DE2845804B2

DE2845804B2 - Füllkörper für eine Schüttpackung zum Inberührungbringen von Gasen und Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2845804B2
Application number: DE2845804A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Edwin Macclesfield Cheshire Porter; Ralph Frederick Akron Ohio Stringle jun.
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1977-11-01
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1981-03-19
Also published as: FR2407014A1; JPS5939455Y2; BR7806820A; GB2007109B; IT7869402A0; DE2845804A1; US4303599A; NL178656C; IN150224B; SE439115B; MX148460A; JPS5673520U; DE7831341U1; AU521023B2; DE2845804C3; NL7810439A; AU4091078A; IT1108547B; FR2407014B1; GB2007109A

Description

Die Erfindung betrifft einen Füllkörper für eine Schüttpackung zum Inberührungsbringen von Gasen und Flüssigkeiten, der einen stetig gebogenen und durchbrochenen Streifen als Basisabschnitt mit freien Enden aufweist, um eine Achse so gekrümmt ist, daß er mindestens teilweise einen Raum umschließt, und mindestens einen in entgegengesetzter Richtung zum Basisabschnitt gekrümmten Brückenabschnitt aufweist, der vom Basisabschnitt getragen wird und sich unter Einhaltung eines Abstandes von dem Basisabschnitt in den genannten Raum hinein erstreckt

Ein derartiger Füllkörper ist bereits bekannt (DE-AS 11 29 931). Er ist aus einem rechteckigen Metallstreifen

hergestellt, der in einem mittleren Bereich durch vier parallel zu den kürzeren Streifenkanten verlaufende Schnitte in fünf Stege von etwa gleicher Breite unterteilt ist, die abwechselnd etwa halbkreisförmig zur einen bzw. zur anderen Seite aus der Ebene des Bh chstreifens

ίο herausgebogen sind, in der die Endabschnitte mit den beiden entgegengesetzt weisenden Längskanten des Streifens verbleiben. Dabei können die beiden Endabschnitte mit den gleichsinnig durchgebogenen äußeren Stegen und dem mittleren Steg als Basisabschnitt und

υ die beiden entgegengesetzt gebogenen Stege als Brückenabschnitte angesehen werden.

Derartige Füllkörper lassen sich zwar auf einfache Weise durch Stanzpressen aus einem Blechband herstellen, es wurde jedoch festgestellt, daß diese Füllkörper ebenso wie andere bekannte Ausführungsformen von Füllkörpern hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Leistung verbesserungsfähig sind. Der Grund für den diesbezüglichen Mangel der bekannten Füllkörper wird darin gesehen, daß die beim Einfüllen

der Füllkörper in die Stoffaustauschkolonnen bzw. -säulen sich ergebende Orientierung der einzelnen Füllkörper verb^sserungsfähig ist und daß auch die Durchströmungsbedingungen für das Gas und die Flüssigkeit noch nicht optimal bind. Allgemein soll ein möglichst niedriger Strömungswiderstand bei einer gleichmäßigen Durchströmung erzielt werden. Es ist ersichtlich, daß daher nicht nur die Form der Füllkörperflächen, sondern auch ihre Lage innerhalb der Schüttpackung von Einfluß ist

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Füllkörper der eingangs genannten Art so auszubilden, daß hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Leistung ein insgesamt besseres Ergebnis erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Basisabschnitt eine im wesentlichen halbelliptische Form mit einem Scheiteiabschnitt und zwei ein offenes Ende bildenden Endabschnitten hat, daß der Scheitelabschnitt einen kleineren Krümmungsradius als die Endabschnitte aufweisen und daß der größte Abstand zwischen dem Scheitelabschnitt und dem Brückenabschnitt erheblich größer ist als die parallel zu der genannten Achse gemessene Breite des Basisabschnitts an desspn offenem Ende.

