DE2951689A1

DE2951689A1 - Kolonne fuer den waerme- und stoffaustausch

Info

Publication number: DE2951689A1
Application number: DE19792951689
Authority: DE
Inventors: Vaclav Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Feres
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1981-07-02
Also published as: JPS56168084A; US4339398A; GB2065499B; SE8008982L; JPS6019435B2; CH650695A5; GB2065499A

Description

DR. INQ. HANS LICHTH" · I DIPL.-'.MQ. HErN ER LICHTI

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D-7500 KARLSRUHE 41 ICRÖTZINCENI - DURLACHER STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (0721) 41511

20. Dezember 1979 5104/79-Lj

Vaclav Feres HaId- und Neu-Straße 14

7500 Karlsruhe

Kolonne für den Wärme- und Stoffaustausch

Die Erfindung betrifft eine Kolonne für den Wärme- und Stoffaustausch zwischen Flüssigkeiten und Dämpfen bzw. Gasen, bestehend aus einer Säule und in dieser mit Abstand übereinander angeordneten Austauschböden, die jeweils aus einem äußeren, an der Säule fest angebrachten Ringteil und einem im Zentrum der Säule drehbar gelagerten Rotorteil bestehen, wobei die von einer Zugabestelle bzw. vom Kopf der Säule nach unten in einen Sumpf laufende Flüssigkeit von dem Rotorteil jedes Austauschbodens nach außen geschleudert wird und über das Ringteii auf den nächsten Austauschboden abläuft.

Von besonderer Bedeutung für die Brauchbarkeit einer Kolonne sind die Wirksamkeit, der Druckverlust, die Belastbarkeit und die Flexibilität in den Betriebsgrößen. Die Wirksamkeit hängt von der Intensität des Kontaktes

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zwischen den beiden gegenläufigen Phasen Dampf-Flüssigkeit und davon ab, ob und in welchem Umfang Flüssigkeit von dem Dampf nach oben mitgerissen wird. Die Intensität des Kontaktes steigt mit der Turbulenz zwischen den Phasen; Diese Turbulenz wiederum führt zu erhöhtem Druckverlust.

Der Druckverlust zwischen Kolonnensumpf und Kolonnenkopf darf nicht zu groß werden, sondern muß an die verfahrenstechnischen Bedingungen angepaßt werden. Die höchste zulässige Betriebstemperatur muß auf die thermische Stabilität des Produktes Rücksicht nehmen. Damit ist aber der Druck im Kolonnensumpf festgelegt. Für jede Trennung ist eine bestimmte Anzahl von Trennstufen (theoretische Böden) nötig, wodurch der Druckverlust \e Trennstufe und damit der gesamte Druckverlust festgelegt ist. Es liegt deshalb.auf der Hand, die Wirksamkeit und den Druckabfall der Kolonne durch Zufuhr von Energie zu verbessern.

Es sind deshalb in neuerer Zeit Kolonnen des eingangs geschilderten Auf baue bekannt geworden (chemical engineering 08. August 1960, Seite und 82, 84), bei denen der Austauschboden aus einem ortsfesten Ringteil und einem zentral angeordneten Rotorteil besteht. Bei einer ersten bekannten Ausführung sind die ortsfesten Ringteile nicht in horizontalen Ebenen übereinander - wie bei einer üblichen Bodenkolonne - angeordnet, sondern zu einer Schraubenwendel verbunden, auf der die Flüssigkeit von oben nach unten läuft. Im offenen Zentrum der Schraubenwendel bzw. der Säule ist eine durchgehende Welle angeordnet, auf der jeweils im Abstand voneinander angeordnete horizontale Scheiben sitzen. Zwischen den Scheiben und mit Abstand von der Welle sind im wesentlichen axial verlaufende Schaufeln angeordnet. Bei Umlauf der Welle wird der Dampf bzw. das Gas axial angesaugt und von den Schaufeln etwa radial nach außen gedrückt. Zugleich wird die Flüssigkeit so aufgegeben, daß sie auf die Schaufeln auftritt und nach außen geschleudert wird. Durch die Zerteilung der Flüssigkeit

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wird der Druckverlust in der Kolonne vermindert, zugleich findet durch die umlaufenden Schaufeln eine Druckerhöhung in der Gasphase statt. Von Nachteil ist hierbei der konstruktive Aufwand und die Tatsache, daß keine definierten thermodynamisehen bzw. physikalischen Verhältnisse von Boden zu Boden vorliegen, so daß insbesondere die Trennwirkung leidet.

