DE69921705T2 - Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne mit Packung - Google Patents

Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne mit Packung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Packung einer Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne und stellt eine Kolonne bereit, die mit Strukturpackungs-Flächengebilden bepackt ist, welche in einer neuen Art und Weise angeordnet sind. Sie hat eine spezielle, jedoch nicht ausschließliche Anwendung bei Kolonnen, speziell für die kryogene Luftzerlegung, an einem Ort, wo diese Bewegungen unterworfen sind, welche bewirken, dass die Kolonne aus der Vertikalen herausschwankt oder sich neigt, wie zum Beispiel vor der Küste oder auf See.
  • Es ist bekannt, dass die Verwendung von Strukturpackung in Destillationskolonnen dort viele Vorteile hat, wo ein geringer Druckabfall wichtig ist. Jedoch hängt die Leistung einer bepackten Kolonne stark vom Erzeugen und Aufrechterhalten eines Ausgleichs zwischen dem Abwärtsstrom der Flüssigkeit und dem Aufwärtsstrom des Dampfes ab, und zwar lokal in der Packung. Diese Verteilung der Flüssigkeit und des Dampfes innerhalb der Packung wird durch die anfängliche Bereitstellung dieser Fluide für die Packung beeinflusst, und durch die speziellen Eigenschaften der Packung.
  • Die Strukturpackung besteht typischerweise aus Flächengebilden aus Wellmetall, welche in Sektionen miteinander verbunden sind, wobei sie eine Reihe von quer zueinander verlaufenden offenen Kanälen ausbilden. Die Sektionen stoßen aneinander, um eine Schicht auszubilden, welche den Querschnitt der Kolonne füllt. Typischerweise sind mehrere Schichten sektionierter Strukturpackung aufeinander bis zu einer geeigneten Höhe gestapelt, um eine bepackte Kolonne herzustellen. Jede Schicht hat eine einzelne Richtung, zu welcher die Packungs-Flächengebilde und die durch sie ausgebildeten Kanäle parallel sind. Die Flüssigkeit und der Dampf verbreiten sich leichter in der Richtung der Kanäle innerhalb einer vorgegebenen Schicht, und indem sie den Kanälen folgen, können die Fluide aus verschiedenen Teilen der Kolonne sich innerhalb der Packung vermischen und zusammenkommen. Typischerweise ist jede Schicht in einem Winkel relativ zu benachbarten Schichten angeordnet, beispielsweise 90°, um die Vermischung zu verstärken.
  • Sowohl bei stationären als auch bei beweglichen Kolonnen entstehen Schwierigkeiten beim Aufrechterhalten einer einheitlichen Flüssigkeits- und Dampfverteilung innerhalb der Strukturpackung aufgrund der Wanderung der Fluide über den Kolonnenquerschnitt, die den Kanälen in der Packung folgt. Die Wanderung neigt dazu, lokale Ungleichgewichte der Flüssigkeits- und Dampfströmungen zu erzeugen, was zu einer geringen Destillationsleistung führt. Eine Erscheinungsform dieses Phänomens ist die gut bekannte Beziehung zwischen Massentransfer-Wirkungsgrad und dem Durchmesser der Strukturpackungs-Kolonne: kleine Kolonnen neigen dazu, höhere Massentransferraten zu haben als größere Kolonnen. In der Theorie findet die schnelle Vermischung der gesamten Kolonneninhalte über den Querschnitt in einer kleinen Kolonne leichter statt und mildert so die Effekte der lokalen Strömungsungleichgewichte. Nicht stationäre Kolonneninstallationen, wie zum Beispiel Anwendungen vor der Küste oder auf See, bringen spezielle Probleme bei der Aufrechterhaltung einer einheitlichen Flüssigkeitsverteilung mit sich. Die periodische Neigung der Kolonne neigt dazu, die Flüssigkeit zu den Wänden der Kolonne hin zu drängen, was schwere Strömungsungleichgewichte zwischen Flüssigkeit und Dampf in der Packung erzeugt.