Infolge dieser Ausbildung neigt der Füllkörper dazu, in der Schüttung eine Lage einzunehmen, bei der die auf die halbelliptische Form des Basisabschnitts bezogene größere Achse bzw. Halbachse nicht senkrecht verläuft. Bei einer Abstützung auf dem Scheitelabschnitt ergibt sich aus dem kleinen Krümmungsradius in diesem ■ Bereich eine instabile Lage mit der Tendenz zum

Abrollen bzw. Abgleiten in Richtung auf einen Endabschnitt des Basisabschnitts. Bei einer um 180°

gedrehten Ausgangslage des Füllkörpers, also einer

bo Abstützung auf dem oder den Brückenabschnitten neigt der Füllkörper wegen seiner vergleichsweise geringen Breite in Achsrichtung und des hoch über dem Brückenabschnitt gelegenen Schwerpunkts zu einem seitlichen Wegkippen, bei dem die Achse eine Neigung

*>■> gegenüber der Waagerechten erfährt. Dementsprechend lagern sich die Füllkörper in der Schüttpackung bevorzugt in einer Weise, bei der ihre Öffnungen oder Durchbrechungen eine waagerechte Komponente auf-

weisen und daher einen freien Strömungsquerschnitt in senkrechter Richtung bilden, so daß sich gute Strömungsbedingungen namentlich ein niedriger Strömungswiderstand und eine gleichmäßig über den Mantelquerschnitt verteilte Durchströmung ergeben. Darauf werden die guten Ergebnisse zurückgeführt, die sich für den erfindungsgemäßen Füllkörper aufgrund der nachfolgend wiedergegebenen Vergleichsversuche ergeben haben.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen ι ο ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Betrachtung derselben in Richtung der gedachten Achse,

Fig.2 eine Stirnansicht der Ausführungsform nach F i g. 1 bei Betrachtung derselben im rechten Winkel zu der gedachten Achse und

Fig.3 die Draufsicht des flachen Materialstreifens, aus dem der Füllkörper nach F i g. 1 und 2 hergestellt wird.

Gemäß der Zeichnung weist der erfindungsgemäße Füllkörper einen Basisabschnitt 10 und einen Brückenabschnitt 12 auf! Zu dem Brückenabschnitt 12 gehören zwei Hälften und zwei Zungen 14, die in den Raum hineinragen, welcher durch die betreffenden Flächen des Basisabschnitts 10 und den Brückenabschnitt 12 abgegrenzt wird. jo

Der Basisabschnitt 10 weist Flansche oder Abkantungen 16 auf, die dazu dienen, den Basisabschnitt so zu verstärken, daß er eine ausreichende Starrheit erhält, und mittels welcher der Füllkörper in einem Abstand von benachbarten Füllkörpern gehalten vird, welche ein Bett bilden, in dem die Füllkörper regellos gelagert sind.

Gemäß F i g. 1 hat der Basisabschnitt 10 allgemein die Form eines Teils einer Ellipse, doch setzt er sich tatsächlich aus drei Abschnitten zusammen, die durch drei getrennte Krümmungsmittelpunkte bestimmt sind. Es ist jedoch auch möglich, dem Basisabschnitt eine hyperbolische, parabolische oder vielec!:ige Form zu geben; hierbei kommt es insbesondere darauf an, daß der Basisabschnitt eine Verjüngung in Richtung auf seinen oberen Teil aufweist. Der obere Teil des Basisabschnitts hat bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Krümmungsradius von etwa 9,6 mm, während der Krümmungsradius der End- oder Mantelabschnitte jeweils etwa 35 mm beträgt. Der Brückenabschnitt 12 iiat einen Krümmungsradius von etwa 12,7 mm. Bei dieser Konstruktion hat der Raum, der einerseits durch den Basisabschnitt 10 und andererseits durch den Brückenabschnitt 12 abgegrenzt wird, in verschiedenen Richtungen nahezu gleich große Abmessungen, und es ist eine relativ gleichmäßige Flächenverteilung in der Umgebung dieses Raums vorhanden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel führt die halbelliptische Form dazu, daß sich ein Verhältnis von nahezu 1,0 zwischen der inneren Höhe der Öffnung und der maximalen Breite der Öffnung ergibt. Gemäß F i g. 1 handelt es sich hierbei um die Abmessungen ßund A. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß bei den vorteilhaftesten Füllkörpern nach der Erfindung der Wert des er, genannten Verhältnisses mindestens 0,97 beträgt; in jedem Fall soll das Verhältnis zwischen B und A dei. Wert von 0.75 nicht , ,nterschreiten. Hierbei ergibt sich ein großer hydraulischer Radius, der als der Quotient aus der Querschnittsfläche und der Umfangslänge der Querschnittsfläche definiert ist Gewöhnlich hat ein Kreis den größten hydraulischen Radius, und bei Abweichungen von der Kreisform wird der hydraulische Radius kleiner. Bei dem erfindungsgemäßen Füllkörper soll der größte hydraulische Radius erreicht werden, der sich bei der sich verjüngenden Gestalt des oberen Endabschnitts erzielen läßt

