DE2060178C3

DE2060178C3 - Grid-Austauschpackung für Kolonnen

Info

Publication number: DE2060178C3
Application number: DE19702060178
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Hoppe; Gerhard Dipl.-Ing. Krueger
Original assignee: VEB MASCHINEN- und APPARATEBAU GRIMMA DDR 7240 GRIMMA
Current assignee: VEB MASCHINEN- und APPARATEBAU GRIMMA DDR 7240 GRIMMA
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1970-12-08
Publication date: 1979-03-08
Also published as: CS170217B1; SU638353A1; CH559571A5; BE762261A; FR2086365A1; FR2086365B1; DE2060178B2; NL7017995A; PL81743B1; AT321865B; HU164079B; NL168713C; NL168713B; DE2060178A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Grid-Austauschpackung 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 Grid-Austauschpackung ist vorwiegend in Kolonnen möglich, in denen große Gas- bzw. Dampfvolumina bei sehr niedrigen Druckverlusten durchgesetzt werden müssen, z. B. 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, daß Zellen entstehen, in denen sich nur der Dampf bewegt, der durch besonders angebrachte nichtkapillare Offnungen durch die aus Kapillarmaterial bestehenden Zellenwände von Zelle zu Zelle strömen kann. Als Nachteil muß angesehen werden, daß die Phasen einander nicht durchdringen, sondern nur mittels Umlenkungen aneinander vorbeistreichen können. Es kann dadurch nicht der günstigste Trenneffekt erzielt werden. Dadurch, daß für den Damrjf nur bestimmte unveränderliche Öffnungen vorhanden sind, ist der Druckverlust höher und di? Belastbarkeit bzw. Belastungsbreite geringer. Das !zum Zwecke der Selbstbenetzung verwendete Kapillarmaterial neigt sehr zum Halten von Schmu'zpariikeln, so daß, wenn sich viele Kapillaröffnungen geschlossen haben, die Umwälzung des Films am Material wegfällt was dne Verkleinerung der für die Höhe der Trennwirkung entscheidenden Kontaktfläcbe bedeutet,
ίο Außerdem muß dann die Flüssigkeit die für den Dampfdurchtritt vorgesehenen Öffnungen benutzen, um von Zelle zu Zelle abwärtsströmen zu können.

Eine weitere bekannte Kolonnenpackung unterscheidet sich von der oben genannten nur dadurch, daß statt

Ii einschichtigem Kapillarmaterial ein doppelter Gaze-, Blech- oder Schichtkörper verwendet wird.

Auch diese Lösung bringt keine Verbesserung der verfahrenstechnischen Größen und hat im wesentlichen die bereits genannten Nachteile. Des weiteren wird die

2« Verschmutzungsanfälligkeit verstärkt und auf Grund des größeren Materialaufwandes die Packung verteuert Weiterhin ist eine Packung bekannt die aus einer Vielzahl übereinandergelagerter poröser Matten welliger Gestalt besteht wobei die Lücken jeder Matte die

2^r> Mulden der oberen Matten berühren, um ein Abwärtsströmen der Flüssigkeit durch die Packung zu ermöglichen. Jede Matte weist eine Vielzahl gewellter durchlöcherter Metallbleche in Kapillarberührung auf. Die Öffnungen in den Blechen sind größer als die

jo 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 Größe nicht verschlossen werden. Der wesentliche Teil 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 Phasenkontaktfläche erhalten.

4(i Weiterhin wird der Dampfdurchtritt durch die vielen kleinen Kanäle erschwert und somit der Druckverlust vergrößert. Separate Dampfdurchtrittsöffnungen liegen hier nicht vor. Nachteilig sind weiter die erhöhte Schmutzanfälligkeit durch die mehrfachen Schichten von Material mit nur kleinen Dampfdurchtrittsöffnungen, der erhöhte Materialverbrauch, die instabilen, zusätzliche Stützkonstruktionen erforderlich machenden Materialelemente, 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 verschließen.
Die durch Mc. Williams bekanntgewordene Packung (Spraypack) besteht aus einem einschichtigen durchlöcherten Werkstoff derartiger Anordnung, daß ein zellenförmiges Gefüge entsteht. Die Zellen haben geneigte Wände und Öffnungen darin, die ohne Gasbeaufschlagung gerade noch durch die Flüssigkeit

bo 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.

