NO159516B - Innretning for gravimetrisk vaeskefordeling for stoff- og varmeutvekslingskolonner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for gravimetrisk væskefordeling for stoff- og varmeutvekslingskolonner ifølge patentkravenes innledning.

Oppfinnelsen skal især benyttes i kolonner med stor diameter, eksempelvis i størrelsesordenen fra 3 m og mer.

Væskefordelingsinnretninger har til hensikt å oppnå

en ensartet fordeling av væsken over slike kolonners tverrsnitt .

Vanlig benyttede slike kolonnetyper hvor oppfinnelsen kan benyttes med fordel, er især kolonner hvor utvekslingsavsnittene består av ordnede pakker, eksempelvis av lamell-formede elementer med riller. Imidlertid kan oppfinnelsen også benyttes ved slike kolonner hvor utvekslingsavnittene består av ikke regulerbare fyllinger av masselegemer, eksempelvis Raschig-ringer eller Berl-sadler.

I slike kolonner kan det gjennomføres eksempelvis en destillasjon, rektifikasjon, ekstraksjon, absorbsjon, en ut-skillelse av isotope elementer av et stoff på grunnlag av en kjemisk utvekslingsreaksjon eller også en varmeutveksling mellom en væske og et damp- hhv. gassformet medium.

Som kjent avhenger virkningen, i de første nevnte tilfeller skillevirkningen, og i de siste tilfeller varme-overføringen, i det vesentlige av en ensartet og fin fordeling av væsken over utvekslingsavsnittets overflate. Av det store antall væskefordelere nevnes i det etterfølgende noen kjente og ofte benyttede typer.

De mest benyttede innretninger for gravimetrisk væskefordeling er utført som hull- eller siktbunn, eller som renne-, kasse-eller rørfordeler. Det er her tale om fordelere hvor væsken strømmer over tverrsnittets hele bredde. Væsken tran-sporteres her utelukkende gjennom fordelingssystemet ved hjelp av tyngdekraften.

Fordelersystemer er også kjent, eksempelvis fra

FR 703 029,som består av en serie renner som mates av en sentral beholder. Rennene, tilførslene til rennen og den sen-trale beholder har her et overløpssystem, dvs. føringsanord-ninger hvormed væsken fra beholderen tilføres tilførselsanord-ningene og rennene på kolonnen. I praksis har det imidlertid vist seg at også væskefordelere som arbeider etter like eller lignende prinsipp ikke oppnår den ønskede ensartede overris-ling og derved nedsetter skilleeffekten vesentlig.

Grunnen til dette er innlysende. Overløpssystemene av denne type, eksempelvis overløpsføringene, har en over-løpshøyde på kun noen millimeter, dvs. at væsken ikke til-føres kolonnen ensartet ved kun meget liten skråstilling av fordelingssystemet eller nivåforskjeller i tilløpsledningene til renne og i selve rennene på grunnlag av selve væskestrøm-ningen.

Det skal også nevnes at det også er kjent fordelere hvor væsken fordeles over kolonnens tverrsnitt ved hjelp av dyseformede sprøyteanordninger. Slike fordelere må imidlertid ha pumper for transport av væsken. I tillegg oppnås hel-ler ikke ved disse fordelere en ensartet væskefordeling da det oppstår overlappinger av de sprøytekjegler som kommer ut av dysene, hhv. steder på det kolonnetverrsnitt som skal mates, hvor overhodet ingen væske treffer.

Alle disse fordelere har den vesentlige ulempe at det ved store kolonnediametre på eksempelvis 3-10 m ikke sik-res en ensartet fordeling av væsken.

De gravimetriske væskefordelere, som også oppfinnelsen baserer seg på, bygger på den samme fysikalske grunnlov,

nemlig det Torricelliske teorem:

hvor w er til-

førselshastigheten i m/s, g er gravitasjonen i m/s^ og h er oppdemmingshøyden i meter. Av denne ligning fremkommer at utløpshastigheten er proporsjonal med kvadratroten av oppdem-mingshøyden, dvs. væsketilførselshøyden.

Av kostnads- og plassgrunner kan væsketilløpshøyden ikke velges tilfeldig.

Vanligvis beveger belastningsområdet (væskemengde/ tid og kolonnetverrsnittsflate = belastning) i kolonner seg mellom 30-100%. Følgen er at væsketilførselshøyden er ni ganger mindre enn den maksimale ved minimal belastning, dvs. 30%.

Av de foran nevnte grunner kan væsketilførselshøyden knapt overstige 50 mm ved minimal belastning.

Dersom nå en fordeler står eksempelvis 0,5% i forhold til horisontalplanet, bevirker dette ved en stor kolonnediameter på eksempelvis 5 m, at væsken ved en oppdemmings-høyde på 25 mm for størstedelens vedkommende kun strømmer til den ene halvdel av kolonnen.

