DE19543049A1 - Selbsthemmende Gleichstromschrittkolonne oder Phasenkreistriebtechnologie - Google Patents

Description

Die Erfindung beinhaltet wesentliche Material- und Energieeinspar­ ungen in der Chemie- und Grundstoffindustrie. Diese Industriezweige bewältigen durch ihre Produktionsanlagen sehr große Stoff- und Ener­ giemengen. Der Entwicklung der Apparate, der Verfeinerung der Ver­ fahrenstechnik und der Optimierung durch Automation sind mit der bisherigen Technik die bekannten physikalischen Grenzen gesetzt. Die Phasenkreistriebtechnologie (kurz PKT-Technologie) führt zu völlig neuen Apparaten, die wesentlich kleiner sind und weniger Energie verbrauchen.

Bisher wurden viele Versuche unternommen, die Leistungsfähigkeit von Chemieapparaten zu steigern, indem man die Einbauten mit Raffinesse verfeinerte, die Füllkörper mit exotischen Formen bedachte, die Ein­ bauten bewegte, die Stoffe auf unwirtschaftlich hohe Geschwindigkeit trieb usw. Die Fach- und Patentliteratur spiegelt das große Interes­ se wieder, zu neuen technischen und wirtschaftlichen Lösungen zu kommen.

Alle großtechnischen Apparaturen zur Kontaktierung einer Gasphase mit einer Flüssigkeit sind Gegenstrom- oder Kreuzgegenstromkolonnen mit den verschiedensten Einbauten. Die Einbauten sind Glocken-, Tunnel-, Ventil- , Zentrifugal-, Sieb-, Gitterböden, schüttbare Füllkörper, Packungen, Rieselbleche, Rotationseinsätze u. a. Die maximal mögliche Dampf- oder Gasgeschwindigkeit im freien Kolonnen­ querschnitt beträgt ca. 3 m/s auf Normaldruck bezogen. In der Praxis liegt diese Geschwindigkeit bei etwa 1 m/s. Eine wesentliche Erhöh­ ung der Gasgeschwindigkeit mit der bekannten Technik ist nicht re­ alisierbar. Der wachsenden Gasgeschwindigkeit und damit des Anstei­ gens des dynamischen Druckes ist der hydrostatische Druck der Flüs­ sigkeit nicht mehr gewachsen. Demzufolge staut eine über die Bela­ stungsgrenze hinaus erhöhte Gasbewegung die Flüssigkeit auf, so daß ein Betreiben der Kolonne nicht mehr möglich ist. In Gleichstromko­ lonnen wurden Gasgeschwindigkeiten von 10 bis 50 m/s erreicht. Für den großtechnischen Einsatz waren die Kolonnen nicht zu gebrauchen, weil der apparative Aufwand sehr groß und der Druckverlust pro Trennstufe sehr hoch ausfielen. Es brachte keinen wirtschaftlichen Vorteil. Das Interesse der Techniker ist trotzdem begründet, nach neuen deutlich besseren Lösungen zu suchen, weil die eigentliche niedrige Stoff- und Energieaustauschintensität in den Apparaten nie­ manden befriedigen kann. Diese schwache Intensität ist der Haupt­ grund, weshalb die Silhouette von den meisten Chemiebetrieben von Turmbauwerken bestimmt ist.

Betrachtet man die Vorgänge in der Kolonne genau, so treffen viele Einflüsse ungünstig aufeinander und behindern sich gegeneinander. Tritt das Gas in die Flüssigkeitsschicht ein, so kontaktiert haupt­ sächlich eine Blase in der Flüssigkeit. Für den Stoffaustausch ist das die ungünstigst kleinste Kontaktfläche. Treibt die Blase an die Oberfläche der Flüssigkeit und platzt dort, wird die Flüssigkeit in großen und kleinen Tropfen aufgetrieben. Die kleinsten Tropfen, die die größte spezifische Austauschoberfläche liefern, sind nun aber im Hauptgasstrom zum nächsten Boden gar nicht erwünscht. Werden die Tröpfchen zum nächst höheren Austauschboden getrieben, sinkt der Austauschgrad oder der Trenneffekt. Die einzige Hemmung für die Tröpfchen ist die Schwerkraft, abgesehen von darüberliegenden Prall­ blechen oder in in Rotation versetzte Gas- und Flüssigkeitsström­ ungen. Für große Stoffaustauschmengen werden demzufolge sehr große Flächen als Austauscheinrichtung benötigt. Kolonnen mit 6 bis 12 m Durchmesser und 60 m Höhe sind die Konsequenz. Je größer ein Aus­ tauschboden ist, desto größer ist auch der Totraum für das Gas unter bzw. über denselben. Der scheinbare Totraum hat aber den Zweck die Gasgeschwindigkeit abzusenken. Bei Rieselblech- und Füllkörperko­ lonnen werden die Einbauten und Füllkörper von der Flüssigkeit be­ netzt und die Gasphase umströmt diese. Zumindest eine Seite der Flüssigkeit haftet am Füllkörper und steht somit dem Austauschvor­ gang zwischen Gas und Flüssigkeit nicht zur Verfügung. Die Aus­ tauschintensität und die Strömungsgeschwindigkeiten sind ebenfalls gering.

Das technische Prinzip, mit und in einer Einrichtung oder Vorrich­ tung möglichst viele technische Aktionen auszuführen, taugt in den Fällen des Stoffaustausches flüssig-gasförmig hier nichts. Um aus der Zwickmühle der gegenseitigen Behinderung herauszukommen, müssen neue Wege beschritten werden.

