DE19701045C2 - Strukturierte Mehrzweckpackung - Google Patents

Abstract

Strukturierte Mehrzweckpackung mit Stofftrennungselementen und Zweitfunktionalitätselementen, wobei die Stofftrennungselemente aus strukturierten Gewebebahnen bzw. Blechen gebildet sind. Die Zweitfunktionalitätselemente weisen jeweils abgeschlossene und hinreichend kleine Kammern auf, die mit physikalisch, chemisch oder biologisch wirksamem Füllmaterial gefüllt sind. Die Wände der Kammern sind für das Füllmaterial undurchlässig und für mindestens ein Fluidmedium im Prozeß durchlässig. Die Stofftrennungselemente und die Zweitfunktionalitätselemente sind in Lagen alternierend so angeordnet, daß Lagen unterschiedlicher Funktionalität verschieden zusammengestellt und austauschbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine strukturierte Mehrzweckpackung mit Stofftrennungselementen und Zweitfunktionalitätselementen.

In der verfahrenstechnischen Industrie und im Umweltschutz kann es von Vorteil sein, physikali­ sche Transportvorgänge, z. B. die Stofftrennung durch Destillation, Rektifikation oder Absorpti­ on, mit chemischen, biologischen oder anderen physikalischen Vorgängen wie der reaktiven bzw. bakteriellen Umwandlung, Adsorption etc. als Zweitfunktionalität simultan in einer Prozeßein­ heit durchzuführen. Je nach betrachtetem Stoffsystem und speziellen Prozeßanforderungen sollte es dabei möglich sein, einerseits die Kontaktflächen zwischen den unterschiedlichen fluiden Pha­ sen als entscheidende Einflußgröße für den Stoffaustausch, andererseits die Verweilzeiten sowie die aktiven Oberflächen als Einflußgrößen der Zweitfunktionalität in unterschiedlicher Weise zu variieren, um den Prozeß in möglichst optimaler Weise durchführen zu können. Um dies zu rea­ lisieren, benötigt man auf das Einsatzziel zugeschnittene Einbauten mit Mehrzweckeignung, d. h. mindestens zweifacher Funktionalität und hoher Flexibilität.

Für bestimmte heterogen katalysierte Reaktionen in Flüssigphasen werden sogenannte Katalysie­ rende Festbettreaktoren eingesetzt. EP 0 396 650 bzw. EP 0 631 813 A1 zeigen derartige Vorrich­ tungen, die stapelartig angeordnete Packungselemente aufweisen, die jeweils aus längs der Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Lagen zusammengesetzt sind. Die Innenräume der Pac­ kungsteile werden durch parallele Kanäle gebildet, die in Form einer reliefartigen Profilierung der Wände vorliegen. Im letzteren (EP 0 631 813 A1) berühren sich im Innenbereich des Packungs­ teils die Wände punktuell und sind teilweise durch Punktschweißung oder Nieten verbunden. In beiden Fällen ist das Innere der verbundenen Lagen so ausgestaltet, daß die Befüllung der gesam­ ten Zwischenräume mit Katalysatormaterial durch Aufgabe des Materials an der Packungsober­ seite, d. h. von einem einzigen Füllpunkt erfolgen kann. Die Packungselemente der Katalysierenden Festbettreaktoren eignen sich auch für einen katalytischen Destillationsprozeß (Rektifikation), insbesondere dann, wenn sie in einer Kolonnen gemeinsam mit sogenannten strukturieren Packungen eingesetzt werden, die der reinen Stofftrennung dienen.

In der Entgegenhaltungen EP 640 385 werden Packungen beschrieben, die ebenfalls aus Stofftrennungselementen (Siehe insbesondere Fig. 4a, 4b und 5, Bezugsziffern 41 und 42) und Zweitfunktionalitätselementen (Siehe insbesondere Fig. 4a, 4b und 5, Bezugsziffern 1) bestehen. Die Zweitfunktionalitätselemente bestehen dabei wie beim vorliegenden Anmeldungsgegenstand aus geschlossenen Kammern, die mit katalytischen oder adsorbierenden Materialien gefüllt sind. (Siehe insbesondere Fig. 2, Bezugsziffern 1 und 3 in (1)) In der EP 665 041 wird eine Packung für die katalytische Destillation beschrieben, bei der die Bauteile mit der Bezugsziffer 16 als Stofftrennungselemente und die Bauteile mit der Bezugsziffer 10 und 12 als in abgeschlossene Kammern aufgeteilte und mit Katalysatormaterial gefüllte Zweitfunktionalitätselemente anzusehen sind. (Siehe Fig. 1, 6 und 7).

