DE4237358A1 - Stoffaustauschkolonne - Google Patents

Description

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

Eine bekannte Stoffaustauschkolonne ist die Siebboden­ kolonne, in der Siebböden mit einem vorbestimmten zueinander festeingestellten Abstand axial verteilt und starr im Kolonnengehäuse befestigt sind. Die Siebbodenkolonne wird bevorzugt für die Flüssig-Flüs­ sig-Gegenstromextraktion eingesetzt. Dabei wird die spezifisch leichtere Phase von unten der Kolonne zugeführt, während die spezifisch schwerere Phase oben eingespeist wird. Da der Stoffübergang eine große Phasengrenzfläche erfordert, wird eine Phase durch die Siebböden in Flüssigkeitströpfchen aufgespaltet. Axiale und radiale Vermischungseffekte in beiden Phasen beeinflussen die Wirksamkeit und können zur Erhöhung des treibenden Konzentrationsgefälles und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führen. So ist aus der DE 35 06 693 C1 bekannt, zur Verbesserung der Vermischung statische Mischelemente jeweils zwischen zwei Siebböden anzuordnen. Die Siebböden sorgen für eine wiederholte Tropfenbildung und das statische Mischelement für eine homogene Quervermischung in der Kolonne ohne bewegliche Teile. Das Mischelement verur­ sacht dabei keine Einengung des Betriebsbereiches der Siebbodenkolonne.

Ein weiterer Einfluß auf die Wirksamkeit liegt in der Wahl der freien Bodenfläche, die sich als Summe aller freien Öffnungsquerschnitte ergibt (Chem.-Ing.-Techn. 53 (1981) Nr. 8, S. 610). Große Öffnungsverhältnisse sind nur mit großen Lochdurchmessern möglich und lohnen sich bei Stoffsystemen mit kleiner Grenzflächenspan­ nung. Für Stoffsysteme mit hoher Grenzflächenspannung sind kleine Öffnungsverhältnisse am günstigsten (Chem.- Ing.-Techn. 50 (1978) Nr. 5, S. 345-354). Die Ausle­ gung einer Stoffaustauschkolonne hängt somit wesentlich vom Stoffsystem und vom Durchsatz ab. Eine unter Be­ rücksichtigung von optimalen Betriebsbedingungen für einen bestimmten Durchsatz ausgelegte Kolonne kann da­ her system- und/oder stoffbedingte Belastungsänderungen nur mit entsprechenden Wirkungsgradverlusten verarbei­ ten. Größere Belastungsschwankungen, vor allem im Unterlastbereich, können zwar durch Systemänderungen, wie künstliche Erhöhung der Belastung, z. B. durch Rückführung eines Teilstroms, ausgeglichen werden, setzen aber die Installation entsprechender Förderein­ richtungen und -strecken voraus. Auch bei Kolonnen mit Pulsation kann nur ein Teil des Trennleistungsverlustes durch Änderung der Pulsierintensität aufgefangen werden (Chem.-Ing.-Techn. 50 (1978) Nr. 5, S. 352).

In der D 39 26 974 A1 ist bereits eine Stoffaustausch­ kolonne beschrieben, die mit schlitzförmigen Lochböden, sog. Schlitzböden ausgerüstet ist. Durch eine um ihre gemeinsame Drehachse zueinander drehversetzte Anordnung der Schlitzböden wird eine gute Vermischung der beiden Flüssigphasen erreicht. Mit Hilfe einer von außen dreh­ baren Kurbelwelle können ausgewählte, drehbar angeord­ nete Schlitzböden in ihrem Drehwinkel verstellt werden. Damit besteht eine Eingriffsmöglichkeit, mit der die fluiddynamische Charakteristik innerhalb der Stoffaus­ tauschkolonne verändert und so die Kolonne von außen veränderten Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.

Der Nachteil dieser drehbaren Einrichtung ist, daß der einmal festgelegte installierte Bodenabstand und die durch die Schlitzquerschnitte vorgegebene freie Boden­ fläche, während des Betriebes nicht mehr verändert werden kann.

Für pulsierte Siebbodenkolonnen hat sich in technischen Kolonnen ein Bodenabstand vom 100 mm bewährt. Bei grö­ ßeren Bodenabständen nimmt die Wirksamkeit ab. Kleinere Bodenabstände führen zu geringeren Durchsätzen (Chem.- Ing.-Techn. 50 (1978) Nr. 5, S. 345-354).