Bei dieser Packung sind große dampfseitige Durchsätze nur bei geringer Bclastungsbrcite 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. Weiterhin sind nur geringe f lüssigkeitsbelastungen möglich, da bei großen Hüssigkeitsmengen die Flüssigkeit an den Zellenwänden nicht geführt werden kann, was ein trennwirkungsminderndes Durchregnen bei ungleichmäßiger Gas-/Dampf- 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 besieht aus einer Mehrzahl struktureller Glieder, die zu einem Gitterelement beliebiger Größe zusammengesetzt werden. Die strukturellen Glieder sind grundsätzlich horizontal angeordnet. Dabei ist jedes Glied mit mehreren voneinander getrennten verstärkten Rippen und mit öffnungen versehen. Diese öffnungen erstrek· ken sich sowhl 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, sie gewährleistet keine ausreichende Trennwirkung. Das ist darin begründet, daß die Gas/Dampfphase durch das Vorhandensein von nur großen öffnungen ungenügend in Kontakt zur Flüssigkeitsphase treten kann. Es entsteht keine intensive Verwirbelung der Gas- bzw. Dampf/Flüssigkeitsphasen. Die Flüssigkeit selbst regnet auch bei versetzter Anordnung der Öffnungen über größere 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 genu'zt 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 bezüglich Materialaufwand, Herstellung und Montage ökonomischen Grid-Austauschpackung, die bei den verschiedensten Belastungen, großer Bclastungsbreite und geringem Druckverlust eine gute Trennwirkung gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch zweckentsprechende Ausrichtung und Gestaltung von Durchtrittsöffnungen für Gas/Dampf und Flüssigkeit in und zwischen den Packungselementen 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 Durchtrittsöffungen entstanden sind. Die herausragenden Teile des Grundmaterial sind in ihrer Stellung zueinander gleichgerichtet und/oder gegengerichtet angeordnet. Die einzelnen Einbauelemente sind zu einer Kolonnenpackung so kombiniert, daß die Orientierungsrichtung der formperforierten Durchtrittsöffnungen von Einbauelement zu Einbauelement in horizontaler Ebene wechselt.

Die Fläche der aus dem Grundmaterial herausragenden Teile beträgt vorzugsweise 20 bis 50% der Gesamtfläche des Grundmaterial. Die Form der Flächen der herausragenden Teile sind bevorzugt Rechtecke und/oder Dreiecke unci/oder Halbkreise. Der spitze Winkel zwischen den herausragenden Teilen und dem Grundmaterial kann im Bereich von 15—90° liegen.

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

Die Erfindung soll nachstehend an einer Reihe von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 bis 5 Beispiele für Formen des abgebogenen Grundmaterials in perspektivischer Ansicht,

F i g. 6 Teil eines Einbauelementes in perspektivischer Ansicht,

F i g. 7 Einzelheit X aus F i g. 6,
Fig.8Schnitt A-A aus Fig. 7,

Fig.9 Anordnung mehrerer Einbauelemente gemäß F i g. 6 nebeneinander in perspektivischer Ansicht,

Fig. 10 Schnitt B-B aus Fig.9 mit Darstellung der Richtungsorientierung der formperforierten Durchw trittsöffnungen,

F i g. 11 Schnitt C-Caus F i g. 9,
Fig. 12 Ausschnitt aus einer Packung in perspektivischer Ansicht, bestehend aus mehreren nebeneinander und übereinanderliegenden, gegeneinander versetzten Γι Einbauelementen,

Fi g. 13 einen weiteren Ausschnitt aus einer Packung in perspektivischer Ansicht mit einer anderen Form der Einbauelemente und der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen,

4(i Fig. 14 Ausschnitte aus einer Packung mit einer anderen Anordnung der zusätzlichen Durchtrittsöffnungen im Grundmaterial und einer anderen Anordnung der Einbauelemente.

Die Erfindung beinhaltet eine Packung, die aus einer ti Vielzahl von Einbauelementen 1 zusammengesetzt ist. Die Einbauelemente 1 bestehen aus formperforiertem plattenartigem abgebogenem Grundmaterial 2. Das Grundmaterial 2 kann zu verschiedenen geeigneten Profilformen umgebogen werden. Dazu zeigen die w Fig. 1—5 Möglichkeiten der Profilgestaltung. Die verschiedenen Profilformen lassen sich aus der einfachen Grundform gemäß F i g. 1 beliebig zusammensetzen. Aus F i g. 6 sind die herausragenden Teile (3) des Grundmaterials ersichtlich. Die Form der herausragen-T> den 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 (3) «ι des Grundmaterials sind in einem spitzen Winkel zum Grundmaterial 2 so angeordnet, daß in der Projektion auf das waagerecht liegende Einbauelement 1 die entstandenen zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 5 zum größten Teil abgedeckt sind. Die Fig. 6 zeigt eine h > Anordnung der zusätzlichen Durchii iUiöfinungen 5 und der herausragenden Teile 3 bei einem Einbauclemenl 1 in symmetrischer Reihenfolge. Es ist auch möglich, diese zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 5 und/oder herausra-

genden Teile 3 versetzt zueinander anzuordnen.

