DE68901780T2

DE68901780T2 - Fluessig-gas-kontaktkolonne.

Info

Publication number: DE68901780T2
Application number: DE8989300854T
Authority: DE
Inventors: John Terence Lavin
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2009-01-28
Also published as: AU615297B2; GB8802627D0; EP0327279B1; US4921641A; AU3469489A; DE68901780D1; JPH026843A; EP0327279A1; ZA89795B; CA1315670C

Description

Die Erfindung betrifft Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäulen.
Bei einer Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäule, z.B. einer Destillationssäule, wird ein aufsteigender Dampf mit absteigender Flüssigkeit innig in Berührung gebracht. Teile, die Flächen anbieten, an welchen solche Berührung stattfinden kann, sind in der Säule verteilt. Die Teile können perforierte, mit Abstand angebrachte horizontale Schalen sein, über welche Flüssigkeit fließt und durch welche der aufsteigende Dampf hindurchtritt. Der Dampf und die Flüssigkeit kommen so miteinander in Berührung. Fallrohre werden benutzt, um Flüssigkeit vom Austrittsende einer Schale zum Eingangsende der darunterliegenden Schale zu führen.
Ein alternatives Verfahren, Flüssigkeit und Dampf miteinander in Berührung zu bringen, besteht in der Verwendung einer Packung in den Säulen. Säulenpackungen besitzen typischerweise eine regelmäßige Struktur mit definierten Strömungskanälen. Sie haben große aktive Massentauschflächen und ergeben einen hohen Trennwirkungsgrad bei niedrigem Druckabfall. Die Packungselemente bestehen typischerweise aus dünnen geriffelten Materialschichten wie aufeinandergestapelter Gaze zur Bildung von offenen, im Winkel zur Säulenachse liegenden, einander überschneidenden Kanälen. Es ergibt sich so, daß das durch die Packung strömende Gas in Richtung der parallelen Elemente gemischt wird. Durch Versetzen aufeinanderfolgender Elemente wird radiale Mischung über den gesamten Säulenquerschnitt eingeführt.
Obwohl strukturierte Säulenpackungen weithin bei Destillationssäulen in Verwendung sind, die bei über der Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen zum Fraktionieren von flüssigen Gemischen arbeiten, werden sie nicht weithin kommerziell beim Trennen von Gasgemischen, wie z.B. Luft, bei kryogenen Temperaturen eingesetzt, mit Ausnahmer kleiner Bereiche. In Praxis besteht eine Schwierigkeit, die Höhe der Kolonne zu begrenzen, wenn beispielsweise Luft destilliert wird. Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Packung für eine Destillations- oder eine andere Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäule zu schaffen, welche fähig ist, diese Schwierigkeit zu beseitigen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Packung für eine Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäule geschaffen, die mindestens eine Anordnung von Flüssigkeits/Dampf-Kontaktgliedern umfaßt, von denen jedes Flüssigkeits/Dampf-Durchlässe mit jeweils einer benetzbaren Oberfläche bestimmt, wobei jedes Glied aus Metallblech besteht und jede benetzbare Oberfläche eine Vielzahl von offenen Poren enthält, die Oberfläche gebildet wird durch Aufsprühen eines Teilchen-Gemischs aus Metall- und Kunststoffmaterial auf eine Oberfläche des Metallblechs, um eine in Metall eingebettete Kunststoffteilchen umfassende Beschichtung an der Oberfläche auszubilden, und durch Ausheizen der so gebildeten Beschichtung, um das Kunststoffmaterial zu verflüchtigen oder auf andere Weise zu entfernen- und dadurch die Poren in der Beschichtung auszubilden.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Packung für eine Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäule, bei dem ein Teilchengemisch aus Metall- und Kunststoffmaterial auf Metalbleche aufgesprüht wird, um an jedem Blech mindestens eine Beschichtung mit in Metall eingebetteten Kunststoffteilchen an der Oberfläche auszubilden, die Beschichtung aufgeheizt wird, um das Kunststoffmaterial zu verflüchtigen oder auf andere Weise zu entfernen und dadurch die Poren in der Beschichtung auszubilden, Flüssigkeits/Dampf- Kontaktdurchlässe in den Blechen gebildet werden, und die Bleche zu einer Anordnung in der Säule gebildet werden.
Der Anteil der Porosität an der Beschichtung hängt von dem Massenverhältnis von Kunststoffpulver zu Metallpulver ab. Die durchschnittliche Größe der Poren hängt in hohem Maße von der durchschnittlichen Größe der Kunststoffteilchen ab. Dementsprechend ermöglicht die Erfindung eine Variierung der Porosität unabhängig von der durchschnittlichen Porengröße und ermöglicht so die Herstellung einer Oberfläche, die speziell für die Eigenschaften des durch Destillation bei kryogenen Temperaturen zu trennenden Gasgemischs maßgeschneidert ist.
