DE60310834T2

DE60310834T2 - Festbetten mit Partikel unterschiedlicher Grösse

Info

Publication number: DE60310834T2
Application number: DE60310834T
Authority: DE
Inventors: Bernard J. Lerner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: EP1402936B1; EP1402936A1; CA2442417A1; US6666436B1; DE60310834D1; CA2442417C; ATE350136T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Festbett-Baugruppen mit regellos ausgeschütteten Füllkörpern für Stoffaustausch und Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden, die im typischen Fall in Vorgängen wie zum Beispiel Gasabsorption und -desorption, Destillation, Flüssigkeitsextraktion und ähnlichen Prozessen zur Anwendung kommen. Eine Festbett-Baugruppe besteht aus einem Behälter, der so dicht mit Füllelementen gepackt ist, dass diese sich bei besagtem Stoffaustausch und besagter Wärmeübertragung nicht bewegen.
Regellos orientierte Festbetten, die eine erweitete Oberfläche aufweisen, werden weitgehend für Stoffausttausch und Wärmeübertragung, insbesondere für Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit sowie Flüssigkeit und Flüssigkeit industriell angewandt. Während die meisten Festbett-Baugruppen aus mit Gas-Flüssigkeits-Gegenstrom arbeitenden senkrechten Zylinderkolonnen, auch als Fülltürme bekannt, bestehen, sind im Stand der Technik auch Einheiten mit waagerechtem Gasstrom bekannt, die als Querstromkontaktoren bezeichnet werden. Um bei senkrechter und waagerechter Strömung Energie und Beschaffungskosten einzusparen, verlangt die Industrie für die Kontaktmedien des Festbetts einen möglichst hohen Durchsatz und einen möglichst geringen Druckabfall. Diese Ziele wurden in den letzten Jahren hauptsächlich durch den Einsatz von größeren Füllkörpern erreicht.
Bei gleichem Gas- und Flüssigkeitsstrom bzw. gleicher Füllrate in regellos ausgeschütteten Betten weisen größere Füllkörper einer gegebenen Form und Ausführung einen relativ geringeren Druckabfall und eine geringere Massenaustauschleistung auf als kleinere Füllkörper. Infolge des größeren Hohlraums, sowohl der einzelnen Füllelemente, d.h. Füllkörper, als auch des Festbetts im Ganzen, weisen Baugruppen mit den größeren Füllkörpern auch einen höheren Grenzdurchsatz für Flüssigkeit und Gas (Füllung und Überfluten) auf als die kleineren Größen gleicher Ausführung. Der bessere Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz für die größeren Füllkörper geht jedoch auf Kosten einer schwächeren Stoffaustauschleistung. Die größeren Füllkörper sind weniger dicht gepackt, d.h. je Kubikfuß sind weniger Füllkörper vorhanden, und der Anteil an Leervolumen ist größer als bei kleineren Füllkörpern gleicher Form. Bei der von der geringeren Packungsdichte erlaubten größeren Flüssigkeitsfüllung führen die größeren Hohlräume des Festbetts mit den größeren Füllkörpern zu zunehmendem axialem Rückmischen des Gases und zum Verlust des gewünschten Gas-Flüssigkeits-Gegenstroms.
Diverse Füllkörper unterschiedlicher geometrischer Form und Konfiguration wurden verwendet, um den Leistungsverlust bei zunehmender Größe der Füllkörper im Turm zu minimieren. Nichtsdestoweniger geht bei allen gegebenen Ausführungen der Füllkörper ein wesentlicher Teil der durch größere Füllkörper mit höherem Durchsatz erreichbaren Verringerung des Turmdurchmessers auf Kosten der größeren Tiefe des Betts, die zum Erzielen der gewünschten Stoffaustauschleistung erforderlich ist.
Die meisten regellosen Füllkörper haben eine Form, die dem Gasstrom einen anisotropen Widerstand entgegensetzt – sie sind also entlang einer Achse relativ „offen" für Gas- und Flüssigkeitsstrom, haben aber entlang der Querachse mehr flächige oder fadenförmige Ablenkflächen. Zu den Beispielen für Füllkörper mit dieser Eigenschaft gehören zylindrische Füllkörper wie zum Beispiel Raschig- und Pall-Ringe, kugelige Füllkörper wie zum Beispiel Jaeger Tri-Packs^® sowie die meisten im Spritzguss hergestellten Füllkörper aus Kunststoff. Zur Erleichterung des Entformens haben die im Spritzguss hergestellten Füllkörper eine relativ große offene Spritzfläche in Entformungsrichtung und im typischen Fall nicht in Querrichtung. Bezüglich ihres Strömungswiderstandes sind diese Füllkörper also sehr anisotrop.
