DEP0054285DA - Austauschboden für Destillierkolonnen und Gaswäscher - Google Patents

Description

Alle bisher verwendeten Austauschböden für Destillierkolonnen und Gaswäscher weisen entweder auch bei gegen Null konvergierender Dämpfe- oder Gasebeaufschlagung ein Minimalniveau der Flüssigkeit auf, oder der Flüssigkeitsstand ist ausschließlich von der Dämpfe- und Gasebeaufschlagung abhängig, so daß bei deren Absinken gegen Null auch der Flüssigkeitsstand gegen Null konvergiert.

Alle Austauschböden der 1. Art (Glocken-Kappen-Böden) haben meist exzentrisch angeordnete Zu- und Ablauforgane für die Flüssigkeit, die Flüssigkeit strömt über den Austauschboden meist mit geringer Geschwindigkeit und senkrecht zu den austretenden Dämpfen oder Gasen. Zur Erzielung eines großen Austauscheffektes (hoher Bodenwirkungsgrad) ist eine weitestgehende Verteilung der Dämpfe und Gase in viele Strahlen hoher Geschwindigkeit notwendig. Bei annähernd senkrechtem Austritt der Dämpfe-(Gase)Strahlen (Bläschenreihen) aus der Bodenflüssigkeit wird diese in Tröpfchenform mitgerissen. Ein Mitreißen der Tröpfchen auf den nächsten Boden verringert aber den Wirkungs- grad, so daß mit steigender Dämpfe-(Gase)-Geschwindigkeit der Bodenabstand vergrößert werden muß. Da mit zunehmender Auflösung der Dämpfe oder Gase in Einzelstrahlen hoher Geschwindigkeit der dynamische Bodenwiderstand durch Hochdrücken der Bodenflüssigkeit ungeachtet der Überlauforgane wesentlich ansteigt, so ist der Belastung von Austauschböden der 1. Art in zweifacher Richtung - wegen übermäßigen Anwachsens der Bodenabstände und der damit bedingten Verteuerung der Kolonnen und wegen übermäßigen Anwachsens des Bodenwiderstandes - eine Grenze gesetzt.

Es wurde vorgeschlagen, bei Austauschböden der 1. Art die Dämpfe-(Gase)-Strahlen in schräger Richtung unter der Flüssigkeit austreten zu lassen oder auch in tangentialer Richtung von den einzelnen Glocken oder Kappen.

Auf diese Weise wird zwar die senkrechte Dämpfe-(Gase-)Strömung einigermaßen in einen kleineren Winkel zur Bodenfläche umgelenkt, so daß sich die Gefahr des Überspritzens verringert. Solange aber, wie in diesem Falle unerläßlich, der Austritt der Gase oder Dämpfe aus der Flüssigkeit durch mehrere Glocken, Kappen, Tröge mit entsprechend angeordneten Zacken oder Schlitzen erfolgt, wird die Bodenflüssigkeit in mehrere oder viele Wirbelströme versetzt, was ein vermehrtes Aufstauen und Verspritzen der Flüssigkeit in viele Richtungen bewirkt, seinerseits das Überspritzen fördert und den dynamischen Bodenwiderstand bedeutend erhöht.

Auch eine zentrale Zuführung der Flüssigkeit und ein Ablauf derselben am Umfang des Bodens, also eine radiale Lenkung der Flüssigkeit über den Boden, ändert an dieser Tatsache nichts, weil durch die in vielen Richtungen erfolgende Ablenkung, Verwirbelung und Verstäubung der Flüssigkeit eine eindeutig geregelte Strömung und ein wirksames Abschleudern der Flüssigkeitströpfchen verhindert wird.

Auch für solche Austauschböden mit konstantem Minimalniveau der Flüssigkeit wird die obere Grenze der Belastbarkeit nur in beschränktem Maße erhöht und somit werden die Kosten einer Destillierkolonne oder eines Gaswäschers bei gleichem Wirkungsgrad eines Bodens nicht wesentlich verringert.

In allen Fällen kommt es aber gerade auf diese Kostenverringerung der Apparaturen an.

