DE202023002470U1

DE202023002470U1 - Vorrichtung zur Verbesserung des Stoff- und Wärmeaustausches in Füllkörperkolonnen

Info

Publication number: DE202023002470U1
Application number: DE202023002470.6U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-11-27
Filing date: 2023-11-27
Publication date: 2024-01-09
Anticipated expiration: 2033-11-28

Abstract

Vorrichtung zur Verbesserung des Stoff- und Wärmeaustausches in Füllkörperkolonnen (8) dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper (9,10) als Rohrbürsten ausgebildet sind.

Description

Wärme- und Stoffaustauschkolonnen werden seit Jahrzehnten in der chemischen und thermischen Verfahrenstechnik, Abwasser- und Abluftreinigung verwendet.
Hierbei werden Trennprozesse wie Absorption, Desorption, Destillation, Rektifikation und Extraktion sehr häufig eingesetzt. Zur Erhöhung der Stoff- und Wärmeaustauschflächen zwischen einer gas- bzw. dampfförmigen Phase und einer Flüssigkeit oder flüssigenflüssigen Phasen innerhalb einer Trennkolonne werden Füllkörper eingefüllt. Zweck dieser Einbauten ist es, die Phasen gleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt zu verteilen und möglichst maximale Flüssigkeitsoberflächen für den Stoff- und Wärmeaustausch zu realisieren.
Bei den Füllkörpern sind sehr viele unterschiedliche Geometrien bekannt. Die ersten verwendeten Schüttungen waren kurze glatte Rohrstücke, sogenannte Raschig-Ringe, die aber, aufgrund der geschlossenen Struktur, einen hohen Druckverlust besitzen. Aufbauend auf den Raschig- Ring wurde der Pall-Ring entwickelt. Hierbei wurde die zylindrische Wand mit Perforationen und nach innen gebogenen Nasen versehen. Der Pall-Ring wird im Bereich von Wärme- und Stoffaustausch sehr oft eingesetzt. Er besitzt zwar etwas geringeren Druckverlust als der Raschig-Ring, allerdings ist die Neigung zu Bachbildung ähnlich und die Randgängigkeit genauso problematisch wie bei den Raschig - Ringen.
In der DE 26 10 459 A1 wird versucht die Eigenschaften von Pall-Ringen durch Kleben, Löten, Schweißen der gebogenen Metallstreifen miteinander zu verbessern. Schaut man sich aber die Anzahl der benötigten Pall - Ringe pro m³ an, beispielsweise werden von dem Pall-Ring mit den Abmessungen 10x10x0,3 770 000 Stück pro m³ benötigt, so kann man leicht ableiten, dass diese Maßnahmen aus wirtschaftlichen Gründen nicht durchführbar sind.
In der Patentliteratur, z.B. DE 197 15 704 C2 & DE 195 31 151 C2 findet man zahlreiche Vorschläge zur Verbesserung der Eigenschaften von Füllkörpern. Allerdings benötigt man hierfür komplizierte Geometrien deren Herstellung teilweise viel Aufwand erfordert.
Im Vordergrund des verfahrenstechnischen Prozesses steht auf jeden Fall eine kontinuierliche und gleichbleibende Berieselung der Füllkörperoberflächen um möglichst lange Verweilzeiten zwischen Gas bzw. Dampf und Flüssigkeit zu erreichen. Die gleichmäßige Beaufschlagung über den Querschnitt der Kolonne und die Verteilung der Flüssigkeit über die gesamte Kolonne wird als sehr anspruchsvolle Forderung angesehen, die im Mittelpunkt von Optimierungsmaßnahmen bei Forschung und Entwicklung steht.
Nach wie vor erfolgt der Eintrag und die Verteilung der Flüssigkeit im Kopfbereich von Füllkörperkolonnen über unterschiedlich gestaltete Verteilvorrichtungen. Ein Problem bei der Gestaltung der Verteilvorrichtungen ist, dass im Randbereich der Füllkörperkolonnen die Auslauföffnungen aus dem Verteiler schwierig zu positionieren sind. Es kann sogar sein, dass durch die nicht optimale Ausrichtung der Tropfstellen (teilweise >300 Tropfstellen pro m²) die ohnehin vorhandene, aber nicht gewollte Randgängigkeit von Füllkörperkolonnen noch weiter verstärkt wird. Es ist auch bei Füllkörperkolonnen bekannt, dass trotz gleichmäßiger Aufgabe, die herabrieselnde Flüssigkeit, aufgrund des hohen Lückengrades am Rand, immer in Richtung der Kolonnenwand strömt, und der Kern der Füllkörperschicht wird gar nicht oder nur teilweise beaufschlagt. Bei abnehmender Flüssigkeitsbeaufschlagung wird dieser nachteilige Effekt sogar noch verstärkt. Hierbei ist zu beachten, dass die sogenannten Kriechströmungen oder auch Bachbildungen, hervorgerufen durch Randgängigkeit, zwar eine schmale Randzone darstellen, aber über den Umfang betrachtet einen großen Anteil vom Kolonnenquerschnitt belegen können. Dieses Phänomen wird im Bereich der Kolonnentechnologie auch als Maldistribution bezeichnet.
