DE2058465A1 - Fuellkoerper fuer Kolonnen - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F.^e'ckmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DZMBM g MÜNCHEN »6, DEN

POSTFACH S 60 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 4» 39 21 /22

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Heil Process Equipment Corporation, 12901 Elmwood Ave, Cleveland, Ohio UHl, USA

Füllkörper für Kolonnen

Die Erfindung "betrifft einen Füllkörper für Kolonnen, Türme u.dgl. und insbesondere einen Kolonnenfüllkörper mit neuer Form, der für die innige Oberflächenberührung zwischen Dampf oder Gas und einer Flüssigkeit fördert.

Bei vielen industriellen Ausführungsformen ist es notwendig, Mittel mit einer relativ großen Oberfläche zur Erleichterung der Berührung zwischen einem Dampf oder Gas und einer Flüssigkeit zu erleichtern. Die Oberfläche kann beispielsweise in Bezug gesetzt werden zu dem Volumen der Kolonne oder desjenigen Teiles der Kolonne, der die Füllkörper aufnimmt. Je größer die Oberfläche, desto größer ist die Flüssigkeitsmenge, die eines Gas ausgesetzt ist, wodurch die Absorption des Gases oder Dampfes durch die Flüssigkeit und/oder der Stoff austausch zwischen Flüssigkeit und Gas verbessert wird.

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Eine derartige Betriebsweise kann beispielsweise in einer Fraktionier- oder Destillierkolonne in Berieselungs- oder Waschkolonnen oder in Reaktions-, Wärmeaustausch- und Absorptionskammern durchgeführt werden. Alle derartigen Anwendungsfälle und Vorrichtungen werden nachfolgend durch den Ausdruck "Kolonne" erfaßt.

Verschiedene Gas-Plüssigkeitskontaktvorrichtungen, gemeinhin als "Füllkörper¹¹ bezeichnet, werden für diesen Zweck verwendet. Unter den am meisten gebrauchten Füllkörperformen für Gas-Flüssigkeitskolonnen befinden sich Baschigringe und Berl-Sattelkörper. Im allgemeinen sollte für eine wirksame Betriebsweise eine Lage aus Füllkörpern,eine HerabrieseIung der Flüssigkeitsphase und eine aufsteigende Dampfphase gleichmäßig über den Querschnitt des Füllkörperbettes in der Kolonne frei von Rinnenbildungen verteilen, während gleichzeitig eine genügend große Turbulenz und eine Durchmischung von Flüssigkeits- und Gasphase erzielt werden sollte, um einen innigen Kontakt zu erreichen. Es ist ebenso wünschenswert, eine schädliche Behinderung des Gegenstomfluases zu vermeiden und ein Minimum an Druckverlust längs der Strömung zu erzielen· Sine Rinnenbildung kann eintreten, wenn die Füllkörperanordnung in einem Füllkörperbett derart ist, daß ein Gas und eine Flüssigkeit, die im Gegenetrom zueinander fließen, dazu neigen, in Abschnitte mit geringstem und größtem Strömungswiderstand abgesondert zu werden· Eine Fehlverteilung von Gas- und FlUasigkeitastrümen vermindert die Wirk-3amkeit des Stoffauatauschee.

Außerdem soll eine Kolonnenfüllung genügend Porosität aufweisen, um ein Ersaufen des Bettes in der

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Flüssigkeit zu vermeiden und einem Bersten oder einer Lagerungsstörung des Bettes durch eine hohe Gasgeschwindigkeit zu widerstehen, welche einzelne Füllkörper aus der Kolonne heraustragen könnte. Ein Hauptnachteil verschiedener Füllkörper besteht in der Neigung» sich ineinander zu verschachteln, selbst wenn sie wahllos mit Sorgfalt in die Kolonne eingebracht werden. Ein schädliches Ineinanderschachteln kann eintreten, wenn benachbarte Füllkörper ge- nügend viele Oberflächenbereiche in einer solchen Wei- ™ se einander gegenüberliegend aufweisen, daß sie nicht mehr als Absorptionsflächen wirken. Dieses widrige Ineinanderschachteln kann auch zwischen komplementären oder sich wiederholenden Formen eintreten, wie z.B. bei Berl-Sattelkörpern, Halbkugeln, flachen Flächen usw. Selbst wenn solche Füllkörper wahllos in eine Kolonne eingebracht werden, neigen sie zum Zusammensetzen oder werden zusammengebracht, wenn sie aufeinanderliegen, oder wenn sie in einer Strömung mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen· Dies führt zu einem Verlust an wirksamer Oberfläche, zu einem hohen Druckverlust, zu einem Überfluten und zu d ähnlichen Nachteilen, woraus sich eine geringe Wirksamkeit in der Stoffübertragung ergibt.

