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Einrichtung für Kontaktverfahren unter Beteiligung ungleichartiger
Phasen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, in welcher eine Strömungsmittel-Phase
in Kontakt mit einer Phase gebracht wird, die aus fluidisierten festen Teilchen
besteht, Insbesondere betrifft die Erfindung eine Einrichtung, um so 1-che ungleichartigen
Phasen in einem Umsetzungsgefä# miteinander in Berührung zu bringen, wobei der Kontakt
dadurch bewirkt wird, daß man die Phasen gleichzeitig durch verschiedene Abschnitte
einer waagerechten, die Geschwindigkeit abwandelnden Vorrichtung strömen läßt, die
das Gefäß in eine Mehrzahl von senkrecht angeordneten Misch-oder Umsetzungszonen
unterteilt. Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Einrichtung,
die ein gleichförmiges und gesteuertes Blieben einer feste Teilchen aufweisenden
und einer Strömungsmittel
-Phase durch eine Mehrzahl von Umsetzungszonen
dadurch ermöglicht, daß bevorzugte trömungsdurohlässe für die feste Phase durch
einige der Durchlässe und für die strömungafähige Phase durch andere Durchlässe
geschaffen werden.
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In der Gegenstromkontaktbehandlung von Flüssigkeiten und fluidisierten
festen Teilchen, wie z. B. bei der Raffinerie von Erdöl durch Absorptions- oder
strömende katalytische Umsetsungsverfahren, ist es erwünscht, die Teilchen so klein
wie möglich zu halten, um den wirksamsten Kontakt der Flüssigkeit mit den Teilchen
herzustellen. Wenn diese Teilchen ganz klein gehalten werden, ist es möglich, den
gewünschten Kontakt bei ganz hohen Strömungsmittelgeschwindigkeiten zu erzielen,
wodurch eine schnelle Behandlung der Flüssigkeit ermöglicht wird. Es ist bereits
bekannt, derartige fluidisierte Umsetzungen in Kolonnen auszuführen, die Sprudelplatten
und nach unten führend Absugsrohre enthalten. Die Sprudelplatten haben jedoch verhältnismäßig
flache Oberflächen, auf denen das aus festen Teilchen bestehende Material eine Neigung
zum Klassieren und Ausscheiden zeigt. In der US-Patentschrift 2 471 064 ist eine
abgewandelte Fraktionierbodenglocken-Anordnung beschrieben worden, bei der eine
Mehrzahl von hindernisfreien Abzügen in kreisförmigen Öffnungen in einem Boden angeordnet
sind. Trotz der mit gleichmäßigem Abstand um den Boden herum ausgeführten Anordnung
ermöglicht diese nur einen verhaltnismäßig ungleichmäßigen Fluß durch den Boden
hindurch, da der Fluß ebenso durch die Öffnungen, in denen die Anzüge angeordnet
sind, wie auch durch diese hindurch eintritt und keine bevorzugte Geschwindigkeitsänderung
in der Mitte der Durchlässe auftritt, um eine Strömungsstabilität der hindurchgehenden
Phasen zu gewährleisten.
