DE2554789B2 - Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit, der eine runde Scheibe mit Schlitzen zum Durchströmen von Gas darstellt, deren Ränder bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlen des durch die Schlitze durchströmenden Gases tangential zur Scheibe und unter einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche und in einer Richtung leiten. Derartige Kontaktböden werden in Rektifikations-, Absorptions-, Wasch- und vertikalen Kontaktkolonnen eingesetzt, in denen eine Flüssigkeit von oben nach unten strömt und mit einem Gas in Berührung kommt, das in der Kolonne nach oben steigt.

Der vorgeschlagene Kontaktboden kann besonders zweckmäßig in Stoffaustauschkolonnen zur Trennung ίο thermisch unbeständiger, polymerisierender Gemische beziehungsweise solcher Gemische eingesetzt werden, die zum Verlaufen von unerwünschten chemischen Reaktionen in denselben neigen, d. h., wenn eine geringe Verweilzeit von Flüssigkeit in einem Apparat erforderlieh ist.

Es ist ein Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit bekannt, der eine runde Scheibe mit Schlitzen zum Durchströmen w von Gas darstellt, deren Ränder bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die durch die Schlitze strömenden Gasstrahlen tangential und unter einem gewissen Winkel zur Scheibe und in einer Richtung leiten (siehe US-PS 30 45 989). Diese bekann- « ten Kontaktböden zeichnen sich durch eine einfache bauliche Gestaltung, einen geringen Metallaufwand und einen niedrigen Strömungswiderstand aus. Im Kolonnenapparat sind die Böden übereinander angeordnet, und die Flüssigkeit gelangt vom jeweils höher liegenden Boden in ein zentrales Aufnahmegefäß des Bodens und wird von den tangential gerichteten Gasstrahlen, die im Kolonnenapparat nach oben steigen und durch die im Boden angeordneten Schlitze hindurchströmen, mitgerissen und führt infolge des Zusammenwirkens mit dem Gas eine von der Mitte des Bodens zum Umfangsbereich gerichtete radiale Kreisbewegung aus, von wo sie in eine ringförmige Tasche abfließt, die im Umfangsbereich des Bodens vorgesehen ist, aus dieser gelangt die Flüssigkeit dann auf den tiefer liegenden Boden und so weiter.

Der bekannte Kontaktboden gestattet es, hohe Belastungen an Flüssigkeit und Gas zu verwenden, wobei ein enger Kontakt von Phasen und eine hohe Wirksamkeit von Wärmeübergang und Stoffaustausch zwischen den Phasen gewährleistet wird.

Die bekannten Kontaktböden sichern jedoch einen wirksamen stabilen Betrieb des Apparates lediglich in einem engen Bereich der Belastungen durch Gas und Flüssigkeit und gewährleisten keine gleichmäßige Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsströmen über den gesamten Bodenquerschnitt, was zu einer Wellenbildung des sich drehenden FlUssigkeitsstromes, und als Folge dessen zu einem starken Absinken der Wirksamkeit des Stoffaustausches führt. Diese Nachteile bekannter Kontaktböden werden mit Vergrößerung des Kolonnendurchmessers besonders spürbar.

Wegen der genannten Nachteile haben die erwähnten Kontaktböden keinen breiten Einsatz in der Industrie gefunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit zu entwickeln, der einen wirksamen stabilen Betrieb des Apparates i:> einem breiten Bereich von Belastungen durch Gas und Flüssigkeit, und eine gleichmäßige Verteilung von Gas- und Flüssigkeitsströmen über den gesamten Bodenquerschnitt ermöglicht, wodurch die Wirksamkeit des Stoffaustausches erhöht und eine reale Steigerung der Wirksamkeit des Wärmeüberganges und des Stoffaustausches des Kontaktbodens mit Vergrößerung des Kolonnendurchmessers gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit, der eine runde Scheibe mit Schlitzen zum Gasdurchströmen darstellt, deren Ränder bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die durch die Schlitze durchströmenden Gasstrahlen tangential zur Scheibe und unter einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche und in einer Richtung leiten, erfindungsgemäß an der Seite der Scheibe, die zur Aufnahme von Flüssigkeit vorgesehen ist, Prellplatten befestigt sind, die in Form der Archimedes-Spirale gebogen sind, und die von der Mitte der Scheibe auseinandergehen und zu derjenigen Seite gedreht sind, die der durch die bogenartigen Schirme gewährleisteten Richtung der Gasstrahlen entspricht.