Es wird mit einer neuen Technologie des Phasenkreistriebes vorge­ schlagen, möglichst in getrennten Räumen nur ein bis zwei Aktionen ablaufen zu lassen. Außerdem wird zur Effektsteigerung der Übergang vom Blasen- zum Tröpfchenregime vorgenommen. Die Phasenkreistrieb­ technologie (kurz PKT-Technologie) beinhaltet folgendes: Über ein spezielles Zuleitungssystem von der Vorstufe saugt das Gas durch seine hohe Geschwindigkeit die Flüssigkeit an und versprüht diese im Kontaktierungsraum. Das Gas wird kreisförmig in ein Ringraum einge­ leitet. So wird gleich nach der Kontaktierung durch die Normalbe­ schleunigung der Rotationsbewegung die Flüssigkeit an der Apparate­ wand abgeschieden (Zyklonprinzip). Die Flüssigkeit wird von der nächst tieferen Stufe angesaugt und das Gas wird zur nächst höheren Stufe getrieben. Alle Zuleitungen und Räume sind voneinander ge­ trennt. Das Gas ist das aktive Medium und treibt die Flüssigkeit durch den Apparat. Die Schwerkrafthemmung wird ausgeschaltet und auch nicht mehr benötigt, da durch die separierende Rotationsströ­ mung des Gases die Normalbeschleunigung als Selbsthemmung gegenüber der Flüssigkeit zur nächst höheren Stufe wirkt. Diese wesentlichen Merkmale führten zur Bezeichnung PKT-Technologie.

Die PKT-Technologie führt zu einer Vielzahl von Apparatkonstruk­ tionen, die die Flexibilität des Einsatzes derselben für viele Trennaufgaben vor Augen führt. Mehr noch, da die Schwerkraft nicht mehr benötigt wird, sind die Apparate aus der senkrechten in die waagerechte Lage umzulegen.

Fig. 1 zeigt einen mittigen Längsschnitt durch eine Kolonnenvariante für die Rektifikation. Die Kolonne besteht aus dem äußeren Behälter 1, der innen die ebenfalls aufgeschnitten dargestellte Gasumlenk­ säule 2 aufnimmt. Die Gasumlenksäule 2 trennt die einzelnen Stufen durch das äußere konzentrisch angeordnete Staublech 3 und die innere Stufentrennwandung 4. Jede Stufe hat ihre Gasaustrittsöffnungen 5 und ihre Gasabscheide- oder Eintrittsöffnungen 6. Jede Trennstufe besteht aus einen Mischraum 7 und einen Fortleitungsraum 8 zur nächst höheren Stufe. Fig. 2 zeigt den Querschnitt im Gasaustrittsbe­ reich und Fig. 3 zeigt den Querschnitt im Gas-Flüssigkeitsabscheide­ bereich.

Das Wirkprinzip besteht im folgendem: Das von unten strömende Gas wird tangential durch die Gasaustrittsöffnungen 5 in den Mischring­ raum 7 eingeleitet. Die vor dem Staublech 3 angesammelte Flüssigkeit verwirbelt mit dem Gas. Dabei findet der gewünschte Stoff- und Ener­ gieaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit statt. Das Gas zerlegt die Flüssigkeit in Tröpfchenform. Anschließend treibt die Zentrifugal­ kraft die Tröpfchen an die Behälterwand 1, um dort gesammelt zu wer­ den und zum Staublech 3 zu gelangen. Dort wird die Flüssigkeit zur nächst niederen Stufe geleitet. Am Stufenausgang trennen sich die beiden Phasen wieder. Das Gas strömt über die Eintrittsöffnungen 6 in den Fortleitungsraum 8. Es gelangt durch den Weg der bereits durchgelaufenen Stufe bis zum Anfang der nächsten Stufe, der Gasaus­ trittsöffnungen 5. Dabei legt es den Weg zweier Stufen zurück. Im Mischraum 7 legen Gas und Flüssigkeit den gemeinsamen Gleichstromweg auf einer wendelförmigen Bahn zurück. Nach der Trennung strömt das Gas wieder zwei Stufen vor und eine gemeinsam mit der Flüssigkeit zurück usw. Die Flüssigkeit steht der nächst unteren Stufe nach dem Stau für die Kontaktierung mit dem Gas zur Verfügung. Mit dieser Trennung und Vereinigung wird ständig ein neuer partieller Kreislauf gebildet.

Die Selbsthemmung, die Kontaktierung im Gleichstrom der Phasen und die schrittweise Verzahnung der Austauschstufen führten zur Appa­ ratebezeichnung selbsthemmende Gleichstromschrittkolonne (kurz "SGS-Kolonne").

Welchen Vorteil hat nun diese SGS-Kolonne zu den herkömmlichen Kon­ struktionen? Ein Rechenvergleich zu einer Siebbodenkolonne (kurz SB- Kolonne) macht das deutlich.

Es wird vorerst angenommen, daß beide Kolonnenarten den gleichen Durchmesser haben. Die durchschnittlichen Verhältnisse eines Sieb­ bodens in der Praxis stellt die Fig. 4 dar. Den Querschnitt einer SGS-Kolonne beinhaltet die Fig. 5. Der Querschnittsbildvergleich zeigt, daß die SGS-Kolonne die mehr als dreifache Durchlaßfläche ei­ nes Siebbodens hat. Bei angenommener Gasgeschwindigkeit im freien Querschnitt F der SB-Kolonne von v_g = 1 m/s, muß im Sieblochquer­ schnitt von 0.1 F nach dem Kontinuitätsgesetz die zehnfache Ge­ schwindigkeit v= 10 m/s herrschen. Bei gleichem Durchmesser der SGS- Kolonne und gleichem Volumendurchsatz des Gases ergibt das eine ver­ minderte Geschwindigkeit v′.

0.1_*F_*v = 1/3_*F_*v′.