Durch die genannten Schriften und Veröffentlichungen ist somit bekannt, den Wirkungsgrad des Stoffaustau­ sches in einer Kolonne und deren Durchsatz durch geei­ gnete Wahl der Lochquerschnitte, der freien Bodenfläche und des Bodenabstandes zu beeinflussen, was bislang auch bei der Auslegung der Stoffaustauschkolonnen auf ein bestimmtes Stoffsystem mit der Festlegung der freien Bodenfläche, der Größe der Löcher in den Lochbö­ den und des Abstandes der Lochböden zueinander sowie deren fester Anordnung im Kolonnengehäuse berücksich­ tigt wurde. Es ist aber nicht bekannt, eine Stoffaus­ tauschkolonne derart auszustatten, daß die Anpassung dieser, die Wirksamkeit und den Einsatzbereich einer Kolonne bestimmenden Parameter von außerhalb der Kolonne, ohne Demontage und Umrüstung der Kolonnenein­ bauten, während des Betriebes der Stoffaustauschkolonne vorgenommen werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stoffaustauschkolonne derart auszubilden, daß der Einsatzbereich der Stoffaustauschkolonne in bezug auf Durchsatz und Trennleistung besonders groß ist und daß ohne Umrüstung oder sonstige äußere Systemänderungen der Arbeitsbereich der Kolonne auf veränderte Stoff- und Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von den im Kolonnengehäuse zentrisch übereinander ange­ ordneten Lochböden jeder zweite, dritte oder mehrere ausgewählte Lochböden axial verschiebbar gelagert und mit einer durch das Kolonnengehäuse nach außen geführ­ ten Heb- und Senkvorrichtung verbunden sind, die von außen betätigbar die verschiebbaren Lochböden auf jeden im Bereich des Abstandes zwischen den benachbarten nicht verschiebbaren Lochböden wählbaren Bodenabstand einstellen und in der eingestellten Position bis zur Neueinstellung halten kann.

Durch Anheben oder Absenken der verschiebbaren, mit der Heb- und Senkvorrichtung verbundenen Lochböden wird eine Veränderung der Bodenabstände zwischen den ver­ schiebbaren und den übrigen, starr im Kolonnengehäuse befestigten Lochböden bis hin zum Anliegen von benach­ barten Böden erreicht. Aus dem Abstand der nicht ver­ schiebbaren starr befestigten Böden ergibt sich der ma­ ximal einstellbare Bereich für den Bodenabstand eines sich dazwischen befindlichen verschiebbaren Bodens. Der verschiebbare Boden kann innerhalb dieses Bereichs mittels der Heb- und Senkvorrichtung von außerhalb des Kolonnengehäuses auf jeden beliebigen Bodenabstand zu den benachbarten starren Böden eingestellt und bis zu einer erforderlich werdenden Neueinstellung der einge­ stellten Position gehalten werden.

Durch die Veränderung des bzw. der Bodenabstände wird die fluiddynamische Charakteristik innerhalb der Kolon­ ne beeinflußt. Wird ausgehend von der Mittelstellung der verschiebbaren Böden der Zwischenraum zu einem der benachbarten starren Böden eingeengt, so erhöht sich der Hold-up, die Tröpfchenbildung wird verstärkt und der Belastungsbereich der Kolonne verringert sich. Der maximal mögliche Durchfluß wird kleiner. Es steht damit eine Eingriffsmöglichkeit zur Verfügung, mit der vorteilhaft die fluiddynamischen Verhältnisse innerhalb der Stoffaustauschkolonne wie z. B. Hold-up, Tröpfchen­ größe, axiale und radiale Vermischung usw. beeinflußt werden. Ebenso kann der Arbeitsbereich der so ausge­ rüsteten Stoffaustauschkolonne jederzeit von außen stu­ fenlos und ohne sonstige Systemeingriffe oder Umrüstun­ gen auf die Erfordernisse von veränderten Stoff- oder Betriebsbedingungen eingestellt werden.