  • Eine Alternative zu strukturierter Packung ist spiralförmig gewickelte Packung, welche aus einem kontinuierlichen Flächenmaterial ausgewählter Packung aufgebaut ist, die auf einem Dorn aufgewickelt ist, beginnend vom Inneren der Kolonne her und zur Außenseite der Kolonne hin gewunden. Eine kontinuierliche, spiralförmige Bahn für die Flüssigkeit und/oder den Dampf wird zwischen den gewellten Flächengebilden erzeugt, während diese sich vom Inneren zur Außenseite der Kolonne hin winden. Spiralförmig gewickelte, bepackte Kolonnen haben ähnliche Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Strömungs-Einheitlichkeit, aber weil eine Quervermischung nicht ebenso leicht auftreten kann, können sie nicht von der Leistungssteigerung der kleinen Kolonnen profitieren, die bei Strukturpackungssystemen beobachtet wird. Ferner haben spiralgewickelte, gepackte Kolonnen einen spiralförmigen Weg zur Wand der Kolonne, welcher dort zur Ansammlung von Flüssigkeit führen kann, speziell bei einer Anwendung an Bord von Schiffen. Jedoch kann eine spiralgewickelte Packung bei manchen Anwendungen Vorteile gegenüber einer strukturierten Packung haben, und zwar wegen der verringerten radialen Migration von Flüssigkeit und Dampf in der Kolonne.
  • Der Stand der Technik versucht, das lokale Gleichgewicht zwischen Dampf und Flüssigkeitsströmungen in der strukturierten Packung dadurch aufrecht zu erhalten, dass eine Packungsschicht in einer großen Kolonne in kleinere Sektionen partitioniert wird. Die Partitionierung zwingt die Flüssigkeit, die in einer partitionierten Sektion strömt, innerhalb der Sektion zu bleiben, wodurch das Gleichgewicht zwischen Flüssigkeits- und Dampfströmungen aufrechterhalten wird.
  • Die US-A-5,486,318 (McKeigue und Krishnamurthy) lehrt Variationen der Packungspartitionierung durch die Verwendung von physischen Partitionen oder durch die Verwendung von variierender Packungsausrichtung als ein Partitionierungsmittel. Diese Variationen sind in 1 dargestellt. Die physische Partitionierung P, die in 1a gezeigt ist, ist eine perforierte Platte mit Perforationen, die groß genug sind, so dass etwas Dampf hindurchgehen kann, aber zu klein sind, dass eine wesentliche Menge an Flüssigkeit hindurch strömen könnte. Die zweite Variation, gezeigt in 1b, erfordert, dass jede Packungssektion an eine anliegende Sektion der Packung senkrecht anstößt, so dass die Kanäle in den Packungs-Flächengebilden, zum Beispiel in der Sektion A, begrenzt werden durch ein einzelnes Packungs-Flächengebilde, Flächengebilde C, der anstoßenden Sektion B. Die Kanäle des Flächengebildes C laufen in einer Ebene, die senkrecht zu derjenigen in Sektion A liegt. Obwohl es in der US-A-5,486,318 nicht ausgeführt wird, wird Flüssigkeit, wenn sie in der Sektion A die Kanäle mehrerer Flächengebilde nach unten zur Sektion B hin läuft, dazu neigen, sich an einem einzelnen Flächengebilde anzusammeln, nämlich dem Flächengebilde C. Die Ansammlung der Flüssigkeit aus mehreren Flächengebilden auf einem Flächengebilde resultiert in einer lokalen Kanalisierung, und sie verschlechtert deshalb die Massenübertragungsleistung der Kolonne.
  • Die GB-A-1,402,883 offenbart eine Gas-Flüssigkeits-Kontaktkolonne (siehe 4), die mit Tauscherelementen bepackt ist. Jedes Element ist eine jalousieartige Anordnung, die aus einer Vielzahl von quer beabstandeten, geneigten, parallelen Streifen gebildet wird, und jede Packungsschicht der Kolonne hat eine zentrale Sektion, die aus einem quer (relativ zu den Streifen) ausgerichteten Paar von Elementen besteht, in welchem die Streifen den gegenüberliegenden Richtungen geneigt sind. Eine Reihe von drei Elementen ist an jeder Seite der zentralen Sektion vorgesehen, wobei die Streifen in jeder Reihe sich senkrecht zu denjenigen in der zentralen Sektion erstrecken. Die Streifen in jeder Reihe sind in entgegengesetzter Richtung zu denjenigen der beiden anliegenden Elemente und dem entsprechenden Element der anderen Reihe geneigt.