Um die Durchströmreserve zu nutzen, wird die Querschnittsfläche der SGS-Kolonne soweit verringert, daß die Geschwindigkeit im Siebloch­ querschnitt erreicht wird. Damit vermindert sich der Durchmesser der SGS-Kolonne nach folgender Rechnung:

Ausgangsgleichung mit Bedingung F′ - F; v′ ≠ v
1/3_*F′_*v - 0.1_*F_*v
neue Bedingung

Die technische Richtgeschwindigkeit für Gase bei der Dimensionie­ rung von Rohrleitungen liegt etwa bei 20 m/s. Das bedeutet, die SGS-Kolonne kann noch kleiner dimensioniert werden, so daß der Druckverlust des durchströmenden Gases wirtschaftlich vertretbar bleibt. Eine Steigerung der Hauptgasströmung von 10 m/s auf 20 m/s bedeutet, daß die Querschnittsfläche der SGS-Kolonne nochmals hal­ biert werden kann.

Mit dieser zusätzlichen Maßnahme wird der Vergleichsdurchmesser:

Bei Bedingung v = 2_*v wird
1/3_*F′_*2_*v = 0.1_*F_*v F′ und F s. o.

Kolonnenbauten sind sehr große und kostspielige technische Gebilde. Bei den Planungen und Berechnungen werden die Kosten nach dem Ko­ lonnenvolumen kalkuliert. Beim Kostenvergleich einer SGS-Kolonne zur SB-Kolonne zeigt sich folgende Relation: Bei angenommener glei­ cher Kolonnenlänge L ist die Volumenverminderung gleich der Kosten­ einsparung.

für d = 0.387*D gilt

Einsparung
V-V′ = 1-0.15 = 0.85 in Prozent 85%.

Die 15%-Kosten einer SGS-Kolonne gegenüber einer SB-Kolonne werden durch günstige Randbedingungen noch weiter reduziert. In waage­ rechter Lage werden bedeutend kleinere Fundamente benötigt, die Speisepumpen werden mit geringerer Leistung ausgelegt und die er­ leichterte Zugänglichkeit erfordert verminderten Stahlbau in Form von Bühnen, Laufstegen, Leitern, Treppen, Rohrhalterungen usw. Die geschätzten Investkosten könnten somit auf ca. 10% der alten Technik gedrückt werden.

Um das Einsparungspotential an Energie nachzuweisen, wird der ge­ genwärtige Verbrauch an Pumpenergie für den Betrieb der ersten Ko­ lonne in der Mineralölindustrie aufgezeigt.

Die Bundesrepublik Deutschland hat ein Jahresverbrauch an Rohöl von etwa me = 10⁸ t. Die Höhe für den Einlaufstutzen (He) des Rohöls wird mit 25 m und die Höhe für den Aufgabestutzen des Rücklaufpro­ produktes (Hr) am Kolonnenkopf wird mit 50 m über dem Kolonnenfuß angenommen. Die Kopfproduktzusammensetzung schwankt je nach Aus­ gangsprodukt. Der Anteil an der Gesamtmenge wird mit 17% geschätzt.

Bei einem Rücklaufverhältnis von 3:1 beträgt die Gesamtrücklauf­ menge (mr):

mr = 10⁸_*0.17_*3 = 51_*10⁶ t.

Bei einem Gesamtwirkungsgrad von η = 0.3 und dem Umrechnungsfaktor (f) für die Arbeit in KWh beträgt die jährliche aufzuwendende Arbeit für die erste Verarbeitungsstufe von Rohöl:

Diese Arbeit wäre einzusparen, wenn die waagerechte SGS-Kolonne zum Einsatz käme. Noch deutlicher fällt die Energieeinsparung bei Pro­ duktionsprozessen mit sehr großen Rücklaufmengen und Kolonnen mit sehr vielen Trennstufen aus.

Weitere technische und wirtschaftliche Vorteile sind mit der PKT- Technologie zu erreichen:

• 1. Die mögliche Gasgeschwindigkeit ist fast unbegrenzt. Ihre Grenzen werden durch den zu akzeptierenden Druckverlust und bei noch höherer Geschwindigkeit durch die Materialerosion gesetzt.
• 2. Der Regelbereich der SGS-Kolonnen ist sehr groß. Damit kann die Stoffzusammensetzung und die Produktionsmenge besser und schneller auf den Bedarf des Marktes eingestellt werden. Es werden keine großen Lagerkapazitäten mehr benötigt bzw. die bestehenden werden ef­ fektiver genutzt.
• 3. Die Regelzeiten werden bedeutend herabgesetzt, da die Trägheit durch den kleinen Betriebsinhalt stark vermindert werden.
• 4. Die SGS-Kolonnen sind durch ihre kleinen Abmessungen und des in­ neren Betriebsregimes lage- und bewegungsunabhängig. Deshalb sind sie als Austauscheinrichtungen in Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und Raumflugkörpern einsetzbar.
• 5. Es kann ein neuer Service aufgebaut werden.
  Havarie- oder revisionsbedingte Außerbetriebnahmen von Kolonnen kön­ nen durch vor Ort anzufahrende Transport-SGS-Kolonnen verhindert werden. Der Betrieb der Gesamtanlage kann weiterlaufen.
• 6. Forschung und Entwicklung kann mit dem Aufbau von Transportkolon­ nensystemen gemeinsam vollzogen werden. Damit könnte sich die Ent­ wicklung der neuen Technik z. T. selbst finanzieren.
• 7. Es ist möglich mehrflutige und mehrstromige Konstruktionen zu schaffen, um einerseits den Austauscheffekt zu verbessern und ander­ seits die Produktionsmenge durch Zu- und Abschalten von Teilen einer Mehrsäulenkolonne zusätzlich zu steuern.
• 8. Das Mehrstromverfahren kann als Doppelsystem mit einer Vielzahl von Austauschsäulen in ein Mantelraum installiert werden. Dieser Mantelraum wird mit einem Kühl- oder Heizmedium beaufschlagt.
• 9. Apparate für den direkten und indirekten Wärmeaustausch werden auch kleiner, da mit hohen Austauschgeschwindigkeiten und dem Rühr­ effekt die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit sich erhöht. Diese Wär­ meübertrager lassen sich ebenfalls für den Havariedienst einsetzen.
• 10. Bei Stofftrennungen mit geringen Siedepunktsunterschieden der Komponenten sind sehr große Trennstufenanzahlen notwendig. Bisher wurden die Kolonnen in mehreren Sektionen geteilt und nebeneinander aufgestellt. Das ist bei der PKT-Technologie nicht mehr erforderlich.
• 11. Für Instandsetzungsarbeiten ist die De- und Montage der Innen­ einbauten besonders günstig zu bewerkstelligen, da die Umlenksäule in einem Stück aus dem Apparat herausgezogen werden kann.
• 12. Statt die Flüssigkeit in den gemeinsamen Kontaktierungs- und Se­ parationsraum einzubringen, kann sie über eine Rohrleitung zum Ort des Gaseintritts im Fortleitungsraum versprüht werden. Die Kontak­ tierungszeit wird verlängert. Kontaktierung und Separation finden in völlig getrennten Räumen statt. Die gegenseitige Behinderung zum Zwecke des intensiven Stoff- und Energieaustausches ist damit grund­ sätzlich ausgeschlossen. Das ist die Lösung der Kernaufgabe der PKT- Technologie.
• 13. Die Flüssigkeitszerteilung kann unterstützt werden, wenn eine kleine Gasphasenmenge unter hohem Druck die Flüssigkeit nach dem Ejektorprinzip ansaugt und am Gaseintritt im Fortleitungsraum ver­ düst.
• 14. In einer Absorbtionskolonne wird die Flüssigkeit unter erhöhtem Druck gegen den Systemdruck der Kolonne am Gaseintritt des Fortleitungsraumes versprüht. Die Flüssigkeit wird durch Kontak­ tierung mit dem Gas im Fortleitungsraum beladen und anschließend im Separationsraum vom Restgas getrennt. Die beladene Flüssigkeit wird vom Kolonnenmantel des Separationsraumes jeder Stufe abgezogen.
• 15. Der Separationsraum kann außen, im mittleren Ringraum und im Zentrum liegen. Dementsprechend sind die Fortleitungsräume nachbar­ lich anzuordnen. Die ganze innere Verschachtelung kann jedoch aufge­ löst werden, wenn die Fortleitungsräume als Rohrsäulen ein- oder mehrpaarig um eine zentrale Separationsrohrsäule mit den dazugehö­ rigen Rohrleitungsverbindungen gestaltet werden.

