DE2511358A1

DE2511358A1 - Fuellkoerper hoher porositaet fuer gas-fluessigkeits-kontakte und anwendungen solcher fuellkoerper

Info

Publication number: DE2511358A1
Application number: DE19752511358
Authority: DE
Inventors: Andre Abergel; Pierre Le Prof Goff; Michel Perrut
Original assignee: ERAP; Entreprise de Recherches et dActivites Petrolieres SA
Current assignee: ERAP; Entreprise de Recherches et dActivites Petrolieres SA
Priority date: 1974-03-15
Filing date: 1975-03-14
Publication date: 1975-10-09
Also published as: IT1034315B; FR2263809B1; BE826733A; OA04970A; CH591886A5; GB1476070A; FR2263809A1

Description

PATENTANWÄLTE DlETMCH LSWiNSKY

HcINZ-JOACHIM HUBER 8257

REINER PRIETSCH

MÖNCHEN 2! I₄. _{März 1975}

GOTTHARDSTR.81

ENTREPRISE DE RECHERCHES ET D¹ ACTIVITY'S

PETROLIERES (ELF) Paris, Rue N€laton 7 (Frankreich)

Füllkörper hoher Porosität für Gas-Flüssigkeits-Kontakte und Anwendungen solcher Füllkörper

Priorität aus der französischen Patentanmeldung Nr, 74 08843 vom 15. März 1974

Die Wirksamkeit des Gas-Flüssigkeits-Kontakts in einer Blasensäule ohne Füllkörper oder Hindernisse (Platten, Leitbleche .··) wird durch verschiedene hydrodynamische Erscheinungen begrenzt; die wichtigste Erscheinung ist das Koaleszieren der Blasen und die axiale Vermischung von Flüssigkeit und Blasen.

Die Blasenkoaleszenz führt zur Bildung von Gaspfropfen beträchtlichen Durchmessers, die wegen ihrer sehr geringen Kontaktfläche einen förmlichen Gaskurzschluß zur Folge

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haben. In Säulen von ausreichend kleinem Durchmesser» entsteht auf diese Weise ein förmglicher GasVerschluß.

Die axiale Vermischung der Flüssigkeit, die bei den Kontaktvorgängen die Höhe der Übergangsanlage umso mehr vergrössert, je größer der Durchmesser der Säule ist, kann die Wirksamkeit industrieller Absorptionssäulen von mehreren Metern Höhe auf die Wirksamkeit von Säulen mit einer einzigen theoretischen Stufe herabsetzen, Die axiale Vermischung hängt einerseits von der in der Flüssigkeit infolge des Gasdurchganges erzeugten Turbulenz ab und andererseits von der Mitnahme eines Flüssigkeitsstreifens durch die Blasen,

Um diese beiden Wirkungen, die am häufigsten die Wirksamkeit einer Blasensäule sowohl im Gleichstrom- wie im Gegenstromverfahren bis auf unzureichende Werte abfallen lassen, zu mildern, werden im allgemeinen Einbauten in Form von Füllkörpern unterschiedlicher Form verwendet: Raschigringe, Berlsattel, Pallringe ..., deren Porosität oder Hohlraumanteil im allgemeinen zwischen 55 und 80 % liegt. Bei Anwendung derartiger Einbauten läßt sich die Höhe der Übergangsanlagen herabsetzen, sie führt aber zu anderen Nachteilen,

Die Begrenzung der Durchgangsfläche der Fluide hat nämlich eine erhebliche Herabsetzung des maximal zulässigen Durchsatzes bei einer Gegenstrom-Strömung infolge Einengung der Säule zur Folge,

Wenn ausserdem die zu behandelnde Flüssigkeit Partikel in Suspension mitführt, oder wenn während des Kontakts derartige Teilchen ausfallen, können Verstopfungen der Füllkörper eintreten, die plötzlich eine Erhöhung des Druck-

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abfalls und eine Herabsetzung des zulässigen maximalen Durchsatzes zur Folge haben, was schließlich die Stilllegung des Geräts, seine Reinigung oder den Austausch der Füllkörper erforderlich macht.

