DE2710178C3 - Füllkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Füllkörper von der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Die häufig angewendeten Füllkörper haben die Form von Ringen und Sattelkörpern. Sie werden in Reaktionstürme eingeschüttet. Die Flüssigkeiten einerseits und ⁴^ Gase oder Dämpfe andererseits durchströmen diese Türme im Gegenstrom. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen Flüssigkeit und Gase in gleicher Richtung durch den Turm durchtreten. Bei Gegenstrombetrieb wird die Flüssigkeit über einen Flüssigkeitsverteiler von oben in ">° den Turm eingebracht. Die durch den Flüssigkeitsverteiler verteilte Flüssigkeit fällt dann auf das sich darunter befindende Schüttgutbett, welches aus den einzelnen Füllkörpern in mehr oder weniger dichter Anordnung besteht. Bezweckt wird, daß die Flüssigkeit eine »⁵⁵ möglichst große Oberfläche der Füllkörper benetzt.

Das Gas, zum Beispiel kohlensäurehaltige Luft, wird von unten in den Turm eingeblasen. Die Flüssigkeit, in diesem Falle eine wäßrige Lösung von NaOH, fließt und tropft an den Oberflächen der Füllkörper entlang nach unten, während sich das Gas durch die Zwischenräume des Schüttgutes an den Oberflächen der Füllkörper entlang nach oben bewegt. Während dieses Aufstieges des Gases im Turm erfährt das Gas einen Druckverlust, Welcher so niedrig wie möglich gehallen werden soll. Es ist also klar, daß durch den Gebrauch der Füllkörper die Wirksame Oberfläche, an welcher sich Flüssigkeit und Gas berühren, stark vergrößert worden ist. Im genannten Beispiel fällt als Reaktionsprodukt Natron ab. Zahllose chemische und physikalische Reaktionen werden jedoch in solchen Türmen durchgeführt, und die Anwendung eines Füllkörpers ist nicht auf eine bestimmte Reaktion beschränkt

Die wesentlichen Eigenschaften und Erfordernisse eines technisch hervorragenden Füllkörper wären wie folgt:

Die Anordnung der einzelnen Füllkörper im Schüttgutbett soll möglichst regellos sein, so daß sich die einzelnen Füllkörper gegenseitig in vieler Weise und sehr oft berühren. Dadurch wird eine gute Flüssigkeitsverteilung im Schüttgutbett gewährleistet Die regellose Anordnung verhütet ferner, daß sich die Füllkörper gegenseitig abdecken und so die anderweitig benetzbaren Oberflächen wesentlich verringern. Dies geschieht besonders oft bei den gemäß dem Stand der Technik als Ringe oder Sattelkörper ausgebildeten Füllkörpern, die sich im Schüttgutbett in Reihen anordnen und damit ihre Oberflächen gegenseitig verdecken und sich damit blockieren. Dies heißt, daß die wirksame Oberfläche dieser Füllkörper nicht das erstrebte und theoretisch mögliche Maximum aufweist

Die Füllkörper sollen ein geringes Gewicht haben und nur einen geringen Gasdruckverlust verursachen. Ferner, wenn die R llkörper einmal in ein Schüttgutbett aufgeschüttet sind, sollen die Füllkörper nicht mehr nach unten ins Rutschen kommen und dadurch den Gasdruckverlust vergrößern. Dies ist besonders zu berücksichtigen bei exothermen Reaktionen, wo sich nach Einsatz der Reaktion im Turm dessen Wandung ausdehnt und das Schüttgut dann die Tendenz hat, nach unten nachzurutschen. Zusätzlich vergrößern die Füllkörper in ihrer Gesamtheit ihren Strömungswiderstand. Dadurch vergrößert sich der Druckverlust dem das Gas bei seinem Durchtritt durch den Turm ausgesetzt ist. Wie einfach zu verstehen ist, hat letztere Tatsache nachteilige Folgen in Hir'jcht der Energieerfordernisse, welche für den Prozeß aufgewendet werden müssen.