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Bei dieser bekannten Einrichtung Einrichtung hat es sich unter normalen
Bedingungen als sehr schwierig erwiesen, eine hydrodynamische Strömungsstabilität
aufrechtzuerhalten. Dies liegt daran, daß einzelne Durchlässe, wie die nach unten
führenden Abzugskanäle bei den üblichen Sprudelplatten oder Abzüge nach der US-Patentschrift
2 471 064 im Gegensatz zu den gleichförmigen und bevorzugten Xtrömungsdurchlässen
nach der vorliegenden Erfindung nicht ohne weiteres zu ihrer vorherigen und gewünschten
Arbeitsweise zurückkehren, falls sie durch örtliche Störungen von der festen Teilchenphase
freigeblasen worden sind. Zusätzlich weisen die bekannten Sinrichtungen zur Ausführung
derartiger Kontaktverfahren eine merkliche Verringerung des verfügbaren Querschnittes
in jeder Stufe z. B. durch Gitter, euf und neigen zu einer Stromklassierung der
Teilchenphase nach der Teilchengrö#e. Eine Folge ist neben der Mitführung der kleineren
Teilchen eine verhältnismä#ig lange Verweilzeit der kleineren Teilchen in der Einrichtung
und die entsprechende Neigung der größeren'2eilchen, in einer Art Kurzschluß schneller
hindurchzulaufen0 Andererseits ist in einer Einrichtung der nachstehend beschriebenen
Art eine Anordnung vorgesehen, in welcher das fluidisierte feste Material erfolgreich
von einer Umsetzungszone zur n4chsten innerhalb des gefäßes geführt werden kann,
während die Gegenströmung des festen Materials unter verringerter Neigung zur Stromklassierung
erleichtert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine verbesserte
@nterteilung eines Montaktgefä#es in verschiedene
Misch- und Geschwindigkeitsabwandlungsbereiche
dadurch ermöglicht, daß eine Äufteilungszone vorgesehen wird, die senkrechte Durchlässe
aufweist, welche waagerecht über den Kontaktraum gleichförmig verteilt liegen, so
daß ein bevorzugter Durchgang der festen Phase durch einen Teil der Geschwindigkeitsabwandlungszone
ermöglicht wird. Gleichzeitig wird die Strömungsmittel-Phase vorzugsweise durch
einen anderen abschnitt der Geschwindigkeitsabwandlungszone hindurchgeführt. In
der bevorzugten Form der Erfindung ist eine Mehrzahl von Durchlässen vorgesehen,
von denen im wesentlichen die Hälfte einen Mittelabschnitt mit größerem Querschnitt
als die Enden aufweist und eine bevorzugt abwärts gerichtete Strömung der festen
Phase ermöglicht. Die übrige Hälfte der Durchlässe ist mit einem Mittelabschnitt
versehen, dessen Querschnitt kleiner als der der Enden ist und der eine bevorzugte
Aufwärtsströmung der Strömungsmittel-Phase ermfiglicht. Alle Durchlässe sind im
wesentlichen in ihrer Verbindung zwischen der angrenzenden oberen bzw. unteren Mischzone
hindernisfrei, elter sind diese Durchlässe als läng liche Schlitze ausgebildet,
die im wesentlichen parallel zueinander liegen und sich Über die Breite des geschwindigkeitsändernden
Bereichs erstrecken. Es können Mittel vorgesehen sein1 um das Verhältnis er Durchlässe
mit größerem Querschnitt im Mittelteil zu denen mit kleinerem Querschnitt im Mittelteil
zu verundern, um die Einstellung der aufwärts und abwärtsströmenden Phasen durch
die geschwindigkeitswandernde Zone zu erleichtern. Diese ninstellung ist veränderbar,
um eine Anpassung an das Umsetzungs- oder Kontaktverfahren zu ermöglichen, das in
der Einrichtung abläuft.
eitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung
zu ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es
zeigen: Fig. 1 eine oeitenansicht des erfindungsgemäß eingerichteten Kontaktgefä#es,
wobei insbesondere die Anordnung der geschwindigkeitsändernden oder -abstufenden
Mittel in dem Gefäß dargestellt ist, Fig. 2 einen Querschnitt durch das Kontaktgefä#
nach Fig. 1 entlang der Ebene 2-2, Fig. 3 eine abgewandelte Anordnung der geschwindigkeitsabstufenden,
in Fig. 1 und 2 dargestellten Mittel, wobei besonders die Mittel zur Einstellung
der ausmaße der senkrechten Durchlässe dargestellt sind, Fig. 4 eine Draufsicht
in Richtung der Pfeile 4-4 der Fig. 3, Fig. 5 eine den Fig. 2 und 4 ähnliche Draufsicht
auf eine abgeänderte anordnung der geschwindigkeitsabwandelnden Mittel, wobei die
Durchlässe von gegenüberliegend angeordneten paaren pyramidenstumpfförmiger Schalen
gebildet werden, Fig. 6 eine Seitenansicht eines Teiles der pyramidenstumpfförmigen
Schalen nach Fig. 5, Mi. 7 eine weitere Abwandlungsform der Anordnung nach Fig.