Es können sich auch Vorzugsbahnen ausbilden, förmliche Flüssigkeits- und Gas-Kurzschlüsse, die die Wirksamkeit der Anlage erheblich herabsetzen.

Schließlich können die Füllkörper auch hohe Herstellungskosten verursachen, wenn man einen Werkstoff benutzen muß, der korrosionsfest gegenüber den in der Säule bewegten chemischen Produkten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten bei den nach einem Gleichstrom- oder einem Gegenstromverfahren bei eingeschlossenem Gas ablaufenden Gas-Flüssig-Kontakt-Vorgängen, d.h., wenn die Flüssigkeit die geschlossene Phase bildet, mit Hilfe einer neuen Art von Füllkörpern zu vermeiden.

Der erfindungsgemäße Füllkörper ist gekennzeichnet durch einen Aufbau aus zwei aufeinandergelegten und zu einem Rohr zusammengerollten Gitterschichten, von denen die eine als Träger betrachtet wird und eben ist, während die zweite waffeiförmig gepreßt, gefaltet oder gewellt ist.

Da diese Elemente sehr einfach und mit geringen Kosten anzufertigen sind, ist es möglich, mit ihrer Hilfe die Betriebssicherheit und die niedrigen Kosten der Blasensäulen und der Wirksamkeit von Füllkörpersäulen miteinander zu vereinigen.

Die beiden Gitterschichten können Maschen von beliebiger

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Form, quadratische, sechseckige oder sonstige Maschen aufweisen, wobei die Abmessungen der Maschen des Stützgitters gleich denen der waffeIförmigen, gefalteten oder gewellten Gitterschicht oder ungleich deren Abmessungen sein können.

Das Gitter kann geflochten oder geschweißt sein, und die Wahl richtet sich nur nach seiner Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Flüssigkeiten und Gasen, mit denen es in Berührung kommt· Das Gittermaterial wird ebenfalls im Hinblick auf seine mechanische Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit gewählt. Es kann aus Metall, aus Kunststoff oder aus kunststoffummanteltem Metall hergestellt werden. Bei Schuß und Kette des Gitters kann das eine Element aus Kunststoff oder kunststoffummanteltem Metall und das andere aus Metall bestehen, wobei in bestimmten Fällen die Benetzung noch verbessert werden kann. Die Formung des gefalteten, wabenförmig geformten oder gewellten Gitters erfolgt mechanisch nach schnellen und wirtschaftlichen industriellen Verfahren. Die Rohre lassen sich in allen zweckentsprechenden Abmessungen herstellen.

Man kann auch Rohre herstellen, deren Durchmesser sehr wenig grosser ist als der Durchmesser der zu beschickenden Säule. Die Elastizität der Rohre erlaubt ihren Einbau in die Säule ohne Schwierigkeiten, Ihr geringes Gewicht macht jede zusätzliche Staueinrichtung entbehrlich, und sie können in Schichten übereinander angeordnet werden.

Wenn sie kleine Abmessungen haben, kann man sie einfach in der Kolonne aufschichten.

Eine solche Art von Füllkörpern ist somit für jede Montage und für die Abmessungen jedes Austauschers oder Reaktionsgefäßes geeignet.

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Die erfindungsgemäßen Füllkörper haben somit, zusammengefaßt, die nachstehend aufgezählten Vorteile:

sehr einfache Herstellung von Elementen mit jedem Volumen und in allen Abmessungen.

- Sehr niedrige Herstellungskosten.

- Allen Säulen, Kolben, Rohrleitungen oder Reaktoren beliebiger Art, in denen ein Gas-Flüssig-Kontakt aufgebaut wird, leicht anzupassen.

Hohe Festigtet gegen Zusammendrücken und Verformung sowie ausgezeichnetes Verhalten beim Arbeiten bei hohen Temperaturen.

- Schließlich eine verbesserte Wirksamkeit gegenüber Blasensäulen ohne Füllkörper und gegenüber Blasensäulen mit Gitterringen als Füllkörper.

