-
) Titel der Erfindung
-
Gas (Dampf)- Flüssigkeitskontakteinrichtung für Stoff- und Wärmeübertragung
im Phasengleich-oder im Phasengegenstrom b) Anwendungsgebiet der Erfindung Die ERfindung
betrifft ene Gas (Dampf)- Flüssigkeitskontakteinrichtung, die in Abhängigkeit von
der Belastung im Phasengleichstrom bzw. im Phasengegenstrom arbeitet und der Lösung
von Stoffübertragungsaufgaben wie bei der Rektifikation, Absorption, Desorption,
Chemosorption bzw. Problemen der direkten Wärmeübertragung dient.
-
Diese Kontakteinrichtung für Gas (Dampf ) und Flüssigkeit zeichnet
sich durch auf das spezifische Kolonnenvolumen bezogene höchste Durchsätze bei gleichzeitig
großer Arbeitsbereichsbreite und guter Trennwirkung aus c) Charakteristik der bekannten
technischen Lösungen Gemäß lVP 118528 ist eine Kontaktvorrichtung für mehrstufige
Hochgeschwindigkeitskolonnen bekannt, bei der für die Flüssigkeitsaufgabe und Flüssigkeitsabscheidung
kombinierte Hohlprofile mit hohem Kompliziertheitsgrad zur Anwendung kommen.
-
Da die Flüssigkeitsabscheidung nur einseitig erfolgt,
läßt
sich mit dieser Kontakteinrichtung selbst bei geringen Flüssigkeitsbelastungen nur
eine unzureichende Flüssigkeitsabscheidung erreichen, wodurch die Stoffübertragungswirksamkeit
beeinträchtigt wird.
-
Die Flüssigkeitsaustragung und -rückförderung vollzieht sich ausschließlich
unter Wirkung der Schwerkraft, so daß bei vergleichbaren Kolonnenbauhöhen die J?lüssigkei%sbelastbarkeit
der Kontakteinrichtung eingeschränkt ist.
-
Die zweistufige Flüssigkeitsabscheidung je Einzelelement bedingt andererseits
große Bauhöhen Die gleichfalls nur einseitig vorgesehene Flüssigkeitsaufgabe läßt
nur geringe Flüssigkeitsbelastungen zu und bedingt eine unzureichende Verteilung
der Plüssigkeit über die Kontaktzone Da die Kontaktzone nicht ausgestaltet ist,
stellt sich in Verbindung mit der unzureichenden Flüssigkeitsvorverteilung der Flüssigkeitsaufgabezone
eine ungenügende Stoffübertragungswirksamkeit ein.
-
Weiterhin ist nach WP 112606 eine mehrstufige Hochgeschwindigkeitskontakteinrichtung
bekannt, bei der unterschiedlich gestaltete Hohlprofile für die Flüssigkeitsaufg.abe,
Phasenkontaktierung und Flüssigke itsabscheidung eingesetzt werden, die sich fertigungstechnisch
nur schwer herstellen lassen.
-
Dadurch, daß die für die Flüssigkeitsabscheidung vorgeschlagenen Hohlprofile
Gasdurchtrittsöffnungen auSweisen, wird die angestrebte hohe Flüssigkeitsabscheiung
nicht erreicil-t, weil der aus diesen Durchtrittsöffnungen der Hohlprofile austretende
Gasstrom eine starke Neudispergierung der bereits abgeschieden Flüssigkeit hervorruft.
-
Die für die Flüssigkeitsrückförderung vorgesehenen Einrichtungen sind
unzureichend gestaltet, so daß die der
Zielstellung entsprechenden
hohen Belastungsverhält nisse nicht erreicht werden können.
-
Darüber hinaus vollzieht sich die Flüssigkeitsaustra gung und -rückförderung
nur unter Wirkung der Schwer-Kraft, so daß für die Flüssigkeitsaustragung ausschließlich
kurze Flüssigkeitsfließwege möglich sind und für die Flüssigkeitsrückförderung große
Stufenhöhen erforderlich werden.
