DE3346740A1

DE3346740A1 - Schwingungsfreie austauschboeden

Info

Publication number: DE3346740A1
Application number: DE19833346740
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. 5000 Köln Zeitsch
Original assignee: Krupp Industrietechnik Werk Buckau Wolf; Krupp Industietechnik GmbH
Current assignee: BWS Technologie GmbH
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1985-06-27
Also published as: SE8405312L; SE8405312D0; US4673464A; ATA329184A; AT386133B; FR2556978B3; SE464562B; FR2556978A1; DE3346740C2

Description

KRUPP INDUSTRIETECHNIK GMBH Werk Buckau Wolf, Grevenbroich

Schwingungsfreie Austauschboden

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Schwingungsfreie Austauschboden

Die Erfindung bezieht sich auf Austauschboden in Destillations- und Absorptionskolonnen, die innerhalb eines durchgehenden Kolonnenmantels mit Abstand übereinander angeordnet sind, wobei die Böden mit zylindrischen Bohrungen für einen durchströmenden Dampf- oder Gasstrom und einem Stauwehr zur Bildung einer Flüssigkeitsschicht oberhalb der Böden versehen f-'ind und Überlauföffnungen bilden, die von Stufe zu Stufe versetzt angeordnet sind.

Derartige Austauschboden werden in Kolonnen eingesetzt, bei denen eine große Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf oder Gas erforderlich ist, und zwar insbesondere in solchen Fällen, in denen der Gasvolumenstrom im Verhältnis zum Flüssigkeitsvolumenstrom sehr groß ist und wo es gleichzeitig wichtig ist, daß der Druckverlust des Gasstromes in der Kolonne gering bleibt.

Es sind viele Arten von Austauschboden bekannt (DE-PS 12 53 672). Es ist auch bekannt

("R.J.P. Brierley, P.J.M. Whyman, J.B. Erskine: Flow-Induced Vibration of Distillation and Adsorption Column Trays. Third International Sypmposium on distillation, 1979, published by the Institution of Chemical Engineers, Rugby, United Kingdom, Volume I, page 2.4/45 to 2.4/63," "G.H. Priestman, D.J. Brown, H.K. Köhler: Pressure Pulsations in Sieve-Tray Columns. Third International Symposium on Distillation, 1979, published by the Institution of Chemical Engineers, Rugby, United Kingdom, Volume I, page 2.4/1 to 2.4/16."),

daß Böden von Destillations- und Absorptionskolonnen durch den sie durchströmenden Dampf- oder Gasstrom zu heftigen Schwingungen angeregt werden können, die bei entsprechender Amplitude infolge von Materialermüdung zu Sprödbrüchen und damit zur Zerstörung der Kolonne führen. Neben folgenschweren Produktionsausfällen können dadurch kostspielige Neuinvestitionen erforderlich werden. Für den Kolonnenhersteller können daraus resultierende Regressansprüche zu gewaltigen finanziellen Verlusten führen. Um so

schmerzlicher empfanden Fachleute die Tatsache, daß die Ursache der Schwingungen bisher nicht bekannt war uno daher im Konstruktionsstadium keine Möglichkeit bestand, dem Phänomen vorzubeugen. Wenn nicht schon Vorerfahrungen aufgrund einer früheren identischer Ausführung vorlagen, war man bis zur Inbetriebnahme einer Kolonne nie sicher, ob die Böden srhwinqen würden oder nicht, und wenn Schwingungen auftraten, war Abhilfe auf blinde Empirie beschränkt.

Untersuchungen einer Durchgasung der Flüssigkeit auf einem Austauschboden mit kreiszylindrischen Bohrungen haben gezeigt, daß sich im Bereich üblicher Betriebsbedingungen der gesamte Gasstrom durch den Boden aus einer Vielzahl von Strahlströmui.gsimpulsen von der Dauer

zusammensetzt, mit § als Dichte der Flüssigkeit,

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R als Radius der Bohrung und G* als Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Diese Strahlströmungsimpulse regen den Austauschboden zu starken Schwingungen an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrurle, einen austauschboden zu schaffen, von dem men bereits im Konstruktionsstadium sicher sein kann, daß or im Botrieb nicht schwingen wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daf. die Böden eine Eigenfrequenz erhalten, die die iolgende Bedingung erfüllt:

dabei ist

r eine ganze Zahl gleich oder größer ;, voizuqsweise • oder 2;

<3* die Oberflächenspannung ä^r Flüssigkeit auf dem !-öden bei Betriebstemperatur;

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f, die Dichte der Flüssigkeit auf dem Boden bei Betriebstemperatur und

R der Radius der Bohrungen.