Typischerweise können die Kunststoffteilchen eine durchschnittliche Größe im Bereich von 15 bis 150 um besitzen. Typischerweise besitzt das Massenverhältnis der Metallteilchen zu den Kunststoffteilchen in dem auf die Substratoberfläche aufgesprühten Gemisch einen Wert im Bereich von 4:1 zu 1:1, so daß die Beschichtung eine Porosität von 20 bis 50% besitzt, obwohl ggf. porösere Beschichtungen ausgebildet werden können.
Die durchschnittliche Größe der Metallteilchen ist für die Erfindung nicht kritisch und kann kleiner oder größer als die Durchschnittsgröße der Kunststoffteilchen sein. In gleicher Weise ist die Dicke der Beschichtung für die Erfindung nicht kritisch. In unseren Experimenten haben wir Beschichtungen hergestellt, die eine einzige poröse Schicht von 127, 254 und 381 um (5, 10 und 15 Tausendstel Inch) Tiefe besaßen, und Beschichtungen, welche zwei solche poröse Schichten umfaßten, eine Schicht mit einer anderen durchschnittlichen Porengröße als die andere. Die Verteilung der Porengrößen wird vorzugsweise so augelegt, daß eine optimale Flüssigkeitshaltung und -Benetzung erfolgt und sich ein minimales HETP ergibt (Höhenäquivalent zur theoretischen Platte = äquivalente Füllkörperhöhe).
Die Kunststoff- und Metallteilchen können jeweils eine regelmäßige oder unregelmäßige Geometrie besitzen, jedoch müssen ihre Strömungs-Eigenschaften ihren Einsatz bei einem Sprühbeschichtungsvorgang zulassen.
Beschichtete Bleche zur Verwendung bei einer erfindungsgemäßen Packung besitzen typischerweise Oberflächen, die ein Netz aus offenen vernetzten Poren oder Hohlräumen mit einer durchschnittlichen Größe im Bereich von 15 bis 150 um (und noch typischer eine Größe im Bereich von 15 bis 50 um). Die Art der Beschichtung ist so, daß sie fertiggestellte Bleche mit ausgezeichneten Benetzungs-Eigenschaften ergeben. Derartige Eigenschaften leiten zu einem guten Flüssigkeits/Dampf- Kontakt. Darüberhinaus ermöglichen die Benetzungs-Eigenschaften, daß die Packung ein relativ niedriges HETP und damit einen relativ geringen Druckabfall besitzt. Derartige Charakteristiken sind besonders vorteilhaft beim Trennen eines Gemischs von kryogenen Fluiden mit ähnlichen Flüchtigkeitswerten, insbesondere Luft. Jedes Blech wird vorzugsweise mit abwechselnden Gipfeln und Tälern ausgebildet, um so Flüssigkeits/Dampf-Kontaktdurchlässe zu bestimmen. Zusätzlich sind die Bleche vorzugsweise perforiert, damit Dampf von jedem Durchlaß zu einem benachbarten hindurchtreten kann. Die Bleche sind vorzugsweise so angeordnet, daß in aufeinanderfolgenden Blechen die Durchlässe in unterschiedliche Richtungen geneigt sind.
Das Gemisch aus Kunststoff und Metall wird vorzugsweise durch einen Plasmasprühvorgang auf das Substrat aufgesprüht. Alternativ kann Flammsprühen eingesetzt werden. Der Sprühvorgang kann so gesteuert werden, daß den Achsen der Poren irgendeine gewünschte Orientierung gegeben wird, obwohl typischerweise jede Pore eine zur Oberfläche des Substrats senkrechte Achse besitzt.
Allgemein umfaßt das Gemisch separate Teilchen aus Kunststoff und aus Metallen, wenn auch erforderlichenfalls das Gemisch aus Kunststoff und Metall zusammengesetzte Teilchen umfassen kann.
Die Metallbeschichtung kann die gleiche Zusammensetzung wie die Bleche oder eine davon unterschiedliche Zusammensetzung haben. Typischerweise umfaßt das Metall Aluminium oder Kupfer oder eine Legierung auf Aluminium- oder Kupfer-Grundlage. Es ist möglich, die Kunststoffteilchen aus einem weiten Bereich unterschiedlicher Kunststoffmaterialien auszuwählen, jedoch haben wir in unseren Experimenten Polyester- Teilchen verwendet. Die Bleche sind bevorzugt aus Aluminium oder Kupfer.
Falls die Kunststoffteilchen aus Polyester sind, wird vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 500 bis 550ºC benutzt, um ein Verflüchtigen des abgeschiedenen Polyesters zu bewirken.
Das erfindungsgeinäße Verfahren und die Vorrichtung werden nun beispielsweise mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen strukturierten Packung,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Packung aus Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Teils der Packung aus Fig. 1,
Fig. 4 ein schematischer Schnitt durch ein Fragment eines einen Teil der Packung in Fig. 1 bis 3 bildenden Blechs,
Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch ein Fragment eines anderen Blechs, das einen Teil der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Packung bilden kann,
Fig. 6 eine Elektronenmikroskop-Fotographie der Oberfläche eines einen Teil der Packung erfindungsgemäßer Art bildenden Blechs, die die Oberfläche bei einer Vergrößerung von dem 500-fachen der tatsächlichen Größe zeigt, und
Fig. 7 eine Elektronenmikroskop-Fotographie ähnlich Fig. 6, jedoch mit einer Vergrößerung vom 5000-fachen der tatsächlichen Größe, ist.
Nach Fig. 1 bis 3 der Zeichnung umfaßt eine strukturierte Packung eine Vielzahl von vertikalen Blechen 2 aus wärmeleitendem Metall, normalerweise Aluminium oder Kupfer. In Fig. 2 und 3 sind nur Fragmente von drei benachbarten Blechen 4, 6 und 8 gezeigt. Von der Seite gesehen ist jedes Blech mit abwechselnden Gipfeln und Tälern versehen. Die Oberflächen der benachbarten Gipfel bilden Flüssigkeits/Dampf-Berührungsdurchlässe 10. In gleicher Weise ist, von der anderen Seite gesehen, jedes Blech mit abwechselnden Gipfeln und Tälern versehen und die Oberfläche zwischen benachbarten Gipfeln bilden ebenfalls Flüssigkeits/Dampf-Kontakdurchlässe 10. Die durch eine Reihe abwechselnder Bleche gebildeten Durchlässe sind von links oben nach rechts unten geneigt, und bei der anderen Gruppe von Bleche von rechts oben nach links unten. Die Bleche sind vorzugsweise alle miteinander identisch. Die unterschiedlichen Neigungsrichtungen der Durchlässe 10 werden erzielt durch Invertieren der einen Gruppe der abwechselnden Bleche bezüglich der anderen Gruppe. Die Bleche werden jeweils mit Perforationen 12 ausgebildet, welche Flüssigkeit und Dampf von einem Durchlaß 10 zu einem benachbarten Durchlaß 10 fließen lassen. Typischerweise sind 5 bis 15% des Oberflächenbereichs eines Blechs mit Perforationen 12 versehen. Jedes Blech kann auch mit einer Vielzahl von kleinen parallelen Rippen 14 versehen sein, die sich in Querrichtung von der einen Seite des Blechs zur anderen erstrekken (wie in Fig. 3 gezeigt).
Wie in Fig. 4 gezeigt, besitzt jedes Blech eine beidseitige Oberflächenschicht 16 aus porösem Metall. Das poröse Metall besitzt die gleiche Zusammensetzung wie das Blech. Jedes Blech hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm. Bei einer in Fig. 5 dargestellten alternativen Ausführung ist eine Vielzahl von Schichten aus porösem Metall an jeder Seite des Blechs vorhanden. Typischerweise besitzt jede innere Schicht 18 eine kleinere durchschnittliche Porengröße als jede äußere Schicht 20, obwohl ggf. dieser Unterschied der durchschnittlichen Porengröße auch umgekehrt werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Blech, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt, das typischerweise aus Aluminium besteht, durch den nachfolgenden Vorgang mit einer porösen Aluminium/Silizium-Beschichtung versehen. Die Oberfläche wird zuerst durch Sandstrahlen gereinigt. Die Oberfläche wird dann mit einem patentierten Gemisch aus Silizium/Aluminium-Legierung und Polyester-Pulver (Metco 601 NS) besprüht. Das Plasma wird gebildet, indem der Sprühkammer Argon mit einem Druck von 689,50 kPa (100 psig) und Wasserstoff mit einem Druck von 344,75 kPa (50 psig) zugeführt wird. Sprühraten im Bereich von 2,27 kg (5 pound) bis 3,17 kg (7 pound) pro Stunde dieses Gemischs aus Kunststoffpulver und Metallpulver werden verwendet. Kontinuierliche Matrizen aus Aluminium mit dispergierten Teilchen aus Polyester werden auf der Oberfläche der Aluminiumproben ausgebildet. Das Polyester wird dann durch Erhitzen in einem Vakuum während 2 Stunden bei einer Temperatur in der Größenordnung von 540ºC ausgetrieben. Dabei bleiben an jeder Probe Oberflächen zurück, die ein Netz aus offenen vernetzten Poren mit allgemein rechtwinklig zur Oberfläche des Substrats angeordneten Achsen umfassen. Erforderlichenfalls können die Durchlässe 10 und die Perforationen 12 nach der Beschichtung ausgebildet werden.
Fig. 6 und 7 sind Elektronenmikroskop-Fotographien einer entsprechenden Oberfläche, die durch Plasmasprühen des Gemischs aus 60 Gew.-% Aluminium und 40 Gew.-% Polyester auf ein Aluminiumsubstrat und nachfolgendes Ausheizen des sich ergebenden beschichteten Substrats während 2 Stunden bei 500ºC gebildet wurde. Die Beschichtung hatte eine Dicke von 0,38 mm.
Fig. 6 zeigt die beschichtete Oberfläche mit einer Vergrößerung vom 500-fachen der tatsächlichen Größe und Fig. 7 zeigt die Oberfläche bei einer Vergrößerung vom 5000-fachen der tatsächlichen Größe.