Innerhalb eines Füllkörpers schlagen Gas und Flüssigkeit den Weg des geringsten Widerstandes ein und strömen in der „offenen" oder Entformungsrichtung. Während diese ungünstige Eigenschaft durch die regellose Orientierung der Füllkörper im Bett ausgeglichen wird, erfolgen größere Richtungsänderungen des Gasstroms im Bett in der Größenordnung der Füllkörper. Bei kleineren Füllkörpern ändert sich die Richtung des Gasstroms in Bezug auf die Tiefe des Betts häufig, und das Gas wird ausreichend gemischt. Bei größeren Füllkörpern kann jedoch der Richtungswechsel je Fuß der Tiefe der Füllkörper so wenig oft erfolgen, dass das Gas nicht gut gemischt wird. Ein Festbett mit anisotropen 1-Zoll-Füllkörpern (2,54 cm) würde theoretisch 10 bis 12 Richtungsänderungen des Gasstroms je Fuß Tiefe des Festbetts erfahren. Bei 3-1/2 Zoll (8,9 cm) großen Füllkörpern würde der Gasstrom andererseits seine Richtung nur 3- bis 4-mal je Fuß (30,5 cm) wechseln. Das trägt zur Schwächung der Stoffaustauschleistung bei zunehmender Größe der anisotropen Füllkörper bei. In stillschweigender Anerkennung dieser Eigenschaft wurden „flache" Füllkörper mit relativ geringer axialer Tiefe entwickelt, die zum Beispiel in US-Patenten Nr. 3,957,931 und 6,007,915 geoffenbart wurden. Dazu kommen weitere Parameter, wie zum Beispiel das Ausmaß des Mischens der Flüssigkeit und die Häufigkeit der Oberflächenerneuerung, deren Beitrag zur Austauschleistung mit zunehmender Größe der Füllkörper für eine gegebene Form und Ausführung abnimmt.
Nach dem Stand der Technik werden Abschnitte oder Zonen mit Füllkörpern unterschiedlicher Größe zur Lösung von gewissen spezifischen mit Festbetten verbundenen Problemen eingesetzt. Zum Beispiel ist infolge der im typischen Fall geringeren Dichte der Füllkörper in Wandnähe der Strömungswiderstand in diesem Bereich geringer als in der Mitte der Füllung. Gas und Flüssigkeit neigen dazu, an der Wand entlang zu strömen, ein Phänomen, das als „Wandeffekt" bekannt ist. Zum Ausgleich dieses Wandeffekts und im Interesse eines einheitlichen Gasstroms über den ganzen Durchmesser der Kolonne lehren Cameron und Bharga in US-Patent Nr. 5,679,290 die Anwendung von Füllkörpern in zwei verschiedenen Größen. Nach diesem Patent verwenden Cameron und Bharga eine Vielzahl von Füllkörpern einer ersten Größe in einem Kreisring neben einem oberen Teil der Turmwand und eine Vielzahl von größeren Füllkörpern im Kern der Kolonne, um einen einheitlichen Gasstrom über den gesamten Querschnitt des Turms zu gewährleisten.
Da Gegenstromkolonnen infolge der begrenzten Strömungsfläche in der Nähe des die Füllkörper tragenden Bodens oft überfluten, wird das Fassungsvermögen nach dem Stand der Technik dadurch vergrößert, dass man auf dem Boden eine Zone mit größeren Füllkörpern anordnet und den Rest der Kolonne mit kleineren Füllkörpern füllt. Ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist der Einsatz einer Zone mit kleineren Füllkörpern über größeren Füllkörpern zur Förderung der anfänglichen Verteilung der Flüssigkeit. Verschiedene Gruppen von Zonen und Schichten von Füllelementen sind in den folgenden US-Patenten dargestellt: Weher 2,055,162, Wible 2,271,671, Huber 3,285,587, 3,975,931, McKeown 4,002,705, Hoppe 4,333,894, Oshima 5,242,626, Nagl 5,302,261 und Sunder 6,425,574. Die Zonen der in den obigen Druckschriften und im sonstigen Stand der Technik vorgeschlagenen Füllkörper können regellos oder geregelt sein; auch Kombinationen von regellosen oder geregelten Zonen, Schichten oder Füllkörpern sind möglich.
EP-A-0651041 offenbart ein Festbett mit zwei Teilchengrößen, wobei es sich jedoch um katalytische Teilchen zum Entfernen von Feststoffen aus einer Flüssigkeit handelt, und das Patent befasst sich spezifisch mit den Problemen der Verstopfung durch Feststoffe. Im Text wird durchwegs betont, dass die beiden Teilchentypen unterschiedlich konfiguriert werden müssen. Im Gegensatz dazu stellt sich die vorliegende Erfindung die Maximierung des Stoffaustausches und der Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden unter Minimierung des Strömungswiderstandes zum Ziel.
Das US-Patent US-A-3,122,594 offenbart ein Schwimmbett mit Kugeln in zwei verschiedenen Größen, das jedoch im Betrieb den Nachteil hat, dass sich die Kugeln schichten, was den Wirkungsgrad und die Kennlinien des Apparats ändert. Die vorliegende Erfindung versucht, diese Nachteile durch Erhaltung der Elemente in einem Festbett auszuschalten.
Schultes M., „Raschig Superring – eine neue regellose Füllung der vierten Generation", vorzulegen anlässlich der Frühjahrstagung AICLE 2001 und der Ausstellung für Erdölchemie und Raffinerie, Houston, Texas, 22–26 April 2001, Raschig GmbH, Februar 2001, offenbart, dass bei kleinerer Oberfläche der Füllkörper ein geringerer Druckverlust zu erwarten ist als bei größerer Oberfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Stoffaustausch und Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden in der Form eines regellos ausgeschütteten Festbetts mit verbesserter Stoffaustauschleistung in Verbindung mit hohem Grenzdurchsatz bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Festbett nach Anspruch 1 bereit.