Wird die erfindungsgemäße Bedingung vom Konstrukteur eingehalten, kann er sicher sein, daß im Betrieb keine nennenswerten Amplituden auftreten und somit die Böden vor einer Beschädigung bewahrt bleiben. Da hohe Werte von η eine große Bodenblechstärke und damit erhöhte Kosten beinhalten, wird man im allgemeinen mit η = 1 oder 2 arbeiten.

Dar Konstrukteur des Austauschbodens bekommt von seinem Verfahrenstechniker den Innendurchmesser der Kolonne, die Summe aller Bohrungsquerschnitte, die Höhe der auf den Böden befindlichen FlüssigkeitE-schichten sowie Dichte und Oberflächenspannung der Flüssigkeit vorgegeben. Die Stärke des Bodenbleches und das Material für den Boden wählt der Kontrukteur selbst. Er kann dann den Boden konstruieren und aufgrund bekannter Vorschriften

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("M. Flügge: Handbook of Engineering Mechnics. McGraw-Hill Book Company, New York, 1S62, Kapitel 61.8, Seite 61-21."

"Rechenprogramm SAP IV vom College of Engineering, University of California, Berkeley, Juni 1973. Titel: Structural analysis program for static and dynamic response of linear systems."

Die Berücksichtigung der Schwächung des Bodens durch die Löcher erfolgt nach:

"ASME Calculation Standards, Section 8, Division 2, Figure 4-920.1, Seite 388. Herausgegeben vom United Engineering Center, 345 East 47th Street, New York, 1972. ")

die Eigenfrequenz des Bodens berechnen. Zur Erfüllung der erfxndungsgemäßen Bedingung kann der

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Konstrukteur daraufhin nach der erfindungsgemäßen Formel den Radius R der Bohrungen festlegen und somit sicherstellen, daß die Böden im Betrieb nicht schwingen.

Bei bereits konstruierten und schon bestehenden Austauschboden kann die erfindungsgemäße Bedingung nachträglich erfüllt werden, wenn die Wehrhöhe des Bodens verstellbar ausgebildet ist, so daß sich die Wehrhöhe gezielt verändern läßt. Vermindert man die Wehrhöhe und damit die Höhe der auf dem. Boden befindlichen Flüssigkeitsschicht, so erhöht sich die Eigenfrequenz des mit Flüssigkeit beaufschlagten Bodens. Somit läßt sich nachträglich die erfindungsgemäße Bedingung mit einfachsten Mitteln erfüllen.

Bei einem einmal konstruierten Boden läßt sich die erfindungsgemäße Bedingung auch dadurch erreichen, daß dir Bohrungen mit auswechselbaren Einsätzen versehen werden und sich dadurch die Radien der Bohrungen beliebig verändern lassen. Durch Vergrößerung der Bohrungen vermindert sich nach der erfindungsgemäßen Formel die für schwingungsfreien

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Betrieb mit η = 1 mindestens erforderliche Eigenfrequenz des Bodens, so daß durch Benutzung von Einsätzen mit vergrößerten Löchern eir Boden mit ursprünglich zu kleiner Eigenfrequenz so verändert werden kann, daß die erfindungsgemäße Bedingung erfüllt ist.

Ist eine Veränderung der Wehrhöhe oder der Bohrungsquerschnitte nicht möglich, kann die erfindungsgemäße Bedingung auch dadurch nachträglich erfüllt werden, daß die Böden mit zusätzlicher Versteifungen versehen werden. Dabei müssen die Versteifungen derart ausgebildet werden, daß die so ausgerüsteten Böden die erfindungsgemäße Bedingung erfüllen.

Ausführungsbexspiele der Erfindung siid in der Zeichnung dargestellt und werden im ncichfolgenden räher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch d:; e Kolonne,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie A-B in Figur 1,

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Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des verstellbaren Wehrs,

Fig. 4 eine konstruktive Ausgestaltung der Bohrungen,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der Einsätze in den Bohrungen,

Bild I einen zerstörten Boden, der die erfindungsgemaße Bedingung nicht erfüllte.

