DE3926974A1

DE3926974A1 - Stoffaustauschkolonne

Info

Publication number: DE3926974A1
Application number: DE19893926974
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Haberland
Original assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH
Current assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1991-02-21
Also published as: FR2650963A1; FR2650963B1; GB9015479D0; GB2234918A; JPH0389903A; DE3926974C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne mit im Kolonnengehäuse übereinander angeordneten Lochböden zur Dispergierung und Quervermischung der die Kolonne durchströmenden Medien.

Eine bekannte Stoffaustauschkolonne ist die Siebboden kolonne, in welcher Siebböden axial verteilt und starr befestigt sind. Die Siebbodenkolonne wird bevorzugt für die Flüssig-Flüssig-Gegenstromextraktion eingesetzt. Dabei wird die leichtere Phase von unten zugeführt, während die Dosierung der schweren Phase von oben er folgt. Durch die Siebböden werden Flüssigkeitströpfchen der einen Phase gebildet. Die Tröpfchenbildung stellt eine Vergrößerung der Phasenoberfläche dar. Der Stoff austausch wird begünstigt.

Es sind vielfältige Anstrengungen gemacht worden, den Stoffaustausch in Stoffaustauschkolonnen zu verbessern. Zur Erzielung eines optimalen Stoffaustausches sind ei ne große Zahl von Parametern von Bedeutung.

Ein guter Stoffübergang hängt wesentlich von einer gu ten Vermischung der beiden Phasen ab. Es wurde festge stellt, daß die Siebbodenkolonne von sich fadenförmig ausbildenden Phasenkanälen senkrecht durchlaufen wird. Diese Erscheinung wird mit zunehmendem Kolonnendurch messer ausgeprägter, so daß für eine gute Extraktion eine größere Kolonnenlänge benötigt wird.

Es ist eine Siebbodenkolonne bekannt (Chemical Enginee ring, Programm Nr. 13, Volume 50, 1954, Seite 14 bis 17), die eine Mischeinrichtung aus einem zwischen den Siebböden angeordneten Verteilerboden aufweist, aus dessen Ebene Winkelplatten in einem Winkel von ca. 30° geneigt herausstehen. Die Winkelplatten sind aus dem Verteilerboden herausgebogen, so daß unter den Winkel platten Durchbrüche vorhanden sind, die von den Winkel platten abgedeckt sind. Durch diesen Aufbau soll der Flüssigkeit bei einer gepulsten Kolonne ein Drall auf geprägt werden, der zu einer guten Quervermischung und damit besserem Stoffaustausch zwischen den Phasen führt.

Es ist bekannt (DE 35 06 693 C1), zur Verbesserung der Quervermischung zwischen jeweils zwei Siebböden stati sche Mischelemente anzuordnen. In diesen Mischelementen wird die Kanalströmung unterbrochen, indem die konti nuierliche und die disperse Phase aus ihrer senkrechten Kanalrichtung ausgelenkt werden. Eine vorteilhafte Quervermischung der Phasen ist die Folge. Durch das Einsetzen von statischen Mischelementen wird neben den Siebböden eine zusätzliche große metallische Oberfläche in die Kolonne eingebracht, die bevorzugt wässrig be netzt wird. Eine so ausgerüstete Extraktionskolonne eignet sich deshalb gut für eine wässrig kontinuierli che Fahrweise der Kolonne.

Mit zunehmender Betriebszeit kann in der Stoffaus tauschkolonne der Stoffaustausch durch auftretende Grenzflächenphänomene beeinträchtigt werden. Dabei han delt es sich um das ungewünschte Benetzen der Siebbö denflächen durch die disperse Phase. Diese Benetzung verursacht eine Einengung und Verschiebung des Arbeits bereiches der Kolonne. Der Durchsatz verringert sich, bis die Kolonne sogar abgeschaltet werden muß, um in aufwendiger Weise gereinigt und gespült zu werden, da mit die ursprünglich guten hydraulischen Eigenschaften wieder erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stoff austauschkolonne der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine hohe Verfügbarkeit bei guten Stoff übergangsleistungen aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Kolonnengehäuse axial verteilt Schlitzböden ange ordnet sind, die mit parallelen Schlitzen ausgestattet und zueinander um ihre Drehachse versetzt sind, und daß ein oder mehrere Schlitzböden relativ zu den anderen um die Kolonnenachse zur Veränderung des projizierten Durchflußquerschnittes verdrehbar sind.

Ändert sich mit zunehmender Betriebszeit das dynamische Verhalten der Stoffaustauschkolonne, so steht dem Ope rateur durch das Verstellen der drehbaren Schlitzböden eine Eingriffsmöglichkeit zur Verfügung, um die fluid dynamische Charakteristik innerhalb der Stoffaustausch kolonne zu verändern. Der Arbeitsbereich der Kolonne kann von außen ohne sonstige Systemeingriffe veränder ten Stoff- oder Betriebsbedingungen angepaßt werden.