Die vorliegende Erfindung kombiniert die zusätzliche Oberfläche und Stoffaustausch- und Wärmeübertragungsleistung einer Vielzahl von Füllkörpern einer ersten Größe mit dem geringeren Druckabfall und dem erhöhten Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz einer Vielzahl von geeigneten Füllkörpern einer zweiten Größe, indem durch Mischen der beiden Größen eine im Wesentlichen einheitliche Mischung der beiden Füllkörper unterschiedlicher Größe erzielt wird. Die Herstellung einer im Wesentlichen einheitlichen Mischung aus zwei verschiedenen Größen kann unter Anwendung von konventionellen Mitteln, wie zum Beispiel einer Putztrommel, oder unter Anwendung von geregelter volumetrischer Dosierung, oder aber einer Kombination der beiden Verfahren erfolgen. Das Mischbett nach der vorliegenden Erfindung sorgt für den Beitrag der zusätzlichen Stoffaustausch- und Wärmeübertragungsfläche des Anteils an kleineren Füllkörpern, während der höhere Grenzdurchsatz eines Betts mit größeren Füllkörpern, in dem die kleineren Füllkörper enthalten sind, im Wesentlichen erhalten bleibt.
Weitere Vorteile des Festbetts gemischter Größe nach der vorliegenden Erfindung sind u.a. eine einheitlichere Strömung einschließlich der möglichen Minderung des Wandeffekts und weniger axiales Rückmischen. Ein Bett mit regellos verteilten Füllkörpern zeichnet sich dadurch aus, dass die Größe der Zwischenhohlräume mit zunehmender Größe der Füllkörper ebenfalls zunimmt. Im Bereich der Zwischenhohlräume betragen der Strömungswiderstand, die aktive Masse und die Wärmeübertragungsfläche null, abgesehen vom freien Fall der Flüssigkeitstropfen. Die Zwischenhohlräume zwischen den Füllkörpern können auch Bypasswege geringen Widerstandes für Gas und Flüssigkeit bilden, was zur Bachbildung der Flüssigkeit und zum axialen Rückmischen des Gases führen kann. Die letzteren Auswirkungen beeinträchtigen den gewünschten Gegenstromkontakt zwischen Gas und Flüssigkeit in einer vertikal gefüllten Kolonne und können in einem Querstromkontaktor den Wirkungsgrad des Kontaktes schwächen. Durch teilweises Füllen der Zwischenhohlräume eines mit größeren Füllkörpern gefüllten Betts mit kleineren Füllkörpern werden die Hohlräume durch eine zusätzliche Stoffaustausch- und Wärmeübertragungsfläche ersetzt, während der Gasströmung ein einheitlicherer Widerstand entgegengesetzt wird und die Flüssigkeit verstärkt gesammelt und erneut verteilt wird.
Aus der Untersuchung von Formen wie zum Beispiel Ringen oder Kugeln lassen sich die allgemeinen Faktoren ermitteln, welche die Auswahl der Größenmischung bestimmen, die beim Verfahren und bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ein einheitlich verteiltes und stabiles Mischbett ergibt. Eine Mischung aus Füllkörpern verschiedener Größe, in der das Volumen eines kleineren Füllkörpers ungefähr dem Zwischenhohlraum zwischen den größeren Füllkörpern gleich ist oder diesen übertrifft, ergibt ein stabiles Mischbett und wird daher bevorzugt. Wenn das Volumen des kleineren Füllkörpers größer ist als der durchschnittliche Zwischenhohlraum des Betts mit größeren Füllkörpern, ist das Volumen des Mischbetts letztlich größer als die Summe der Einzelvolumina der beiden Füllkörpergrößen vor dem Mischen. Da Füllkörper auf der Basis des Volumens verkauft werden, ist das vom wirtschaftlichen Standpunkt aus vorteilhaft.
Gewisse Formen und Ausführungen von Füllkörpern, insbesondere Füllkörper mit äußeren Vorsprüngen oder Grat, setzen sich nur unwillig und können ungewöhnlich große oder uneinheitliche Zwischenhohlräume bilden. In diesem Fall können Versuche, Füllkörper, die wesentlich kleiner sind als diese Zwischenhohlräume, einzumischen, zu Abscheidung, uneinheitlicher Verteilung oder Schwierigkeiten beim Mischen führen. Aus dem Versuch, 1-1/4 Zoll große Jaeger Tri-Packs^® mit 3-1/2 Zoll großen Jaeger Tri-Packs^® zu mischen, entstanden zum Beispiel Betten, wo die kleineren Füllkörper durch die Hohlräume zwischen den größeren Füllkörpern fielen und nicht verteilt blieben.
Die Größe und Form der Zwischenhohlräume hängt zwar von der Gestalt und Größe der Füllkörper ab, aber im typischen Fall werden sie zwischen mehr als zwei Körpern, d.h. in einer Körpergruppe, gebildet. Die Anzahl der Hohlräume in einem Festbett ist daher wesentlich geringer als die Anzahl der das Bett bildenden Füllkörper. Da die Anzahl der Füllkörper je Volumeneinheit mit abnehmender Nenngröße rasch zunimmt, wie den Daten für kugelige und ringförmige Füllkörper in Tabelle 1 zu entnehmen ist, wird zum Füllen der Hohlräume eines regellosen Betts mit einem zweiten größeren Füllkörper ein relativ geringer Prozentwert von kleineren Füllkörpern benötigt.