In einem durchgehenden Kolonnenmantel 1 sind übereinander mit Abstand Austauschboden 2 vorgeseher, die mit zylindrischen Bohrungen 3 versehen sind. E"ie Böden sind so ausgebildet, daß Überlauföffnungen 16 gebildet werden, die von Boden zu Boden versetzt angeordnet sind. Jeder Boden 2 ist mit e.i.nem V'ehr 4 versehen, so daß sich oberhalb jedes Bodens eine Flüssigkeitsschicht 5 bilden kann. Damit sich dxe Wehrhöhe verändern läßt, ist das Wehr 4 mit einem höhenverstellbaren Kragen 6 versehen, in dem Langlöcher 9 angeordnet sind. Bohrungen 8 im Wehr 4 des Bodens 2 und die Langlöcher 9 im Kragen 6 nehmen

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Schrauben 10 auf, so daß sich der Kragen 6 verschieben läßt.

Anstelle des höhenverstellbaren Wehres kann die erfindungsgemäße Bedingungen nachträglich dadurch erfüllt werden, daß der Radius der Bohrungen verändert wird. Hierfür ist gemäß Figur 5 ein Einsatz 11 vorgesehen, der aus Kunststoff oder Gummi bestehen kann und an den äußeren Rändern Wülste 12 aufweist. Je nachdem welcher Durchmesser d = 2R erforderlich ist, um die erfindungsgemäße Bedingung zu erfüllen, werden diese Einsätze 11 nachträglich in die vorhandenen Bohrungen 3 eingebracht. Da sie aus Kunststoff oder Gummi bestehen, kennen sie durch elastische Verformung haltbar eingedrückt werden.

Will der Konstrukteur den Boden 2 von vorneherein so dünn wie möglich machen, kann er die Bohrungen mit düsenförmigen Ausziehungen 13 versehen (Figur 4), wobei jedoch zu vermerken ist, daß die Berechnung der Eigenfrequenz eines derartig ausgebildeten Bodens sehr kompliziert ist, sich aber mit bekannten Barechnungsmethoden durchführen läßt.

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Auch ist es möglich, bei optimaler Ausgestaltung des Austauschbodens bei Erfüllung der erfindungsgemäßen Bedingung an sich bekannte Zuganker 15 vorzusehen, die zwischen einzelnen Böden angeordnet werden.

Bild 1 zeigt einen durch Schwingungsermüdung gerissenen Austauschboden 2, mit dem die Bedeutung der Erfindung erläutert werden soll. Für den zerstörten Boden vmrde mittels der erfindungsgemäßen Formel die Zahl η mit 0,52 ermittelt. Sie wich damit stark von der erfindungsgemäßen Bedingung ab. Es konnte an dem bekannten Boden beobachtet werden, daß sich im Betrieb starke Schwingungen einstellten, und schon nach kurzer Zeit waren 65 % aller Böden dieser Kolonne in der gezeigten Weise gerissen. Somit war nachgewiesen, daß, wenn η einen Wert kleiner als 1 hat, ej.ne Schwingungserregung auftritt, die zu starker·. Zerstörungen führt.

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Claims

Patentansprüche

1. Austauschböden in Destillations- und Absorptionskolonnen, die innerhalb eines durchgehenden Kolonnenmantels mit Abstand übereinander angeordnet sind, wobei die Böden mit zylindrischen Bohrungen für einen durchströmenden Dampf- oder Gasstrom und einem Stauwehr zur Bildung einer Flüssigkeitsschicht oberhalb der Böden versehen sind und Überlauföffnungen bilden, die von Stufe zu Stufe versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden eine Eigenfrequenz f« aufweisen, die die Bedingung

erfüllt, dabei ist

η eine ganze Zahl gleich oder größer 1, vorzugsweise 1 oder 2;

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C5* die Oberflächenspannung der Flüssigkeit auf dem Boden bei Betriebstemperatur;

fi die Dichte der Flüssigkeit auf dem Boden bei Betriebstemperatur und

R der Radius der Bohrungen.

2. Austauschböden nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhe (H) des Stauwehres (4, 6) verstellbar ist.

3. Austauschböden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (3) in den Böden (2) auswechselbare Einsätze (11) aufweisen.

4. Einsätze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (11) aus Kunststoff oder Gummi bestehen und an beiden Rändern
wulstartige Vorsprünge (12) aufweisen.

5. Austauschböden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden (2) mit zusätzlichen
Versteifungen (14) versehen sind.

6. Austauschböden nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung dadurch erreicht wird, daß die Bohrungen (3) nach oben oder unten düsenförmige Ausziehungen (13) aufweisen.

7. Austauschboden nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Versteifung der Böden (2) Winkelmaterial· (14) vorgesehen ist, das durch Anschweißen, Anschrauben oder Annieten mit den Böden (2) verbunden ist.

8. Austauschböden nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung dadurch erreicht wird, daß zwischen den Böden (2) Zuganker (15) vorgesehen sind, gegen die sich die Böden (2) abstützen.