Selv ved en oppdemmingshøyde på 100 mm er væskemeng-dens forskjell under de samme forutsetninger fra kolonnens ene vegg til den diametralt motsatte, bare 13%.

Denne uensartede væskefordeling, som også betegnes maldistribusjon eller feilfordeling, bevirker en nedsettelse av virkningen, dvs. for eksempel ved rektifikasjonskolonner, skilleeffekten.

Som feilfordeling betegnes ethvert avvik fra den ideale kolbestrømning, eksempelvis uensartet væskebelastning eller uensartet sammensetning av væsken over kolonnetverrsnittet. Feilfordeling karakteriseres i det vesentlige ved to størrel-ser. Den ene er feilfordelingens styrke og angir hvor stor den lokale væskebelastnings eller væskesammensetnings avvik er fra den ideale middelverdi. Den andre størrelse beskriver anordningen av denne uensartede fordeling, især avstanden mellom væskebelastningenes maksimale og minimale verdier.

I praksis tilnærmes en slik uensartet fordeling ofte en cosinus-funksjon hvor feilfordelingsstyrken X tilsvarer amplituden og avstanden mellom maksimum og minimum tilsvarer den halve bølgelengde L.

Teorien om feilfordelingen muliggjør utsagn om inn-virkningen både av amplituden og bølgelengden for en feilfordeling, på en kolonnes arbeidsmåte. Figur 1 viser disse påvirkninger for en destillasjonskolonne. Ved dette diagram er bølgelengden for den som cosinus-form antatte feilfordeling satt i forhold til kolonnediameteren (L/D).

Kolonnens drift avtar med tiltagende feilfordelings-styrke. Ved ens styrke er feilfordelingens påvirkning liten innenfor et lite rom, dvs. med små bølgelengder L i forhold til kolonnediameteren D. Jo større rom feilfordelingen har, jo større blir dens påvirkning på kolonnens drift. Driften når et maksimum når feilfordelingens bølgelengde L er lik to ganger kolonnediameteren (L/D = 2).

Av disse grunner må omfangsrik feilfordeling i størst mulig grad unngås ved konstruktive tiltak og feilfordelingsstyrken holdes minst mulig. Felles for kjente fordelere er imidlertid at de utvikler stor feilfordeling. Dette henger sammen med strømningsforholdenes tiltagende kompleksitet med tiltagende kolonnediameter i fordelerne og de dermed sammen-hengende uensartede strømninger. Videre kan fordelere aldri nivelleres eksakt horisontalt, noe som likeledes fører til feilfordeling. På grunn av de store dimensjoner kan fordelere få en gjennomhengning som likeledes frembringer stor feilfordeling.

Spesielt påvirkelig av skråstilling er fordelere med overløp som eksempelvis er utformet som V-formede slisser eller føringer. I disse tilfeller er overløpshøyden maksi-malt noe mindre. Selv når fordelingssystemet er oppdelt i flere enkeltfordelere som mates enkeltvis fra en sentral beholder, oppstår allerede ved minste skråstillinger eller turbulens i væskestrømmen, store forskjeller i væskeutløps-mengdene og dermed en uensartet væskefordeling.

Oppfinnelsen ligger i utformingen av en innretning for gravimetrisk væskefordeling som også ved kolonnediametre på eksempelvis 3 m og mer og også ved skråstilling av innretningen, sikrer en i det minste tilnærmet ensartet væskefordeling med ensartet sammensetning over hele kolonnetverrsnittet og dermed unngår en større feilfordeling.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved de i kravenes karakteriserende deler anførte trekk.

Væskefordelingsinnretningen ifølge oppfinnelsen har en enkel oppbygning og bidrar vesentlig til en stor skille-effekt, hhv. optimal varmeoverføring i kolonner.

Det er ved oppfinnelsen vesentlig at hele den væske som skal fordeles tilføres i delstrømmer de enkelte fordelere over et eneste sted, nemlig via doseringsinnretninger fra en beholder. Herved er delstrømmene proporsjonale med kol-onnetverrsnittets delflater som mates av de enkelte fordelere.

Det er fordelaktig, men ikke nødvendig, at beholderen med doseringsinnretningen er anordnet i sentrum av kolonnetverrsnittet.

Antall enkeltfordelere og doseringsinnretninger kan velges så stort man ønsker slik at de nevnte ulemper ved de kjente fordelere, ikke opptrer.

Feilfordelingen kan således ved en innretning ifølge oppfinnelsen, holdes liten, uavhengig av kolonnediameteren.

Også ved kolonner som eksempelvis er oppbygd på fly-tende produksjonsanlegg som utsettes for bølgebevegelser, gir en innretning ifølge oppfinnelsen allikevel en ytterst ensartet væskefordeling.

