DE2848386A1 - Austauschelement fuer boeden in stoffaustauschkolonnen - Google Patents

Description

Ludwigshafen (Rhein), den 07.11.1978 P 5392 II/q1z

Vertreter Patentanwälte

Dipl.-Ing. Adolf H. Piseher Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Fischer Kurfiirstenstraße 32 6700 Ludwigshafen (Rhein)

Anmelder Stahl

Apparate- und Gerätebau GmbH

6806 Viernheim (Hessen)

Austauschelement für Böden in Stoffaustauschkolonnen

Die Erfindung betrifft ein .Austauschelement für Böden in Stoffaustauschkolonnen, bestehend aus senkrecht in Bodenöffnungen befestigtem, mit G-itteröffnungen für den Gasdurchtritt versehenem Zylinder, mit feststehender Abdeckplatte zur Gasumlenkung und innerem beweglichen Ventilteller, einer oder mehreren Öffnungen zur Erweiterung des Gegenstromprozesses, wie Destillation, Rektifikation, Absorption, Desorption, Gaskühlung, Gassättigung usw., werden in sogenannten Kolonnen durchgeführt, in welchen der erforderliche innige Kontakt zwischen den strömenden Gas- und FlUssigkeitsphasen durch Austauschböden bewirkt wird.

Diese Austauschboden bestehen im wesentlichen aus Öffnungen (Löchern) für den Gasdurchtritt und den sogenannten Flüssigkeitsschächten für die Zu- bzw. Ableitung der Flüssigkeit auf den Böden.

Der einfachste Austauschboden dieser Art ist der sogenannte Siebboden. Durch Bohrungen in dem waagerecht angeordneten Bodenblech tritt das aufsteigende Gas durch die über den Boden fließende Flüssigkeit, wobei ein Stoff- und Wärmeaustausch stattfindet. Der Belastungsbereich eines solchen Siebbodens ist begrenzt, da bereits bei geringer Unterschreitung der Gasbelastung, für welche die Gasdurchtrittsquerschnitte hydraulisch berechnet wurden, die Flüssigkeit infolge des statischen Überdruckes durch die Gasdurchtrittsöffnung ausregnet und als Folge davon die Wirksamkeit des Bodens stark zurückgeht.

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Der senkrechte Durchtritt des Gases durch die Flüssigkeit beim Siebboden ist ein v/eiterer Nachteil dieses Austauschbodens.

Als Austauschboden sind vorwiegend sogenannte Ventilboden bekannt, die im wesentlichen aus runden oder länglichen Abdeckvorrichtungen bestehen, welche auf Öffnungen im Bodenblech liegen und durch Führungsarme, welche in die Bodenöffnung hineinragen, bzw. über dem Bodenblech befestigt sind, geführt werden. Neben den bekannten mechanischen Nachteilen, wie starker Verschleiß der bewegten Führungsarme, bzw. Vergrößern der Bodenöffnung durch Erosion, sind es vor allem der letztlich doch relativ geringe Belastungsbereich dieser Austauschelemente, d. h. die Fähigkeit, durch Öffnen oder Schließen der Gasdurchtrittsöffnung, sich den geforderten maximalen und minimalen Gasbelastungen anzupassen.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Ventile, die zur Abdeckung der Gasöffnung eines Stoffaustauschbodens angebracht sind, sich nur unvollkommen wechselnden Gasbelastungen anzupassen in der Lage sind. Bei Teillasten ist es keineswegs so, daß alle Ventile des Bodens durch teilweises Öffnen sich der geringen Gasbelastung anpassen und gar in dieser Stellung verbleiben. Es ist vielmehr so, daß alle Gasdurchtrittsöffnungen des Bodens bei Teillast durch die Ventildeckel verschlossen bleiben, bis der Druck des Gases unter dem Boden so weit angestiegen ist, daß plötzlich ein Teil der Bodenöffnungen durch Anheben der Ventildeckel freigegeben werden.