Bei Austauschböden der 2. Art (Siebböden, Schlitzböden ohne konstantes Minimalniveau der Flüssigkeit) ist ein Minimum an Dämpfe- oder Gasebeaufschlagung notwendig, um diese auf normalen Wirkungsgrad zu bringen. Die Anordnung von getrennten Zu- und Ablauforganen für die Flüssigkeit hat nur dann einen Sinn, wenn ein Durchtreten der Flüssigkeit durch die Austrittsöffnungen für die Dämpfe und Gase nicht mehr möglich ist. Bei allen diesen Austauschböden sind die Durchtrittsöffnungen über die ganze Bodenfläche verteilt. Bei Siebböden erfolgt senkrechter Dämpfe- und Gase-Durchtritt durch die Flüssigkeit und diese Böden weisen daher alle Mängel der Austauschböden 1. Art auf, ohne deren Vorteile (konstantes Minimalniveau der Flüssigkeit und niedrige untere Belastungsgrenze) aufzuweisen.

Auch die Verwendung von schräg durch die Bodenfläche führenden Durchtrittsöffnungen für die Gase und Dämpfe wurde vorgeschlagen, sowie die Aufteilung jedes Bodens in zwei oder mehrere Felder mit reihenweise angeordneten, unter sich parallelen Durchtrittsöffnungen, wobei der Bodenflüssigkeit durch die Dämpfe- oder Gasestrahlen eine spiralförmige Rotationsbewegung erteilt wird. Da aber in diesem Falle nicht durchweg tangentiale Impulse möglich sind, sondern auch stets zu oder abnehmende radiale Impulse, so wird die Bewegungs-Größe und -Richtung der Bodenflüssigkeit ausschließlich durch die Stärke und die Richtung der durch die Dämpfe und Gase vermittelten Impulse bestimmt. Diese Anordnung ermöglicht bei größerem Öffnungsverhältnis eine wesentlich höhere Dämpfe- und Gasebeaufschlagung, weil ein weitgehend tangentiales Abschleudern der Flüssigkeitströpfchen erfolgt. Da jedoch bei gleichzeitiger Zu- und Abführung der Flüssigkeit durch einen Teil der für den Dämpfe- oder Gasedurchtritt bestimmten Öffnungen, aber auch durch die Aufteilung des Bodens in mehrere nicht ringförmige Felder ein Aufstauen der Flüssigkeit nicht nur zentral oder peripher, sondern auch radial an den Feldergrenzen erfolgt, so ist eine auch nur annähernd gleichmäßige Höhe der Flüssigkeitsschicht über dem Boden nicht zu erzielen, die Widerstände wechseln über den ganzen Boden und damit auch die Durchtrittsmengen der Dämpfe und Gase. An dieser Tatsache ändern auch Zu- und Ablauforgane für die Flüssigkeit nichts, wenn diese nicht in ganz besonderer Weise angeordnet sind. Der gesamte Bodenwiderstand ist zwar entsprechend dem größeren Öffnungsverhältnis bezogen auf die Dämpfe- oder Gase- beaufschlagung geringer, der Druckanstieg erfolgt jedoch praktisch in einer gleichartigen Linie wie bei gut ausgebildeten Austauschböden 1. Art.

Die gegenständliche Erfindung beinhaltet einen dynamischen Austauschboden, der alle bisherigen Vorteile der besten dynamischen Böden besitzt, ohne deren Mängel aufzuweisen. Durch die Verwendung von ausschließlich radial angeordneten Schlitzreihen mit in kleinstem Winkel zur Bodenoberfläche befindlichen schrägen Austrittsschlitzen für die Dämpfe oder Gase, strömen diese aufgelöst in viele Einzelstrahlen rein tangential aus und erzeugen eine gleichmäßige Rotation der Bodenflüssigkeit über den ganzen Boden und ohne wesentliche spiralförmige Abweichung. Es kann sich auch bei verstärkter Dämpfe- oder Gasebeaufschlagung kein ungleichförmiger Stau der Flüssigkeit in der Richtung zum Bodenumfang bilden. Irgendwelche andere Staurichtungen sind infolge der völlig gleichförmigen Anordnung der Durchtrittsöffnungen ausgeschlossen. Die Dämpfe oder Gase schleudern die mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen tangential am Kolonnenmantel ab. Die dadurch bedingte Flüssigkeitsvermehrung in peripherer Richtung wird durch das Ablauforgan restlos beseitigt. Ungleichmäßige oder wirbelartige Strömungen der Dämpfe, Gase oder der Flüssigkeit sind ausgeschlossen. Dies allein ergibt schon gegenüber allen bisher beschriebenen Austauschböden jeder Art einen bedeutenden technischen Fortschritt.

