DE913782C

DE913782C - Verfahren und Saeule zum Stoffumsatz und Waermeaustausch

Info

Publication number: DE913782C
Application number: DEP23384D
Authority: DE
Inventors: Hilmar Bruennert
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1948-12-03
Filing date: 1948-12-03
Publication date: 1954-06-21

Description

Verfahren und Säule zum Stoffumsatz und Wärmeaustausch Zusatz zum Patent 908 028 Das Hauptpatent bezieht sich auf ein Verfahren zum Stoffumsatz zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder Dampf und zum gleichzeitigen Wärmeaustausch mit einem Kühl- oder Heizmittel, das in einem von dem Gas oder Dampf in einer Säule im Kreuzstrom wiederholt getroffenen Rohrbündel strömt. Ferner betrifft das Hauptpatent eine aus einzelnen Schüssen bestehende Säule zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der die Verbindung der Schüsse durch genutete Ringe oder durch T-förmige Ringe mit nach dem Innern der Säule oder nach außen gerichtetem Steg erfolgt.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung und weitere Ausbildung dieses Verfahrens und dieser Säule dahin, daß ein schnellerer Stoffumsatz und besserer Wärmeaustausch dadurch erzielt wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder Dampfes erhöht wird. Diese Strömungsgeschwindigkeit ist bei derartigen Säulen über dem letzten Boden infolge des vollständigen oder teilweisen Verschwindens des Anteils an Dampf oder Gas oft wesentlich verringert. Um nun eine wesentliche Strömungsgeschwindigkeit auch an dieser Stelle der Säule aufrechtzuerhalten, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß ein nicht umgesetzter Teil des Gases oder Dampfes mittels einer Pumpe oder eines Lüfters abgezogen wird, durch die bzw. den er der Säule an anderer Stelle wieder zugeführt werden kann. Hierdurch wird für eine bevorzugte Ausführung der Erfindung die Möglichkeit geschaffen, diesen Teil des Gases oder Dampfes durch die ganze Säule oder einen Teil der Säule erneut umzuwälzen, wenn dies im Einzelfall wirtschaftlich ist, während in anderen Fällen das abgezogene Gas oder der Dampf in bekannter Weise einfach abgeführt und gewünschbenfalls weiterbehandelt werden kann. Bei der Umwälzung kann der abzuziehende Teil des Gases oder Dampfes etwa aus dem unteren Raum der Säule abgezogen und einem darüberliegenden Raum oder auch dem obersten Raum der Säule zugeführt werden, je nach der Betriebsweise der Säule. Gegebenenfalls kann vor die Pumpe bzw. vor den Lüfter auch noch ein Flüssigkeitsabscheider eingebaut werden. Arbeitet die Säule in der Weise, daß die Gase oder Dämpfe über dem untersten Raum eintreten und oben austreten, so erfolgt natürlich auch ihre Umwälzung bzw. Abfuhr in dieser Richtung.
Ebenso kann auch ein Teil der mit dem Gas bzw. dem Dampf im Stoffumsatz stehenden Flüssigkeit in gleicher oder ähnlicher Weise und aus gleichen oder ähnlichen Gründen in der einen oder anderen Richtung umgewälzt bzw. abgeführt werden.
Außerdem ist bei einer bevorzugten Ausführung der Säule nach der Erfindung vorgesehen, die im Hauptpatent mit k1 bezeichneten und die Kühl-oder Heizrohre umgebenden Staurohre so auszubilden, daß sie im Innern nicht mehr zylindrisch, sondern konisch gestaltet sind, und zwar mit der größeren Öffnung nach oben. Nimmt man nämlich zylindrische Staurohre, so besteht die Möglichkeit, daß die Flüssigkeit durch sie nur herabtröpfelt und nicht an den Kühl= oder Heizrohren entlangläuft; außerdem wird sie in den zylindrischen Ringräumen gegebenenfalls auch zu stark gedrosselt. Werden die Rohre im Innern aber nach der vorliegenden Verbesserung konisch gestaltet, so kann diese Drosselung an das Auslaufende der Staurohre bzw. der Bodenöffnungen verlegt und der freie Auslaufquerschnitt infolge der kürzeren Drosselstrecke und des größeren Gefälles wesentlich enger gehalten werden. Dadurch wird aber auch die Flüssigkeit dichter an die Kühl- oder Heizrohre herangeführt, das Herunterrieseln an ihnen gesichert und der durch Pumpe, Geschwindigkeitserhöhung und schnelleren Stoffumsatz notwendig gewordene erhöhte Wärmeaustausch mit dem die Rohre a durchströmenden Kühl- oder Heizmittel wesentlich gefördert.