Tabelle 1: Anzahl der Füllkörper je Kubikfuß
Bei der Arbeit mit diversen Kombinationen von Füllkörpern gemäß meiner Erfindung können der Volumenprozentwert in einem Bett und die prozentuelle Anzahl eines gegebenen Füllkörpers im Bett aus einer Tabelle wie der obigen Tabelle 1 berechnet werden. Diese kann sich leicht anderen Konfigurationen von Füllkörpern als den in Tabelle 1 aufgeführten anpassen. Eine Mischung von 10 Volumen-% Jaeger Tri-Packs^® mit einer Nenngröße von 1-1/4 Zoll (1637 Stück je Kubikfuß) mit Jaeger Tri-Packs^® mit einer Nenngröße von 2 Zoll (350 Stück je Kubikfuß) enthält zum Beispiel 162 1-1/4 Zoll große Füllkörper und 315 2 Zoll große Füllkörper oder numerisch gesehen 34% kleinere Füllkörper. Eine Mischung von 20 Volumen-% der kleineren 1-1/4-Zoll-Füllkörper enthält 325 1-1/4 Zoll große Körper und 280 2 Zoll große Körper, was numerisch gesehen 53,7% kleinere Füllkörper ausmacht. Auf gleiche Weise ergibt eine Mischung aus nur 10 Volumen-% Koch Flexirings^® Größe 1 Zoll (1464 Stück/Kubikfuß) und 90% Flexirings^® Größe 1-1/2 Zoll (438 Stück/Kubikfuß) ein Festbett mit numerisch gesehen 27% 1-Zoll-Ringen.
Die Füllkörper können unterschiedliche Form und Geometrie aufweisen, u.a. Zylinder, Kugeln, Sättel etc., und die Konfiguration und Größe der Zwischenhohlräume hängt von der Geometrie und Größe der Füllkörper ab. Außer den oben genannten bekannten Jaeger Tri-Packs^® und Koch Flexirings^® werden in den folgenden US-Patenten diverse Konfigurationen von Füllkörpern geoffenbart: Ellis 3,957,931, Levs 4,203,934, Hackenjos 4, 203,935, Levs 4,316,863, Glen et al. 4,554,114, Lung 4,724,593, Halbirt 5,543,088, Southam 5,670,095, Rukovena 6,007,915, Fan 6,182,950, Shojaie 6,371,452 und Sunder 6,425,574. Alle diese sowie auch andere handelsübliche Füllkörper können bei meiner Erfindung zum Einsatz kommen. Diese Vielfalt von Füllkörpern legt jedoch nahe, dass vorläufige Versuche an Mischungen einer gegebenen Ausführung ratsam sind, wenn Mischungen geeigneter bzw. optimaler Größe für die betreffende Anwendung meiner Erfindung ermittelt werden sollen.
Im Verfahren und in der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beträgt der Volumenprozentwert der kleineren Füllkörper im Gesamtvolumen 5 bis 50% und vorzugsweise 5 bis 30%. Das geeignete Volumen und die geeignete Anzahl in der Größenmischung lassen sich vom Fachmann im Gebiet Festbettkonstruktion aus der Stückzahl je Volumeneinheit für eine jede Kombination von Füllkörperformen und Größen ableiten. Als Alternative können die Volumina der Zwischenhohlräume visuell gemessen oder durch Mischen von Versuchsmengen der verschiedenen Größen in einem geeigneten Behälter geschätzt werden.
Die Volumina der Füllkörper oder Hohlräume lassen sich nicht leicht berechnen, besonders angesichts der zahlreichen verschiedenen Ausführungen. Der Begriff „Größe" ist daher im vorliegenden Zusammenhang nicht absolut, sondern relativ zu verstehen. Die relative Größe eines Füllkörpers ist willkürlich als das Volumen einer gegebenen Anzahl von regellos ausgeschütteten Füllkörpern dividiert durch die betreffende Anzahl anzunehmen. Wenn zum Beispiel 1000 Füllkörper A bei regelloser Ausschüttung einen Kubikfuß füllen, ist die relative Größe des Füllkörpers A 0,001 Kubikfuß oder 1,73 Kubikzoll. Obwohl Tabelle 1 von einer Nenngröße von „1 Zoll" spricht, beträgt die relative Größe der 1 Zoll großen Jaeger Tri-Packs^® 0,75 Kubikzoll im Gegensatz zu 1,18 Kubikzoll für die Koch Flexirings^®.
Im vorliegenden Zusammenhang ist auch der Begriff „Zwischenhohlräume" relativ, d.h. ein Durchschnittswert der Volumina der Hohlräume zwischen einander berührenden oder fast berührenden Füllkörpern. Das durchschnittliche Volumen der Hohlräume zwischen Gruppen oder Baugruppen von Füllkörpern ist mit der relativen Größe der Füllkörper für eine gegebene Konfiguration verbunden. Je größer die Füllkörper, desto größer ist also der Hohlraum zwischen Gruppen derselben. Es ist also anzunehmen, dass die relative Größe der Zwischenhohlräume wie oben ermittelt der relativen Größe der Füllkörper proportional ist. Wenn ich daher im vorliegenden Zusammenhang von einem Füllkörper B spreche, dessen Größe im Wesentlichen der durchschnittlichen Größe der Zwischenhohlräume eines regellosen Betts mit Füllkörpern einer gegebenen Ausführung und Größe entspricht, meine ich damit eine Größe, die bei im Wesentlichen gleichmäßiger Verteilung in einem Bett der Körper A die Hohlräume zwischen den größeren Körpern A füllt, ohne das Gesamtvolumen des Betts zu vergrößern oder durch die Hohlräume zu fallen.