Bei einer anderen bekannten Ausführung der obengenannten Art besteht der ortsfeste Ringteil aus einer an der Säule angeordneten Überlaufrinne und einem nahe dem Zentrum angeordneten, ringförmigen Trog, der über speicheaartige Stege mit der Überlaufrinne verbunden ist. In den Trog greift ein umlaufender Rotor, der von einer zentralen Welle angetrieben ist, teilweise ein. Der Rotor ist in seinem oberhalb des Ringlogs befindlichen Abschnitt mit öffnungen versehen und oberhalb dieser öffnungen sind an der Außenseite des Rotors horizontale Leitbleche angeordnet. Bei Umlauf des Rotors in dem Ringtrog wird die darin befindliche Flüssigkeit zentrifugal nach außen und oben gedrückt und tritt durch die öffnungen in dieser Rille aus, wobei aufgrund der horizontalen Leitbleche mehrere übereinander angeordnete, gleichfalls im wesentlichen horizontal verlaufende Flüssigkeitsschleier entstehen. Der Dampf bzw. das Gas strömt durch die speichenartigen Verbindungen zwischen Überlaufrinne und Ringtrog nach oben und durchdringt dabei zugleich die Flüssigkeitsschleier. Die nach außen geschleuderte Flüssigkeit läuft an der Wandung der Säule nach unten in die Überlaufrinne, um von dieser auf den nächsten Austauschboden überzulaufen. Ein Teil der Flüssigkeit läuft auf der Oberseite der speichenartigen Verbindungen zurück zum Ringtrog. Auch bei dieser Kolonne liegen keine definierten thermodynami sehen Verhältnisse vor, da der über die speichenartigen Verbindungen in den Ringtrog zurücklaufenden Flüssigkeit, die also lediglich im Kreislauf geführt wird, maßgeblich von dem Durchsatz und der Zähigkeit der Flüssigkeit abhängt. Ferner ist nicht gewährleistet, daß die Flüssigkeit auf jedem Boden einem Austauschvorgang

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ausgesetzt wird, denn ein nicht geringer Teil der Flüssigkeit, der die Überlaufrinne verläßt kann durch die Zwischenräume der speichenartigen Verbindungen des nächsten Austauschbodens hindurchfallen. Auch dieser Anteil hangt wesentlich vom Durchsatz und von der Zähigkeit sowie von der Dampfbzw. Gasgeschwindigkeit und schließlich auch von den Strömungsverhältnissen ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolonne des eingangs geschilderten Aufbaus so auszubilden, daß sie einerseits für alle Stoff- und Wärmeaustausch-Vorgänge, insbesondere für temperaturempfindliche, hochsiedende und auch zähe Flüssigkeiten eingesetzt werden kann, andererseits eine hohe Trennwirkung bei geringst möglichem Druckabfall liefert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das ortsfeste Ringteil jedes Austauschbodens einen nach unten konisch eingezogenen Abschnitt und das umlaufende Rotorteil einen darüber mit Abstand angeordneten, entsprechend konisch ausgebildeten Abschnitt aufweist, der an seiner dem Ringteil zugekehrten Unterseite mit von innen nach außen verlaufenden Schaufeln versehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung greift jeweils das konische Rotorteil in den konischen Abschnitt des benachbarten ortsfesten Ringteils ein. Die auf die Innenseite des Rotorteils auftreffende Flüssigkeit wird entlang der konischen Wandung aufgrund der Zentrifugalwirkung in einem dünnen Film nach oben und außen gefördert und schließlich an der Außenkante des Rotors in Richtung auf die Innenwand der Säule abgeschleudert. An der Säule läuft die Flüssigkeit nach unten auf den ortsfesten Ringteil ab und läuft über diesen Ringteil im Spalt zwischen dessen konischen Abschnitt und dem

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konischen Rotorteil in den nächst unteren Austauschboden bzw. auf dessen Rotorteil. Sowohl auf dem konischen Abschnitt des Ringteils als auch auf dem Rotorteil liegt die Flüssigkeit in Form eines Films vor. Der Dampf strömt im Qegenstrom zu der Flüssigkeit zwischen dem konischen Abschnitt des Ringteils und dem Rotorteil nach oben, werden an der ÜberIaufkante des Rotorteils nach innen umgelenkt, um zwischen diesem und dem darüber befindlichen Ringteil zum nächst oberen Austauschboden geführt zu werden. Im Bereich der konischen Abschnitte erfolgt der Stoff- und Wärmeaustausch im wesentlichen an der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms , während im äußeren Bereich der Dampf bzw. das Gas die vom Rotorteil abgeschleuderte Flüssigkeit durchdringt. Der Flüssigkeitsfilm auf dem Rotorteil liegt in turbulenter Strömung vor, ebenso auch der Flüssigkeitsfilm am konischen Abschnitt des ortsfesten Ringteils, da dessen Oberfläche ständig Wirbelimpulse von den unmittelbar darüber umlaufenden Schaufeln des Rotorteils erhalten.

