DE2060178A1

DE2060178A1 - Hochleistungsaustauschpackung fuer Kolonnen

Info

Publication number: DE2060178A1
Application number: DE19702060178
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr-Ing Hoppe; Gerhard Dipl-Ing Krueger
Original assignee: MASCH und APPBAU GRIMMA VEB
Current assignee: MASCH und APPBAU GRIMMA VEB
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1970-12-08
Publication date: 1971-11-11
Also published as: FR2086365A1; NL168713C; AT321865B; NL7017995A; CH559571A5; SU638353A1; PL81743B1; HU164079B; DE2060178B2; FR2086365B1; DE2060178C3; CS170217B1; NL168713B; BE762261A

Description

Hochleistungsaustauschpackung für Kolonnen

Die Erfindung betrifft, eine Hochleistungsaustauschpackung für Kolonnen, deren Einbauelemente aus formperforiertem Grundmaterial bestehen und im Verband mit mehreren dazu dienen, einen intensiven Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit bzw. Dampf herzustellen. Die Anwendung der Hochleistungsaustauschpackung ist vorwiegend in Kolonnen möglich, in denen große Gas- bzw. Dampfvolumina bei sehr niedrigen Druckverlusten durchgesetzt werden müssen, z.Bsp. in unter Vakuum arbeitenden Kolonnen für Rektifikation, oder in Kolonnen, in denen extreme Flüssigkeitsbelastungen vorliegen, oder bei Gasbefeuchtung oder -trocknung, direktem Wärmeaustausch, für Abscheidezwecke u.dgl.

Es ist eine Packung für Fraktionierkolonnen bekannt, die aus einschichtigem kapillaren Material besteht, dessen kapillare öffnungen im Betrieb mit der Flüssigkeit abdichten, so daß durch diese Öffnungen kein Dampf treten kann. Das Kapillarmaterial ist so angeordnet,

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daß Zellen entstehen, in denen sich nur der Dampf bewegt, der durch besonders angebrachte nichtkapillare öffnungen durch die aus Kapillarmaterial bestehenden Zellenwändo von Zelle zu Zelle strömen lcaiin. · ι

Als Nachteil muß angesehen werden, daß die Phasen i einander nicht durchdringen, sondern nur mittels Umlenkungen aneinander vorb'eistreichen können. Es kann ! dadurch nicht der günstigste Trenneffekt erzielt wer- j den. Dadurch, daß für den Dampf nur bestimmte unveränderliche öffnungen vorhanden sind, ist der Druckverlust höher und die Belastbarkeit bzw. Belastungsbreite " ; geringer. Das zum Zwecke der Selbstbenetzung verwendete Kapillarmaterial neigt sehr zum Halten von Schmutz- j partikeln, so daß, wenn sich viele Kapillaröffnungen j geschlossen haben, die Umwälzung des"Films am Material ^! wegfällt, was eine Verkleinerung der für die Höhe der j Trennwirkung entscheidenden Kontaktfläche bedeutet. j

Außerdem muß dann die Flüssigkeit, die für den Dampf- i durchtritt vorgesehenen öffnungen benutzen, um von j Zelle zu Zelle abwärtsströraen zu können.

Eine weitere bekannte Kolonnenpackung unterscheidet sich von der oben genannten nur dadurch, daß statt einschichtigem Kapillarmaterial ein doppelter Gaze-j Blech- . oder Schichtkörper verwendet wird.

