DE2943061A1

DE2943061A1 - Kolonnenfuellung fuer stoff- und waermeuebertragung

Info

Publication number: DE2943061A1
Application number: DE19792943061
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Hoppe; Gerhard Dr Ing Krueger; Werner Dipl Ing Kubick; Bernd Dr Ing Kulbe
Original assignee: Chemieanlagenbaukombinat Leipzig Grimma VEB
Current assignee: Maschinen- und Anlagenbau Grimma (mag) O-724 GmbH
Priority date: 1978-11-27
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1980-06-04
Also published as: FR2449465A1; GB2035831A; FR2449465B1; DD145154A3; GB2035831B; DE2943061C2; SU1033178A1

Abstract

a) Kolonnenfüllung zur Stoff- und Wärmeübertragung b) Stoff- und Wärmeübertragung c) Mit der erfindungsgemäßen Kolonnenfüllung ist es möglich, die entsprechend Punkt b) aufgeführten Übertragungsaufgaben der chemischen und petrolchemischen Industrie mit einem günstigen Verhältnis von Druckverlust und Stoffübertragungswirksamkeit bei großer Arbeitsbereichsbreite mit besonderer Orientierung auf große Kolonnenabmessungen wesentlich effektiver zu gestalten. d) Kolonnenfüllung, die im Phasengegenstrom von Dampf (Gas) und Flüssigkeit arbeitet und aus in Schichten angeordneten Einzelelementen besteht, wobei die systematisch in Elementepaketen zusammengefaßten Einzelelemente von Elementepaket zu Elementepaket versetzt sind. e) Die Erfindung wird in folgenden Gebieten der Technik angewendet: Chemische Verfahrenstechnik, vorwiegend bei der Rektifikation, Absorption, Desorption, Chemosorption, Gasbe- und -entfeuchtung sowie direkte Wärmeübertragung g) Die Erfindung wird am besten durch die Fig. 2 dargestellt.

Description

a) Titel der Erfindung

Kolonnenfüllung zur Stoff- und Wärmeübertragung

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kolonnenfüllung, die im Bereich der Flüssigkeits-, Gas- bzw. Dampf-Kontaktierung für Aufgaben der Rektifikation, Absorption, Desorption, Chemosorption, der Gasbe- und entfeuchtung sowie der direkten Wärmeübertragung geeignet ist.

Diese Kolonnenfüllung zeichnet sich durch das auf das spezifische Kolonnenvolumen bezogene günstige Verhältnis von Druckverlust und Stoffübertragungswirksamkeit bei gleichzeitig großer Arbeitsbereichsbreite aus.

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist eine Anzahl von Füllungen in Form von Packungen bekannt, bei denen parallel zur Kolonnenachse angeordnete perforierte oder nichtperforierte mattenartige Kontaktplatten verwendet werden, die geneigte Riffelungen aufweisen, wobei die Neigung der Riffelung beständig ihre Orientierungsrichtung über die

Kontaktplattenhöhe ändert.

Gemäß OS 245 7803 ist eine Anordnung von Kontaktkörpern bekannt, bei der die Riffelung in einem stumpfen Winkel zur Kolonnenachse verläuft. Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß die radialen Vermischungseffekte insbesondere bei großen Kolonnendurchmessern gering bleiben, da die Verteilung für die flüssige Phase im Verband mit den anderen Kontaktplatten unzureichend ist.

Gemäß US 341 5502 ist eine geordnete Füllung bekannt, bei der die Riffelung in einem spitzen Winkel zur Kolonnenachse geneigt ist und bei der die Kontaktplatten phasenverschoben aneinander gepackt sind. Die Stoffübertragungswirksamkeit erscheint auch bei dieser Variante als unzureichend, da auch hier angesichts fehlender horizontaler Strömungskanäle insbesondere die Selbstverteilungseigenschaften der Packung für die Flüssigkeit und das Gas zurückbleiben.

