-
Verfahren und Vorrichtung zur Verteilung der auf Füllkörpersäulen
aufgegebenen Flüssigkeit
Die Erfindung l)ezieht sich auf ein Verfahren zur Verteilung
der auf Füllkörpersäulen aufgegebenen Flüssigkeit und auf Vorrichtungen zur Durchführung
dieses Verfahrens.
-
Füllkörpersäulen, z. B Fraktionierkolonneni, Absorptionstürme usw.,
dienen dazu, Dämpfe oder Gase im Gegenstrom mit einer Flüssigkeit, die in feinverteilter
Form vorliegt, in Berührung zu bringen. Die Wirkung solcher Säulen ist um so besser,
je gleichmäßiger dieVerteilung der Flüssigkeit über den gesamten Querschnitt der
Säule erfolgt.
-
Um durch eine besondere Art der Aufgabe der Flüssigkeit diese Gleichmäßigkeit
der Verteilung zu erreichen. ist vorgeschlagen worden, I(olonnenaufsätze u. dgl.
als Flüssigkeitsverteiler zu benutzen, die als gelochte Bleche, Wannen und Tassen
mit Überläufen, Trichter mit Rillen usw. ausgebildet waren. Da ihre Wirkung jedoch
stark von der Menge der aufgegebenen Flüssigkeit abhängt und ihre Form der Säule
und den Medien empirisch angepaßt werden muß, so stellen die bekannten Flüssigkeitsverteiler,
soweit sie überhaupt die beabsichtigte Wirkung ausüben, nur eine noch sehr unvollkommene
Lösung des vorliegenden Problems dar.
-
Es ist weiter vorgeschlagen worden, die Flüssigkeit mittels eines
umlaufenden Tellers mit verschieden großen Sektoren aufzuteilen, derart, daß sich
an die Sektoren des Tellers verschieden lange mit umlaufende Ablaufrinnen anschließen
und die Aufteilung der Flüssigkeit auf die Sektoren dem Ab-
stand
der Ablaufenden der Rinnen von der Drehachse entsprechen soll (Patent I40 998).
In grundsätzlich ähnlicher Weise ist vorgeschlagen. worden, die Flüssigkeit durch
konzentrisch angeordnete umlaufende Rohre verschiedenen Durchmessers abzuschleudern,
wobei die Flüssigkeit den einzelnen Rohren in dem Verhältnis der Durchmesser der
Schleuderränder der Rohre zugeführt werden soll (Patent 24I 009).
-
Die beiden letztgenannten Vorrichtungen geben also die Flüssigkeit
in Kreisringen auf, deren Durchmesser der auf sie entfallenden Teilmenge proportional
ist. Diese Vorrichtungen können jedoch die Flüssigkeit nicht gleichmäßig über den
Querschnitt der Füllkörpersäule verteilen, da die unterhalb der Kreisringe liegenden
Teilflächen proportional dem Quadrat der Durchmesser sind.
-
Davon abgesehen, bringen diese Vorschläge den überstand mit sich,
daß die Vorrichtungen sehr verwickelt und vielteilig sind. Die drehbaren Teile,
ihre Lagerung und Abdichtung führen zu baulichen und betrieblichen Schwierigkeiten,
insbesondere dann, wenn die Säulen unter Druck oder Unterdruck arbeiten, wenn die
zu destillierenden Flüssigkeiten Korrosionen verursachen oder höhere Temperaturen
auftreten. Weiter ist ihre Wirkung erheblich von der Menge der aufzugebenden Flüssigkeit,
ihrem spezifischen Gewicht und ihrer Zähigkeit abhängig, da nur bei ganz bestimmten
Drehzahlen die Kontinuität der zu- und abgeführten Flüssigkeitsmengen gewällrleistet
ist (vgl. Patent I40 99S, Zeile 66 ff.). Die Durchmesser der durch Abschleudern
entstehenden Flüssigkeitsringe sind ebenfalls abhängig von der Masse der Flüssigkeit
und der Umlaufgeschwindigkeit.
