DE2755919A1

DE2755919A1 - Stabilising bubble layer in gas-liq. sepn. columns - using vertical baffle plates in each deck

Info

Publication number: DE2755919A1
Application number: DE19772755919
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Ing Molzahn; Rudolf Dr Ing Schmidt; Arno Dipl Ing Schramm; Dieter Dr Ing Wolf
Original assignee: Stahl App & Geraetebau GmbH
Current assignee: Stahl App & Geraetebau GmbH
Priority date: 1977-12-15
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1979-06-28

Abstract

A stable bubble layer is produced on mass and heat exchange plates of counterflow sepn. columns by arranging several vertical or slightly inclined plates on each deck in addn. to the horizontal plates. These plates are located at a small distance from and above each horizontal plate and are directed crosswise to the main flow direction of the liq. on a horizontal plate. This improves the phase contact under extreme conditions of the flow parameters in gas/liq. sepn. columns and prevents the horizontal plates from being blown clear.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen einer stabilen Device for creating a stable

Sprudelschicht auf Stoff- und Wärmeaustauschböden Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer stabilen Sprudelschicht auf Stoff- und Wärmeaustauschböden in Gegenstromtrennkolonnen. Bubbling layer on material and heat exchange floors The invention relates to a device for creating a stable bubble layer on material and heat exchange floors in countercurrent separation columns.

Gegenstromtrennprozesse wie Destillation, Rektification, Absorption, Desorption, Gaskühlung, Gassättigung u. a. werden bekanntlich in Kolonnen durchgefUhrt, in welchen der zur Durchführung dieser Prozesse erforderliche innig. Kontakt zwischen einer strömenden Gasphase und einer strömenden Flüsaigphase durch Einbauten herbeigeführt wird.Countercurrent separation processes such as distillation, rectification, absorption, Desorption, gas cooling, gas saturation, etc. are known to be carried out in columns, in which the necessary to carry out these processes intimately. Contact between a flowing gas phase and a flowing liquid phase brought about by internals will.

Als Kolonneneinbauten dienen u. a. alle Arten von Böden (Stoff.The column internals include all types of floors (fabric.

und Wärmeaustausch-Böden). Dazu gehören die Questromböden (alocken-, Tunnel-, Ventil-, Sieb-Böden u. .), die zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstaus mit Überlaufwenden und zur Flüssigkeitsführung mit Ablaufschächten oder -rohren in ein- oder mohrflutiger Bauweise sowie zur Gasverteilung mit speziellen Einbauelementen (Glocken, Turnels, Ventile, Löcher, Schlitze u. a.) ausgestattet sind. Dazu gehören weiterhin die Regenböden (Dual-Flow-, Turbogrid-Böden u. a.) ohne ablaufschächte, bei denen die Flussigkeit durch dieselben Öffnungen (Löcher, Schlitze) wie die entgegenströmende Gas- oder Dampfphase gefUhrt und von dieser auf den Böden aufgestaut und gehalten wird0 Beim Betrieb von, mit den beschriebenen Böden ausgerUsteten, Kolonnen sind bei Gegenströmführung von Cs- und Flüssigphase in Abhängigkeit von den Stoffeingeschaften der strömenden Medien, in Abhängigkeit von den Abmessungen der Böden wie Bodendurchmesser, Bodenabstand, Ablaufschachtquerschnitt, Überlaufw rohrlänge und -höhe sowie in Abhängigkeit von Art, Anzahl und Größe der Gasverteilungselemente bis zu neun flüssigkeitsseitige und gasseitige obere und untere Belastungagrenzen zu beachten, , die den .öglichen Arbeitsbereich einer Trennkolonne mit Stoff- und Wärmeaustausch-Böden bezüglich der Mengenströme von Gas- und Flüssigphase eingrenzen.and heat exchange floors). These include the Questrombboden (curly, Tunnel, valve, sieve trays, etc.), which are used to create a liquid jam with Turn overflows and for liquid guidance with drainage shafts or pipes in one or boggy construction as well as for gas distribution with special built-in elements (Bells, turnels, valves, holes, slots, etc.) are equipped. This includes furthermore the rain floors (dual-flow, turbogrid floors, etc.) without drainage shafts, at which the liquid flows through the same openings (holes, slots) like the countercurrent gas or vapor phase and guided by this on the floors accumulated and held 0 When operating, with the floors described, Columns are dependent on Cs and liquid phase with countercurrent flow the material properties of the flowing media, depending on the dimensions of the floors such as floor diameter, floor clearance, drainage shaft cross-section, overflow w pipe length and height as well as depending on the type, number and size of the gas distribution elements up to nine liquid-side and gas-side upper and lower load limits to be observed, that the .possible working range of a separating column with substance and Limit heat exchange trays with regard to the gas and liquid phase flows.