Nachteil der bekannten Vorrichtungen ist ihre begrenzte Eignung für die physikalische Stofftrennung, sowie ihre mangelnde Mehrzweckeignung und Flexibilität. Die bekannten Fest­ bettreaktoren sind in der Lage, chemische Reaktionen zu katalysieren, ihre Trennwirkung ist al­ lerdings begrenzt. Die zur Stofftrennung notwendigen Kontaktflächen sind gering. Zudem ist es nicht möglich, einerseits die Reaktivzonen, andererseits die Kontaktflächen im Hinblick auf die speziellen Erfordernisse der betrachteten Stoffsysteme in optimierender Weise zu variieren. Die bekannten Vorrichtungen lassen sich daher in ihrer bisherigen Form nicht als Mehrzweck­ packungen im obigen Sinne bezeichnen.

Darüber hinaus müssen die bisherigen Vorrichtungen nach ihrem erstmaligen Einsatz ständig berieselt und feuchtgehalten werden, wodurch der operative Aufwand für den Einsatz der Pac­ kungselemente des Katalysierenden Festbettreaktors steigt. Ein wiederholtes Trocknen muß vermieden werden, da das Katalysatormaterial (z. B. Ionenaustauscherharze) beim Befeuchten aufquillt und beim Trocknen schrumpft. Als Folge kommt es zur Ansammlung der Katalysator­ partikel im untersten Packungsbereich, da alle Bereiche eines katalysierenden Segments durch­ gehend miteinander verbunden sind. Beim erneuten Befeuchten und Quellen führt dies zu einer unerwünschten Aufweitung des unteren Packungsteils. Dies kann zu erheblichen Schwierigkei­ ten beim Ausbau und erneuten Einbau der Packung führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine strukturierte Mehrzweckpackung zu schaffen, die eine problemorientierte Anpassung ihrer Stofftrennungsfähigkeiten sowie der Wirksamkeit der che­ mischen, biologischen oder physikalischen Zweitfunktionalität ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die strukturierte Mehrzweckpackung besteht aus sich alternierend abwechselnden Lagen von Stofftrennungselementen und Zweitfunktionselementen. Die Zusammenstellung der funk­ tionalen Teile erfolgt im Bausatzprinzip, so daß Lagen unterschiedlicher Funktionalität ver­ schieden zusammengestellt und einfach ausgetauscht werden können. Darüber hinaus ist es möglich, Anzahl und Volumen der Zweitfunktionalitätselemente sowie die Anzahl der Stoff­ trennungselemente je nach betrachteter Aufgabe zu variieren, wobei einerseits die Stofftren­ nungseigenschaften, andererseits die Wirksamkeit der Zweitfunktionalität auf die Notwendigkeiten des betrachteten Stoffsystems ausgerichtet werden können. Auf diese Weise wird eine sehr große Einsatzflexibilität der Mehrzweckpackung erreicht. Ihre Nutzbarkeit ist daher nicht auf bestimmte heterogen katalysierte Rektifikationssysteme beschränkt, sie eignet sich vielmehr auch für andere Simultankombinationen wie die reaktive Absorption, die Stoff­ trennung mit simultaner biologischer Umwandlung usw.

Die Kammerbauweise der Zweitfunktionalitätselemente erlaubt es, die Mehrzweckpackung zu trocknen, ohne daß es zu der beschriebenen Ansammlung des Füllmaterials im unteren Teil der Elemente kommen kann. Der operative Aufwand beim Einsatz der Mehrzweckpackungen wird so reduziert, ohne ihre Ein- bzw. Ausbauflexibilität zu mindern. Zudem wird eine Partikelansammlung und Aufweitung im unterer Packungsteil vermieden, um so ein zeitweiliges Trocknenlassen der Packung zu erleichtern und ihre Ein- bzw. Ausbauflexibilität zu erhöhen.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Mehrzweckpackung. Die Erfindung bezieht sich u. a. auch auf die Anwendung bei der soge­ nannten reaktiven Rektifikation, der reaktiven Absorption sowie der Adsorption, einschließlich der Adsorption in Biofilmen. Sie bezieht sich weiterhin auch auf Kombinationen unterschiedli­ cher physikalischer Stofftrennungsmechanismen, wie der Rektifikation, Absorption etc. als Erstfunktionalität, sowie z. B. der Adsorption oder Extraktion als Zweitfunktionalität.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b, c eine Draufsicht verschiedener Ausführungen der erfindungsgemäßen Mehr­ zweckpackung,

