DE9107782U1 - Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch - Google Patents
Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder WärmeaustauschInfo
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Description
DEG-33 371
Chematec AG
Chematec AG
Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch
Die Erfindung betrifft eine Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch
zwischen einer gasförmigen, mindestens einer flüssigen und mindestens einer festen Phase sowie deren Verwendung zum Destillieren,
Rektifizieren, Absorbieren, Extrahieren, Trocknen oder Befeuchten oder zum Durchführen chemischer Reaktionen.
Es sind Packungen oder Füllkörper für den Einbau in Stoffaustausch- und/oder Wärmeaustauschkolonnen bekannt, die
die Austauschoberfläche für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch
zwischen den miteinander in Kontakt stehenden Phasen zur Verfügung stellen. Wenn an dem Austausch eine oder mehrere
flüssige Phasen beteiligt ist bzw. sind, so findet der Austausch nur an der von dieser Phase bzw. diesen Phasen benetzten
Oberfläche der Packungen bzw. der Füllkörper statt. Der Anteil der Oberfläche, der von der flüssigen Phase bzw. den
flüssigen Phasen benetzt ist, soll also möglichst gross sein, da der nicht benetzte Anteil für den Austausch verloren ist.
Die bisher bekannten Packungen oder Füllkörper nehmen jedoch nicht aktiv am Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch teil.
Unter Sorption versteht man die Aufnahme eines Gases oder Dampfes durch einen anderen, mit ihm in Berührung
stehenden Stoff, dem Sorbens. Der Oberbegriff "Sorption" umfasst
a) die Absorption, das heisst, das Eindringen von Gasen oder Gasgemischen durch Diffusion in eine Flüssigkeit oder
einen festen Stoff, das Absorbens;
b) die Adsorption, das heisst, die reversible Anlagerung von Gasen und gelösten Stoffen an Phasengrenzflächen, nämlich
der Oberfläche eines festen Stoffes oder einer Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, unter dem Einfluss von van
der Waals'sehen oder elektrostatischen Kräften;
c) die Kapillarkondensation, das heisst, die Kondensation von Dämpfen in feinen Poren eines porösen festen Stoffes
während eines Adsorptionsvorganges;
d) die Chemisorption, das heisst, ein irreversibler Adsorptionsprozess,
bei dem chemische Reaktionen eintreten;
e) die Desorption, das heisst, das Abtrennen sorbierter Komponenten
von dem Sorbens.
Es sind bereits Anwendungen der Adsorption bekannt, bei denen das Adsorptionsmittel in körniger Form im Festbett,
im Bewegtbett oder im Wirbelbett oder (nur für Flüssigkeiten) in Pulverform angewendet wird. Festbettverfahren können zur
Behandlung von gasförmigen und flüssigen Medien verwendet werden. Die Anwendung von Verfahren mit bewegtem Adsorptionsmittel
bereitet bei Systemen mit einer festen Phase Schwierigkeiten infolge von Adsorptionsmittelverlusten durch Abrieb
und Störanfälligkeit der Transporteinrichtungen für den Feststoff. Vor allem Aktivkohle wird in grösserem Umfang als
Pulver zum Entfärben und Reinigen von Lösungen in den verschiedensten Industriezweigen verwendet. Bisher wurde die Adsorption
nur in Systemen angewandt, in denen nur feste und flüssige oder nur feste und gasförmige Phasen getrennt werden,
z.B. zum Filtern in der Abwassertechnik oder bei der Abluftreinigung.
Die Anwendung der Adsorption in Drei- und Mehrphasensystemen, das heisst, Systemen mit einer gasförmigen, mindestens
einer flüssigen und mindestens einer festen Phase, die alle am Stoffaustausch beteiligt sind, wurde jedoch zum Destillieren,
Adsorbieren, Extrahieren und dergleichen noch nicht in Betracht gezogen.
91
^1 s=p &eegr; ^&idigr; ij
U I ! ü &iacgr;&ogr;
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kolonnen zur Verfügung zu stellen, die die Anwendung der
Adsorption für den Stoff- und/oder Wärmeaustausch in Dreioder Mehrphasensystemem erlauben.
Die erfindungsgemässe Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch ist dadurch gekennzeichnet,
dass die in ihr enthaltenen Einbauelemente aus einem mindestens auf einem Teil seiner Oberfläche mit Fasern,
Flächengebilden oder Partikeln aus Kohlenstoff beschichteten Substrat aus Metall, keramischem Material oder Kunststoff,
insbesondere extrudierbarem Kunststoff, bestehen.