Die Staurohre können im Innern nach einem geraden Kreiskegel ausgeführt sein, oder ihre Innenfläche kann auch entsprechend der nach unten zunehmenden Geschwindigkeit eine parabolische oder sonstige Gestaltung haben. Zweckmäßig und den notwendig gewordenen höheren Wärmeaustausch fördernd ist es auch, das untere Ende der Rohre etwas über die untere Ebene des Bodens bzw. der Lenkwände hinausragen zu lassen, damit die Flüssigkeit nicht auf der unteren Fläche des Bodens entlang kriechen und sich damit von den Heiz- oder Kühlrohren entfernen kann. Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, daß die Staurohre überhaupt fortfallen und nur die für den Durchtritt der Kühl- oder Heizrohre a vorgesehenen Öffnungen in den Böden oder Lenkwänden konisch ausgeführt sind. Dabei wird dann zwecks Abfuhr der durch die Erfindung vermehrten Umsetzwärme auch die Öffnung unter der unteren Bodenfläche noch etwas nach unten ausgezogen, um zu vermeiden, daß die Flüssigkeit an den unteren Bodenflächen entlang kriecht. Außerdem kann man den letzten Teil der Öffnung zylindrisch gestalten, um bei etwaigem Flattern der Rohre ein Durchscheuern zu vermeiden. Durch diese Ausbildung der Öffnungen in den Böden wird die Flüssigkeit gedrosselt und damit auch aufgestaut, so daß, wenn nur eine geringe Stauhöhe nötig ist, besondere Staurohre entbehrlich sind.
Um die auf den Böden befindliche Flüssigkeit zwecks vermehrter Wärmeabfuhr möglichst gleichmäßig auf alle Durchflußöffnungen zu verteilen, können auch sogenannte Strömungsleisten auf den Böden, insbesondere auf dem obersten, oder dort, wo die Flüssigkeit zuläuft, angebracht werden, oder die Staurohre können auch zum gleichen Zweck an bevorzugten Stellen der Böden kürzer oder länger gehalten werden oder auch stellenweise ganz fehlen; auch die lichte Weite der ringförmigen Durchflußöffnungen kann hierzu auf dem gleichen Boden verschieden weit gemacht werden. Die Zeichnung zeigt in Bild i mehr schaubildlich eine derartige Säule mit der Umwälzeinrichtung für das Gas oder den Dampf; Bild 2 zeigt in größerem Maßstab den Durchtritt eines der Kühl- oder Heizrohre durch den Boden mit eingesetztem Staurohr; Bilder 3, q. und 5 zeigen Ausführungsformen ohne Staurohr.
Bezugnehmend auf Bild i, stellt a wiederum die Wärmeaustauschrohre dar, die durch die einzelnen Böden b hindurchtreten. Über dem untersten Boden ist ein Absaugstutzen c vorgesehen, der zu einer Pumpe oder einem Lüfter d führt, deren Druckleitung ein das Rohr f mündet, welches das Gas oder den Dampf der Säule über dem oberen Boden zuführt. Wenn die Pumpe d in Betrieb ist, wird der nicht umgesetzte Teil des Gases oder Dampfes unten bei c entnommen und entweder gemäß der Erfindung dem Rohr f und damit der Säule wieder zugeführt, also eine Umwälzung erreicht, oder in bekannter Weise abgeführt bzw. nachgeschalteten Apparaten zugeführt. In allen diesen Fällen wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Säule und damit der Stoffumsatz und Wärmeaustausch durch die Pumpe vergrößert.
Gemäß Bild 2 sind die entsprechend der Hauptanmeldung eingesetzten Staurohre k1 an der Durchtrittsstelle der Wärmeaustauschrohre a durch die Böden b im Innern kegelförmig gestaltet und bei i noch über die untere Bodenfläche etwas verlängert. Durch mehrere am Umfang angeordnete Anschläge l wird das Rohr a gehalten und zentriert. Der konische Innenraum des Rohres k1 bewirkt, daB die über die Oberkante des Rohres in das Rohr eintretende Flüssigkeit zusammengedrängt und in die Richtung des Rohres a mit ständig nach unten zunehmender Geschwindigkeit gebracht wird, so daß sie unten an der Austrittsstelle i dicht an dem Rohr a herunterrieselt und somit der Wärmeaustausch am günstigsten wird.
