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Rektifikationseinheit
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Rektifikationseinheit zur thermischen
Trennung flüssiger Gemische von Komponenten unterschiedlicher Fllichtigkeit durch
partielle Verdampfung und Rekondensation, bestehend aus einer Einspeffir-ezone für
das zu trennende Gemisch - nachfolgend reiche Lösung genannt - einer Verstärkungssäule
zur Anreicherung der leichter flüchtigen Komponente in der Dampfphase, einer Abtriebssäule
zur Verarmung der eingespeisten reichen Lösung an der leichter flüchtigen Komponente,
einem Austreiber, in dem durch Wärmezufuhr die leichter flüchtige Komponente ausgedalnpft
und aus dem die arme Lösung abgezogen wird, einem Kondensator zur Kondensation des
Dampfes der leichter flüchtigen Komponente und einem Rekuperator zur Wärmeübertragung
von der armen an die reiche Lösung, wobei die reiche Lösung zur Kühlung der Verstärkungssäule
herangezogen wird und somit einen i)ephlegmatrückfiuß hervorruft und die arme Lösung
einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an die Abtriebssäule überträgt.
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Derartige Einrichtungen sind in der chemischen Verfahrenstechnik bekannt.
Gemäß einem älteren Vorschlag (P 27 38 139.1) wird -für bestimmte Anwendungsfälle
- der Rekuperator zweckmäßig mit in die Rektifikationseinheit einbezogen. Darüber
hinaus enthält ein weiterer Vorschlag# (P 28 00 247.3) den Hinweis, daß die Verstärkungssäule
durch die reiche Lösung gekühlt und die Abtriebssäule durch die arme Lösung beheizt
werden können. Unter Anwendung eines älteren Vorschlages (P 27 38 138.0) wird die
reiche Lösung in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine zur Kühlung der
Abtriebssäule und der andere zur Wärmeübertragung in den Rekuperator geleitet werden.
An derselben Stelle wird die Nutzung der fühlbaren Wärme der armen Lösung zur Beheizung
der Abtriebssäule vorgeschlagen.
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Wenngleich die oben angezogenen Vorschläge in verfahrenstechnischer
Hinsicht ihre Aufgabenstellung erfüllen, haften der technischen Ausführung einige
Nachteile an.
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>) des Anmelders
Zunächst ist bei den bekannten
Ausführungen der Rekuperator als Bauelement ausgebildet, das im allgemeinen unterhalb
der Abtriebssäule angeordnet wird. Bei Betrachtung der an den verschiedenen axialen
Positionen der Rektifikationseinheit herrschenden Temperaturen wird deutlich, daß
das Temperaturprofil über die Länge der Rektifikationseinheit keinen monotonen Verlauf
einnimmt, sondern zwischen Abtriebssäule und Rekuperator ein Temperatursprung auftritt,
der - zur Vermeidung von Wärmeverlusten - nur durch entsprechende Isolierungen kompensiert
werden kann.
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Sodann ist die Aufteilung des Stroms der reichen Lösung in zwei Teilströme
eine regelungstechnwsche Aufgabe, die nur durch einen gewissen Aufwand an Meßwertgebern,
Reglern und Stellorganen - in diesem Fall 3-Wege-VentiSle - zu realisieren ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der eingangs
beschriebenen Bauart eine Rektifikationseinheit zu konzipieren, die die erwähnten
Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ströme
der reichen und armen Lösung, sowie des Dampfes, innerhalb der Rektifikationseinheit
so geführt werden, daß einerseits der Wärmetranport in der gewünschten Richtung
stattfindet, andererseits die Temperaturen in den einzelnen Querschnitten der Rektifikationseinheit
geringst mögliche Unterschiede aufweisen, wobei die Absoluttemperatur von unten
nach oben monoton fällt, was dadurch bewirkt wird, daß der Strömungskanal der reichen
Lösung zwei getrennte Wärmeübertragungsflächen besitzt, deren eine an die Verstärkungssäule
und deren andere an den Strom der armen Lösung grenanund daß außerdem der Strömungskanal
der armen Lösung im Bereich der Abtriebssäule mit dieser eine gemeinsame wärmeübertragende
Wandung besitzt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Rektifikationseinheit werden
im Bereich der Verstärkungssäule die Ströme von Dampf, reicher und armer Lösung
in der Hauptsac#'e parallel geführt, wobei die reiche Lösung im Gegenstrom zu Dampf
und armer Lösung strömt und im Bereich der Abtriebssäule wird der Strom der armen
Lösung im wesentlichen dem Stoffstrom der Abtriebssäule entgegenströmen.