Wie schon angedeutet besteht ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung darin, daß die halbelliptische Form bzw. eine andere sich verjüngende Form des Basisabschnitts zu einer Konstruktion führt, die sich nicht im Gleichgewichtszustand an ihrer Nase abstützen kann. Daher ist ein erfindungsgemäßer Füllkörper stets bestrebt, nach einer Seite umzukippen, so daß die gedachte Achse senkrecht verläuft, oder gegenüber seiner Nase so umzukippen, daß der Füllkörper derart zur Ruhe kommt daß sich die längere Achse der Ellipse unter einem erheblichen Winkel zur Senkrechten erstreckt Dies bedeutet daß die· Gase, welche durch solche Füllkörper nach oben atrigen, stets auf Öffnungen treffen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist Unter Berücksichtigung der durch die Füllkörper dargebotenen Flächen ergibt sich- daher eine sehr hohe Durchsatzleistung der Füllung. Würde der Füllkörper seine in F i g. 1 gezeigte Lage beibehalten, so daß die längere Achse der Ellipse senkrecht verlaufen würde, würden die in der die Füllung enthaltenen Kolonne hochsteigenden Gase auf eine Konstruktion treffen, die nahezu vollständig durch die Flächen 12, 10 und 14 verdeckt ist welche sich allgemein quer zur Strömungsrichtung des Gases erstrecken.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der gekrümmte untere Abschnitt des Füllkörpers, d. h. der Brückenabschnitt 12, längs der gedachten Achse eine geringere Breite hat als der Kopfteil des halbelliptischen Abschnitts. Hierdurch wird die Unstabilität des Füllkörpers vergrößert, so daß der Füllkörper nicht dazu neigt, sich auf dem unteren Teil des gekrümmten Brückenabschnitts abzustützen. Da der ivhwerpunkt des Füllkörpers höher liegt als dieser untere Teil, und wegen der relativ geringen Breite des Brückenabschnitts neigt der Füllkörper dazu, zur einen oder anderen Seite umzukippen, statt eine Gleichgewichtslage einzunehmen und sich mit dem unteren Teil des gekrümmten Brückenabschnitts 12 abzustützen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß keine größeren breiten waagerechten Rächen innerhalb der Füllung der Kolonne vorhanden sind, und zwar selbst dann nicht, wenn sich Füllkörper mit einer Seite des halbelliptischen Abschnitts tangential zu einer waagerechten Linie abstützen. Dies ist auf die reiativ große Offenheit des Füllkörpers zurückzuführen, die ihre Ursache in der großen Fläche des Brückenabschnitts 12 und der Zungen 14 hat. Die relativ breite Fläche des Basisabschnitts 10 ist gemäß Fig.3 in mehrere erheblich kleinere Flächen unterteilt, so daß die Flüssigkeit, z.B. Wasser, beide Flächen der verschiedenen Teile des Füllkörpers berühren kann, und /war sogar auch dann, wenn diese Flächen eine waagerechte Lage einnehmen.

Zwar sollen waagerechte Flächen von großer Breite vermieden werden, doch sollen die Flächen hinreichend breit sein, um eine waagerechte Verlagerung der Flüssigkeit, z. B. Wasser, herbeizuführen, damit alle Flächen jedes Füllkörpers benetzt werden, um ständig eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über den

ganzen Querschnitt der Kolonne bzw. des Turms zu gewährleisten. Daher erhalten die Flächen eine ausreichende Breite, so daß sich die Flüssigkeit, z. B. Wasser, nicht auf den Flächen ansammelt und so von ihnen abtropft, als wenn an ihrer Stelle Drähte vorhanden wären.

Zu den Merkmalen der Erfindung gehört es ferner, daß die Öffnungen des Füllkörpers hinreichend groß sein müssen, damit die Flüssigkeit hindurchströmen kann, ohne daß sie Brücken bildet, wobei die verschiedenen öffnungen abgeschlossen würden, die von dem Gas durchströmt werden sollen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Zungen oder Finger 14, welche in den Innenraum des Füllkörpers hineinragen, praktisch drei Strömungskanäle für das Gas abgrenzen, zu denen gemäß Fig. 1 ein unterer Kanal C und zwei obere Kanäle D und E gehören, die durch gedachte Linien getrennt sind, welche sich längs der Achse der Ellipse erstrecken. Bei einer bevorzugten ÄusiüiiruiigMuni: iahen die drei Querschnittsflächen C. D und E nahezu ι ι gleiche Größe, so daß das Gas gleichmäßig und • .lter Überwindung eines geringen Strömungswider-.,tandes parallel zu der gedachten Achse des Füllkörpers strömen kann, und daß zum Zweck des Stoffaustausches eine gleichmäßige Verteilung des Gases gewährleistet ist.

