DE2331195A1 - Verfahren zur regelung von mehrstufigen stoffaustauschsaeulen mit variablen sprudelschichthoehen - Google Patents

Description

509 Leverkusen. Bayerwerk

Verfahren zur Regelung von mehrstufigen Stoffaustauschsäulen mit variablen Sprude!Schichthöhen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Sprudelschichthöhen in mehrstufigen Stoffaustauschsäulen mit in Abständen übereinander angeordneten Gasverteilerböden, tiei der die Kammern, die durch zwei übereinander liegende Gasverteilerböden gebildet werden, durch Rohre miteinander verbunden sind.

Der Zweck des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Sprudelschichthöhe in jeder Kammer der Stoffaustauschsäule unabhängig von den gewählten FlUssigkeits- und Gasbelastungen einstellen zu können. Dabei sollen Gas und Flüssigkeit sowohl im Gegen- als auch im Gleichstrom durch die Stoffaustauschsäule geführt werden können.

Die bisher bekannten mehrstufigen Stoffaustauschsäulen ( Blasensäulen) arbeiten mit weSgehend konstanten Sprudelschichthöhen in den einzelnen Kammern. Bei den im Gegenstrom betriebenen Säulen handelt es sich um Bodenkolonnen, in denen zur Erzielung hoher Sprudelschichten und damit großer Flüssigkeitsverweilzeiten die aus der Destillationstechnik bekannten Überlaufwehre hochgezogen sind. Für die Gleichstrom-Fahrweise sind Bodenkolonnen gebräuchlich, die keine Überlaufwehre oder Ablaufschächte aufweisen, so daß Flüssigkeit und Gas gemeinsam durch die Bodenöffnungen strömen müssen. Kennzeichnend für beide Fahr-

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weisenist das Fehlen einer zusammenhängenden, über die gesamte Kolonnenhöhe sich erstreckenden Flüssigkeitssäule.

In DPlP 335552 wird eine mehrstufige St off austauschsäule mit Siebböden beschrieben, bei der die einzelnen Kammern durch Ablaufrohre derart miteinander verbunden sind, daß über die gesamte Kolonnenhöhe eine zusammenhängende Flüssigkeitssäule gebildet wird. Bei einer Erhöhung der Gasbelastung sinkt die Sprudelschichthöhe ab und bei Erniedrigung der Gasbelastung nimmt die Sprudelschichthöhe zu; dieses gegenläufige Verhalten wirkt sich nachteilig auf den gewünschten Stoffaustausch aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an sich bekannte Stoffaustauschsäulen mit zusammenhängender Flüssigkeitssäule über die gesamte Säulenhöhe so zu regeln, daß in jeder Kammer üprude!Schichthöhen eingestellt werden können, die von den gewählten FlUssigkeits- und Gasbelastungen unabhängig sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Drosselorgan in jedes Verbindungsrohr zwischen den Kammern eingesetzt ist, das von der Druckdifferenz zwischen den Gaspolstern unterhalb der Gasverteilerböden zweier aufeinander folgender Kammern gesteuert wird.

Die mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei Belastungserhöhungen die Sprudelschicht erhöht und entsprechend bei Belastungserniedrigungen die Sprudelschichthöhe erniedrigt werden kann. Dieses Verhalten der Stoffaustauschsäule ist besonders dann von Vorteil, wenn für die flüssige Phase eine bestimmte mittlere Verweilzeit in der Kolonne eingehalten werden soll, beispielsweise dann, wenn die Stof!'austauschsäule ^Is chemischer Reaktor betrieben wird.