Wegen des großen Yolumens des Bettes, welches häufig mit Füllkörpern gefüllt werden muß, ist es wünschenswert, daß die Füllkörper billig, leicht herstellbar, einfach in der Handhabung und einfach ersetzbar sowie von geringem Gewicht sind, während es ebenso wünschenswert ist, daß die Füllkörper hart, stabil und/oder formbeständig sind, um selbst dann, wenn sie mehrere Füllkörper abstützen, noch selbsttragend zu sein·

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Gemäß der Erfindung ist ein !Füllkörper für Kolonnen mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zur Masse vorgesehen, der einen Sattelteil aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sattelteil zumindest eine öffnung aufweist, und einen die öffnung umgebenden, kegelstumpfförmigen Ansatz trägt, der von der Satteloberfläche ausgeht und daß Mittel vorgesehen sind, die ein Ineinanderschachteln der Ansätze benachbarter Füllkörper verhindern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Füllkörper eine dünne zentrale gewfeilte Grundplatte auf, die an gegenüberliegenden Seiten Sattelformen aufweist, die im rechten Winkel zueinander in bezug auf die Längsachse des Füllkörpers ausgebildet sind· Die Grundplatte ist im Grundriß kreisförmig und weist vier Hauptöffnungen und ein Paar hohle kegelstumpfe an jeder Seite der Grundplatte auf, die an zwei der öffnungen an jeder Seite derGrundplatte abstehen. Das auf einer Seite der Platte angeordnete Paar von Kegelstümpfen steht im rechten Winkel zu den anderen Paaren auf der anderen Seite. Einer der Kegelstümpfe eines jeden Paares steht von dem "Hüftteil" des Sattels ab, während der andere von dem "Schenkelteil" des Sattels wegsteht, wobei mit Schenkelteilen die Bereiche der Orte des Sattels und mit Hüftteil der hintere Teil des Sattels im Bereich des Äfterteiles von der Sicht des Reiters aus, gemeint sind. Die hohlen Kegelstmüpfe sind in Längsrichtung geschlitzt und jeder von ihnen weist einen geschlitzten Stützflügel auf, der von jedem Kegelstumpf in radialer Richtung absteht und im wesentlichen bis zum Rand der Grundplatte in einer Richtung sich erstreckt,

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die entgegengesetzt der Richtung des anderen Flügels dieses Paares ist« Ein in der Mitte nach, oben stehender Flügel verbindet das Paar der Kegelstümpfe auf jeder Seite der Grundplatte. Die Kegelstümpfe verjüngen sich »on einer breiten Grundfläche auf der Grundplatte zu einem schmaleren offenen Bnde, das von der Grundplatte entfernt ist· Die Grundplatte kann mit am IMf ang angeordneten Rippen versehen sein, die an gegenüberliegenden Seiten und Rändern der _ä

Grundplatte miteinander abwechseln. Die wesentliche ™

Füllkurve einer jeden Einheit ist ein Kreiszylinder, bei dem die oberen Enden der Kegelstümpfe und die Flügel an dessen Enden liegen und der Umfangsrand der Sattelgrundplatte den Hittelteil des Zylinders in Wellenform umgibt·

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Ansprüche und die Zeichnung. In dieser zeigts

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Füll- d

körpers J

Fig· 2 und 3 jeweils eine Draufsioht und eine Seitenansicht desFüllkÖrpers gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3i