Zwar sind die Krümmungsradien, insbesondere diejenigen des Basisabschnitts 10 und des Briickenabschnitts 12, nicht von ausschlaggebender Bedeutung, doch üben sie den eingangs geschilderten Einfluß aus. Allgemein gesprochen sind die geometrischen Verhältnisse ohne Rücksicht darauf, ob die genannten Abschnitte vieleckig mit geraden Flächen oder als gleichmäßig gekrümmte Flächen oder elliptisch ausgebildet sind, derart, daß der Füllkörper nicht in einer Lage zur Ruhe kommt, in welcher seine längere Achse senkrecht und seine gedachte Achse waagerecht verläuft. Infolgedessen können seine gegeneinander versetzten Flächen nicht die projizicrten Flächen in senkrechter Richtung vollständig überschatten, und zwar auch dann nicht, wenn die gedachte Achse waagerecht verläuft. Zu diesem Zweck gewährleistet die halbelliptische oder sich verjüngende Form des Basisabschnitts 10 die gewünschte UnStabilität, und die parallel zu der gedachten Achse des Brückenabschnitts geringe Breite bietet eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß der Füllkörper jeweils so zur Ruhe kommt, daß die gedachte Achse einen Winkel mit der Waagerechten bildet, d.h. daß der Füllkörper nicht die in Fig. 1 gezeigte Lage beibehält. Hierbei handelt es sich um eine sehr unstabile '..age, die auf die geringe Breite der Stützfläche zurückzuführen ist. welche durch die beiden Hälften des Brückenabschnitts 12 gebildet werden; außerdem liegt der Schwerpunkt des Füllkörpers erheblich höher als der Brückenabschnitt. Hat der Füllkörper größere Abmessungen, kann man dem Brückenabschnitt 12 ebenfalls eine halbelliptische oder sich verjüngende Form geben, um zu verhindern, daß der Füllkörper auf dem Brückenabschnitt so zur Ruhe kommt, daß die längere Achse der Ellipse senkrecht verläuft.

Aus F i g. 1 und 2 ist ferner ersichtlich, daß die Flächen der Teile des Füllkörpers aus Metall sowohl am oberen Ende als auch am unteren Ende des umschlossenen Raums annähernd die gleiche Größe haben.

Ein erfindungsgemäßer Füllkörper, der allgemein die aus F i g. 1 und 2 ersichtliche Form hatte und die genannten Abmessungen besaß, wurde durch Versuche mit mehreren handelsüblichen Füllkörpern sowie mit Versuchsfüllkörpern verglichen, die in der nachstehenden Tabelle mit »Citten I« bezeichnet sind.

Die Füllkörper wurden in einer 380-mm-Laboratoriumsdestillationsvorrichtung geprüft, wobei mit Isooctan und Toluol bei vollständigem Rückfluß und atmosphärischem Druck gearbeitet wurde, um Angaben über den Durchsatz und den Wirkungsgrad drr Destillation zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Rillkörper	Packungs-	Wirksamkeit der
	faktor	Füllkörpersäulc, mm
Pall-Ring,	51	412
25,4 mm
Pall-Ring,	34	506
38 mm
ny-racK ινγ. ι	ff	•»JO
Citten I	34	472
Gem. Erfindung	24	433
Pall-Ring.	23	643
51 mm. Metal!

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Die Pall-Ringe aus Metall waren von der Art, welche durch die Norton Company hergestellt werden und auf Seite 3 des »Bulletin DC-11« dargestellt sind, welches erstmü'i 1971 und erneut im Jahre 1976 von der Norton Company veröffentlicht wurde (3M-31357-1276).

Die Hy-Pak-Ringe Nr. 1 entsprechen allgemein der Darstellung auf Seite 2 der genannten Druckschrift aus dem Jahr 1976.

Bei den erfindungsgemäßen Füllkörpern handelte es sich um solche der in F i g. I und 2 dargestellten Art.