-
Da die Kontaktierungszone mit geschlossenen Hohlprofilen ausgeführt
ist, wird infolge der ungleichen Verteilunge der Phasen die Arbeitsweise der Hochgeschwindigke
itskontakteinrichtung stark be einträchtigt Zusätzlich tragen die geschlossenen
Hohlprofile zu erhöhten Druckverlusten bei verminderter Stoffübertragung bei, d)
Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Gas (Dampf)-
Flüssigkeitskontakteinrichtung für auf das spezifische Kolonnenvolumen bezogene
hohe Durchsätze von Gas (Dampf) und Flüssigkeit, mit zu bekannten Kontakteinrichtungen
vergrößerter Arbeitsbereichsbreite, erhöhter Intensität der Stoffübertragung bei
vergleichbar geringen Druckverluste und einfacher Gestaltung.
-
e) Darlegung des Wesens der Ereindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, durch Vereinigung einer Flüssigkeitsaufgabezone, einer aus mehreren Ebenen
bestehenden Kontaktierungszone, die vom Flüssigkeitsfördersystem umgeben ist und
einer ebellfalls aus mehreren Ebenen bestehenden Flüssigkeitsabscheidezone, hohe
auf das spezifische Kolonnenvolurzen bezogene Durchsätze bei großer Arbeitsbereichsbreite
und guter Trennwirkung zu ermöglichen.
-
Das wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die kompakte Gestaltung
von Flüssigkeitsaufgabezone, Kontaktierungszone und Flüssigkeitsabscheidezone die
Arbeitsweise der Kontakteinrichtung sowohl im Phasengleichstrom als auch im Phasengegenstrom
zuläßt Eine Stufe der erfindungsgemäßen Gas (Dampf)- Flüssigkeitskontakteinrichtung
unterteilt sich in eine P1R@-sigkeitsaufgabezone, bestehend aus mehreren
nebeneinander angeordneten nach oben offenen Einzelelementen illit geneigten, gelochten
en Seitenwänden, bevorzugt winkliger Gestalt, die in Richtung des Gasstromes den
freien Strömungsquerschnitt verengen, eine Kontaktzone, ausgeführt mit mehreren
Lagen mit Distanz parallel zueinander angeordneter formperforierter Einzelelemente
hiit geneigten Seitenwänden, die in Richtung des Gasstromes den freien Querschnitt
verengen und bei denen die Orientierungsrichtung der formperforierten Öffnungen
in den Seitenwänden quer zur Elementelängsachse verläuft und in eine Flüssigkeitsabscheidezone,
mehrlagig übereinander angeordneter Einzelelementen.
-
Die Binzelelemente der Flüssigkeitsabscheidezone sind i einer ebene
parallel, über mehrere Ebenen versetzt angeordnet, so daß das projezierte Öffnungsverhältnis
der Abscheidezone klein bzw. gleich ITull ist, Die Flüssigkeitsrückförderung verbindet
die Flüssigkeitsabscheidezone einer Stufe mit der Flü.ssigkeitsaufgabezone der darunter
liegenden Stufe.
-
Das Einzelelement der Flüssigkeitsabscheidezone besteht aus einem
unteren nach oben geöffneten Teil mit geneigten Seitenwänden, die in Richtung des
Gasstromes den freien Strömungsquerschnitt verengen und einew invers mit Distanz
angeordneten dachförmigen, überdeckenden Oberteil. Die Verbindung von Unter- und
Oberteil
des Einzelelements erfolgt durch eine Trennwand. Das Oberteil
weist in Hauptströmungsrichtung des Gases (Dampfes) keine Oeffnungen auf. Bei der
untersten Lage der Abscheidezone sind die Außenkanten der Oberteile gezackt. Die
Seitenwände der Unterteile sind an der Oberkante in Richtung der Trennwand abgewinkelt
Die Einzeleler,lente der Abscheidezone münden im Kontaktstufentrennmantel in geometrisch
äquivalente Ö»fnunge n.
