DE19940887A1 - Füllkörperelement - Google Patents

Abstract

Ein Füllkörperelement mit einer Mehrzahl symmetrisch angeordneter Unterteilungen innerhalb eines zylindrischen Körperelementes (1) sieht eine äußerst feste, gegenüber hohen Temperaturen und korrodierenden Medien beständige Konstruktion mit einer großen Oberfläche vor. Die Elemente sind von großem Nutzen als eingefüllte Füllkörperelemente bei Stoffübergangsanwendungen.

Description

Diese Erfindung betrifft geformte Füllkörperelemente und insbesondere eingefüllte Füllkörperelemente, die aus extru­ dierbaren Materialien, beispielsweise aus Kunststoffen und Keramikgießmasse, geformt sind.

Derartige Elemente werden in Reaktoren verwendet, in denen Flüssigkeiten und Gase miteinander in Kontakt gebracht werden, um eine Reaktion, Wärmeübergang, Löse- oder Auflö­ sevorgänge herbeizuführen, indem zwei strömende Fluida unmittelbar miteinander in Kontakt gebracht werden. Infolgedessen weisen sie Formen auf, welche ausgebildet sind, um die Oberfläche zu maximieren und dabei die Formbeständigkeit beizubehalten, derart, daß sie beim Gebrauch nicht zusammenbrechen oder zerdrückt werden. Darüber hinaus ist es in Fällen, in denen die Umgebung, in welcher die Elemente zum Einsatz gebracht werden müssen, korrodierend ist und/oder dort hohe Temperaturen herrschen, erstrebenswert, die Elemente aus einem keramischen Material herzustellen. Schließlich ist es erstrebenswert, über eine Konstruktion zu verfügen, welche gemäß einer Standardausführung problemlos in großen Mengen hergestellt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Füllkörperelement zur Verfügung zu stellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Dies wird durch das Füllkörperelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein derartiges geformtes Füllkörperelement mit ausgezeichneten Festigkeits- und Oberflächeneigenschaften vorzusehen, welches ohne weiteres anhand eines einfachen Extrusionsverfahrens hergestellt werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht ein extrudierbares Füll­ körperelement vor, umfassend ein zylindrisches Körperelement mit einem konsistenten Querschnitt, welches eine Mehrzahl von Sehnenelementen innerhalb des Körperelementes, wobei jedes Ende eines Sehnenelementes an ein Ende eines anderen Sehnenelementes angrenzt, und eine Mehrzahl radialer Zwischenwandelemente umfaßt, welche sich von der Achse des Zylinders zumindest bis zum Mittelpunkt eines Sehnenelementes erstrecken.

Es versteht sich, daß aus Gründen der Einfachheit die innere Konstruktion der erfindungsgemäßen Elemente, welche entlang der axialen Länge des Elementes gleichmäßig ist, mit Hinblick auf jene Merkmale beschrieben wird, welche in einem Querschnitt durch das Element am Mittelpunkt der axialen Länge ersichtlich sind. Somit wird ein inneres Element, welches ein Segment der inneren Oberfläche des zylindrischen Körperelementes abteilt, in diesem Dokument als "Sehnenelement" bezeichnet, wenngleich der Begriff "Sehne" richtigerweise nur für eine Linie innerhalb eines Kreises, welche nicht durch den Mittelpunkt verläuft, verwendet wird.

Die Sehnenelemente sind vorzugsweise von gleicher Länge, da dies zu einer größeren Symmetrie und Einheitlichkeit der Abmessungen der Durchgangskanäle führt, welche durch die Konstruktionen innerhalb des zylindrischen Körperelementes definiert werden.

Das Element kann jedwede geeignete Anzahl von Sehnen­ elementen von drei (wesentlich, wenn die Bedingung des "Angrenzens" erfüllt werden soll) bis vorzugsweise höchstens achtzehn aufweisen. Im allgemeinen wird jedoch eine Anzahl von vier bis zehn und insbesondere von sechs bevorzugt. Bei der bevorzugtesten Konstruktion sind die sechs Sehnenelemente in zwei Untergruppen zu je drei gruppiert, wobei jede Untergruppe ein gleichseitiges Dreieck bildet, wobei ein Dreieck von dem anderen um 60° um den Umfang des zylindrischen Körperelementes versetzt ist.

Die Anzahl radialer Zwischenwandelemente wird durch die Anzahl von Sehnenelementen bestimmt und eine gleiche Anzahl sein. Somit liegen beispielsweise im Falle der bevorzugten sechs Sehnenelemente auch sechs radiale Zwischenwandelemente vor.