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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäöen Verfahrens ist in einer Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 Aufbau der Stoffaustauschsäule bei Gegen-

strombetrieb

Figur 2 Stoffaustauschsäule im Gegenstrombetrieb

zur Ableitung von Formeln

Figur 3 Aufbau der Stoffaustauschsäule im GIeich-

strombetrieb

Figur 4 Stoffaustauschsäule im Gleichstrombetrieb

zur Herleitung der Formeln

Figur 1 zeigt den Aufbau der Stoffaustauschsäule bei Gegenstrom von Gas und Flüssigkeit. Die Stoffaustauschsäule ist durch mehrere, in bestimmten Abständen übereinander angeordnete Gasverteiler-Böden 5 in Kammern unterteilt. Vorteilhafterwe ise füllen die Gasverteilerböden 5 den gesamten Querschnitt der Säule aus. Im stationären Zustand befindet sich in Jeder Kaaeer eine Sprudelschicht 1 und ein Gaspolster 2. Die Flüssigkeit wird der obersten Kammer über den Zulaufstutzen 3 zugeführt, während das Gas am unteren Ende der Stoffaustauschsäule über den Stutzen 4 eingeleitet wird.

Das Gas, welches die Säule von unten nach oben durchströmt, wird durch jeden Verteilerboden 5 dispergiert und tritt in intensiven Stoffaustausch mit der Flüssigkeit innerhalb einer jeden Sprudelschicht 1, bevor es sich vor jedem Verteilerboden 5 im Gaspolster 2 sammelt. Über den Stutzen 6 verläßt das Gas die Stoffaustauschsäule.

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Die Flüssigkeit, welche die Stoffaustauschsäule von oben nach unten durchströmt, gelangt über den Ablauf stutzen 7 und das Verbindungsrohr 8 jeweils in die darunterliegende Kammer, bis die Flüssigkeit die Stoffaustauschsäule über den Überlauf 9 verläßt. Die Gasverteilerböden sind so ausgelegt, daß ein Hindurchregnen der Flüssigkeit nicht möglich ist, so daß die Flüssigkeit allein über die Verbindungsrohre 8, welche mit Drosselgeräten 10 versehen sind, von Kammer zu Kammer geführt wird.

Anhand der Figur 2 wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Blasensäule im Gegenstrombetrieb aufgezeigt. Im stationären Zustand besteht zwischen dem Druckabfall in der Säulenachse 11 zwischen den Punkten 12 und 15 und dem Druckabfall im Verbindungsrohr 8 zwischen den Punkten 16 und 17 ein Gleichgewicht, so daß gilt:

0 ^A P₁₂-I₅ ^{= Δ}Ρΐ6-8-17

Der Druckabfall in der Säulenachse Δ P-I₂-15 setzt sich gemäß Gleichung

P_12-15 =^P_SP 12-13 ⁺-^ΛΡΒΟ₁₄

aus folgenden Anteilen zusammen:

Δρ _Sp = Hydrostatischer Druck der Sprudel ^12-13 Schichthöhe 12-13

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Δ P₃₀ = Druckverlust des Verteilerbodens ¹⁴ (Punkt 14)

Δ Pop

14-15 = Hydrostatischer Druck der Sprudelschichthöhe 14-15

Der Druckabfall im Verbindungsrohr 8 zwischen den Punkten 16 und 17 ¹^ p., ^ _{a 17} ergibt sich als Differenz aus dem

Ί O—O—I ( λ

hydrostatischen Druck der unbegasten Flüssigkeit^AP ,

*H6-8-17

dem Druckverlust infolge Rohrreibung \ρ_Οτ? sowie dem

> "-^B78^:5 Druckverlust an der Drosseiste lie-A

16-8-17

Somit gilt für das Druckgleichgewicht nach Gleichung

Da der hydrostatische Druck der Sprudelschichthöhe 18-12 angenähert derselbe ist,wie derjenige der Sprudelschicht höhe 14-15, gilt:

0Δρ = Δρ +

W SP ^SP1213

^SP12-13 14-15

12-13

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Darin stellt Ap_sp den hydrostatischen Druck der gesamten, in Betracht gezogenen Sprudelschicht dar.