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Die erfindungsgemäße Lösung venneidet die Wärmeverluste zwischen Abtriebssäule
und Rekuperator, da durch die parallele Anordnung nur noch die zur Wärmeübertragung
notwendigen Temperaturdifferenzen vorhanden sind. Darüber hinaus bewirkt sie wegen
der doppelseitigen Wärmeübertragung an die reiche Lösung, daß der Mengenstrom der
reichen Lösung nicht mehr in zwei Teilströme aufgeteilt zu werden braucht. Die Aufteilung
der zu übertragenden Wärmemengen von der Verstärkungssäule einerseits und von der
armen Lösung andererseits an die reiche Lösung wird durch die Wärmedurchgangszahlen,
Oberflächenverhältnisse und Temperaturdifferenzen auf beiden Seiten des Strömungskanals
automatisch reguliert.
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Dabei übernimmt der Mengenstrom der armen Lösung in etwa die Funktion
einer Führungsgröße, während sich die Säulentemperatur entsprechend den lokalen
Verhältnissen auch lokal einstellt.
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Damit werden alle Nachteile eines Durchflußregelkreises vermieden
wenngleich im Grunde das Prinzip der dem Wärmeangebot angepaßten Teilströme der
reichen Lösung beibehalten wird.
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In usestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Strömungskanäle
axial-symmetrische Anordnung aufweisen, wobei die reiche Lösung in einem Ringspalt
strömt, der die Verstärkungssäule, bzw.
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Teiivolumina derselben umschließt und auf dessen Außenseite die arme
Lösung strömt, die ihrerseits die Abtriebssäule in analoger Weise umschließt.
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Eine solche Ausführung eignet sich insbesondere für kleinere oder
auch in Modulbauart ausgeführte Rektifikationseinheiten. Besonders vorteilhaft ist
die völlige Vermeidung von Wärmeverlusten aus der Verstärkungs- bzw. Abtriebssäule.
Sämtliche Wärmeverluste werden aus der fühlbaren Wärme der armen Lösung gedeckt.
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in bevorzugte Bauausführung ist vornehmlich bei größeren Einheiten
dadurch gegeben, daß die Kanäle von reicher und armer Lösung innerhalb der Verstärkungs-
und Abtriebssäulen angeordnet sind, und dabei vorzugsweise die arme Lösung in einem
Kanal strömt, der von dem der reichen Lösung umschlossen ist.
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Eine besondere Ausgestaltung erfährt der letzte Vorschlag durch
die
Anordnung einer Vielzahl von Kanälen der reichen und armen Lösung mit relativ zur
Rektifikationseinheit kleinem Durchmesser als Gerad- oder Wendelrohrbündel innerhalb
der Verstärkungs-bzw. Abtriebssäulen.
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Wie oben erwähnt sind die den Wärmetransport bestimmenden Größen gleichzeitig
Regulans für die verfahrenstechnischen Vorgänge. Die vorgeschlagenen Anordnungsvarianten
erlauben die Anpassung der Strömungsquerschnitte und Wärmeübertragungsflächen an
die Stoff-und Wärmeströme. Die Mehrfachanordnung von Strömungskanälen ergibt außerdem
eine gleichmäßigere Beaufschlagung der Querschnitte der Verstärkungs- und Abtriebssäulen.
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Die wichtigste Ausführungsart ist dadurch gegeben, daß die Strömungskanäle
durch kreiszylindrische Rohre gebildet werden.
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Wenngleich für bestimmte Anwendungsfälle die Verhältnisse von wärmeübertragendem
Umfang zu Querschnitt beim Kreisrohr nicht ohne weiteres optimal sind, wird wegen
der Verfügbarkeit in allen Größen das Kreisrohr als Bauelement bevorzugt.