Wie aus den Bildern 3 und q. ersichtlich ist, können diese Staurohre auch fortfallen, wenn die D.urchtrittsöffnurng für die Wärmeausitiauschrohre a durch die Böden b selbst kegelförmig gestaltet wird. Dadurch wird die gleiche Wirkung erreicht wie mit einem kegelförmigen Staurohr, in dem durch die Drosselung der Flüssigkeit am unteren Ende der Öffnung ein Aufstau stattfindet. Unten bei i läuft diese Öffnung in einem mehr oder weniger scharfen Rand aus, der über dem Boden b etwas vorsteht (Bild 3). Gemäß Bild q. kann der letzte Teil i der Bodenöffnung auch noch zylindrisch ausgeführt werden, wodurch die Flüssigkeit auf einer längeren Strecke mehr filmartig das Rohr umgibt und besser gekühlt wird. Die kegelige Form der Bodenlöcher hat auch noch den Vorteil, daß keine Kapillarwirkung eintreten und auch kein Strömungsverlust in dem sonst engen und verhältnismäßig hohen zylindrischen Zwischenraum entstehen kann. Bild 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Dampfdurchlässe, den Zwecken höheren Stoffumsatzes und besserer Wärmeabfuhr bei geringer Flüssigkeitsmenge dienend.
Ist die mit einem Gas oder Dampf im Stoffumsatz stehende Flüssigkeitsmenge sehr klein und der Stoffumsatz träge und fließt, selbst bei eng gehaltenem Ringspalt i und bei gegebener notwendiger Höhe des Flüssigkeitssumpfes auf den Böden, noch zu viel Flüssigkeit durch die ringförmigen Spalte i ab, dann können, die Bodenöffnungen auch nach Bild 5 gestaltet werden. Durch das Höherlegen der Drosselstelle wird dann die auf sie wirkende Druckhöhe s und damit der Durchfluß entsprechend vermindert.
Schließlich kann die Durchflußmenge der Flüssigkeit auch beeinflußt werden durch Anpassung der ringförmigen Spaltweite an die Kapillarität der Flüssigkeit.
Es sei noch bemerkt, daß die vorstehend genannten Strömungsleisten bzw. Flüssigkeitsführungs- und Stauleisten an sich auf Böden von Rektifiziersäulen bekannt, aber bei rohrdurchsetzten Böden neu sind.
Infolge vermehrten Stoffumsatzes und größerer Wärmeentwicklung stellen sich naturgemäß auch höhere Temperaturen ein, was einen Längenausgleich für die Kühlrohre nötig macht. Diesem Zweck dient beispielsweise die Ausführungsform der Rohrenden bzw. der Rohrlochplatten gemäß Bildern 6 und 7. Danach werden die Rohrlöcher einer der beiden Rohrlochplatten t oder auch die Löcher beider Platten nahe dem Rohrende erweitert und diese Erweiterung mit Innengewinde versehen zur Aufnahme eines Stopfens mit Außengewinde v und schließlich nach Einsatz der Rohre a ein elastischer Dichtungsring w eingelegt. Wenn die Zugfestigkeit der Rohre es zuläßt, kann das Gewinde in den Locherweiterungen auch fortfallen; dafür können nach Bild 7 die Rohrenden mit Gewinde versehen werden. Die Stopfen erhalten dann einentsprechendes Innengewinde x; durch Anziehen der Stopfen an den beiden Rohrenden erhalten die elastischen Ringe w in beiden Fällen dann die zur Abdichtung nötige Pressung.
Wenn es, im Fall der Ausführung nach Bild 6, nötig ist, die Rohre a gegen Herausgleiten in ihrer Längsrichtung zusätzlich zu sichern, dann kann dieses nach Bild 6 beispielsweise erreicht werden durch eine oder mehrere ringförmige Eindrehungen y an einem Rohrende, in welche sich der Dichtungsring w hineinpreßt und damit das Rohr gegen Herausgleiten sichert. Die Rohre können gegen Herausgleiten auch gesichert werden durch geteilte elastische Klemmringe z, welche an beiden Rohrenden, in entsprechenden Ringnuten sitzend, angebracht werden.