Durch die neue geometrische Ausgestaltung der Kolonnen böden wird sowohl der Tropfenbildungsmechanismus als auch das Benetzungsverhalten beeinflußt. Es wird ange nommen, daß sich die Tropfenbildung im Strömungsfeld durch Druck-und Scherkräfte vollzieht.

Während des Betriebes der Stoffaustauschkolonne kann der Arbeitsbereich der Kolonne dadurch von außen verän dert werden, daß die projizierten freien Flächen der Schlitzböden verkleinert werden. Dieses bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, die zu Turbulen zen führt und die Schlitzböden freispült. Die sich mittlerweile eingestellten Benetzungen werden wesent lich verringert. Der Operateur kann die Kolonne immer so einstellen, daß der günstigste Arbeitsbereich mit einer hohen Trennleistung angesteuert wird.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu se hen, daß die Stoffaustauschkolonne auch ohne aufwendige Umrüstung und Änderung der Einbauten auf andere Stoff systeme durch Verstellen der Schlitzböden eingestellt werden kann. Über die Verstellung der Schlitzböden wird der jeweilige optimale projizierte Durchtrittsquer schnitt eingestellt, der unterschiedliche Geometrien annehmen kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Schlitzböden im Abstand zueinander und unter einem be liebigen Winkel versetzt zueinander angeordnet. Die Flüssigkeitsphasen sind gezwungen, bei ihrem Weg durch die Kolonne ihre Strömungsbahnen ständig zu ändern. Sind beispielsweise die Böden so angeordnet, daß die Schlitze genau übereinander liegen, so entspricht der Freiflächenanteil der Einbauböden in der Projektion ge nau der freien Fläche eines Schlitzbodens. Wenn die Schlitzböden nun jeweils um 90° zueinander versetzt an geordnet sind, so reduzieren sich die Schlitze in der Projektion zu Vierecken. Wird nun ein Boden weiter ver dreht, gehen die Vierecke in Rauten über. In der Pro jektion wird also der Freiflächenanteil scheinbar ver kleinert. Die reale freie Fläche wird dadurch aber nicht verändert, da die Böden einen Abstand zueinander besitzen. Disperse und kontinuierliche Phase sind ge zwungen, ihre Strömungsbahnen bzw. -richtungen zu än dern. Die quer zur Kolonnenachse gerichtete Strömungs komponente kann so maßgeblich beeinflußt werden. Dem Operateur steht durch die Verstellbarkeit der drehbaren Schlitzböden eine Eingriffsmöglichkeit zur Verfügung, um die fluiddynamische Charakteristik innerhalb der Stoffaustauschkolonne ohne Einengung des Belastungsbe reiches zu verändern.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind zwei oder mehrere Schlitzböden versetzt zueinander und ohne Abstand aufeinanderliegend angeordnet, wobei mindestens ein Schlitzboden verstellbar ist. Hierdurch wird durch Drehen eines Schlitzbcdens nunmehr der tat sächliche Freiflächenanteil verändert. Die Kolonne kann so auf einen anderen Durchsatz eingestellt werden, ohne daß sie in einen für den Stoffaustausch ungünstigen Be triebsbereich arbeitet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird im Kennzeichen des Anspruchs 4 offenbart. Die Kur belwelle ragt durch alle Schlitzböden und nimmt bei ei ner Drehung durch ihre Ausbuchtungen die entsprechenden Schlitzböden mit.

Die weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 stellt eine berührungslose Verstell einrichtung der Schlitzböden dar. Über den außen be findlichen Magnet kann der mit einem Eisenkern verse hene Schlitzboden in einen neuen Winkel gezogen werden.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung vier mit Ab stand übereinander angeordnete Schlitzböden für eine Stoffaustauschkolonne,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht von drei Schlitzböden gemäß Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die drei Schlitzböden von Fig. 2,

Fig. 4 eine Stoffaustauschkolonne mit eingebauten Schlitzböden und einer Verstelleinrichtung für einzelne Schlitzböden.

Die vier in der Fig. 1 gezeigten Schlitzböden 11 bis 14 sind an einem sie durchdringenden Zentralstab 15 be festigt. Zwischen den Schlitzböden 11 bis 14 ist je weils ein Abstand vorhanden. Die Schlitzböden 11 bis 14 sind mit parallel verlaufenden Schlitzen 17 versehen und jeweils um 90° versetzt zu dem vorherigen Schlitz boden angeordnet.