Bevorzugte Prozentwerte der Mischung können auch auf der relativen Kostensteigerung der Mischung im Verhältnis zum Grundpreis der größeren Füllkörper basieren. Der Preis der Jaeger Tri-Packs^® aus Polypropylen in den Nenngrößen 2 Zoll und 3-1/2 Zoll beträgt zum Beispiel gegenwärtig $14,14 bzw. $9,36 je Kubikfuß. Wie Tabelle 1 andeutet, würden 5 Volumen-% der Größe 2 Zoll 19 Füllkörper ausmachen und $0,72 kosten. Die 95% der Größe 3-1/2 Zoll bzw. 46 Stück würden $8,97 kosten, und die Gesamtkosten der Mischung würden sich auf $9,69 belaufen. Das ist um nur $0,33 mehr je Kubikfuß als die $9,36 der größeren Füllkörper und entspricht einer Kostensteigerung von 3,1 %, vorausgesetzt, dass die Volumina additiv sind. Versuche erweisen jedoch, dass bei dieser Größenkombination der Füllkörper die Volumina mehr als additiv sind (die 2 Zoll großen Jaeger Tri-Packs^® aus Polypropylen sind größer als der durchschnittliche Zwischenhohlraum in einem Bett mit Füllkörpern der Größe 3-1/2 Zoll), so dass die prozentuelle Kostensteigerung weniger als 3% beträgt. Bei dieser Mischung aus Jaeger Tri- Packs^® aus Polypropylen würden 18 2 Zoll große Füllkörper mit 46 3-1/2 Zoll großen kombiniert, was bei einer Mischung von 5 Volumen-% numerisch gesehen 28% kleinere Füllkörper ausmacht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schnitt durch ein regelloses Bett nach der Erfindung.
2 ist eine grafische Darstellung der Luftgeschwindigkeit im Verhältnis zum Druckabfall in einem Mischbett nach meiner Erfindung, verglichen mit separaten, jeweils nur aus den separaten Bestandteilen des Mischbetts bestehenden Betten.
3 ist eine ähnliche grafische Darstellung wie 2 mit einer anderen Mischung.
4 ist ebenfalls eine grafische Darstellung der Luftgeschwindigkeit im Verhältnis zum Druckabfall zur Veranschaulichung der Vorteile der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darstellt, wobei gewisse Teile abgebrochen wurden, um die Einzelheiten des Festbetts nach der Erfindung zu zeigen. Ein Gehäuse 1 enthält ein regellos ausgeschüttetes Bett mit einem größeren Volumenanteil von Füllkörpern 2 mit Zwischenhohlräumen 4, in denen sich Füllkörper 5 befinden, die kleiner als die Füllkörper 2 sind und im Volumen der durchschnittlichen Größe der Zwischenhohlräume 4 gleichen. Die Füllkörper 2 und 5 können als untereinander oder homogen vermischt bezeichnet werden. Das Bett mit den Füllkörpern 2 und 5 steht auf einer Lochplatte 3. Das Gehäuse 1 hat einen Gaseinlass 6, einen Gasauslass 7, einen Flüssigkeitseinlass 8 mit Sprühdüsen 10 und einen Flüssigkeitsauslass 9. Die größeren Füllkörper 2 und die kleineren Füllkörper 5 sind gleich gestaltet, im vorliegenden Fall Koch Flexirings^®. Sie wurden in einer Trommel gemischt und sind daher regellos orientiert und regellos aber im Wesentlichen homogen verteilt. Die spezifische Form und Gestalt des Gehäuses 1 ist nur als Beispiel für eine das Bett nach der Erfindung enthaltende Vorrichtung zu verstehen.
SPEZIFISCHES BEISPIEL
Der Druckabfall als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und des Grenzdurchsatzes wurde für zwei verschiedene Arten von Füllkörpern gemessen, nämlich einen „flächigen" Ringkörper und einen „fadenförmigen" Kugelkörper. Geprüft wurden u.a. Koch Flexirings^®, ein Pall-Ring und ein kugeliger fadenförmiger Füllkörper, Jaeger Tri-Packs^®. Als Gehäuse des Festbetts wurde ein senkrechtes Acrylrohr mit einem Innendurchmesser von 11-1/2 Zoll verwendet, um die Wechselwirkung zwischen Gas und Flüssigkeit beobachten zu können. Umluft wurde von einem Cincinnati Radialgebläse der Größe 15 durch das Gehäuse nach oben geblasen. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft wurde mittels einer Drossel auf der Saugseite des Gebläses geregelt und mittels Pitotrohr in einem waagerechten, 5 Fuß langen Kanal mit einem Durchmesser von 6-1/4 Zoll gemessen, der von der Druckseite des Gebläses zum Einlass der Versuchskolonne führte gemessen. Der Differenzdruck des Pitotrohrs wurde mittels eines schrägen Ellison Zugmessers gemessen. Die Luftgeschwindigkeit durch den senkrechten Versuchsabschnitt wurde aus dem Verhältnis der Querschnittsflächen des Saugkanals und der Versuchskolonne berechnet.
