DE2953067C2

DE2953067C2 - Apparatus for bringing vapor into contact with liquid

Info

Publication number: DE2953067C2
Application number: DE2953067T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Yoneda; Mamoru Tamai; Masatoshi Katayama; Takeyasu Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1978-08-15
Filing date: 1979-08-15
Publication date: 1987-12-17
Also published as: GB2039779B; WO1980000418A1; GB2039779A; NL192723C; US4603022A; JPS5527045A; DE2953067T1; NL7920025A; NL192723B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Flüssigkeitskontaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gas-Flüssigkeitskontaktor, z. B. Säulen zum Destillieren, Aufarbeiten und Absorbieren, sind weitläufig in Gebrauch bei chemischen Fabriken zum Trennen und Reinigen von Gemischen, Entfernen von Ziehzubehör oder für andere Zwecke. Als Beispiel sei hier auf die US-PS 37 29 179 hingewiesen.

Seit einiger Zeit sind künstliche Inseln oder großräumige chemische Fabriken, die Kontaktoren für Naturgasverflüssigung zum Herstellen von Ethylen, zur Ammoniaksynthese, Harnstoffbehandlung oder anderer Verfahren bekannt.

Bei solchen künstlichen Inseln ist es unvermeidlich, daß die Konstruktionen einem periodischen Schwanken, Rollen oder einer anderen Schwingbewegung oder statischem Neigen durch äußere Kräfte und Wellengang, Wind, Gezeiten, Strömungen usw. ausgesetzt sind. Demnach können die Kontaktoren, die gewöhnlich 50 m hoch oder höher sind, durch eine leichte Schwingung ernsthaft beeinflußt werden, wobei es zu unzureichendem Dampf-Flüssigkeits-Kontakt und somit zu einer ungenügenden Trennfähigkeit der Anlage kommen kann.

Verantwortlich hierfür ist die Konstruktion der Kontaktoren. Die Schwingbewegung bewirkt Änderungen der Füllmengen auf den Kolonnenböden und bewirken eine ungleiche Verteilung des Flüssigkeitsspiegels auf jedem Kolonnenboden sowie die Tiefe an einer Stelle, einer Untiefe oder einem völligen Fehlen von Flüssigkeit an einer anderen Stelle. Die Probleme bei aus der Praxis bekannten Einrichtungen sollen mit Hilfe der Zeichnung erläutert werden.

Als typisches Beispiel von üblichen Gas-Flüssigkeitskontaktoren wird eine Destilliersäule in Fig. 1 gezeigt. Im Gehäuse 1 sind mehrere Kolonnenböden vorgesehen. Der Rand jedes Kolonnenbodens 2 ist teilweise eingeschnitten und ergibt so mit der Innenwandfläche des Gehäuses 1 einen Zwischenraum. Senkrecht dazu befindet sich ein Überlauf 3, der unmittelbar darunter zum Boden 2 kurz abwärts gerichtet ist, einen Spalt zwischen seinem unteren Ende und dem tiefer gelegenen Kolonnenboden freiläßt und gleichzeitig einen Abzugskanal 4 für die fallende Flüssigkeit mit der Innenwandfläche des Gehäuses 1 bildet. Jeder Boden 2 ist mit mehreren Löchern 5 für aufwärtsströmendes Gas versehen. Die Flüssigkeit sammelt sich in jedem Kolonnenboden.

In den unteren Teil des Gehäuses 1 wird Gas eingeführt, das durch die Löcher 5 aufwärtsströmt. Unterdessen wird Flüssigkeit in den oberen Teil des Gehäuses 1 gegeben. Sie fließt über den Überlauf 3 in den Abzugskanal 4 und auf den nächsten Kolonnenboden 2.