Für beide aufgeführte Konstruktionen gilt, daß die Verteilungseigenschaften in radialer Richtung parallel zu den Kontaktplatten unzureichend sind, gravierender Nachteil beider Erfindungen ist das Fehlen jeglicher konstruktiver Merkmale, die die radiale Vermischung quer in jedem beliebigen Winkel zu den Kontaktplatten ermöglichen.

Der Vermischungseffekt für die flüssige Phase fehlt so vollständig, der für die Gasphase ist nur bedingt über das formperforierte Material möglich.

Weiterhin ist nach GB 108 4794 eine geordnete Füllung bekannt, bei der die Kontaktplatten im Kolonnenkörper aufgewickelt werden. Diese Packung besitzt zwar eine vertretbare Verteilung für Flüssigkeit und Gas über den Umfang der Wicklungen, die Verteilung in radialer Richtung kann jedoch ausschließlich über das Grundmaterial erfolgen. Zumindest für die flüssige Phase erscheint die Selbstverteilungseigenschaft der Packung in radialer Richtung als nicht vorhanden, für die gasförmige Phase sind radiale Verteilungen unter Voraussetzung perforierten Materials mit erhöhten Druckverlusten verbunden.

d) Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Kolonnenfüllung mit zu bekannten Konstruktionen verbessertem Verhältnis von Druckverlust und Stoffübertragungswirksamkeit, vergleichbar großer Arbeitsbereichsbreite, einfacher Gestaltung und besonderer Eignung für große Kolonnendurchmesser.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Anordnung von parallel zur Kolonnenachse in Schichten zusammengefügten perforierten geeigneten Einzelelementen eine Kolonnenfüllung zu schaffen, deren Selbstverteilungseigenschaften für Dampf (Gas) und Flüssigkeit so beschaffen sind, daß die herabfließende Flüssigkeit in einer Zickzackbewegung am Einzelelement abwärts strömt, der aufsteigende Dampfstrom den gleichen Weg in entgegengesetzter Richtung vollzieht und sich im Zusammenwirken von Dampf (Gas) und Flüssigkeit eine radiale Vermischung längs und quer zu den Elementeschichten sowie eine erhöhte Stoffübertragungswirksamkeit einstellt.

Das wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Einzelelemente im Kolonnenkörper zu einem Verband von parallel zur Kolonnenachse angeordneten Schichten so zusammengefügt sind, daß die pyramidalen Grundkörper in einer Ebene einer Elementeschicht gleiche Orientierungsrichtung aufweisen, benachbarte Schichten vertikal um einen pyramidalen Grundkörper, horizontal um die halbe Einzelelementbreite phasenversetzt sind. Die Oberseite der Einzelelemente ist in den einzelnen Elementeschichten auf die mittlere Elementeschicht mit der größten horizontalen Ausdehnung ausgerichtet.

Dabei besteht die Füllung aus perforierten Einzelelementen, deren flaches rechteckiges Grundmaterial alternierend in einem vom Betrag einheitlichen Winkel positiv bzw. negativ zu seiner Längsachse in einer Richtung und die dabei entstehenden dreiseitigen Flächen in der Mitte in entgegengesetzter Richtung quer zur Elementelängsachse abgekantet sind, so daß pyramidale Grundkörper mit dreiseitigen Flächen entstehen, die wechselseitig quer zur Elementelängsachse offen sind und deren Grundfläche vollständig fehlt.

Die in der Ebene verbleibenden Körperkanten gehören jeweils zwei benachbarten Grundkörpern an.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Faltkanten des Einzelelements als Flächen ausgebildet werden.

f) Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Ansicht einer Elementeschicht

Fig. 2: Elementeverband

Fig. 3: Geordnete Kolonnenfüllung im Vertikalschnitt

Fig. 4: Schnitt A-A aus Fig. 3

Die Erfindung besteht aus innerhalb eines Kolonnenmantels 1 angeordneten perforierten Einzelelementen 4, die in parallel zur Kolonnenachse zusammengefügten Elementeschichten 3 und Elementepaketen 2 vereinigt sind.

