DE2121626A1

DE2121626A1 - Boden für Stoffaustauschkolonnen, insbesondere Ionenaustauschkolonnen

Info

Publication number: DE2121626A1
Application number: DE19712121626
Authority: DE
Inventors: Gerhard K. Dr.-Ing. 4300 Essen. P Kunz
Original assignee: GHH - MAN Technik, Gesellschaft für Anlagenbau mbH, 4300 Essen
Priority date: 1971-05-03
Filing date: 1971-05-03
Publication date: 1972-11-30
Also published as: DE2121626B2; FR2135196A1; FR2135196B1; IT950966B; JPS524265B1; US3802567A; DE2121626C3; GB1337715A

Description

Boden für Stoffaustauschkolonnen, 2121626 Insbesondere Ionenaustauschkolonnen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Boden für Stoffaustauschkolonnen, insbesondere Ionenaustauschkolonnen, bei welchen ein körniges Austauschermaterial im Gegenstrom zu einem Medium, wie Flüssigkeit oder Gas kontinuierlich einer Austauschraktion in bewegten Austauschschichten, insbesondere Wirbelschichten oder Fließschichten zugeführt wird und durch welchen Boden jeweils zwei Übereinanderliegende Reaktionsräume einer mindestens zwei Reaktionsräume aufweisenden Kolonne strömungstechnisch miteimnder verbunden sind, wobei der Boden zum einen enge Perforationen für das von unten nach oben steigende Medium, wie Flüssigkeit oder Gas und mindestens eine größere Durchtrittsöffnung für das von oben nach unten durch die Reaktionsräume rieselnde Austauschermaterial aufweist.

Es ist bekannt, Austauschreaktionen zwischen zwei Medien in sogenannten Austauschräumen, wie Kolonnen oder dergleichen durchzuführen und diese Austauschräume als eine oder ' mehrere Reaktionskammern auszubilden· Bei Anwendung von röhrenförmigen Kolonnen für derartige Austauschzwecke ist es ferner bekannt, die Reaktionskammern dadurch zu bilden, daß sie nach oben und unten durch Zwischenböden begrenzt werden. Um das Strömen der Medien von einem Reaktionsraum in den anderen zu ermöglichen, sind die hierfür verwendeten Zwischenböden mit Perforationen und Öffnungen für den Durchtritt der austauschenden Medien versehen.

Bei einer bekannten Austauscherkolonne dieser Art, bei der ein körniges Austauschermaterial im Gegenstrom zu einer zu behandelnden Flüssigkeit bewegt wird, sind die Reaktionskammern durch Einbau von mehreren Zwischenböden gebildet. Die Zwischenböden weisen die vorgenannte Perforation sowie Überströmrohre auf, von denen letztere so lang ausgebildet sind, daß deren Einlasse bis an die Wirbelzone des turbulent gehaltenen Ionenaustauschermaterials und deren Aus-

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lasse bis knapp über dem darunter liegenden Zwischenboden reichen. Durch diese Ausbildung der Überströmrohre wird der jeweils noch gut austauschfähige Ionenaustauscher in den unteren Bereich der Reaktionskammer eingeleitet, von welchem Bereich er aus, an der Reaktion teilnehmend, von unten nach oben steigt, um über die Einlaßöffnung des betreffenden Überströmrohres in den nächstliegenden Reaktionsraum und hier im Bereich dessen Bodens zu gelangen. Um dabei einerseits turbulente Wirbelschichten in den einzelnen Reaktionsräumen aufrechtzuerhalten und dadurch einen guten und relativ schnellen Austausch zwischen den Medien zu ermöglichen, sind je nach Größe der Austauschkolonne mehr oder weniger Überströmrohre an den Zwischenboden vorgesehen. Versuche haben hier ergeben, daß bei einem Kolonnendurchmesser von etwa 1,60 m etwa 24 Rohre an jedem Zwischenboden angebracht sind. Dies wird bei verschiedenen Austauschreaktionen und somit verschiedenen Kolonnenausführungen als aufwendig erachtet, dies umso mehr, wenn die Durchsatzleistung der Kolonne noch weiter gesteigert oder der Kolonnendurchmesser noch weiter vergrößert wird. (DBP 1 280 761)

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen Boden für derartige Austauschkolonnen zu schaffen, der sich nicht nur einfach gestalten läßt, sondern auch große Durchsatzmerigen, insbesondere für das körnige Ionenaustauschermaterial, ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Boden der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Durchtrittsöffnungen für das körnige. Austauschermaterial von¹ einem am-Boden anschließenden und nach unten weisenden Failschacht und einer das freie Ende dieses Schachtes ummantelnden Tasse Mt oberem und unterem Auslaß besteht.