Die Bodenflüssigkeit wird zweckmäßig zentral zu- und am ganzen Bodenumfang gleichmäßig abgeführt. In dem Maße, als mehr oder weniger Flüssigkeit aufgegeben wird (veränderte Rücklaufmenge bei Destillierkolonnen und veränderte Menge der Waschflüssigkeit bei Gaswäschern), wird eine lediglich durch hydrodynamischen Druck nur von der Flüssigkeitsmenge, nicht aber von den Dämpfe- und Gase-Mengen hervorgerufen, radial nach außen gerichtete Bewegungsmomente der Flüssigkeit erzeugt. Verstärkte Dämpfe- oder Gasebeaufschlagung erzeugt im Wesentlichen wieder nur eine verstärkte kreisförmige Rotationsbewegung der Flüssigkeit. Die beiden tangentialen und radialen Bewegungsimpulse für die Flüssigkeit sind also im Wesentlichen getrennt den aerodynamischen und hydrodynamischen Kräften zugeordnet. Diese Trennung ist bei den bisher beschriebenen dynamischen Austauschböden nicht möglich.

Durch die gegenständliche Erfindung wird daher erstmals für dynamische Böden jedes ungleichförmige Aufstauen und Ablaufen der Flüssigkeit verhindert und ein völlig gleichmäßiger Durchtritt der Dämpfe oder Gase durch die Flüssigkeit über die ganze Bodenfläche voll gewährleistet.

Der Bodenwiderstand wird durch besondere Anordnung der Zu- und Ablauforgane für die Flüssigkeit weiter wesentlich verringert und die Druckanstiegslinie bei zunehmender Dämpfe- oder Gasebeaufschlagung verläuft wesentlich flacher als bei allen bisher beschriebenen Austauschböden.

Anderseits ist die spezifische Beaufschlagungsmöglichkeit für Dämpfe oder Gase noch weiter gesteigert, als bei den besten bisher bekannten dynamischen Böden.

Ein merkbares Durchtreten von Flüssigkeit durch die Dämpfe- (Gase-) Schlitze ist von einer gewissen Minimalbeaufschlagung mit Dämpfen oder Gasen aufwärts nicht mehr möglich; es kann überdies durch besondere Ausführung des Ablaufwehres ein solches unerwünschtes Durchtreten auch bei niedriger Belastung völlig verhindert werden. Wenn dieses senkrecht ringförmig den Bodenrand umschließt und wenn es in gleichen Abständen V-förmig mit der Spitze bis zur Bodenfläche reichende Einkerbungen besitzt, so ist schon bei minimaler Flüssigkeitsschicht am Boden ein ungehindertes Abfließen derselben durch das Ablauforgan möglich und ein Durchtreten der Flüssigkeit durch die Schlitze für die Dämpfe und Gase praktisch ausgeschlossen. Mit steigender Bodenbelastung steigt die Höhe der Flüssigkeitsschicht nur durch aerodynamischen Stau, aber zunächst nur bis zum Rand des Ablaufwehres, um sich dann bei genügender Kapazität des Ablauforganes nur ganz langsam zu erhöhen. Ringförmige Stauleisten am ganzen Bodenumfang wurden zwar schon beschrieben, aber weder für dynamische Böden, noch mit besonderen, den Widerstand verringernden Einkerbungen.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen neuen Austauschbodens können die bisher beobachteten höchsten Dämpfegeschwindigkeiten wesentlich überschritten werden. Hierdurch werden Destillierkolonnen und Gaswäscher weiter wesentlich verbilligt, gleichzeitig wird durch die hohe Geschwindigkeit der Dämpfe-Gase-Strahlen, bei einwandfreier Abtrennung und Abfuhr der Flüssigkeit, der Wirkungsgrad des Austauschbodens erhöht. Man kann zwar auf den verschiedenen Böden die Drehrich- tung der Flüssigkeit abwechselnd umkehren, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, keineswegs aber sind je zwei Böden zur Erzielung eines normalen Trenn- oder Wascheffektes je Boden notwendig.

Der Anwendung dynamischer Böden wird meist entgegengehalten, daß ihr Belastungsbereich bei günstigem Wirkungsgrad wesentlich enger ist, als bei Böden mit konstantem Minimalniveau. Durch die erfindungsgemäße neuartige Ausführung eines dynamischen Bodens wird dieser Belastungsbereich ganz wesentlich erweitert, besonders auch nach der Richtung kleiner Belastungen, was als ein besonderer Vorteil angesehen werden muß.

