DE3705476A1 - Nichtmetallische kolonnenpackung zur kontaktierung fluider phasen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nichtmetallische Kolonnenpackung und ihre Herstellung. Derartige Kolonnenpackungen werden zur intensiven Gestaltung von Stoff- und/oder Wärmeübertragungsprozessen, wobei erstere von einer chemischen Reaktion begleitet sein können, eingesetzt. Die effektive Gestaltung derartiger Prozesse ist in zahlreichen Zweigen der Volkswirtschaft (chemische Industrie, Energiewirtschaft, Leicht- und Lebensmittelindustrie) von Bedeutung.

Bei Stoff- und Wärmeübertragungsprozessen kommt es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit auf einen möglichst intensiven Kontakt zwischen den beteiligten Phasen an. Zu diesem Zwecke sind eine Vielzahl von Einbauten entwickelt worden, von denen die Packungen als die modernsten anzusehen sind. Bekannt ist beispielsweise eine keramische Packung aus rohrförmigen, mit Außenrippen versehenen Einzelkörpern (DD-PS 2 11 284).

Um aus diesen Einzelelementen mit vertretbarem Aufwand eine Packung in technischen Dimensionen herstellen zu können, müssen die Einzelkörper größere Abmessungen in Durchmesser und Länge aufweisen (Durchmesser ca. 35 mm, Länge 100 mm). Das führt insgesamt zu einer grobstrukturierten Packung, die wegen der geringen spezifischen Oberfläche und der unzureichenden Turbulenzerzeugung in der Gasphase nur eine mäßige Stoffübertragungsintensität bewirkt.

Eine weitere keramische Rieselkolonne (DD-PS 1 98 786) läßt aufgrund ihrer geradlinigen Strömungskanäle ebenfalls für die in der Technik am häufigsten anzutreffenden Übertragungsprozesse mit gas- und dampfseitigem Hauptwiderstand nur eine unzureichende Wirksamkeit erwarten, da auch hier für die Gas- bzw. Dampfphase keinerlei Störungen oder Umlenkungen der Strömung vorgesehen sind.

Zwar werden bei der Erfindung nach der DE-OS 29 19 463 die zur Turbulenzerzeugung in der Gas- bzw. Dampfphase erforderlichen Störungen in Form starker Querschnittseinschnürungen erzielt, doch haben die den Packungskörper bildenden prismatischen Einzelelemente noch geringere Abmessungen als die bereits erwähnten rohrförmigen Einzelkörper, so daß der Aufwand zur Herstellung der Packung sehr hoch erscheint.

Die für die Durchführung derartiger Stoff- und/oder Wärmeübertragungsprozesse sehr wichtige Größe der spezifischen Oberfläche ist mit a = 102 m²/m³ bei der kleinsten verfügbaren Abmessung sehr niedrig.

Wünschenswert ist deshalb eine korrosionsbeständige Packung aus nichtmetallischen Werkstoffen, die aufgrund ihrer Feinstrukturierung eine gute Trennleistung bei mäßigem Druckverlust gewährleistet und deren großvolumiger homogener Packungskörper zu einer wesentlichen Senkung des Aufwandes für die Bestückung von Kolonnen mit industriellen Abmessungen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch das ökonomische Fertigungsverfahren der Strangformgebung aus keramischen Massen herstellbare großvolumige Packungskörper zu entwickeln und diese für Kolonnen mit industriellen Abmessungen zu einem Packungsverband mit günstigen verfahrenstechnischen Parametern anzuordnen.

Erfindungsgemäß sind die homogenen festen Packungskörper, die die Grundeinheit der Packung bilden, aus mehreren stranggeformten gitterförmigen Grundelementen mit einer Rosthöhe von 10 bis 250 mm zusammengesetzt. Diese keramischen Grundelemente sind horizontal zueinander passend zu einer Schicht mit einer Fläche bis zu 0,2 m² und vertikal in 4 bis 8 derartigen Schichten angeordnet. Dabei können keramische Grundelemente unterschiedlicher Höhe enthalten sein. Die Grundeinheit der Packung wird vorzugsweise zunächst aus ungebrannten keramischen Grundelementen zusammengefügt.

Danach wird die Grundeinheit der Packung gegebenenfalls der Kolonnenform angepaßt und anschließend dem Brennprozeß unterworfen. Der auf diese Weise erhaltene homogene feste Packungskörper mit einem Volumen von ca. 0,05 m³ und einer Masse von ca. 30 kg dient sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung zum Packungsaufbau. Die Abmessungen des festen Packungskörpers sind so gewählt, daß sich für Montagezwecke noch handhabbare Größen und Massen ergeben. Erfindungsgemäß besitzen die keramischen Grundelemente Gitteröffnungen mit einem viereckigen, vorzugsweise quadratischen oder rechteckigen, oder sechseckigen, vorzugsweise gleichseitig sechseckigen, Querschnitt. Dabei schließt die Achse der Gitteröffnung und die Grundfläche des Grundelements einen Winkel von kleiner als 90°, insbesondere einen Winkel von 45 bis 75°, ein.