5, wobei die geschwindigkeitsabwandelnden Mittel von Paaren kegelstumpfförmiger
Schalen gebildet werden, deren scheitel einander zugekehrt liegen, Fig. 8 eine Seitenansicht
der kegelstumpfförmigen Schalen nach Fig. 7 und
Fig. 9 eine andere
Ausführungsform der kegelstumpfförmigen Schalen, die für die Anordnung nach Fig.
7 verwendbar ist, wobei jedoch die Scheitel der Kegelpaare voreinander fortgekehrt
liegen.
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Nach den Zeichnungen, insbesondere Fig. 1, ist ein Kontakt-oder Umsetzungsgefä#
10 vorgesehen, das vorzugsweise in senkrecht angeordnete Kontaktbereiche 11, 12
und 13 unterteilt ist, die durch geschwindigkeitsändernde oder - abstufende Vorrichtungen
14 und 15 getrennt sind.
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Nach der Erfindung weisen diese geschwindigkeitsändernden Vorrichtungen
14 und 15 einen Trägerring 40 und waagerechte Leisten 16 auf, die mit Abstand voreinander
angeordnet sind, um im wesentlichen hindernisfreie Durchlässe 17 durch die senkrecht
auseinanderliegenden Abstufungsvorrichtungen 14 und 15 zu bilden. Die waagerecht
sich erstreckenden Leisten 16 sind in jeder Stufe so angeordnet, daß sie abwechselnde
Strömungswege durch die senkrechten Durchlässe 17 bilden, von enen einige, wie die
Durchlässe 22, in ihren Mittelabschnitten merklich größer im zuerschnitt sind, während
die anderen durchlässe 21 in ihren Mittelabschnitten merklich kleiner im Querschnitt
sind. Wie durch die Pfeile 18 angedeutet wird, bilden die Durchlässe 22 bevorzugt
abwärts führende Kanäle für die dichtere der beiden Phasen, die im Gefäß 10 umgesetzt
oder in Kontakt miteinander gebracht werden. Die Pfeile 19 durch die Kanäle 21 mit
kleinerem mittleren suerschnitt zeigen die Richtung des bevorzugten Flusses der
leichteren der beiden Phasen an, die durch die Abstufungsvorrichtung 15 in Aufwärts£ichtung
verläuft.
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Dieser bevorzugte Fluß sowohl in Äufwärts- als auch in Abwärtsrichtung
ermöglicht eine Stabilität der hydrodynamischen Strömung durch das Umsetzungsgefä#
10, indem der dichteren, die festen Teilcheh aufweisenden Phase der Ubergang abwärts
von einer Umsetzungszone, z. B. 12 in die nächste, Umsetzungs-Zone 13 durch Schaffung
eines bevorzugten Durchganges geradeswegs durch den Bereich hindurch ermöglicht
wird. Nach der Erfindung bildet der Durchlaß 22 einen solchen bevorzugten Weg für
den Abwärtsflu# der festen Phase, da die länglichen, parallelen Durchgänge 22 größere
Abmessungen in ihrem Iaittelabschnitt als am oberen und unteren Ende aufweisen.
In der dargestellten Ausführungsform wird der bevorzugte bwärtsfluß erreicht durch
Geschwindigkeitsverringerung der aufwärtsflie#enden leichteren Strömungsmittelphase
aufgrund der vergrö#erten Querschnittsfläche in der Mitte der Durchlässe 22.
