DE19619406C1 - Teiler für Flüssigkeitsströme insbesondere für Destillationskolonnen - Google Patents

Description

Bei der fraktionierten Destillation über eine Trennkolonne, die mit Böden, Füllkörpern oder einer Packung ausgerüstet ist, leitet man einen Teil des im Kondensator gewonnenen Destillats bei Siedetemperatur wieder in die Kolonne zurück. Es wird somit erreicht, daß sich die höhersiedende Komponente des Dampfes im rücklaufenden Kondensat anreichert, wodurch sich eine bessere Trennwirkung bei konstanter Destillatkonzentration erreichen läßt. Um mit der Kolonne eine optimale Trennwirkung erzielen zu können, muß diese mit der richtigen Menge Rücklauf beaufschlagt werden.

Die Aufteilung des Kondensatstromes in Rücklauf und Destillat erfolgt in einem Rücklaufverteiler. Bei kontinuierlich arbeitenden Rektifikationskolonnen ändert sich die Zusammensetzung des zu trennenden Stoffgemisches kaum, so kann ein einmal ermitteltes Rücklaufverhältnis fest eingestellt bleiben. In der Technik realisiert man dies im allgemeinen durch den Einbau verschieden großer Auffangtassen, die sich im Kondensatorboden befinden und die Rücklaufmenge aus dem Kondensatstrom abtrennen.

Arbeitet eine Destillationskolonne im Chargenbetrieb, so besitzt sie zusätzlich eine Destillationsblase, in der sich zu Beginn der Destillation die Gesamtmenge des zu fraktionierenden Stoffgemisches befindet. Im Laufe der Destillation verändert sich nun aber die Zusammensetzung des Stoffgemisches durch die Entnahme des leich­ ter siedenden Bestandteils, so daß die Zusammensetzung der Dampfphase, welche die Kolonne durchströmt, sich ebenfalls verändert. Will man die Destillationsappara­ tur optimal bei konstanter Destillatkonzentration fahren, so muß auch das Rücklauf­ verhältnis den entsprechenden Destillationsbedingungen angepaßt werden. Dies macht einen aufwendigeren Rücklaufteiler nötig.

Labor- und Technikumsanlagen sind in der Regel mit einem elektromagnetischen Dreiwegeventil ausgestattet, welches über einen Zeittaktgeber angesteuert wird und ständig zwischen Rücklauf und Destillat hin und her schaltet.

In der Technik wird das Problem der Rücklaufverteilung häufig über Stauventile und Durchflußmesser gelöst. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß sich durch die Vielfalt der verschiedenen Produkte, die sich in ihrer Dichte und Viskosität zum Teil stark unterscheiden, keine zuverlässige Messung möglich ist. Zudem sind Rotameter auf ganz bestimmte Durchflußmengen geeicht. Gerade bei diskontinuierlichen Destil­ lationsanlagen schwanken aber die Mengenströme beträchtlich.

Eine andere Möglichkeit liegt im Sammeln der Flüssigkeitsströme in getrennten Behältern und gezieltem Zuführen über Dosierpumpen. Diese Technik ist ebenfalls sehr aufwendig.

Aus der US 2,676,602 ist weiterhin bekannt, den über ein Wehr ablaufenden Flüssigkeitsstrom mit Hilfe von zwei Schleusen, die gegen eine mittig angeordnete Trennwand bewegbar sind, zu unterteilen. Diese Lösung setzt eine Bewegungs­ mechanik für die Schleusentore voraus und hat ferner den Nachteil, daß die Unterteilung zwischen den Strömen durch Stau und Wirbelbildung gestört und damit wenig genau ist.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Teiler für Flüs­ sigkeitsströme, wie z. B. dem Rücklauf von Destillationskolonnen, der sehr einfach und kostengünstig aufgebaut und zu betreiben ist, und der im wesentlichen ohne bewegte Teile auskommt, so daß er auch im Vakuum einsetzbar ist, ohne aufwen­ dige Abdichtungen zu bedingen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Teiler für Flüssigkeitsströme, insbe­ sondere zur Rücklaufteilung für Destillationskolonnen zur Einstellung eines gewünschten Rücklaufverhältnisses zwischen abgeleitetem und in die Kolonne rück­ geführtem Destillat. Er besteht aus einem Verteilergehäuse mit Kondensateinlauf sowie einem Destillatablauf und einem Kolonnenrücklauf erfindungsgemäß dadurch, daß das Verteilergehäuse in drei durch zwei Wehre voneinander getrennte, nachein­ ander flutbare Wannen unterteilt ist und der Kondensateinlauf an die erste Wanne und an die dritte Wanne der Kolonnenrücklauf angeschlossen ist. Die zweite Wanne ist durch Querbleche in separate Kammern unterteilt, die je eigene an den Destillat­ ablauf angeschlossene Teilabläufe besitzen, wobei die Teilabläufe mit separaten Absperrmitteln versehen sind und die dritte Wanne über ein eigenes Wehr mit der zweiten Wanne verbunden ist.