Bekannt ist ein Füllkörper in Form eines Zylinders, aus dessen Wand Lappen ausgestanzt sind und in das Innere des Zylinders hineinragen. Diese Lappen können gerade sein um! radial verlaufen. Sie können jedoch auch bogenförmig sein. Diese Füllkörper in Form von Zylindern können sich nicht miteinander verkrallen. Im Turm liegen sie daher nur locker neben- und übereinander und können sich bei Temperaturänderungen gegeneinander verschieben (DE-PS 8 53 159).

Den gleichen Nachteil weist ein weiterer bekannter Füllkörper mit ei- oder kugelförmiger Gestalt auf, der aus einem Hohlzylinder durch Einbiegen von dessen Rändern nach innen erhalten worden ist. Auch diese bekannten Füllkörper liegen nur locker über- und nebeneinander (DE-PS 11 72 235).

Bekannt ist weiter ein Füllkörper aus einem in die Form eines Kreises über einen Bogen von maximal 180" gebogenen Metallstreifen mit einem oder mehreren aus diesen nach innen herausgedrückten Lappen. Diese Lappen sind gerade und verlaufen in etwa radial* Die Längsränder des Metalistreifens sind weiter nach außen abgebogen (DE-OS 26 03 124, Figuren 7 und 8), Diese bekannten etwa die Form von Halbzylindern aufweisen· den Füllkörper legen sich beim Einschütten in einen Turm oder eine Reaktionskolonne ineinander und decken sich gegenseitig ab. Damit erhält man eine hohe Packungsdichte und entsprechend eine verkleinerte wirksame Oberfläche.

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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Füllkörper so auszubilden, daD er dem Ideal eines Füllkörpers nahe- oder sogar gleichkommt. Ein solcher Füllkörper soll eine sehr hohe Packungsdichte und damit eine große Oberfläche ergeben. Mit benachbarten Füllkörpern soll er sich so verhaken, daß eine gegenseitige Bewegung völlig ausgeschlossen wird und im Innern der Schüttgutkolonne eine bessere Flüssigkeitsverteilung erzielt wird, als es mit den bekannten Füllkörpern möglich ist Schließlich soll der Füllkörper bei den durch den Turm oder die Reaktionskolonne durchtretenden Dämpfen, Gasen und Flüssigkeiten nur einen minimalen Druckverlust verursachen. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentan-Spruches 1 aufgeführten Merkmalen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Zungen in einer oder zwei Richtungen zu krümmen. Wie diese Krümmung erfolgen soll, wird im Stand der Technik jedoch nicht angegeben. Die erfindungsgemäße Krümmung oder Biegung der Lappen läßt sich dagegen nicht nur einfach ausbilden, sondern bringt auch entscheidende Vorteile. Infolge ihrer Bogenform ändern die Lappen auf jedem Teilstück ihrer Länge ihre Richtung. Damit können sie sich viel besser ineinanderschieben. Damit wird die Verhakung und Verriegelung des Schüttbettes sehr stark gefördert. Trotzdem können sich die erfindungsgemäßen Füllkörper nicht geordnet ineinanderschieben und damit Nester bilden. In solchen Nestern würden Oberflächen unmittelbar aufeinanderliegen, eng benachbart sein und/oder sich gegenseitig abdecken und damit die Reaktion nicht fördern.

Zum Nachweis dieser Vorteile wurden Vergleichsversuche durchgeführt.

Verwendet wurde ein Turm mit einem lichten Durchmesser von 200 mm, der bis zu einer Höhe von 600 mm mit Füllkörpern beschickt werden konnte. Der verwendete erfindungsgemäße Füllkörper wies einen in die Form ines Halbkreises gebogenen Metallstreifen auf. Dieser Kreis hatte einen Durchmesser von 38 mm. Die Länge oder Höhe des Füllkörpers betrug ebenfalls 38 mm. Der Metallstreifen war weiter eben und wies keine hochgebogenen Ränder auf. Er enthielt insgesamt fünf Lappen, die versetzt zueinander in zwei zueinander paralleler. Reiher, angeordnet waun. Der eingesetzte bekannte Füllkörper (im allgemeinen gemäß DE-OS 26 03 124, Figuren 7 und 8) enthielt sechs gerade oder ebene Lappen. Damit die sich bei dem Versuch herausstellenden Unterschiede allein auf die unterschiedliche Form der Lappen zurückgeführt werden konnten, wurde auch für den Metallstreifen des bekannten Füllkörpers eine ebene Form ohne hochgebogene Längsränder gewählt.