In den Beschrei­ bungen der Konstruktionsvarianten wird das deutlich gemacht.

Einige Konstruktionsvarianten zeigen die vielfältigen Möglichkeiten der Gestaltung der PKT-Technologie auf, die jedoch nicht vollständig sein können. So zeigt Fig. 6 und 7 den Querschnitt einer zweiflutigen Kolonne mit geviertelter Gasumlenksäule. Fig. 8 und 9 zeigen den Querschnitt einer zweiflutigen Kolonne, die als Gasumlenksäule vier Rohre hat.

Fig. 10 zeigt die Umlenksäule mit einem Zentralrohr 1 und um diesem angeordnete Satellitenrohre 2. Wechselweise endet einmal das Zentral­ rohr 1 in der Sammelkammer 3 oder die Satellitenrohre 2 enden in der Sammelkammer 4. Aus beiden Sammelkammern 3 und 4 wird je ein Kontak­ tierungsraum 5 mit Gas durch Leitbleche beaufschlagt. Über Kanal 6 gelangt die Flüssigkeit von der Vorstufe zur Kontaktierung mit dem einströmenden Gas. Fig. 11 und 12 zeigen die Querschnitte am Gasaus­ tritts- und Gasabzugsbereich der Fig. 10.

Die Dreiteilung des Kolonnenquerschnitts erlaubt es die Kontaktie­ rungsräume in jedem Teilquerschnitt anzuordnen. Während bei Fig. 1 und 10 der Kontaktierungsraum sich außen befindet, zeigt Fig. 13 eine Kolonne, bei der der mittlere Ringraum 1 für die Kontaktierung ge­ nutzt wird. Das innere Rohr 2 und der äußere Ringraum 3 dienen als Gasumlenksäule. Fig. 14 zeigt den Querschnitt an der Gaseintritts­ stelle 4 von innen her und Fig. 15 am Gasabzug 5 einer Stufe nach außen. Fig. 16 zeigt die Gaseintrittsstelle 6 vom Außenringraum 3 in den Mittelringrohrraum 1. Den Gasabzug 7 in den Kernrohrraum 2 stellt die Fig. 17 dar.

Fig. 18 zeigt eine Kolonne mit dem Kontaktierungsraum 1 im Zentrum. Die Gasumlenksäulen 2 sind schalenförmig um das Innenrohr 1 angeord­ net. Fig. 19 zeigt die Gaseintrittsstelle 3 und Fig. 20 die Gasab­ zugsstelle 4 aus dem Kontaktierungsraum 1.

Fig. 21 zeigt den Querschnitt einer Kolonnenvariante mit symme­ trischen Viertelschalen als Gasumlenkräume 2, die den zentralen Kon­ taktierungsraum 1 umschließen, um bessere Strömungsverteilungen zu erhalten. Fig. 22 ist die entsprechende symmetrische Variante aus Fig. 20.

Fig. 23 zeigt die vollkommene Trennung von Kontaktierungsräumen 1 und Gasumlenkungsräumen 2 in drei Säulen mit Rohrleitungsverbindungen 6.

Fig. 24 stellt die Gaseintrittsstelle 3 im Querschnitt dar. Fig. 25 beschreibt den Querschnitt der Gasabzugsstelle 4 aus dem zentralen Kontaktierungsraum 1. Fig. 26 stellt die Variante der Symmetrie ana­ log der Viertelschalenvariante von Fig. 22 dar. Auch hier ver- und zerteilen sich die Stoffströme besser. Fig. 27 entspricht in der Ana­ logie Fig. 21. Die Satellitenrohranordnung 2 läßt sich in der Anzahl paarig beliebig erhöhen.