Auch diese Lösung bringt keine Verbesserung der verfahrenstechnischen Größen und hat im v/es entlichen die bereits genannten Nachteile. Des weiteren wird die Verschmutzungsanfälligkeit verstärkt und auf Grund des größeren Materialaufwandes die Packung verteuert. <·

Weiterhin ist eine Packung bekannt, die aus einet? Vielzahl übereinandergelagerter poröser Hatten welliger Gestalt besteht, wobei die Lücken jeder Matte die Mulden der oberen Latten berühren, um ein Abwärtsströmen der Flüssigkeit durch die Packung zu ermöglichen. Jede !."latte

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weist eine Vielzahl gewellter durchlöcherter Metallbleche in Kapillarbertihrung auf. Die öffnungen in den Blechen sind größer als die Kapillarabmessung und sind nicht fluchtend bzw. versetzt zueinander angeordnet. Dadurch bilden sich gewundene Dampfdurchlässe durch die Matten, die von der Flüssigkeit wegen ihrer nicht kapillaren Große nicht verschlossen werden. Der wesentliche üieil der Flüssigkeit wird um diese öffnungen herum entlang den Fäden oder Fasern abwärts geleitet.

Bei dieser Packung wird der Dampf gezwungen, eine Vielzahl enger Kanäle zu passieren, d.h., die Flüssigkeit bleibt als Film mit kleiner Phasenkontaktflache erhalten. , Weiterhin wird der Dampfdurchtritt durch die vielen I kleinen Kanäle erschwert und somit' der Druckveriust vergrößert. Separate Dampfdurchtrittsöffnung en liegen . j hier nicht vor. Nachteilig sind weiter die erhöhte ι

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Schmutzanfälligkeit durch die mehrfachen Schichten \ von Material mit nur kleinen Danpfdurchtrittsöffnungen, j der erhöhte Materialverbrauch, die instabilen, zusatz- ■ liehe Stützkonstruktionen erforderlich machenden liaterialelemente, die schwierige Montage der Mattenelemente übereinander, damit sie zwar in Kapillarberührung ·' aneinander liegen,'die nicht kapillaren öffnungen sich aber nicht gegenseitig verdecken und so die gewünschten Kanäle für den Dampfdurchtritt verschließer-.

Die durch Mo. Williams bekanntgewordene Packung (Spraypack) besteht aus einem einschichtigen durchlöcherten Werkstoff derartiger Anordnung, daß ein zellenförmigem Gefüge entsteht. Die Zellen haben ge- ^% neigte Wände und öffnungen darin, die ohne Gasbeaufl&Sung gexade noch durch die Flüssigkeit geschlossen werden können. Es wird zweckmäßig Streckmetall verwendet, dessen Stege im wesentlichen waagerecht verlaufen. Die öffnungen sind so ausgebildet, daß das Gas gezwungen . wird, plötzlich die Richtung zu ändern.

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Bei dieser Packung sind große dampfseitige Durchsätze nur bei geringer Belastungsbreite und bei geringer Trennwirkung auf Grund der beträchtlichen Größe der Zellen realisierbar. Zusätzlich tritt durch die Größe der Zellen ein Mitreißen in höher liegende Zellen ein. Dadurch entsteht Rückvermischung und als Folge davon verschlechtert sich die Trennwirkung. Zur Erzielung einer vorausberechneten Trennaufgabe wird bei Einsatz dieser Packung eine große Kolonnenhöhe erforderlich. V/eiterhin sind nur geringe Flüssigkeitsbelastungen möglich, da bei großen Flüssigkeitsmengen die Flüssigkeit an den.Zellenwänden nicht geführt werden kann, was ein trennwirkungsiainderndes Durchregnen bei ungleichmäßiger Gas~/Darapf- Flüssigkeitsverteilung zur Folge hat. Auf Grund der Größe der Zellen ist die Packung äußerst instabil. Der konstruktive Zusammenbau der Einzelelemente macht zusätzliche Haltekonstruktionen notwendig.

Eine bekannte Dampfflüssigkeitskontakteinrichtung bedteht aus -einer Mohrzahl struktureller Glieder, die zu einem Gitterlement beliebiger Größe zusammengesetzt ^v.erdeh. Die strukturellen Glieder sind grundsätzlich horizontal angeordnet. Dabei ist jedes Glied mit mehreren voneinander getrennten verstärkten Rippen und mit öffnungen versehen. Diese Öffnungen erstreckensich sowohl in den horizontalen als auch in den vertikalen Teil des Gliedes und sind durch schmale Stege voneinander getrennt.