Fig. 5 eine Seitenansicht der um 45° gedrehten Darstellung gemäß Fig. 3·

Der Füllkörper weist eine relativ dünnwandige sattelförmige Grundplatte 10 auf. dl· von oben gesehen

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gleiche und einander gegenüberliegende Erhebungen in Form eines "Sattelkopfes" und eines "Htaterzwiesel" 13 und 14 und gleiche einander gegenüberliegende nach unten geschwungene Sattelflanken 11 und 12 aufweist, die im rechten Winkel zu der SymmetrieIinie der Erhebungen liegen· Wenn man den Füllkörper von unten ansieht, erscheinen die als Flanken bezeichneten Teile 11 und 12 als Sattelkopf und Hinterzwiesel 11 und 12 und diejenigen Teile der Grundplatte, welche als Sattelkopf und Hinterzwiesel bei der Betrachtung von oben erscheinen, werden zu Sattelflanken 13 und 14· Der Band 9 der Sattelgrundplatte IO erscheint in der Draufsicht kreisförmig (Fig. 2 und 4) und liegt in einem Zylinder, dessen Achse die Mittelachse a-a der gesamten Einheit darstellt. Der Band weist eine doppelt geschwungene sinusförmige Form auf·

Die Grundplatte 10 weist vier gleiche kreisförmige Öffnungen (15, Fig. 4) auf, die im allgemeinen in den "Hilft-" und ⁿSchenkelⁿ-Quadranten des Sattels angeordnet sind. Jeder Kegelstumpf 16 bis 19 steht im wesentlichen konzentrisch zu jeder Öffnung 15 über dieser. Die Kegelstumpfe 16 und 17 gehen von diametral gegenüberliegenden Öffnungen auf der einen Seite der Grundplatte 10 aus, während die Kegelstumpfe 1Θ und 19 von zwei diametral gegenüberliegenden Öffnungen auf der anderen Seite der Grundplatte ausgehen. Jeder Kegelstumpf dehnt sich in Richtung seines freien Endes und weist in Längsrichtung verlaufende Schlitze 21 auf, von denen die jeweils vier Stück für jeden Kegelstumpf gezeigt sind. Die senkrechte Symmetrie-

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ebene b-b (Fig. 2) geht durch die Hochachse a-a und die höchsten Punkte der nach oben geschwungenen Sattelköpfe 13 und 14. Die Verbindungsachse der Kegelstümpfe 16 und 17 schneidet die Ebene b-b in der Hochachse a-a unter einem Winkel von 45°. Die Kegelstümpfe 18 und 19 auf der gegenüberliegenden Seite der Grundplatte IO sind unter einem rechten Winkel zu der Ebene der Achsen der Kegelstümpfe 16 und 17 ausgerichtet (Pig. 2 und 4). Von der Sicht eines imaginären Reiters, der auf dem Sattel sitzt d

und den Sattelkopf 13 ansieht, befindet sich der Kegelstumpf 16 in der rechten ^MSchenkel^w-Position und der Kegelstumpf 17 in der linken "Schenkel"-Position. Wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, kommen die Grundflächen der Kegelstümpfe aufgrund dieser "Schenkel*- nnd ⁿHüft"-Anordnung annähernd in die Mittelebene des Füllkörpers senkrecht zur Achse a-a. Hierdurch reichen die Stützflügel 25 und 26 der Kegelstümpfe von den niederen Punkten der Sattelflanken 11 und bis hinauf zu den offenen Enden der Kegelstümpfe· Da der Füllkörper g'leich und symmetrisch oben wie unten, Jedoch um 90° gedreht, ausgeführt ist, stützen die Stützflügel 27 und 28 von unten die Sattelköpfe. |

Der Mittelflügel 22 verbindet die Kegelstümpfe 16 und 17 und ein ähnlicher Flügel 23 verbindet die Kegelstümpfe 18 und 19. Jeder Mittelflügel erstreckt sich über die volle Höhe eines jeden Kegelstumpfes und ist einstückig mit der Grundplatte 10 und den Kegelstümpfen ausgeführt· Der Mittelflügel 22 steht im rechtenWinkel zum Mittelflügel 23, wie dies aus Fig. ersichtlich ist. Das äußere Ende eines jeden Mittelflügels ist vorzugsweise konvex ausgebildet, wie dies ·

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- 8 bei 24 in den Fig. 1 und 3 zu sehen ist.