Das Anheben oder Senken der verschiebbar mit der Senk- und Hebevorrichtung verbundenen Lochböden dient nicht dazu, die Flüssigkeitssäule zu pulsieren, sondern vielmehr die Kolonne auch unter veränderten Betriebs­ bedingungen in einem optimalen Arbeitsbereich mit der jeweils höchsten Trennleistung durch die Veränderung des Bodenabstandes einzustellen und zu halten.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Hub- und Senkvorrichtung aus einer oder mehreren Zug­ stangen gebildet, die mit den ausgewählten verschiebba­ ren Kolonnenböden fest verbunden sind und durch die übrigen im Kolonnengehäuse starr befestigten Kolonnen­ böden gleitend hindurch geführt werden. Die Zugstangen werden z. B. am Kolonnenkopf nach außen geführt und über ein manuell oder motorisch betriebenes Hubwerk angeho­ ben oder gesenkt, wodurch eine stufenlose Anpassung des Arbeitsbereiches der Kolonne auch während des laufen­ den Betriebs gestattet wird.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit den Bodenabstand zwischen verschiebbaren und starren Böden zu verändern, besteht darin, daß die verschiebbaren Böden mit einer in der Kolonnenachse angeordneten Zugstange verbunden sind und daß die Zugstange an ihrem oberen, durch das Kolonnengehäuse herausführenden Endbereich ein Außen­ gewindeteil trägt, das in ein im Kolonnengehäuse, vor­ zugsweise im Kolonnenkopf, befindliches Innengewindeteil greift und so die Zugstange heraus- bzw. hineinge­ dreht werden kann, wobei je nach Drehrichtung die daran befestigten Böden angehoben bzw. gesenkt und die Boden­ abstände ohne Demontage und Umrüstung der Stoffaus­ tauschkolonne während des Betriebes verändert und neu eingestellt werden können.

Je nach Art der gewählten Lochböden, sie können z. B. in Form von Sieb-, Düsen-, Schlitz- oder Scheibenböden in Verbindung mit Ringlochböden eingesetzt werden, kann durch das Anheben oder Senken der verschiebbaren Böden neben einer Veränderung des Bodenabstandes auch der Freiflächenanteil benachbarter Böden stufenlos verän­ dert werden.

So ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Stoffaustauschkolonne mit Lochböden, deren freie Querschnitte als parallele Schlitze ausge­ bildet sind, sog. Schlitzböden, ausgerüstet. Die Schlitzböden sind dabei zentrisch übereinander und um jeweils 90 Grad zueinander drehversetzt angeordnet. Wird nun beispielsweise jeder zweite Schlitzboden ange­ hoben, so verringert sich jeweils der Bodenabstand zwi­ schen dem verschiebbaren und dem darüber befindlichen starr befestigten Boden. Durch weiteres Anheben bis schließlich zum Aufliegen von benachbarten Schlitzböden verändern sich die Form und Größe der freien Öffnungen von Schlitzen in Vierecke und der freie Durchflußquer­ schnitt wird eingeengt. Der Flächenanteil der aufeinan­ derliegenden Böden reduziert sich auf die noch verblei­ bende Summe an Vierecken, wodurch der Einsatzbereich der Kolonne auf andere Stoffsysteme, die abweichende Durchflußquerschnitte zum Erreichen optimaler Trenn­ leistung erforderlich machen, jederzeit ohne Demontage und Umrüstung der Kolonneneinbauten oder anderweitige Systemänderungen erweitert bzw. angepaßt werden kann.

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

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung vier unterein­ ander angeordnete Schlitzböden für eine Stoff­ austauschkolonne, die abwechselnd mit einer zentralen Zugstange oder drei Haltestangen einer Kolonnenboden-Halterung verbunden sind,

Fig. 2 Draufsicht auf die Schlitzbodenanordnung von Fig. 1,

Fig. 3 Längsschnitt einer Stoffaustauschkolonne mit eingebauten Ringloch- und Scheibenböden sowie einer Vorrichtung zur Veränderung des Abstandes zwischen den Böden.

Die vier in Fig. 1 gezeigten Lochböden 11 bis 14 sind als Schlitzböden mit parallel verlaufenden Schlitzen 20 ausgebildet. Die Schlitzböden 11 bis 14 sind übereinan­ der zentrisch und zueinander um jeweils 90 Grad dreh­ versetzt angeordnet. Sie werden in Achsmitte von einer Zugstange 15 und im Bereich des äußeren Umfangs von drei Haltestangen 16 einer Kolonnenboden-Halterung, die in einem nicht gezeigten Kolonnengehäuse verankert ist, durchdrungen. Die in axialer Richtung bewegbare Zug­ stange 15 ist mit den Schlitzböden 12 und 14 an deren achsmittiger Durchgangsöffnung 19 fest verbunden und gleitet durch die mittige Durchgangsöffnung 18 der Schlitzböden 11 und 13, die an ihren äußeren Durchgangsöffnungen 17 mit den Haltestangen 16 fest verbunden sind. Die Schlitzböden 12 und 14 werden mit ihren äußeren Durchgangsöffnungen 21 auf den Haltestangen 16 verschiebbar geführt.