Die an der Unterseite des Rotorteils angeordneten Schaufeln wirken als Ventilator, so daß praktisch jeder Boden der Kolonne eine konische Ventilatorstufe bildet. Die durch jede Ventilatorstufe erzeugte Druckerhöhung und damit der Druckverlust über die gesamte Höhe der Kolonne lassen sich durch die Drehzahl der Rotorteile einstellen. So ist es insbesondere möglich, diese Kolonne praktisch auch ohne Druckverlust zu betreiben.

Durch den intensiven Stoff- und Wärmeaustausch und die Einstellbarkeit von Druckabfall, Filmdicke und Verweilzeit über die Drehzahl der Rotorteile ist die erfindungsgemäße Kolonne insbesondere für die Vakuum-Rektifikation von Flüssigkeiten geeignet. Auch läßt sich die Kolonne den thermischen Größen flexibel anpassen. Belastbarkeit und Trennwirkung sind besser als bei herkömmlichen Kolonnen.

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Die erfindungsgemäße Kolonne ist wenig empfindlich gegen Verschmutzungen, gleichviel ob sie von einem verschmutzten Produkt oder beispielsweise durch Überhitzen und Zersetzen von Produkten herrühren. Verschmutzungen werden wegen der intensiven Strömung nach unten in den Sumpf gespült. Die Kolonne kann auch in einfacher Weise mit Lösungsmittel gereinigt werden, das bei umlaufenden Rotorteilen im Kreislauf durch die Kolonne geführt werden kann. Schließlich ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung eine einfache und überschaubare Konstruktion, was deren Montage erleichtert und hohe Kosten vermeidet. Sie läßt sich mit Vorteil auch im Vakuum betreiben,

Zweckmäßigerweise verlaufen die Schaufeln des Rotorteils radial und erstrecken sich über die radiale Länge des konischen Abschnittes des Ringteils , so daß dieser konische Abschnitt in Verbindung mit den Schaufeln jeweils eine Verdichtungszone für die dampfförmige Phase bildet.

Die Anordnung ist vorzugsweise so getroffen, daß zwischen der Unterkante der Schaufel und der Oberseite des konischen Abschnittes des Ringteils lediglich ein einstellbarer Spalt vorhanden ist, durch den einerseits die ablaufende Flüssigkeit in dünnem Film verteilt ist und ohne Stauung nach unten abläuft, andererseits der Flüssigkeit und dem gegenläufigen Dampf turbulenter Phasen-Kontakt verliehen werden kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Ringteil einen horizontal verlaufenden Abschnitt im Bereich der Wandung der Säule und daran nach innen anschließend den konischen Abschnitt auf. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Säule bei hohen Dampfgeschwindigkeiten nicht "durchbricht", d. h. Flüssigkeit von dem Dampf bzw. Gas auf den nächsten Austauschboden mitgerissen wird. Vielmehr wird die vom Rotorteil an die

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Wandung abgeschleuderte Flüssigkeit nach unten abgeleitet und sammelt sich auf dem horizontalen Abschnitt des Ringteils, um dann über dessen konischen Abschnitt nach unten abzulaufen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Rotorteil an seiner Peripherie eine etwa horizontal angeordnete scharfe Überlaufkante auf, die dafür sorgt, daß die Flüssigkeit in Form von Tropfen oder eines Schleiers etwa horizontal abgeschleudert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ringteile und die Rotorteile der Austauschböden in axialer Richtung zueinander verschiebbar. Dadurch ist es möglich, die optimale Dicke des Flüssigkeitsfilms auf dem konischen Abschnitt des Ringteils der Rücklauf menge anzupassen.

Mit Vorteil sind die Rotorteile von einer gemeinsamen, sich über die Höhe der Säule erstreckenden Welle angetrieben, so daß eine Drehzahländerung sich in gleichem Maße auf alle Rotorteile auswirkt.