Der Turm wurde dann zuerst mit den erfindungsgemäßen Füllkörpern gefüllt. Druckverlust und Gasabsorption wurden gemessen. Danach wurde der Turm mit den bekannten Füllkörpern gefüllt und die gleichen Messungen durchgeführt.

Für die Messungen des Druckverlustes wurde Luft von unten in den Turm eingeblasen. Gleichzeitig wurden die eingefüllten Füllkörper bzw, das Schüttgut von oben mit Wasser übergössen.

Zum Ermitteln der Massenübertragungskoeffizienten der beiden Schüttgüter wurde das System GO2in Luft mit wäßriger Natronlauge benutzt. Das Gas wurde von unten und die Flüssigkeit von oben eingeleitet,

Bei den Druckverlusten zeigte sidi, daß diese bei den Füllkörpern mit geraden Lappen und bei gleichzeitig erfolgender Flüssigkeitsbenetzung und Gasdurchströmung um etwa 30 bis 40% über denen bei den erfindungsgemäßen FUllkörpern mit bogenförmigen Lappen lagen. Damit zeigte sich, daß erfindungsgemäße Füllkörper eine weit höhere Leistung als die bekannten Füllkörper zulassen.

Hinsichtlich der Massenübertragungskoeffizienten wurde gefunden, daß bei technisch bedeutenden Durchsätzen mit den die gekrümmten Lappen aufweisenden erfindungsgemäßen Füllkörpern eine Verbesserung von etwa 35 bis 46% gegenüber den bekannten, die geraden Lappen aufweisenden Füllkörpern erzielt wurde.

Zur Genauigkeit dieser Messungen ist noch zu ergänzen, daß die für die Druckverluste und die Massenübertragungskoeffizienten genannten Prozentwerte in ihrer Größenordnung wesentüch über den Schwankungsbreiten oder Fehlergrenzen der Messungen lagen.

?n Die grundsätzlichen Unterschiede zwischen erfindungsgemäßen und bekannten Füllkörpern ergeben sich auch noch aus den folgenden Betrachtungen:

Wie vorstehend ausgeführt wurde, führen erfir.dungsgemäße Füllkörper mit gekrümmten Lappen zu einer bedeutenden Verbesserung des Massentransportes gegenüber den bekannten Füllkörpern, die geradlinige Lappen enthalten. Diese Erkenntnis ist auch interessant im Lichte der Ausführungen zu der Tabelle auf Seite 10 der DE-OS 26 03 124. Diesen Textstellen ist zu entnehmen, daß die Massenübertragungskoeffizienten für eine aus den bekannten Füllkörpern aufgeschütteten Packung, die im Querschnitt die Form eines Troges besitzen, den damals bekannten Packungen im wesentlichen nur gleichwertig sind.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen Packungen aus erfindungsgemäßen und bekannten Füllkörpern liegt im gegenseitigen Verriegeln und Verhaken der einzelnen Packungselemente bzw. Füllkörper.

\uf die bessere gegenseitige Verriegelung und Verhakung der erfindungsgemäßen Füllkörper wurde bereits hingewiesen. Bei den bekannten Füllkörpern heißt es hierzu in der DE-OS 26 03 124, Seite 5, Zeilen 8 bis 10; Seite 6, Zeilen 4 bis 9; Seite 8, Zeilen 26 bis 28, daß nur ein minimales gegenseitiges Verriegeln, Verhaken und Festlegen angestrebt wird. Erfindungsgemäß sollen sich benachbarte Füllkörper jedoch so weit wie möglich verhaken. Diese maximale Verhakung und Verkrallung ergibt sich insbesondere bei bogenförmigen Lappen. Auf jedem Teilstück ihrer Länge ändern sie ihre Richtung und damit steigt die Wahrscheinlichkeit, daß ein Lappen eines Füllkörpers am Lappen eines benachbarten Füllkörpers vorbeirutschen, diesen untergreifen und sich damit mit diesem verkrallen kann.