Die praktische Ausführung der Bodenteile kann weitgehend variiert werden. Der Boden läßt sich entweder in einem Stück ausführen oder aus Formelementen oder Blechstreifen zusammensetzen. Bei Böden mit großem Querschnitt kann auch eine kreisförmige Unterteilung erfolgen, ohne daß irgend eine Abweichung von den erfindungsgemäßen Prinzipien eintritt. Die Zu- und Ablauforgane für die Flüssigkeit werden derart ausgeführt, daß auch bei größter möglicher Flüssigkeitsbelastung ein staufreier Ablauf erfolgt. Das Zulauforgan erhält zweckmäßig einen hydraulischen Verschluß.

Figur 1 zeigt die reihenweise radiale Anordnung der Schlitze für den Durchtritt der Dämpfe und Gase durch den Boden und den rein tangentialen Austritt derselben aus jeder einzelnen Öffnung. Figur 2 veranschaulicht einen Schlitzquer- schnitt zur Erzielung eines sehr geringen Austrittswinkels der Dampf- oder Gasstrahlen gegen die Bodenfläche. Figur 3 zeigt verschiedene beispielsweise Anordnungen der radialen Schlitzreihen bei Böden, die aus einem Stück angefertigt sind, am Bodenumfang das Ablauforgan, im Zentrum das Zulauforgan. Die stark ausgezogenen Pfeile versinnbildlichen die durch die vielen tangentialen Impulse durch die Dämpfe und Gase hervorgerufene Rotation der Bodenflüssigkeit, die schwach ausgezogenen Pfeile, die gegen den Kolonnenmantel gerichteten einzelnen Dämpfe-(Gase-)Strahlen.

In Figur 4 ist eine kreisförmige Unterteilung des Bodens wiedergegeben, bei welcher die radialen Schlitzreihen, entweder in jedem Kreisring für sich in der erforderlichen Zahl und Dichte gestanzt bzw. gepreßt sind oder aus zusammengelegten Formkörpern bzw. Blechstreifen gebildet werden.

Fig. 5 veranschaulicht, wie die kreisförmige Flüssigkeitsrotation lediglich durch den entsprechend der zulaufenden Flüssigkeitsmenge entstandenen hydrodynamischen Druck eine radial nach außen gerichtete Bewegungskomponente erhält. Aus dem zentralen Zulauforgan z) wird die Flüssigkeit lediglich durch den Zulaufdruck, beispielsweise über das Zulaufwehr b) radial nach außen auf den Austauschboden getrieben. Jeder Flüssigkeitsteilchen gelangt daher mit einer geringen radialen Bewegungskomponente c(sub)r auf den Boden und erhält durch jeden aus den Dämpfe-(Gase)Schlitzen austretenden Dampf-(Gas-)Strahl eine starke tangentiale Bewegungskomponente c(sub)t. Es resultiert eine Bewegungsgröße c in einem spitzen Winkel zur Tangente. Sie ergibt eine Spiralbewegung der Flüssigkeit mit einer Exzentrizität, die bei konstanter Größe c(sub)t nur vom numerischen Wert c(sub)r abhängt. Steigt dagegen bei konstantem Wert von c(sub)r die Dämpfe-(Gase-) Geschwindigkeit von c(sub)r(exp)1 auf c(sub)t(exp)2 infolge stärkerer Dämpfe-(Gase-) Beaufschlagung, so wird die Exzentrizität der resultierenden Spiralbewegung von c(exp)1 auf c(exp)2 verringert, während bei den bisher beschriebenen dynamischen Böden die Exzentrizität der Spiralbewegung der Flüssigkeit mit zunehmender Dämpfe-(Gase-) Beaufschlagung zunimmt, bzw. die Flüssigkeit mit zunehmender Dampf- und Gasgeschwindigkeit in immer verstärktem Maße nach außen getrieben wird, unabhängig von der jeweiligen Flüssigkeitszufuhr. Auch hierin unterscheidet sich die gegenständliche Erfindung grundsätzlich von dem bisher Bekannten.

Fig. 6 und 7 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Austauschbodens bei Zusammensetzung derselben aus einzelnen Formelementen, deren Horizontalprojektion Kreis- oder Kreisringsektoren mit sehr kleinem Sektorwinkel darstellt. Die einzelnen Formelemente übergreifen sich gegenseitig um eine schmale Leiste, wodurch einerseits eine genaue gegenseitige Lage in radialer Richtung gesichert, andererseits ein Durchtritt von Flüssigkeit durch die Dämpfe-(Gase-) Schlitze noch mehr erschwert wird.