-
Die Einzelelemente der Flüssigkeitsaufgabezone der darüber liegenden
Stufe sind unmittelbar oberhalb der Aoscheidezone der betrachteten Stufe angeordnet,
wobei die Einzelelemente über den gesamten Querschnitt dieser Zone verteilt sind
und dabei über den gesamten freien Querschnitt reichen oder in diesem enden. Die
Elemente der Flüssigkeitsaufgabezone münden im Kontakts tufe ntrennmantel in geometrisch
äquivalenten oeffnungen.
-
Im Bereich der Flüssigkeitsabscheidezone, Jedoch unterhalb der Flüssig4eitsaufgabezone
der darüber liegenden Stufe, ist die Abscheidezone über zusätzliche Entgasungsöffnungen
mit dem Flüssigkeitsrückfördersystem verbunden. Dabei können die Austragsöffnungen
der Flüssigkeitsabscheidezone und die Entgasungsöffnungen durch Flüssigkeitsabstreifer
über die gesamte Kontaktstufenbreite im -Flüssigkeitsrückfördersystem abgetrennt
sein Die Fixierung der Kontaktierungazone ist über die Einzelelemente der Flüssigkeitsaufgabezone
und der Flüssigkeitsabscheidezone gegeben. Der gesamte Kontaktierungsraum ist mit
forrnperforierten Einzelelementen £efüll-t, wobei mindestens drei Lagen vorhanden
sein sollen Die Versetzung der Einzelelemente von Lage zu Lage beträgt 900, wobei
die Anordnung der Einzelelemente in zwei aufeinander folgenden Lagen mit gleicher
Längsorientierung der Formperforation so erfolgt, daß der freie Gas (Dampf)- durchtrittsquerschnitt
überdeckt wird.
-
Der zwischen Kolonnenmantel und Kontaktstufe verbleibende freie Raum
wird vollständig zur Flüssigkeitsrückförderung genutzt.
-
Durch die kompakte Anordnung von Flüssigkeitsaufgabezone, Kontaktierungszone
und Flüssigkeitsabscheidezone wird auf Kontaktstufenhöhen, vergleichbar denen konventioneller
Bodeneinbauten, orientiert.
-
f) Ausführungsbeispiel Die b1rfindung wird nachstehend anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 : Kontakteinrichtung im
Vertikalschnitt Fig. 2 : Schnitt A-A aus Fig. 1 Fig. 3 : Einzelheit X aus Fig. 1,
komplexe Darstellung von Kontaktzone. Flüssigkeitsabscheidezone und flüssigkeitsaufgabezohe
Fig. 4 : Schnitt B-B aus Fig. 3 Die erfindungsgemäße Gas (Dampf)- Flüssigkeitskontaktein
richtung besteht aus einer innerhalb eines Kolonnenmanteils 1 zentral angeordneten
kompakten Kontaktstufe 3i deren geometrische Gestalt quadratisch ist und die vollständig
vom Flüssigkeitsrückfördersystem 2 umgeben ist.
-
Die Kontaktstufe 9 setzt sich aus einer Flüssigkeitsaufgabe zone 4,
einer Kontaktierungszone 6 und einer Flüssigkeitsabscheidezone 5 zusammen.
-
Der gesamte zur Verfügung stehende Kolonnenquerschnitt wird somit
anteilig zur Kontaktierung von Gas(Dampf)-und Flüssigkeitsphase und zur Flüssigkeitsrückförderung
genutzt.