Diese Kontakteinrichtung hat,wie bereits schon bei den oben angeführten Packungen erläutert, den gleichen Nachteil, das heißt, Die gewährleistet keine ausreichende Trennwirkung. Das ist da^in begründet, daß die Gas/ Dampfphase durch das Vorhandensein von nur großen öffnungen ungenügend in Kontakt zur Flüssigkeitsphase treten kann. Ss entsteht keine intensive Verwirbelung ,der Gas- bzw. Dampf/Flüssigkeitsphasen. Die Flüssigkeit

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selbst regnet auch bei versetzter Anordnung der Öffnungen über c^Ößere Strecken fast ungehindert durch. Da kein selbstbenetzendes Material verwendet wird, kann nicht der volle.Querschnitt der Stege der Gitterelemente für den Stoffaustausch und eine laufende Kontaktflächenerneuerung genutzt werden. '

.Ein entscheidender ökonomischer Nachteil der Kontakteinrichtung ist der hohe Materialaufwand, der durch den großen durch die öffnungen bedingten Verschnitt entsteht.

Zweck.-der Erfindung liegt in der Schaffung einer be-. züglich Materialaufwand, Herstellung und Montage öko- noraischen Hochleistungsaus-tauschpackung, die bei den verschiedensten Belastungen, großer Belastungsbreite I und geringem Druckverlust eine gute Trennwirkung ge- ' i währleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch zweck- ; entsprechende Ausrichtung und Gestaltung von Durchtrittsöffnung en für Gas/Dampf und Flüssigkeit in und zwischen den Packungseleinenten einen innigen Kontakt zwischen den fluiden Phasen herzustellen. ·

Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß Teile des formperforierten Grundmaterials der Einbauelemente in Form von geometrischen Flächen unter einem spitzen Winkel herausragen, wodurch zusätzliche Durchtrittsöffnungen entstanden sind. Die herausragenden Teile des Grundmaterials sind in ihrer Stellung zueinander gleichgerichtet und/oder gegengerichtet angeordnet. Dia einzelnen Einbauelemente sind zu einer Kolonnenpackung so kombiniert, daß die Orientierungsrichtung de^? formperforierten Durchtrittsöffnungen von Einbauelement zu Einbauelement sowohl in horizontaler als auch in veibikaler Ebene wechselt.

Die Fläche der herausragenden Teile aus dem Grundmaterial beträgt 20 bis 50% der Gesamtfläche des Grundmaterials.

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Die Formen der !flächen der herausragenden Teile sind insbesondere Rechtecke und/oder Dreiecke und/oder Halbkreise. Der spitze Winkel der herausragenden Teile des Grundmaterials liegt im Bereich voa 15 - 90° zum Grundmaterial;

Mit dieser Hochleistungsaustauschpackung wurde eine selbsttragende Kolonnenpackung geschaffen, die auf Grund der Wahl des Materials und seiner Verarbeitung und Anordnung weitestgehend bei Beibehaltung der vorzüglichen Trennwirkung und geringer Druckverluste den verschiedensten Trennaufgaben bzw. Belastungsoereichen angepaßt"werden kann. Diese breite Anpassungsfähigkeit * wird ohne zusätzlichen Materialaufwand, ohne jeglichen Verschnitt und ohne zusätzliche Werkzeuge erreicht.

Die Erfindung soll nachstehend an einer Reihe von Ausführungsbeispielen näher erläut'ert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 bia Fig. 5i Beispiele für Formen des abgebogenen

Grundinaterials in perspektivischer Ansicht.

Fig. 6: Teil eines Einbaueleinentes in per

spektivischer Ansicht.

Fig. 7i Einzelheit X aus Fig. 6. Fig. 8: Schnitt A-A aus Fig. 7.