Durch Kombination einer Vielzahl von Einbauelementcn 1 in horizontaler und vertikaler Richtung entsteht eine komplette Kolonnenpackung. F i g. 9 zeigt die Anordnung von mehreren Einbauelementen 1 nebenc^aiid^. ^ntsprr.c'iend Fig. 6, wobei die heraussagenden Teile (3) des Grundmaterials der benachbarten Einbauelemeiile 1 nicht miteinander fluchten. Es ist besonders vorteilliafi, den Versatz dei binbauelemente J und die Anordnung und Größe der herausragenden Teile (3) des Grundmaterials so festzulegen, daß sich die herausragenden Teile 3 der benachbarten Einbauelcmente 1 miteinander verklemmen und somit ein Verschieben der Einbauelemente 1 innerhalb dieser Lage verhindert wird. Die Orientierungsrichtung der formperforierten Durchtrittsöffnungen wechselt von Einbauelement I 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 Kolonnenpackung dergestalt komplettiert, daß eine Vielzahl von Lagen übereinander gepackt ist. Die Längsachsen der Einbauelemente 1 benachbarter Lagen verlaufen in Winkeln von 0—90° zueinander. In der Fig. 12 beträgt dieser Winkel 90°. Eine besondere Ausführungsform 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 Einbauclemeiiten 1 sind die herausragenden Teile (3) des Gi'!."!Ü!.-iätrriais in der Fig. 14 nach ir.nen gedrückt. DL Längsachsen der Finbauclenvni.c 1 benachbarter Lagen verlaufen parallel zueinander und die Profile gemäß

^ri F i g. 1 sind jeweils zu einem Viereck zusammengefügt.

Hie Wirkungsweise der erfindunsgemäBen Grid-Austauschpackung is> wie folgt:

Mil Inbetriebnahme der Kolonne wird die gesamte Packung durch die aufsteigenden und kondensierenden

in Dämpfe und durch die durch eine besondere Vorrichtung auf die Packung aufgegebene Rücklaufflüssigkeit benetzt. Die Flüssigkeit wird in gleichmäßiger Verteilung durch die erfindungsgemäße Gestaltung und Anordnung der Einbauelemente I nach unten geführt, ohne daß unbenetzte Gebiete oder stark mit Flüssigkeit beaufschlagte Zonen auftreten. Die bei Kolonnen mit bekannten Füllungen auftretende Randgängigkeit wird vermieden. Die herausragenden Teile (3) des Grundmaterials verhindern das freie Durchfallen von Flüssig-

2(1 keitstropfen.

Gas- bzw. Dampf tritt bei Passieren der Packung von unten nach oben sowohl durch die formperforierten Durchtrittsöffnungen 6 im Grundmaterial 2, als auch durch die zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 5. Durch

2Ί die herausragenden Teile (3) des Grundmaterials geschaffenen zusätzlichen Durchtrittsöffnungen 5 entsteht eine zusätzliche Verwirbelung der Phasen wodurch der Dampfstrom nicht ungehindert senkrecht nach oben steigen kann, sondern laufend seine

so Bewegungsrichtung ändert, so daß ein horizontales Konzentrationsgefälle weitestgehend vermieden wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

5. Grid-Austauschpackung für Kolonnen, deren waagerecht angeordnete, länglich abgebogene und in Lagen übereinandergepackte parallele Einbauelemente aus formperforiertem plattcnartigcm Grundmaterial bestehen, wobei die Durchtrittsöffnungen im Grundmaterial richtungsorientiert sind, und die Orientierungsrichtung der formperforierten Durchtrittsöffnungen von Einbauelement zu Einbauelement in vertikaler Ebene wechselt, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (3) des Grundmaterials der Einbauelemente (1) in Form von geometrischen Flächen unter einem spitzen Winkel (4) herausragen, wodurch zusätzliche Durchtrittsöffnungen (5) entstanden sind, daß die herausragenden Teile (3) des Grundmaterials in ihrer Stellung zueinander gleichgerichtet und/oder gegengerichtet angeordnet sind und daß die Orientierungsrichtung der formperforierten Durchtrittsöffnungen (6) von Einbauelement (1) zu Einbauelement (1) in horizontaler Ebene wechselt
2. Grid-Austauschpackung für Kolonnen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der herausragenden Teile (3) des Grundmaterials 20% bis 50% der Gesamtfläche des Grundmaterials (2) beträgt
3. Grid-Austauschpackung für Kolonnen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Formen der geometrischen Flächen der herausragenden Teile (3) des Grundmaterials Rechtecke und/oder Dreiecke und/oder Halbkreise sind.
4. Grid-Austauschpackung für Kolonnen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (4) zwischen den herausragenden Teilen (3) des Grundmaterials und dem Grundmaterial (2) im Bereich von 15 bis 90° liegt