DE1961426B2 - Einbauelement für Stoffaustauschkolonnen und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Einbauelement für Stoffaustauschkolonnen mit senkrecht stehendem zylindrischem Kolonnenbehälter, in denen ein Stoffaus-

tausch zwischen einer herabrieselnden Flüssigkeit und einem aufsteigenden Gasstrom stattfindet, das die Form eines doppelten Kegelstumpfes hat Als Stoffaustauschkolonnen kommen z. B. Waschtürme, Rektifizierkolonnen u. dgL in Betracht

Zur Absorption verschiedener Komponenten aus Gasen mittels Flüssigkeiten verwendet man Waschtürme mit den verschiedensten Vorrichtungen zur Erzielung einer dem Stoffübergang gemäßen Oberfläche. Üblich sind entweder Bodenwascher verschiedenster

Typen, weiterhin Füllkörperwascher. bei denen Füllkörper unterschiedlicher Form verwendet werden, und Wascher ohne Einbauten, bei denen eine große Oberfläche durch Versprühen der Waschflüssigkeit in feinste Tröpfchen erreicht wird. Sehr oft wird vom Verfahren

her ein sehr niedriger Druckverlust der Waschkolonne gefordert Dies ist meistens dann der Fall, wenn sehr große Gasmengen bei atmosphärischem Druck gewaschen werden. Ms Beispiel sei die Auswaschung von Benzol oder Ammoniak aus Koksofengasen genannt.

Fordert man einen geringen Druckverlust bei großer Gasmenge, so ergeben sich bei zulässiger Gasgeschwindigkeit recht große Apparate-Durchmesser. Dies wirkt sich außerordentlich ungünstig auf die Flüssigkeitsbeaufschlagung (m³ Flüssigkeit / m² Wascher-

querschnitt) aus. Es besteht dann die Gefahr der nicht vollständigen Benetzung der Füllkörper. In der Regel versucht man, das Problem dadurch zu lösen, daß man den Wascher in verschiedene Stufen einteilt und die Flüssigkeit innerhalb dieser Stufen umwälzt. Diese

Maßnahme ergibt aber einen sehr hohen Verbrauch an elektrischer Energie.

Die Versprühung sehr kleiner Flüssigkeitsmengen bereitet ebenfalls Schwierigkeiten, so daß man auch Sprühtürme für den vorher beschriebenen Fall als Stu-

fenwascher betreibt, um genügend Flüssigkeit für den

großen Wascherquerschnitt zur Verfügung zu haben.

Auch hier ist der Verbrauch an elektrischer Energie

hoch.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen

Einbau für Stoffaustauschkolonnen zu schaffen, bei dem neben einem geringen Energiebedarf für das Hochpumpen der Flüssigkeit und einem mäßigen Druckabfali des Gases innerhalb der Kolonne ein hinreichender Stoffaustausch erreicht wird.

Gemäß der Erfindung besteht das Einbauelement für Stoffaustauschkolonnen aus einer Gruppe an eine waagerechte Kreisscheibe nach unten sich anschließender, durch Zwischenstücke im senkrechten Abstand voneinander gehaltene Ringe, deren Durchmesser von der Kreisscheibe beginnend zunächst stetig zunimmt, bis zu einem größten Ring, der mit der Innenwand des Kolonnenbehälters einen gasdichten Abschluß bildet, während bei den nach unten folgenden Ringer der Durchmesser stetig abnimmt. Die Breite der Ringe ist dabei so bemessen, daß bei mäßiger Geschwindigkeit des aufsteigenden Gases die Flüssigkeit, die vom Außenrand der oberhalb des größten Ringes liegenden Ringe und vom Innenrand der unterhalb des größten

Binges liegenden Ringe abtropft, auf einen darunterliegenden Ring fällt Insbesondere kann die Breitenbeniessung der Ringe derart sein, daß die abtropfende Flüssigkeit auf den unmittelbar darunterliegenden Ring fällt Der Durchmesser des untersten Ringes jeder Einbaugruppe ist zweckmäßig gleich ι der annähernd gjeich dem Durchmesser der oberen Kreisscheibe. Die Mittelpunkte der oberen Scheibe und der Ringe liegen vorzugsweise auf der Achse des Kolonnenbehälters. Der Querschnitt des Zylinders und der oberen Scheibe des Einbaus und der Ringe kann statt eines Kreises die Gestalt ekes Polygons haben.