Kino wichtige und bekannte Kenngröße zur Beurteilung des thermodynamischen und hydrodynamischen Betriebszustandes eines Stoff- und Wärmesustausch-Bodens in einer Trennkolonne ist das Verhältnis #/# des Flüssigkeitsmassenstromes # [kg/h] zum Gasmassenstrom # [kg/h] oder der diesem Verhältnis proportionale Strömungsparameter (#G, #L kg/m³ : Massendichte von Gas bzw. Flüssigkeit). Weitere charakteristische Kenngrößen sind der F-Faktor: (G: Gasgeschwindigkeit, auf den freien Querschnitt der Kolonne bezogen) und die Wehrbelastung (1wa[m]: Länge des Überlaufwehres).The important and well-known parameter for assessing the thermodynamic and hydrodynamic operating state of a mass and heat exchange tray in a separating column is the ratio # / # of the liquid mass flow # [kg / h] to the gas mass flow # [kg / h] or the flow parameter proportional to this ratio (#G, #L kg / m³: mass density of gas or liquid). Further characteristic parameters are the F-factor: (G: gas velocity, based on the free cross-section of the column) and the weir load (1wa [m]: length of the overflow weir).

Übliche Werte dieser Kenngrößen sind: Strömungsparameter: FLC " 0,01 ... 10 F-Faktor: F = 1,0 ...Usual values of these parameters are: Flow parameters: FLC "0.01 ... 10 F-factor: F = 1.0 ...

Wehrbelastung: VL w 6,0 ... 50,0 Beim Betrieb von Wärme- und Stoffaustausch-Böden mit sehr geringen Flüssigkeitsmenenströmen, d. h. bei Wehrbelastungen V'L < 6, bevorzugt aber V'L < 4, und bei F-Faktoren F>1,6, bevorzugt aber F>1,8 - das entspricht Strömungsparametern FLG<0,008 ... 0,014 - tritt ein Phänomen auf, das als "Freiblasen" der Böden bezeichnet wird Hierbei wird die auf der Oberseite eines Bodens normalerweise in Form einer Sprudelschicht befindliche Flüssigkeit, die bei den angegebenen Werten der obengenannten Parameter F und VL nur sehr langsam Uber den Boden fließt und erneuert wird, durch den aus den Gasverteilungselement austretenden Gasstrom hochgerissen und in kleine Tropfen zerteilt. Diese werden von der Bodenfläche wegge tragen, so daß wegen des Fehlens einer Sprudelschicht der angestrebte Wärme- und Stoffaustausch nicht a.hr in ausreichendem Maße stattfinden kann. Weir load: VL w 6.0 ... 50.0 When operating heat and mass transfer floors with very low liquid flow rates, d. H. for weir loads V'L <6, but preferably V'L <4, and for F factors F> 1.6, but preferably F> 1.8 - this corresponds to flow parameters FLG <0.008 ... 0.014 - a phenomenon occurs on, which is referred to as "blowing out" the bottoms. This is the one on the top liquid normally in the form of a bubble layer in the soil, those at the specified values the above parameters F and VL flows very slowly over the ground and is renewed through the out of the gas distribution element escaping gas stream torn up and divided into small droplets. These will wear away from the floor surface, so that because of the lack of a bubble layer the desired heat and mass transfer does not take place to a sufficient extent can.

Eine bekannte Abhilfe, um diesen, wie beschrieben, ftir die angestrebte Wirksamkeit eines austauschbodens abträglichen Betriebzustand zu vermeiden, stellt die Verringerung des F-Faktors, d. h. die Zurücknahme der Gabelastung, entweder durch Vorrichtung des Gasmengenstomes oder durch Vergrößerung des Kolonnendurchmessers, dar. Die erste Maßnahae bedeutet eine nachteilige Kapazitätseinbuße bei. Betrieb einer vorhandenen Kolonne, die zweite Maßnahme erfordert erhöhte Investitionskosten beim Beu einer neuen Kolonne. Weiterhin kann durch Verringerung des F-Faktors eine der bekannten Belastungagrenzen - verletzt werden: Der Druckverlust der Gasphase bei. Durchströmen der Gasverteilungselemente reicht dann u. U. nicht mehr aus, um die FlUssigkeit auf des Boden zu halten; diese läuft unkontrolliert durch die Gasdurchtrittsöffnungen ab, so daß der angestrebte Wärme- und Stoffaustausch wiederum nicht stattfinden kann.A known remedy to this, as described, for the desired To avoid the effectiveness of a replacement floor, which is detrimental to the operating condition the reduction in the F-factor, d. H. the withdrawal of the fork load, either by device of the gas flow rate or by enlarging the column diameter, The first measure means a disadvantageous loss of capacity. operation an existing column, the second measure requires increased investment costs at the start of a new column. Furthermore, by reducing the F-factor, a the known load limits - are violated: The pressure loss of the gas phase at. Flowing through the gas distribution elements is then possibly no longer sufficient to to keep the liquid on the ground; this runs in an uncontrolled manner through the gas passage openings so that the desired exchange of heat and substances does not take place can.

