DE69305701T2

DE69305701T2 - Füllkörper

Info

Publication number: DE69305701T2
Application number: DE69305701T
Authority: DE
Inventors: Henry G Lex; Hassan S Niknafs
Original assignee: Norton Chemical Process Products Corp
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1992-07-16
Filing date: 1993-07-15
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: CZ143893A3; CN1081935A; RU2114692C1; ES2093330T3; TW280805B; CA2100189A1; SK76693A3; AU656274B2; JPH06190273A; ES2093330T5; KR100256153B1; CA2100189C; DE69305701D1; EP0579234B1; HUT68741A; CN1037824C; EP0579234B2; UA39164C2; PL299709A1; US5304423A

Description

Diese Erfindung betrifft Füllkörperelemente zur Verwendung in einer chemischen Verfahrensausrüstung.
Füllkörperelemente sind in der Stroffübertragung besonders zweckdienlich. Als "Stoffübertragung" wird die Übertragung einer oder mehrerer Komponenten von einer unmischbaren Phase in die andere definiert. Diese "Komponente" kann eine Chemikalie sein oder kann Wärme sein. Wenn die Komponente Wärme ist, kann es sich um verbrennungswärme oder Reaktionswärme handeln, die aus einem Reaktionsstrom vor der weiteren Verarbeitung oder aus einem warmen Fluidstrom vor dem Sammeln oder Verwenden entfernt werden muß. Die Komponente kann auch eine Chemikalie wie eine Gaskomponente sein, die durch Absorption aus einem Gasstrom entfernt wird, oder eine Komponente einer flüssigen Mischung, die durch ein Destillations- oder Trennverfahren zu behandeln ist. Bei solchen Anwendungen und einer Mehrzahl anderer Anwendungen mit Stoffübertragung ist es üblich, das zu behandelnde Fluid durch eine Säule zu leiten, die regellos verteilte Füllkörperelemente enthält. Diese Elemente werden in der Folge der Einfachheit wegen als Stoffübertragungselemente bezeichnet, unabhängig von dem tatsächlichen Verfahren, für das sie eigentlich bestimmt sind.
Die wirksamsten Stoffübertragungselemente sind eindeutig jene, die den größten Oberflächenbereich für den Kontakt mit dem Fluid zur Verfügung stellen. Es wurden daher zahlreiche Versuche unternommen, regellose Füllkörperelemente zu entwerfen, bei welchen dieses Oberflächenbereichsmerkmal maximiert ist. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß andere Eigenschaften ebenso besonders wünschenswert sind. Zum Beispiel ist es auch günstig, wenn die Elemente in der Säule nicht ineinandergreifen, da dies den effektiven freiliegenden Oberflächenbereich verkleinert. Es ist auch wichtig, daß die Elemente nicht so dicht gepackt sind, daß der Fluidstrom begrenzt wird und ein großer Druckabfall zwischen dem Eingang und Ausgang der Säule entsteht.
Das gegenseitige Abwägen dieser häufig konkurrierenden Anforderungen in der Herstellung eines effektiven Stoffübertragungselements ist ein Frage großer Fachkenntnis und beinhaltet Kompromisse, um eine optimale Kombination von Eigenschaften zu erzielen.
Zum Beispiel betrifft DE-OS-1 945 045 einen Füllkörper für Säulen, bestehend aus einem Kunststoffmaterial mit einer geringen Fähigkeit, benetzt zu werden. Die Form dieses Füllkörpers ist prismatisch und im Querschnitt rosettenförmig mit einer Mehrzahl von nach innen und nach außen abstehenden Faltungen. Diese Füllkörper lösen jedoch das obengenannte Problem der konkurrierender Anforderungen nicht.
DE-B-316497 betrifft Hohlkörper für Absorptions- und Reaktionstürme, die aus übereinander angeordneten Ringen bestehen. Die Ringe weisen verschiedene Formen auf und werden miteinander kombiniert, so daß sie einen durchgehenden Körper bilden, in dem die Elemente mit derselben Form parallel zueinander angeordnet sind. Dieser Versuch ist jedoch durch die parallele Anordnung der Elemente und die Ringform in der Gewinnung großer Oberflächenbereiche beschränkt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Füllkörperelemente zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Produkte nicht aufweisen. Dieses Problem wird durch das Füllkörperelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Die Erfindung betrifft insbesondere regellose Füllkörperelemente mit einer neuartigen und vorteilhaften Konstruktion, die bei Stoffübertragungsanwendungen zweckdienlich sind.
Es wurde nun eine neue Konstruktion für ein regelloses Füllkörper-Stoffübertragungselement entwickelt, das ein sehr vorteilhaftes Gleichgewicht gewünschter Eigenschaften bietet.
Das Stoffübertragungselement der Erfindung umfaßt eine im allgemeinen röhrenförmige Struktur, wobei die Röhrenwand an entgegengesetzten Enden von zueinander senkrechten Durchmessern nach innen verformt ist, um einen Querschnitt mit vier äußeren Flügeln zur Verfügung zu stellen.