Der untere Abschnitt der Versuchskolonne war 32 Zoll lang und bildete den Trennraum für Wasser und Luft. Er enthielt einen Einlasskanal mit einem Durchmesser von 6 Zoll, über dem eine Regenkrone mit einem Durchmesser von 9 Zoll angebracht war. Der 42-1/2 Zoll lange Mittelabschnitt des Turms bildete den Versuchsabschnitt. Die Füllkörper lagen auf einem 1-x-1-Maschengitter auf dem Boden des Mittelabschnitts, und das Bett war bei allen Versuchen 36 Zoll tief. In Fällen, wo das Volumen des Mischbetts größer war als die Summe der Volumina der beiden Arten von Füllkörpern, wurde die Tiefe des Betts durch Entfernen von Füllkörpern in der Zusammensetzung der Mischung entsprechenden Anteilen auf 36 Zoll gebracht. Der obere Abschnitt der Kolonne war 20 Zoll lang und enthielt eine Sprühdüse für die Umlaufflüssigkeit und einen Tropfenabscheider.
Im Gegenstrom zur aufwärts strömenden Luft wurde Wasser mit einer mittels Handventil geregelten und mittels 0-25-GPM-Schwimmermesser überwachten Geschwindigkeit oben auf die Füllkörper gesprüht. Aus der Kolonne lief das Wasser in einen 55 Gallonen fassenden Recyclingtank ab, von welchem es von einer Teel Pumpe Modell 7 mit einer Förderleistung von 8 GPM bei 50 psig zur Sprühdüse gepumpt wurde. Der Wasserstrom wurde mittels eines Bypassventils an einem T-Stück an der zum 55-Gallonen-Recyclingtank führenden Druckleitung der Pumpe geregelt und eingestellt.
Für einen Versuch wurde der Wasserstrom auf einen Festwert eingestellt und der Luftstrom auf die Grenzleistung des Gebläses bzw. auf den Überflutungspunkt erhöht. Für jeden Wert wurde der Druckabfall durch die Füllkörper an Druckmessstellen oberhalb der Füllkörper und unterhalb des Maschengittern mittels Dwyer Manometer mit einem Messbereich von 0 bis 10 Zoll Wassersäule gemessen, um den Differenzdruck durch die Füllkörper zu ermitteln. Der Druckabfall für die 36 Zoll Tiefe der Füllkörper wurde für alle Einstellwerte des Luftstroms gemessen.
Für die verschiedenen Wasserströme wurden an Festbetten mit den zu mischenden Füllkörpern der einzelnen Größen Grundversuche vorgenommen. Grundversuche wurden zum Beispiel an 1 und 1-1/2 Zoll großen Koch Flexirings^® mit 5,95 GPM unter Anwendung einer Sprühdüse TF 12FCN der Bete Fog Nozzle Company für Berieselung der Oberseite des Betts durchgeführt. Die Daten für den Druckabfall bei einer Tiefe von 3 Fuß im Verhältnis zur Luftgeschwindigkeit im Turm für diese beiden Grundversuche sind in 2 dargestellt. Der nahezu vertikale Anstieg des Druckabfalls, der den Überflutungspunkt andeutet, trat bei 1 und 1-1/2 Zoll großen Koch Flexirings^® bei Geschwindigkeiten von 370 bzw. 440 Fuß pro Minute ein.
Darauf folgten Versuche an einer Mischung von 1 und 1-1/2 Zoll großen Koch Flexirings^®, wobei die 1-1/2-Zoll-Ringe die „großen" und die 1-Zoll-Ringe die „kleinen" waren. Die Versuchsmischungen bestanden aus 10, 20 und 30 Volumen-% der kleineren Flexirings^® und 90, 80 und 70 Volumen-% der kleineren Ringe. Der Flüssigkeitsstrom betrug 0 bis 5,95 GPM, die Gasgeschwindigkeit auf der Basis der Turmoberfläche 190 bis 550 Fuß pro Minute.
In der doppeltlogarithmischen Darstellung in 2 fallen die Datenpunkte der Kurve für Druckabfall/Luftgeschwindigkeit für die Mischung aus 10 Volumen-% 1-Zoll-Flexirings^® mit 1-1/2-Zoll-Flexirings® im ganzen geprüften Luftstrombereich auf die Grundlinie für das Bett mit 100% 1-1/2-Zoll-Flexirings^®. Angesichts der Tatsache, dass die 1 Zoll großen Ringe numerisch gesehen 27% der Füllkörper im Bett ausmachen, ist dieses anscheinend totale Fehlen eines Einflusses auf Druckabfall oder Grenzdurchsatz bezüglich der Grundlinie für 100% 1-1/2-Zoll-Flexirings^® überraschend. Bei niedriger Luftgeschwindigkeit ist der Druckabfall für die Mischung mit 20% 1-Zoll-Ringen, d.h. numerisch gesehen 59% der Gesamtzahl der Füllkörper, etwas höher als bei einem Bett mit 100% 1-1/2-Zoll-Ringen. Die Linie für den Druckabfall für das Mischbett mit 20% 1-Zoll-Ringen konvergiert jedoch mit der Grundlinie für das Festbett mit den 1-1/2-Zoll-Füllkörpern, und die Linie der Füll- und Überflutungsbereiche decken sich nahezu.
Ein Grund für das Konvergieren der Linien für Druckabfall ist darin zu sehen, dass die Druckabfalldifferenz zwischen der Grundlinie für das Bett mit 1,5-Zoll-Ringen und der Linie für das 20%-Mischbett bei einer Festbetttiefe von 3 Fuß nur 0,25 Zoll beträgt. Das bedeutet weniger als 1 Zoll Wasser je Fuß Tiefe. Infolge der Beschaffenheit der doppeltlogarithmischen Darstellung repräsentiert das Differential von 0,25 Zoll einen größeren Skalarabstand bei geringem Druckabfall als bei höheren Werten, und die Druckabfalldifferenz ist nur infolge der Vergrößerung des Maßstabs durch die doppeltlogarithmische Darstellung bei niedrigen Werten bemerkbar.