Fig. 2a, b ausschnittsweise eine Vorderansicht verschiedener Ausführungen des Zweit­ funktionalitätselements der erfindungsgemäßen Mehrzweckpackung mit abge­ schlossenen Kammern,

Fig. 3a, b ausschnittsweise eine Seitenansicht verschiedener Ausführungen des Zweitfunk­ tionalitätselements der erfindungsgemäßen Mehrzweckpackung mit abgeschlos­ senen Kammern,

Fig. 4a, b eine perspektivische Ansicht verschiedener Ausführungen der erfindungsgemä­ ßen Mehrzweckpackung mit Zweitfunktionalitätselementen und Stofftrennungs­ elementen,

Fig. 5a, b eine Vorderansicht verschiedener Ausführungen des Zweitfunktionalitätsele­ ments der erfindungsgemäßen Mehrzweckpackung mit zerlegten Wänden.

Die in Fig. 1a, b, c dargestellten Stofftrennungselemente 1 sowie die Zweitfunktionalitätselemen­ te 2 sind in Lagen alternierend angeordnet, vergl. Fig. 4. Anzahl und Volumen der Zweitfunk­ tionalitätselemente sowie die Anzahl der Stofftrennungselemente können je nach betrachteter Aufgabe variiert werden, beispielhaft dargestellt ist dies in den unterschiedlichen Ausführungen in Fig. 1a, b, c. Es können daher sowohl die Aufenthaltszeiten und wirksamen Oberflächen in den Zweitfunktionalitätselementen, als auch die Kontaktflächen in den Stofftrennungselemente auf das betrachtete Stoffsystem zugeschnitten werden. Bei der Montage können die Zweitfunktio­ nalitätselemente wie in Fig. 1c durch fluiddurchlässige Stabilisierungsbleche 10 verstärkt wer­ den, dies ist jedoch aus funktionalen Gründen nicht zwingend erforderlich, vergl. Fig. 1a, b.

In Fig. 2a, b ist eine Vorderansicht verschiedener Ausführungen eines Zweitfunktionalitätsele­ mentes zu erkennen. Signifikant für alle Ausführungen sind die vollständig abgeschlossenen, hinreichend kleinen Kammern 3, die beispielsweise mit katalytischem, adsorbierendem oder biologisch wirksamem Material gefüllt sind. Die Wände der Kammern sind einerseits fluid­ durchlässig, andererseits undurchlässig für das Füllmaterial. Wie in Fig. 2b können in einer ho­ rizontalen Lage mehrere Kammern 3 angeordnet werden, die in der nächst tieferen Lage alternierend versetzt werden können. Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 2a in jeder horizontalen Lage nur eine abgeschlossene Kammer anzuordnen.

Fig. 3a, b zeigt Seitenansichten eines Zweitfunktionalitätselementes mit abgeschlossenen Kam­ mern 3. Die Kammern entstehen, indem die Ober- und Unterseiten der Seitenwände 4a und 4b der Zweitfunktionalitätselemente sowohl an den Außenrändern 5 als auch in den Kammerzwi­ schenräumen 6 fest zusammengefügt werden, z. B. geschweißt oder genietet, so daß die Kam­ mern bezüglich des Füllmaterials dicht abgeschlossen sind. Es ist sinnvoll, einen geringen Freiraum zwischen den Zweitfunktionalitätselementen und den Rändern der Packung zu belas­ sen, um ein Umfließen der Zweitfunktionalitätselemente zu erleitern.

Fig. 4a, b zeigt eine perspektivische Ansicht eines Elementes der erfindungsgemäßen Mehr­ zweckpackung. Man erkennt die in Lagen alternierende Anordnung der unterschiedlichen Funktionsteile. Die Stofftrennungselemente 1, die funktional ausschließlich er Stofftrennung dienen, bestehen aus strukturierten Gewebebahnen bzw. Blechen 7 mit unterschiedlicher Profi­ lierung. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die Orientierung der Kanäle der Gewebebahnen al­ ternierend verändert. Es können verschiedenste Ausführungen von strukturierten Gewebebahnen eingesetzt werden, die Auswahl der geeignetsten erfolgt im Sinne der zielge­ richteten Optimierung in bezug auf das Einsatzziel der Mehrzweckpackung. Die Zusammen­ stellung der funktionalen Teile erfolgt nach einem Bausatzprinzip. Auf diese Weise wird eine sehr große Einsatzflexibilität der Mehrzweckpackung erreicht. An ihren Berührpunkten 11 kön­ nen die unterschiedlichen funktionalen Einheiten fest verbunden werden, hierauf kann jedoch im Dienste einer größeren Flexibilität verzichtet werden. Ein Kragen 8 mit lappenartigen Vor­ sprüngen 9, wie bei strukturierten Packungen üblich, umschließt die Funktionselemente fest und stabilisiert die Mehrzweckpackung darüber hinaus in der Kolonne.