Diese üblichen Vorrichtungen würden bei der Installation auf festem Boden kein Problem darstellen. Bei einer schwimmenden Insel, die periodisch schwingt oder sich unter der Wirkung von äußeren Kräften wie Wellengang, Wind, Gezeiten, Strömungen usw. statisch neigt, wird jedoch der Kontaktor wie nach Fig. 2 mit schwankenden Flüssigkeitspegeln (A) auf jedem Kolonnenboden 2 beschickt (B), so daß der Flüssigkeitspegel nahe der Innenwandfläche auf jeder Seite des Gehäuses in schwingender Richtung höher liegt als nahe der gegenüberliegenden Seite. Als Ergebnis ist an der Innenwandfläche an einer Seite des Gehäuses 1 die Flüssigkeitsmenge, die über den Überlauf 3 in den Abzugskanal 4 fließt, groß und die Dauer von Stillstandszeit der von beiden Enden des Überlaufes nahe der Innenwandfläche des Gehäuses fließenden Flüssigkeit ist kurz. Dies bringt Nachteile mit sich wie einer geringen Wirkung des Kontaktes zwischen Gas und Flüssigkeit, die in Gegenstrom in die Böden fließt, und eine ungenügende Leistung der Vorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gas-Flüssigkeitskontaktor zu schaffen, der ein gutes Arbeiten trotz schwingender Bewegung dadurch gewährleistet, daß die Überfließgeschwindigkeit der Flüssigkeit pro Längeneinheit des Überlaufes einheitlich ist, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob es der mittlere Teil oder die beiden Enden des Überlaufes sind.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Bei dem Kontaktor nach der Erfindung, bei dem beide Endteile des Überlaufes nahe der Innenwandfläche des Gehäuses nicht weniger als das 1,2fache der Höhe des mittleren Teiles betragen, kann ein besserer Gas-Flüssigkeits-Kontaktwirkungsgrad durch Vereinheitlichen der Überlaufgeschwindigkeiten aus dem mittleren Teil und den beiden Seitenteilen des Überlaufes erzielt werden, auch wenn der Flüssigkeitspegel an einer oder beiden Randteilen des Kolonnenbodens nahe der Innenwandfläche des Gehäuses infolge der Schwingungen oder der Neigung der Vorrichtung als Ganzes oder auch abwechselnd über dem im mittleren Teil ansteigt. Deshalb ist der Kontaktor für die Installation auf einer künstlichen Insel oder einer anderen Konstruktion bestens geeignet, die selbst schwingt oder von äußeren Kräften geneigt wird.

In den Zeichnungen ist

Fig. 1 eine teilweise ausgebrochen dargestellte Perspektive eines üblichen Gas-Flüssigkeitskontaktors;

Fig. 2 ein Vertikalschnitt durch einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles nach der Erfindung, angewendet bei einer Destilliersäule;

Fig. 4 eine teilweise abgebrochen dargestellte Perspektive der Säule nach Fig. 3;

Fig. 5 ein Schnitt durch diese Säule an der Linie V-V;

Fig. 6 ein Schnitt an der Linie VI-VI der Fig. 5;

Fig. 7 ein Vertikalschnitt durch einen Teil der Destilliersäule;

Fig. 8 eine Ansicht einer Glocke für die Destilliersäule;

Fig. 9 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Flüssigkeitspegel am Kolonnenbodenende und der Bewegungsamplitude beim Schwingen;

Fig. 10 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Flüssigkeitspegel in der Kolonnenbodenmitte und der Bewegungsamplitude;

Fig. 11 ein Diagramm der Flüssigkeitspegelverteilung im Kolonnenboden bei jeder Bewegungsviertelperiode, wobei der Flüssigkeitspegel (in mm) als Ordinate und die Meßpunkte in regelmäßigen Intervallen am Boden und der Durchmesser zu 1,0 in Schwingungsrichtung als Abszisse aufgetragen ist.

In den Figuren sind nachstehende Bezugszeichen verwendet worden:

11 = Gehäuse der Destilliersäule 12 = Kolonnenboden 13 = Abzugsrohr 14 = Aufwärmer 15 = Abfalldrainageleitung 16 = Kondensator 17 = Destillierauslaßleitung 18 = Materialzuführleitung 19 = Durchgangsloch 20 = Glocke 21 = Überlauf 21 a = Hauptüberlauf 21 b = Unter-Überlauf 30 = Aufwärtsgasstrom 31 = Abwärtsgasstrom

Fig. 3 ist eine Ansicht einer Destilliersäule als Ausführungsbeispiel des Gas-Flüssigkeitskontaktors nach der Erfindung. Die Säule enthält ein zylindrisches Gehäuses 11 und mehrere Kolonnenböden 12. Unterhalb des Bodens des Gehäuses 11 befinden sich ein Aufwärmer 14 und eine Abfalldrainageleitung 15 und oberhalb des Gehäuses ein Kondensator 16 und eine Destillatauslaßleitung 17. In der Mitte des Gehäuses 11 liegt die Stoffzuführleitung 18.

Nach den Fig. 4 bis 7 sind die Kolonnenböden 12 je mit von zehn bis über 100 Löchern 19 zum Halten der Glocken versehen. Wie Fig. 8 in größerem Maßstab zeigt, besteht die Glocke 20 aus einer Scheibe mit mehreren Beinen, mit denen sie über den Boden 12 angehoben und von diesem getragen wird, so daß das Gas durch die einzelnen Glocken 20 aufwärtsströmen kann. Die Löcher 19 jedes Bodens 12 sind, wie Fig. 6 zeigt, so angeordnet, daß mehr Löcher sich in den Kolonnenböden nahe der Innenwandfläche als im Mittelteil befinden.

