DE69703864T2 - Stoffaustauschelement - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Massentransferelemente für den Einsatz in chemischer Verfahrensausrüstung.
• "Massentransfer" wurde als der Transfer von einem oder mehreren Bestandteilen von einer unvermischbaren Phase zur anderen definiert. Dieser "Bestandteil" kann eine Chemikalie sein oder er kann Wärme sein. In dem Fall, in dem der Bestandteil Wärme ist, kann es sich um Verbrennungswärme oder um Reaktionswärme handeln, die aus einem Reaktionsstrom vor einer weiteren Bearbeitung oder aus einem heißen Fluidstrom entfernt werden muss, bevor diese gesammelt oder verwendet werden kann. Der Bestandteil kann auch eine Chemikalie wie ein Gasbestandteil, der durch Absorption aus einem Gasstrom entfernt wird, oder ein Bestandteil eines flüssigen Gemischs sein, das durch ein Destillations- oder Trennverfahren behandelt werden soll. Für solche Anwendungen und eine Mehrzahl von anderen Anwendungen, die Massentransfer umschließen, besteht das herkömmliche Verfahren darin, das zu behandelnde Fluid durch eine Kolonne durchzuleiten, die willkürlich angeordnete Füllkörperelemente umfasst. Diese Elemente werden hierin im Folgenden der Einfachheit halber als Massentransferelemente bezeichnet, unabhängig vom tatsächlichen Vorgang, für dessen Einsatz sie tatsächlich entworfen worden sind.
• Klarerweise sind jene die wirksamsten Massentransferelemente, die den größten Oberflächenbereich für den Kontakt mit dem Fluid oder die größte einsetzbare Oberfläche bieten. Es hat daher viele Versuche gegeben, unregelmäßige Füllkörperelemente zu entwickeln, wobei dieses Oberflächenmerkmal größtmöglich gestaltet wurde. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, dass auch andere Eigenschaften äußerst wünschenswert sind. Zum Beispiel ist es auch wertvoll, dass sich die Elemente nicht zusammenschachteln, sobald sie sich in der Kolonne befinden, da dies die wirksam ausgesetzte Oberfläche verringert. Es ist ebenfalls wichtig, dass die Elemente sich nicht so dicht packen, um so den Fluss des Fluids zu begrenzen und einen großen Druckabfall zwischen dem Zufluss und dem Abfluss der Kolonne zu bewirken.
• US-Patent Nr. 4,327,043 offenbart Füllkörperelemente, die einen gekrümmten Zwischenabschnitt umfassen, der mit Endabschnitten zusammengefügt ist, die in eine zum Zwischenabschnitt entgegengesetzte Richtung gekrümmt sind.
• Das Ausgleichen dieser oft gegensätzlichen Erfordernisse, um ein wirksames Massentransferelement zu schaffen, ist eine Angelegenheit von beträchtlicher Fertigkeit und bedingt Kompromisse, um die bestmögliche Verbindung von Eigenschaften zu erzielen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Einschränkungen und Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
• Diese Aufgabe wird durch das Massentransferelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Die Ansprüche verstehen sich als ein erster, nicht beschränkender Zugang zur Bestimmung der Erfindung in allgemeinen Begriffen. Die Erfindung betrifft insbesondere ungeordnete Füllkörperelemente einer neuartigen und vorteilhaften Gestaltung, die in Massentransferanwendungen nützlich sind.
• Eine neue Gestaltung für ein ungeordnetes Füllkörpermassentransferelement wurde nun entdeckt, die eine sehr vorteilhafte Ausgewogenheit von erwünschten Eigenschaften aufweist.
• Die Erfindung schafft neuartige Massentransferelemente mit einem gewellten Körperaufbau und mit Enden, die zurückgebogen in eine Richtung sind, die den Biegungen der Wellung so entgegengesetzt ist, dass die Enden auf einander zugebogen sind. Diese Elemente sind besonders wirksam als ungeordnet eingeworfene Füllkörper für Massentransfertürme, wobei sie eine Verbindung von großer Oberfläche und geringem Druckabfall bereitstellen.
• Das Massentransferelement der Erfindung umfasst erste und zweite, im Wesentlichen parallele, sich gegenüberliegende Hauptoberflächen mit Längen- und Breitenabmessungen, wobei das Element entlang paralleler Achsen in der Breitenausdehnung so verformt ist, dass in Bezug auf die erste Hauptoberfläche zumindest eine Konvexität zwischen den Enden der Längenausdehnung und ein Paar von gegenüberliegenden Konkavitäten benachbart den Enden der Längenausdehnung geschaffen wird, so dass gegenüberliegende Enden des Körpers im Wesentlichen einander zugewandt sind.
• In der einfachsten Form weist das Element eine gleichförmige Dicke auf und besitzt einen gleichförmigen Querschnitt, aufgenommen in der Längsrichtung, der die allgemeine Form der Zahl 3 aufweist.
• Der Querschnitt in der Längsrichtung kann sich über die Länge verändern, um so das Element entweder an den Enden oder im Mittelabschnitt dicker zu machen oder es in jeder anderen erwünschten Art abzuändern. Abänderungen in der Dicke von bis zu ungefähr 50% können berücksichtigt werden, ohne von der Voraussetzung abzuweichen, dass das Element erste und zweite Oberflächen aufweist, die als "im Wesentlichen parallel" bezeichnet werden, wie der Begriff hierin auszulegen ist. Üblicherweise jedoch wird ein gleichförmiger Querschnitt bevorzugt, um gleiche Festigkeit an allen Punkten und größere Einfachheit in der Herstellung sicherzustellen. Die erlaubte Abänderung umfasst auch die Bereitstellung einer "geriffelten" Oberfläche für die erste und die zweite Hauptoberfläche. Diese "Kräusel" vergrößern die Oberfläche des Körpers, ohne bedeutsam die Gesamtabmessungen zu verändern, und sind viel kleiner als die Konkavitäten und Konvexitäten, welche die kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung darstellen.