  • Die US-A-3,109,876 offenbart eine Gas-Flüssigkeits-Kontaktkolonne, die mit einer schachbrettartigen Anordnung aus Bündeln von Packungs-Flächengebilden bepackt ist. Diese Anordnung stellt zentrale Kernbündel bereit, die von einem Ring aus acht Bündeln umgeben sind, wobei die Packungs-Flächengebilde aneinander anliegender Bündel sich in zueinander senkrechten Richtungen erstrecken. Die Anordnung ist im Wesentlichen eine solche, wie sie in der 1B (Stand der Technik) der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung von Packungs-Flächengebilden bereitzustellen, welche einen einheitlichen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in einer bepackten Kolonne während des Schwankens oder der Neigung bereitstellt, wie diese beispielsweise bei kryogenen Luftzerlegungs-Destillationskolonnen auftreten, die an Bord von Schiffen installiert sind.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst eine Verbesserung bei einer Flüssigkeits-Dampfkontaktkolonne mit einer hohlen Kolonne, die mit mindestens einer Schicht bepackt ist, welche aus einer Vielzahl von Flächengebilden aus strukturierter Packung besteht, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen. Die Verbesserung besteht darin, dass die Packungs-Flächengebilde, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, im Körper der Schicht in einer oder mehreren Sektionen angeordnet sind, wobei mindestens ein Band einen zentralen Kern umgibt, der, in Axialrichtung gesehen, einen polygonalen Querschnitt mit mindestens vier Seiten hat, wobei das Band aus Segmenten gebildet ist, von denen jedes, in Axialrichtung gesehen, einen trapezoiden Querschnitt hat, wobei die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment sich geradlinig in einer anderen Richtung erstrecken, als derjenigen in den benachbarten Segmenten des Bandes.
  • Die Sektionen der strukturierten Packung sind in einer neuen Art und Weise angeordnet, um die Kolonne in mehrere kleinere Kolonnen zu unterteilen und die Leistung der Kolonne gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne zur Verfügung, mit einer hohlen Kolonne, die mit mindestens einer Schicht bepackt ist, welcher aus einer Vielzahl von Flächengebilden aus strukturierter Packung besteht, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungs-Flächengebilde, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, in dem Körper der Schicht in einer oder mehreren Sektionen angeordnet sind, wobei mindestens ein Band einen zentralen Kern umgibt, der, in Axialrichtung gesehen, einen polygonalen Querschnitt mit mindestens vier Seiten hat, wobei das Band aus Segmenten gebildet ist, von denen jedes, in Axialrichtung gesehen, einen trapezoiden Querschnitt hat, wobei die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment sich geradlinig in einer anderen Richtung erstrecken als diejenigen in den benachbarten Segmenten desselben Bandes.
  • Es versteht sich, dass nahe der Wand der Kolonne die Packungs-Flächengebilde gewöhnlich nicht in derselben Weise angeordnet sein können wie im Körper der Kolonne, und dementsprechend wird dafür gesorgt, dass die Packungssegmente sich an die Kolonnenwand anpassen.
  • Alle Bezugnahmen hierin auf Querschnitte beziehen sich auf eine Blickrichtung in Axialrichtung der Kolonne, wenn nichts anderes gesagt ist. Vorzugsweise ist das Polygon regelmäßig, und es ist derzeit bevorzugt, dass es eine gerade Anzahl von Seiten hat, speziell dass es ein Quadrat oder ein regelmäßiges Sechseck ist.
  • Die Packungs-Flächengebilde können sich in jedweder rechtwinkligen Richtung erstrecken, solange die sich von derjenigen in benachbarten Segmenten desselben Bandes unterscheidet, aber wenn der Kern ein Polygon ist, ist es derzeit bevorzugt, dass die Packungs-Flächengebilde sich entweder rechtwinklig oder speziell parallel zu der benachbarten Seite des Kerns erstrecken. Die Richtung gegenüber dem Kern kann in unterschiedlichen Sektionen desselben Bandes unterschiedlich sein, obwohl es derzeit bevorzugt ist, dass die Richtung in benachbarten Sektionen unterschiedlicher Bänder dieselbe ist. Bei einer Ausführungsform erstrecken sich die Packungs-Flächengebilde in abwechselnden Segmenten desselben Bandes parallel zu der benachbarten Seite des polygonalen Kerns und die Packung in den dazwischen liegenden Segmenten erstreckt sich senkrecht zu der benachbarten Seite des Kerns.
  • Geeigneterweise ist jedes Segment eines Bandes identisch mit den Komplementärsegmenten des Bandes. Jedes Segment kann an seinen Seiten durch eine sich axial erstreckende Umfangswand begrenzt sein, aber die Segmente sind gewöhnlich lediglich durch ihre Packungs-Ausrichtung abgegrenzt.