Die Fig. 4 und 6 zeigen den teilweise vom Rand her eingeschnittenen Kolonnenboden 12, wobei zwischen der eingeschnittenen Kante und der Innenwandfläche des Gehäuses 11 ein Zwischenraum entsteht. Ein Überlauf 21 ist senkrecht zur Kante angebracht und verläuft kurz vom Boden in der unmittelbar darunterliegenden Stufe nach unten und bildet so einen Abzugskanal 13 oder einen Durchgang für die abwärtsfließende Flüssigkeit zwischen diesem und der Innenwandfläche des Gehäuses 11. Der Überlauf, der auch zum zugehörigen Boden ausgerichtet ist, besteht aus einem zentralen Abschnitt 21 a in der Form einer flachen Platte und Ansätzen 21 b, ebenfalls in Form einer flachen Platte, die an die Innenwandfläche des Gehäuses 11 anstoßen. Die Höhe der Ansätze 21 b ist nicht niedriger als das 1,2fache der Höhe des zentralen Abschnittes 21 a. Während die Ansätze 21 b jede beliebige Breite haben können, sind sie gewöhnlich gleich. Die Proportion der Breite des zentralen Abschnittes 21 a zur Gesamtbreite des Überlaufes 21 kann experimentell nach den jeweiligen Arbeitsbedingungen bestimmt werden.

Nach der Erfindung sind, wie bereits erwähnt, die Ansätze nicht niedriger als das 1,2fache der Höhe des zentralen Abschnittes 21 a. Hinsichtlich dieser Abmessungen wurden verschiedene Schwingungsbewegungstests durchgeführt, um die Flüssigkeitspegelverteilung an den Kolonnenböden 12 zu bestimmen und somit die optimalen Höhen des zentralen Abschnittes und der Ansätze 21 a bzw. 21 b zu ermitteln. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß optimale Werte durch folgendes Verfahren erhalten werden können:

Der Flüssigkeitspegel an einem Meßpunkt i in einem Kolonnenboden 12 ergibt sich aus der Gleichung (1) zu:

b _di = h _si + h _ai cos (ω t + ei) (1)

worin

h _di der Flüssigkeitspegel am Meßpunkt i bei in Bewegung (mm), h _si der Flüssigkeitspegel am Meßpunkt i stationär (mm), h _ai die Einseitenamplitude am Meßpunkt i der linearisierten Flüssigkeits-Pegelschwankung (mm), T die Frequenz der Säulenbewegung (radial/sek), ω die Periode der Säulenbewegung (ω = 2/T) (sek), e _i die Phasenverzögerung am Meßpunkt der Flüssigkeitsbewegungsamplitude (radial) ist.

Die optimale Höhe des Ansatzes 21 b liegt zwischen dem 1,2fachen und dem 3,0fachen des zentralen Abschnittes 21 a.

Wenn die Vorrichtung auf einer schwimmenden künstlichen Inselkonstruktion getragen wird, die ein Stampfen, Rollen oder eine sonstige Schwingbewegung verursacht oder durch äußere Kräfte von Wellen, Wind, Gezeiten, Strömungen usw. geneigt wird, liefert die Leistungen an den Kolonnenboden 12 Flüssigkeitspegelverteilungen, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 und 11 gezeigt werden, wobei der Pegel an der umgebenden Wand des Säulengehäuses zwischen dem 1,2fachen und dem 3fachen höher als in der Mitte dieses Kolonnenbodens ist.

Nach der Erfindung sind die Ansätze 21 b an der Innenwandfläche des Gehäuses 11 nicht weniger als nur das 1,2fache höher als die Abschnitte 21 a und deshalb wird die Flüssigkeit nicht nur von den Ansätzen an der Innenwandfläche des Gehäuses 11 überlaufen, auch wenn der Flüssigkeitspegel an einem der Böden ansteigt.

Die Geschwindigkeit der Überlaufflüssigkeit pro Längeneinheit der Ansätze 21 b und die pro-Längeneinheit des zentralen Abschnittes 21 a werden dadurch einheitlich. Somit kann die absinkende Flüssigkeit 31 für eine längere Zeit über jedem Kolonnenboden 12 verbleiben, und es können alle Teile der absinkenden Flüssigkeit für praktisch dieselbe Zeit gehalten werden, und somit kann die Destillierleistung erhöht werden.