Eine Erweiterung der Konstruktion stellt die Fig. 28 dar, die zwar den Hauptgasstrom wie in Fig. 23 führt, aber die Flüssigkeit statt sofort zur Gaseintrittsstelle 3 in den nunmehrigen Separierungsraum über den Weg zweier Stufen in eine Rohrleitung 9 zur Gaseintrittstel­ le 5 in die als Kontaktierungsraum funktionierende Umlenksäule 2 nach unten leitet. Ist die Gasgeschwindigkeit hoch genug, kann die Flüs­ sigkeit vom und im Hauptgasstrom versprüht werden. Fig. 29 und 30 zeigen die in der Fig. 28 gekennzeichneten Querschnitte.

Fig. 31 mit ihren Querschnitten Fig. 32 und 33 zeigt eine Möglichkeit bei der höher verdichtetes Gas in kleinen Mengen durch die Rohrlei­ tung 1 zum Ejektor 2 geliefert wird, um die Flüssigkeit anzusaugen und besser zu versprühen. Dieses Prinzip kann bei allen anderen Kon­ struktionsvarianten ebenfalls angewendet werden. Mit dem Transport der Flüssigkeit zum Gaseintritt 2 wird eine vollständige Trennung al­ ler sich nicht vertragener Aktionen erreicht. Die Gas- und Flüssig­ keitsströme vereinigen und trennen sich verzahnt in Stufen und in Vielfachschritten. Das Gas ist das aktive Antriebsmedium, das mit der Flüssigkeit in partiellen Schleifenkreisläufen verkettetend die Flüs­ sigkeit mit hoher Geschwindigkeit antreibt, zerteilt und separiert. Fig. 34 zeigt eine Absorptionskolonne bei der die Flüssigkeit über ein Zuführungsrohr 1 in den Kontaktierungsraum 2 über Düsen im Haupt­ gasstrom mit erhöhtem Druck eingebracht wird. Im Zentralraum 3 er­ folgt die Separierung der beladenen Flüssigkeit vom Restgas im Drall­ strom. Die beladene Flüssigkeit wird bei Stelle 4 abgezogen und das Restgas wird in der nächsten Stufe mit frischer unbeladener Flüssig­ keit kontaktiert usw. Sinngemäß ist diese Lösung auch für alle an­ deren hier aufgezeigten Varianten möglich.

Fig. 35 zeigt die Möglichkeit des Einblasens von Stripp- oder Träger­ dampf sowie hochgespanntem Kopfrücklaufgas an der Stelle 5. Das kann jedoch auch an der Stelle 1 in Fig. 34 geschehen, wobei die Flüssig­ keit nicht an Stelle 4 abgezogen, sondern der nächst tieferen Stufe dem Kontaktierungsraum 2 zugeführt wird.

Fig. 36 zeigt mit den Fig. 37 und 38 in Querschnitten die Möglich­ keit aus der Fig. 10 die Flüssigkeit zwei Stufen rückwärts in die Kontaktierungsräume zu leiten, um die vollständige Beseitigung der gegenseitigen Behinderung der strömenden Phasen zu erreichen. Das gleiche trifft für Fig. 39 mit den Querschnitte Fig. 40 bis 43 zu, die aus Fig. 13 entwickelt wurde.

Fig. 44 stellt mit ihren Querschnitten Fig. 45, 46, 47 und 48 eine Variante dar, mit der auch für bestimmte Zwecke erforderliche Be­ trieb im Blasenregime möglich wird, wenn der Flüssigkeitsbetriebsin­ halt (hould up) besonders groß geführt wird. Dafür muß eine neue Art der Abgrenzung benachbarter Stufen gegen Kurzschlußströmung ein­ gesetzt werden. In Fig. 45 ist im geführten Radialschnitt A1-A1 in Fig. 49 das Prinzip dargestellt. Die Leitbleche 8 halten die Flüs­ sigkeit im Strömungsscheitelpunkt 9 in der Schwebe. In der oberen Stufe ist der Drehsinn der Hauptströmung entgegengesetzt der benach­ barten unteren Stufe. Das Gas hat in der unteren Stufe durch die prägend schnellere Einströmung den größeren Saugeffekt. Die Gasge­ schwindigkeit in der oberen Stufe hat durch den geringfügigen Druck­ verlust beim Durchströmen von der unteren zur oberen Stufe und der Abströmung zur nächst höheren Stufe einen geringeren Betrag. Die Dif­ ferenz beider Geschwindigkeitsbeträge erzeugen die Antriebskraft für die Flüssigkeit in die untere Stufe, wobei ein Strömungsnullpunkt 9 zu überwinden ist. Es ist erkennbar, daß der Durchgang der Flüssig­ keitsmenge von der absoluten wie von der Geschwindigkeitsdifferenz von oberer zur unteren Stufe sowie der Gestaltung der Leitbleche ab­ hängig ist. Damit ist die gegenseitige Behinderung der Phasen ausge­ schlossen.

Sind die Leitbleche 7 wie in Fig. 50 winklig angeordnet, so müssen die Hauptströmungen in der oberen zur unteren Stufe im gleichen Sinn laufen. Damit können die Energieverluste der Hauptströmungen ge­ ringer gehalten werden. Die Variante in Fig. 49 sollte die Bezeich­ nung gegenläufiges dynamisches Scheitelwehr kurz GDS-Wehr und die Variante der Fig. 50 mitläufiges dynamisches Scheitelwehr kurz MDS- Wehr erhalten.

Die Apparatevariante Fig. 51 mit den Querschnitten Fig. 52, 53, 54 und 55 ist aus der Fig. 44 weitergeführt mit der Maßnahme, daß die Flüssigkeit einmal in die Satellitenrohre zwei Stufen rückwärts und das folgende Mal in den den Satellitenrohren umgebenen Mantelraum zwei Stufen rückwärts befördert wird.