Bei bevorzugten Konstruktionen sind zusätzliche Verstär­ kungselemente vorgesehen, welche sich zwischen der inneren Oberfläche des zylindrischen Körperelementes und einen Radius des zylindrischen Körperelementes entlang zumindest bis zum Kreuzungspunkt zweier Sehnenelemente erstrecken. Für gewöhnlich erstrecken sich die zusätzlichen Verstär­ kungselemente nicht bis zur Achse der Konstruktion. Wie zu erkennen sein wird, ist eine derartige Anordnung nur in jenen Fällen möglich, in denen die Sehnen in zwei oder drei Gruppen mit gleicher Anzahl (drei oder vier) in jeder der Gruppen vorliegen und wobei die Konstruktionen, die durch die Gruppen gebildet werden (Dreiecke oder Quadrate), sich überlappen und um die Achse des zylindrischen Körper­ elementes drehend versetzt sind.

Die Konstruktionen der Erfindung sind äußerst wirksam inso­ fern, als sie eine sehr große Anzahl von Kreuzungspunkten vorsehen, an denen Flüssigkeiten, welche über die verschie­ denen Oberflächen strömen, aufeinander treffen und gezwungen werden, sich vor dem neuerlichen Aufteilen miteinander zu vermischen und zu verschmelzen, wodurch die Homogenität gefördert wird.

Ein weiterer Vorteil besteht in der gegenseitigen Verstär­ kung der Elemente. Ein zylindrisches Körperelement ohne die inneren Konstruktionen würde weit weniger Beständigkeit gegenüber Kompressionskräften aufweisen. Die Sehnenelemente, insbesondere die bevorzugteste Gruppe aus sechs, sorgen für eine erhebliche Steigerung der inneren Festigkeit, und diese wird weiters durch die radialen Zwischenwandelemente verstärkt, welche die Sehnenelemente zusätzlich gegen Verformbewegungen abstützen. Schließlich schaffen die hinzugefügten Verstärkungselemente einen endgültigen Beständigkeitsgrad für das zylindrische Körperelement.

Wenn die Sehnenelemente wie bei den bevorzugtesten Konstruktionen in zwei Gruppen zu je drei gruppiert werden, teilen die verschiedenen Verstärkungselemente das Innen­ volumen des zylindrischen Körperelementes in annähernd gleiche Unterteilungen auf. Somit wird neben dem Verstärken des zylindrischen Körperelements die Oberfläche erheblich vergrößert und das Ausmaß des Widerstandes gegenüber dem Gasstrom durch das Element minimiert und ausgeglichen, derart, daß jeder Durchgangskanal durch das Element einen gleichen Gasstrom aufweist.

Die erfindungsgemäßen zylindrischen Elemente werden vorzugsweise mit gekrümmten Endoberflächen versehen, um ein Ineinanderstapeln der Elemente beim Einfüllen in eine Säule zu verhindern. Die Krümmung jeder Endoberfläche kann dieselbe oder unterschiedlich sein, beispielsweise kann ein Ende konvex sein, während das andere konkav ist, oder es können beide konkav oder beide konvex sein. Vorzugsweise ist jedoch der Krümmungsradius jedes gekrümmten Endes derselbe. Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft, da, wenn das Produkt extrudiert und das Extrudat geschnitten wird, um Elemente zu bilden, ein einziger bogenförmiger Schnitt ein konkaves Ende auf einem ersten Element und ein konvexes Ende auf einem zweiten Element bildet, von welchem das zweite dadurch getrennt wird. Somit ist es mit nur zwei Schneidklingen oder sogar mit nur einer umkehrbaren Schneidklinge möglich, alle möglichen Kombinationen aus konvexen und konkaven Kombinationen herzustellen.

Die Elemente können mittels eines Urformverfahrens geformt werden, werden jedoch vorzugsweise mittels eines Extrusionsverfahrens unter Verwendung einer geeigneten Form hergestellt. Das Produkt der Extrusion ist ein langer Zylinder mit derselben inneren Konstruktion entlang seiner gesamten Länge. Ein Messer, vorzugsweise mit einer gekrümmten Klinge, trennt den langen Zylinder in Elemente von der gewünschten Länge mit gekrümmter Enden, sofern die gekrümmte Klinge verwendet wird. Daraufhin werden die Elemente in einem Brennofen gebrannt, um die fertigen Elemente herzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Element, wobei der Schnitt normal zur Achse eines bevorzugten erfindungsgemäßen Elements verläuft;

Fig. 2 vier zur Wahl stehende Seitenansichten (a, b, c und d) des in Fig. 1 dargestellten Elements, wobei die Enden mit gekrümmten oder unregelmäßigen Oberflächen ausgebildet sind.

Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungen der Erfindung sind jedoch nicht dahingehend auszulegen, daß sie irgendwelche wesentlichen Einschränkungen für den Umfang der Erfindung zur Folge haben.

In Fig. 1 ist ein zylindrisches Körperelement 1 mit sechs identischen Sehnenelementen 2 versehen, welche in zwei gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind, wobei die Spitzen des einen von den Spitzen des zweiten um 60° um den Umfang des Körperelementes versetzt sind. Radiale Zwischenwand­ elemente 3 verlaufen strahlenförmig von der Achse zu den Mittelpunkten der Sehnenelemente, und Verstärkungselemente 4 verbinden die innere Oberfläche des zylindrischen Körperelementes mit den Kreuzungspunkten der Sehnenelemente.

In Fig. 2, welche eine Seitenansicht des in Fig. 1 darge­ stellten Elements darstellt, wird die Konfiguration der Enden des Elements dargestellt. Die Enden sind entsprechend geradlinig (7 in (a)); konvex und konkav gekrümmt (5 bzw. 6 in (b)); doppelt konvex (5 in (c)); unregelmäßig (8 in (d)).

Die erfindungsgemäßen Elemente, welche wie in Fig. 1 und 2b abgebildet konfiguriert waren und aus keramischen Werk­ stoffen hergestellt wurden, wurden auf Stoffübergangs­ effizienz (k_ga), Packungsfaktor; Gewicht in Pfund je Kubik­ fuß (welches das relative Gewicht von Installationen der Elemente anzeigt); und Stück je Kubikfuß hin ausgewertet. In jedem Fall wurden die Werte wertmäßig im Vergleich mit einer Branchennorm, einem 2"-Keramiksattelkörper, gemessen, der von der Norton Chemical Process Products Corporation unter dem eingetragenen Warenzeichen "Intalox" bezogen und dem beliebig der Wert "1.00" zugewiesen wurde. Die andere Vergleichsgrundlage war ein keramischer 3"-Intalox®- Sattelkörper.

Das erfindungsgemäße Element wies einen Durchmesser von 4,25" und eine Wandungsdicke von 0,25" (zylindrisches Körperelement) bis 0,125" (radiale Zwischenwände) auf. Die axiale Länge der Elemente betrug 1,25".

Die Leistungsparameter der drei Elemente verhielten sich folgendermaßen:

Aus den oben stehenden Daten geht klar hervor, daß die erfindungsgemäßen Elemente um 14% effizienter als die 2"- Sattelkörper und um 60% effizienter als die 3"-Sattelkörper sind. Darüber hinaus werden je Kubikfuß weniger Elemente verwendet als bei den 2"-Sattelkörpern und ungefähr gleich viele wie bei den 3"-Sattelkörpern, und es liegt ein geringerer Druckabfall als bei den 2"-Sattelkörpern vor.

Claims (8)

1. Geformtes Füllkörperelement, umfassend ein zylind­ risches Körperelement (1) mit einer Mehrzahl von Seh­ nenelementen (2) innerhalb des Körperelementes (1), wobei jedes Ende eines Sehnenelementes an ein Ende eines anderen Sehnenelementes angrenzt, und einer Mehr­ zahl radialer Zwischenwandelemente (3), welche sich von der Achse des Zylinders zumindest bis zum Mittelpunkt eines Sehnenelementes erstrecken.

2. Füllkörperelement gemäß Anspruch 1, welches sechs identische Sehnenelemente (2) aufweist, die in zwei gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind, wobei die Spitzen des ersten Dreieckes von den benachbarten Spitzen des zweiten um 60° um den Umfang des zylind­ rischen Körperelementes herum versetzt sind.

3. Füllkörperelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches sechs radiale Zwischenwandelemente (3) aufweist.

4. Füllkörperelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches sechs Verstärkungselemente (4) aufweist, die das Innere des zylindrischen Körperelementes (1) mit den Kreuzungspunkten zweier Sehnenelemente (2) verbinden.

5. Füllkörperelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches aus einem Keramikwerkstoff gebildet ist.

6. Füllkörperelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches aus einem Kunststoff gebildet ist.

7. Füllkörperelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches aus einem Metall gebildet ist.

8. Füllkörperelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches aus Kohlenstoff gebildet ist.