Durch die Anwendung der Adsorption in einem solchen Drei- oder Mehrphasensystem zum Destillieren, Rektifizieren,
Absorbieren, Extrahieren, Trocknen oder Befeuchten oder zum Durchführen chemischer Reaktionen kann eine Verbesserung des
Wirkungsgrades gegenüber den eingangs erwähnten bekannten Packungen und Füllkörpern erzielt werden, wobei die Anzahl
der Uebergangseinheiten oder Trennstufen ("theoretische Bodenzahl") erhöht wird, so dass cie Kolonnenhöhe reduziert werden
kann. Wenn saure Gase absorbiert werden, kann eine starke Pufferwirkung beobachtet werden, so dass der pH-Wert wesentlich
länger im Bereich von 6 bis 9 bleibt, als aufgrund der absorbierten Gasmenge zu erwarten wäre, was wiederum eine
höhere Aufnahmefähigkeit für das saure Gas hervorruft.
Der Ausdruck "Kolonne" umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung übliche Vorrichtungen für den
Stoffaustausch und/oder den Wärmeaustausch. Solche Vorrichtungen besitzen in der Regel die Form eines Turmes
oder einer Säule und werden beispielsweise zum Destillieren, Rektifizieren, Absorbieren, Adsorbieren,
Regenerieren, Extrahieren, Trocknen, Befeuchten oder zur Durchführung chemischer Reaktionen verwendet. Insbesondere
1 07 782.
_ 4 —
umfasst der Ausdruck Kolonnen, welche Einbauelemente enthalten können. Derartige Kolonnen sind z. B. in CH-PS
398 503 beschrieben.
Das Substrat kann aus Metall, vorzugsweise rostfreiem Stahl oder Kohlenstoffstahl, keramischem
Material, vorzugsweise Steingut oder Porzellan, oder Kunststoff, insbesondere extrudierbarem Kunststoff,
vorzugsweise thermoplastischem Kunststoff, insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder
Polyvinylidenfluorid, bestehen. Es kann mit Gewebe, Vlies, Filz, Fasern, Faserhäcksel, Granulat, Schuppen oder Nadeln
aus Kohlenstoff beschichtet sein. Die besten Resultate werden jedoch im allgemeinen mit einem Kohlenstoff-Fasergewebe aus
senkrecht zueinander verlaufenden Kett- und Schussfäden erzielt. Das Gewebe hat vorzugsweise ein Flächengewicht von
250 bis 460 g/m und eine Dicke von 0,5 bis 1 mm. Die Faserdicke kann 18 um oder auch mehr betragen. Vorzugsweise ist
die freiliegende Oberfläche des Kohlenstoffs nicht versiegelt.
Bei der Herstellung der Einbauelemente wird die Kohlenstoffbeschichtung auf das Substrat aufgebracht.
Die Herstellung der Einbauelemente kann dabei durch Verkleben oder Verschweissen der Kohlenstoffbeschichtung mit
dem Substrat oder Aufwalzen, Aufpressen oder Thermokalandrieren der Kohlenstoffbeschichtung auf das Substrat erfolgen,
wobei das beschichtete Substrat vorher oder nachher in eine geeignete Form gebracht wird. Es eignen sich die üblichen
Formen von Einbauelementen für Kolonnen für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch.
Die Einbauelemente können vorzugsweise als parallel zur Kolonnenachse angeordnete Lamellen ausgebildet sein,
91 &Pgr;7 782,
welche einander berühren können. Besonders geeignet sind Packungen der in CH-PS 398 503 beschriebenen Art, in welchen
mindestens eine von zwei sich berührenden Lamellen geriffelt ist und die Riffelungen von aufeinander folgenden geriffelten
Lamellen verschiedene Richtungen haben. Die Riffelung kann beispielsweise eine zacken- oder wellenförmige Profilierung
sein. Vorzugsweise ist die Riffelung von mindestens einer von zwei aufeinander folgenden geriffelten Lamellen so
gerichtet, dass sie mit der Kolonnenachse einen Winkel von 20 bis 70°, beispielsweise etwa 45°, bildet. Insbesondere
kann die Riffelung der Lamellen so angeordnet sein, dass sie für alle Lamellen etwa gleiche Neigung zur Kolonnenachse
aufweist, aber sich die Richtungen der Riffelungen von je zwei benachbarten Lamellen schneiden.
Versuche haben ergeben, dass die Oberfläche der Beschichtung bei einem mit Kohlenstoff-Fasern oder -Filamenten
beschichteten Substrat infolge der Kapillarkräfte in den Fasern bzw. Filamenten von Flüssigkeiten aller Art, wie
Wasser, wässrigen Lösungen, organischen Lösungsmitteln oder sogar schweren, viskosen Oelen vollständig benetzt wird. Der
gemessene Kontaktwinkel &bgr; betrug 0 (cos^ = 1). Es ist ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass dieser Effekt sowohl mit hydrophilen als auch mit lipophilen Flüssigkeiten
erzielt wird.