Die Maldistribution vermindert den Stoffübergang in Füllkörperkolonnen erheblich. Daher wird, nach bekanntem Stand der Technik, je nach Kolonnengröße, alle 2-4 m, die Füllkörperpackung unterbrochen, die Flüssigkeit am Rand gesammelt und neu verteilt. Diese Prozedur der Neuverteilung ist sehr aufwändig, weil zusätzliche Aufnahmeroste, Sammel- und Verteilvorrichtungen benötigt werden. Diese mehrfachen Maßnahmen erhöhen die Bauhöhen der Füllkörperkolonnen enorm, zusätzlich kommt noch hinzu, dass die Kosten für die jeweiligen zusätzlichen Aufnahme-, Sammel- und Verteilvorrichtungen meistens höher liegen als die Füllkörperschüttung selbst.
Hier setzt die Erfindung an, es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass rohrbürstenartige Füllkörper, ähnlich wie die konventionellen Schüttungen, in Kolonnen für unterschiedliche Einsatzzwecke erfolgreich verwendet werden können. Sie besitzen aber erhebliche Vorteile, in erster Linie gegenüber Füllkörper der aktuellen Generation, nämlich, dass die Herstellung sehr viel einfacher gestaltet werden kann. Weiterhin können die Drähte, zur Erzielung einer großen Austauschfläche, mit kleinen Durchmessern dimensioniert werden. Auch kann aus einem größeren Zuführungsdraht, das sogenannte Gestell- oder Drehdraht, kleinere Drahtabzweigungen erfolgen, um die Flüssigkeit in dünnen, oberflächenreichen Filmen zu unterteilen, damit die einzelnen Phasen Gas- bzw. Dampf und Flüssigkeit mannigfaltige Möglichkeiten haben miteinander in Kontakt zu treten. Vorteilhafterweise können die Federn eingedreht werden, damit sie sich weniger untereinander verhaken.
Aufgabe der Erfindung ist es also, den Stoff- und Wärmeaustausch innerhalb von Kolonnen, die im Bereich der chemischen und thermischen Verfahrenstechnik sowie in der Abgasreinigung verwendet werden, zu verbessern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Kolonnen mit rohrbürstenartigen Einbauten, die als Austauschpackung fungieren, ausgerüstet sind.
Durch diese Einbauten wird erreicht, dass durch deren Einsatz eine erheblich große Oberfläche für den Stoff- und Wärmeaustausch zwischen gas- bzw. dampfförmigen sowie flüssigen Phasen zur Verfügung gestellt werden kann.
Eine besondere Eigenschaft der Erfindung besteht darin, dass die rohrbürstenartigen Füllkörper, im Vergleich zu anderen Optionen, die in derartigen Kolonnen verwendet werden, einen weitaus geringeren Druckverlust verursachen und somit mit höheren Geschwindigkeiten betrieben werden können. Im Vergleich zu den konventionellen Füllkörperschüttungen können die Kolonnen somit mit wesentlich höhere Fluidmassenströme, ähnlich hoch wie bei den strukturierten Packungen, betrieben werden.
Damit kann die Kolonne deutlich kleiner ausgeführt werden, oder mit erheblich mehr Durchsatz gefahren werden.
Die Randgängigkeit lässt sich verhindern, oder in hohem Maße minimieren, indem man im Randbereich der Kolonne kleinere bürstenförmige Füllkörper als im Kenbereich einfüllt, hierdurch wird der Lückengrad verkleinert und die Durchströmung der Flüssigkeit behindert. Die Befüllung der beiden unterschiedlichen Füllkörpergrößen ist durch Verwendung eines dünnwandigen Rohres mit den benötigten Abmessungen realisierbar, der während der Beschickung der Kolonne kontinuierlich herausgezogen wird.
Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes von unterschiedlichen Füllkörpergrößen besteht durch Benutzung eines dünnwandigen Lochblechzylinders mit passenden Abmessungen, so, dass im Randbereich zwischen Kolonneninnenwand und Lochblechzylinder kleinere Füllkörper positioniert werden können. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit diesen Lochblechzylinder außerhalb der Kolonne mit großen bürstenförmigen Füllkörper zu befüllen. Vorteilhafterweise kann während des Einfüllvorganges der Lochblechzylinder gerüttelt werden, so, dass eine dichtere Füllkörperpackung realisierbar ist. Während des Betriebes verbleibt der zylindrische Körper innerhalb der Kolonnen, hierdurch ist eine einfache Entnahme der Füllkörper möglich.
Insgesamt kann man durch Vermeidung der Randgängigkeit auf kostenintensive Sammlung und Neuverteilung der Flüssigkeit verzichten.
Das Einbringen und Verteilung der Flüssigkeit, im Kopfbereich der Kolonnen, kann natürlich, wie gewohnt und bewährt, entsprechend dem Stand der Technik, erfolgen.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen, diese zeigen in