  • Die Packungs-Flächengebilde in dem Körper der oder jeder Schicht können in einer Vielzahl von aneinander anstoßenden Sektionen oder in einer einzelnen Sektion angeordnet sein. Bei jeder Ausführungsform, speziell aber bei der letzteren, können zwei oder mehrere Bänder konzentrisch den Kern umgeben. Die erstere Ausführungsform teilt die Kolonne lokal in kleine Bereiche auf, und sie ist geeignet, die Leistung jedweder bepackten Kolonne zu verbessern, während die letztere die Kolonne radial partitioniert und speziell geeignet ist, die Leistung einer auf einem Schiff oder die ähnlicherweise angebrachten Kolonne zu verbessern, welche sich periodisch von einer Seite zur anderen neigt. Die Kolonne kann mit zwei oder mehreren Schichten von Packungs-Flächengebilden bepackt sein, die gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet und winkelmäßig ausgerichtet sind, so dass sie Segmente jeder Schicht nicht axial mit den entsprechenden Segmenten der benachbarten Schichten ausgerichtet sind. Geeigneterweise sind, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, die Packungs-Flächengebilde im Körper jeder Schicht in einer Vielzahl von solchen aneinander stoßenden Sektionen angeordnet, und die Mittelpunkte von mindestens einigen Kernen jeder Schicht sind koaxial mit den Mittelpunkten von Kernen in der benachbarten Schicht bzw. den benachbarten Schichten ausgerichtet. Um eine solche Ausrichtung zu erzielen, kann die Größe der Sektionen zwischen benachbarten Schichten mit der Form und dem Muster des Kerns und der Segmente variieren, die beiden Schichten angehören.
  • Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit mindestens einer Schicht einer Vielzahl von strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde in dem Körper jeder Schicht so angeordnet sind, dass, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, eine Vielzahl von aneinander anstoßenden Sektionen vorhanden sind, wobei in jeder davon mindestens ein Band einen zentralen regelmäßigen Polygonkern umgibt, wobei das Band außer Segmenten mit trapezoidem Querschnitt gebildet ist, die mit den Komplementärsegmenten des Bandes identisch sind, und sich die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment geradlinig in einer unterschiedlichen Richtung gegenüber den benachbarten Segmenten des Bandes erstrecken.
  • Bei einer weiteren derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit mindestens einer Schicht bepackt, die aus einer Vielzahl von strukturierten Packungs-Flächengebilden gebildet wird, welche so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde in dem Körper jeder Schicht so angeordnet sind, dass, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, die Packungs-Flächengebilde in jeder Schicht in einem oder mehreren Bändern angeordnet sind, die konzentrisch einen zentralen, regelmäßig polygonalen Kern umgeben, wobei das Band aus Segmenten mit trapezoidem Querschnitt ausgebildet wird, der identisch mit Komplementärsegmenten des Bandes ist, und wobei die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment sich geradlinig in einer unterschiedlichen Richtung zu derjenigen in den benachbarten Segmenten des Bandes erstrecken.
  • Bei einer weiteren derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit mindestens einer Schicht bepackt, die aus einer Vielzahl strukturierter Packungs-Flächengebilde besteht, welche so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde in dem Körper jeder Schicht so angeordnet sind, dass, gesehen in Axialrichtung der Kolonne, Packungs-Flächengebilde in jeder Schicht in zwei oder mehreren Bändern angeordnet sind, die konzentrisch einen zentralen, regelmäßig hexagonalen Kern umgeben, wobei alle Bänder aus identischen Segmenten mit nicht gleichmäßigem hexagonalen Querschnitt ausgebildet werden, und zwar symmetrisch um die Radialrichtung vom Kernzentrum her.
  • Bei einer anderen derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Kolonnenhülle mit mindestens einer Schicht bepackt, die aus einer Vielzahl von strukturierten Packungs-Flächengebilden ausgebildet wird, welche so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, wobei die Packungs-Flächengebilde in dem Körper jeder Schicht so angeordnet sind, dass, gesehen in Axialrichtung der Kolonne, Packungs-Flächengebilde in jeder Schicht in einen oder mehreren Bändern angeordnet sind, die konzentrisch einen zentralen, regelmäßig polygonalen Kern mit einer geraden Seitenanzahl umgeben, wobei das Band aus Segmenten mit trapezoidem Querschnitt ausgebildet ist, die sich mit Segmenten mit rechtwinkligem Querschnitt abwechseln, wobei die trapezoiden Segmente identisch mit den anderen trapezoiden Segmenten des Bandes sind, und wobei die Packungs-Flächengebilde sich parallel zu den Seiten des Kerns erstrecken, und wobei die rechtwinkligen Segmente identisch mit den anderen rechtwinkligen Segmenten des Bandes sind und Packungs-Flächengebilde aufweisen, die sich senkrecht zu den zweiten des Kerns erstrecken. Das Folgende ist eine Beschreibung, die nur beispielhaft ist und auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt, und zwar für derzeit bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, welche in Sektionen angeordnet sind, die durch physische Partitionen abgegrenzt sind, gemäß der US-A-5,486,318;
  • 1B einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, welche in Sektionen angeordnet sind, welche durch die Packungs-Ausrichtung abgegrenzt sind, gemäß der US-A-5,486,318;
  • 2A ein schematischer Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, die in Sektionen angeordnet sind, und zwar gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2B einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, welche in denselben Sektionen angeordnet sind, wie in 2a, aber um 45° im Vergleich mit der Ausrichtung der 2a verdreht sind;
  • 3A ein schematischer Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, welche in Sektionen in derselben Weise wie in 2b angeordnet sind, aber mit kleineren Kernen und Segmenten;
  • 3B die Überlagerung des Querschnitts der 3a auf dem Querschnitt der 2a;
  • 4 ein schematischer Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, welche in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
  • 5A einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
  • 5B einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
  • 5C einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;
  • 5D einen schematischen Querschnitt einer Kolonne, die mit strukturierten Packungs-Flächengebilden bepackt ist, die in Sektionen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bepackt ist;
  • 6 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeits-Verteilers, der zur Verwendung mit Kolonnen gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird; und
  • 7 eine Aufsicht auf die Flüssigkeits-Verteilungsplatte des Verteilers der 6.
