DE2649414B2 - Stoffaustauschkolonne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne, in welcher in Abständen übereinander Austauscheinrichtungen angeordnet sind für den Stoffaustausch zwischen in der Kolonne im Gegenstrom zueinander geführtem Gas und Flüssigkeit, wobei zum Transport der abwärtsströmenden Flüssigkeit von Austauscheinrichtung zu Austauscheinrichtung der Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe jeweils eine höhere Druckzunahme aufgezwungen wird, als dieses der statischen Druckzunahme in einer zwischen zwei Austauscheinrichtungen bestehenden. Flüssigkeitssäule entspricht, und daß jede Austauscheinrichtung mindestens einen Austauschraum aufweis;, welcher von einem Niveauraum für die Flüssigkeit umgeben ist, aus welchem Flüssigkeit von einer Pumpe durch den Austauschraum zirkuliert wird, während zur Einleitung des Gases in den Austauschraum in der Bodenplatte einer jeden Austauscheinrichtung mindestens eine Düse angeordnet ist, und daß der obere Teil des Austauschraumes mit einem Abscheideraum verbunden ist.

Derartige Stoffaustauschkolonnen werden beispielsweise für Destillations-, Extraktions-, Absorptions- und Austauschverfahren, insbesondere zur Anreicherung einer Phase an einem Isotop, benötigt Bei allen diesen Verfahren ist es zur Erzielung eines raschen und guten Austausches erforderlich, die zu mischenden Phasen in einen innigen Kontakt miteinander zu bringen.
■» Es sind Kolonnen bekannt, bei welchen die Förderung der Phasen unter Ausnutzung einer Temperaiurdifferenz und einer daraus resultierenden Druckdifferenz für die gasförmige Phase und der Schwerkraft für die flüssige Phase stattfindet. Hierbei kann ein erheblicher

ίο Durchsatz sinnvoll nur durch Vergrößerung des Kolonnenquerschnittes erzielt werden. Wenn man bei den bekannten Destillationskolonnen beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Phasen vergrößern würde, so reicht die Trennwirkung der Schwerkraft nicht mehr aus, die Phasen zu separieren; besonders wenn zwischen dem spezifischen Gewicht der flüssigen und der gasförmigen Phasen kein wesentlicher Unterschied besteht, können die abwärts strömenden Flüssigen Teilchen von dem Gasstrom mitgerissen werden.

Bei Stoffaustauschkolonnen, wie sie die Erfindung betrifft, kann das Volumenverhältnis zwischen Flüssigkeit und Gas im Austauschraum unabhängig von dem durch den Prozeß bestimmten Durchsatzverhältnis gewählt werden, so daß günstige Verhältnisse für den Stoffaustausch erhalten werden.

In diesem Fall ist es erforderlich, zu einer Trennung der Phasen Kräfte heranzuziehen, die ein Vielfaches der Schwerkraft betragen. Dieses ist dadurch bedingt daß die Flüssigkeit mehrfach in jeder Austauscheinrichtung durch den Austauschraum umgewälzt wird.

Kolonnen, wie sie die Erfindung betreffen, können vorteilhaft für Isotopen-Austauschreaktionen benutzt werden, die zur Anreicherung des schweren Isotops

J5 (z. B. bei Wasserstoff des Deuteriums) dienen. In diesem und ähnlichen Fällen laufen innerhalb der Austauschräurne Austauschreaktionen ab.

Bekanntlich ist bei Stoffaustauschkolonnen die ausgetauschte Stoffmenge um so größer, je größer die

■to Phasengrenzflächen der sich berührenden Phasen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf wirtschaftliche Weise diese Phasenoberflächen des Gases gegenüber bekannten Austauschvorrichtungen wesentlich zu vergrößern, d. h. das die Austauschräume durchströmende Gas in möglichst kleine Blasen aufzuteilen.

Die Erfindung besteht darin, daß der Austauschraum mindestens zum größten Teil mit einem gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Haufwerk aus einem festen

Material abgefüllt ist

Das Haufwerk kann z. B. aus einem Gebilde bestehen, welches eine geordnete Struktur aufweist, z. B. ein Drahtgewebe oder ein Drahtgewirk. Es ist auch möglich, das Haufwerk als ein Gebilde aus einem Vlies aus Drahtfasern auszuführen. Die Drähte können z. B.