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Füllkörper insgesamt den untersuchten anderen Füllkörpern überlegen sind. Sie zeigen einen besseren Wirkungsgrad und einen höheren Durchsatz als die Pall-Ringe (38 mi'-O ^:va. die bei Destillationsanlagcn verwendeten sog. ■ Zwar

ist der Wirkungsgrad nicht ganz »o gut v.r. den Pall-Ringen mit einem Durchmesser von 25,4 mm, doch ist der Packungsfaktor erheblich besser. Die Leistung (Packungsfaktor) ist nahezu derjenigen eines Pall-Ringes mit einem Durchmesser von 50,8 mm gleichwertig, wobei jedoch ein erheblich höherer Wirkungsgrad erzielt wird. Hierzu sei bemerkt, daß der Packungsfaktor eine dimensionslose Zahlengröße ist, die empirisch ermittelt wird, wie es auf S. 4 und 5 in der genannten Druckschrift DC-Il der Norton Company beschrieben ist. Es handelt sich um eine relative Zahl, und je ! "einer der Packungsfaktor ist desto besser ist die Leistung einer mit den betreffenden Füllkörpern gefüllten Säule.

Unter Berücksichtigung der Grundgedanken der Erfindung ist es möglich, verschiedene Arten von Füllkörpern für verschiedene Verwendungszwecke zu konstruieren. Werden z. B. die Abmessungen des Füllkörpers vergrößert, ist es möglich, eine Wirksamkeit der Füllkörpersäule zu erreichen, die mit derjenigen von Pall-Ringen mit einem Durchmesser von 503 mm vergleichbar ist, wobei jedoch eine erheblich höhere Leistung erzielbar wird. Umgekehrt kann sich bei kleineren Abmessungen eine Wirksamkeit der Füllkörpersäule ergeben, die niedriger ist als diejenige von Pall-Ringen mit einem Durchmesser von 25,4 mm, wobei sich jedoch wiederum eine höhere Leistung ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Füllkörper für eine Schaupackung zum Inberührungsbringen von Gasen und Flüssigkeiten, der einen stetig gebogenen und durchbrochenen Streifen als Basisabschnitt mit freien Enden aufweist, um eine Achse so gekrümmt ist, daß er mindestens teilweise einen Raum umschließt, und mindestens einen in entgegengesetzter Richtung zum Basisabschnitt gekrümmten Brückenabschnitt aufweist, der vom Basisabschnitt getragen wird und sich unter Einhaltung eines Abstandes von dem Basisabschnitt in den genannten Raum hinein erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabschnitt (10) eine im wesentlichen halbelliptische Form mit einem Scheitelabschnitt und zwei ein offenes Ende bildenden Endabschnitten hat, daß der Scheitelabschnitt einen kleineren Krümmungsradius als die Endabscbnitte aufweisen und daß der größte AbstakL (B) zwischen dem Scheitelabschnitt und dem Brückenabschnitt (12) erheblich größer ist als die parallel zu der genannten Achse gemessene Breite des Basisabschnitts an dessen offenem Ende.

2. Füllkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) über das offene Ende des Basisabschaitts (10) hinausragt

3. Füllkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) mindestens eine aus ihm herausgestanzte Zunge (14) aufweist, die in den genannten Raum hineinragt.

4. Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, -',aß der Brückenabschnitt (12) parallel zn der senannten Achse eine kleinere Abmessung hat als der Bask ^schnitt (10), wobei der Schwerpunkt des Füllkörpers über dem Brückenabschnitt (12) liegt

5. Füllkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisabschnitt (10) und der Brückenabschnitt (12) die projizierte Fläche des Füllkörpers bei Betrachtung in Richtung der längeren Ellipsenachse des Basisabschnitts (10) im wesentlichen vollständig verdecken, jedoch nicltbei Betrachtung in einer Richtung rechtwinklig zu der genannten Achse und der längeren Ellipsenachse des Füllkörpers verläuft

6. Füllkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabschnitt (12) zwei aus ihm herausgestanzte Zungen (14) aufweist, die in den genannten Raum hineinragen, und daß die Durchtrittsquerschnitte zwischen den Zungen (14) einerseits und dem Basisabschnitt (10) andererseits etwa die gleiche Größe haben und auch etwa gleich groß wie der zwischen den Zungen (14) vorhandene Durchtrittsquerschnitt sind.