Eine weitere bekannte Maßnahme, die die negativen Auswirkungen des Freiblasens verringern soll, stellt die Anordnung von Tropfenabscheidern oberhalb eines Austauschbodens dar. Als Tropfenabscheider kommen z. B. FUllkörper (Raschigringe, Pallringe u. a.) oder Drahtgestrickpackungen in Frage.Another well-known measure that can reduce the negative effects of the To reduce purging, the arrangement of droplet eliminators above an exchange floor. As Droplet eliminators come e.g. B. Filler (Raschig rings, Pall rings, etc.) or wire mesh packs in question.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß eine Verbesserung des Phasenkontaktes bei extremen Gas/Fltissigkeitsverhältnissen in Trennkolonnen erzielt wird, wobei ein Freiblasen der Austauschböden verhindert wird.The invention is based on the object of providing a device of the initially described mentioned type to the effect that an improvement of the phase contact is achieved in the case of extreme gas / liquid ratios in separation columns, with blowing out the replacement trays is prevented.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß mehrere Platten senkrecht oder leicht geneigt in einem Abstand Uber einem Boden und quer zur Hauptströmungsrichtung der FlUssigkeit auf einem Boden angeordnet sind.This object is achieved according to the invention in that several Plates perpendicular or slightly inclined at a distance above a floor and across are arranged on a floor to the main flow direction of the liquid.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Platten die gesamte Breite des Bodens Uberspannen.An advantageous embodiment provides that the plates are the entire Spanning the width of the floor.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Platten eine Höhe zwischen 150 und 300 mm, bevorzugt zwischen 150 und 250 mm haben und senkrecht oder mit einem Winkel zwischen 80 und 1000, bevorzugt zwischen 85 und 950 gegenUber der Bodenebene über einem Boden angeordnet sind, daß der senkrechte Abstand zwischen den Platten und dem Boden zwischen 10 und 50 mm, bevorzugt zwischen 20 und 40 mm beträgt, daß der horizontale Abstand zwischen zwei benachbarten Platten bzw.Furthermore, it is advantageous that the plates have a height between 150 and 300 mm, preferably between 150 and 250 mm, and perpendicular or with a Angle between 80 and 1000, preferably between 85 and 950 with respect to the ground plane are arranged above a floor that the vertical distance between the plates and the bottom is between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 40 mm, that the horizontal distance between two adjacent panels or

der ersten Platte auf der Zulaufseite und dem Ablaufsohacht des darllberliegenden Bodens zwischen 200 und 600 mm, bevorzugt zwischen 300 und 500 mm beträgt, und daß der horizontale Abstand zwischen der letzten Platte auf der Ablaufseite und dem Ablaufwehr zwischen 20 und 70 mm, bevorzugt zwischen 30 und 50 mm beträgt.the first plate on the inlet side and the outlet shaft on the one above Soil is between 200 and 600 mm, preferably between 300 and 500 mm, and that the horizontal distance between the last plate on the drain side and the Drain weir between 20 and 70 mm, preferably between 30 and 50 mm.

Vorteilhaft geht man auch so vor, daß die Platten aus Stahlblech oder Kunststoff gefertigt und glatt, wellig oder zickzackförmig, sowie undurchlässig, geschlitzt oder mit Löchern versehen sind.It is also advantageous to proceed in such a way that the plates are made of sheet steel or Made of plastic and smooth, wavy or zigzag-shaped, as well as impermeable, slotted or perforated.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß die Platten mit an sich bekannten Siebböden, Ventilböden, Glockenböden oder Tunnelböden mit Flilssigkeitszwangiflilirung durch Ablaufsohächte oder mit Regenböden ohne Ablaufsohächte kombiniert sind.Finally, it is advantageous that the plates are known per se Sieve trays, valve trays, bubble-cap trays or tunnel trays with forced liquid ventilation are combined with drainage ducts or with rain floors without drainage ducts.