Diese Wirksamkeit ist auf eine Porosität des Geflechts zurückzuführen, die größer als 90 % ist und die eine sehr gute Verteilung des Gases herbeiführt, dessen Blasengröße über die gesamte Säulenlänge unverändert bleibt. Die Blasengröße hängt von den Abmessungen der Gittermaschen sowie den Maßen der gefalteten, waffeiförmigen oder gewellten Schichten ab. Im Gegensatz zu den Blasensäulen ohne Füllkörper tritt eine Koaleszenz der Blasen nur ganz beschränkt auf, denn die Blasen werden von den horizontalliegenden Gitterdrähten in viele Blasen mit kleinen Abmessungen zerteilt. Dadurch ergibt sich eine sehr merkbare Erhöhung der mittleren Austauschflächen, die umso größer ist je größer der Gasdurchsatz ist; das gilt für Gleichstrom- wie für Gegenstromvorgänge.

Die erfindungsgemäßen Füllkörper ermöglichen in einer vorgegebenen Säule ausserdem einen viel grösseren Gasdurchsatz als in füllkörperlosen Säulen, in denen der Durchsatz durch die Bildung von Gaspfropfen begrenzt ist.

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Schließlich ist festzustellen, daß diese Füllkörper eine Stabilisierung der beiden Phasen herbeiführen, indem die Turbulenz der flüssigen Phase und damit die sich daraus ergebende axiale Schwankung begrenzt wird.

Bei Vorgängen, die im Gegenstrom ablaufen, ist dieser Einfluß besonders stark und führt zur Erhöhung der Kontaktwirkung .

Die erfindungsgemäßen rohrförmigen Füllkörper lassen sich äusserst einfach herstellen.

Die Stützschicht besteht aus einem Gittergewebe aus Metall und/oder Kunststoff, das geflochten oder geschweißt ist. Die Maschen erhalten beliebige geometrische Gestalt, sie sind jedoch meistens quadratisch, rechteckig oder sechseckig, Ihre Abmessungen können zwischen 2 mm und 20 mm schwanken und liegen vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 mm.

Die auf die Stützschicht gelegte gefaltete, gewellte oder waffeiförmige Schicht kann aus dem gleichen Material oder einem anderen Material bestehen. Die Formgebung dieser zweiten Schicht wird mit Industriemaschinen bekannter Art vorgenommen, die kontinuierlich mit großer Geschwindigkeit in Schichten von 2 m Breite ein gewünschtes Profil herstellen. Fig. IA zeigt das Profil einer gefalteten Schicht, bei der die Abschnittslänge 1 der gebrochenen Linie zwischen dem Zweifachen und dem Fünffachen der Maschengröße schw«nkt und bei einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 5 und mm liegen kann. Der Winkel Qi der gebrochenen Linie variiert zwischen 30° und 150°, vorzugsweise zwischen 75° und 105°.

Fig. IB gibt das Profil einer gewellten Schicht wieder. In

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diesem Fall variiert die Amplitude a der Verformung in einem Verhältnis 1/8 bis 1 mit dem Abstand m zwischen zwei aufeinanderfolgenden, in die gleiche Richtung zeigenden Wellenbergen.

Die geformte Schicht wird auf die Stützschicht gesetzt. Das Ganze wird aufgewickelt! wie es in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist.

Die auf diese Weise hergestellten Rollen haben folgende Eigenschaften:

- eine mehr als 90 % !«tragende Porosität.

- Hohe mechanische Festigkeit.

- Bemerkenswerte Elastizität, wodurch das Einfüllen von Füllkörpern erleichtert und ein Zusammendrücken der Füllkörperschichten vermieden wird,

- Geringes Gewicht.

- Eignung als Füllkörper für Säulen und Reaktoren aller Abmessungen und beliebiger Form.