Damit ergibt sich auch ein besserer Flüssigkeitsübergang zwischen benachbarten Füllkörpern, und dies erklärt seinerseits den höheren Massenübertragungskoeffizienten, weiche, wie oben ausgeführt, mit den erfindungsgemäßen Füllkörpern erhalten werden.

So Die vorteilhafte Auswirkung ist, daß ein aus solchen Füllkörpern aufgeschüttetes Bett eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Die Füllkörper können nur noch sehr wenig gegeneinander verrutschen. Die an einer Seite offenen Füll!*3rper /uhren auch zu einer hohen Dichte öder einer hohen wirksamen Oberfläche des aus ihnen aufgeschütteten Bettes. Damit ergibt sich eine gute Flüssigkeitsverteilung. Diese stellt sich schon an der Spitze des Turmes ein. Die aufgesprühte Flüssigkeit

verteilt sich schon auf einer kurzen Wegstrecke über dem gesamten Querschnitt des Turmes. Es treten keine oder nur geringe tote Randbereiche auf. Damit läßt sich der Turm bei gleicher wirksamer Oberfläche im Vergleich zu Türmen, die mit bekannten Füllkörpern aufgeschüttet, sind, kürzer ausbilden. Die einseitig offene Form der Füllkörper bewirkt weiter, dilß sie eine größere Zahl von Stellungen gegeneinander einnehmen können. Dies bewirkt wieder Turbulenzen in dem von unten nach oben durch den Turm durchtretenden Gasstrom. Damit steigen der Wirkungsgrad und die Ausbeute. Infolge der gegenseitigen Verhakung und Verankerung behalten die Füllkörper ihre Lage auch bei Temperaturänderungen weitgehend bei. Damit bleiben der Strömungswiderstand und die dadurch bedingten Druckverluste über der Zeit weitgehend konstant.

Die sich durch die gegenseitige Verhakung ergebende erhöhte mechanische Festigkeit setzt die auf einen einzelnen Füllkörper wirkenden Kräfte herab. Damit lassen sich diese bei gleicher Oberfläche dünner ausbilden. Mit dieser geringeren Wandstärke sinkt das Gewicht eines aufgeschütteten Bettes. Gleichzeitig wird an Material gespart. Insbesondere bei Verwendung hochwertiger Legierungen für die Füllkörper führt dies zu wesentlichen Kosteneinsparungen.

Der erfinderische Grundgedanke läßt sich in zahlreichen Ausführungsformen verwirklichen. Diese bilden zum Teil den Gegenstand von Unteransprüchen. Im folgenden werden diese Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Hn dieser ist

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllkörpers,

Fig. 2 eine Ansicht auf diese Ausführungsform in Richtung des Pfeiles II in F i g. 1,

Fi g. 3 eine weitere Ansicht auf diese Ausführungsformin Richtung des Pfeiles IH in Fig. 1,

Fig.4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 in anderer Dai stellung,

F i g. 5 eine wieder F i g. 4 ähnliche Ansicht mit einer noch anderen Ausführungsform der Lsippen und Durchbrechungen,

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Viertelkreis ausfüllenden Ausfuhrungsform.

F i g. 7 eine Darstellung ähnlich F i g. 6 einer einen Halbkreis ausfüllenden Ausführungsform,

F i g. 8 eine wieder F i g. 7 ähnliche Darstellung einer eine größere Anzahl von Lappen aufweisenden Ausführungsform.

