DE3346740C2

DE3346740C2 -

Info

Publication number: DE3346740C2
Application number: DE3346740A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. 5000 Koeln De Zeitsch
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: BWS Technologie GmbH
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1989-06-22
Also published as: SE464562B; US4673464A; SE8405312D0; ATA329184A; SE8405312L; FR2556978A1; DE3346740A1; AT386133B; FR2556978B3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf 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.

Derartige Austauschböden 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 Gasstroms in der Kolonne gering bleibt.

Es sind viele Arten von Austauschböden 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 Symposium 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. Kohler: Pressure Pulsations in Sieve-Tray Colums. 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 und daher im Konstruktionsstadium keine Möglichkeit bestand, dem Phänomen vorzubeugen. Wenn nicht schon Vorerfahrungen aufgrund einer früheren identischen Ausführung vorlagen, war man bis zur Inbetriebnahme einer Kolonne nie sicher, ob die Böden schwingen würden oder nicht, und wenn Schwingungen auftraten, war Abhilfe auf blinde Empirie beschränkt.

In der bereits zitierten Arbeit von Brierley et al wird davon ausgegangen, daß eine Beschädigung der Kolonne durch Ermüdungsbrüche nur auftritt, wenn die Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz der Böden zusammenfällt. Wenn dieser Aufsatz richtig wäre, dürfte es keine Schwingungsschäden geben, wenn die Erregerfrequenz größer oder kleiner als die Eigenfrequenz der Böden ist, was aber leider nicht zutrifft. Es wird in dem Bericht sogar eingeräumt, daß eine befriedigende Theorie bis jetzt nicht entwickelt werden konnte.

Vom Erfinder durchgeführte Untersuchungen einer Durchgasung der Flüssigkeit auf einem Austauschboden mit kreiszylindrischen Bohrungen haben gezeigt (K. Zeitsch: CHEMISCHE TECHNIK 36; S. 415 bis 418), daß sich im Bereich üblicher Betriebsbedingungen der gesamte Gasstrom durch den Boden aus einer Vielzahl von Strahlströmungsimpulsen von der Dauer

zusammensetzt, mit p _L als Dichte der Flüssigkeit, R als Radius der Bohrung und σ als Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Diese Strahlströmungsimpulse regen den Austauschboden zu starken Schwingungen an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Austauschboden zu schaffen, von dem man bereits im Konstruktionsstadium sicher sein kann, daß er im Betrieb nicht schwingen wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Lochdurchmesser, Wehrhöhe oder Steifigkeit der Böden so gewählt sind, daß die Eigenfrequenz der Böden die Gleichung

für eine positive ganze Zahl n erfüllt.

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 n eine große Bodenblechstärke und damit erhöhte Kosten beinhalten, wird man im allgemeinen mit n = 1 oder 2 arbeiten.

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

("W. Flügge: Handbook of Engineering Mechanics. McGraw-Hill Book Company, New York, 1962, Kapitel 61.8, Seite 61-21."
oder
"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."
oder
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 erfindungsgemäßen Bedingung kann der 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 Austauschböden 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 die 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 Betrieb mit n = 1 mindestens erforderliche Eigenfrequenz des Bodens, so daß durch Benutzung von Einsätzen mit vergrößerten Löchern ein 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 zusätzlichen Versteifungen versehen werden. Versteifungen ganz allgemein sind allgemein bekannt. Sie sind auch im Zusammenhang mit Kolonnenböden als Maßnahme zur "Verminderung der Vibration während des Normalbetriebes" in der DE- OS 27 21 667 genannt, jedoch ohne konkrete Dimensionierungsempfehlung. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung müssen die Versteifungen derart ausgebildet werden, daß die so ausgerüsteten Böden die erfindungsgemäße Bedingung erfüllen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Kolonne,

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

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 erfindungsgemäße Bedingung nicht erfüllte.

In einem durchgehenden Kolonnenmantel 1 sind übereinander mit Abstand Austauschböden 2 vorgesehen, die mit zylindrischen Bohrungen 3 versehen sind. Die Böden sind so ausgebildet, daß Überlauföffnungen 16 gebildet werden, die von Boden zu Boden versetzt angeordnet sind. Jeder Boden 2 ist mit einem Wehr 4 versehen, so daß sich oberhalb jedes Bodens eine Flüssigkeitsschicht 5 bilden kann. Damit sich die 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 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 Fig. 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, können 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 (Fig. 4), wobei jedoch zu vermerken ist, daß die Berechnung der Eigenfrequenz eines derartig ausgebildeten Bodens sehr kompliziert ist, sich aber mit bekannten Berechnungsmethoden durchführen läßt.

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 I zeigt einen durch Schwingungsermüdung gerissenen Austauschboden 2, mit dem die Bedeutung der Erfindung erläutert werden soll. Für den zerstörten Boden wurde mittels der erfindungsgemäßen Formel die Zahl n 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 n einen Wert kleiner als 1 hat, eine Schwingungserregung auftritt, die zu starken Zerstörungen führt.

Claims

1. Austauschböden in Destillations- und Absorptionskolonnen, die innerhalb eines durchgehenden Kolonnenmantels mit Abstand übereinander angeordnet sind, wobei die Böden mit zylindrischen Bohrungen für den 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 Lochdurchmesser, Wehrhöhe oder Steifigkeit der Böden so gewählt sind, daß die Eigenfrequenz der Böden die Gleichung für eine positive ganze Zahl n erfüllt.

2. Austauschböden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß n = 1 oder 2 ist.

3. Austauschböden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (3) in den Böden (2) auswechselbare Einsätze (11) aufweisen, deren Innendurchmesser 2R so gewählt ist, daß zur Vermeidung von Betriebsschwingungen die in Anspruch 1 genannte Bedingung erfüllt ist.

4. Austauschböden 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 einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (3) in den Böden (2) nach oben oder unten düsenförmige Ausziehungen (13) aufweisen.

6. Verfahren zur Herstellung von schwingungsfreien Austauschböden nach Anspruch 1 mit in der Höhe verstellbaren Wehren, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebseigenfrequenz der Böden durch Verstellung der Höhe H des Stauwehrs (4, 6) so lange korrigiert wird, bis die in Anspruch 1 genannte Bedingung erfüllt ist.

7. Verfahren zur Herstellung von schwingungsfreien Austauschböden nach Anspruch 1 mit an den Böden befestigten Versteifungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz der Böden durch Veränderungen der Versteifungen (14) so lange korrigiert wird, bis die in Anspruch 1 genannte Bedingung erfüllt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Versteifung (14) der Böden (2) Winkelmaterial verwendet wird, das durch Anschweißen, Anschrauben oder Annieten mit den Böden (2) verbunden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versteifung zwischen den Böden (2) angeordnete Zuganker (15) verwendet werden, gegen die sich die Böden (2) abstützen.