Claims

1. Packung für eine Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäule, die mindestens eine Anordnung von Flüssigkeits/Dampf-Kontaktgliedern umfaßt, von denen jedes Flüssigkeits/Dampf-Durchlässe mit jeweils einer benetzbaren Oberfläche bestimmt, wobei jedes Glied aus Metallblech besteht und jede benetzbare Oberfläche eine Vielzahl von offenen Poren enthält, die Oberfläche gebildet wird durch Aufsprühen eines Teilchen-Gemischs aus Metall- und Kunststoffmaterial auf eine Oberfläche des Metallblechs, um eine in Metall eingebettete Kunststoffteilchen umfassende Beschichtung an der Oberfläche auszubilden, und durch Ausheizen der so gebildeten Beschichtung, um das Kunststoffmaterial zu verflüchtigen oder auf andere Weise zu entfernen und dadurch die Poren in der Beschichtung auszubilden.

2. Packung nach Anspruch 1, bei der die Beschichtung eine Porosität von 20% bis 50% besitzt.

3. Packung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Durchschnittsgröße der Poren von 15 bis 150 um beträgt.

4. Packung nach Anspruch 3, bei der die Durchschnittsgröße der Poren von 15 bis 50 um beträgt.

5. Packung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jedes Blech mit einander abwechselnden Gipfeln und Tälern ausgebildet ist, um so die Flüssigkeits/Dampf-Kontaktdurchlässe zu bestimmen.

6. Packung nach Anspruch 5, bei der die Bleche perforiert sind, um es im Gebrauch zu ermöglichen, daß Dampf von jedem Durchlaß zu einem benachbarten hindurchtritt.

7. Packung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Bleche so angeordnet sind, daß in aufeinanderfolgenden Blechen die Durchlässe in unterschiedlichen Richtungen geneigt sind.

8. Verfahren zur Herstellung einer Packung für eine Flüssigkeits/Dampf-Kontaktsäule, bei dem ein Teilchengemisch aus Metall- und Kunststoffmaterial auf Metalbleche aufgesprüht wird zur Ausbildung mindestens einer Beschichtung an der Oberfläche, welche in Metall eingebettete Kunststoffteilchen umfaßt, die Beschichtung aufgeheizt wird, um das Kunststoffmaterial zu verflüchtigen oder auf andere Weise zu entfernen und dadurch die Poren in der Beschichtung auszubilden, Flüssigkeits/Dampf-Kontaktdurchlässe in den Blechen gebildet werden und die Bleche zu einer Anordnung in der Säule gebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Kunststoffteilchen eine Durchschnittsgröße im Bereich von 50 bis 150 um besitzen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Massenverhältnis der Metallteilchen zu den Kunststoffteilchen in dem auf die Bleche aufgesprühten Gemisch einen Wert im Bereich von 4:1 zu 1:1 besitzt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Gemisch aus Kunststoff und Metall durch Plasmasprühen oder Flammsprühen abgeschieden wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Kunststoffteilchen aus Polyester bestehen.