In dem erfindungsgemäßen Kontaktboden wird durch die Prellplatten eine zusätzliche Turbulenz von Gas und Flüssigkeit, eine Flüssigkeitsdispergierung sowie eine Vergrößerung und mehrfache Erneuerung der Zwischenphasenoberfläche erreicht, was zur Intensivierung des Wärmeübergangs und des Stoffaustausches zwischen den Phasen und zur Steigerung der Wirksamkeit des Wärmeübergangs und des Stoffaustausches zwischen den Phasen führt. Außerdem wird durch die Wirkung der Prellplatten eine Wellenbildung des sich drehenden Flüssigkeitsstromes verhindert.

Die Ausführung von Prellplatten in Form von Archimedes-Spiralen sichert eine konstante Frontbreite des sich drehenden Flüssigkeitsstromes zwischen angrenzenden Prellplatten, was zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeits- und Gasströme über den gesamten Querschnitt des Kontaktbodens beiträgt und

Eur Steigerung der Wirksamkeit des Prozesses führt.

Durch Änderung der Parameter der Archimedes-Spi ■ tale und der Höhe der Platten kann die vorgegebene Wirksamkeit des Wärmeüberganges und des Stoffaustausches zwischen den Phasen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Belastungen nach Gas und Flüssigkeit vorausbestimmt werden. So kann zum Beispiel bei sehr geringen Belastungen nach Flüssigkeit und hohen Gasgeschwindigkeiten (unter Bedingungen der Vakuumrektifikation) mit Hilfe der in Form von Archimedes-Spiralen mit vorgegebenen Parametern gestalteten Prellplatten die Wirksamkeit des Stoffaustausches des Kontaktbodens (Wirksamkeit nach Merfri) um das 1,3-bis 5-fache gegenüber der Variante ohne Prellplatten gesteigert werden. Gleichzeitig damit wird bei sehr großen spezifischen Belastungen nach Flüssigkeit und geringen Gasgeschwindigkeiten (unter Bedingungen einer extraktiven Rektivikation), sofern die kinetische Energie von Gas für ein Torsionsfreimachen der Flüssigkeit unzureichend ist, mit Hilfe der in Form der Archimedes-Spirale mit vorgegebenen Parametern gestalteten Prellplatten ein zusätzliches Torsionsfreimachen der Flüssigkeit in horizontaler Ebene gesichert, wodurch ebenfalls ihre gleichmäßige Verteilung über den gesamten Querschnitt des Kontaktbodens und eine Steigerung der Wirksamkeit des Wärmeüberganges und des Stoffaustausches zwischen Gas und Flüssigkeit gefördert wird. Im weiteren wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es zeigt

F i g. 1 den erfindungsgemäß in einen Kolonnenapparat eingebauten Kontaktboden im Längsschnitt.; F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der F i g. 1; F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie IH-III der F i g. 2, im vergrößerten Maßstab;

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 2, im vergrößerten Maßstab.

Der Kontaktbeden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit stellt eine mit Schlitzen zum Durchströmen von Gas versehene runde Scheibe 1 (F i g. 1 und 2) dar, deren Ränder bogenartige Schirme 2 aufweisen (Fig. 1, 2, 3 und 4). Die bogenartigen Schirme 2 sind so angeordnet, daß die durch die Schlitze strömenden Gasstrahlen tangential zur Scheibe 1 (F i g. 2) und unter einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche und in einer Richtung geleitet werden. Dabei sind, aus Erwägungen einer bequemen Fertigung beim Stanzverfahren, die Schlitze mit den bogenartigen Schirmen 2 an der runden Scheibe 1 zweckmäßigerweise nach konzentrischen Kreisen anzuordnen.

Die Schlitze können auch anders, zum Beispiel schachbrettartig angeordnet werden, aber auch dann in der Weise, daß die Strahlen des durch die Schlitze strömenden Gases tangential zur Scheibe 1 und unter einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche gerichtet werden.

Bei jeder beliebigen Anordnung der Schlitze mit den bogenartigen Schirmen 2 an der runden Scheibe 1 sollen jedoch gleiche Abstände zwischen den Schlitzen sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung der Scheibe zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung von Gas über den gesamten Querschnitt des Kontaktbodens und einer symmetrischen Verteilung der Gas- und Flüssigkeitsströme auf der runden Scheibe 1 eingehalten werden.

Die runde Scheibe 1 ist an Auflagerringen 3 und (Fig. 1) befestigt. In der Mitte des Kontak'bodens ist ein zentrales Aufnahmegefäß 5 angeordnet, in welches die aus dem höher liegenden Kontaktboden kommende Flüssigkeit strömt. Am Umfangsbereich des Kontaktbodens ist eine ringförmige Abflußtasche 6 vorgesehen, in die die Flüssigkeit vom Kontaktboden hinabfließt und von wo sie dann zum Mittelpunkt des niedriger liegenden Kontaktbodens geleitet wird.