Diese Anordnung ermöglicht bei axialer Bewegung der Zugstange 15 ein Heben oder Senken der mit der Zugstan­ ge fest verbundenen und auf den Haltestangen 16 ver­ schiebbar geführten Schlitzböden 12 und 14 und somit eine Veränderung des axialen Bodenabstandes der ver­ schiebbaren Schlitzböden 12 und 14 zu den mit den Haltestangen 16 fest verbundenen Schlitzböden 11 und 13. Die Schlitzböden 12 und 14 können so im Bereich des Abstandes zwischen den festen Schlitzböden 11 und 13 auf jeden beliebigen Bodenabstand zu den ihnen benach­ barten Schlitzböden 11 und 13 eingestellt werden.

In. Fig. 2 wird durch die Draufsicht deutlich gemacht, wie sich der Freiflächenanteil des Schlitzbodens 11 beim direkten Anlegen des darunter befindlichen, um 90 Grad drehversetzten Schlitzbodens 12 auf die verblei­ bende, nicht abgedeckte freie Schlitzfläche reduziert.

Der ursprünglich sich aus der Summe der Querschnitte der Schlitze 20 ergebende freie Durchflußquerschnitt wird dadurch auf die Summe der verbleibenden quadra­ tischen Restquerschnitte 22 eingeengt. Der Durchsatz und das fluiddynamische Verhalten von derartig mit ver­ schiebbaren Schlitzböden ausgerüsteten Stoffaustausch­ kolonnen können damit an die Erfordernisse wechselnder Betriebsbedingungen und Stoffsysteme angepaßt werden.

In Fig. 3 ist im Längsschnitt eine aus dem Kopfteil 25, dem zylindrischen Kolonnenteil 24 und dem Fußteil 26 bestehendes Kolonnengehäuse 23 einer Stoffaustauschko­ lonne dargestellt. Am Kopfteil 25 befinden sich der Zulaufstutzen 27 für die schwere Phase und entgegenge­ setzt darüber angeordnet der Ablaufstutzen 28 für die leichte Phase.

Im oberen Wandungsbereich des Kopfteils befindet sich eine zentrisch in der Kolonnenachse angeordnete Durch­ gangsöffnung 50, die von einer mit dem Kopfteil fest verbundenen axialen Gewindeführung 51 mit Innengewinde überdeckt wird.

Das zylindrische Kopfteil 24 ist im unteren Bereich mit dem Zulaufstutzen 30 für die leichtere Phase ausgerü­ stet. Im Fußteil 26 befindet sich am tiefsten Punkt der Ablaufstutzen 29 für die schwere Phase. Das zylindri­ sche Kolonnenteil 24 ist über die Flanschverbindung 31 mit dem Kopfteil 25 und über die Flanschverbindung 32 mit dem Fußteil 26 verbunden. Im zylindrischen Kolon­ nenteil 24 befindet sich eine Einbaueinheit 33 von mehreren zentrisch übereinander angeordneten, starr mit dem Kolonnengehäuse 23 verbundenen Ringlochböden 34 und axialverschiebbar mit einer in der Kolonnengehäuseachse angeordneten Zugstange 36 verbundenen Scheibenböden 35. Die starr angeordneten Ringlochböden 34 werden von der Bodenhalterung 37 im Bereich des zylindrischen Kolon­ nenteils 24 gehalten. Die Bodenhalterung ist über die kopfseitige Ringscheibe 38 in der Flanschverbindung 31 und über die fußseitige Lochscheibe 39 in der Flansch­ verbindung 32 fest im Kolonnengehäuse 23 verankert. Die Ringscheibe 38 und die Lochscheibe 39 sind miteinander durch die, das zylindrische Kolonnenteil 24 axial durchquerenden Haltestangen 40 verbunden. Auf den Haltestangen 40 befinden sich mit gleichem Abstand zur Ring- und Lochscheibe sowie zueinander die axial ver­ teilt angeordneten Ringlochböden 34, die von den Halte­ stangen im Bereich des äußeren Umfangs durchdrungen werden. Die Ringlochböden 34 werden von den Distanzhül­ sen 41 auf den Haltestangen 40 lagefixiert gehalten. Durch die kopf- und fußseitigen Verschraubungen 42 und 43 werden sie zusammen mit den Distanzhülsen 41 an der kopfseitigen Ringscheibe 38 sowie der fußseitigen Lochscheibe 39 verspannt und sind dadurch fest mit dem Kolonnengehäuse verbunden.

In den zwischen der Ringscheibe 38 und der Lochscheibe 39 durch die Verteilung der starren Ringlochböden 34 gebildeten Abstandsräumen befinden sich axial verteilt und mit gleichem Abstand zueinander die Scheibenböden 35. Die Scheibenböden sind an der sie zentrisch durch­ dringenden Zugstange 36 angeordnet und werden durch die zwischen den Scheibenböden befindlichen Distanzhülsen 44 im gleichen Abstand zueinander lagefixiert gehalten.