Mit dieser letzteren Ausführungsart ist noch der Vorteil verbunden, daß die sonst am Umfang einer der beiden Rohrlochplatten zur Aufnahme der Wärmedehnung nötige Stopfbüchse fortfallen kann, da jedes Rohr um den Betrag der Wärmedehnung einzeln für sich gleiten kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Stoffumsatz zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder Dampf und zum gleichzeitigen Wärmeaustausch mit einem Kühl- oder Heizmittel, das in einem von dem Gas oder Dampf in einer Säule im Kreuzstrom wiederholt getroffenen Rohrbündel strömt, nach Patent 9o8 o28, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der Säule ein nicht umgesetzter Teil des Gases oder Dampfes mittels einer Pumpe oder eines Lüfters abgezogen wird, durch die bzw. den er der Säule an anderer Stelle wieder zugeführt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das abgezogene Gas oder der Dampf durch die ganze Säule oder einen Teil der Säule erneut umgewälzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch ein Teil der Flüssigkeit abgezogen und erneut umgewälzt wird. q.. Säule nach Patent 908 028 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über ihrem untersten Boden das Saugrohr der Pumpe bzw. des Lüfters angeschlossen ist, deren Druckrohr über einem höherliegenden Boden oder über dem obersten Boden oder auch in das das Gas oder den Dampf zuführende Rohr eingeführt ist. 5. Säule nach Anspruch q., dadurch gekennzeichnet, daß bei der umgekehrten Umwälzung das Zuflußrohr zur Umwälzvorrichtung auch über dem obersten Boden oder über einem beliebigen Boden angeschlossen ist und daß das Druckrohr über einem beliebigen darunterliegenden Boden oder auch in die unten angeschlossene Zuführungsleitung des umgewälzten Stoffes mündet. 6. Säule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wärmeaustauschrohre umgebenden Staurohre im Innern kegelförmig gestaltet sind. 7. Säule nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Staurohre etwas über die untere Fläche des Bodens oder der Lenkwand verlängert sind. 8. Säule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im unteren Teil zylindrische und im oberen Teil konisch erweiterte Durchtrittsöffnung für die Wärmeaustauschrohre unten etwas über die Bodenfläche vorsteht. g. Säule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil der Durchtrittsöffnung zylindrisch gestaltet ist. ro. Säule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf ihren rohrdurchsetzten Böden oder Lenkwänden Flüssigkeitsführungs-und Stauleisten angebracht sind, insbesondere auf dem obersten Boden bzw. dort, wo die Flüssigkeit zuläuft. rz. Säule nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Staurohre auf dem gleichen Boden verschieden hoch sind oder auch zum Teil ganz fehlen. 12. Säule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufkante der Durchflußöffnungen der rohrdurchsetzten Böden oder Lenkwände nach der oberen Fläche der Lenkwände zu verlegt ist. 13- Säule nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite der ringförmigen Durchtrittsöffnungen der rohrdurchsetzten Böden oder Lenkwände sowohl im konischen als auch im zylindrischen Teil auf dem gleichen oder auch auf verschiedenen Böden verschieden weit ist. 14- Säule nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrlochplatten vom Rohrbündel abziehbar sind oder die Rohre einzeln auswechselbar sind. 1 5. Säule nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Löcher der Rohrlochplatten ringförmig erweitert sind, daß diese Erweiterung ein Innengewinde enthält zur Aufnahme eines gelochten Stopfens mit Außengewinde und daß unter diesen Stopfen ein Dichtungsring gelegt ist. 16. Säule nach einem derAnsprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rohre mit Gewinde versehen sind und daß der dazugehörige Stopfen zum Anpressen eines Dichtungsringes dient. 17. Säule nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in ihrer Längsrichtung gleitend in den Rohrlochplatten gehalten sind. 18. Säule nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die auswechselbaren Rohre gegen vollständiges Herausgleiten entweder :einseitig durch ringförmige Eindrehungen, in welche ein Dichtungsring gepreßt wird, oder durch geteilte elastische, an beiden Rohrenden in entsprechenden Ringnuten sitzende Klemmringe gesichert sind.