In der beiliegenden Zeichnung sind besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein beidseitig mit Kohlenstoff-Fasergewebe beschichtetes Substrat ,
&Pgr; 7 1 ü
Fig. 2 ein einseitig mit Kohlenstoff-Faserhäcksel beschichtetes Substrat ,
Fig. 3 ein Einbauelement für eine erfindungsgemasse Kolonne,
Fig. k ein Diagramm, in dem die Trennleistung einer
erfindungsgemässen Kolonne gegen den Gasbelastungsfaktor F
aufgetragen ist.
10
10
In Fig. 1 ist ein Substrat 2 dargestellt, das eine Dicke von 2 bis 3 mm hat und aus einem Thermoplasten besteht.
Das Substrat 2 ist beidseitig mit einem Kohlenstoff-Fasergewebe 1 beschichtet.
Das in Fig. 2 gezeigte Substrat 2 ist einseitig mit Kohlenstoff-Faserhäcksel 3 beschichtet.
In Fig. 3 ist das Einbauelement mit 4 bezeichnet.
Eine erfindungsgemässe Absorptionskolonne, die Einbauelemente
aus mit Kohlenstoff-Fasern beschichtetem Polypropylen enthielt, wurde mit einer Absorptionskolonne verglichen,
die die ältesten bekannten geordneten Einbauelemente aus unbeschichtetem Polypropylen enthielt. Die erfindungsgemäss
verwendeten Einbauelemente und die bekannten Einbauelemente
2 ^ hatten die gleiche spezifische Oberfläche von 2^5 m /nr sow
die gleiche geometrische Form und die gleichen Abmessungen.
Das Ergebnis des Leistungsvergleichs ist in Fig.
91 97 782.
wiedergegeben. Auf der Ordinate ist die Trennleistung, ausgedrückt
als Anzahl Uebergangseinheiten/m (number of transfer units per meter, NTUM)3 aufgetragen, und auf der Abszisse ist
der Gasbelastungsfaktor F =w\^T", wobei w die auf den gesamten
Kolonnenquerschnitt bezogene Gasgeschwindigkeit und £>g die
Gasdichte ist, ausgedrückt in (m/s)Vkg/m\ aufgetragen. Die
mit A bezeichnete Kurve zeigt die Werte für die erfindungsgemässe
Kolonne und die mit B bezeichnete Kurve diejenigen für die Kolonne nach dem Stand der Technik.
Der Kolonne wurde ein Gemisch aus Schwefeldioxid und Luft zugeführt, wobei die Eintrittskonzentration des SO?
bei 2 bis Ik g/Nm lag. Das Gas wurde mit Wasser bei einer
■&tgr; 2 Berieselungsdichte von 5 bis 20 m /m h gewaschen. Die Trennleistung
wurde nach der Formel von Chilton und Colburn (Ind. Eng. Chem. 2]_, 1935) berechnet und ausgewertet. Die erfindungsgemässe
Kolonne (Kurve A) wies gegenüber der Kolonne nach dem Stand der Technik (Kurve B) eine Verbesserung der Trennleistung
um bis zu 100% auf.
Ferner wurde eine erfindungsgemässe Destillationskolonne,
die mit Kohlenstoff-Fasern beschichtete Einbauelemente
aus rostfreiem Stahl enthielt, mit einer Destillationskolonne, die unbeschichtete Einbauelemente aus rostfreiem
Stahl enthielt, verglichen, wobei die Einbauelemente im übri-25
gen die gleichen Eigenschaften (spezifische Oberfläche, Form und Abmessungen) hatten wie die oben erwähnten Absorptionskolonnen.