-
Es ist also nötig, solche Verteilungsvorrichtungen jeweils der Menge
der aufgegebenen Flüssigkeit, dem aufgegebenen Medium und der Form der Säule empirisch
anzupassen. Die bekanntgewordenen Verfahren und Vorrichtungen stellen, soweit überhaupt
die beabsichtigte Wirkung erzielt wird, nur eine sehr unvollkommene Lösung des vorliegenden
Problems dar.
-
Eingehende Versuche über die Verteilung der Flüssigkeit in Füllkörpersäulen
technischer Größe in Abhängigkeit von der Art des Aufbringens der zu verteilenden
Flüssigkeit ergaben, daß bei der Aufgabe in einem Strahl die Verteilung über die
ganze Säule etwa kegelförmig bzw. glockenförmig von der Aufgabestelle ausgeht, so
daß auf der Basismitte dieses Kegels die spezifische Berieselungsmenge (Regenhöbe)
½ (das ist das Verhältnis von der tatsächlich anfallenden zu der bei vollkommen
gleichmäßiger Verteilung theoretisch auftreffenden Flüssigkeitsmenge) je nach Durchsatz
3 bis 6 beträgt, und daß die Regenhöhe zum Rand der Basis hin verhältnismäßig auf
o abfällt, d. h. von b = 1 ab unter der theoretisch gleichb1 mäßigen Verteilung
liegt.
-
Erfolgt die Aufgabe in mehreren oder vielen einzelnen Strahlen, so
überdecken sich die Verteilungskegel mehr oder weniger. Eine gleichmäßige Beaufschlagung
des gesamten Querschnittes der Säule wird aber nur dann erzielt, wenn die Aufgabestellen
so angeordnet werden, daß sie jeweils über dem Schwerpunkt der zugeordneten Teililäcbe
liegen und gleichzeitig die Teilflächen durch richtig bemessene Abstände der Aufgabestellen
der über die in der Zeiteinheit zugeführten Flüssigkeitsmenge proportional werden.
-
Es wurde nun gefunden, daß diese Bedingungen durch eine äußerst einfache
feststehende Vorrichtung erfüllt werden können, da erfindungsgemäß die Aufgabe der
auf eine Füllkörpersäule aufgegebenden Flüssigkeit in einem konzentrischen Ring
oder mehreren erfolgen soll, dessen Schwerelinie bzw. deren mittlere Schwerelinie
einen gegenüber dem Kreis des lichten Durchmessers bzw. dem einbeschriebenen Kreis
der Säule nach der Formel
bemessenen Kreis darstellt. Unter Schwerelinie wird dabei die Massenschwerelinie
der aufgegebenen Flüssigkeit verstanden. Bei Säulen mit polygonalem Querschnitt
bleiben die außerhalb des einbeschriebenen Kreises liegenden Ecken außer Betracht.
-
Zweckmäßig wird dieses Verfahren durchgeführt mittels einer Vorrichtung,
deren Flüssigkeitszuführung als kegel- bzw. kugelförmiger Teller mit dem gleichen
Durchmesser ausgebildet ist.
-
Mit Vorteil kann die Flüssigkeitszuführung als Tellerring mit beiderseitigem
Ablauf ausgebildet werden, bei dem die Durchmesser der Innenkante und der Außenkante
des Tellerringes in einem ganz bestimmten Verhältnis zum Säulendurchmesser und zu
der über die Außen- und Innenkante übertretenden Flüssigkeit stehen, derart, daß
der Durchmesser der Innenkante
und daß der Durchmesser der Außenkante
wobei D den Säulendurchmesser und k das Verhältnis der über die Außenkante des Ringes
zu der über die Innenkante übertretenden Flüssigkeitsmenge bezeichnet.