An der zur Aufnahme der Flüssigkeit vorgesehenen ίο Seite der Scheibe 1 sind Prellplatten 7 (Fig. 1 und 2) befestigt, die in Form einer vom Mittelpunkt der Scheibe auseinandergehenden Archimedes-Spirale gebogen und zu derjenigen Seite gedreht sind, die der durch die bogenartigen Schirme 2 (F i g. 2) gewährleisteten Richtung der Gasstrahlen entspricht, und folglich der Richtung des sich auf dem Kontaktboden drehenden Stromes entspricht

Der Kontaktboden ist im Kolonnenapparat 8 (F i g. 1, 2) eingebaut, an dessen Wänden die ringförmige Abflußtasche 6 und Träger (nicht gezeigt) zur Befestigung der runden Scheibe 1 und der Auflagerringe 3 und 4 befestigt werden. An der zur Aufnahme der Flüssigkeit dienenden Seite der runden Scheibe 1 können von einer bis zu mehreren Prellplatten 7 in Form einer Archimedes-Spirale aufgestellt werden. Bei der Aufstellung mehrerer Prellplatten 7 sollen diese zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung des vom Zentrum zur Peripherie der Scheibe 1 auseinanderfließenden Flüssigkeitsstromes symmetrisch angeordnet sein.

Dabei wird die Frontbreite der Bewegung des von der Mitte des Kontaktbodens zum Umfangsbereich auseinanderströmenden Flüssigkeitsstromes für jede der Quersektionen, die zwischen den benachbarten Prellplatten 7 entstehen, gleich und vom Zentrum bis zur Peripherie konstant sein, was durch die als Archimedes-Spiralen gestaltete Form der Prellplatten gewährleistet wird. Diese wichtige Eigenschaft der Archimedes-Spiralen wurde in der vorliegenden Erfindung zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeitsund Gasströme über dem Kontaktboden ausgenutzt.

Der erfindungsgemäße Kontaktboden, der in den Kolonnenapparat 8 zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauschprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit eingebaut ist, hat folgende Funktionsweise.

Gas (oder Dampf), das in den Kolonnenapparat 8 von unten eintritt, strömt durch die mit den bogenartigen Schirmen 2 versehenen Schlitze hindurch, wodurch ein sich regelmäßig drehender Gas- (oder Dampf-)strom entsteht, der die von oben in das zentrale Aufnahmegefäß 5 herabfließende und daraus auf den Kontaktboden gelangende Flüssigkeit mitreißt. Dadurch entsteht ein sich regelmäßig drehender Zweiphasenstrom. Die Flüssigkeit führt dabei auf der runden Scheibe 1 radiale Kreisbewegung in horizontaler Ebene von der Mitte der Scheibe 1 zum Umfangsbereich hin aus und fließt in die ringförmige Abflußtasche 6 ab, und das Gas (oder der Dampf) führt eine schraubenförmige Bewegung nach oben unter den oberen Boden und so weiter aus. Der sich drehende zweiphasige Strom wird von den in Form von Archimedes-Spiralen gebogenen Prellplatten zurückgeworfen, wodurch eine zusätzliche Turbulenz des Oas- (oder Dampf-) und Flüssigkeitsstromes, eine Dispergierung von Flüssigkeit und eine mehrfache Erneuerung und Vergrößerung der Zwischenphasenoberfläche erfolgen, was zur Intensivierung des Wärmeüberganges und des Stoffaustausches in den Phasen sowie zur Steigerung der Wirksamkeit des

Stoffaustausches des Kontaktbodens (Wirksamkeit nach Merfri) führt. Da die Richtung der in Form einer Archimedes-Spirale gestalteten Krümmung der Prellplatten 7 mit der Richtung des vom Mittelpunkt zum Umfangsbereich auseinanderströmenden und sich regelmäßig drehenden zweiphasigen Stromes übereinstimmt, bewegt sich die Flüssigkeit ohne Vermischung in Längsrichtung, wodurch eine Steigerung des Konzentrationsgrades in der flüssigen Phase und die Vergrößerung der Triebkraft des Stoffaustauschprozesses fördert, und folglich zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoffaustausches des Kontaktbodens führt. Die Konstante der Frontbreite der Bewegung des auseinanderströmenden Flüssigkeitsstromes zwischen den angrenzenden Prellplatten 7 von der Mitte der runden Scheibe 1 zum Umfangsbereich hin trägt zur gleichmäßigen Querverteilung des auseinanderströmenden Flüssigkeitsstromes über den gesamten Kontaktbodenquerschnitt und demzufolge zur gleichmäßigen Verteilung auch des Gas(oder Dampf)-stromes über den Querschnitt des Kontaktbodens bei, was ebenfalls, wie bekannt, zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoffaustausches des jeweiligen Kontaktbodens führt.