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Gleichzeitig flei#t die Strömungsmittelphase vorzugsweise aufwärts
durch die bstufungsvorrichtung 15 bzw. durch deren Durchlässe 21 aufgrund der Beschleunigung
des Aufwärtsflusses beim Durchgang durch den gedrosselten Querschnitt in der Mitte
der Strömungswege 21. Durch im wesentlichen die Hälfte jeder geschwindigkeitsabändernden
Vorrichtung 14 und 15 ist damit eine relative Abwärtsbewegung der festen Phasen
durch Erhöhung der Querschnittsfläche in der Mitte von einigen der Durchlässe 17
hergestellt, während eine relative Aufwärtsbewegung der Strömungsmittelphase in
der anderen Hälfte der Durchlässe aufgrund von deren geringeren mittleren Querschnitten
auftritt.
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;cuf diese Diese wird die dichtere Phase vorzugsweise durch die Mittelabschnitte
der Durchläse 21 mit kleinerem Querschnitt aufwärts @erissen, während sie sich vorzugsweise
durhc die Abschmitte mi breiterem @uerschmitt 22 absetzen. Vorzugswei@e
sind
die Durchlässe 16 und 21 im wesentlichen in ihren durchschnittlichen Querschnittsflächen
über die Geschwindigkeitsabänderungsvorrichtungen 14 und 15 gleich.
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Entsprechend einer Form der Erfindung, siehe Fig1 1 und 2, werden
die Vorzugsdurchlässe als längliche Schlitze von quer sich erstreckenden Leisten
16 gebildet, die mit einem Paar Flächen oder Seitenwänden ausgebildet sind, und
zwar einer Oberseite 25 und einer %Tnterseite 26. Die Seitenflächen liegen winklig
zueinander, so da# der zwischen ihnen eingeschlossene Winkel etwas grö#er als etwa
90° ist. Wei gezeigt wird, liegen die benachbarten Leisten 16 so, daß die Scheitel
unmittelbar beieinander liegen. Auf diese Weise sind die Mittelabschnitte 21 und
22 enger bzw. weiter als die oberen und unteren Endabschnitte der Durchlässe, in
denen sie liegen.
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Vorzugsweise haben die Durchlässe 22 eine solche Form, daß das obere
Ende geringfügig enger als das untere Ende und der Mitelabschnitt etwa doppelt Üo
große Querschnittsfläche wie die Enden hat. Dagegen sind die Durchlässe 21 vorzugsweise
etwas größer an ihren oberen bonden als an den unteren Enden, wobei der Mittelabschnitt
etwa den halben verschnitt der Enden aufweist. Die durchschnittlichen Querschnitte
entlang der Vertikalen beider Durchlässe 21 und 22 sind jedoch nahezu gleich.
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Nach einer abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, da die Ausmaße der Mittelabschnitte in den Durchlässen der Geschwindigkeitsabwandlungsvorrichtungen
dadurch eingestellt werden können, daß wechselweise quer sich erstreckende Leisten
16, siehe insbesondere T 3 und 4,
miteinander verbunden werden.
In dieser Anordnung geht eine Einstellstange 30, auf der Leisten 16 weshselweise
befestigt sind, unter Verwendung einer Xtopfbüchsenpackung 31 durch die eite der
Umsetzungskammer 10 hindurch. Auf diese Weise können die mittleren Ausmaße der schlitze
22 mit größerem mittleren Querschnitt verringert oder vergrößert werden, wobei gleichzeitig
eine entsprechende Anderung in der mittleren Abmessung der Durchlässe 21 mit kleinerem
Querschnitt stattfindet. Diese Einstellbarkeit der Durchlässe, die vorzugsweise
die dichtere bzw. die weniger dichte Phase in der Umsetzungskammer durchlassen,
ist sehr vorteilhaft, wenn die Verfahrensbedingungen geändert werden oder dasselbe
Umsetzungsgefäß für verschiedene Kontaktverfahren verwendet wird. Zwei derartige
Verfahren. sind das Absorptionskontaktverfahren und die katalytischen Raffinptierung
von Petroleum-Ausgangsmaterial.