-
Beispiele I, Für D = 1000 mm und Ae = I wird aus den angegebenen
Formeln di = 500 mm und da = 866 mm. Errechnet man hieraus die beströmten Flächen,
so erkennt man, daß die senkrecht unter dem Tellerring liegende Fläche doppelt so
groß ist wie jede der sie begrenzenden Flächen, d. h. die äußere Ringfläche und
die innere Kreisfläche. Da die gleichen Mengen (k = I !) über die Innen-und Außenkante
des Tellerringes fließen und die Kanten gleichmäßig nach innen und außen verteilen,
treffen gleiche Flüssigkeitsmengen auf gleiche Flächen. Die mittlere Massenschwerelini
e
stellt also einen Kreis dar, der den Säulenquerschnitt halbiert,
sein Durchmesser ist
2. Für D = I000 mm und k = 2 wird hingegen dt = 408 mm und da = 8I6 mm. Errechnet
man wieder die beströmten Flächen, so ergibt sich, daß die Tellerringfläche ebenso
groß ist wie die Summe aus der äußeren Ringfläche und der inneren Kreisfläche und
ferner die äußere Ringfläche doppelt so groß wie die innere Kreisfläche. Strömt
also über die Außenkante des Tellerringes doppelt soviel Flüssigkeit wie über seine
Innenkante (k = 2 !), so werden wiederum gleichen Flächen gleiche Flüssigkeitsmengen
zugeordnet, und die mittlere Massenschwerelinie ergibt sich genau wie unter I.
-
Mit Vorteil kann die Flüssigkeitsaufgabe für den Teller bzw. Tellerring
als Zulaufftasse bzw.
-
Zulaufring mit schlitzförmigen Ausläufen ausgebildet sein.
-
Wird die Schüttung des Turmes in bekannter Weise so gewählt, daß
eine ungleichmäßige Ablenkung vermieden wird, was z. B. durch Schütten von Füllkörpern
mit gleichen Abmessungen in den drei Raumrichtungen, z.B. Ringen, deren Höhe gleich
dem Durchmesser ist teils von den Wänden aus, teils vom Zentrum aus, erfolgen kann,
und die Berieselung in der bisher üblichen Weise vorgenommen, so wird trotz der
an sich nicht ablenkenden Füllung eine ungleichmäßige Verteilung infolge der Art
der Aufgabe der Flüssigkeit erfolgen, während bei der Flüssigkeitsaufgabe nach der
Erfindung die Flüssigkeitsverteilung über den Querschnitt und die Höhe des Turmes
gleichmäßig ist.
-
Bild I zeigt z. B. eine solche durch Versuche bestimmte Verteilung
in einer Füllkörpersäule von I000 mm q) und 6500 mm Höhe bei mittiger Aufgabe des
Flüssigkeitsstrahles und einer Berieselung mit 300 und 6oo kg/h. Die dargestellte
Flüssigkeitsverteilung wurde jeweils sowohl in einem Horizont unterhalb der Füllkörpersäule
wie auch etwa in halber Höhe ermittelt.
-
Für außermittige Aufgabe des Strahls gilt die gleiche Darstellung
mit entsprechender seitlicher Verschiebung.
-
Eine nahezu ideale Verteilung der Flüssigkeit in einer Füllkörpersäule
wird nun erhalten, wenn die Flüssigkeit ringförmig konzentrisch so aufgegeben wird,
daß der Durchmesser des Aufgaberinges d im Verhältnis zum lichten Durchmesser D
der Säule bzw. des einbeschriebenen Kreises ungefähr
beträgt.
-
Die Gleichmäßigkeit der Verteilung ist bei diesem Vorgehen im übrigen
in weiten Grenzen unabhängig von der Menge der aufgegebenen Flüssigkeit.
-
Zur Durchführung der Flüssigkeitsaufgabe gemäß der Erfindung wird
zweckmäßig ein kegelbis kugelförmig gekrümmter Teller vorgesehen, auf dessen Mitte
die Flüssigkeit aufgebracht wird, die nach dem Rand mit dem Durchmesser abläuft.
-
Die Flüssigkeit trifft also in Form eines Ringes mit dem erfindungsgemäßen
Durchmesser auf die Füllkörperbeschickung der Säule auf.
-
Die gleichmäßige Verteilung wird dadurch wesentlich unterstützt,
daß auf dem Teller eine Zulauftasse mit Überlaufschlitzen angebracht wird.
-
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß beim Einbau des Tellers geringe
Verschiebungen aus der waagerechten Lage keinen nennenswerten Einfluß auf die Verteilung
der Flüssigkeit auf den Rand haben, da eine gewisse Höhe des Flüssigl;eitsstandes
in der Tasse die durch die hohen schmalen Schlitze fließende Menge annähernd gleich
hält. Dabei ergibt jeder Schlitz der Tasse infolge der räumlichen Krümmung der Fläche
des Ablaufringes nicht eine, sondern eine Vielzahl von Abtropfstellen am Rand des
Ringes.