Um den Förderungs- und Zerteilungseffekt für die Flüssigkeit zu ver­ bessern, wird, wie Fig. 56 zeigt, über die Leitung 3 hochgespanntes Trägergas, Strippdampf, Kreislaufgas o. ä. eingedüst. Fig. 57 bis 60 bilden die entsprechenden Querschnitte der Fig. 56 ab.

In Fig. 61 sind mit ihren Querschnitten Fig. 62 bis 65 die Kontak­ tierungs- und Separationsräume 1 in den Satellitenrohren vorgesehen. Drallströmungen mit kleinen Kurvenradien haben höhere Normalbe­ schleunigungskräfte. Für Stoffpaarungen, die sich schwer trennen lassen, weil die Tröpfchen und ihre Dichte zu klein sind, könnte diese Variante von Vorteil sein. Das einströmende Gas kann die Flüs­ sigkeit über ein GDS- oder MDS-Wehr von der oberen Stufe geliefert bekommen. Das Gas wird entweder vom Zentralrohr 3 oder vom Mantel­ raum 4 dem Austauschraum 1 zugeführt.

Fig. 66 mit den Querschnitten Fig. 67 bis 70 stellt die Zuführung der Flüssigkeit 5 jeweils zwei Stufen rückwärts im Zentralrohrraum 3 oder Mantelraum 4 dar. Um eine bessere Förderung und Zerteilung der Flüssigkeit zu erreichen, wird über die Eingänge 6 ein hochge­ spanntes Trägergas, Kopfproduktgas o. ä. zum Ejektor 7 eingeleitet. Dieses bildet Fig. 71 ab.

Fig. 72 zeigt eine einfache Konstruktion, bei der der Separations­ raum 1 im mittleren Ringraum angeordnet ist. Die Fortleitungsräume 2 und 3 liegen jeweils außen und innerhalb des Ringes. Dabei kreuzen sich die Flüssigkeits- und Gasströme an Stelle 4, ohne sich gegen­ seitig zu beeinflussen, da die Fortleitung der Flüssigkeit über kurze Rohrleitungen am Rand des Ringraumes 1 erfolgt. Um die be­ nachbarten Stufen strömungstechnisch abzugrenzen, sind an den Stel­ len 5 GDS- oder MDS-Wehre anzubringen. Fig. 73 und 74 sind die ent­ sprechenden in Fig. 72 gekennzeichneten Querschnitte dieser Varian­ te. Auch die Flüssigkeitsrückführung ist nach Fig. 75 möglich. Fig. 75 zeigt außerdem den zusätzlichen Antrieb durch Treibgas an den Eingängen 6. Fig. 76 und 77 stellen die entsprechenden in Fig. 75 markierten Querschnitte dar.

Eine vollkommene Auflösung der Verschachtelungskonstruktionen stel­ len die Fig. 78 als schematischen Schnitt und Fig. 79 als Draufsicht dar. Die Kontaktierungskammer 1 wird stets von der vier Kammern zu­ vor stattfindenden Separation mit Flüssigkeit beschickt. Zusammen mit dem Hauptgasstrom und in diesem Fall zugeführtem Treibgas 3 för­ dernd und in Düse 4 zerteilend findet der Stoff- und Energieaus­ tausch in Kammer 1 statt. In Kammer 2 werden beide Phasen durch die Zyklonströmung wieder getrennt. Die Flüssigkeit wird wieder vier Kammern rückwärts gefördert, während der Hauptgasstrom in der näch­ sten Kammer wieder durch Treibgas und Flüssigkeit von der in vier Kammern zuvor abgeschiedenen Flüssigkeit beschickt wird. Damit wird die Flüssigkeit ständig in einem anderen Abschnitt des Gashaupt­ stromes eingeschleift, getrennt und die gewünschte Aufkonzentrie­ rung von leichter und schwerer Komponente vollzogen. Die Darstel­ lungen zeigen nur das Prinzip auf. Die Kammern können strömungsgün­ stiger räumlich angeordnet sein, so daß die Druckverluste minimiert und die Gas- und Flüssigkeitsleitungen kurz werden.

Fig. 80 zeigt eine weitere Vereinfachung. Die Treibgaszuführung wurde hier weggelassen. Sie wäre ebenso möglich. Für den Antrieb ist in diesem Fall eine hohe Geschwindigkeit des Hauptgasstromes not­ wendig. Das Prinzip, aus Fig. 78 die Flüssigkeit je vier Kammern rückwärts zu fördern, ist gleich geblieben. Kammer 1 ist jeweils Kontaktierungsraum und Kammer 2 Separationsraum. Die Rotationsströ­ mung in Kammer 2 wird durch Axialleitschaufeln 3 erzeugt. Da eine Ro­ tationsströmung im Kontaktierungsraum 1 stört, muß der Drehimpuls durch entgegengesetzt wirkende Axialleitschaufeln 4 für die nächst anstehende Kontaktierung herausgenommen werden. Mit dieser Maßnahme kann der Apparat nochmals in der Querschnittsfläche um zwei Drittel verringert werden, da die am meisten bisher beschriebenen Varianten eine Dreiteilung des Querschnittes erforderten. Eine krasse Umlei­ tung des Hauptgasstromes um 180° findet nicht mehr statt, so daß ein geringerer Druckverlust zu erwarten ist.

Übersichtshalber sind noch einmal die Stoffhauptströme in den Fig. 81 bis 84 zusammengestellt.

Claims (21)

1. Technologie der Verfahrenstechnik für Energie- und Stoffaus­ tauschprozesse zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen gekenn­ zeichnet dadurch, daß in partiellen Schleifenkreisläufen die Kontak­ tierung, die Separation und die Stoffströme sich nicht gegenseitig behindern, daß das Gas Antriebsmedium ist, daß die selbsthemmende Drallströmung die Schwerkrafthemmung ersetzt.

2. Technologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffströme in Stufen zu- und voneinander getrennt und kontaktierend das Gas den Weg zweier Stufen vorwärts zum Kolonnenkopf und eine Stufe gemeinsam mit der Flüssigkeit kontaktierend und separierend zum Kolonnenfuß rückwärts im Drallstrom zurücklegt. Anschließend steigt das Gas wieder zwei Stufen vorwärts und eine Stufe gemeinsam mit der Flüssigkeit aus der Oberstufe zurück. Die Flüssigkeit wan­ dert jeweils eine Stufe vom Kopf zum Fuß. In jeder Stufe durchströmt das Gas den Kolonnenquerschnitt dreimal und die Flüssigkeit einmal. Die Stufengrenze wird vom Gas und der Flüssigkeit je einmal in ent­ gegengesetzter Richtung durchströmt.

3. Technologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige und gasförmige Phase in Stufen zu- und voneinander ge­ trennt, gemeinsam kontaktierend und wieder getrennt das Gas den Weg zweier Stufen kontaktierend mit der Flüssigkeit vorwärts zum Kolon­ nenkopf, separierend im Drallstrom mit der Flüssigkeit eine Stufe rückwärts zum Kolonnenfuß und fortlaufend wiederholend zwei Stufen kontaktierend vorwärts strömen. Im Gegenzug strömt die Flüssigkeit nach der Separationsstufe im Drallstrom zwei Stufen separat rück­ wärts, um dort wieder vom Gasstrom zerteilend den Weg zweier Stufen vorwärts nehmend eine Stufe tiefer im Drallstrom vom Gas getrennt zu werden. In jeder Stufe durchströmt die flüssige Phase den Kolonnen­ querschnitt fünfmal und die Gasphase dreimal. Die Stufengrenze wird von der Flüssigkeit einmal vorwärts, zweimal rückwärts und vom Gas einmal vorwärts passiert.

4. Technologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und das Gas zu- und voneinander getrennt, zusammen kon­ taktierend und wieder getrennt das Gas ein Stufenweg vorwärts sepa­ rat, ein Stufenweg vorwärts zusammen mit der Flüssigkeit kontak­ tierend, ein Stufenweg beider Phasen im Drallstrom separierend rück­ wärts zurücklegt. Die Flüssigkeit strömt zur nächsten Kontaktierung eine Stufe rückwärts. Das Gas strömt in die höhere Stufe separat, um wieder in der nächst höheren mit der unaufkonzentrierteren Flüssig­ keit aus dem Oberlauf zu kontaktieren. In jeder Stufe durchströmt das Gas und die Flüssigkeit den Apparatequerschnitt dreimal. Die Stufengrenze durchströmt das Gas einmal vorwärts und die Flüssigkeit einmal rückwärts.

5. Technologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüs­ sigkeit in einer Kammer im schnellen Gasstrom versprüht kontaktie­ rend, danach durch Leitschaufeln oder tangentiale Einströmung einen Drehimpuls für eine separierende Drallströmung in folgender Separa­ tionskammer erhält und sich dort abscheidet. Dem flüssigkeitsbe­ freiten Gasstrom wird am Ausgang wieder durch entgegengesetzt wirk­ ende Leitschaufeln der Drehimpuls herausgenommen, um in der nächst höheren Stufe mit der unaufkonzentrierteren Flüssigkeit vom Kolon­ nenkopf erneut zu kontaktieren. Die Flüssigkeit ihrerseits wird von der vier Kammern zuvor stattgefundenen Separation der Kontaktie­ rungskammer zugeführt. In den Kammern strömen beide Phasen nur vor­ wärts zum Kopf. Außerhalb des Apparates strömt die Flüssigkeit vier Kammern rückwärts und innerhalb zwei Kammern vorwärts. Quer­ schnittsmäßig durchströmt das Gas und die Flüssigkeit pro Stufe ein­ mal den Apparat vorwärts und die Flüssigkeit außerhalb der Kammer zweimal rückwärts zum Sumpf. Die Stufengrenze wird bilanzmäßig vom Gas einmal vorwärts und von der Flüssigkeit einmal rückwärts durch­ schritten.

6. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Behälter eine Gasumlenksäule in Gestalt von gegen­ seitig stufenweise versetzten Halbkreiszylindern, geradanzahligen Kreissegmentzylindern oder geradanzahligen Rohren mit doppelter Stu­ fenlänge eingebaut ist. Die Hälfte der Zylinderanzahl endet jeweils am konzentrischen Staublech. Die andere Hälfte der Fortleitungs­ räume durchdringen das Staublech in der Weise, daß sie genau mittig mit gleicher Länge nach oben und unten herausragen. An den Enden be­ finden sich die oberen und unteren Staubleche. Diese Staubleche wer­ den nun ihrerseits von den benachbarten Zylindern durchdrungen. Die­ se Anordnung kann im Wechsel beliebig weitergeführt werden. Die Zylinderräume haben je eine Gaseintrittsöffnung von der Unter­ stufe und eine Gasaustrittsöffnung in die Oberstufe. Jedes Staublech ist mit einem Flüssigkeitszuführungskanal versehen.

7. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Gasumlenksäule die Gestalt von um ein Zentralrohr angeordnete Satellitenrohre hat. Wechselweise enden die Satelliten­ rohre oder das Zentralrohr in Sammelleiträumen,die vom oberen Stau­ blech begrenzt sind. Das untere Ende der Rohre hat seinen Abschluß jeweils am Staublech. Wechselweise durchdringen entweder die Satel­ litenrohre oder das Zentralrohr die Sammelleitkammern nebst Stau­ blech. Satellitenrohre wie Zentralrohr haben mit den Sammelleitkam­ mern die doppelte Stufenlänge. Je am Staublech sind die Gasein­ trittsöffnungen. Der Gasaustritt befindet sich jeweils am oberen Rohrende in die Sammelleitkammer einmündend. Von der Sammelleitkam­ mer strömt das Gas weiter in den Kontaktierungsmantelraum. Die Stau­ bleche sind mit Flüssigkeitszuführungskanälen versehen.

8. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umlenksäule aus um ein Zentralrohr angeordneten zwei umfassenden Ringräumen stufenweise versetzte Kammern besteht. Der äußere Ringraum und das Zentralrohr funktionieren als Fortlei­ tungsräume mit doppelter Stufenlänge, unten und oben durch Stau­ bleche abgeschlossen. Der mittlere Ringraum mit einer Stufenlänge dient zur Kontaktierung und hat ebenfalls Staublechabschlüsse. Er wird entweder vom inneren Zentralrohr oder vom äußeren Ringraum mit Gas beaufschlagt. Die Flüssigkeit gelangt über Kanäle von den Stau­ blechen in den mittleren Ringraum.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasumlenksäule als Halbkreisschalen einflutig oder in geradan­ zahligen Segmentzylindern mehrflutig mit doppelter Stufenlänge um den einstufig langen zentralen Austauschzylinder versetzt angeordnet sind. Die Staubleche des Innenzylinders liefern durch ihre Öffnungen am Rand die Flüssigkeit für den nächsten Stufenprozeß. Anstatt der Halbschalen oder Segmentzylinder können fertigungstechnisch gün­ stigere Rohrleitungen eingesetzt werden.

10. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß um eine Separationsstufensäule zwei Stufen lange Kon­ taktierungszylinder ein- oder mehrpaarig angeordnet sind. Die Kontaktierungsräume werden von der zwei Stufen vorher stattge­ funden Separation über Rohrleitungen mit Flüssigkeit beschickt. Das Gas wird vom Nachbarseparationsraum geliefert.

11. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1, 3 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle von Flüssigkeitskanälen an den Stau­ blechen von diesen Rohrleitungen zwei Stufen tiefer am Gaseinlauf der Satellitenrohre oder des Zentralrohres in Sprühdüsen enden.

12. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1, 3 und 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle von Flüssigkeitskanälen an den Stau­ blechen von diesen Rohrleitungen zwei Stufen tiefer am Gaseinlauf des Zentralrohres oder des äußeren Ringrohres in Sprühdüsen enden.

13. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß um ein einstufigen Zentralkontaktierungszylinder zwei Stufen lange Satellitenrohre versetzt angeordnet sind. Die Satelli­ tenrohre und der sie umgebene Mantelraum dienen als Fortleitungs­ räume. Statt der Flüssigkeitskanäle an den Staublechen, sind gegen­ läufige dynamische Scheitelwehre oder mitläufige eingesetzt.

14. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1, 3 und 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle dynamischer Scheitelwehre von diesen Rohrleitungen zwei Stufen tiefer am Gaseintritt der Satellitenrohre oder des Mantelraumes in Sprühdüsen enden.

15. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Zentralrohr und der den Satellitenkontaktierungs­ rohren umgebenem Mantelraum als Fortleitungsräume dienen. Die Satel­ litenrohre werden wechselweise aus dem Zentralrohr oder dem Mantel­ raum mit Gas beaufschlagt. Die benachbarten Satellitenrohre werden über dynamische Scheitelwehre mit Flüssigkeit von der vorhergehenden Stufe beschickt.

16. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1, 3 und 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle dynamischer Scheitelwehre von diesen Rohrleitungen ausgehen, die zwei Stufen tiefer am Gaseintritt des Zentralrohres oder des Mantelraumes in Sprühdüsen enden.

17. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine dreigeteilte Säule aus zwei äußeren Ringräumen und einem Zentralrohr besteht, bei der der mittlere Ringraum Kontak­ tierungsraum ist und der äußere mit dem inneren Raum der Gasleitung dienen. Die Flüssigkeit wird über kurze, mit dem Gashauptstrom sich kreuzende, Rohrleitungen zur nächst tieferen Stufe geleitet. Statt der kurzen Rohrleitungen, sind auch dynamische Scheitelwehre ein­ setzbar.

18. Vorrichtung in Apparaten nach Anspruch 1, 4 und 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle kurzer Rohrleitungen zur nächst tieferen Stufe, die Rohrleitungen zur übernächst tieferen Stufe im äußeren Ringraum in Sprühdüsen enden.

19. Apparat nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kon­ taktierungs- und Separationskammern neben- oder hintereinander ange­ ordnet sind. Die Flüssigkeit wird über Rohrleitungen von der vier Kammern zuvor stattgefundenen Separation der Kontaktierungskammer zu­ geführt. An den Kammerenden erzeugen Leitschaufeln oder Tangential­ ausströmungen Drehimpulse für die Separation. Nach der Separation nehmen gegenläufig wirkende Leitschaufeln den Drehimpuls der Gas­ hauptströmung wieder heraus.

20. Vorrichtung in Apparaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Stu­ fentrennung angrenzender Stufen mittels dynamischer Scheitelwehre erfolgt. Das gegenläufige dynamische Scheitelwehr besteht aus schrä­ gen Leitblechen, die oberhalb mit geringerer und unterhalb mit größerer Geschwindigkeit des Gases die einhüllende Flüssigkeit in der Schwebe halten. Die Geschwindigkeitsdifferenz der gegenläufigen Gasströme erzeugt einen Flüssigkeitsförderdruck in die untere Stufe. Die abfließende Flüssigkeitsmenge wird von der in der oberen Stufe stattgefundenen Separation ständig nachgeliefert, so daß eine stän­ dige Flüssigkeitsschicht als Pfropfen für die Abgrenzung beider Stu­ fen vorhanden bleibt. Bei gleicher Drallströmungsrichtung des Haupt­ gasstromes ober- und unterhalb der Stufengrenze haben die Leitbleche abgewinkelte Formen. Es wird mittläufiges dynamisches Scheitelwehr genannt.

21. Vorrichtung in Apparaten aller Ansprüche, gekennzeichnet da­ durch, daß an den Stellen des Flüssigkeitseinlaufes in den Kontak­ tierungsraum höher gespanntes Treibgas in Ejektordüsen die Flüssig­ keit ansaugt und im Hauptgasstrom versprüht.