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Die Einstellvorrichtung ist als eine einfache von Hand einstellbare
.Jtangenvorrichtung dargestellt worden. Eine solche Einstellung der Gestchwindigkeitsänderungsvorrichtung
kann jedoch such durch eine entsprechende Fernsteuerungsvorrichtung ftr die Lage
der Leisten vom Au#enraum des Gefäßes her erreicht werden. Die Ausmaße der stange
30 werden vorzugsweise au;erst klein gewählt, um merkliche Störungen in den Strömungswegen
und einen Aufenthalt der festen Phase auf der Stange zu vermeiden.
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Wahlweise oder zusätzlich zur Einstellung durch waagerechte Bewegung
abwechselnder Leisten kann die Beziehung zwischen - der oberen und der unteren Flächen
durch eine geringfügige Dreheinstellung der Leisten um ihre Längsachsen geändert
werden.
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Die Einstellung der Öffnungen in den verschiedenen Geschwindigkeitsänderungsvorrichtungen
über die e'nkrechte Erstreckung des Kontaktgefä#es 10 kann entweder gleichzeitig
oder einzeln erfolgen, je nach dem in dem Gefäß auszuführenden Verfahren oder den
Verfahrensbedingungen an einem bestimmten Punkt oder einem Niveau des Gefäßes. Wie
auch in Fig, 3 dargestellt ist, können die von dem Ring 41 gehaltenen Ablenkungeglieder
35 unmittelbar unter den unteren Cffnungen der Durchlässe 22 mit dem größeren Mittelquerschnitt
eingestellt werden, um plötzliche Störungen im aufwärtsfließenden Strömungsmittel
zu verhindern, wie z. B. ein Aufwallen von Gas oder Strömungsmittel mit hoher Geschwindigkeit,
wodurch das abwärtsfließende dichtere Material von den ihm zugeordneten Durchlässen
fortgerissen werden könnte. Während im allgemeinen die relative Auiwärtsströmung
für normale Dauerbedingungen eingestellt werden kann, so daß diese Aufwärtsströmung
in dem Umsetzungsgefäß ein gesteuertes Absetzen des dichteren Mediums durch die
Durchlässe 22 hindurch zuläßt, ist es erwünscht, die Neigung für örtliche Aufwallungen
zu verringern, die zeitweilig den glatten Ablauf in der Geschwindigkeitsänderungsvorrichtung
beeinflussen. Zu diesem Zweck bilden die Ablenkglieder 35 einen Umweg zur weiteren
Geschwindigkeitsverringerung des aufwärts durch die Durchlässe 22 gerichteten Strömungsmittelflusses
unter gegebenen Strömungsbedingungen.
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Fig. 5 und 6 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, eine Mehrzahl von die Geschwindigkeit ändernden Durchlässen in dem Kontaktgefäß
herzustellen, wobei; einige der Durchlässe einen bevorzugten aufwärts gerichteten
Flu#
einer Strömungsmittelphase ermöglichen, während die übrigen Durchlässe für einen
bevorzugt abwärtsgerichteten ?1ß der festen Phase sorgen. In der Anordnung der Fig.
5 und 6 werden diese Durchlässe durch eine Mehrzahl von abgestumpften Pyramidenschalen
50 gebildet, die auf quer sich erstreckenden Stangen 51 gehalten werden, die in
einem Gittermuster angeordnet sind, um die Mittelabschnitte der einzelnen Schalen
in einer im wesentlichen parallelen und senkrechten Anordnung in der Geschwindigkeitsabwandlungsvorrichtung
zu halten. Die Scheitel dieser Pyramiden sind voneinander abgekehrt und die Grundflächen
von zwei abgestumpften Pyramiden miteinander verbunden, um einen eg für eine bevorzugt
abwärtsgerichtete Strömung durch die Mitte der Schalenglieder *U bilden, während
der Weg für die bevorzugt aufwärtsgerichtete Strömung durch die Räume zwischen den
Schalen hindurchgeht. Die Ausma#e der Stangen 51 sollen wiederum möglichst äu#erst
klein se, um Störungen in den Strömungswegen zu vermeiden.