Der Klarheit halber zeigt 3 den Druckabfall im Verhältnis zur Geschwindigkeit für die 30%-Mischung von 1-Zoll-Flexirings^® mit 1-1/2-Zoll-Flexirings^® im Vergleich mit den Grundlinien für Betten mit separaten Füllkörpern, jeweils bei einem Wasserstrom von 5,95 GPM. Auch hier wieder konvergiert die Linie für Druckabfall/Gasgeschwindigkeit für das Mischbett mit 30 Volumen-% 1-Zoll-Ringen mit der Grundlinie für das zu 100% aus 1-1/2-Zoll-Ringen bestehende Bett im Füllbereich, und die Grenzgeschwindigkeit für Überfluten ist bei beiden Betten gleich. Die Kurve für den Druckabfall für das Mischbett mit 30% 1-Zoll-Ringen nach 3 gleicht der Linie für das Mischbett mit 20% 1-Zoll-Ringen nach 2. Daraus ist zu schließen, dass der von 20% auf 30% zunehmende Anteil an kleineren Füllkörpern, was numerisch gesehen 46% auf 59% entspricht, keinen Einfluss auf den Druckabfall oder Grenzdurchsatz des Mischbetts hat.
Die Tatsache, dass sich die Linien im Füll- und Überflutungsbereich decken, bedeutet, dass das Fassungsvermögen der größeren Füllkörper für Flüssigkeit und Gas durch die Beigabe von 30 Volumen-%, numerisch gesehen 59%, von kleineren Füllkörpern nicht verändert wird. Die Daten für die Mischbetten mit 10 bis 30 Volumen-% Flexirings^® deuten an, dass, entgegen allen Erwartungen, die zusätzliche Oberfläche und Stoffaustauschfläche der kleineren Füllkörper zu geeigneten größeren hinzugefügt bzw. mit diesen vermischt werden kann, und zwar ohne Einbuße des größeren Durchsatzes eines mit den größeren Füllkörpern ohne Zugabe eines Anteils an kleineren gefüllten Betts.
Versuche wurden auch an Mischungen mit 10 und 20 Volumen-% von 1-1/4 Zoll großen Tri-Packs^® mit 2 Zoll großen Tri-Packs^® durchgeführt. Die fadenförmigen Kugelkörper Tri-Packs^® werden in US-Patent Nr. 4,203,935 geoffenbart, und diese Form und Ausführung ergibt ein Bett mit geringerer Dichte, mehr Hohlräumen und geringerem Druckabfall als flächige zylindrische Ringe gleicher Größe. 4 zeigt den Druckabfall im Verhältnis zur Luftgeschwindigkeit durch die Kolonne für separate Betten mit 1-1/4 Zoll großen Tri-Packs^® und 2 Zoll großen Tri-Packs^®, sowie für eine Mischung mit 20 Volumen-% der Größe 1-1/4 Zoll und 80 Volumen-% der Größe 2 Zoll, jeweils bei einem Flüssigkeitsstrom von 4,4 GPM. Bei der Kugelform gab es keinen Unterschied zwischen der Linie für Druckabfall/Luftgeschwindigkeit für das Mischbett mit 10 und 20 Volumen-% der Größe 1-1/4 Zoll einerseits und der Grundlinie für das Bett mit 2 Zoll großen Tri-Packs^® andererseits. Nicht nur waren die Füll- und Überflutungsbereiche praktisch gleich, sondern auch der Druckabfall für das Mischbett glich im Bereich der niedrigen Luftgeschwindigkeit dem für das zu 100% aus Größe 2 Zoll bestehenden Bett.
Aus diesen Daten ist zu schließen, dass bei fadenförmigen Füllkörpern wie z.B. Tri-Packs^® das Beimischen von 20 Volumen-% einer kleineren Größe zu einem Bett mit größeren Füllkörpern anscheinend keinen Einfluss auf den Druckabfall oder Grenzdurchsatz des Betts mit den größeren Füllkörpern hat. Bei flächigen Füllkörpern erhöhen 20 bis 30 Volumen-% von kleineren Füllkörpern in einem Bett mit größeren Füllkörpern den Druckabfall relativ wenig, aber bei beiden Arten von Füllkörpern bleibt im Mischbett der Grenzdurchsatz des Betts mit den größeren Füllkörpern ohne Anteil an kleineren Füllkörpern erhalten.