Mit Vergrößerung der Anzahl von auf der runden Scheibe 1 aufzustellenden Prellplatten 7 und bei einer entsprechenden Wahl der Parameter der Archimedes-Spiralen in Abhängigkeit vom Gas- (oder Dampf-) und Flüssigkeitsdurchsatz wird die optimale Wirksamkeit des jeweiligen Kontaktbodens erreicht. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Metallaufwand des Kontaktbodens bei einer großen Anzahl von Pirellplatten 7 ansteigt und eine Verringerung seines freien Querschnitts erfolgt, wodurch der Strömungswiderstand wächst. Gleichzeitig damit verhindern die Prellplatten 7 eine Wellenbildung des sich drehenden Flüssigkeitsstromes auf dem Kontaktboden, die besonders für Kontaktböden großer Durchmesser kennzeichnend ist, was auch zur gleichmäßigen Verteilung der Phasenströme auf dem Kontaktboden beiträgt und die Wirksamkeit des Stoffaustausches des Kontaktbodens erhöht (Wirksamkeit nach Merfri).

Infolgedessen, daß für den von der Mitte des Kontaktbodens zum Umfangsbereich auseinanderströmenden und sich regelmäßig drehenden zweiphasigen Strom der Perimeter des Abflusses der Flüssigkeit bedeutend größer ist als für Kontaktböden mit einer Bewegung der Flüssigkeit in Querrichtung, erfolgt dabei keine Überbelastung der Abflüsse und wird eine gleichmäßige Verteilung von Gas (oder Dampf) und Flüssigkeit über den Querschnitt des Kontaktbodens gesichert, eine Vermischung der Flüssigkeit in Längsrichtung verhindert, was erlaubt, den Konzentrationsgrad real zu vergrößern; es werden Eledingungen für eine zusätzliche Turbulenz der Phasen, für eine Dispergierung der Flüssigkeit und für eine Vergrößerung und mehrfache Erneuerung der Zwischenphasenoberfläche geschaffen, was letzten Endes zur Steigerung der Wirksamkeit des Stoffaustausches der Kontaktböden (Wirksamkeit nach Merfri) führt.

Dabei steigt mit der Vergrößerung des Durchmessers der Kolonnenapparate die Wirksamkeit der Kontaktböden (Wirksamkeit nach Merfri) an, was allen Grund gibt, diese für Kolonnenapparate mit großer Einzelleistung zu empfehlen.

Der erfindungsgemäße Kontaktboden arbeitet wirkungsvoll sowohl bei geringen spezifischen Belastungen nach Flüssigkeit und großen Geschwindigkeiten von Gas (unter Bedingungen der Vakuumrektifikation) infolge der Wirkung der Prellplatten 7 in Form von Archimedes-Spiralen mit vorgegebenen Parametern, die unter diesen hydrodynamischen Bedingungen eine Vergrößerung der Menge der auf dem Kontaktboden bleibenden Flüssigkeit und folglich eine Verlängerung

jo der durchschnittlichen Verweilzeit der Flüssigkeit in Berührung mit Gas fördern, als auch bei großen spezifischen Belastungen nach Flüssigkeit und geringen Belastungen nach Gas (unter Bedingungen der extraktiven Rektifikation) auch infolge der Wirkung der in Form von Archimedes-Spiralen mit vorgegebener Parametern gestalteten Prellplatten 7, die unter dieser hydrodynamischen Bedingungen das Torsionsfreimachen des sich regelmäßig drehenden auseinanderströmenden Flüssigkeitsstromes vom Mittelpunkt zum Umfangsbereich hin fördern, da unter diesen Bedingungen die kinetische Energie der Gasstrahlen, die durcfc die Schlitze mit den bogenartigen Schirmen ί ausströmen, für ein intensives Torsionsfreimachen dei Flüssigkeit nicht ausreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1
Patentanspruch:

Kontaktboden für Kolonnenapparate zur Durchführung von Wärmeübergangs- und Stoffaustauiichprozessen zwischen Gas und Flüssigkeit, der «ine runde Scheibe mit Schlitzen zum Durchströmen von Gas darstellt, deren Ränder bogenartige Schirme aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlen des durch die Schlitze durchströmenden Gases tangential zur Scheibe und unter einem gewissen Winkel zu ihrer Oberfläche und in einer Richtung leiten, dadurch gekennzeichnet, daß an der Seite der Scheibe (1), die zur Aufnahme von Flüssigkeit vorgesehen ist, Prellplatten (7) befestigt sind, die in Form der Archimedes-Spirale gebogen sind und die von der Mitte der Scheibe (1) auseinandergehen und zu derjenigen Seite gedreht sind, die der durch die bogenartigen Schirme (2) gewährleisteten Richtung der Gasstrahlen entspricht.