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Durch diese Ausbildung des Bodens und hier insbesondere des jeweiligen Fallschachtes für das Austauschermaterial wird ein Boden geschaffen, der sich durch besondere Flachheit auszeichnet. Durch diese kurze Ausbildung des Fallschachtes und der an ihm anschließenden Tasse ist es möglich, die Austauschkammer einer Kolonne sehr einfach in eine größere Anzahl von Reaktionsräumen zu unterteilen, wodurch eine intensivere Durchmischung des Ionenaustauschermaterials mit dem zu behandelnden Medium, wie Flüssigkeit oder Gas bei Aufrechterhaltung einer beispielsweise turbulenten Wirbelschicht ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bodens ist darin zu sehen, daß in den einzelnen Reaktionsräumen keine ungenutzten Zonen verbleiben, so daß bei einer, wie bisher ausgeführt, gleich großen Austauschkolonne eine wesentlich höhere Durchsatzleistung ermöglicht wird. Hinzu kommt, daß durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Ablaufes, bestehend aus Fallschacht und Tasse, also der sogenannten Ablauftasse bzw. des Bodens ein gleichmäßiger Austauschraum in allen Reaktionskammern erhalten wird, so daß kaum Raumteile bestehen, in denen eine weniger intensive Austauschreaktion stattfindet. Versuche mit dem erfindungsgemäßen Boden haben ferner ergeben, daß durch das gleichmäßige Zugeben des Austauschermaterials von oben in eine Reaktionskammer und das gleichzeitige Abziehen des Materials aus der Kammer von unten eine gleichmäßige Dichte der Reaktionsschicht, z.B. der Wirbelschicht erreicht wird, was wiederum den Durchsatz einer gleich guten Produktqualität und somit einen guten Wirkungsgrad bedeutet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Fallschacht bis annähernd zum Boden der Tasse reicht und über Stege mit den Wandteilen der Tasse verbunden ist.

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Durch diese Ausbildung des Fallschachtes und somit der sogenannten Ablauftasse für den Ionenaustauscher wird ein Drosselorgan geschaffen, das den Ionenaustauscher nach unten durchläßt und das Aufsteigen der Flüssigkeit durch die Ablauftasse verhindert.

Außerdem besteht ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung darin, daß zwisehen dem Fallschacht und der Wand der Tasse ein mit der oberen und unteren Öffnung versehener Turbulenzraum vorgesehen ist.

Durch die Schaffung eines Turbulenzraumes im Austrittsbereich des Austauschermaterials aus dem Fallschacht wird eine Gegenströmung zur Austrittsströmung aufgebaut, durch die ein dosiertes Austreten des von oben nach unten fallenden Austauschermaterials ohne besondere Hilfsmittel ermöglicht wird. Dieser Turbulenzraum hat ferner den Vorteil, daß entsprechend dem Grad der Turbulenzbildung eine mehr oder weniger starke Ablaufströmung an Austauschermaterial ermöglicht wird, so daß der übertritt des Austauschermaterials von der einen Reaktionskammer in die darunterliegende durch die eigene Turbulenz der Wirbelschichten selbsttätig gesteuert sowie, die Rückvermischung dieser Austauschermasse mit der in der darüberliegenden Reaktionskammer verhindert wird.

Um die Ablauftasse einfach herstellen zu können, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung diese als Kunststoff spritzteil gefertigt sein, und zwar in der Art, daß der mit der Tasse über die Stege verbundene Fallschacht an seinem bodenseitigen Ende einen Flansch für dessen Befestigung an dem Boden aufweist.

Je nach Ausbildung der Austauschkolonne und somit auch deren Bodens können die in den Böden vorgesehenen Ablauf-

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tassen nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kreisförmige oder eckige Form aufweisen. Bei kreisförmiger Ausbildung der Ablauftassen und deren Fallschächte als Rundrohre und die daran anschließenden Tassen als Ringtassen ausgeführt. Bei entsprechender eckiger Ausbildung der Fallschächte sind diese vorzugsweise aus Vierkantrohren gefertigt, wobei die Rohre selbst quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen können.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung am Beispiel eines Bodens für Ionenaustauscherkolonnen schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch eine Austauscherkolonne mit zwei in dieser vorgesehenen Ablauftassen,

Fig. 2 einen vergrößerten Quermittelschnitt durch eine kreisförmige Ablauftasse in der Schnittebene I-I in Fig. 3,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Ablauftasse nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf eine rechteckige Ablauftasse in vergrößerter Darstellung.