Bezüglich dieser letztgenannten Eigenschaft läßt sich genauer sagen, daß die Rollen mit großen Abmessungen und mit einem Durchmesser, der etwas größer als der der zu füllenden Säule ist,durch Zusammendrücken in die Säule eingeführt werden, und daß für den Einbau dieser Füllkörper dank ihrer Elastizität und ihres geringen spezifischen Gewichts keine besonderen Montierungen benötigt werden. Sie können nötigenfalls aufeinandergestapelt werden.

Bei Säulen mit großem Durchmesser, Kolben oder sonstigen Reaktoren unterschiedlicher Form werden zur Füllung kleine Füllkörperrohre übereinandergesetzt·

Die Wirksamkeit der erfindungsgemäJ&en Füllkörperelemente

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läßt sich besser anhand der nachstehenden Beispiele erläutern; die Anwendung solcher Füllkörper erstreckt sich auf alle Vorgänge mit Gas-Flüssig-Kontakt, die nach einem Gleichstrom- oder einem Gegenstromverfahren arbeiten und bei denen die Flüssigkeit die geschlossene Phase darstellt.

Beispiel 1

Bei einer als Dispersionssäule bezeichneten Säule von 292 mm Durchmesser wird im Gegenstrom Wasser als geschlossene Phase an einer aus Luft, die Kohlenstoffanhydrid mitführt, bestehenden gasförmigen Phase vorbeigeführt. Es werden Vergleichsmessungen des mittleren Blasendurchmessers, der Größe der Austauschfläche und der Transportleitung in folgenden Fällen angestellt:

1) in der Säule befinden sich keine Füllkörperelemente.

2) In der Säule befinden sich Gitterringe der in Fig. 3 gezeichneten Art, bestehend aus einem Gitter aus nichtrostendem Stahldraht mit geflochtenen, nicht verschweißten Drähten von 0,970 mm Durchmesser in quadratischen Maschen von 4,55 mm, bei einer dem Durchmesser des Gitterringes gleichen Höhe von 30 mm.

3) In der Säule befinden sich erfindungsgemäße Rollen von 300 mm Durchmesser und 400 mm Höhe aus einem Stützgewebe mit quadratischen Maschen von 10 mm aus einem Draht von 0,5·0 mm aus nichtrostendem Stahl und einem gefalteten Gewebe aus gleichem Werkstoff (vgl. Fig. 4). Das der Darstellung in Fig. IA entsprechende Profil des gefalteten Gewebes besitzt eine Länge 1 von 25 mm und einen Abstand von 30 mm zwischen zwei aufeinanderfolgenden Faltungskanten,

Aus den Kurven der Fig,5 läßt sich die Wirkung eines Füllkörpereinbaüs auf den mittleren Blasendurchmesser entnehmen_#

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und zwar zeigt sich für eine Durchlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit von V₁ = 1,62 cm/see in der Säule, daß der in Ordinatenrichtung aufgetragene mittlere Blasendurchmesser eindeutig kleiner ist bei einer Säule, die mit röhrenförmigen Füllkörpern (Kurve T) ausgestattet ist, wo er sich zwischen etwa 0,20 und 0,28 cm bewegt. Bei einer mit Gitterringen versehenen Säule (Kurve A) variiert der Blasendurchmesser zwischen 0,28 und 0,32 cm. Die füllkörperfreie Säule (Kurve V) zeigt einen mittleren Blasendurchmesser, der zwischen 0,30 und 0,35 cm variiert. Die Durchtrittsgeschwindigkeit des Gases Vg in cm/sec ist in Abszissenrichtung aufgetragen.