Dieser unerwartete Aspekt des Mischbetts mit verschieden großen Füllkörpern lässt sich ggf. dadurch erklären, dass die größeren Füllkörper, welche die kleineren umgeben, die überschüssige Flüssigkeit, die sich in den kleineren Füllkörpern sammeln würde, absorbieren oder ablaufen lassen. Da die Füll- und Überflutungskurve von Steigerungen im Haftinhalt und der reduzierten Freifläche für Gasstrom gekennzeichnet und definiert wird, entleert bzw. entflutet eine Verringerung im örtlichen Haftinhalt die Füllung. Auch wenn die Zahl der kleineren Füllkörper vorwiegt, werden die Füll- und Überflutungszustände daher erst erreicht, wenn die umgebenden größeren Füllkörper keine weitere Flüssigkeit aufnehmen können. Diese Grenze wird für die großen Füllkörper erst im eigenen Füll- und Überflutungsbereich erreicht. Die kleineren Füllkörper erreichen ihre Füll- und Überflutungsgrenze erst, wenn die sie umgebenden größeren Körper ihre Grenze erreichen. In einem Mischbett unterliegen daher beide Füllkörper den Grenzen eines Betts mit den größeren Füllkörpern allein. Visuelle Beobachtungen des Mischbetts bei bevorstehenden Überflutung bestätigen anscheinend diesen Mechanismus. Während dieser Mechanismus den Grenzdurchsatz des Mischbetts zu bestimmen scheint, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht von dieser versuchsweisen Erklärung des Phänomens des starken Durchsatzes eines Betts mit Füllkörpern gemischter Größe abhängt oder darauf bzw. dadurch beschränkt wird.
Das Mischbett nach der vorliegenden Erfindung kann auch aus einer Mischung von verschieden großen Füllkörpern unterschiedlicher Ausführung bestehen. Aus Tabelle 1 ist zum Beispiel zu entnehmen, dass die 1-1/4 Zoll großen Jaeger Tri-Packs^® je Kubikfuß ungefähr die selbe Anzahl von Füllkörpern liefern wie die 1 Zoll großen Flexirings^® und daher ein ähnliches Volumen haben. Die 1 Zoll großen Flexirings^® können daher in den Versuchsmischungen aus 1-1/4 Zoll großen Tri-Packs^® mit 2 Zoll großen Tri-Packs^® anstelle der 1-1/4 Zoll großen Jaeger Tri-Packs^® verwendet werden. Auf gleiche Weise können die 1-1/4 Zoll großen Tri-Packs^® in den Versuchsmischungen aus 1 und 1-1/2 Zoll großen Flexirings^® anstelle der 1 Zoll großen Flexirings^® Anwendung finden. Im Allgemeinen können Mischungen von Füllkörpern unterschiedlicher Geometrie und Ausführung auf der Basis des gleichen Volumens der Füllkörper hergestellt werden, wobei sich jedoch die Grenzwerte für Flüssigkeitsfüllung gegenüber dem Bett ohne kleinere Füllkörper nicht wesentlich ändern dürfen. Vorbehaltlich dieses letzteren Kriteriums, d.h. keine wesentliche Änderung im Grenzwert der Flüssigkeitsfüllung der größeren Füllkörper, können bei der vorliegenden Erfindung auch mehr als zwei verschiedene Größen von Füllkörpern zum Einsatz kommen.

Claims

Festbett von nicht-katalytischen Füllkörpern erweiterter Oberfläche für Wärmeübertragung und Stoffaustausch, bestehend aus (a) Füllkörpern A erweiterter Oberfläche mit im Wesentlichen einheitlicher Geometrie und im Wesentlichen einheitlicher Größe, wobei die Füllkörper A mit Füllkörpern B erweiterter Oberfläche mit im Wesentlichen einheitlicher Geometrie vermischt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper B erweiterter Oberfläche eine im Wesentlichen einheitliche Größe aufweisen, die kleiner ist als die Größe der Füllkörper A, und dass die Füllkörper A und die Füllkörper B im Wesentlichen die selbe Geometrie haben, wobei entweder (1) die prozentuelle Anzahl der besagten Füllkörper B im Bereich zwischen 10% und 65% der Gesamtanzahl von Füllkörpern in besagtem Bett oder (b) der Volumenanteil der besagten Füllkörper B im Bereich zwischen 5 und 30 Volumen-% des Gesamtvolumens des besagten Betts liegt.
Festbett nach Anspruch 1, wobei die Größe der Füllkörper B so bemessen ist, dass die Füllkörper B groß genug sind, um nicht durch die Zwischenräume zwischen den Füllkörpern A zu fallen.
Festbett nach Anspruch 1 oder 2, wobei die besagten Füllkörper B mindestens so groß sind wie der durchschnittliche zwischen einzelnen Füllkörpern liegende Hohlraum, der in einem nur mit Füllkörpern A gefüllten Bett gebildet würde.
Bett nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einem Grenzfließvermögen von mindestens 90% des Wertes eines nur mit Füllkörpern A gefüllten Betts.
Bett nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das regellos ausgeschüttet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Festbetts von nicht-katalytischen Füllkörpern erweiterter Oberfläche, wobei eine Vielzahl von Füllkörpern A erweiterter Oberfläche mit einer Vielzahl von Füllkörpern B erweiterter Oberfläche vermischt wird, wobei die Füllkörper A und B jeweils eine im Wesentlichen einheitliche Größe aufweisen und die besagten Füllkörper B kleiner sind als die besagten Füllkörper A, und wobei die auf diese Weise hergestellte Mischung in einen Behälter gebracht wird, um ein dicht gepacktes Bett von Füllkörpern A und B zu bilden, wobei die Füllkörper A und die Füllkörper B im Wesentlichen die selbe Geometrie haben und die prozentuelle Anzahl der besagten Füllkörper 8 im Bereich zwischen 10% und 65% der Gesamtanzahl von Füllkörpern in der Mischung liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der besagte Mischvorgang in einer Mischtrommel abläuft.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, die prozentuelle Anzahl der besagten Füllkörper B im Bereich zwischen 20% und 55% der Gesamtanzahl von Füllkörpern in der Mischung liegt.