• Die Länge des Elements kann über die Breitenrichtung veränderbar sein, um so zum Beispiel einen "taillierten" Abschnitt oder einen Grad an Verjüngung hin zu den Enden zu schaffen. Oft ist es vorteilhaft, eine gezähnte Kante für den Körper entlang einer oder beider der Längen- und oder Breitenrichtung zu schaffen, so dass diese Abmessungen sich ständig verändern können.
• Das Ausmaß der Konvexität auf der ersten Hauptoberfläche, welche in den bevorzugten Fällen durch eine entsprechende Konkavität auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche wiedergespiegelt wird, ist vorzugsweise so, dass der kleinste Radius der Krümmung auf der Konvexität größer ist als die Dicke des Elements. Es ist jedoch auch möglich, dass die Konvexität in der Form einer Gratkammlinie über die Breite des Elements vorliegt, wobei in diesem Fall die Höhe des Gratkamms vorzugsweise größer als die Dicke des Elements sein sollte.
• Die Konkavitäten an den Enden des Elements sind vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf Abmessungen und Anordnung. Die Radien der Krümmung der Konkavitäten sind vorzugsweise zu klein, um das Ende eines gleichen Elements aufnehmen zu können. Dies kann zum Beispiel deshalb erreicht werden, wenn das Element Enden mit vergrößerter Dicke aufweist (zum Beispiel ein Ende in Tropfenform), so dass sie zu groß sind, um in die Konkavität zu passen, oder dass die Konkavität zu klein ist, um die Dicke des Endes eines zweiten Elements auch ohne solch eine vergrößerte Endabschnittsdicke in sich aufzunehmen.
• Die Konkavitäten sollten auch vorzugsweise ausreichend so ausgeprägt sein, dass jedes Ende um einen Winkel von zumindest 150º und noch besser um zumindest 180º gebogen ist.
• Die Aufgabe dieser Gestaltungsabänderungen besteht darin sicherzustellen, dass die Elemente nicht in der Lage sind, sich in so einer Art "zusammenzupacken", dass dies einen vergrößerten örtlichen Druckabfall erzeugen würde, dass jedoch gleichzeitig die größtmögliche ausgesetzte Oberfläche bereitgestellt wird, die verfügbar ist, um die Massentransferfunktionen durchzuführen.
• Ein weiteres wünschenswertes Merkmal ist die Bereitstellung von Löchern, die durch das Element hindurchgehen und die erste und die zweite Hauptoberfläche verbinden. Die Löcher haben die Funktion, die Durchflusskapazität zu erhöhen, ohne den Wirkungsgrad dafür aufzugeben oder zu einem erhöhten Druckabfall zu führen. Jedes Element ist vorzugsweise mit zumindest einem solchen Loch ausgestattet, jedoch werden drei oder auch mehr bevorzugt, vorausgesetzt sie gefährden nicht die Fähigkeit des Elements, den Bedingungen zu widerstehen, unter denen es eingesetzt werden soll. Oft werden die Elemente in einen Turmreaktor als eine mehrere Meter starke Schicht hineingeschüttet. Das kann zu beträchtlichem Druck auf die Elemente am Grunde des Turms als Folge des Gewichts der darüber liegenden Elemente führen. Daher weisen die Elemente vorzugsweise so viele Löcher auf, wie dies die Dicke des Elements, die Lochabmessungen und die gewünschte Anwendung in Übereinstimmung mit den obigen Betrachtungen erlauben.
• Die Anordnung der Löcher liegt vorzugsweise im Bereich der größten Konkavität oder Konvexität. Daher werden, unabhängig von der Ausrichtung des Elements in einem Turm, Fluide, die mit einer Hauptoberfläche in Kontakt treten und über eine solche Oberfläche an deren tiefstem Punkt ablaufen, eher über eine Kante oder durch ein Loch hindurch hinunter fließen, als sich in einem Becken sammeln.
• Das Element kann aus jedem beliebigen von jenen Materialien ausgebildet sein, aus denen Massentransferelemente üblicherweise hergestellt sind. Diese umfassen Metall, Kunststoff und Keramik. Im Allgemeinen bestimmt die Anwendung bis zu einem gewissen Grad das Material, das verwendet werden muss.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Massentransferelements nach der Erfindung. In der Zeichnung weist das Element 1 eine erste und eine zweite Hauptoberfläche 2 beziehungsweise 3 auf und besitzt eine Dicke "a". Ungefähr um den Mittelpunkt des Elements sitzt eine Konvexität 4 in der ersten Hauptoberfläche und entsprechend eine Konkavität in der zweiten Hauptoberfläche. Benachbart zu den gegenüberliegenden Enden des Elements liegen Konkavitäten 5, die in der ersten Hauptoberfläche des Elements so ausgebildet sind, um die Enden 6 zu veranlassen, sich um 180º so zurückzudrehen, dass sie einander zugewandt sind. Im Körper des Elements sind Löcher 7 vorgesehen, welche die gegenüberliegenden Hauptoberflächen verbinden und an den Punkten der größten Krümmung der Konkavitäten und der Konvexitäten angeordnet sind.
• Das Element wird vorzugsweise durch Extrudieren eines keramischen Materials durch eine Düse hergestellt, welche die Form der Querschnittgestalt des Elements aufweist, aber es kann auch ein Formverfahren aufgezogen werden, um dieselben Formen herzustellen. Gewisse wahlweise Gestaltungsabänderungen innerhalb des Umfangs dieser Erfindung können jedoch nur durch Einsatz eines Formverfahrens aus einem Kunststoff- oder Keramikmaterial hergestellt werden. Elemente aus Metall werden am häufigsten durch ein Verfahren hergestellt, das Ausstanzen einer geeigneten Form und darauf folgendes Verformen der ausgestanzten Form in die geeignete Anordnung umfasst.