Fig. 8 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Zu- und Ablauforgane der Flüssigkeit. w ist ein ringförmiges Ablaufwehr, e sind V-förmige Einkerbungen in diesem Wehr, welche einen Ablauf der Flüssigkeit auch bei geringster Beaufschlagung gewährleisten. h ist ein Zulaufrohr zur Erzielung eines hydraulischen Verschlusses, unabhängig von der Beaufschlagung des Bodens mit Dämpfen, Gasen und Flüssigkeit.

Sammlung und Ablauf der Flüssigkeit erfolgt beispielsweise in einer ringförmigen Rinne r; von dieser fließt die Flüssigkeit beispielsweise durch eine Anzahl Ablaufrohre a zum Zentrum des tieferliegenden Bodens, wo das Zulaufwehr h deren hydraulischen Abschluß vermittelt.

Die Ausführung kann in mannigfacher Weise variiert werden.

Claims (8)

1.) Austauschboden für Destillierkolonnen und Gaswäscher mit auf dem Boden verteilten, in schräger Richtung durch diesen geführten, Durchtrittsöffnungen für die Dämpfe und Gase, gekennzeichnet durch reihenweise radial angeordnete Schlitze, aus welchen die Dämpfe oder Gase durchwegs in genau tangentialer Richtung und in kleinem Winkel zur Bodenfläche ausströmen, der am Boden befindlichen Flüssigkeit eine gleichmäßige Rotationsbewegung ohne radiale Komponente erteilen und durch gesonderte Zu- und Ablauforgane für die Flüssigkeit.

2.) Austauschboden nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein von der Strömung der Dämpfe oder Gase unabhängiges, zentrales Zulauforgan und ein am gesamten Bodenumfang angeordnetes Ablauforgan für die Flüssigkeit, durch welche Organe derselben eine, lediglich durch den der zulaufenden Flüssigkeitsmenge entsprechenden Druck hervorgerufene und in ihrer Größe bestimmte, von der Dämpfe-(Gase-)Beaufschlagung unabhängige, radial nach außen gerichtete Bewegungskomponente erteilt wird.

3.) Austauschboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reihenweise radial angeordneten Schlitze bei jeder nachfolgenden Schlitzreihe gegen die der vorherigen gleichmäßig versetzt sind.

4.) Austauschboden nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Austritt der Dämpfe oder Gase bestimmte Schlitze aus einem einzigen Bodenblech gestanzt oder gepreßt werden.

5.) Austauschboden nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Austritt der Dämpfe oder Gase bestimmten Schlitzreihen durch radial aneinandergereihte, an einem Rand abwechselnd entsprechend ausgezahnte oder aufgewölbte Formelemente oder Blechstreifen, die einander schwach überdecken, gebildet werden, deren Horizontalprojektion Kreis- oder Kreisring-Sektoren mit kleinstem Sektorwinkel darstellt.

6.) Austauschboden nach Anspruch 1, 3, 5 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden in zwei oder mehrere konzentrische Kreisringflächen unterteilt ist und daß die radial angeordneten Schlitzreihen für die Dämpfe und Gase entsprechend den zunehmenden Ringdurchmessern in zunehmender Zahl angeordnet werden.

7.) Austauschboden nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablauforgan für die Flüssigkeit aus einer am Bodenumfang angeordneten Rinne gebildet wird, die gegen den Boden durch eine kreisförmige senkrechte Stauleiste mit gleichmäßig verteilten, senkrecht V-förmigen Einkerbungen abschließt und die mit dem zentralen Zulauforgan des darunter befindlichen Bodens durch Ablaufrohre verbunden ist.

8.) Austauschboden nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Schlitzreihen für die Dämpfe oder Gase erst bei einem bestimmten kleinen Kreis beginnend bis zur oder nahe der Stauleiste des Abflußorganes reiches, während eine bestimmte kleine zentrale Bodenfläche für das zentrale Zulauforgan ausgespart bleibt und daß diese ausgesparte zentrale Bodenfläche gegebenenfalls von einer ringförmigen senkrechten Überlaufleiste zur Bildung eines hydraulischen Verschlusses umgeben ist.