Die Vorteile ergeben sich insbesondere dadurch, daß die eingangs geschilderten Nachteile in Verbindung mit dem Vorgang des Freiblasens von Austausohböden vermieden werden.The advantages result in particular from the fact that the above-mentioned Avoid disadvantages in connection with the process of blowing free of exchange floors will.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhnmgsbeispiels näher erläutert.The invention is in the following description based on a Ausfuhnmgsbeispiels shown in the drawing explained in more detail.

Es zeigen, Figur 1 einen Längsechnitt durch einen Teil einer Trennkolonne und Figur 2 einen Schnitt nach der Linie A-B in Figur 1.FIG. 1 shows a longitudinal section through part of a separating column and FIG. 2 shows a section along the line A-B in FIG.

In dem in der Regel zylindrischen Kolonnenmantel 1 mit dem Durchmesser D8 sind mehrere Stoffaustausohböden, bestehend aus der Bodenplatte 2 mit an sich bekannten Gasverteilungs elementen (z. B. Löchern, Schlitzen, Ventilen, Glocken) und dem Ablaufschacht 5, im Abstand H voneinander entfernt angebracht. Die Fltlssigkeit strömt in Pfeilrichtung Uber den Boden und läuft über das Ablaufwehr 4 mit der Höhe hwa in den Ablaufachacht 3. Quer zur Hauptströmlngsrichtung werden erfindungsgemäß mehrere Platten 5, deren Höhe h1 zwischen 100 und 300 mm, bevorzugt aber zwischen 150 und 250 mm beträgt, in einem Abstand h2 zwischen 10 und 50 mm, bevorzugt aber zwischen 20 und 40 mm derart über dem Boden angeordnet, daß sie den Boden in seiner gesamten Breite Uberspannen. Die Platten können senkrecht oder aber unter einem Winkel von 80 bis 1000, bevorzugt zwischen 85 und 950 gegenüber der Bodenebene angeordnet werden. Das Gas strömt zwischen den Platten hindurch. Der Abstand h3 zwischen Oberkante der Platten und dem nächsten Boden beträgt zwischen 150 und 500 mm, bevorzugt zwischen 200 und 300 mm.In the usually cylindrical column jacket 1 with the diameter D8 are several Stoffaustausohböden, consisting of the base plate 2 with per se known gas distribution elements (e.g. holes, slots, valves, bells) and the downcomer 5, attached at a distance H from each other. The liquid flows in the direction of the arrow over the ground and runs over the drainage weir 4 with the height hwa in the drainage duct 3. Be transverse to the main flow direction according to the invention, several plates 5, the height h1 of which is between 100 and 300 mm, is preferred but is between 150 and 250 mm, at a distance h2 between 10 and 50 mm, but preferably arranged between 20 and 40 mm above the ground in such a way that they the Spanning the entire width of the floor. The panels can be vertical or else at an angle of 80 to 1000, preferably between 85 and 950 with respect to the Be arranged at ground level. The gas flows through between the plates. Of the Distance h3 between the upper edge of the panels and the next floor is between 150 and 500 mm, preferably between 200 and 300 mm.

Der horizontale Abstand b1 zwischen zwei benachbarten Platten bzw. der ersten Platte auf der Zulaufseite und dem Ablaufschacht 3 des darüberliegenden Bodens beträgt zwischen 200 und 600 mm, bevorzugt zwischen 300 und 500 mm. Zwischen der letzten Platte auf der Ablaufseite und dem Ablaufwehr 4 ist ein Abstand b2 von 20 bis 70 mm, bevorzugt zwischen 30 und 50 mm einzuhalten.The horizontal distance b1 between two adjacent plates or the first plate on the inlet side and the downcomer 3 of the overlying one The bottom is between 200 and 600 mm, preferably between 300 and 500 mm. Between the last plate on the drain side and the drain weir 4 is a distance b2 of 20 to 70 mm, preferably between 30 and 50 mm.

In den folgenden Beispielen soll die Auswirkung einer erfindungogemäßen Vorrichtung auf den Betrieb von mit Stoffaustauschböden ausgerüsteten Kolonnen beschrieben werden.In the following examples, the effect of an according to the invention Device described for the operation of columns equipped with mass transfer trays will.