  • Wie zunächst aus der 2A hervorgeht, ist eine Kolonnenhülle 10 mit Schichten aus gewellten Packungs-Flächengebilden (durch Wellenlinien angedeutet) bepackt, um eine kryogene Luftzerlegungs-Destillationskolonne auszubilden. In dem Körper jeder Schicht sind die Packungs-Flächengebilde in mehreren aneinander stoßenden Sektionen 11 mit quadratischem Querschnitt angeordnet, wobei jede aus einem quadratischen Kern 12 besteht, der durch ein Band von vier trapezoiden Segmenten 13 umgeben wird. Die Segmente 13 und die Kerne 12 sind durch dicke Linien voneinander abgeteilt, und sie können durch physische Partitionen abgegrenzt werden, die an keiner, an einigen oder an allen Schnittstellen angeordnet werden, speziell zwischen benachbarten Sektionen. Wie durch die gewellten Linien angedeutet, erstrecken sich die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment 13 in geradliniger Richtung zur benachbarten Seite des Kerns 12.
  • Flüssigkeit und Dampf, welche über die Grenzen einer jeden Sektion 11 eintreten, würden die Sektion nicht durch eine horizontale Ebene verlassen, weil alle Kanäle der Packungs-Flächengebilde an den Grenzen parallel zur Peripherie der Grenzen verlaufen.
  • Wenn man Schicht-zu-Schicht-Drehungen beachtet, sieht man, dass nur der Kern 12 jeder Sektion 11 an jedem Schichtübergang neu orientiert werden kann und noch dazu in der Lage ist, ein Eingrenzen der Flüssigkeit und des Dampfes auf einen individuellen Querschnittsbereich aufrecht zu erhalten, der sich vom Oberteil der Kolonnenpackung zu deren Boden hin erstreckt. Jedoch können variierende Grade an Fluid-Einschluss bereitgestellt werden, durch (a) keine Re-Orientierung der trapezoiden Segmente 13 und 90°-Re-Orientierung der quadratischen Kerne 12 an benachbarten Schichten; (b) 45°-Re-Orientierung der trapezoiden Segmente 13 und 45°-Re-Orientierung der quadratischen Kerne 12 an benachbarten Schichten, oder (3) 45°-Rotation von Schichten, während das geometrische Zentrum 14 jeder Sektion 11 unter allen Schichten gemeinsam bleibt. Gemäß der Option (a) würde die Segmentierung, die in 2A gezeigt ist, auf sich selbst überlagert, wenn sie von Schicht zu Schicht geht, so dass alle Zentren 14 für jede Schicht direkt übereinander liegen. Die Flächengebilde im Kern 12 würden ihre Richtung um 90° an jedem Schichtübergang ändern. Bei der Option (b) ist jede Schicht 11 um 45° gedreht, und die Zentren 14 für jede andere Schicht sind ausgerichtet, aber die Zentren 14 für benachbarte Schichten sind relativ zueinander verschoben. Die 2B zeigt die Ausrichtung einer Schicht, die um 45° relativ zur Schicht in 2A gedreht ist. Die Option (3), gezeigt in 3, umfasst ebenfalls eine 45°-Rotation, erfordert aber, dass der Kern 12 und die Segmente 40 aller Sektionen 11 in einer Schicht in der Größe im Vergleich mit benachbarten Schichten bzw. einer benachbarten Schicht verringert sind, so dass die geometrischen Zentren 14 in gedrehten und nicht gedrehten Schichten sich vertikal zueinander ausrichten. Die 3A zeigt eine Schicht mit individuellen Elementen, die in der Größe reduziert und um 45° relativ zu der Schicht in 2A verdreht sind, während die 3B die Überlagerung der 2A und 3A zeigt. Wie oben erwähnt, ist nur die Option (a), 2A mit 90°-Drehungen der Kerne 12 an jedem Schichtübergang, geeignet, um eine vollständige Partitionierung der Fluide über die Länge der Packung in der Kolonne zu erzeugen.