-
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht die Flüssigkeits aufgabezone
4 aus mehreren nebeneinander mit Distanz
anoeordneten nac, oben
offenen winkligen Einzelelementen mit geneigten, gelochten Seitenwänden, die in
Richtung des Gasstromes den freien Strömungsquerschnitt verengen und deren Oberkanten
gezackt sind. In diese E1LR zelelemente gelangt über das Flüssigkeitsrückfördersystem
2 die in der darüber liegenden Kontaktatufe 9 abgeschiedene Flüssigkeit und wird
bei hohen Belastungen durch den aufsteigenden Gasstrom, der auf Grund der Querschnittsvereng.ung
in der Flüssigkeitsaufgabezone 4 zusätzlich beschleunigt wird, in die Kontaktierungssone
6 mitgerissen. Durch die erhöhte Relativgeschwindigkeit von Gas(Dampi) und Flüssigkeit
in der Flüssigkeitsaufgabe zone 4, durch die kontinuierlich angeordneten .ezackten
Einzelelemente und die dadurch hervorgerufene Vielzahl gleichmäßig verteilter Abrißkanten
wird die Flüssigkeit in lileinsten Tropfen auf den gesamten Kontaktierungszonenquerschnitt
verteilt, wobei die Flüssigkeitsaufgabe durch einen hohen dynamischen Druckanteil
des Gases(Dampfes) unterstützt wird; Dabei enden die Einzelelemente der Flüssigkeitsaufgabezone
4 am Kontaktstufentrennmantel 3 und münden hier in profiläquivalente Öffnungen.
-
Bei niedrigen Belastungen wirken die Einzelelemente der Flüssigkeitsaufgabezone
4 als Verteilersystem für die darunter befindliche Kontaktierungszone 6, indem die
Flüssigkeit über die in den Seitenwänden der Einzelelemeute vorhandenen Lochungen
und die an den Oberkanten der Einzelelemente befindlichen Zackungen gleichmäßig
über den gesamten freien Kolonnenquerschnitt verteilt wird.
-
Die Kontaktierungszone 6 schließt sich gemä Fig. 1 bzw, 4 unmittelbar
an die Flüssigkeitsaufgabezone 4 an und reicht bis zur Flüssigkeitsabscheidezone
5. Dabei ist der gesamte Kontaktierungsraum mit mehreren Lagen
iait
Distanz und parallel zueinander angeordneter formperforierter Einzelelemente mit
geneigten Seitenwänden vollständig gefüllt. Die Einzelelemente der Flüssigkeitsaufgabezone
4 dienen gleichzeitig als Auflage für die Einzelelemente der Kontaktierungszone
6.
-
Durch die vollständige Füllung der Kontaktierungszone 6 mit formperforierten
Einzelelementen wird erreiche, daß dir von der Flüssigkeitsaufgabezons 4 hervorgerufene
Flüssigkeitsverteilung verbessert wird, indem durch die gewählte mehrlagige Anordnung
der Einzelelemente eine permanente Kontaktflächenerneuerung erfolgt und damit eine
Trennwirkungsverbesserung eintritt. Auf Grund der Anordnung der Einzelelemente mit
Distanz und durch das große Öffnungsverhältnis im Querschnitt der Kontaktierungszone
6 wird die Trennwirkungsverbesserung mit vergleichbar geringen Druckverlusten möglich.
-
Die obere Begrenzung der Kontaktierungszone 6 wird durch die Flüssigkeitsabscheidezone
5 fixiert.
-
Angesichts des nahtlosen Übergangs von Kontaktierungszo ne 6 und Flüssigkeitsabscheidezone
5 können die verminderte kinetische Energie der Flüssigkeit und der hohe Verteillungsgrad
in Verbindung mit der konstruktiven Gestaltung der erfindungsge'mäßen Flüssigkeitsabscheidezone
5 wesentlich zur Flüssigkeitsabtrennng beitragen.
-
Die Flüssigkeitsabscheidezone 5 besteht aus drei Ebenen nebeneinander
parallel, übereinander parallel versetzt, horizontal wie vertikal mit Distanz angeordneter
Einzelelemente, deren mit geneigten Seitenwänden gebildetes Unterteil 7 über eine
Trennwand 10 mit dem dachförmig überdeckenden Oberteil 8 verbunden ist, wobei das
projezierte Öffnungsverhältnis der Flüssigkeitsabscheidezone 5 gleich Null ist
Das
Unterteil 7 des Einzelelements der Flüssigkeitsabscheidezoen 5 tragl- auf Grund
seiner geometrischen Gestalt zur Verdichtung der Flüssigkeitsphase bei, die imfolge
der Überdeckung durch dea Oberteil 8 in das Einzelelement gelangt, Dabei wird die
kombinierte Pilot Tropfenabscheidung durch Trennwände 10 und die an den Oberkanten
des Unterteils 7 der Einzelelemente vorilandenen Abwinkelungen stabilisiert, winde
bei ungleichmäßiger Belastung des Einzelelements Neudispergierungen verhindert werden.