Der neue Einbau hat die Wirkung, daß das Gas, welches von unten aufsteigt, jeweils aus dem äußeren an der Behälterwand Kegenden Raum durch die Spalte tritt, die zwischen den Ringen der unteren Hälfte verbleiben und in denen die FlQssigkeit herabtropft, um dann aus dem Innern des Einbaus durch die Spalten wieder nach außen zu treten, die zwischen den oberen Ringen verbleiben und durch die ebenfalls Flüssigkeit hindurchtropft Wenn also für eine genügende Berieselung des Einbaus gesorgt ist, so muß das aufsteigende Gas — wenn es mit mäßiger Geschwindigkeit strömt — bei jedem Einbau zunächst in der unteren Hälfte und dann in der oberen Hälfte durch einen Flüssigkeits- »5 schleier treten.

Wird die Gasgeschwindigkeit erhöht, so wird der Flüssigkeitsschleier aufgerissen, und es bilden sich bei einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit feinste Tröpfchen, die eine für den Stoffaustausch große Oberfläche darstellen. Es wurde beispielsweise gefunden, daß die Auflösung des Flüssigkeitsschleiers bei einer Niederdruck-Apparatur und Berieselung mit Wasser bei einer Gasgeschwindigkeit von 1,8 m/s im Schlitz zwischen den Ringen liegt Versuchsdurchführung mit Flüssigkeiten verschiedener Zähigkeit oder verschiedenen Viskositätsgrades ergab verschiedene kritische Geschwindigkeiten — so Findet man bei der Verwendung von niederviskosem Waschöl eine kritische Geschwindigkeit von etwa 2 m/s.

Wird die Geschwindigkeit weiter erhöht, so ergibt sich eine steigende Versprühung des Flüssigkeitsschleiers bis zu einer maximalen katischen Geschwindigkeit, bei der die kinetische Energie der Tröpfchen so groß ist, daß sie entweder im Unterteil d r Austausch vorrichtung zu stark aufeinanderprallen oder im oberen Teil an die Wand geschleudert werden und damit nicht mehr wirksam wären. Für die Verwendung von Wasser wurde diese obere kritische Geschwindigkeit bei 4,5 m/s gefunden, während bei niederviskosem Waschöl 5" diese Geschwindigkeit bei etwa 5 m/s erreicht wird. Je nachdem, welche Flüssigkeit verwendet wird und wie hoch die Flüssigkeitsbeaufschlagung der Kolonne ist, kann ein Arbeitsbereich zwischen t,8 und 6 m/s eingesetzt werden. Vorzugsweise wird man aus Gründen des erwünschten niedrigen Druckverlusies aber zwischen und 3 m/s arbeiten.

Es bildet den Gegenstand der weiteren Erfindung, das Einbauelement zum Stoffaustausch bei einer Gasgeschwindigkeit zu benutzen, die eine Aufteilung der herabrieselnden Flüssigkeit in feinste Tröpfchen ergibt; hierzu sind Gasgeschwindigkeiten zwischen 1,8 und 6 m/s geeignet.

Ein Einbau gemäß der Erfindung läßt sich mit den heutigen Fertigungsverfahren leicht aus Kreisscheiben herstellen, indem von einer Scheibe mit einem bestimmten Radius beginnend vom Außenrand ein Ring nach dem anderen abgeschnitten wird, was z. B. durch eine rundgeführte Schweißeinrichtung erfolgen kann.

Als Abstandhalter für die einzelnen Ringe können innerhalb der Ringe liegende, treppsnförmig gestaltete Bänder dienen: Die Setzstufen bestimmen den Mittenabstand der übereinanderliegenden Ringe, die obersee Trittstufe ist mit einer Verstelleinrichtung an der Kreisscheibe, die übrigen Trittstufen sind an je einem Ring befestigt Es werden vorzugsweise sechs oder mehr derartige Abstandhalter über den Umfang des Einbaus verteilt um ein genügend stabiles Gefüge zu erhalten.

Auf den anliegenden Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel dargestellt Es zeigt

F i g. 1 die Ansicht eines Waschturmes, in dem eine größere Anzahl von Einheiten des neuen Einbaus Verwendung finden,

F i g. 2 in größerem Maßstab einen einzelnen derartigen Einbau,

F i g. 3 in einem senkrechten Teilschnitt einen trep-

penförmigen Abstandhalter.

