0	14,5
0,59	12,7	12,7

Ein Vergleich der in Tabelle C erscheinenden Werte zeigt, daß die geneigte Lochfläche eine Bodeninaktivität bei Flüssigkeits- und Dampfbelastungen völlig beseitigt, die bisher denselben Boden teilweise inaktiv machten.

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 Vs und V3.5 Hegt 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 ¹I₅, wird die Dimension b übermäßig, und ein wesentlicher Teil des Bodens wird so schräg, daß ernsthafte Herstellungsschwierigkeiten hervorgerufen werden; überschreiten die Neigurigswerte Vs.s* 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.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zwischenboden für eine Stoff austausch kolonne, 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 Bodenfläche abwärts geneigte Fläche vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die abwärts geneigte Fläche (161) Löcher (118a) aufweist, deren Wandungen so angeordnet sind, daß sie zur Fläche (161) so geneigt sind, daß der Neigungswinkel im ersten Quadranten liegt.

2. Zwischenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Fläche (161) stehen.

3. Zwischenboden nach Anspruch 1, wobei der Hauptteil des Bodens durchlöchert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Löcher (118a) in der abwärts geneigten Fläche (161) prozentual der Oberfläche der Löcher (118) im Hauptteil des Bodens (162) entspricht.

4. Zwischenboden nach Anspruch 1, wobei der Hauptteil des Bodens mit Löchern und zusätzlich mit schrägen Dampfstrahlöffnungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der prozentuale Anteil der Oberfläche der Löcher (118a) an der abwärts geneigten Fläche (161) zwischen dem prozentualen Anteil der Oberfläche der Löcher (118) am Hauptteil des Bodens (162) und dem prozentualen Anteil der Oberfläche der Löcher (118) und der Dampf Strahlöffnungen (113) am Hauptteil des Bodens (162) liegt. . ..

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