Die Einzelelemente 4 sind im Verband so angeordnet, daß die pyramidalen Grundkörper 5 in einer Ebene einer Elementeschicht 3 gleiche Orientierungsrichtung aufweisen, benachbarte Elementeschichten 3 senkrecht um einen pyramidalen Grundkörper 5, horizontal um die halbe Einzelelementbreite phasenversetzt sind. Die Orientierung der Elementeschichten 3 ist so vorgesehen, daß ausgehend von der mittleren Elementeschicht 3 mit der größten horizontalen Ausdehnung jeweils die Oberseite der Einzelelemente 4 aller weiteren Elementeschichten 3 zur mittleren Elementeschicht 3 ausgerichtet ist.

Das Einzelelement 4 besteht angesichts der erfindungsgemäßen Ausgestaltung aus einer Aneinanderreihung von wechselseitig quer zur Einzelelementlängsachse geöffneten pyramidalen Grundkörpern 5. Das Grundmaterial für die Einzelelemente 4 ist perforiert.

Dabei wird das flache rechteckige Grundmaterial alternierend um 45° positiv und negativ zu seiner Längsachse bevorzugt um 90° nach oben und die zwischen den Faltkanten 7 entstehende dreiseitige Fläche in der Mitte nach unten so abgekantet, daß der Winkel zwischen den beiden vom Grundmaterial des Einzelelements gebildeten Seitenflächen des pyramidalen Grundkörpers 90° beträgt.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Raum innerhalb des Kolonnenmantels 1 mehrfach segmentiert ist, so daß eine konzentrierte Ausrichtung der pyramidalen Grundkörper 5 auf die Kolonnenachse erfolgen kann.

Die Höhe der Einzelelemente 4 bzw. der Elementepakete 2 ist so vorgesehen, daß benachbarte Elementepakete 2 um 90° versetzt übereinander angeordnet sind.

Der Elementeverband weist keine senkrechten freien Durchtrittsquerschnitte für Flüssigkeit und Dampf (Gas) auf.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist wie folgt:

Die erfindungsgemäße Füllung arbeitet im Gegenstrom von Dampf (Gas) und Flüssigkeit.

Die Flüssigkeit gelangt über einen konventionellen Flüssigkeitsverteiler auf die Schnittkanten der Einzelelemente 4 des oberen Elementepaketes 2 bzw. tropft auf die Seitenflächen der oberen pyramidalen Grundkörper 5. Von dort läuft die Flüssigkeit bevorzugt in den zur Längsachse des Einzelelementes geneigten Faltkanten 7 in einer Zickzackbewegung am Einzelelement 4 nach unten, stabilisiert vom aufsteigenden Dampf-(Gas)-strom, wird am Rand des Einzelelements 4 teilweise vom aufsteigenden Dampf (Gas) erfaßt und zu benachbarten Elementen getragen, durchdringt auf den Seitenflächen des pyramidalen Grundkörpers angesichts des relativ großen projezierten Querschnitts die Perforation, tropft ab und wird vom Gasstrom angesichts der horizontalen Strömungskanäle 6 ausgetragen. Die Gestaltung der Strömungskanäle 6 ermöglicht dabei nicht nur einen horizontalen Austrag in Richtung der Elementeschichten 3, sondern zugleich in einem Winkel von 30° zur Elementeschicht und somit im Verband quer zur Elementeschicht 3.

Die Elementeschichten 3 werden angesichts dieser Selbstverteilungseigenschaften der Füllung so angeordnet, daß die Oberseite der Einzelelemente 4 zur mittleren Elementeschicht 3 mit der größten horizontalen Ausdehnung zeigt und somit die horizontale Vermischung auf die Kolonnenachse ausgerichtet ist.