Diese Ventildeckel öffnen sich "bis zum maximalen Anschlag und verbleiben dann auch in dieser maximalen Öffnungsstellung. Entsprechend der Teilbelastung des Gases sind jedoch die geöffneten Gasdurchtrittsöffnungen nur ein Teil der im Boden vorhandenen gesamten Öffnungen. Es kommt zwar in diesem Bodenbereich zur Begasung der Flüssigkeit und damit zum Stoffaustausch, aber nur sehr unvollkommen, denn gleichzeitig mit dem Öffnen eines Teiles der Gasdurchtrittsöffnung auf dem Boden und Durchtritt des gesamten zur Verfugung stehenden Gasstromes durch eben diese Öffnungen entfällt der Gasdruck unterhalb der übrigen zwar durch Ventilteller abgedeckten Gasdurchtrittsöffnungen. Da die Ventilteller aus !corrosions- und hydraulischen Gründen die Gasdurchtrittsöffnungen im Boden nie ganz abschließen sollen und können, regnet·dort die über den Boden fließende Flüssigkeit ab, so daß es sehr bald zum Leerlaufen des Bodens und damit überhaupt zum Funktionsausfall der Kolonne kommt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein .Austaus cnelement für Stoffaustauschböden zu schaffen, das sich weitgehend den wechselnden Gasbelastungen anpaßt, ohne daß die Begasung der Flüssigkeit und damit der Bodenwirkungsgrad sich verschlechtert.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ventilteller mit Öffnungen gleicher oder unterschiedlicher Größe und Form für den Gasdurchtritt versehen ist.

Es ergibt sich der -wesentliche Vorteil, daß die Gasdurchtritts öffnungen durch entsprechende Vorrichtungen abgedeckt werden, die sich einmal der wechselnden Gas-"belastung anpassen, indem sie die freie Gasdurchtrittsflache mehr oder weniger verschließen und zum anderen noch so ausgebildet sind, daß sie das durch die Bodenöffnung hindurchgetretene Gas beim Einleiten in die Flüssigkeit wieder zum Bodenblech hin umlenken.

Hierbei ist es vorteilhaft, daß der innere Ventilteller bei Teillast des Gases auf der Bodenöffnung innerhalb des senkrechten Zylinders aufliegt und die Bodenöffnung verschließt. Das Gas strömt lediglich durch die Öffnung oder Öffnungen im Ventilteller, die ent-

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sprechend den Regeln der Hydraulik ausgelegt v/erden und wird durch die Abdeckplatte umgelenkt und tritt durch die Gitteröffnungen des senkrechten Zylinders zur Begasung in die Flüssigkeit ein, d. h. die Flüssigkeit wird bei Teillast genauso durch das Austauschelement begast, wie bei vollkommen geöffnetem inneren Ventilteller, nur daß entsprechend der geringeren zur Verfugung stehenden Gasbelastung die gesamten Gasdurchtrittsöffnungen im Boden durch die Öffnungen im Ventilteller nur teilweise freigegeben sind.

Ein weiterer Vorteil der vorgesehenen erfindungsgemäßen Ausführungsform der Austauschelemente zeigt sich bei steigender Gasbelastung. Bedingt durch die Öffnungen im Ventilteller öffnet dieser nicht plötzlich bis zum oberen Anschlagspunkt der Gasdurchtrittsöffnungen im Boden, bzw. im senkrechten Zylinder. Er verharrt vielmehr in entsprechender Höhenlage und gibt damit nur die der Gasbelastung entsprechende Öffnung frei. Damit kommt es zur gleich- mäßigen Begasung der ganzen Bodenfläche xmä das Ausregnen der Flüssigkeit wird vermieden, was gleichbedeutend ist mit einem gleichbleibenden hohen Wirkungsgrad, auch bei Seilbelastung durch das Gas.

Einen weiteren Vorteil der vorgesehenen erfindungsgemäßen Ausführungsform der Austauschelemente soll am folgenden Auslegungsbeispiel gezeigt werden:

Haßgebend für die Dimensionierung einer Austauschkolonne sind folgende Kriterien:

1) Gas- und Flüssigkeitsbelastung mit den entsprechenden Dichten,

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2) Belastungs"bereich, d. h. untere und obere Belastungsgrenze und

3) zulässiger maximaler Druckverlust.

Die Flussiglceitsbelastung ist vorwiegend für die Bestimmung der Flussiglceitszu- und -ablaufkanale des Austauschbodens maßgebend. Da diese Bodenvorrichtungen durch die vorgeschlagene Erfindung nicht beeinflußt werden und auch für alle Formen von Austauschboden gleich dimensioniert werden, sollen die folgenden Betrachtungen ohne Berücksichtigung der Flüssigkeitsbelastung weitergeführt werden.