In einer Kolonne 1, die dem Behandeln von beispielsweise Flüssigkeiten mittels eines körnigen Austauschermaterials 2 dient, sind mehrere Reaktionsräume 3 bis 5 vorgesehen, die von einigen, den eigentlichen Reaktionsraum der Kolonne unterteilenden, Zwischenböden 6 gebildet werden. Die Zwischenböden 6 weisen Perforationen 7 für die von unten nach oben steigende Flüssigkeit sowie mindestens je eine öffnung 8 für das von oben nach unten rieselnde, körnige Austau-

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schermaterial beispielsweise einen Ionenaustauscher 2 auf. Die für den körnigen Ionenaustauscher 2 vorgesehenen öffnungen 8 werden dabei von sogenannten Ablauftassen gebildet, von denen jede aus einem vom Zwischenboden 6 aus nach unten gerichteten Fallschacht 9 und einer diesen im Bereich dessen Austrittsendes ummantelnden Tasse z.B. einer Ringtasse 10 bestehen. Die Ringtasse 10, die vorzugsweise über Stege 11 mit dem Fallrohr 9 verbunden ist, weist an ihrem Boden 12 Durchtrittsöffnungen 13 für den Ionenaustauscher 2 auf, und es weist der Boden 12 selbst zwischen sich und dem Rand der Austrittsöffnung des Fallschachtes 9 einen freien Abstand auf. Analog diesem Abstand ist auch

fc ein weiterer Abstand zwischen den nach oben gerichteten Wänden 14 der Ringtasse 10 und dem Mantel des Fallschachtes 9 vorgesehen, und es ist dieser Abstand als sogenannter Wirbelraum 15 ausgeführt. Der mit der Ringtasse 10 verbundene und hier kreisförmig ausgeführte Fallschacht 9 der Ablauftasse weist vorzugsweise an seinem dem Zwischenboden 6 zugewandten Ende einen Ringflansch 16 auf, über den dieser Fallschacht, z.B. dieses Fallrohr 9 und mit ihm die Ablauftasse am Zwischenboden 6 befestigt sind. Die im Boden 12 der Ringtasse 10 vorgesehenen öffnungen 13 sind auf einem Teilkreis um die Mitte der Ringtasse verteilt angeordnet und sind so weit von dem Austrittsrand des Fallrohres 9 am Boden 12 der Ringtasse vorgesehen, daß ein Durchtritt des

" von oben nach unten fallenden Austauschers 2 erst nach erfolgter Umlenkung den Boden 12 der Ringtässe 10 verlassen kann. Auf diese Weise läßt sich eine Drosselung der Ablaufgeschwindigkeit des Austauschers 2 erzielen, die noch dadurch entsprechend dem Grad der Wirbelung im Wirbelraum 15 mehr oder weniger beeinflußt wird. Je nach Länge des Fallschachtes und somit Fallrohres 9 und mithin auch der Ablauftasse ist auch die Höhe der Wirbelschicht des Austauschers gegeben, wobei diese Höhe etwa mit dem Boden 12 der Ringtasse 10 abschließt. Die Ablauftasse, bestehend aus dem vorgenannten Fallrohr 9 und der an ihm verbundenen Ring-

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tasse 10 kann beispielsweise als Kunststoffspritzteil ausgeführt sein, welches sich über dessen Ringflansch 16 oder direkt am Zwischenboden 6 abstützt.

Die Wirkungsweise der Ablauftasse und somit der Kolonne 1 ist wie folgt: Durch einen Einlaß 17 im Bereich des Bodens 18 der Kolonne 1 wird das zu behandelnde Medium, z.B. die Flüssigkeit in einen Sammelraum 19 eingegeben, welcher Sammelraum nach unten durch eine durchgehende Bodenplatte geschlossen und nach oben durch einen perforierten Boden 20 offen ist. Die aus dem Sammelraum 19 in den ersten Reaktionsraum 5 der Kolonne 1 von unten nach oben aufsteigende Flüssigkeit wird in diesem Reaktionsraum mit einem von oben nach unten rieselnden Ionenaustauscher 2 in Kontakt gebracht, welcher über Kopf durch eine Leitung 21 der Kolonne 1 zugeführt wird. Dieser Ionenaustauscher 2 durchströmt die einzelnen Reaktionszonen 3 bis 5 von oben nach unten, wobei er im Gegensatz zu der von unten nach oben steigenden Flüssigkeit, welche durch die Perforation des Bodens 6 in die nächst höhere Reaktionskammer 4 bzw. 3 eintritt, die einzelnen Reaktionskammern durch die Öffnungen 8 der Fallrohre 9 nach unten verläßt. Der nach unten rieselnde Ionenaustauscher 2 gelangt über die Randöffnung des jeweiligen Fallrohres 9 und die einzelnen Öffnungen 13 im Boden 12 der Ringtasse 10 in die darunter liegende Reaktionskammer 4 bzw. 5, wo er einem erneuten Ionenaustausch mit der von unten nach oben fließenden Flüssigkeit unterworfen wird. Diese Austauschreaktionen zwischen Ionenaustauscher 2 und Flüssigkeit wiederholen sich entsprechend der Anzahl der Reaktionskammern 3 bis 5, wobei die Flüssigkeit stets durch die Perforation 7 in die jeweilige Reaktionskammer und der Ionenaustauscher 2 durch die Ablauftassen in diese gelangen. Je nach Größe der Kolonne 1 kann diese mit zwei oder mehreren Zwischenboden 6 sowie