Die äußeren Konturen der Grundelemente sind mit Rippen und Nuten versehen, die so angeordnet sind, daß beim horizontalen Aneinanderfügen der Grundelemente die freien Durchströmöffnungen zwischen den Grundelementen etwa denen einer Gitteröffnung entsprechen und gleichzeitig einen stabilen Aufbau der Grundeinheit der Packung gewährleisten. Der vertikale Aufbau der Grundeinheit der Packung ist vorteilhafterweise so gestaltet, daß zwei aufeinanderfolgende Grundelemente alternierend angeordnet sind und eine Versetzung von 1 bis 2 Wandstärken aufweisen.

Durch die Vorfertigung von homogenen festen Packungskörpern bleibt der Aufwand beim eigentlichen Packungsbau gering. Die erfindungsgemäße Packung gewährleistet einen intensiven Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Dies wird durch die aufgezwungene zick-zack-förmige Bewegung der Gasphase, die Verteilung der Gasphase von der Gitteröffnung einer Schicht auf mehrere Gitteröffnungen der darüberliegenden Schicht, durch geschaffene Störstellen und Abtropfkanten für die flüssige Phase und eine gute Flüssigkeitsselbstverteilung erreicht.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 im einzelnen:

Fig. 1 Anordnung zweier Grundelemente in horizontaler Richtung

Fig. 2 Schnittdarstellung des vertikalen Packungsaufbaus

Fig. 3 Anpassung der Packung an den Kolonnendurchmesser.

Die dargestellten Grundelemente 1 besitzen am äußeren Umfang Rippen 2 und Nuten 3, die der Herstellung eines stabilen Packungsverbandes in horizontaler Richtung dienen.

Zusätzlich wird durch diese Rippen und Nuten erreicht, daß auch die äußere Fläche als Austauschfläche zur Verfügung steht und insgesamt die spezifische Oberfläche vergrößert wird. Die Achsen der Gitteröffnungen 4, in den Fig. 1 und 2 mit quadratischem Querschnitt, bilden mit der Grundfläche einen Winkel < 90°. Dadurch, daß aufeinanderfolgende Schichten gegenüber der vorhergehenden Schicht eine Verdrehung um 180° aufweisen, entsteht, wie aus Fig. 2 hervorgeht, eine Zickzack-Strömung für die Gas- bzw. Dampfphase, die sich für die durchzuführenden Stoff- und/oder Wärmeübertragungsprozesse vorteilhaft auswirkt. Die Versetzung aufeinanderfolgender Schichten 5 um ein bis zwei Wandstärken unterstützt ebenfalls die Turbulenzausbildung in der Gas- bzw. Dampfphase und erzwingt eine ständige Neudispergierung der flüssigen Phase nach jeder Schicht. Diese Versetzung führt außerdem zu einer gewissen Selbstverteilung der Flüssigkeit über den Querschnitt.

Durch geeignete Bindemittel wird aus den keramischen Grundelementen im Rohzustand in der beschriebenen Art und Weise der horizontalen und vertikalen Anordnung die Grundeinheit der Packung aufgebaut und durch Brennen vorgefestigt. Die maximale Größe der Grundeinheit der Packung wird im allgemeinen durch die Kolonnenabmessungen in Verbindung mit der angewendeten Montagetechnologie begrenzt.

Die Anpassung an den Kolonnendurchmesser erfolgt durch Verwendung der homogenen Packungskörper 6 und spezieller Randelemente 7, die bereits im Rohzustand einen entsprechenden Formschnitt erhalten und ansonsten den gleichen Aufbau aufweisen.

Claims (9)

1. Nichtmetallische Packung zur Kontaktierung fluider Phasen, bestehend aus vertikal angeordneten Gitterrosten, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere stranggeformte, 10 bis 250 mm hohe keramische Grundelemente (1), die die Form eines Gitterrostes aufweisen, wobei die Achse der Gitteröffnung (4) und die Grundfläche einen Winkel von kleiner als 90° (vorzugsweise 45 bis 75°) einschließen, horizontal zueinander passend und vertikal in alternierenden Schichten zu einem homogenen festen Packungskörper (6) zusammengefügt sind und diese homogenen festen Packungskörper die Grundeinheit der Packung, die sich sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung wiederholt, bilden.

2. Nichtmetallische Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise 4 bis 8 Schichten den homogenen festen Packungskörper (6) bilden.

3. Nichtmetallische Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinanderfolgende Schichten eine Versetzung (5) von 1 bis 2 Wandstärken aufweisen.

4. Nichtmetallische Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem homogenen festen Packungskörper (6) Grundelemente (1) unterschiedlicher Höhe enthalten sind.

5. Nichtmetallische Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitteröffnungen (4) sechseckig ausgeführt sind.

6. Nichtmetallische Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitteröffnungen (4) viereckig, insbesondere rechteckig und quadratisch ausgeführt sind.

7. Nichtmetallische Packung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelemente an den Randzonen mit Rippen (2) und Nuten (3) versehen sind.

8. Nichtmetallische Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die homogenen Packungskörper (6) in der Kolonnenrandzone der Kolonnenform angepaßt sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer nichtmetallischen Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst stranggeformte ungebrannte keramische Grundelemente zu einem homogenen Packungskörper zusammengefügt, dieser gegebenenfalls der Kolonnenform angepaßt und anschließend einem Brennprozeß unterworfen wird.