Mit 10 ist der obere, mit 11 der untere Teil der Einbauten bezeichnet die mittels einer umlaufenden Dichtung 12 an der Innenwand 13 des Waschers abgedichtet sind. Mit 15 ist der Gaseintritt mit 16 der Gasaustritt bezeichnet 17 ist die Zufuhr der Waschflüssigkeit die sich im Sumpf des Waschers sammelt und mittels eines Überlaufs 18 abgeführt wird.

Der einzelne Einbau besteht aus einer oberen waagerechten Kreisscheibe 19 und einer Reihe von oberen Ringen 20 im Oberteil 10 und einer Reihe von unteren Ringen 21 im Unterteil 11. Die Breite der einzelnen Ringe 20 und 21 ist derart daß sie ineinandergelegt eine volle Kreisscheibe ergeben wurden. Mit 22 sind Reihen von Zwischengliedern bezeichnet mittels deren die Ringe aneinander befestigt sind und ein genau gleicher Abstand zwischen ihnen aufrechterhalten wird. Der mittlere größte Ring 23 ist gasdicht mit der Wand 13 des Waschturmes verbunden. Mit 14 sind über den Umfang des Waschermantels verteilte Stützen bezeichnet, auf denen die Ringe 23 ruhen. Die Stützen 14 sind höhenverstellbar, um eine genau waagerechte Lage aller Einbauelemente sicherzustellen.

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt einer besonders einfachen Bauart, um die einzelnen Ringe in genau gleichem Abstand zusammenzuhalten. Es ist ein treppenförmiges Band, dessen Trittstufe 24 auf dem Ring 20 bzw. 21 aufliegt, während die Seizstufe 25 als Abstandhalter und Verbindungsglied wirkt

In F i g. 2 ist der Berieselungsvorgang angedeutet. Die aus der Zuleitung 17 auf die Scheibe 19 des obersten Einbaus gelangende Flüssigkeit oder diejenige Flüssigkeit, die von einem Einbau auf die Scheibe des nächstfolgenden Einbaus gelangt fließt am Rand der Scheibe über, wobei sie einen verhältnismäßig dünnen Schleier bildet und teilweise zerstäubt Der gleiche Vorgang spielt sich auf der Außenseite der nächstfolgenden Ringe 20 ab, bis die Flüssigkeit auf dem größten Ring 23 angekommen ist. Von dessen Innenrand fällt sie nunmehr auf die Ringe 21 des unteren Einbauteiles 11 und bildet hier die g'eichen Schleier an den Innenrändern der Ringe. Von dem untersten Ring gelangt die Flüssigkeit auf die Scheibe 19 des nächsten Einbaus.

Das Gas, dessen Strömung durch die Pfeile 26 angedeutet ist, befindet sich unterhalb jedes größten Ringes 23 außerhalb der Einbauten und tritt zwischen den Ringen 21 hindurch, um in das Innere eines Einbaus zu gelangen. Es verläßt diesen wieder, wobei es die Flüssigkeitsschleier passieren muß, die sich an den Außen-

rändern der Ringe 20 des oberen Waschteiles 10 befinden.

Findet das neue Einbauelement bei Stoffaustauschkolonnen, z. B. bei einem Waschturm, mit größerem Durchmesser Anwendung, so kann in ein Einbauelement, bei dem der größte Ring mit der Innenwand des Turmes einen gasdichten Abschluß bildet, mittig ein weiteres Element eingesetzt werden, bei dem der größte Ring erheblich kleiner ist. In diesem Fall dringt also das Gas, welches in der Nähe der Mantelfläche des Waschturmes aufwärts strömt, zunächst durch die unteren Ringe des größeren Einbauelementes und kann alsdann in die Schlitze zwischen den unteren Ringen des inneren kleineren Elementes in dessen Innenraum dringen, um dann zunächst zwischen den oberen Ringen des kleineren Einbauelementes und alsdann zwischen den oberen Ringen des größeren Elementes in den in der Nähe des Waschermantels liegenden Raum zu gelangen. Hierbei kann man die waagerechte Ringfläche, welche zwischen dem größten Ring des äußeren und dem größten Ring des inneren Einbauelementes liegt, für den Gasdurchgang mehr oder weniger absperren.