Claims (6)

1. Massentransferelement (1) mit einer ersten (2) und einer zweiten (3) Hauptoberfläche, die im Wesentlichen zueinander parallel sind und einander gegenüberliegende Enden (6), und Längen- und Breitenabmessungen aufweisen, wobei das Element entlang paralleler Achsen in der Breite so verformt wird, dass dadurch im Hinblick auf die erste Hauptoberfläche mindestens eine Konvexität (4) zwischen den Enden der Längenabmessung gebildet wird, sowie ein Paar gegenüberliegender Konkavitäten (5) neben den Enden der Längenabmessung, so dass die einander gegenüberliegenden Enden (6) des Elements im Allgemeinen zueinander gerichtet sind.

2. Element gemäß Anspruch 1, wobei das Element eine Konvexität (4) in der ersten Hauptoberfläche und eine entsprechende Konkavität in der zweiten Hauptoberfläche besitzt, und der kleinste Krümmungsradius der Konvexität größer ist als die größte Trennung zwischen der ersten (2) und der zweiten (3) Hauptoberfläche.

3. Element gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die einander gegenüberliegenden Enden der Länge der ersten Hauptoberfläche (2) Konkavitäten (5) besitzen, die durch Biegen der Enden (6) des Elements über mindestens 150º, vorzugsweise über mindestens 180º, gebildet werden, bis sie einander im Wesentlichen gegenüberliegen.

4. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste (2) und die zweite (3) Hauptoberfläche durch Löcher (7) im Körper des Elements verbunden sind.

5. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der ersten (2) und zweiten (3) Hauptoberflächen gerippt ist.

6. Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das aus einer Keramik hergestellt ist.