Eine solche Konstruktion ist sehr einfach aufgebaut, verlangt keine rotierenden Teile wie z. B. Verstellwellen sondern lediglich Ventile und ist somit auch ohne Abdich­ tungsprobleme in Vakuumanlagen zu integrieren. Die Funktion des Teilers ist dabei folgende.

In einem Verteilergehäuse befinden sich Staubleche, wodurch drei Kammern entste­ hen. In das erste Becken, die Kondensatkammer, mündet der Kondensateinlauf.

Das zweite Becken ist durch Querbleche in Destillatkammern mit je einem Ablauf, welche mit Ventilen versehen sind, eingeteilt. Im Anschluß an die Destillatkammern befindet sich die Rücklaufkammer.

Sind alle vier Ventile geschlossen, so läuft die vom Kondensator kommende Flüssig­ keit über das Staublech in die Destillatkammern und von dort über das Rücklauf­ blech in die Rücklaufkammer. Von dort fließt es in die Kolonne zurück. Wird nun ein oder mehrere Ventile geöffnet, so läuft die Flüssigkeit aus der oder den betreffenden Destillatkammern ab. Sie kann nicht mehr in die Rücklaufkammer gelangen. Der Kondensatstrom wird so in Destillat und Rücklauf geteilt.

Verantwortlich für das Verteilverhältnis ist dabei lediglich die angeströmte Länge der einzelnen Destillatkammern.

Der Teiler benötigt somit keine zum Verstopfen neigende Staudüsen, die Ventile können in einfacher Weise Handventile aber auch Magnet- oder pneumatische Ven­ tile sein.

Das Teilungsverhältnis der Flüssigkeitsströme hängt somit lediglich vom Abstand der Querbleche untereinander ab, die das erste Wehr (und somit auch die zweite Wanne) entsprechend unterteilen.

Um das Wehr wellenfrei anzuströmen, wird vorgeschlagen, zwischen dem Konden­ sateinlauf und dem ersten Wehr ein Schwallblech anzuordnen, das den das Wehr erreichenden Flüssigkeitsstrom glättet.

Um weiterhin einen möglichst genauen Einlauf in die einzelnen Kammern zu erzie­ len, schlägt die Erfindung vor, die Oberkante des ersten Wehres mit einer Zahnung zu versehen, die auf zuverlässige Weise die gewünschte, durch die Querbleche beabsichtigte Teilung aufrecht erhält, wobei die Zahnung parallele, senkrecht zum Wehr ausgerichtete Strömungsvektoren erzeugt.

Vorzugsweise ist die zweite Wanne in vier Destillatkammern unterteilt, wobei die Querbleche das erste Wehr in einem Längenverhältnis von 1 : 2 : 2 : 5 unterteilen. Auf diese Weise kann in Zehnerschritten von 0,10, 20 etc., bis 100% das gewünschte Rücklaufverhältnis durch entsprechendes Öffnen oder Schließen der Kammerventile eingestellt werden, da sich aus den Zahlen 1, 2, 2 und 5 durch Kombination jede Zahl zwischen 1 und 10 darstellen läßt.

In besonders eleganter Weise sind die Wehre und damit auch die Wannen ringför­ mig geschlossen, um eine platzsparende Konstruktion zu erhalten.