Die Verformungen nach innen an entgegengesetzten Enden jedes Durchmessers sind vorzugsweise gleich groß, so daß die konvexe Form der inneren Wandfläche jeder Verformung denselben Krümmungsradius aufweist. Die Verformungen nach innen an entgegengesetzten Enden des senkrechten Durchmessers weisen ebenso einen gleichen Krümmungsradius der Innenwandfläche auf, aber haben in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzugsweise einen anderen Krümmungsradius als die Vertiefungen an den Enden des anderen Durchmessers, so daß die vier äußeren Flügel dem Querschnitt des Elements das Aussehen einer Frackschleife verleihen. Das Verhältnis der beiden Krümmungsradien in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann stark schwanken, beträgt aber vorzugsweise etwa 1:1 bis etwa 4:1 und meistens etwa 2:1 bis 3:1. In einer anderen Form sind die Krümmungsradien der beiden Gruppen von inneren konvexen Formen gleich, aber der Winkel, der von den Enden der konvexen Form eingenommen wird, ist bei einem entgegengesetzten Paar größer als beim anderen. Praktisch bedeutet dies, daß das Paar mit der größeren konvexen Form stärker in den Innenraum des Elements eindringt als das andere. In einer extremen Form dieses Ausführungsbeispiels dringen die beiden größeren, entgegengesetzten konvexen Formen soweit ein, daß die entgegengesetzten Innenflächen einander berühren und der Durchgang durch das Element in Längsrichtung im Prinzip zweigeteilt wird.
In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Krümmungsradien aller Innenflächen der vier Verformungen gleich, und das Eindringen in das Innere aller vier ist gleich, so daß ein innerer Durchgang in Längsrichtung mit einem im wesentlichen kreuzförmigen Querschnitt entsteht.
Die axiale Länge des Elements kann jedes zweckdienliche Maß sein, beträgt aber für gewöhnlich etwa 0,5 cm bis 3 cm und vorzugsweise etwa 1 cm bis 2 cm. Die größte Querschnittsdimension ist für gewöhnlich größer als die axiale Länge und ist häufig etwa zwei- bis sechsmal so groß. Meistens beträgt die größte Querschnittsdimension etwas das Zwei- bis etwa Vierfache der axialen Länge.
Die äußere Oberfläche des Elements umfaßt vier konvexe Flügel, und diese können durch konkave Oberflächen getrennt werden, die den konvexen Formen an den inneren Oberflächen entsprechen, oder durch Verbindungsflächen mit einer geringen oder ohne Krümmung in jede Richtung. Im allgemeinen wird diese letztgenannte Art von Verbindungsfläche bei Elementen mit vier Flügeln gleicher Größe bevorzugt.
Wenn die Flügel durch konkave Oberflächen getrennt sind, können diese konkaven Formen mit Rippen versehen sein, die sich in Längsrichtung entlang der Länge des Elements erstrecken. In einer bevorzugten Konstruktion sind etwa 2 bis etwa 6, vorzugsweise 3 bis 4 Rippen in jeder konkaven Form vorgesehen und insbesondere in nur jenen konkaven Formen mit dem größeren Krümmungsradius.
Während die Form der Elemente der Erfindung als zylindrisch beschrieben wurde, wird vorausgesetzt, daß die Querschnittsform sich entlang der Länge des Zylinders ändern kann, ohne vom wesentlichen Konzept der Erfindung Abstand zu nehmen. So kann der Zylinder leicht verjüngt sein oder mit einer "Taille" ausgebildet werden, wobei die größte Querschnittsdimension bei etwa der Mitte der Länge ein Minimum aufweist. Es sollte jedoch daran erinnert werden, daß solche Änderungen den Druckabfall von einem Ende des Betts zum anderen erhöhen und vielleicht die Füllung der Elemente in dem Bett ändern können. Solche Abweichungen sind daher nur in dem Ausmaß tolerierbar, daß sie die Wirksamkeit des Elements für seinen Hauptzweck nicht verringern.
Die Enden des Elements entlang der Achse können mit Wandenden ausgebildet werden, die so geformt sind, daß sie sich den theoretischen gekrümmten Oberflächen anpassen, die konvex oder vorzugsweise konkav sind. So sind in bevorzugten Ausführungsbeispielen die Enden der Elemente ausgehöhlt, so daß die axiale Länge geringer als die Länge am Umfang ist. Das Ausmaß der Aushöhlung kann derart sein, daß die axiale Länge entlang der Achse etwa 60% bis etwa 90% und für gewöhnlich etwa 75% der axialen Länge am Umfang beträgt.
Das Material, aus dem der Füllkörperzylinder hergestellt wird, kann jedes sein, das für gewöhnlich für derartige Zwecke verwendet wird. So ist das bevorzugte Material ein keramisches oder gebranntes Tonmaterial, obwohl auch andere Materialien wie Glas oder Metall bei bestimmten Anwendungen verwendet werden können. Im allgemeinen sollte das Material gegenüber dem Fluid, dem es ausgesetzt wird, inert sein. Wenn Wärmeübertragungsanwendungen in Betracht gezogen werden, sollte es auch imstande sein, Wärme in den für das Verfahren erforderlichen Mengen zu absorbieren. Es sollte auch imstande sein, während der Beladung und Verwendung sowohl thermischen als auch physikalischen Schocks zu widerstehen.