Fig. 9* Anordnung mehrerer Einbaueleraente

gemäß Fig. 6 nebeneinander in perspektivischer Ansicht.

Fig. 10: Schnitt B-B aus Fig. 9 mit Darstellung

der Richtungsorientierung der formperforierten Durchtrittsöffnungen.

Fig. 11: Schnitt C-C aus Fig. 9-

Fig. 12: Ausschnitt aus einer Packung in perspektivischer Ansicht, bestehend aus mehreren nebeneinander und übereinander liegenden, gegeneinander versetzten Einbauelementen.

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Fig. 13* ' Mnen weiteren Ausschnitt aus einer Packung in perspektiviGcher Ansicht mit einer anderen Form der Linbaueleraente und der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen.

Fig« 14ί Ausschnitte aus einer Packung mit einer • anderen Anordnung der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen im Grundmaterial und .einer anderen-Anordnung der oilinbauelemente.

Die Erfindung beinhaltet eine Packung, die aus einer Vielzahl von Einbauelementen 1 zusammengesetzt ist. Die Einbaue!einente 1 bestehen aus formperforiertem plattenartigen abgebogenen Grundmaterial 2. Das Grundmaterial 2 kann zu verschiedenen geeigneten Profilforcen umgebogen i werden. Dazu zeigen die Figuren 1-5 Möglichkeiten der Profilgestaltung. Die verschiedenen Profilformen lassen sich aus der einfachen Grundform gemäß Fig. 1 beliebig zusammensetzen. Aus jig.-6 sind die herausragenden Teile des Grundmaterial 3 ersichtlich. Die Form der herausragenden Teile gemäß Fig. 6 kann die verschiedensten geometrischen Flächen haben. Dadurch besitzt jedes Einbauelement 1 zu den formperforierten Durchtrittsöffnungen 6 auf Grund der Perforation noch zusätzliche Durchtrittsöffnungen 5· Die herausragenden Teile des Grundmaterials 3 sind in einem spitzen Winkel zum Grundmaterialso angeordnet, daß in der Projektion auf das waagerecht liegende Einbauelement 1 die entstandenen zusätzlichen Durchtritts öffnungen 5 zum größten Teil abgedeckt sind. Die Fig. 6 zeigt eine Anordnung der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 5 und der herausragenden Teile 3 bei einem Einbauelement 1 in symmetrischer Reihenfolge. Es ist auch möglich, diese zusatz- , liehen Durchtrittsöffnungen 5 und/oder herausragenden Teile3versetzt zueinander anzuordnen.

Durch Kombination einer Vielzahl von Einbaueletnente:: in horizontaler und. vertikaler Sichtung entsteht eine komplette Kolonnenpackung. Fig. 9 zeigt die Anordnung

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von mehreren Einbauelementen 1 nebeneinander entsprechend Fig. 6, wobei die. herausrasenden Teile des Grundmaterials 3 <3-öf benachbarten Einbaueleraente 1 nicht miteinander fluchten. Es ist besondere, vorteilhaft, den Versatz der Einbauelernente 1 und die Anordnung und Größe der herausragenden Teile des Grundmaterials 3 so festzulegen, daß sich die herausragenden Teile 3 de*¹ benachbarten Einbauelemente 1 miteinander verklemmen und somit ein Verschieben der Einbauelemente 1 innerhalb dieser Lage verhindert wird. Die Orientierungsrichtung der fprmperforierten Durchtrittsöffnungen wechselt von Einbauelement 1 zu Einbauelement 1; es ist auch ein Wechsel innerhalb eines Einbauelementes 1 je nach Zuschnitt des Grundmaterials 2 realisierbar. Die horizontal und parallel aneinandergereihten zu einer Lage zusammengefaßten Einbauelemente 1 sind zu einer Koloimenpackung dergestalt komplettiert» daß eine Vielzahl von Lagen übereinander gepackt ist. Die Längsachsen der Einbauelemente 1 benachbarter Lagen verlaufen in Winkeln von O - 90° zueinander. In der Fig. 12 beträgt dieser Winkel 90°. Eine besondere Ausführu/agsform stellt Fig. 13 dar. Auf Grund der lockeren Anordnung der benachbarten Einbauelemente 1 ermöglicht diese Packung noch größere Durchsätze,-dabei wird auch hier ein freies Durchfallen von Tropfen verhindert. Entgegen allen bisher dargestellten Einbauelementen 1 sind die herausragenden Teile des Grundmaterials 3 in der Fig. nach innen gedrückt. Die Längsachsen der Einbauelemente benachbarter Lagen verlaufen parallel zueinander und die Profile gemäß Fig. 1 sind jeweils zu einem Viereck zusammengefügt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Hochleistungs-, austauschpackung ist wie' folgt:

Mit Inbetriebnahme der Kolonne wird die gesamte Packung durch die aufsteigenden und kondensierenden Dämpfe und durch die durch eine besondere Vorrichtung auf die

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Packung aufgegebene Rücklaufflüssigkeit benetzt. Die Flüssigkeit wird in gleichmäßiger Verteilung durch die erfindungsgemäße Gestaltung und Anordnung der Einbauelemente 1 nach unten geführt, ohne daß unbenutzte Gebiete oder stark mit Flüssigkeit beaufschlagte Zonen auftreten. Die bei Kolonnen mit bekannten Füllungen auftretende Randgängigkeit wird vermieden. Die herausragenden Teile des Grundmaterials 3 verhindern, das freie Durchfallen von Flüssigkeitstropfen. Gas- bzw. Dampf tritt boi Passieren der Packung von unten nach oben sowohl durch die formperforierten Durchtrittsöffnungen 6 im Grundmaterial 2, als auch durch die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 5· Durch die herausragenden Teile des Grundmaterials 3 geschaffenen zusätzlichen Durchtrittsöffnurigen 5 entsteht eine zusätzliche Verwirbelung der Phasen, wodurch der Dampfstrom nicht ungehindert senkrecht nach oben steigen kann, sondern laufend seine Bewegungsrichtung ändert, so daß ein horizontales Konzentrationsgefälle weitest-_# gehend vermieden wird.

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BAD ORIGtNÄ.

Claims

. Patentansprüche

{y. Hochleistungsaustauschpackung für Kolonnen, deren waagerecht angeordnete, länglich abgebogene und in Lagen übereinandergepackte parallele Einbauelemente aus formperforiertem plattenartigen Grundmaterial he— stehen, v/obei die Durchtrittsöffnungen im Grundmaterial richtungsorientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Grundmaterials (3) der Einbauelemente (1) in Form von geometrischen Flächen unter einem spitzen Winkel (4) herausragen, wodurch zusätzliche Dvr-chtrittsöffnungen (5) entstanden sind und.daß die heraussagenden Teile des Grundmaterials (3) in ihrer Stellung zueinandei gleichgerichtet und/oder gegengerichtet angeordnet sind und daß die einzelnen Einbauelemente (1) zu einer Eolonnenpackung so kombiniert sind, daß die Orientierungsrichtung der formperforierten Durchtrittsöffnungen (6) von .Einbauelement (1) zu Einbauelement (1) sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Ebene wechselt.
2. Hochleistungsaustauschpackung für Kolonnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der herausragenden Teile des Grundmaterials 3 20% bis 50^ der Gesamtfläche des Grundmaterials (2) beträgt.
3. Hochleistungsaustauschpackung für Kolonnen nacft Anspruch· und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formen der geometrischen Flächen der herausragenden Teile des Griind— materials (3) insbesondere Rechtecke und/oder Dreiecke und/oder Halbkreise sind.
4. Hochleistungsaustauschpackung für Kolonnen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel dor herausragenden Teile des Grundmaterial (3)

Grundmaterial (2) in Bereich von 15 "bis 90° liegt.

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