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Das Wort "bevorzugt", das in der Beschreibung des Weges für die Aufwärtsströmung
durch die Schalenglieder in den Fig. 5 und 6 verwendet wird, soll ausdrücken, daß
sowohl die Strömungsmittel- als auch die feste Phase durch die beschleuniwenden
als auch die verzbgernden Kanäle oder Durchlässe hindurchgehen. Es zeigt sich jedoch,
daß die relativen Mengen und Strömungsgeschwindigkeiten durch diese beschleunigenden
und verzögernden Kanäle verschieden sind. Ebenso kann die Strömungsrichtung der
festen Phase unter bestimmten Behandlungsbedingungen derart senf daß die Oberflächengeschwindigkeit
dieser Phase durch die Aufteilun@szonen aufwärts geht; dabei
fließt
sie jedoch aufgrund des Unterschiedes in den relativen Strömungsgeschwindigkeiten
durch die beschleunigenden und verzögernden Zonen durch die Durchlässe mit vergrößertem
mittleren Querschnitt mit einer geringeren Geschwindigkeit als durch die Durchlässe
mit verringertem mittleren Querschnitt.
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In den Fig. 7 und 8 ist eine weitere Abwandlungsform der erfindungsgemäßen
Durchlaßvorrichtungen dargestellt. In diesem Fall sind die nach oben und unten gehenden
Durchlässe durch die Geschwindigkeitsänderungsvorrichtung in einem Kontaktgefäß
durch konische Schalenglieder 60 gebildet, die z. B. durch die Schwei#naht 61 aneinander
geschweißt sind an den Punkten, an denen ihre Grundflächen gegeneinander stoßen.
Vorzugsweise sind die konischen schalen 60 aus zwei kegelstumpfförmigen Gliedern
aufgebaut, die miteinander verbunden sind, so daß ihre Scheitel gegeneinander gerichtet
liegen, und deren Basen aneinander geschweißt sind, wie insbesondere Fig. 8 zeigt.
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In der dargestellten Anordnung läuft der bevorzugt aufwärts gerichtete
strom der weniger dichten Phase durch die Mitte des Kegelschalengliedes 60 bzw.
durch die Durchlässe 121, während die bevorzugt abwärts gerichtete Strömung der
dichteren Phase durch den Raum zwischen den Schalengliedern verläuft, der die Durchlässe
122 bildet. Bei dieser Anordnung haben die Durchlässe 122 für die abwärts gerichtete
Strömung einen Mittelabschnitt, der eine wesentlich größere Querschnittsfläche als
die Enden dieser Durchlässe hat, während die Durchläsiie 121 für die aufwärts gerichtete
Strömung in ihrem IgSittelabschnitt einen wesentlich kleineren Querschnitt als an
den beider Enden haben.
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Fig. 9 zeigt eine weitere Änordnungsmöglichkeit für kegelstumpfförmige
Schalen 70. Diese Schalen können in der gleichen Jeise wie die Kegelschalen nach
Fig. 7 angeordnet sein. Als Unterschied zwischen den Anordnungen nach Fig. 7 und
Figo 9 ist festzustellen, daß die abwärts gerichteten Strömungswege in der Anordnung
nach Fig. 9 durch die Mitte der kegelstumpfförmigen Elemente 70 verläuft, während
die aufwärts gerichtete Strömung durch den Raum zwischen den Schalengliedern hindurchgeht.
Bei der Anordnung nach Fig. 9 wird die Geschwindigkeitsänderungsvorrichtung für
das Umsetzungsgefäß durch Verschweißen einzelner Schalen 70 an der Stelle ihres
größten Durchmessers gebildet. In der Zeichnung wird dieses durch die Schweißstelle
71 dargestellt.
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Für die Benutzung der Anordnung nach den Fig. 1-9 werden die genauen
Abmessungen der Strömungsdurchlässe 21 und 22, Fig. 1 - 4, oder 121 und 122, Fig.
5 - 9, durch die Art der in dem Umsetzungsgefä# auszuführenden Verfahren bestimmt.