Die mittlere Größe a der Austauschfläche für Flüssigkeitsdurchtrittsgeschwindigkeiten zwischen 0 und 1,6 2 cm/sec zeigt ebenfalls die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Füllkörper, In Fig. 6, in der in Ordinatenrichtung die Austauschflächen in cm" und in Abszissenrichtung die Gasgeschwindigkeiten aufgetragen sind, entspricht die Kurve T den genannten Füllkörpern und zeigt, daß sich mehr als 5 cm" große Austauschflächen erreichen lassen, während die Kurven A bzw. V, die einer mit Gitterringen gefüllten bzw. einer füllkörperfreien Säule entsprechen, ein Maximum in der Gegen von ■+ aufweisen. Diese Verbesserung ist umso deutlicher, je höher die Fluiddurchsätze sind. Wenn der Gasdurchsatz Vg erhöht wird, so bildet sich in den Säulen A und V eine, pfropf artige instabile Strömung aus, die keine Messung der Austauschfläche erlaubt, während die beanspruchten Füllkörper mit hoher Porosiöt zu einer stabilen Strömung mit kleinen Blasen führen.

Messungen der Absorption von Kohlensäuregas in Wasser haben ausserdem gezeigt, daß die Gesamtübergangsleistung K_a deutlich stärker ist, wenn eine Säule mit Füllkörperröhren mit

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hoher Porosität ausgerüstet ist, verglichen mit einer füllkörperfreien Säule (dargestellt in Fig. 7). In Fig. 7 ist als Abszisse die Gasgeschwindigkeit V_n in cm/see und

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als Ordinate die Gesamtübergangsleistung K_La in see aufgezeichnet, wobei die Flüssigkeitsgeschwindigkeit zwischen 0 und 1,62 cm/see gehalten ist.

Die Erhöhung der Gesamtübergangsleistung wird durch die Tatsache erklärt, daß die Austauschfläche y größer ist und andererseits der Übergangskoeffizient in der füllkörperbeschickten Säule immer etwas grosser ist wegen einer besseren Erneuerung der Austauschflächen.

Ausserdem haben diese Messungen gezeigt, daß die neuen Füllkörper mit hoher Porosität die AxialVermischung deutlich zu begrenzen gestatten und damit die Wirksamkeit um ein beträchtliches Maß heraufsetzen. Daraus ergibt sich, daß die Höhe der Übergangseinheit gegenüber den nicht mit Füllkörpern oder mit Füllkörpern bekannter Art versehenen Einheiten herabgesetzt werden kann.

Beispiel 2

Ozonisierung von phenolhaltigen Abwässern.

Nach dem in der französischen Patentanmeldung 7H 0395 6 vom 6. Februar 1974 der Anmelderin beschriebenen Verfahren zur Ozonisierung von phenolhaltigen Abwässern (Bezeichnung; "Industrielles Verfahren zur Behandlung von phenolhaltigen Gewässern mit Ozon") wird eine Säule von 2,50 m Höhe und 0,1 m Durchmesser verwendet, um ein Raffinerieabwasser, das 1 bis 5 ppm Phenol enthält, zu behandeln. Wenn die Säule keine Füllkörper enthält und im Gegenstrom zwischen Gas und Flüssigkeit arbeitet, ist der maximal nutzbare Durchsatz von mit

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Ozon angereicherter Luft annähernd unabhängig von dem Flüssigkeitsdurchsatz und beträgt größenordnungsmässig 800 l/h, und die Ozonverluste liegen bei etwa 8 %. Bei höherem Durchsatz koaleszieren die Blasen schnell und bilden Pfropfen, und der Ozonverlust ist dann etwa 20 bis 30 %. Werden Füllkörper in Rohrform mit großer Porosität benutzt, die ein quadratisches Maschenbild mit 7 mm Seitenlänge, 1=2 cm, CfC = 90°, aufweisen, so kann man mit einem Gasdurchlaß von 2000 l/h bei einem Ozonverlust in der Größenordnung von nur 4 % arbeiten, wobei der Flüssigkeitsdurchsatz im gleichen Verhältnis wie der Gasdurchsatz erhöht werden kann. Ee ergibt sich also sowohl eine deutliche Zunahme des maximalen Gasdurchsatzes als auch eine Zunahme der Wirksamkeit.

Beispiel 3

Blasen von Bitumen.

Die Qualität des Bitumens wird durch Einblasen von Luft, die eine Oxydation von bestimmten Molekülen und eine Verbesserung der Härte des Erzeugnisses herbeiführt, verbessert.