-
Die abgeschiedene Flüssigkeit wird über das Einzelelement der Flüssigkeitsabscheidezone
5, das über den gesamten Kontaktierungsraum reicht, dem Flüssigkeitsrückfördersystem
2 zugeführt, indem die Einzelelemente der Flüssigkeitsabscheidezone 5 in geometrisch
ähnliche Austragsöffnungen des kontaktstufentrennmantels 3 münden.
-
Der nach dem Schwerkraftprinzip sich vollziehende Flüssigkeitstransport
wird durch in die Einzelelemente der Flüssigkeitsabscheidezone 5 eintretende Gas(Dampf)-teilströme
verstärkt. Dieser Transporteffekt wird durch Entgasungsoffnungen 11, die die Flüssigkeitsabscheidezone
u und das PlüssiSkeitsrückfördersystera 2 verbinden, ermöglicht, indem der Kontaktstufentrennmantel
3 im Bereich der Flüssigkeitsabscheidezone 5, jedoch unterhalb der Flüssigkeitsaufgabezone
4 der darüber liegenden Stufe, reschlitzt ist und somit den Gas (Dampf)- rückeintritt
in die Flüssigkeitsabscheidezone 5 gewährleistet. Ein Mitreißen von Flüssigkeitsteilchen
aus dem Einzelelement der Flüssigkeitsabscheidezone 5 wird durch die Form der Austragsörrnungen
im Kontaktstufentrennmantel 3 und die damit verbundene Phasenabtrennung verhindert.
-
Die Einzelelemente der Flüssigkeitsabscheidezone 5 weisen im dachfUrmig'
überdeckenden Oberteil 8 keine Offnungen
auf, so daß Neudispergierungen
in der Flüssigkeitsabscheidezone 5 verhindert werden Das Oberteil 8 des Einzelelemente
der unteren Lage der Flüssigkeitsabscheidezone 5 ist an den Außenkanten gezackt,
so daß für kleine Belastungen (Phasengegenstrom) eine günstige Flüssigkeitsverteilung
für die darunter befindliche Kontaktierungszone 6 ermöglicht wird.
-
Das die Koutaktstufe 9 umschließende Flüssigkeitsrückfördersystem
2 ist entsprechend dem quadratischen Querschnitt und der erfindungsgemäßen Wirkungsweise
der Flüssigkeitsabscheidezone 5 als 4-Schachtsystem ausgebildet, wobei jeweils die
beiden gegenüberliegenden Schächte für eine Kontaktstufe 9 wirksam werden. Das Mehrschachtsystem
armöglicht neben der beidseitigen Flüssigkeitsaustragung eine ebenfalls beidseitige
Flüssigkeitsaufgabe, so daß über halbierte Plussiglceitsweglängen beim Flüssigke
itsabscheide- wie -aufgabe vorgang erhöhte Flüssigkeitsmengen ermöglicht werden
können. Der Flüssigkeitsrücktransport, der sich entsprechend der statischen Druckverhältnisse
von Flüssigkeitsabscheidezone 5 und Flüssigkeitsrückfördersystem 2 vollzieht, wird
durch dynamische Druckanteile, hervorgerufen durch die konstruktive Gestaltung der
Flüssigkeitsabscheidezone 5 und der Flüssigkeitsaufgabezone 4, verstärkt.
-
Bezugszeichen 1 Kolonneumantel 2 Flüssigkeitsrückfördersystem 3 Kontaktstufentrennmantel
4 Flüssigkeitsaufgabezone 5 Flüssigkeitsabscheidezone 6 Kontaktierungszone 7 Unterteil
3 Oberteil 9 Kontaktstufe 10 Trennwand 11 Entgesungsöffnung
L e
e r s e i t e