Der Kondensateinlauf kann dabei in die äußere Ringkammer erfolgen, vorgezogen wird jedoch ein zentraler Zulauf, z. B. um in der äußeren Wanne eine Kreisströmung zu vermeiden.

Letztlich wird vorgeschlagen, die Wehre unterschiedlich hoch auszulegen, d. h. die Flüssigkeit kaskadenförmig zu führen, wodurch eine Rückströmung vermieden wird.

Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen rechteckigen Flüssigkeitsteiler,

Fig. 2 diesen in Längs- und

Fig. 3 im Querschnitt,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen runden Flüssigkeitsteiler,

Fig. 5 diesen im Querschnitt und

Fig. 6 dessen räumliche Darstellung.

In Fig. 1 ist das Verteilergehäuse 1 für eine Destillationskolonne gezeigt, das einen oberen umlaufenden Flansch 16 mit Bohrungen 17 zur Befestigung eines Deckels (Fig. 2) besitzt. Das Gehäuse 1 weist drei Wannen 9, 10, 11 auf, die untereinander durch zwei Wehre 4, 5 getrennt sind. Die mittlere Wanne 10 ist durch Querbleche 6 in vier separate Destillatkammern 18, 19, 20 und 21 unterteilt, die je eigene Teilab­ läufe 12, 13, 14 und 15 besitzen.

Der Wanne 9 ist ein Kondensateinlauf 2 zugeordnet, der die erste ungeteilte Wanne 9 flutet, wonach die Flüssigkeit über das Wehr 4 in die in die Kammern 18, 19, 20, 21 unterteilte zweite Wanne gelangt, so daß der durch den Einlauf 2 ankommende Destillatstrom im Verhältnis des Abstandes der Querbleche 6 unterteilt wird. Die Teilung in Bezug auf die Wannenlänge ist dabei vorzugsweise derart gewählt, daß eine Kammer 21 10% der Wannenlänge besitzt, zwei 19 und 20 eine solche von 20% und eine 18 eine solche von 50%. Schließt man beispielsweise die Teilabläufe 12 bis 14, so werden die Kammern 18,19 und 20 überflutet und deren Teilströme gelangen vollständig in die dritte Wanne 11 und treten über den Kolonnenrücklauf 8 aus, wohingegen über den Teilablauf 15 10% des Flüssigkeitsstromes in den unter dem Verteilergehäuse 1 liegenden Destillatablauf gelangen. Öffnet man zusätzlich den Teilablauf 14, der Kammer 20, so sind dies 30%, so daß durch entsprechende Kombination der Rücklauf durch einfaches Öffnen und Schließen von Ventilen in 10%-Schritten von 0 bis 100% eingestellt werden kann.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die mittlere Wanne 10 des Verteilergehäuses 1 mit dem umlaufenden Flansch 16 und einem Deckel 22. Es sind die in dem gewählten Verhältnis unterteilten Kammern 18 bis 21 erkennbar, die jeweils boden­ seitige Teilabläufe 12 bis 15 aufweisen, die zum Destillatablauf 7 zusammengefaßt werden.

Der Kondensateinlauf 2 kann, wie dargestellt, kopfseitig angeordnet sein. Weiterhin ist das höhere, in Strömungsrichtung gesehen erste Wehr 4 erkennbar und das tie­ fere, zweite Wehr 5 angedeutet.

Fig. 3 zeigt dies im Querschnitt, mit dem Gehäuse 1 und seinem Deckel 22, in dem der Kondensateinlauf 2 angeordnet ist. Vor dem ersten Wehr 4, daß das zweite Wehr 5 überragt, hängt vom Deckel 22 ein Schwallblech 3 ab, das die Strömung zum Wehr 4 hin glättet und wellenfrei hält. Unter den Wannen 10 und 11 befinden sich die Teilabläufe 12, 13, 14, unter der Wanne 11 der Kolonnenrücklauf und unter der Wanne 9 eine Entleerungsleitung 23.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht eine Variante der Fig. 1, wobei das Verteilergehäuse 1 kreisrund ausgebildet ist. Der Flansch 16 mit seinen Bohrungen 17 umgibt die ring­ förmige äußere Wanne 11, zwei konzentrische Wehre 5 und 4 umfassen die mittlere Wanne 10, die durch radial stehende Querbleche 6 unterteilt ist. Die mittlere kreis­ förmige Wanne 9 dient dem Zufluß, aus diesem gelangt das Destillat über die Zah­ nung 24 des Wehres 4 in die Kammern der mittleren Wanne 10.