Wenn die Ansätze 21 b zu hoch sind, nimmt die Überlaufgeschwindigkeit über diese Teile hinaus unerwünscht ab. Gewöhnlich sollen die Ansätze dabei um das 1,2- bis 3,0fache größer sein als der zentrale Abschnitt 21 a.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind auch mehr Löcher in den Teilen jedes Bodens 12 nahe der Innenwandfläche des Gehäuses 11 als in der Mitte des Bodens vorgesehen und deshalb arbeitet die Destillation in der Säule in dem Gebiet nahe der Innenflächenwand des Gehäuses 11 schneller als im mittleren Gebiet. Dadurch ist die Zusammensetzung des Flüssigkeitsüberlaufes der Ansätze 21 b in den Abzugskanal 13 und des Flüssigkeitsüberlaufes des Abschnittes 21 a in denselben Abzugskanal einheitlich. Aufgrund der unterschiedlichen Verteilung der Löcher 19 strömt eine entsprechend größere Menge des aufsteigenden Gases 30 entlang der Innenwandfläche des Gehäuses und in dessen Nähe, und die absinkende Flüssigkeit an den Kolonnenböden 12 wird allmählich zu den mittleren Teilen gedrückt, wodurch ein übermäßiger Anstieg des Flüssigkeitspegels an der Innenwandfläche des Gehäuses vermieden werden kann.

Die Destilliersäule nach den Fig. 4 bis 8 wurde verwendet, während die Säule in der Richtung des zentralen Abschnittes jedes Überlaufes (d. h. diametral zur Säule) mit einer Rollamplitude von 2,5 Grad in Perioden von 8 Sekunden schwingend bewegt worden ist, wobei eine Ammoniakgasabsorption durch Wasser ausgeführt wurde, und des wurde die Leistung der Gas-Flüssigkeits-Kontaktierung bestimmt. Die Konstruktions- und Arbeitsbedingungen der Destillationssäule waren wie folgt:

Durchmesser des Gehäuses 11= 1200 m Typ des Kolonnenbodens= Flexitray eine Stufe Zahl der Glocken= 66 Durchmesser der Löcher= 39 mm Länge des zentralen Abschnittes 21 a= 530 mm Höhe des zentralen Abschnittes 21 a= 50 mm Länge des Ansatzes= 270 mm Höhe des Ansatzes= 150 mm Strömungsgeschwindigkeit des Gases= 1100 m³Nh Strömungsgeschwindigkeit des Speisewassers= 8 m³/h NH₃-Konzentrationsrate am Einlaß= 980 ppm NH₃-Konzentrationsrate am Auslaß= 392 ppm

Die NH₃ Absorptionsrate betrug somit 60%.

Bei einem Vergleichsbeispiel war die Destillationssäule von derselben Konstruktion wie die verwendete Säule beim vorstehenden Beispiel mit Ausnahme, daß die zentralen Abschnitte 21 a 530 mm lang und 80 mm hoch und die Ansätze 21 b 270 mm lang und 80 mm oder so hoch wie die zentralen Abschnitte waren, oder es wurde eine konventionelle Vorrichtung verwendet. Bei diesem Versuch betrug die NH₃-Konzentration am Einlaß 965 ppm und die am Auslaß 630 ppm, was eine niedrige Absorptionsrate von nur 35% anzeigt.

Während ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kolonnenböden mit Überläufen beschrieben worden ist, dessen zentrale Abschnitte und Ansätze durchweg gerade, horizontale obere Kanten aufweisen, ist dies keine Beschränkung der Erfindung. Die Überläufe können auch bogenförmig sein, anstelle dafür, daß beide Endteile der Überläufe in der Höhe schrittweise oder gekrümmt zu den mittleren Teilen verändert werden können, so daß die ersteren Teile nicht kleiner als das 1,2fache des letzteren sein können.

Claims

1. Gas-Flüssigkeitskontaktor, der auf einer schwingenden Grundlage angeordnet ist und wenigstens einen Kolonnenboden in einem zylindrischen Gehäuse aufweist, wobei der Kolonnenboden eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist, die mit Glocken versehen sind und einen Gasdurchgang ermöglichen, wobei der Kolonnenboden so ausgebildet und angeordnet ist, daß ein Teil seines Umfanges sich im Abstand von der inneren Wandoberfläche des zylindrischen Gehäuses befindet und wobei schließlich ein Überlauf vorgesehen ist, der sich über den im Abstand gehaltenen Abschnitt des Bodenumfanges erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (21) aus einem als flache Platte ausgebildeten zentralen Abschnitt (21 a) mit zwei vertikalen Kanten und an jeder Kante angeordneten, ebenfalls als flache Platten ausgebildeten Ansätzen (21 b) besteht, daß die Ansätze an die innere Wandoberfläche des zylindrischen Gehäuses (11) anstoßen, daß die Höhe der Ansätze über dem Kolonnenboden das 1,2- bis 3,0fache der Höhe des zentralen Abschnittes über dem Kolonnenboden beträgt und daß die Dichte der Durchgangslöcher in dem Kolonnenboden nahe der inneren Wandoberfläche des Gehäuses (11) größer ist.

2. Gas-Flüssigkeitskontaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (21) bogenförmig entlang der Innenfläche des Gehäuses (11) gekrümmt ist.