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entsprechend drei oder mehreren Reaktionskammern 3 Ms 5 ausgestattet sein. Es ist auch nicht ausgeschlossen, daß bei entsprechendem Durchmesser der Kolonne 1 statt nur einer Ablauftasse im jeweiligen Zwischenboden 6 zwei oder mehr Ablauftassen an diesem vorgesehen sind. Versuche mit der erfindungsgemäßen Ablauftasse haben ergeben, daß bei einem Kolonnendurchmesser mit etwa 1,6m eine Ablauftasse im jeweiligen Zwischenboden 6 genügt, um die Kolonne 1 für eine Durchsatzleistung von etwa 600 l/h Austauschermasse auszulegen. Infolge ihrer flachen Ausbildung können die Ablauftassen sehr knapp unter dem jeweiligen Zwischenboden 6 vorgesehen werden, so daß ein wesentlich größerer Reaktionsraum 3 bzw. 4 bzw. 5 und somit an Reaktionshöhe gewonnen werden kann.

Die erfindungsgemäße Ablauftasse ist verständlicherweise nicht nur auf Ionenaustauschkolonnen, bei denen ein körniges Austauschermaterial verwendet wird, beschränkt, sondern sie läßt sich selbstverständlich auch für andere Reaktionen zwischen Flüssigkeiten oder Gasen und anderen körnigen Materialien verwenden. Andere körnige Materialien könnten Katalysatoren sein, die beispielsweise Reaktionen zwischen Gasen beschleunigen.

Für den Fall, daß die Ausführung der Kolonne 1 und somit der in dieser vorgesehenen Böden 6 auch andere Ausführungen von Ablauftassen zulassen, können statt der kreisförmigen Ablauftassen quadratische, rechteckige oder andere polygonale Ausführungen verwendet werden. Eine solche rechteckige Ablauftasse ist in Fig. 4 perspektivisch dargestellt. Diese Ablauftasse unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 2 und 3 dargestellten lediglich dadurch, daß hier eine rechteckige Ausführung von Fallschacht 9 und Tasse 10 gewählt wurde. Die Öffnungen 13 im Boden 12 sowie die Wände 14 mit den Stegen 11 sind, wie auch bei der vorbehandelten Ablauftasse, vorhanden. Diese rechteckige Ausführung der Ablauftasse ist besonders für hohe Durchsatzleistungen an Ionenaustauscher 2 geeignet. 209849/0918

Claims

PATENTAN SPRÜCHE

1. Boden für Stoffaustauschkolonnen, insbesondere Ionenaustauschkolonnen, bei welchen ein körniges Austauschermaterial im Gegenstrom zu einem Medium, wie Flüssigkeit oder Gas kontinuierlich einer Austauschreaktion in bewegten Austauschschichten zugeführt wird und durch welchen Boden jeweils zwei ubereinanderliegende Reaktionsräume einer mindestens zwei Reaktionsräume aufweisenden Kolonne strömungstechnisch miteinander verbunden

. sind, wobei der Boden zum einen enge Perforationen für das von unten nach oben steigende Medium und mindestens eine größere Durchtrittsöffnung für das von oben nach unten durch die Reaktionsräume rieselnde Austauschermaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (8) von einem am Boden (6) anschlies· senden und nach unten weisenden Fallschacht (9) sowie einer das freie Ende dieses Fallschachtes ummantelnden Tasse (10) mit oberem und unterem Auslaß (13) besteht.

2. Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fallschacht (9) bis annähernd zum Boden (12) der Tasse (10) reicht und über Stege (11) mit der Wand (14) der Tasse verbunden ist.

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3. Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fallschacht (9) und der Wand (14) der Tasse (10) ein mit der oberen und unteren Öffnung (13) versehener Wirbelraum (15) vorgesehen ist.

4. Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (13) im Boden (12) der Tasse (10) im Bereich der nach oben gerichteten Wand (14) liegen.

5. Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fallschacht (9) an seinem dem Zwischenboden (6) zugewandten Ende einen Flansch (16) aufweist und über diesen am Zwischenboden befestigt ist.

6. Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablauftasse, bestehend aus Fallschacht (9) und Tasse (10) als einstückiges Kunststoffspritzteil gefertigt ist.

7. Boden nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Fallschacht (9) und Tasse (10) kreisförmige Form aufweisen.

8. Boden nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Fallschacht (9) und Tasse (10) polygonale Form aufweisen.

9. Boden nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Fallschacht (9) und Tasse (10) rechteckige Form aufweisen.

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