aus Metall oder auch aus Kunststoff bestehen. Das

Haufwerk kann beispielsweise als Bandstücke in den Reaktionsräumen angeordnet sein. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform kann darin

bestehen, daß man zylindrische Wickelkörper etwa von dem Durchmesser des Austauschraumes in diesem anordnet Hierbei besteht der Wickelkörper aus einem schräg geriffelten Band aus einem Gewebe oder Gewirk mit einer relativ großen Maschenweite.

h^ri Mit Hilfe der Erfindung wird erreicht, daß in den Austauschräumen Gasblasen geringer Größe erzeugt werden und außerdem eine Agglomeration der Gasbiasen weitgehend verhindert wird und zwar

dadurch, daß sie ständig auf die Drähte aufprallen, wobei die Gasblasen zerschlagen und in kleinere Blasen aufgeteilt werden, so daß die durchgesetzte Gasmenge eine sehr große Oberfläche aufweist und hierdurch der Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit und Gas wesentlich verbessert wird

Es ist zwar bei Siebbodenkolonnen bekannt, in dem jeweils über einem Siebboden befindlichen, aus Flüssigkeit und Gas bestehenden Blasenbett Drahtgewebe anzuordnen zur Herabsetzung einer Agglomera- ι ο tion der das Flüssigkeitsbett durchsetzenden Gasblasen. Bekanntlich ist jedoch die Flüssigkeitsgeschvvindigkeic in derartigen Kolonnen begrenzt, da die Flüssigkeitsmenge pro Austauschstufe durch die Durchsatzmenge der Flüssigkeit durch die Kolonne vorgegeben ist Dieses hat zur Folge, daß keine große Turbulenz im Blasenbett verwirklicht werden kann und somit trotz der Anordnung von Drahtgeweben im Blasenbetl die Phasenoberflächen der durchgesetzten Gasmenge nicht in befriedigendem Maße vergrößert werden kann. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß um so größere Gasblasen entstehen, je größer die durchgesetzte Gasmenge ist, wobei die Gasblasen eine solche Größe annehmen können, daß sie von den Drähten des Haufwerkes nicht mehr zerteilt werden.

Demgegenüber wurde bei der Erfindung erstmals erkannt, daß durch eine Kombination der bei dem die Erfindung betreffenden Kolonnentyp getroffenen Maßnahmen mit denjenigen, wie sie für Blasenbetten in Siebbodenkolonnen bekannt sind, ein wesentlich besserer Stoffaustausch erzielt wird.

Dieses ist dadurch begründet, daß bei Kolonnentypen, in welchen eine mehrfache Umwälzung der Flüssigkeit durch die Austauschräume erfolgt, welche ein Haufwerk aufweisen, hohe Turbulenzen im Blasenbett der Austauschräume erzeugt werden und Gasblasen geringer Größe die Austauschräume durchströmen.

Auf Grund der Anordnung von gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Haufwerken aus Drähten bzw. Drahtfasern in den Austauschräumen wird die Agglomeration von Gasbläschen weitgehend vermieden, da diese im Gegensatz zu Siebbodenkolonnen die Austauschräume mit einer wesentlich größeren Geschwindigkeit durchströmen und hierbei auf die Drähte aufprallen und zerteilt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

F i g. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellungsweise zwei Ausführungsformen eines Teilausschnittes von erfindungsgemäß ausgebildetem Stoffaustauschkolonnen im Längsschnitt, während in

F i g. 3 ein aus einem Drahtgewirk bzw. Drahtgewebe — wie es Fig.4 zeigt — hergestellter Wickelkörper dargestellt ist, von dem einer oder mehrere in den >-> einzelnen Austauschräumen der Austauschvorrichtungen angeordnet sind.

Der Kolonnenausschnitt 1 einer Kolonne gemäß F i g. 1 zeigt übereinander in einem Druckrohr angeordnete Austauschvorrichtungen 2. t>o

Eine solche Kolonne kann beispielsweise für den Deuteriumaustausch zwischen Wasserstoff und Methylamin dienen.