F i g. 9 eine wieder F i g. 8 ähnliche Darstellung einer Ausführungsform mit nach entgegengesetzten Richtungen herausgedrückten Lappen.

F i g. 10 eine Seitenansicht dieser Ausführungsform,

F i g. 11 die gleiche Ausführung wie schon in F i g. 10 gezeigt, jedoch die beiden unteren Ränder sand gezackt statt gerade ausgebildet,

Fig. 12 die Aufsicht auf eine Ausführungsform mit einem spiralig aufgewickelten Wandteil,

Fig. 13 die Stirnansicht einer mit ihrer offenen Seite aufgesetzten Ausführungsform mit nach oben hochgebogenen Längsrändem,

Fig. 14, 15, 16 und 17 die Darstellung von je zwei Füllkörpern der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform in unterschiedlicher gegenseitiger Stellung und sich daraus ergebender unterschiedlicher Verhakung,

Fig. 18 die Stirnansicht einer Ausführungsform mit zusätzlich entlang der Längsränder eingedrückten Sicken,

Fig. 19 eine Aufsicht auf die in Fig. 18 gezeigte Ausführungsform,

Fig.20 die Darstellung von drei Füllkörpern der in den Fig. 18 und 19 gezeigten Ausführungsform in einer bestimmten gegenseitigen Stellung,
F i g. 21 die Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit nach urlten abgebogenem Randstreifen,

F i g. 22 eine Ansicht dieser Ausführungsform in Blickrichtung des Pfeiles XXII in F i g. 21 und

Fig.23 die Darstellung von zwei miteinander ίο verkrallten Füllkörpern der in den Fig,21 und 22 gezeigten Ausführungsform.

Der Füllkörper 12 besteht im wesentlichen aus dem Wandteil 14. Beim sämtlichen Figuren, mit Ausnahme von F i g. 6, ist dies in die Form eines Halbkreises gebogen. Bei Fig.6 nimmt das Wandteil 14 einen Viertelkreis ein. Aus dem Wandteil 14 sind die Laschen 16 nach innen herausgedrückt und abgebogen. Ihre Biegung kann verschieden sein, aber erfolgt im allgemeinen auf demselben Halbmesser wie die Biegung des Wandteiles 14. Durch das Herausdrücken der Lappen 16 aus dem Material des Wandteiles 14 werden die Durchbrüche 18 frei. Bei der in den F i g. 1 bis 3 und in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform haben die Lappen 16 gerade Enden 20. F i g. 5 zeigt als weitere Möglichkeit gebogene Enden 22 und spitze Enden 24.

Bei den in den F i g. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsfor men sind in jeder Reihe ein oder zwei Lappen 16 aus dem W^-iidteil 14 herausgedrückt. Bei den in den F i g. 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen sind bei unterschiedlicher Bogenweite des Wandteiles 14 nur je ein Lappen 16 aus diesem herausgedrückt. Bei der in F i g. 8 gezeigten Ausführungsform sincf fünf Lappen 16 aus dem Wandteil herausgedrückt. Dies zeigt, daß die Zahl der pro Bogenweite des Wandteiles 14 aus diesem herausgedrückten Lappen 16 verändert werden kann.

Bei der in den Fig.9 und 10 gezeigten Ausführungsform siiid die Lappen 16 in entgegengesetzten Richtungen aus dem Wandteil 14 herausgebogen.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform sind die beiden Schmalseiten des Wandteiles bzw. die in der Zeichnung unten liegenden Ränder gezackt. Diese 7ar\rpn cinH mil 15 hpvpirhnpt Dip 7ar\cpn hahpn 7ΠΓ

Folge, daß noch weitere Verhakungen auftreten, wie sowohl auch die Zacken dazu dienen, die Flüssigkeit in Tropfen oder dünnen Abläufen ablaufen zu lassen, was besonders vorteilhaft ist für eine noch weiterhin verbesserte Flüssigkeitsverteilung im Schüttgutbett.

Bei der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform ist das Wandteil zu einer Spirale aufgewickelt.