TJm einen geforderten maximalen Gasdurchsatz durch eine Kolonne zu erreichen, sind eine ganz bestimmte Anzahl von Austauschelementen pro Boden notwendig. Jedes Auntauschelement und damit jeder Austauschboden hat einen bestimmten Druckabfall, den das Gas beim Durchströmen des Elementes (und auch der Flussigkeitsschicht, die jedoch für alle Arten von Böden gleich angenommen werden soll und deshalb außer Betracht bleibt) erfährt. Dieser Druckverlust ist eine Funktion der strömenden Gasmenge und abhängig von der konstruktiven Ausbildung des Austauschelementes; bei vorgegebener konstruktiver Ausführung, also von der spezifischen Gasbelastung eines Austauschelementes; je höher die Gasbelastung, desto höher der Druckverlunt.

Wird nun der Druckverlust eines Austauschelementes aus prοzeßtechnischen Gründen begrenzt, so bedeutet dies, daß die spezifische Gasbelastung/Austauschelement erniedrigt v/erden muß, d. h. die Zahl der Austauschelemente/Boden muß erhöht werden.

Aufgrund der geforderten unteren Belastungsgrenze kann je-

doch die Zahl der Austauschelemente/Boden nicht beliebig vergrößert werden, da bei Unterschreitung einer bestimmten minimalen Gasbelastung pro Austauschelement die Flüssigkeit durch die Austauschelemente ausregnet und der Bodenwirkungsgrad dann stark abfällt, bzw. der Boden überhaupt seine Punktion aufgibt.

Alle z. Zt. auf dem Markt befindlichen Austauschboden haben einen Gasbelastungsbereich von ca. 1:3.

Durch die vorgeschlagene erfindungsgemäße Ausführung der Austauschelemente wird ein Belastungsbereich von mindestens 1 : 8 erreicht, da die untere Belastungsgrenze, d. h. der Bclastungspunkt, bei welchem der Boden überhaupt noch entsprechend der Aufgabenstellung zufriedenstellend arbeitet, ganz wesentlich nach unten erweitert v/erden konnte. Dadurch ergeben sich für die Auslegung und Betrieb von Austauschkolonnen große Vorteile:

1) Die Kolonnen können exakt dem geforderten Belastungsbereich und vorgegebener Gasbelastung bei max. zulässigem Druckverlust angepaßt werden, eine Tatsache, die bei den heutigen wechselnden Auslastungen der Chemieanlagen von großer Bedeutung ist und zu entsprechenden Kosteneinsparungen führt, da z. B. bei vorliegender Teilbelastung der Kolonnen nicht zusätzliche Energie für Zusatzverdampfung aufgebracht werden muß, um überhaupt den Boden funktionsfähig zu erhalten, die aber einen Verlust in bezug auf die Produktausbeute darstellt.

2) Pur Kolonnen, die aus prozeßtechnischen Gründen unter Vakuum arbeiten, ist der zulässige Drue lever lust pro Austauschboden stark reduziert, d. h. es ist für die vorgegebene maximale Gasbelastung eine entsprechende Anzahl

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von Austauschelementen notwendig, mit entsprechend niedriger spezifischer Eiernentbelastung. Dadurch wird natürlich die untere Belastungsgrenze des Bodens sehr stark nach oben, d. h. in die Hähe des oberen Belastungsbereiches der Kolonne verschoben.

Da somit die Anpassung der Kolonne an wechselnde Auslastung der Anlagen nicht mehr gegeben ist, müssen diese Kolonnen üblicherweise mit wesentlich teureren Vorrichtungen, die die geforderten Bedingungen besser erfüllen, ausgerüstet werden. Durch die Vorteile der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ausführung der Austauschelemente ist es jedoch möglich, die Kolonnen mit den billigeren Austauschboden auszurüsten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Figur 1 eine Teileschnittansicht einer Austauschkolonne mit erfindungsgemäßen Austauschboden,

Figur 2 eine Draufsicht eines Austauschbodens,

Figur 3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgeraäßen Austauschelementes,

Figur 4 bis 7 Draufsichten von weiteren Ausführungsbeispielen des inneren Ventiltellers und

Figur 8 Tind 9 Schnittansichten von Ventiltellern mit verdickter Öffnung, gleichermaßen gültig für alle in Figur 4 bis Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispielen.