Die Anwendung von Ftillkörpern der in Beispiel 2 beschriebenen Art führt zu einem deutlich verbesserten Produkt, wobei der gleiche Luftdurchsatz und die gleiche Verweildauer des Bitumens in der Blassäule beibehalten werden. Diese Produktgüte läßt sich erzielen, indem zweimal weniger Luft je Kilogramm des behandelten Bitumens eingeblasen wird als in eine füllkörperfreie Säule. Bei der Anwendung von Füllkörpern mit hoher Porosität sind die VerkokungsSchwierigkeiten beseitigt, die im allgemeinen die Anwendung von Füllkörpern bei diesem Vorgang ausschlossen.

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Es ist festzustellen, daß die Füllkörper gemäß der Erfindung, mit hoher Porosität, die leicht und billig herzustellen sind und in allen Säulen oder Reaktionsgefäßen ohne besondere Haltevorrichtungen angeordnet werden können, die Wirksamkeit des Kontakts zwischen einem blasenartig in einer Flüssigkeit dispergiertem Gas bei einem Gleichstromvorgang oder einem Gegenstromvorgang zwischen Flüssigkeit und Gas deutlich erhöhen, und zwar bei allen Absorptions- oder Desorptionsvorgängen sowie bei Mitführungsvorgängen, die sich zwischen Gas und Flüssigkeit abspielen, wobei eine chemische Reaktion ablaufen kann aber nicht ablaufen muß und Wärme übertragen werden kann, aber nicht übertragen werden muß.

P aten tansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1, Füllkörper hoher Porosität für im Gleichstrom oder im Gegenstrom stattfindende Gas-Flüssig-Kontakte, einschließlich chemischer Reaktionen,

dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei aufeinanderliegenden Gitterschichten bestehen und zu einem Rohr aufgerollt sind, wobei die eine Schicht als Stützschicht betrachtet wird und flach ausgeführt ist, während die zweite Schicht mechanisch vorgeformt ist.

2, Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzdchnet, daß die mechanisch vorgeformte Schicht gefaltet, gewellt oder waffeiförmig nach einem Profil ausgeführt ist, dessen Form und Abmessungen vorbestimmt sind.

3, Füllkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gefaltete Gitterschicht ein Profil aufweist, bei dem die Länge des Schrägteils der gebrochenen Linie zwei- bis fünfmal so groß ist wie die Größe der Gittermasche.

¹W Füllkörper nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel an der Spitze der gebrochenen Linie des Profils zwischen 30 und 150° variiert.

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5. Füllkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellte Gitterschicht ein sinusförmiges Profil aufweist, dessen Amplitude im Verhältnis 1/8 bis 1 mit dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen, die in die gleiche Richtung zeigen, variiert.

6, Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gitter, aus denen der Füllkörper besteht, aus Metalldraht oder Kunststoffdraht hergestellt sind, geflochten oder geschweißt sind und beliebige, meistens quadratische oder sechseckige Maschen bilden, wobei die Maschengröße zwischen 2 mm und 20 mm, vorteilhafterweise zwischen 5 mm und 15 mm variiert.

Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterschichten, aus denen der Füllkörper besteht, aus einem beliebigen Metall oder Kunststoff hergestellt sind, das oder der beständig gegenüber den chemischen Stoffen ist, mit denen die Füllkörper in Berührung kommen.

8, Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörperrohre in allen Abmessungen herstellbar sind, die den Säulen und Reaktionsgefäßen angepaßt sind, und daß sie in jeder Weise übereinandergeschichtet werden können.

9, Anwendung von Füllkörpern nach Anspruch 1 für alle Vor-

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gänge, bei denen ein Gas in Form von Blasen innerhalb einer Flüssigkeit dispergiert ist, und die im Gleichstrom oder im Gegenstrom ablaufen, bei Absorptions- und Desorptionsvorgängen sowie bei chemischen Reaktionen,
insbesondere an phenolhaltigen Wässern und zum Blasen von Bitumen.

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