  • Eine Variation der Dreh-Option der 2A umfasst die Verwendung von physischen Partitionen an einigen oder allen Grenzen der trapezoiden Segmente 13; jede Schicht kann viele kleine Partitionen aufweisen, oder mehr als eine Schicht kann wenige Partitionen verwenden, welche sich über zwei oder mehr Schichten in die bepackte Kolonnensektion erstrecken und zwar bis zu einer maximalen Länge, die mit der gepackten Höhe der Kolonne zusammenfällt.
  • Um die Leistung einer herkömmlichen gepackten Kolonne zu steigern, ist die Fläche der Sektionen 11 geringer als 1 m2, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 m2.
  • Eine alternative polygonale Anordnung von Packungs-Flächengebilden zum radialen Partitionieren der Kolonne ist in 4 gezeigt. Bei dieser Anordnung ist ein regelmäßig sechseckiger Kern 12 (gebildet aus einem zentralen rechteckigen Abschnitt und zwei benachbarten trapezoiden Abschnitten) von drei konzentrischen Bändern aus trapezoiden Segmenten 13 umgeben. Physische Partitionen können an keiner, einigen oder allen Stellen zwischen benachbarten Segmenten angeordnet werden. Wie bei der Anordnung der 2 und 3 wirkt die Anordnung dahingehend, einen einheitlichen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt aufrecht zu erhalten, wenn die Kolonne 10 nach vorne und zurück geneigt wird, wie zum Beispiel bei Anwendungen an Bord von Schiffen.
  • Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform sind die Packungs-Flächengebilde innerhalb der Grenzen einer Reihe von im Allgemeinen N-seitigen polygonalen Bänder mit sich steigender Größe über eine Kolonne angeordnet, wobei N eine ganze Zahl ist, vorzugsweise gerade und vorzugsweise im Bereich von 4–64. Die Polygone sind symmetrisch um das Zentrum der Kolonne herum angeordnet. Nahe der Wand der Kolonne kann die Polygonform nicht aufrecht erhalten werden, und die Packungssegmente sind so hergestellt, dass sie sich an die Kolonnenwand anpassen. Die Ausrichtung der Packungs-Flächengebilde innerhalb jedes Segments ist tangential zu einem Kreis, der konzentrisch mit der Kolonne ist, außer in der Nähe des Zentrums der Kolonne, wo der Kern durch eine Reihe von kleinen Segmenten mit beliebiger Ausrichtung gefüllt ist. Jede Schicht kann, wenn gewünscht, um einen gewissen Winkel relativ zu den anliegenden Schichten gedreht werden, vorzugsweise um einen Winkel π/N in Radian. Es ist zu erwarten, dass der Bereich der größten Packungssegmente in einer polygonalen Anordnung wesentlich den Bereich der individuellen Sektionen der Ausführungsform überschreitet, die in den 2 und 3 dargestellt ist, und zwar für eine Kolonne mit dem gleichen Durchmesser.
  • Die 5A zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung ähnlich derjenigen aus 4, wobei aber der Kern 12 partitioniert ist.
  • Die 5B zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung, bei welcher der Kern 12 ein regelmäßiges Sechseck ist und durch ein oder mehr Bänder umgeben ist, die aus rechteckigen Segmenten 13a ausgebildet sind, welche sich mit im Wesentlichen trapezoiden Segmenten 13 abwechseln. Die Packungs-Flächengebilde in Segmenten 13a erstrecken sich senkrecht vom Kern, während, wie bei den anderen dargestellten Ausführungsformen, diejenigen in den Segmenten 13 sich parallel zu der benachbarten Seite des Kerns 12 erstrecken.
  • Die 5C zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung ähnlich derjenigen aus 5A, wobei aber der Kern 12 ein regelmäßiges Sechseck ist und durch ein oder mehrere Bänder aus trapezoiden Segmenten 13 umgeben wird.