Ein Ineinanderschachteln der Füllkörper in Richtung ihrer Hochachse entsprechend der offenen Gestaltung der Kegelstümpfe ist durch die Stützflügel verhindert, die mit den Kegelstümpfen verbunden abd. Die Stützflügel 25 und 26 erstrecken sich in voller Höhe von den offenen Enden der Kegelstümpfe 16 und 17 in entgegengesetzten Richtungen, jedoch, parallel zueinander und ebenso ist dies bei den Stützflügeln 27 und 28 der Fall, die von den Kegelstümpfen 18 und 19 in entgegengesetzten Richtungen, jedoch parallel zueinander, abstehen. Jeder dieser Stutzflügel liegt in einer Sehnenebene des geometrischen Zylinders, der durch den sinusförmigen Rand der Grundplatte bestimmt ist. Die Stützflügel sind auf jeder Seite der Grundplatte IO im rechten Winkel zu den entsprechenden anderen Stützflügeln auf der anderen Seite sowie im rechten Winkel zu den Mittelflügeln 22 und 23 jeweils auf der gleichen Seite ausgerichtet. Ein seitliches Ineinanderschachteln bzw. eine Nebeneinanderstellung ist vorteilhaft und erhöht die Absorptionsfläche je Volumeneinheit. Beispielsweise kann ein unterer Kegelstumpf eines Füllkörpers mit seinem Stützflügel in den rechts im Vordergrund der Fig. 1 gezeigten freien Raum zwischen den nach oben gerichteten Kegelstümpfen und dem Mittelflügel eines anderen Füllkörpers oberhalb der sattelförmigen Grundplatte des letzteren lindringen, jedoch wird ein derartiges Eindringen auf eine Punkt- oder geringe Linienberührung zwischen beiden Einheiten begrenzt. Darüber hinaus bewirkt ein solches Eindringen eines Füllkörpers mit dem schmalen offenen Ende des eingeschobenen Kegelstumpfes in der Nähe und mit Abstand

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oberhalb des großen offenen Endes eines unteren Kegelstumpfes eine Volumenverringerung in bezug auf das Füllkörperbett ohne merkbaren Verlust an wirksamer Übertragungsfläche und ohne Beeinträchtigung des freien Stromes der Flüssigkeit und des Gegenstromes des Gases durch die angrenzenden Füllkörper.

Vorzugsweise weisen alle Stützflügel in Längsrichtung angeordnete Schlitze 30 auf, die mit öffnungen 31 in der Grundplatte 10 in Verbindung stehen, von denen jeweils eine einem Schlitz zugeordnet ist· Der Durchmesser der öffnungen 31 entspricht vorzugsweise der Breite des Schlitzes 30 und ist geringer als der Durchmesser der öffnungen 15 für die Kegelstümpfe. Am umfang der Grundplatte 10 sind einstükkig mit dieser Verstärkungsrippen 32 angeformt, die sich entlang des Bandes der Grundplatte erstrecken. Vorzugsweise besitzen die Verstärkungsrippen eine Länge, die etwa einem Viertel des Umfangs der Grundplatte 10 entspricht und diese Verstärkungsrippen sind der Reihe nach/den gegenüberliegenden Flächen j der Grundplatte versetzt angeordnet,wie dies in ™ den Fig. 2 und 4 angeordnet ist.

Der Kolonnenfüllkörper kann aus Metall, Keramik, Harz und Kunststoff bestehen und hinsichtlich der Größe in einem bestimmten Bereich ausgeführt sein. Vorliegende Versuche legen es nahe, dem Füllkörper einen Durchmesser von ungefähr 7,5 cm zu geben. Ähnliche Vorteile werden aber auch bei halb so großen Füllkörpern erzielt. Die einzigen Beschränkungen in der Materialauswahl für die Füllkörper sind die Kosten,

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die Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von den durchströmenden Medien und die Schwierigkeit der Herstellung der gewünschten Form. Ein bevorzugtes Material ist ein formbares, stabiles relativ leichtes Kunstharz oder Harz wie z.B. Polyäthylen, verschiedene PoIyvinylharze, wie Polyvinylchlorid, Polyvinylazetat, Polyvinylalkohol u.a., Polyamide, wie Nylon, PoIytetrafluoräthylen usw. Ein bevorzugtes synthetisches Harz ist Polypropylen. Wenn der Formkörper aus einem formbaren Kunststoff hergestellt werden kann, so kann er in einer einzigen zweiteiligen Form gefertigt werden.