Nach Durchströmen eines Elementepaketes 2 tropft die Flüssigkeit am unteren Ende auf das darunterliegende um 90° versetzte Elementepaket 2 ab. Der aufsteigende Dampf-(Gas)-strom gelangt vorwiegend in einer Zickzackbewegung vom unteren zum oberen Ende des Elementepaketes

2, durchströmt teilweise das Grundmaterial an den pyramidalen Grundkörpern 5 und tritt horizontal über die offenen Strömungskanäle 6 in benachbarte Einzelelemente 4 ein. Durch die Zickzackbewegung des aufsteigenden Dampf-(Gas)-stromes dringen Teildampf-(gas)-ströme auch in die pyramidalen Grundkörper 5 von benachbarten Einzelelementen 4 kommend ein, durchdringen das Grundmaterial des pyramidalen Grundkörpers 5 bzw. werden horizontal in die Zickzackströmung des Dampfes (Gases) im benachbarten Einzelelement 4 einbezogen. Die mit den aufsteigenden Dampf-(Gas)-strom mitgerissene Flüssigkeit wird an den vorwiegend senkrecht verlaufenden Einzelelementkanten und an den Faltkanten 7 abgeschieden, fließt nach unten und wird, durch den Dampf-(Gas)-strom unterstützt, an den Berührungspunkten benachbarter Einzelelemente 4 erneut zerteilt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen in der einfachen Gestaltung der Einzelelemente, in deren günstiger Verknüpfung zum Elementeverband, in dem günstigen Verhältnis von Druckverlust und Stoffübertragungswirksamkeit bezogen auf einen breiten Arbeitsbereich und in der besonderen Eignung für große Kolonnendurchmesser.

Zusammenfassung

Zeichnung

Bezugszeichen

1 Kolonnenmantel

2 Elementepaket

3 Elementeschicht

4 Einzelelement

5 pyramidaler Grundkörper

6 Strömungskanal

7 Faltkanten

8 Oberseite des Einzelelements

Claims

1. Kolonnenfüllung zur Stoff- und Wärmeübertragung, die aus parallel zur Kolonnenachse in Schichten zusammengefügten Einzelelementen aus formperforiertem Material besteht, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelelemente in einer Packungsschicht vertikal so angeordnet sind, daß in einer Ebene einer Packungsschicht die Orientierungsrichtung der pyramidalen Grundkörper, die wechselseitig nach außen geöffnet sind, gleich ist, von Elementeschicht zu Elementeschicht Versetzungen vertikal um einen pyramidalen Grundkörper, horizontal um die halbe Elementbreite vorgesehen sind und die Elementeschichten so zueinander zugeordnet sind, daß die Oberseite der Einzelelemente und der Elementeschicht auf die mittlere Elementeschicht mit der größten horizontalen Ausdehnung ausgerichtet ist.

2. Kolonnenfüllung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elementeschichten in der Ebene in Kreissektoren so unterteilt sind, daß die Oberseite der Elementeschichten innerhalb eines Sektors auf die Kolonnenachse ausgerichtet ist.

3. Kolonnenfüllung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die im Winkel und quer zur Einzelelementelängskante vorgesehenen Faltkanten als Flächen ausgebildet werden.

4. Kolonnenfüllung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das flache Grundmaterial des Einzelelementes alternierend in einem vom Betrag einheitlichen Winkel positiv bzw. negativ zu seiner Längsachse in einer Richtung und die dabei existenten dreiseitigen Flächen zentral in entgegengesetzter Richtung quer zur Elementelängsachse so abgekantet sind, daß pyramidale Grundkörper mit dreiseitigen Flächen entstehen, die wechselseitig nach außen offen sind und deren Grundfläche vollständig fehlt.

5. Kolonnenfüllung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der kleinste von den Kanten der vom Grundmaterial gebildeten dreiseitigen Flächen des pyramidalen Grundkörpers eingeschlossene Winkel 30° betragen soll.

6. Kolonnenfüllung nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die zur Längsachse des Einzelelementes geneigten Faltkanten in einer Ebene liegen.