Beispiel 1 Durch eine Kolonne mit einem Durchmesser von 1,6 1 strömen Wassor und Luft im Cegenstrom. Die Kolonne ist mit Ventllbdden ausgerUstet. Bei einem FlUssigkeitsstrom von 2 m3/h entsprechend einer Wehrbelastung V'L = 1,7 m³/m h und bei einem Luftstrom von 12000 m3/h entsprechend eine. F-Faktor von werden die Boden freigeblasen. Nach Einbau von erfindungsgemßen Vorrichtungen, bestehend aus Jeweils drei Platten mit einer Höhe hl - 200 mm, die im Abstand b1 z 350 mm voneinander und in eines Abstand h2 - 30 mm Uber den Böden quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit auf einem Boden angeordnet sind. kann der Luftstrom bis auf 18000 m3/h gesteigert werden, ohne daß die fladen freigeblasen werden.Example 1 Water and air flow countercurrently through a column with a diameter of 1.6 l. The column is equipped with valves. With a liquid flow of 2 m3 / h corresponding to a weir load V'L = 1.7 m³ / m h and with an air flow of 12000 m3 / h correspondingly one. F-factor of the soil is blown free. After installation of devices according to the invention, each consisting of three plates with a height hl - 200 mm, which are arranged at a distance b1 z 350 mm from each other and at a distance h2 - 30 mm above the trays transversely to the direction of flow of the liquid on a tray. the air flow can be increased up to 18000 m3 / h without the patties being blown free.

Beispiel 2 In einer Kolonne mit eine. Durchmesser von 2,6 1 wird ein organisches Produkt bei einem Druck von 32 mbar destilliert. Die Kolonne ist mit 5 Ventilböden ausgerüstet. Bei einem Strömungspar tor von ist die Kolonne bis zu einem F-Fakohne Schwierigkeiten zu betriben.. Bei größeren F-Faktoren fällt die Trennwirkung wegen zunehmenden Freiblasens stark ab. Nach Einbau von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bestehend aus jeweils 4 Platten nit einer Höhe h1 = 216 mm, die im Abstand b1 = 500 mm voneinander und in einei Abstand h2 - 30 - Uber den Böden quer zur Strömungsrichtuaa der Flüssigkeit auf einem Boden angeordnet sind, kann der F-Faktor bis auf und daiit der Durchsatz der Kolonne ua 31 % gesteigert werden. L e e r s e i t eExample 2 In a column with a. With a diameter of 2.6 l, an organic product is distilled at a pressure of 32 mbar. The column is equipped with 5 valve trays. With a flow par gate of the column can be operated up to an F-factor without difficulty. With larger F-factors, the separating effect falls sharply due to increasing purging. After installation of devices according to the invention, each consisting of 4 plates with a height h1 = 216 mm, which are arranged at a distance b1 = 500 mm from one another and at a distance h2 - 30 - above the floors transversely to the flow direction of the liquid on a floor the F-factor up to and that the throughput of the column can be increased by 31%, among other things. L eerseite

Claims

Patent claims device for producing a stable bubble layer on mass and heat exchange trays in countercurrent separation columns, characterized in that that several plates (5) perpendicular or slightly inclined at some distance above one Floor (2) and transverse to the main direction of flow of the liquid on a floor (2) are arranged.

2) Device according to claim 1, characterized in that the plates (5) span the entire width of the floor (2).

3) Device according to claim 1 and 2, characterized in that the plates (5) have a height (h 1) between 150 and 300 mm, preferably between 150 and 250 mm and perpendicular or at an angle between 80 and 1000, preferably between 85 and 950, opposite the floor plane in such a way above a floor (2) are that the vertical distance (h 2) between the plates (5) and the bottom (2) between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 40 mm, that the horizontal Distance (b 1) between two adjacent plates (5) or the first plate (5) on the inlet side and the downcomer (3) of the floor above between 200 and 600 mm, preferably between 300 and 500 mm, and that the horizontal Distance (b 2) between the last plate (5) on the drainage side and the drainage weir (4) is between 20 and 70 mm, preferably between 30 and 50 mm.

4) Device according to claims 1 to 3, characterized in that the plates (5) made of sheet steel or plastic and smooth, wavy or zigzag, as well as impermeable, slotted or with holes are provided.

5) Device naoh claims 1 to 4, characterized in that the plates (5) with per se known sieve trays, valve trays, bubble trays or Tunnel floors with forced liquid flow through drainage shafts or with rain floors are combined without drainage shafts.