Mit Gleichung (V) ergibt sich somit als Grundgleichung für das Druckgleichgewicht bei Gegenstrom-Fahrweise in der erfindungsgemäßen, mehrstufigen Stoffaustauschsäule:

+ t-iPr>ri —* - -i- Pttit ~* ' Pi3*n» "™ ' *Pt\d DZW ·

xjKJ Γ Xj rtii* LJix

- ^ΑΐΛ - . .^psp - ^Pre - ->

Für eine Diskussion der Funktionsweise der Säule ist es zweckmäßig, den Druckverlust Λ Pp^j der strömenden Flüssigkeit im Verbindungsrohr 8 zunächst außer Betracht zu lassen. Er kann überdies durch eine ausreichende Bemessung des Rohrdurchmessers der Verbindungsrohre 8 für alle auftretenden Flüssigkeit sbe lastungen vernachlässigbar klein gehalten werden:

= 0

7-8-3

Damit gilt:

Aus Gleichung \9j geht hervor, daß bei Gasbelastungserhöhungen, d.h. bei Erhöhungen des Druckverlustes im Gasverteile rboden Δ p_ß0 die Sprudelschichthöhe bzw. ihr hydrostatischer Druck Ap_Sp bei konstanter Stellung des Drosselgerätes = konst.) kleiner werden muß, da der hydrostatische

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Druck der unbegasten Flüssigkeit im Verbindungsrohr/\ „

bei gegebener Kammerhöhe eine Konstante darstellt. Ss wird aber auch deutlich, daß das Absinken der Sprudelschichthöhe verhindert werden kann, wenn der Druckverlust-Anstieg im Ga,-<verteilerboden durch eine Erniedrigung des Druckverlusts an der Drosselstelle _v\ p™, kompensiert wird. Darüber hinaus kann die Sprudelschichthöhe bzw. ihr hydrostatischer Druck —Pgp sogar - wie erwünscht - erhöht werden, wenn der Druckverlust an der Drosselstelle Λρ^ weiter verringert wird.

Umgekehrt kann bei Gasbelastungserniedrigungen, d.h. bei Verringerung des Druckverlustes im Gasverteilerbodenl.Pq₀ der hydrostatische Druck der Sprudelschicht ._p_Sp, d.h. die Sprudelschichthöhe durch Erhöhung des Druckverlustes an der Drosselstelle -Ipjjp - wie gewünsbht - gesenkt werden.

Änderungen in der Flüssigkeitsbelastung bewirken eine Änderung des Druckverlustes an der Drosselstelle .Λρ™. Wenn hier keine Neueinstellung des Drosselgerätes erfolgt, kann Gleichung [9j nur dadurch erfüllt werden, daß sich der Term .Λ Pgp d.h. die Sprudelschichthöhe ändert, und zwar erniedrigt sie sich bei Erhöhung der Flüssigkeitsbelastung und umgekehrt erhöht sie sich bei Verminderung der Flüssigkeitsbelastung. "Dies trifft auch zu, wenn der Druckverlust in den Verbindungsrohren SL Ptrg berücksichtigt wird. Da ein solches Verhalten der Stoffaustauschsäule la allgemeinen unerwünscht ist, kann durch geeignete Einstellungen des Drosselgerätes auch bei Erhöhungen bzw. Erniedrigungen der Flüssigkeitsbelastung die Sprudelschichthöhe so erhöht bzw. erniedrigt werden, daß die Flüssigkeitsvolumina in jeder Kammer den Verweilzeitforderungen entsprechen.

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Die Höhe des Überlaufes 9 folgt aus dem Druckgleichgewicht.

-20

^J20

^P22

worin bedeuten:

ÜP19-20

^p20
^ap21-22

P₂₂

= Druckverlust längs der Säulenachse 11 zwischen den Punkten 19 und 20

= Druck am Kopf der Säulßin Punkt 20

= Druckverlust im Überlauf zwischen den Punkten 21 und 22

= Druck am Überlaufende im Punkt 22

Aus Gleichung (io) ist ersichtlich , daß bei Änderungen der Flüssigkeits- und/oder Gasbelastungen wegen der daraus resultierenden Änderungen von ^P-iq_₂n (bei Konstanz von P₂₀ sowie P₂₂) der Druckverlust im Überlauf ,i P₂₁ 00 der veränderten Situation angepaßt werden muß.