Diese Ausführungsform eröffnet die Möglichkeit, daß zwischen den Rotorteilen auf der Welle verschiebbare Distanzbuchsen angeordnet sind, die zwischen sich die Rotorteile klemmend festlegen, wobei die Distanzbuchsen beispielsweise durch am Kopf und Fuß der Welle angeordnete Gewindemuttern verspannt und auf der Welle verschiebbar sein können. Durch Wahl der axialen Länge der Distanzbuchsen läßt sich der Spalt auf das vor bestimmte Maß einstellen. Gegebenenfalls kann hierbei die Spaltweite durch unterschiedlich lange Distanzbuchsen auch über die Höhe der Säule variieren.

Eine kostenmäßig günstige und montagefreundliche Ausbildung, die zudem eine spätere Anpassung an andere Betriebsverhältnisse gestattet, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Säule aus einer Vielzahl von zylindrischen Ringen gebildet ist, zwischen denen jeweils ein Ringteil der Austauschböden fesgelegt ist und die mittels drei oder mehr Zugankern druckdicht miteinander verspannt sind. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

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In der Zeichnung zeigen: Figur 1 Einen Längsschnitt durch die Kolonne; Figur 2 einen Längsschnitt durch zwei Austauschboden; Figur 3 eine Draufsicht auf die Darstellung gemäß Figur 2.

Die in Figur 1 gezeigte Kolonne besteht aus einer Säule 1, einem Sumpf 2, einem Kopf 3 und mehreren in der Säule 1 übereinander angeordneten Austauschböden 4. Das flüssige Rohprodukt wird bei 5 über einen Zulaufstutzen 6 auf die Säule aufgegeben, läuft über die Austauschboden 4 nach unten in den Sumpf 2 und gelangt über einen Ablaufstutzen 7 bei 8 in einen Sumpf verdampf er, der - da herkömmlicher Art - nicht gezeigt ist. Der aus dem Sumpfverdampfer abströmende Dampf gelangt bei 9 in die Säule 1, während die zurückbleibende Sumpfflüssigkeit abgezogen wird. Schließlich verläßt das dampfförmige Erzeugnis den Kopf 3 der Säule 1 bei 12, in einen Kondensator, wobei das gebildete Kondensat zum Teil als Rücklauf bei 10 über einen Zulaufstutzen 11 am Kopf der Säule 1 aufgegeben wird, zum Teil als Erzeugnis der Anlage entnommen wird.

Wie aus Figur 2 näher ersichtlich, besteht die Säule 1 beim gezeigten Ausführungsbeispiel aus mehreren zylindrischen Ringen 13, die an ihrer Stirnseite jeweils Dichtungen aufweisen. Zwischen benachbarten Ringen 13 ist jeweils ein Austauschboden 4 angeordnet. Jeder Austauschboden 4 besteht aus einem äußeren ortsfesten Ringteil 14 und einem inneren Rotorteil 15. Das Ringteil 14 weist einen im Bereich der Wandung der Säule angeordneten horizontalen Abschnitt 16 und einen sich daran nach innen anschließenden

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und nach unten eingezogenen konischen Abschnitt 17 auf. Ebenso weist jedes Rotorteil 15 einen konischen Abschnitt 18, der parallel zum konischen Abschnitt 17 des Ringteils 14 verläuft, auf. Weiterhin besitzt das Rotorteil 15 eine an der Peripherie des konischen Abschnittes 18 anschließende, horizontal verlaufende Überlaufkante 19. An der Unterseite jedes Rotorteils 15, die also dem konischen Abschnitt 17 der Ringteile 14 zugekehrt ist, sind mehrere Schaufeln 20 angeordnet, zwischen deren Unterkante und dem konischen Abschnitt 17 des Ringteils 14 ein schmaler Spalt gebildet wird.

Jedes Rotorteil 15 weist an seinem inneren Umfang einen Flansch 21 in Form eines horizontalen Ansatzes auf. Die Rotorteile 15 werden von einer über die Höhe der Säule 1 reichenden Welle 22 gemeinsam angetrieben. Zu diesem Zweck sind Distanzbuchsen 23 vorgesehen, zwischen denen die Rotor· teile mit ihrem Flansch 21 eingespannt sind.

Während die die Säule 1 bildenden Ringe 13 über mehrere Zuganker 24 verspannt sind, sind die Distanzbuchsen 23 und damit die Rotorteile 15 über Spannmuttern 25 und 26, die auf beiden Seiten am Kopf und Fuß der Welle laufen, miteinander fest verbunden. Zwischen den Spannmuttern 25, 26 und dem jeweils ersten und letzten Rotorteil sind Distanzhülsen 27, 28 angeordnet. Die Einstellung und auch nachträgliche Verstellung des Abstandes zwischen Rotorteil 15 und Ringteil 14 bzw. der Spaltbreite zwischen der Unterkante der Schaufel 20 und dem konischen Abschnitt 17 der Ringteile ermöglichen die Spannmuttern 25, 26.