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In dem, in der Regel zylindrischen Kolonnenmantel 1, sind die Austauschböden 3 mit Ablaufkanal 2 und Austauscheleraenten 4 und 5 befestigt. In .Figur 1 zeigt das .Austauschelement 4 die Punktion bei Teillast des Gases. Der innere Ventilteller 6 liegt auf und verschließt die Bodenöffnung. Das Gas strömt lediglich durch die Öffnung 7 im Ventilteller 6 in das Austauschelement 4 und wird in die Flüssigkeit so eingeleitet wie bei Vollast, d. h. wird darin umgelenkt, am Umfang verteilt, in die Flüssigkeit, die beispielsweise in Pfeilrichtung quer über den Boden vom Zulauf- sum Ablaufschacht strömt, eingeleitet.

In der gleichen Figur 1 zeigt das Austauschelement 5 die Funktion bei Vollast des Gases, d. h. der innere Ventilteller ist voll angehoben und liegt am oberen Begrenzungsrand des Elementes an. Die ganze Bodenöffnung ist für den Gasdurchtritt freigegeben.

Figur 3 zeigt die Schnittansicht eines Austauschelementes, bestehend aus senkrechtem Zylinder 11 mit Gitteröffnung 10, der in die Öffnung des Bodens 3 eingesteckt und durch aufgebogene Befestigungsnocken 12 im Boden befestigt ist.

Den oberen Abschluß des Austauschelementes bildet die Abdeckplatte 8. Sie bewirkt die für die Gasverteilung und damit guten Wirkungsgrad auch bei Teillast notwendige Umlenkung des Gases innerhalb des Austauschelementes. Das Gas v/ird durch die leitschaufeln 9 an den Gitteröffnungen in die Flüssigkeit eingeleitet.

Der innere Ventilteller 6 v/ird mit jeweils drei Führungslaschen 13 in Öffnungen 10 des senkrechten Zylinders des Austauschelementes geführt. Dadurch ist ein Rotieren des Ventiltellers vollkommen ausgeschlossen.

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Die Öffnungen 7, 14, 15, 16, 17, 18 werden für die vorgegebenen Auslegungskriterien dimensioniert, wobei zur günstigsten Anpassung an die. geforderten BelastungsVerhältnisse, Druckverlust und Belastungsbereich, die vorgeschlagenen Formen zur Verfügung stehen. Durch seitliche Anordnung dieser Öffnungen im Ventilteller 6 wird das Gas einseitig in die Flüssigkeit eingeleitet, wodurch diese ita Querstrom über den Boden beschleunigt oder gebremst werden kann.

In den Figuren 8 und 9 werden die möglichen Verdiclcungen und 20 des inneren Ventiltellers 6 gezeigt. Durch diese vorgesehenen Verdiclcungen v/erden die Einströmverhältnisse des Gases in das Austauschelement verbessert, was sich in einem niedrigen Einströmdruokverlust zeigt.

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Claims (7)

1) Austauschelement für Böden in Stoffaustauschkolonnen, bestehend aus senkrecht in Bodenöffnungen befestigten mit gitterförmigen, für den Gasdurchtritt versehenem Zylinder, mit feststehender Abdeckplatte zur Gasumlenkung und innerem beweglichen Ventilteller, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (6) mit Öffnungen (7, 14, 15, 16, 17, 18) gleicher oder unterschiedlicher Größe und Form für den Gasdurchtritt versehen ist.

2) Austauschelement für Böden in Stoffaustauschkolonnen, bestehend aus senkrecht in Bodenöffnungen befestigten mit gitterförmigen, für den Gasdurchtritt versehenem Zylinder, mit feststehender Abdeckplatte zur Gasumlenkung und innerem beweglichen Ventilteller, wobei an den Gitteröffnungen des Zylinders in etwa radial verlaufende Leitschaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (6) mit Öffnungen (7, 14, 15, 16, 17, 18) gleicher oder unterschiedlicher Größe und Form für den Gasdurchtritt versehen ist.

3) Austauschelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (7) im Ventilteller (6) aus einer einzigen, zentrisch angeordneten Öffnung bestehen (Figur 4).

4) Austauschelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Ventilteller (6) aus radial angeordneten Schlitzen (16, 17, 18) bestehen, die jede beliebige Form haben können (Figur 7).

5) Austauschelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Ventilteller (6) au3 einer

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oder mehreren konzentrisch angeordneten Schlitzen (14» 15.) besteht (Figur 6).

6) Austau3chelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung oder die Öffnungen (7, 14, 15, 16, 17, 18) in Ventilteller (6) durch eine Aushalsung (19) oder Hülsen (20) nach oben und/oder unten verdickt sind.

7) Austauschelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (6) mit Führungslaschen (13) in den Gitteröffnungen (10) des Zylinders (11) geführt ist.

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