Das gezeigte Packungselement ist für eine Mehrzweckkolonne mit kreisförmigem Querschnitt vorgesehen, die Realisierung der Mehrzweckpackung ist jedoch grundsätzlich für alle Quer­ schnitte möglich.

Fig. 5a, b zeigt verschiedene Ausführungen des Aufbau eines Zweitfunktionalitätselementes. Zwei vorgeformte Gewebebahnen 4a und 4b werden zusammengefügt. Die entstehenden Kam­ mern 3 werden vor dem Verschließen gefüllt. Eine vollständige Füllung der Kammern ist dabei nicht erforderlich. Die Füllmenge ist ebenfalls variable im Sinne der zielgerichteten Optimie­ rung in bezug auf den Einsatzzweck.

Die strukturierten Mehrzweckpackungen können ebenfalls mit flüssigen Füllmaterial, z. B. ka­ talysierenden Flüssigkeiten oder Absorptions- bzw. Extraktionsmitteln, verwendet werden. Dazu müssen die Wände der Zweitfunktionalitätselemente aus für die Füllungsflüssigkeit un­ durchlässigen Membranen bestehen, die für mindestens ein Fluid, bzw. mindestens eine Fluid­ komponente, permeabel sind, und die, falls notwendig, mit einer Metallgewebeschicht gestützt werden.

Claims (6)

1. Strukturierte Mehrzweckpackung mit Stofftrennungselementen (1) und Zweitfunktionalitätselementen (2), wobei die Stofftrennungselemente (1) aus strukturierten Gewebebahnen bzw. Blechen (7) gebildet sind und die Zweitfunktionalitätselemente (2) jeweils abgeschlossene und hinreichend kleine Kammern (3) aufweisen, die mit physikalisch, chemisch oder biologisch wirksamem Füllmaterial gefüllt sind und die Wände der Kammern (3) für das Füllmaterial undurchlässig und für mindestens ein Fluidmedium im Prozeß durchlässig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stofftrennungs­ elemente (1) und die Zweitfunktionalitätselemente (2) in Lagen alternierend so angeordnet sind, daß Lagen unterschiedlicher Funktionalität verschieden zusammengestellt und austauschbar sind.

2. Strukturierte Mehrzweckpackung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Zweitfunktionalitätelemente (2) aus Metallgewebe, oder aus für die Katalysatorflüssigkeit undurchlässigen Membranen bestehen, die für mindestens ein Fluid, bzw. mindestens eine Fluidkomponente permeabel sind und die insbesondere mit einer Metallgewebeschicht gestützt sind.

3. Strukturierte Mehrzweckpackung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kammern (3) zwei Seitenwände (4a, 4b) der Zweitfunktionalitäts­ elemente (2) sowohl an ihren Außenrändern (5) als auch in den Kammerzwischenräumen (6) fest zusammengefügt sind.

4. Strukturierte Mehrzweckpackung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung der Kammern (3) der Zweitfunktionalitätselemente (2) aus Ionenaustauscherharze, Aktivkohle, Trägermaterial mit Biofilm, Extraktionsmittel, sowie in fester Form als Granulat als auch in flüssiger Form besteht.

5. Strukturierte Mehrzweckpackung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitfunktionalitätselemente (2) durch zusätzliche Zwischenbleche stabilisiert sind.

6. Verwendung der strukturierten Mehrzweckpackung nach einem der vorherigen Ansprüche in einer Mehrzweckanlage für die reaktive Rektifikation, die reaktive Absorption sowie Adsorption, einschließlich der Adsorption in Biofilmen, sowie für Kombinationen unterschiedlicher physikalischer Stofftrennungsmechanismen, wie der Rektifikation oder Absorption als Erstfunktionalität, sowie der Adsorption oder Extraktion als Zweitfunktionalität.