Zeichnungen

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Elements gemäß der Erfindung.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
Die Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die nur der Veranschaulichung dienen und den Umfang der Erfindung, der insbesondere hinsichtlich der Dimensionen beansprucht wird, nicht wesentlich einschränken sollen.
In Figur 1 der Zeichnungen weist das zylindrische Element vier äußere Flügel gleicher Größe auf. Die innere Oberfläche hat vier gleich beabstandete konvexe Formen. Der größte Außendurchmesser im Querschnitt des Elements beträgt 3,33 cm und die größte Länge beträgt 2,54 cm. An jedem Ende des Zylinders sind die Oberflächen des Elements so geformt, daß sie Teil einer theoretischen konkaven Oberfläche sind, so daß die entgegengesetzten theoretischen Oberflächen bei ihrem geringsten Abstand an der Achse des Elements 1,91 cm voneinander getrennt sind. Der Krümmungsradius der äußeren Flügel ist 0,64 cm, und jener der inneren konvexen Formen ist 0,60 cm. Die äußeren Flügel sind durch konvexe Oberflächen mit einem Krümmungsradius von 1,03 cm verbunden, und die inneren Flügel sind durch konkave Oberflächen mit einem Krümmungsradius von 0,95 cm verbunden.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dicke der Wand des zylindrischen Elements im wesentlichen konstant bleibt und bei dem die innere Oberfläche mit konvexen Formen verschiedener Krümmungsradien versehen ist, wobei ein entgegengesetztes Paar an den gegenüberliegenden Enden eines ersten Durchmessers dieselbe (größere) konvexe Form aufweist und das andere entgegengesetzte Paar an den Enden eines zweiten Durchmessers im rechten Winkel zu dem ersten ein geringeres Maß an Konvexität aufweist.
Die äußeren Oberflächen der größeren inneren konvexen Formen sind jeweils mit vier gleich beabstandeten, sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen versehen.
Die Krümmungsradien der größeren der inneren konvexen Formen betragen 2,31 cm, und die Krümmungsradien der weniger konvexen Formen betragen 1,17 cm. Die axiale Länge des Elements beträgt 1,42 cm, die Wanddicke beträgt 0,28 cm und der größte Abstand zwischen den äußeren Oberflächen benachbarter Flügel beträgt 5,31 cm.
Figur 3 zeigt eine Struktur ähnlich jener von Figur 2, aber mit deutlich ausgeprägteren äußeren Flügeln und mit inneren konvexen Formen, die nicht ganz so unterschiedlich sind. Der Struktur fehlen auch die axialen Außenrippen.
Die zwei größeren, entgegengesetzten, inneren konvexen Formen haben Krümmungsradien von 1,25 cm (0,89 cm ist der Krümmungsradius der entgegengesetzten konkaven Oberfläche), und die kleineren haben Krümmungsradien von 0,89 cm (0,53 cm ist der Krümmungsradius der entgegengesetzten konkaven Oberfläche). Die Wanddicke beträgt 0,36 cm, und die axiale Länge beträgt 1,42 cm. Der größte Abstand zwischen den äußeren Oberflächen benachbarter Flügel beträgt 4,37 cm.
Figur 4 ist gleich dem Ausführungsbeispiel von Figur 3, mit der Ausnahme, daß die größten inneren konvexen Formen so groß sind, daß sie an der Achse des Elements aufeinandertreffen.
In diesem Ausführungsbeispiel betragen die Krümmungsradien aller äußeren Oberflächen, die den inneren konvexen Formen entsprechen, 1,91 cm, sind aber bei einem entgegengesetzten Paar so ausgeprägt, daß die inneren Oberflächen aufeinandertreffen. Die axiale Länge des Elements beträgt 1,91 cm, und die Wanddicke beträgt 0,95 cm.

Claims

1. Füllkörperelement mit einer im allgemeinen röhrenförmigen Struktur, wobei die Röhrenwand an entgegengesetzten Enden von zueinander senkrechten Durchmessern nach innen verformt ist, um einen Querschnitt mit nur vier äußeren Flügeln zur verfügung zu stellen.

2. Element gemäß Anspruch 1, wobei das Ausmaß der Verformung an entgegengesetzten Enden desselben Durchmessers gleich ist.

3. Element gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die vier äußeren Flügel im wesentlichen dieselben Dimensionen aufweisen.

4. Element gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis der Längen der zueinander senkrechten Durchmesser etwa 1:1 bis etwa 4:1 beträgt.

5. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Mehrzahl an auf der ußeren Oberfläche des Füllkörperelements ausgebildeter axial verlaufender Rippen aufweist.

6. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Enden des Füllkörperelements so geformt sind, daß sie theoretischen konkaven Oberflächen entsprechen, so daß die axiale Länge des Füllkörperelements entlang seiner Achse am kürzesten ist.