Im folgenden wird nun an Hand von Figur 3 und 4 der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stoffaustauschsäule bei Gleichstrom von Gas und Flüssigkeit erläutert:

Die Stoffaustauschsäule selbst unterscheidet sich in ihrem Aufbau nicht von der bereits für die Gegenstromfahrweise ein-

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gehend beschriebenen Stoffaustauschsäule, bis auf die Ein- und Ausgänge für die Flüssigkeit. Gas und Flüssigkeit durchströmen die Säule von unten nach oben, wobei das Gas über den Stutzen 54 am unteren Ende der Säule und die Flüssigkeit über den Stutzen 53 der untersten Kammer der Säule zugeführt werden. Die Flüssigkeit, welche über die Verbindungsrohre von Kammer zu Kammer geführt wird, verläßt die oberste Kammer der Säule über den Stutzen 57 und den Überlauf 59. Das Gas strömt - wie bei Gegenstrombetrieb - nur entlang der Säulenachse 61 und verläßt die oberste Kammer durch Stutzen 56.

Anhand von Figur 4 wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stoffaustauschsäule mit Gleichstrom von Gas und Flüssigkeit aufgezeigt. Im stationären Zustand besteht hier zwischen dem Druckabfall in der Säulenachse 61 zwischen den Punkten 62 und 65 land dem Druckabfall im Verbindungsrohr 58 zwischen den Punkten 66 und 67 das Gleichgewicht

oder unter Vernachlässigung von Δ

© ^p₃₀ = ^PpL - Δρ_3Ρ + A

Im Unterschied zur Gegenstromfahrweise gemäß den Gleichungen (7jbzw. 9\ erhalten hier die Terme A¹E^ und /Ip₀₁₁ ein positives Vorzeichen. Da diese Terme nur von der Flüssigkeitsbelastung beeinflußt werden, zeigt die im Gleichstrom be-

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triebene Säule bei Gasbelastungsänaerungen im Hinblick auf die Sprudelschichthöhenänderung dasselbe Verhalten wie die im Gegenstrom arbeitende Säule. Dagegen verhält sie sich entgegengesetzt, wenn Änderungen in der Flüsssigkeitsbelastung vorgenommen werden. Änderungen am Drosselgerät selbst müssen demzufolge bei Gleichstrom-Fahrweise die entgegengesetzte Wirkung auf die Sprudelschichthöhenänderungen haben wie bei Gegenstromfahrweise.

Die Überlaufhöhe kann aus dem Druckgleichgewicht mitteIt werden:

er

^p65-70

= ÄF71-

71-72

^J72

Darin bedeuten:

Δ Ρ 65-70 ^p70

Δ Ρ71-72

P₇₂

Druckverlust längs der Säulenachse 61 zwischen den Punkten 65 und 70

Druck am Kopf der Säule im Punkt 70

Druckverlust im Überlauf zwischen den Punkten 71 und 72

Druck am Überlaufende im Punkt 72

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Aus Gleichung (ijj) geht hervor, daß die Überlaufhöhe hier (bei Gleichstromfahrweise) bei Konstanz von p_7Q und p₇p allein von dem hydrostatischen Druck der Sprudelschichthöhe in der obersten Kammer der Säule abhängt.

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Claims (2)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Regelung von Sprudelschichthöhen in mehrstufigen Stoffaustauschsäulen mit in Abständen übereinander angeordneten Gasverteilerböden, bei der die Kammern, die durch je wei übereinander liegende Gasverteilerböden gebildet werden, durch Rohre miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drosselorgan (10,60) in jedes Verbindungsrohr (8,58) zwischen den Kammern eingesetzt ist, das von der Druckdifferenz zwischen den Gaspolstern (2, 52) unterhalb der Gasverteilerböden (5, 55) zweier aufeinanderfolgenden Kammern gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Drosselorgan (10, 60) in jedes Verbindungsrohr (8, 58) zwischen den Kammern eingesetzt ist, das von der Höhe der Flüssigkeitssäule in der Kammer gesteuert wird.

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