1a bis 1c Skizzen von einigen bisher verwendeten Füllkörpern gemäß dem Stand der Technik,
2 eine vereinfachte Zeichnung eines erfindungsgemäßen rohrbürstenartigen Füllkörper für den Einsatz in Austauschkolonnen,
3 Gestaltungsmöglichkeiten derartiger bürstenartiger Vorrichtungen durch Verwendung von unterschiedlich großen bürstenartigen Füllkörpern.

In 1a bis 1c werden mit (1) unterschiedliche Geometrien von Füllkörpern gemäß dem Stand der Technik dargestellt. 1a zeigt mit (2) einen der ältesten Füllkörper nämlich den Raschig-Ring. In Figur (1a) wird mit dem Pall-Ring (3,4) ein Füllkörper dargestellt, der in der Verfahrenstechnik des Wärme- und Stoffaustausches sehr breite Anwendung findet. In 1c wird mit (5) ein gitterförmiger Füllkörper entsprechend dem Vorschlag der EP 1 923 133 B1 wiedergegeben.
In 2 wird ein bürstenförmiger Füllkörper (6,7) abgebildet.
In 3 wird mit (8) eine Füllkörperkolonnen mit unterschiedlich großen bürstenförmigen Füllkörpern abgebildet. Im inneren Bereich (9) der Kolonne werden Füllkörper mit größerem Durchmesser verwendet. Zur Unterdrückung der Randgängigkeit werden am Kolonnenrand kleinere Füllkörper (10) eingesetzt. Diese Maßnahme am Innen-Umfang der Kolonne verhindert eine Malfunktion durch Randgängigkeit und Kriechströmungen sowie Bachbildungen. Daher kann hierbei auf umfangreiche Zusatzeinbauten, wie Sammel- und Verteilvorrichtungen verzichtet werden. Hieraus resultieren weitere Einsparungen durch Gestaltung einer optimalen Bauhöhe von Packungskolonnen. Mit (11) wird ein dünnwandiges Rohr als Montagehilfe zur Trennung der unterschiedlichen Füllkörpergrößen abgebildet. Es kann aber auch ein zylindrisches Lochblech (11) zur Aufnahme der Füllkörper mit größerem Durchmesser und gleichzeitiger Trennung beider Füllkörpergrößen eingesetzt werden.
Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Optimierung von Füllkörperkolonnen durch Verwendung von bürstenförmigen Vorrichtungen als Füllkörper.
Bezugszeichenliste

1: Kolonnenfüllkörper für Stoff- und Wärmeaustausch
2: Raschig-Ring
3: Pall-Ring (Seitenansicht)
4: Pall-Ring (Draufsicht)
5: Gitterförmiger Füllkörper ( EP 1 923 133 B1 )
6: Führungsdraht
7: Bürstenförmiger Füllkörper
8: Füllkörperkolonne
9: Bürstenförmiger Füllkörper (Kernbereich der Kolonne)
10: Bürstenförmiger Füllkörper (Randbereich der Kolonne)
11: Montagehilfe bzw. zylindrisches Lochblech

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2610459 A1 [0004]
DE 19715704 C2 [0005]
DE 19531151 C2 [0005]
EP 1923133 B1 [0019, 0022]

Claims

Vorrichtung zur Verbesserung des Stoff- und Wärmeaustausches in Füllkörperkolonnen (8) dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper (9,10) als Rohrbürsten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolonnen durch ein zylindrisches Blech (11) in einen Kern- und einen Randbereich geteilt sind, wobei die bürstenförmigen Füllkörper im Kern- bzw. Innenbereich grösser als die bürstenförmigen Füllkörper im Randbereich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Blech (11) als Lochblech ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmigen Füllkörper (9,10) als Metallbürsten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmigen Füllkörper (9,10) als Edelstahlbürsten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmigen Füllkörper (9,10) als Keramikbürsten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmigen Füllkörper (9,10) als Kunststoffbürsten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmigen Füllkörper im Randbereich (10) zwischen 80 bis 50 % kleiner sind als die bürstenförmigen Füllkörper im Kernbereich (9).