Wesentlich für die Wirkungsweise des Einbaus ist der Abstand der Ringe. Dieser Abstand und die Geschwindigkeit des Gases bestimmen die Art der Aufteilung der herabrieselnden Flüssigkeit und die Wirksamkeit des Stoffaustausches. Die kinetische Energie des Gases fördert die Durchmischung von Gas und Wasch-

S flüssigkeit.

Es ist mit dem neuen Einbau möglich, auf verhältnismäßig kleinem Raum eine Gasaustauschfläche zu schaffen, wobei im Falle der Verwendung in einem Waschturm als einziger Energieaufwand das Hoch-

to pumpen der Flüssigkeit auf den obersten Einbau erforderlich ist

Das neue Einbauelement kann auch den Boden einer Rektifizierkolonne ersetzen; dabei bestimmen die Wärmeeinwirkung auf das Destillat die Gas- bzw. Dampf-

is geschwindigkeit, die Kühlwirkung eines Kühlers die Menge der herabrieselnden Flüssigkeit, und diese Größen müssen mit dem Abstand der Ringe abgestimmt werden. Auch in einen unmittelbaren Wärmeaustauscher zwi sehen einem Gas und einer Flüssigkeit läßt sich das neue Einbauelement verwenden, auch in solchen Apparaturen, wo sowohl ein Wärmeaustausch als auch ein Stoffaustausch stattfindet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

v.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einbauelement für Stoffaustauschkolonnen mit senkrecht stehendem zylindrischem Kolonnenbefcälter, in denen ein Stoffaustausch zwischen einer herabrieselnden Flüssigkeit und einem aufsteigenden Gasstrom stattfindet, das die Form eines doppelten Kegelstumpfes hat, gekennzeichnet durch eine Gruppe an eine waagerechte Kreisscheibe (19) nach unten sich anschließender, durch Zwischenstücke im senkrechten Abstand voneinander gehaltener Ringe (20), deren Durchmesser von der Kreisscheibe (19) beginnend stetig zunimmt bis zu einem größten Ring (23), der mit der Innenwand des Kolonnenbehälters einen gasdichten Abschluß bildet, während bei den nach unten folgenden Ringen (21) der Durchmesser stetig abnimmt, wobei die Breite der Ringe so bemessen ist, daß die Flüssigkeit die vom Außenrand der oberhalb des größten Ringes (23) liegenden Ringe (20) und vom Innenrand der unterhalb des größten Ringes (23) liegenden Ringe (21) abtropft, auf einen darunterliegenden Ring fällt

2. Einbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Breite der Ringe (20, 21), daß die abtropfende Flüssigkeit auf einen unmittelbar darunterliegenden Ring fällt

3. Einbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Durchmesser des untersten Ringes jeder Gruppe dem Durchmesser der oberen Kreisscheibe (19) gleich oder annähernd gleich ist.

4. Einbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der oberen Kreisscheibe (19) und der Ringe (20,21) auf der Achse des Kolonnenbehälters liegen.

5. Einbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß bei polygonalem Querschnitt des Kolonnenbehälters die Kreisscheibe (19) und die Ringe (20, 21 23) zu einem Polygon abgeändert sind.

6. Einbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Ringe (20,21,23) Ausschnitte aus einer Scheibe darstellen, deren Umfang dem des größten Ringes (23) entspricht.

7. Einbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß als Zwischenstücke innerhalb der Ringe liegende, treppenförmig gestaltete Bänder vorgesehen sind, deren Setzstufen (25) den Mittenabstand der übereinanderliegenden Ringe bestimmen, während die oberste Trittstufe an der Kreisscheibe (19), die übrigen Trittstufen (24) an je einem Ring befestigt sind.

8. Einbauclement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß bei großem Durchmesser des Kolonnenbehälters eine weitere Gruppe von Scheiben und Ringen, deren größter Ring erheblich kleiner ist als der des Einbauelementsi, mittig in das Einbauelement eingesetzt ist

9. Verfahren zum Betrieb einer Stoffaustauschkolonne mit Einbauelementen gemäß einem der vorhergehendein Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit zwischen 1,8 und 6 m/s liegt so daß der sich zwischen den einzelnen Ringen der Einbauelemente bildende Flüssigkeitsschleier in feinste Tröpfchen aufgerissen wird.