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Eine den Betriebserfordernissen sehr anpassungsfähige Ausführung ist
dadurch gegeben, daß die Strömungskanäle der reichen und armen Lösung plattenförmig
ausgebildet, bzw. Bestandteil von Plattenelementen sind.
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Die Vorzüge einer solchen Lösuna werden insbesondere dann augenfällig,
wenn die plattenförmigen Elemente gleichzeitig die Böden einer Kolonne bilden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist dadurch
gegeben, daß die Wandungen der Strömungskanäle im Bereich der Verstärkungs- und
Abtriebssäule durch Rippen, die in den Säulenbereich hineinragen, eine Vergrößerung
der Oberfläche erfahren.
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Da ein wesentliches Element des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens
der Wärmeübergang vom Säulenbereich an die Stoffströme der reichen und armen Lösung
ist, kommt der Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche die Bedeutung eines
freien Parameters zu, da die übrigen für den Wärmeübergang maßgeblichen Größen (Reynolds'
sche und Prandtl'sche Kennzahlen) durch die verfahrenstechnischen
Randbedingungen
der Stoffströme im Säulenbereich vorgegeben sind.
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Eine günstige Alternative zur Vergrößerung der Oberfläche durch Rippen
ergibt sich dadurch, daß stiftförmige Elemente, z. B. Zylinder- und Kegelstifte
oder auch Flossen verwendet werden.
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Die Aufbringung von einzelnen 'stiftförmigen Elementen' ist oftmals
fertigungstechnisch (z. B. Widerstandsschweißen) gegenüber der Herstellung von Rippen
vorzuziehen, darüber hinaus ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich der Vermischung
des Stoffstromes in der Säule, was einer Intensivierung des Wärmeüberganges dient.
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Gegenüber der üblichen Ausführung von Rektifiziersäulen in Boden-oder
Füllkörperbauart ist gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren, ein möglichst
häufiger Kontakt der Stoffströme in der Säule mit den wärmeübertragenden Wandungen
der reichen und armen Lösung von Vorteil.
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Aus diesem Grunde ist eine bevorzugte Ausführungsform durch die Verwendung
von Strömungs-Leitelementen im Säulenbereich gekennzeichnet, die gleichzeitig der
Darbietung einer möglichst großen benetzten Oberfläche dienen.
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Gemessen an den Stoffströmen sind relativ große Wärmemengen bei geringstmöglichen
Temperaturdifferenzen zu übertragen. In vielen Fällen reichen die Durchsätze nicht
aus, um im jeweiligen Strömungskanal turbulente Strömung zu erzeugen.
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Eine günstige Gestaltung der Strömungskanäle in diesem Sinne ist dadurch
gegeben, daß die Innenseiten der Kanalwandungen mit Rauhigkeitselementen versehen
sind. Diese können z. B. durch mechanische oder galvanische Bearbeitung aus dem
Grundmaterial herausgearbeitet werden oder auch durch Aufbringen eines Fremdstoffes
(z. B. Flammspritzen) erzeugt werden.
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Die Verbesserung des kanal internen Wärmeübergangs kann auch durch
stärkere Vermischung des Stoffstromes herbeigeführt werden, so daß eine sogenannte
"Flechtströmung" entsteht.
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Eine vorteilhafte Kanalgestaltung zur Erzeugung der "Flechtströmung"
besteht darin, daß die Strömungskanäle mit einer unregelmäßig strukturierten Einlage
(z.B. Füllkörperschüttung, offenporige Sinterkörper) versehen sind.
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Diese Anordnung bietet dann große Vorteile, wenn ein Strömungsmedium
mit relativ schlechter Wärmeleitfähigkeit infrage steht und durch Wahl eines geeigneten
Materials der Einlage ein guter Wärmetransport normal zur Strömungsrichtung die
Wärmeübertragung erheblich verbessert.
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Eine Alternative zu der unregelmäßig strukturierten Kanaleinlage ist
dadurch gegeben, daß die Strömungskanäle mit einer regelmäßig strukturierten Einlage
versehen sind.