Unterhalb des Gehäuses 1 befindet sich ein Montageteller 25, der das Verteilerge­ häuse 1 trägt und an den der Kolonnenrücklauf 8 angeschlossen sein kann, so daß der Ablauf seitlich erfolgt.

In Fig. 5 befindet sich der Deckel 22 auf dem Flansch 16. Auch das Schwallblech 3 ist ringförmig geschlossen und an den Deckel 22 angeschweißt. Der Kondensatein­ lauf 2 liegt oben. Das innere Wehr 4 ist höher als das nachfolgende 5.

In der räumlichen Darstellung der Fig. 6 ist gezeigt, daß die Zahnung 24 des ersten Wehres 4 relativ grob sein kann, wobei der Zahngrund, um eine Rückflutung zu ver­ hindern höher liegt, als der obere Rand des zweiten Wehres 5.

Der Flansch 16 trägt den Deckel 22. Für Arbeiten unter Vakuum sind diese groß dimensioniert und weisen für die Verschraubung und Dichtung einen geringen Lochabstand auf. Der Kolonnenrücklauf 8 ist seitlich angeschlossen.

Bezugszeichenliste

1 Verteilergehäuse
2 Kondensateinlauf
3 Schwallblech
4 Wehr
5 Wehr
6 Querbleche
7 Destillatablauf
8 Kolonnenrücklauf
9 Wanne
10 Wanne
11 Wanne
12 Teilablauf
13 Teilablauf
14 Teilablauf
15 Teilablauf
16 Flansch
17 Bohrungen
18 Kammer
19 Kammer
20 Kammer
21 Kammer
22 Deckel
23 Entleerungsleitung
24 Zahnung
25 Montageteller

Claims (7)

1. Teiler für Flüssigkeitsströme, insbesondere zur Rücklaufteilung für Destillations­ kolonnen zur Einstellung eines gewünschten Rücklaufverhältnisses zwischen abgeleitetem und in die Kolonne rückgeführtem Destillat bestehend aus einem Verteilergehäuse (1) mit Kondensateinlauf (2) sowie einem Destillatablauf (7) und einem Kolonnenrücklauf (8) gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale

• a) das Verteilergehäuse (1) ist in drei durch zwei Wehre (4, 5) voneinander getrennte, nacheinander flutbare Wannen (9, 10, 11) unterteilt, wobei
• b) der Kondensateinlauf (2) an die erste Wanne (9) und an die dritte Wanne (11) der Kolonnenrücklauf angeschlossen ist,
• c) die zweite Wanne (10) durch Querbleche (6) in separate Kammern (18, 19, 20, 21) unterteilt ist, die je eigene an den Destillatablauf (7) angeschlossene Teilab­ läufe (12, 13, 14, 15) besitzen und wobei
• d) die Teilabläufe (12, 13, 14, 15) mit separaten Absperrmitteln versehen sind und
• e) die dritte Wanne (11) über ein eigenes Wehr (5) mit der zweiten Wanne (10) verbunden ist.

2. Rücklaufteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensateinlauf (2) und dem ersten Wehr (4) ein Schwallblech (3) angeordnet ist.

3. Rücklaufteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wehre (4, 5) an ihren Oberkanten mit einer Zahnung (24) zur Strömungsvergleichmäßi­ gung versehen sind.

4. Rücklaufteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wanne (10) in vier Destillatkammern (18-21) unterteilt ist deren der ersten Wanne zugekehrten Wehrabschnitte untereinander ein Längenverhältnis von 1 : 2 : 2 : 5 aufweisen.

5. Rücklaufteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannen (9-11) bzw. deren Wehre (4, 5) ringförmig geschlossen sind.

6. Rücklaufteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensat­ einlauf (2) an die zentrale Wanne (9) angeschlossen ist.

7. Rücklaufteiler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wehre (4, 5) unterschiedlich hoch sind.