Im Gebrauch wird eine Vielzahl von Füllkörpern als beliebig verteilte lose Masse in eine Kolonne oder den Betteil dieser Kolonne hineingeworfen und wahllos verteilt, wodurch diese Füllkörper die innere Oberfläche der Kolonne vergrößern und eine innige Mischung der aufsteigenden und herabfliegenden Medienströme erleichtern, die durch die Kolonne hindurchgeführt werden. Die Erfindung verbessert die leistung und den Wirkungsgrad des Stoffaustausches und gestattet eine hohe Geschwindigkeit der Medienströme durch das Füllkörperbett·

Es sei erwähnt, daß der vorliegende Füllkörper frei ist von Taschen und Vorprüfungen, welche dazu neigen, Schmutz und andere Beimengungen zu sammeln. Ein derartiger Schmutz- oder Fremdkörper baut sich häufig so weit auf, daß er zu einer Vastopfung der Packung führt. Da der Füllkörper gemäß der Erfindung nicht zum Verstopfen neigt, daher einen freien Durchfluß gewährt und selbstreinigende Eigenschaften aufweist, kann die Betriebszeit einer Kolonne ver-

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längert werden, ehe der Betrieb für eine Besichtigung und Reinigung der Kolonne unterbrochen wird·

Sie neuartige Formgebung bzw· Gestaltung des vorliegendenFüllkörpers gestattet eine 30 #ige Verminderung der Anzahl der Füllkörper pro Volumeneinheit der Kolonne und bringt einen geringeren Energieverlust für das gesamte System mit sich· Alle diese erläuterten Vorteile des vorliegenden Füllkörpers tragen zu einer erhöhten Absorption von Gras durch eine Flüssigkeit oder zu einer verbesserten Trennung eines Gases von einer Flüssigkeit bei.

- Patentansprüche -

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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE

1. Füllkörper für Kolonnen mit einem großen

- Verhältnis von Oberfläche zu Masse, der einen Sattelteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sattelteil (10) zumindest eine Öffnung (15) aufweist und einen die Öffnung

(15) umgebenden kegelstumpfförmigen Ansatz

(16) trägt, der von der Satteloberfläche ausgeht und daß Mittel vorgesehen sind, die ein Ineinanderschachteln der Ansätze benachbarter Füllkörper verhindern·

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Verhindern des Ineinanderschachteins aus einem Flügel (25 - 28) besteht, der von jedem Ansatz (16 - 19) absteht.

3. Füllkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel (z.B. 25) einen Schlitz (30) aufweist, der bis zu einer Öffnung (31) in der Sattelfläche (10) reicht.

4. Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gleichen Seite der Sattelfläche (10) zwei Ansätze (16, 17; 18, 19) vorgesehen sind, die durch einen Verbindungsflügel (22 ;23) miteinander verbunden sind.

5. Füllkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der gegenüberliegenden Seite des Sattels (10) ein Paar durch einen Flügel (23) verbundener Ansätze (18, 19) angeordnet ist.

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6. !füllkörper nach einem der Ansprüche 1 "bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die die Ansätze (16, 17} 18, 19) verbindenden Flügel (22 j 23) in senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordnet sind, deren durch den Schnittpunkt gehende Achse mit der Achse (a-a) des Millkörpers identisch ist.

7. füllkörper nachAnspruch 6, dadurch gekennzeichnet, d daß die Ansätze (16, 18 bzw. 17, 19) in dem "Schenkelabschnitt" bzw. im "Hüftabschnitt" des S&ttelkörpers (10) angeordnet sind.

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