Die Austauschvorrichtungen bestehen jeweils aus Austauschräumen 3, von denen mehrere abstandweise über den Kolonnenn.uerschnitt verteilt angeordnet sein können. Jedem Austauschraum ist eine Strahlpumpe 4, die aus einer Treibdüse 4a und einem Diffusor 46 besteht, zugeordnet Die Treibdüsen sind in gasdicht mit dem Kolonnenrohr verbundenen Böden angebracht In den Austauschräumen 3 befindet sich ein gas- und flüssigkeitsdurchlässiges Haufwerk, beispielsweise ein oder mehrere Wickelkörper (vgL Fig.3). Diese Wickelkörper weisen vorteilhaft den gleichen Durchmesser wie die Austauschräume 3 auf und sind lose aufeinander geschichtet, wobei die Wickelkörper aus einem Gewebeband 5a (vgl. Fig.4) gebildet sind, welches schräge Riffelungen aufweist

Am oberen Ende sind die Austauschräume gegen einen Abscheideraum 6 geöffnet Hierin erfolgt die Abtrennung des Gases von der Flüssigkeit und wobei das Gas durch ein Rohr 7 nach oben ausströmt und durch die Treibdüsen 4a in die darüberliegende Austauschvorrichtung einströmt

Die Austauschräume sind jeweils von einem Niveauraum 8 für die Flüssigkeit umgeben, aus welchem Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe 9 durch eine Leitung 10 in den Niveauraum der darunterliegenden Austauschvorrichtung gefördert wird. Aus dem Niveaursum wird ständig von den Strahlpumpen Flüssigkeit in die Austauschräume angesaugt und dort mit dem Gas in Kontakt gebracht

Wie bereits an vorstehender Stelle erläutert prallen die Gasbläschen mit hoher Geschwindigkeit auf die Drähte der Wickelkörper 5 auf und werden dort zerteilt.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von F i g. 1 ausschließlich durch eine andere Ausbildung der Rücklaufmischung.

Während in den einzelnen Austauscheinrichtungen 2 gemäß F i g. 1 die Förderung einer von der Gesamtdurchsatzmenge der Flüssigkeit durch die Kolonne unabhängige Flüssigkeitsmenge mit Hilfe von Gasstrahlpumpen in die Austauschräume 3 erfolgt, wird bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel Flüssigkeit aus den Niveauräumen mit Hilfe von Pumpen 11 in die Austauschräume gefördert, während das Gas von Austauscheinrichtung zu Austauscheinrichtung durch Düsen 12 in die Austauschräume strömt Mit F i g. 1 übereinstimmende Konstruktionselemente sind mit den gleichen Bezugsziffern, die mit einem Apostroph versehen sind, bezeichnet.

Wie bereits an vorstehender Stelle erwähnt, zeigen die F i g. 1 und 2 nur Ausschnitte von erfindungsgemäß ausgeführten Kolonnen. Der Kopf- und Bodenteil der Kolonnen ist nicht dargestellt, da dieses für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist. Als Druckerzeuger für das in den Bodenteil der Kolonne eingeleitete Gas kann beispielsweise ein Kompressor dienen, der z. B. innerhalb der Kolonne unterhalb des untersten Bodens angeordnet sein kann. Der erforderliche Gesamtdruckabfall längs der Kolonne kann auch von einem Druckbehälter aufgebracht werden. Diese Ausführung ist besonders dann vorteilhaft, wenn ein derartiger Druckbehälter bereits zur Speicherung der komprimierten Phase in einer Anlage, von der die Austauschkolonne einen Bestandteil bildet, dient.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Stoffaustauschkolonne, in welcher in Abständen übereinander Austauscheinrichtungen angeordnet sind für den Stoffaustausch zwischen in der Kolonne im Gegenstrom zueinander geführtem Gas und Flüssigkeit, wobei zum Transport der abwärtsströmenden Flüssigkeit von Austauscheinrichtung zu Austauscheinrichtung der Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe jeweils eine höhere Druckzunahme aufgezwungen wird, als dieses der statischen Druckzunahme in einer zwischen zwei Austauscheinrichtungen bestehenden Flüssigkeitssäule entspricht, und daß jede Austauscheinrichtung mindestens einen Austauschraum aufweist, welcher von einem Niveauraum für die Flüssigkeit timgeben ist, aus welchem Flüssigkeit von einer Pumpe durch den Austauschraum zirkuliert wird, während zur Einleitung des Gases in den Austauschraum in der Bodenplatte einer jeden Austauscheinrichtung mindestens eine Düse angeordnet ist, und daß der obere Teil des Austauschraumes mit einem Abscheideraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Austauschraum (3, 3') mindestens zum größten Teil mit einem gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Haufwerk aus einem festen Material aufgefüllt ist

2. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Haufwerk aus mindestens einem Gebilde aus einem drahtartigen Material besteht, und daß das Gebilde eine geordnete Struktur aufweist.

3. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Haufwerk aus einem Drahtgewebe besteht

4. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Haufwerk aus einem Drahtgewirk besteht

5. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Haufwerk aus mindestens einem Gebilde aus einem Vlies aus Drahtfasern besteht.