-
Bild 2 stellt z. B. entsprechend dem Bild I schauhildlich die Flüssigkeitsverteilung
in einer Füllkörpersäule bei verschiedenen Durchsätzen mit Hilfe eines derartigen
Verteilers dar.
-
Bild 3 gibt die schematische Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform
wieder. Es ist a der Teller, b die Tasse mit den Schlitzen, c und e der Flüssigkeitszulauf
in die Tasse. Am Rand f des Tellers a mit dem Durchmesser
fließt die Flüssigkeit gleichmäßig verteilt auf die Füllkörpersäule g, die den lichten
Durchmesser D hat.
-
In Bild 4 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, die insbesondere
für Füllkörpersäulen größeren Durchmessers Verwendung finden kann.
-
Es ist der ringförmige Ablauf in zwei konzentrische, ringförmige Abläufe
derart unterteilt, daß der Teller a die Form eines im Querschnitt dreieckigen bis
kugelabschnittförmigen Ringes erhält, auf dem eine zylinderförmige Tasse b mit den
beiderseitigen Schlitzen ci und ca aufgesetzt ist.
-
Die beste Wirkung mit einem derartigen Verteiler wird unabhängig
vom Säulendurchmesser und der Berieselungsmenge erreicht bei einem inneren Durchmesser
des Verteilerringes
und einem äußeren Durchmesser
D ist wieder der lichte Durchmesser der Säule g und k das Verhältnis der durch die
äußere Schlitzreihe da bzw. über die Ablaufkante Ja übertretenden Flüssigkeitsmenge
zu der durch die innere Schlitzreihe c1 auf den Rand Jt laufenden Menge.
-
Bei gleicher Schlitzgröße wird das Verhältnis eindeutig bestimmt
durch die Zahl der inneren und äußeren Schlitze.
-
Die genannten Formeln sind aus den Versuchen abgeleitet und stützen
sich auf die Tatsache, daß die von der bzw. den Ablaufkanten des Verteilers in die
Füllkörpersäule eintretende Flüssigkeit sich senkrecht zur Ablaufkante gleichmäßig
nach der Säulenmitte und dem Säulenrand hin weiterver-
teilt. während
die ringförmige Verteilung in der Säule durch den Verteiler selbst in der Hauptsache
heeinflußt wird.
-
Je nach der Menge der zulaufenden Flüssigkeit und der Niöglichkeit
wechselnde Nlengen im Betriebsgang aufgeben zu müssen, kömlen die Tassenschlitze
auch eine sich nach oben verbreiternde Form erhalten, um bei größerenDurchsätzen
das ungeregelte Überlaufen der Tasse zu vermeiden.
-
Das Vorgehen nach der Erfindung führt eine selbst bei hoher Flüssiglseitsaufgabe
gleichmäßige Verteilung herbei. Wird z. B. ein Turm von 6 m Füllhöhe und 1 m lichtem
Durchmesser mit Füllkörpern so gefüllt, daß eine gleichmäßige Verteilung der Füllkörper
eintritt (regel lose Lagerung), wobei als Füllkörper verwendet wurdell Eisenblechringe,
deren Höhe gleich dem Durchmesser ist (25/25), sowie Tonringe (35/35 und so/so)
und Koks (20/40), so ergab sich sowohl bei einer Flüssigkeitsaufgabe von 300 kg/'h
als auch bei einer Flüssigkeitsaufgabe von 600 kg/h eine gleichmäßige Verteilung
über den gesamten Turm luerschnitt.
-
PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Verteilung der auf Füllkörpersäulen
aufgegebenen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabe in einem konzentrischen
Ring oder mehreren erfolgt, dessen Schwerelinie bzw. deren mittlere Schwerelinie
einen gegenüber dem Kreis des lichten Durchmessers bzw. dem einbeschriebenen Kreis
der Säule (D) nach der Formel
bemessenen Kreis darstellt.