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In Figur 1 ist der Flüssigkeitsverlauf in kräftigen, gestrichelten Linien, der Dampf bzw. Gasverlauf mit dünnen, strichpunktierten Linien wiederge* geben. Aus dieser Darstellung ist auch erkennbar, wie sich auf den konischen Abschnitten 17 des Ringteils 14 und des Rotorteils 15 jeweils ein Flüssigkeitsfilm bildet, während die Flüssigkeit an der Überlaufkante 19 des Rotorteils in Form von Tropfen oder Schleiern abgeschleudert wird, auf die Innenwandung der Säule 1 aufprallt (s. Figur 1, unten), dort abläuft und wiederum unter Bildung eines Films auf dem konischen Abschnitt des Ringteils in Richtung zum Sumpf weiterläuft. Der im Gegenstrom geführte Dampf wird im Bereich der Schaufel 20 verdichtet, tritt danach durch die Flüssigkeitstropfen bzw. -schleier hindurch und weiter in umgekehrter gegenläufiger turbulenter Strömung über den Flüssigkeitsfilm in die Mitte, um von der "Ventilatorstufe" des oberen Austauschbodens angesaugt zu werden.

Nur beispielhaft ist in Figur 1 als Antrieb ein Getriebemotor 29 mit Drehzahlmesser 30 angedeutet. Die Abtriebswelle des Getriebes ist durch eine vorzugsweise hochvakuumdichte Wellendurchführung 31 in den Sumpf 2 der Kolonnen hineingeführt und dort an die Welle 22 angekuppelt. Ebenso ist der Kopf der Welle 22 durch eine hochvakuumdichte Wellendurchführung 32 hindurchgeführt und in einem Lager 33 aufgenommen.

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Claims

Patentansprüche

1./ Kolonne für den Wärme- und Stoffaustausch zwischen Flüssigkeiten und Dämpfen bzw. Gasen, bestehend aus einer Säule und in dieser mit Abstand übereinander angeordneten Austauschböden, die jeweils aus einem äußeren, an der Säule fest angebrachten Ringteil und einem im Zentrum der Säule drehbar gelagerten Rotorteil bestehen, wobei die von einer Zugabestelle bzw. vom Kopf der Säule nach unten in einen Sumpf laufende Flüssigkeit von dem Rotorteil jedes Austauschbodens nach außen geschleudert wird und über das Ringteil auf den nächsten Austauschboden abläuft,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Ringteil (14) jedes Austauschbodens (4) einen nach unten konisch eingezogenen Abschnitt (17) und das Rotorteil (15) einen darüber mit Abstand angeordneten, entsprechend konisch ausgebildeten Abschnitt (18) aufweist, der an seiner dem Ringteil (14) zugekehrten Unterseite mit von innen nach außen verlaufenden Schaufeln (20) versehen ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (20) des Rotorteils (15) radial verlaufen und sich über die radiale Länge des konischen Abschnittes (17) des Ringteils (14) erstrecken.

3. Kolonne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterkante der Schaufeln (20) und der Oberseite des konischen Abschnittes (17) des Ringteils (14) ein Spalt vorhanden ist.

4. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringteil (14) einen horizontal verlaufenden Abschnitt (16) im Bereich der Wandung der Säule (1) und daran nach innen anschließend den konischen Abschnitt (17) aufweist.

5. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorteil (15) an seiner Peripherie eine etwa horizontal angeordnete Überlaufkante (19) aufweist.

6. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringteile (14) und die Rotorteile (15) der Austauschböden (4) in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar sind.

7. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorteile (15) von einer gemeinsamen, sich über die Höhe der Säule (1) erstreckenden Welle (22) angetrieben sind.

8. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rotorteilen (15) auf der Welle (22) sitzende Distanzbuchsen (23) angeordnet sind, die zwischen sich die Rotorteile (15) klemmend festlegen.

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9. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzbuchsen (23) durch am Kopf und Fuß der Welle (22) angeordnete Muttern (25, 26) verspannt sind.

10. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Säule (1) aus einer Vielzahl von zylindrischen Ringen (13) gebildet ist, zwischen denen jeweils ein Ringteil (14) der Austauschboden (4) festgelegt ist und die mittels drei oder mehr Zugankern (24) druckdicht miteinander verspannt sind.

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