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Hierzu zählen insbesondere glatte oder gewendelte Drähte oder Drahtgewebe.
Bei nicht zu kleinen Massenströmen haben diese Einlagen den Vorteil, weniger Querschnittsfläche
des Kanals einzunehmen, dabei eine gute Vermischung zu erzeugen und außerdem gegen
Verstopfungen relativ unempfindlich zu sein.
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Eine bevorzugte Gestaltung der Strömungskanäle, die sowohl dem Gesichtspunkt
der Oberflächenvergrößerung als auch dem Gedanken der Vermischung gerecht wird ergibt
sich dadurch, daß die Strömungskanäle ganz oder teilweise aus Wellrohren bestehen.
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Während die natürliche Vergrößerung der Oberfläche der Kanalwand durch
Einsatz von Wellrohren augenfällig ist, ergeben sich die Vermischungseffekte im
Zusammenhang mit den übrigen Kanalabmessungen. Insbesondere spielt der geringste
Abstand zwischen Welle und benachbarter Kanalwand in Relation zu den Wellenabmessungen,
eine wesentliche Rolle im Hinblick auf die nachfolgende lokale Vermischung. Ein
weiterer Vorteil ist die relativ geringe Wandstärke sowie die Elastizität im Hinblick
auf thermische Dehnungen.
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Leine beispielhafte Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe
ist in Fig. 1 dargestellt: Die Rektifiziereinheit besteht aus dem Austreiber 1,
der Abtriebssäule 2, der Einspeisezone für die reiche Lösung 3, der Verstärkungssäule
4, dem Kondensator 5, dem Strömungskanal für die reiche Lösung 6, dem Strömungskanal
für die arme Lösung 7, der Beheizungseinrichtung für den Austreiber 8 und dem Kühlkanal
des Kondensators 9.
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Die reiche Lösung tritt am Rohrstutzen 10 in die Rektifiziereinheit
ein und durchströmt den Kanal 6 von oben nach unten. Dabei nimmt sie sowohl Wärme
von der im Kanal 7 von unten nach oben strömenden armen Lösung als auch Dephlegmationswärme
von dem in der Verstärkungssäule 4 von unten nach oben strömenden Dampf auf.
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In der Einspeisezone 3 teilen sich dampfförmige und flüssige Bestandteile
der reichen Lösung, während die dampfförmigen Teile zusammen mit den aus der Abtriebssäule
2 aufsteigenden Dämpfen nach oben durch die Verstärkungssäule 4 strömen - und dabei
an der Wand des Kanals 6 dephlegmieren - folgt die reiche Lösung der Schwerkraft
durch die Abtriebssäule 2 nach unten und wird dort weiter ausgedampft, wobei sowohl
die aus dem Austreiber 1 aufsteigenden Dämpfe als auch die aus dem Kanal 7 von der
armen Lösung übertragene Wärme zur Aufheizung genutzt werden..
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In der dargestellten Konzeption wird die im Austreiber 1 angesammelte
Lösung durch ein in der Beheizungseinrichtung 8 strömendes Fluid weiter aufgewärmt
und dabei die leichter flüchtige Komponente ausgetrieben. Der Dampf durchströmt
die Abtriebs- 2 und Verstärkungssäule 4, während die nunmehr arme Lösung durch den
Kanal 7 den Austreiber verläßt und Wärme zunächst an die Abtriebssäule 2 und dann
an die reiche Lösung - im Bereich des Kanals 6 - überträgt, bevor sie am Rohrstutzen
11 die Rektifiziereinheit verläßt.
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Der die Verstärkungssäule 4 verlassende Dampf wird im Kondensator
an der kalten Wand des Kanals 9 niedergeschlagen, das Kondensat verläßt die Rektifiziereinheit
durch den Rohrstutzen 12. Das zur Kondensation benutzte Kühlfluid wird über die
Anschlüsse 13 uPd 14 dem Kanal 9 zugeführt.
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Die in der Abtriebs- 2 und Verstärkungssäule 4 angeordneten Spiral-15
rippen dienen gleichzeitig der Strömungsführung und der Bereitstellung von benetzter
Oberfläche zum Stoffaustausch.