  • Die 5D zeigt eine Packungs-Flächengebilde-Anordnung, bei welcher der Kern 12 ein regelmäßiges Sechseck ist und durch zwei oder mehrere Bänder umgeben wird, von denen jedes aus nicht regelmäßigen Sechsecken gebildet wird, mit einer Basis von der gleichen Länge wie die Kernseiten und symmetrisch um einen Radius vom Kernzentrum.
  • Die 6 und 7 zeigen einen Flüssigkeits-Verteiler, der zur Verwendung mit Kolonnen gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird. Der Verteiler stimmt mit einer bevorzugten Ausführungsform desjenigen überein, der den Gegenstand der europäischen Patentanmeldung Nr. 99300361.5 ( EP 0 930 088 ) mit demselben Anmeldetag bildet.
  • Wie aus 6 hervorgeht, umfasst der Verteiler einen Kopftank 1, aus dem sich eine Hauptverteilungsleitung 2 zur Versorgung mit Flüssigkeit aus dem Kopftank erstreckt. Eine Vielzahl von Leitungsabzweigungen 3 erstreckt sich aus der Hauptleitung 2 über rein von Reservoir-Zellen 4 in einer Flüssigkeits-Verteilungsplatte 5 (siehe 7), die oberhalb der strukturierten Packung 6 in einer Destillationskolonne (nicht gezeigt) einer kryogenen Luftzerlegungseinheit angeordnet ist, welcher auf einem Schiff (nicht gezeigt) angebracht ist. Jede Leitungsabzweigung 3 hat eine Reihe von beabstandeten Versorgungsröhren 7, die individuell mit einer entsprechenden Reservoirzelle 4 der jeweiligen Reihe ausgerichtet ist.
  • Wie in 7 gezeigt ist, ist die Verteilerplatte 5 eine kreisförmige Scheibe, welche den gesamten Querschnitt der Kolonne oberhalb der Packung abdeckt und identische Bohrungen 4, 8 mit quadratischem Querschnitt hat, die darin in einheitlichen, kreuz und quer verlaufenden Reihen ausgebildet sind. Abwechselnde Bohrungen 8 (Dampfaufstiegspassagen) sind sowohl am Oberteil als auch am Boden offen, um die freie Strömung von Dampf durch sie hindurch gestatten, und die verbleibenden Bohrungen 4 (Reservoirzellen) sind an ihren Basen bis auf ein zentrales Loch (nicht sichtbar) blind geschlossen, um einen begrenzten Strom an Flüssigkeit durch sie hindurch zu gestatten.
  • Beispiel
  • Ein Verteiler, wie er oben unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben wurde, wird auf eine kryogene Luftzerlegungskolonne mit 2,9 m Durchmesser an Bord eines Schiffs aufgesetzt, welche mit strukturierten Packungs-Flächengebilden gepackt ist, wie sie unten beschrieben werden. Die Kolonne produziert ungefähr 1000 Tons/Tag (900 Tonnen) Sauerstoff mit einer Flüssigkeits-Strömungsrate von 0,042 m3/s und einer Dampf-Strömungsrate von 5,04 m3/s. Der Verteiler ist dimensioniert für eine ±12°-Neigung der Kolonne von der Vertikalen aus, mit einer 15-Sekunden-Periode und einer durchschnittlichen Schlagseite von 2° aus der Vertikalen.
  • Jede Reservoirzelle in der Verteilerplatte ist ungefähr 0,050 m × 0,050 m quadratisch und 0,38 m hoch mit einer Lochgröße von 0,005 m, was ein 30 s-Inventar an Flüssigkeit ergibt. Die Höhe des Flüssigkeitspegels im Kopftank liegt bei ungefähr 1,2 m und die Gesamthöhe des Verteilersystems ist ungefähr 3 m. Dieses System ergibt eine Gesamt-Strömungsvariation von ±5% während des Betriebes.
  • Im Gegensatz hierzu würde, wenn dieselbe Kolonne mit einem herkömmlichen Leitungsverteiler ausgestattet wäre, ein Flüssigkeitspegel von 7,5 m notwendig, um eine ±5%-Strömungsvariation zu erzielen. Die Gesamthöhe des herkömmlichen Leitungsverteilers wäre ungefähr 9 m (d. h. ungefähr dreimal so viel wie beim Beispiels-Verteiler gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig ist).