Bei der in Fig. f3einzeln und in den Fig. 14 und 17 zweifach dargestellten Ausführungsform sinu die Längsränder 26 des Wandteiles nach oben oder außen aufgebogen. Damit entstehen zusätzliche Flächen für die gegenseitige Verankerung und Verhakung. Die Fig. 14 bis 16 zeigen hierzu, wie der Lappen 16 eines Füllkörpers bei verschiedener Lage desselben an dem hochgebogenen Längsrand 26 eines benachbarten Füllkörpers 12 anliegt und sich mit diesem verhakt Fig. 17 zeigt, wie sich zwei benachbarte Füllkörper ohne Mitwirkung der Lappen 16 alleine mit ihren hochgebogenen Längsrändem 26 verhaken. Bei diesen Figuren ist zu berücksichtigen, daß in der Wirklichkeit mehr als zwei Füllkörper nebeneinanderliegen. Damit sind die in den Fig. 15 bis 17 freien Räume durch Füllkörper ausgefüllt Diese halten die dargestellten Füllkörper in der gezeigten Reiativsteilung und sind selbst in irgendwelcher Weise mit den gezeigten Füllkörpern verankert

Bei der in den Fig. 18 bis 20 gezeigten Ausführungsform sind parallel zu und entlang der Längsränder 26 Sicken 28 in das Wandteil 14 eingedrückt. Dies bietet weitere Möglichkeiten zum Verhaken und gegenseitig gen Verankern. Bei der in F i g. 20 gezeigten Lage greift ein Füllkörper mit einem seiner Lappen 16 in eine solche Sick<!· 28 ein und ein weiterer Füllkörper legt sich mit seinem hochgezogenen Längsrahd 26 in eine solche Sicke. Damit können sich die Füllkörper auch bei solchen gegenseitigen Stellungen miteinander verha* ken, in denen sie ohne diese Sicken keine gegenseitigen Anlageflächeri aufweisen Wurden.

Bei der in Fig.21 gezeigten Ausführungsform sind die Längsränder unter Bildung von Randstreifen 30

nach innen abgewinkelt. Dies führt zu weiteren Möglichkeiten des Verhakens und gegenseitigen Veran^ kerns, F i g, 23 zeigt als eine Möglichkeit, wie ein Füllkörper 12 mit einem seiner Lappen 16 von innen an dem abgebogenen Randstreifen 30 eines benachbarten Füliköfpers anliegt.

Die Verschiedenen gezeigten Ausführungsforrnen könneii auch in anderen Zusammenstellungen an einem Füllkörper verwirklicht werden. Als Beispiel sei nur gesagt, daß sich die Sicken 28 und die abgebogenen Randstreifen 30 an einem Füllkörper verwirklichen lassen, wie man auch einen Füllkörper lediglich mit den Sicken 28 ohne hochgebogene Längsränder 26 ausbilden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Füllkörper für Reaktionen und Austauschvorgänge zwischen Flüssigkeiten und Gasen oder Dämpfen aus einem in die Form eines Kreises über einen Bogen von maximal 180° gebogenen Metallstreifen mit einem oder mehreren aus diesen nach innen herausgedrückten Lappen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (16) in einer Bogenform mit ungefähr demselben Halbmesser wie der Metallstreifen aus diesem nach innen herausgebogen sind und gleichsinnig zu dessen Krümmungsrichtung verlaufen.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel und in einem kurzen Abstand zu den Längsrändern (26) Sicken (28) in das Wandteil (14) eingedrückt sind.

3. Füllkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsränder (26) des Wandteiles (14) unter Bildung von Randstreifen (30) nach innen abgebogen sind.

4. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (16) in mehreren Reihen und in diesen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

5. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (16) in Längsrichtung des Wandteiles (14) gesehen in Vor- und Rückwärtsnchtung aus diesem herausgedrückt sind.

6. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen (16) gerade, gebogene oder spitze Enden {^0,22,24) aufweisen.

7. Füllkörper nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine ode beide Schmalseiten des Wandteiles (14) Zacken (15) aufweisen.

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