Die Trennleistung wurde bei unendlichem Rücklauf gemessen. Der Gasbelastungsfaktur F wurde, wie in der Industrie
üblich, auf 2 bis 2,4 eingestellt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
| Stoffsystem | Kopfdruck mbar |
Trennleistung* | B*** |
| Aceton / Wasser Methanol / Wasser Isooctan / V/asser Isopropanol / V/asser |
990 990 1020 1000 |
A** | 3,5 3,1 2,2 2,4 |
| 5,5 4,8 3,0 3,6 |
* Anzahl Trennstufen ("theoretische Böden")/m
** Erfindungsgemässe Kolonne
*** Kolonne nach dem Stand der Technik
*** Kolonne nach dem Stand der Technik
Die erfindungsgemässe Kolonne erbrachte eine Verbesserung
der Trennleistung um bis zu 60%. Dass die Verbesserung der Trennleistung bei der Destillation geringer ist als
bei der Absorption, beruht darauf, dass bei einem Trennvorgang, der mit einer Phasenumwandlung verbunden ist, der für
die Phasenumwandlung erforderliche Energieaufwand (Verdampfungsenthalpie,
Kristallisationswärme usw.) gegenüber dem Energieaufwand für die Adsorption, die auf geringen Kräften
im molekularen Bereich (van der Waals'sche Kräfte, elektrostatische
Kräfte) beruht, überwiegt.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer erfindungsgemässen
Kolonne für Stofftrennungen durch Destillation, die wegen der ungenügenden Flüchtigkeitsunterschiede bei
Normaldruck bisher im Vakuum durchgeführt werden mussten, besteht darin, dass mit einer erfindungsgemässen Kolonne
schon bei Atmosphärendruck eine gleiche oder höhere Trennleistung erzielt werden kann als mit einer Kolonne nach dem
Stand der Technik im Vakuum, so dass der Aufwand für das Erzeugen und Aufrechterhalten eines Vakuums entfällt.
Claims (6)
1. Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch zwischen einer gasförmigen,
mindestens einer flüssigen und mindestens einer festen Phase, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauelemente aus einem
mindestens auf einem Teil seiner Oberfläche mit Fasern, Flächengebilden oder Partikeln aus Kohlenstoff beschichteten Substrat
(2) aus Metall, keramischem Material oder Kunststoff, insbesondere extrudierbarem Kunststoff, bestehen.
2. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Substrat (2) aus rostfreiem Stahl, Kohlenstoffstahl,
Steingut, Porzellan oder thermoplastischem Kunststoff, insbesondere Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder
PQ Polyvinylidenfluorid, besteht.
3. Kolonne nach -Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mit Gewebe, Vlies, Filz, Fasern,
Faserhäcksel, Granulat, Schuppen oder Nadeln aus Kohlenstoff beschichtet ist.
1I. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die freiliegende Oberfläche des Kohlenstoffs nicht versiegelt ist.
5. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis H, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit dem Substrat (2) verklebt oder verschweisst oder auf das Substrat (2) aufgewalzt,
aufgepresst oder thermokalandriert ist.
7 782.
6. Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauelemente als
parallel zur Kolonnenachse angeordnete Lamellen ausgebildet sind, welche einander berühren können.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9107782U DE9107782U1 (de) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9107782U DE9107782U1 (de) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9107782U1 true DE9107782U1 (de) | 1991-09-19 |
Family
ID=6868625
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9107782U Expired - Lifetime DE9107782U1 (de) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | Einbauelemente enthaltende Kolonne für den Stoffaustausch und/oder Wärmeaustausch |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9107782U1 (de) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4321743A1 (de) * | 1992-06-30 | 1994-03-17 | Fraunhofer Ges Forschung | Wärme- und Stoffaustauschreaktor |
| WO2005040693A2 (en) * | 2003-10-17 | 2005-05-06 | Oxycell Holding Bv | Heat exchange laminate |
| EP1538398A2 (de) * | 2003-12-05 | 2005-06-08 | 2H KUNSTSTOFF GmbH | Kontaktkörper, insbesondere für einen Verdunstungsbefeuchter, und Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers |
| EP1604737A1 (de) * | 2004-06-09 | 2005-12-14 | Basf Aktiengesellschaft | Packungen und Füllkörper für Wärme-und Stoffaustausch |
-
1991
- 1991-06-24 DE DE9107782U patent/DE9107782U1/de not_active Expired - Lifetime
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| EA011526B1 (ru) * | 2003-10-17 | 2009-04-28 | Оксицелл Холдинг Б.В. | Конденсационное охлаждающее устройство и способ его изготовления |
| US8191872B2 (en) | 2003-10-17 | 2012-06-05 | Oxycom Beheer B.V. | Heat exchange laminate |
| EP1538398A2 (de) * | 2003-12-05 | 2005-06-08 | 2H KUNSTSTOFF GmbH | Kontaktkörper, insbesondere für einen Verdunstungsbefeuchter, und Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers |
| EP1538398A3 (de) * | 2003-12-05 | 2006-11-08 | 2H KUNSTSTOFF GmbH | Kontaktkörper, insbesondere für einen Verdunstungsbefeuchter, und Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers |
| EP1604737A1 (de) * | 2004-06-09 | 2005-12-14 | Basf Aktiengesellschaft | Packungen und Füllkörper für Wärme-und Stoffaustausch |
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