Die drei in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schlitzböden 18 bis 20 sind im unterschiedlichen Abstand zueinander angeordnet. Der zweite Schlitzboden 19 ist gegenüber dem ersten Schlitzboden 18 um 90° versetzt angeordnet. Diese beiden Schlitzböden 18 und 19 sind fest am Zen tralstab 15 befestigt. Der dritte Boden 20 ist ver stellbar ausgebildet, d.h., er ist um die Kolonnenach se, den Zentralstab 15 verdrehbar. Bei den in Fig. 2 und 3 gezeichneten Darstellungen ist der dritte Boden 20 um 45° verstellt.

In der Fig. 3 wird in der Projektion der scheinbare Freiflächenanteil des Kolonnenquerschnitts, der der Fläche der Schlitzböden entspricht, sichtbar. Bezogen auf den freien Kolonnenquerschnitt beträgt dieser scheinbare Freiflächenanteil nur noch wenige Prozent. Aufgrund dieser erheblichen Reduzierung müssen disperse und kontinuierliche Phase beim Durchströmen der Kolonne ständig ihre Richtungen ändern. Die Tropfenbewegungen sind damit nicht nur axial sondern auch horizontal ge richtet und erhöhen so den Volumenanteil der Dispers phase zwischen zwei Böden bzw. in der gesamten Kolonne. Dieses führt zu einer weiteren Verbesserung des Stoff austauschs.

In dem in der Fig. 4 schematisch angedeuteten Kolonnen gehäuse 21 ist eine Einbaueinheit 23 von mehreren mit Abstand übereinander angeordneten Schlitzböden 25 bis 28 vorhanden. Die Schlitzböden 25, 27 und 28 sind an dem Zentralstab 15 befestigt bzw. jeder dritte Schlitz boden 26 verdrehbar angeordnet. Der oberste Schlitzbo den 25 liegt auf einer Gehäuseausnehmung 31 und ist über zwei Muttern 33 am Zentralstab 15 festgeschraubt. Die untere Mutter 33 ist mit einer Kontermutter 35 ge kontert, um den folgenden Schlitzboden 26 verdrehbar anordnen zu können. Die Abstände zwischen den Schlitz böden 26 bis 28 werden durch Distanzhülsen 37 oder vor den verdrehbaren Schlitzböden durch die beiden Konter muttern 33 und 35 realisiert.

Neben dem Zentralstab 15 ist eine Kurbelwelle 41 ange ordnet, die von außen über einen Handgriff 43 gedreht werden kann. Die Kurbelwelle 41 erstreckt sich durch die Schlitze jedes einzelnen Bodens 25 bis 28 und wird jeweils am untersten und obersten Boden durch eine Hülse 45 bzw. 47 geführt, die an den Schlitzböden 25 bzw. 27 befestigt sind.

Der außerhalb am Kolonnenkopf sich am äußeren Ende der Kurbelwelle befindende Handgriff 43 dient zum Verdrehen der Kurbelwelle 41. Die Kurbelwelle 41 hat über ihre Länge im Bereich jedes dritten Schlitzbodens 26 eine Auslenkung 49, durch die jeder dritte Schlitzboden 26 um maximal 45′ gedreht werden kann. Die beiden zwischen den verstellbaren Schlitzböden 26 liegenden Schlitzbö den 27 und 28 sind um 90° zueinander versetzt angeord net.

Claims

1. Stoffaustauschkolonne mit im Kolonnengehäuse über einander angeordneten Lochböden zur Dispergierung und Quervermischung der die Kolonne durchströmenden Medien, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Kolonnengehäuse (21) axial verteilt Schlitzböden (11 bis 14, 18 bis 20, 25 bis 28) ange ordnet sind, die mit parallelen Schlitzen (17) aus gestattet und zueinander um ihre Drehachse (15) ver setzt sind, und
daß ein oder mehrere Schlitzböden (20, 26) rela tiv zu den anderen um die Kolonnenachse (15) zur Veränderung des projizierten Durchflußquerschnittes verdrehbar sind.

2. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schlitzböden im Abstand zueinander und unter einem beliebigen Winkel versetzt zueinander angeord net sind.

3. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehrere Schlitzböden versetzt zueinan der und ohne Abstand aufeinanderliegend angeordnet sind, wobei mindestens ein Schlitzboden verstellbar ist.

4. Stoffaustauschkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zur Mittelachse der Schlitzböden eine verdrehbare Kurbelwelle angeordnet ist, durch die einer oder mehrere Schlitzböden relativ zu den an deren Schlitzböden verdrehbar sind.

5. Stoffaustauschkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß einer oder mehrere Schlitzböden einen Eisenkern aufweisen, und
daß außerhalb der Kolonne ein auf den Eisenkern wirkender Magnet vorhanden ist.