Zur Befestigung stützt sich der untere Scheibenboden 35 über eine Stützhülse 45 gegen einen auf der Zugstange 36 oberhalb der Zugstangenführung 49 befindlichen An­ schlagbund 46 ab und die gesamte darauf aufbauende Kom­ bination von mehreren Distanzhülsen 44 und Scheibenbö­ den 35 wird mittels einer über dem oberen Scheibenboden in das dort auf der Zugstange befindliche Gewindeteil 47 eingreifenden Mutter 48 gegen den Anschlagbund 46 verspannt. Der Abstand zwischen den Scheibenböden 35 wird durch eine entsprechende Längenwahl der Distanz­ hülsen 44 dem Abstand zwischen den festen Lochböden 34 angepaßt.

Die Zugstange 36 befindet sich mit ihrem im unteren Kolonnengehäuse befindlichen Endbereich in einer in der fußseitigen Lochscheibe 39 achsmittig angeordneten Zug­ stangenführung 49 und wird in dieser axial und radial gleitend geführt. Der obere als Gewindeteil 47 ausge­ bildete Zugstangenbereich führt durch die im Kopfteil 25 zentrisch angeordnete Öffnung 50 und greift in das Innengewinde der Gewindeführung 51 ein. Außerhalb des Kolonnengehäuses ist die Zugstange über das Gewindeteil 47 mit einer Handkurbel 52 bzw. einer nicht gezeigten Antriebseinheit oder Hubwerk zum Heben und Senken der Zugstange verbunden.

Das mit der Gewindeführung 51 im Eingriff befindliche Gewindeteil 47 sorgt je nach Drehrichtung der Handkur­ bel 52 für ein Heben bzw. Senken der Zugstange 36 und führt somit zu einer Veränderung des axialen Bodenab­ standes 53 zwischen den auf der Zugstange befestigten Scheibenböden 35 und den im Kolonnengehäuse starr ver­ ankerten Ringlochböden 34. Der Bodenabstand 53 ist im Bereich des Abstandes zwischen zwei benachbarten star­ ren Ringlochböden 34 bis zum Aneinanderliegen der Scheiben- und Ringlochböden variabel einstellbar.

Claims (8)

1. Stoffaustauschkolonne mit im Kolonnengehäuse zen­ trisch übereinander angeordneten Lochböden zur Dispergierung und intensiven Vermischung der die Kolonne im Gegenstrom durchströmenden Medien, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite, dritte oder mehrere ausgewählte Lochböden axial verschiebbar gelagert und mit einer durch das Kolonnengehäuse nach außen geführten Heb- und Senkvorrichtung verbunden sind, die von außen betätigbar, die verschiebbaren Lochböden auf jeden im Bereich des Abstandes zwischen den benachbarten nichtverschiebbaren Lochböden wählbaren Bodenabstand einstellen und in der eingestellten Position halten kann.

2. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heb- und Senkvorrichtung aus einer oder mehreren Zugstangen besteht, die mit einem oder mehreren außerhalb des Kolonnengehäuses befindlichen manuell oder motorisch angetriebenen Hubwerken ver­ bunden sind.

3. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heb- und Senkvorrichtung eine in der Kolon­ nenachse angeordnete Zugstange aufweist, die an ih­ rem durch das Kolonnengehäuse herausführenden Endbe­ reich ein Außengewindeteil trägt, das sich mit einem im Kolonnengehäuse befindlichen Innengewindeteil in Wirkverbindung befindet und mit einer manuell oder motorisch erzeugten Drehbewegung beaufschlagt wird.

4. Stoffaustauchkolonne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den starren Lochböden gleich dem Abstand zwischen den verschiebbaren Loch­ böden ist.

5. Stoffaustauchkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbaren Lochböden zu den benachbarten starren Lochböden so versetzt angeordnet sind, daß sich ihre Öffnungen in Achsrichtung teilweise oder ganz überschneiden.

6. Stoffaustauschkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochböden als Schlitzböden mit parallelen schlitzartigen Öffnungen ausgebildet sind.

7. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzböden untereinander um ihre gemeinsa­ me Mittelachse jeweils um 90 Grad drehversetzt zu­ einander angeordnet sind.

8. Stoffaustauschkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die starren und verschiebbaren Lochböden zuein­ ander als eine Kombination von Ringlochboden und Scheibenboden ausgebildet sind.