  • Die Kolonne ist mit Packungs-Flächengebilden bepackt, die in der Art und Weise, wie in 2a gezeigt, in 16 identischen, quadratischen Sektionen angeordnet sind, jede mit 0,52 m-Seiten und Gebilde aus einem quadratischen Kern von 0,12 m-Seiten, umgeben von vier trapezoiden Segmenten, die jeweils aus 20 bis 40 Packungs-Flächengebilden bestehen, abhängig von der Wellenhöhe. Acht trapezoide Elemente sind um die Peripherie der Kolonne herum angeordnet, mit einigen unregelmäßig geformten Elementen nahe der Wand, um den kreisförmigen Querschnitt aufzufüllen. Die Kerne sind um 90° an jeder abfolgenden Schicht gedreht, während die trapezoiden Segmente nicht gedreht sind.
  • Es versteht sich für Fachleute, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Details beschränkt ist, die oben beschrieben wurden, und dort viele Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims (16)

  1. Flüssigkeits-Dampf-Kontaktkolonne mit einer hohlen Kolonne (10), die mit mindestens einer Schicht bepackt ist, welche aus einer Vielzahl von Flächengebilden aus strukturierter Packung besteht, die so ausgerichtet sind, dass sie einen Flüssigkeits-Dampf-Kontakt in der Axialrichtung der Kolonne bereitstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungs-Flächengebilde, in Axialrichtung der Kolonne gesehen, in dem Körper der Schicht in einer oder mehreren Sektionen (11) angeordnet sind, wobei mindestens ein Band einen zentralen Kern (12) umgibt, der, in Axialrichtung gesehen, einen polygonalen Querschnitt mit mindestens vier Seiten hat, wobei das Band aus Segmenten (13) gebildet ist, von denen jedes, in Axialrichtung gesehen, einen trapezoiden Querschnitt hat, wobei die Packungs-Flächengebilde in jedem Segment (13) sich geradlinig in einer anderen Richtung erstrecken, als diejenigen in den benachbarten Segmenten (13) im selben Band.
  2. Kolonne nach Anspruch 1, bei der der polygonale Querschnitt ein regelmäßiges Polygon ist.
  3. Kolonne nach Anspruch 1, bei der der polygonale Querschnitt ein Quadrat ist.
  4. Kolonne nach Anspruch 1, bei der der polygonale Querschnitt ein regelmäßiges Sechseck ist.
  5. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Packungs-Flächengebilde in mindestens einigen Segmenten (13) in einem Band sich parallel zu der benachbarten Seite des Kerns (12) erstrecken.
  6. Kolonne nach Anspruch 5, bei der die Packungs-Flächengebilde in allen Segmenten (13) in einem Band sich parallel zu der benachbarten Seite des Kerns (12) erstrecken.
  7. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Packung-Flächengebilde in mindestens einigen Segmenten (13) in einem Band sich senkrecht zur benachbarten Seite des Kerns (12) erstrecken.
  8. Kolonne nach Anspruch 7, bei der die Packungs-Flächengebilde in abwechselnden Segmenten (13) in einem Band sich parallel zur benachbarten Seite des Kerns (12) erstrecken und die Packungen in den dazwischenliegenden Segmenten (13) in dem Band sich senkrecht zur benachbarten Seite des Kerns (12) erstrecken.
  9. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Segment (13) eines Bandes identisch mit dem Komplementärsegment (13) des Bandes ist.
  10. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Segment (13) eines Bandes an seinen Seiten durch eine sich axial erstreckende Umfangswand begrenzt ist.
  11. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Packungs-Flächengebilde in dem Körper der Schicht, in Axialrichtung gesehen, in einer Vielzahl der Sektionen (11) angeordnet sind, die aneinander stoßen.
  12. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Packungs-Flächengebilde in dem Körper der Schicht, in Axialrichtung gesehen, in einer einzigen Sektion (11) angeordnet sind.
  13. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwei oder mehr der Bänder konzentrisch den Kern (12) umgeben.
  14. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwei oder mehr Schichten vorhanden sind, die im Winkel so ausgerichtet sind, dass die Segmente (13) jeder Schicht nicht axial mit den entsprechenden Segmenten (13) der benachbarten Schichten) ausgerichtet sind.
  15. Kolonne nach Anspruch 14, bei der die Packungs-Flächengebilde in dem Körper jeder Schicht, in Axialrichtung gesehen, in einer Vielzahl aneinander stoßender Sektionen (11) angeordnet sind und die Zentren (14) mindestens einiger Kerne (12) jeder Schicht koaxial mit Zentren (14) von Kernen (12) in den benachbarten Schichten bzw. der benachbarten Schicht ausgerichtet sind.
  16. Kolonne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die strukturierte Packung aus Flächengebilden aus Wellmetall, in Abschnitten miteinander verbunden, besteht, welche eine Reihe von einander kreuzenden, offenen Kanälen ausbilden.
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