Oppfinnelsen beskrives på grunnlag av utførelser vist på tegningen hvor figur 2 skjematisk viser et lengdesnitt langs II-II på figur 3 av en kolonne med en væskefordelings-innretning utført ifølge oppfinnelsen, figur 3 viser et tverrsnitt av væskefordelingsinnretningen langs III-III på figur 2 og figur 4 viser en annen utførelse av en beholder med dos— eringsinnretningen i lengdesnitt.

Figur 2 viser et utsnitt av en stoffutvekslingskol-onne 1, nemlig den øverste del i et stoffutvekslingsavsnitt 2 som eksempelvis består av pakningslegemer med ordnet struk-tur.

Over dette avsnitt er anordnet en innretning 3 for gravimetrisk væskefordeling, idet innretningen eksempelvis er oppstøttet på ikke vist måte på en rist.

Den viste utførelse av innretningen har en beholder

4. Beholderens 4 bunn 4a er forbundet med rørstusser 4b i hvilken doseringsinnretningene, utformet som blendere 4c,

er anordnet. Ved denne utførelse er alle blendere anordnet i samme høyde slik at den samme hydrostatiske høyde innstil-les. Det er herved viktig at væskenivået ligger over doseringsinnretningen, avhengig av driftstilstanden ved en minimal som typisk eksempelvis kan være minst 50 mm. Herved for-blir forholdet mellom de enkelte væskedelmengder i væskebe-lastningens totale område konstant.

Istedenfor blenderne 4c kan også ventiler, dyser eller andre drosselanordninger som doseringsinnretninger.

Rørstussene 4b munner ut i strømningskanaler 5 hvormed væsken under drift strømmer inn i de enkelte rørfordelere 6 via disses stigrør 6a. Strømningskanalene 5 må dimensjon-neres og luftes slik at de ikke påvirker doseringsinnretnin-genes virkemåte.

Mindre rør 6c er forbundet med hovedrørene 6b i disses nedre område på motsatte sider og strekker seg frem til endeområdet av det deltverrsnitt av kolonnen 1 som skal mates, slik det fremgår av figur 3.

Ved den viste utførelse er det totale kolonnetverrsnitt i forhold til væskefordeleren inndelt i syv delområder (figur 3), idet kun tre er vist på figur 2.

Rørstussene 6c har i deres undersider, slik det fremgår av figur 2, væskeutløpsåpninger 6d gjennom hvilke væsken fordeles ensartet over stoffutvekslingsavsnittets 2 hele tverrsnitt.

Ved den viste utførelse tilføres under drift væske til beholderen 4 via et tilløpsrør 7.

Da utvekslingskolonner vanligvis har flere stoffutvekslingsavsnitt som er adskilt med mellomrom, anordnes i mellomrommene under utvekslingsavsnittene oppsamlere av kjente utførelse, hvorfra væsken ledes ned i den væskefor-deler som er anordnet under hver oppsamler.

Figur 4 viser en detalj av en modifisert form av en beholder med doseringsinnretninger.

I beholderen 10 er en blandeanordning 11 anordnet som eksempelvis kan være utformet tilsvarende den statiske blandeanordning beskrevet i CH 537 208.

Bruken av en blandeanordning er især fordelaktig i de tilfeller hvor den væske som skal fordeles stammer fra flere kilder, eksempelvis når tilbakeløpet fra en rektifika-sjonskolonnes forsterkerdel skal tilføres dennes drivdel og væske i tillegg skal mates inn i kolonnen. Ifølge figur 4 foregår tilførselen av væske via en ledning 12 og tilbake-løpet via en ledning 13 som med flenser er festet til innretningen 10.

Bruken av en blandeanordning kan også oppnås når væsken stammer fra kun én kilde som har ulikheter i konsentra-sjonen. Dette kan være tilfellet når væsken kommer fra et utvekslingsavsnitt anordnet over innretningen i kolonnen.

Ved utførelsen foreligger overfor hverandre liggende utløpsåpninger 14 i den nedre del av beholderens 10 sidevegger, hvortil er montert rørstusser 15, idet det mellom disse og beholderveggen er anordnet blendere 16 for dosering av

den væskedelmengde som strømmer ut.

Claims (4)

1. Innretning for gravimetrisk væskefordeling for stoff- og varmeutviklingskolonner med enkeltfordelere (6) som mates fra en overliggende beholder (4, 10), KARAKTERISERT VED at enkeltfordelerne (6) er innrettet til å tilføres væskemengder fra beholderen (4, 10) via som strupeanordninger utformede doseringsinnretninger (4c, 6) som er dimensjonert proporsjonale med tverrsnittsflåtene i de delerne (6) som skal mates.

2. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at rørstusser (46) er anordnet i beholderbunnen og/eller i beholderens sidevegger og fører til enkeltfordelerne (6), idet doseringsinnretningene (4c) er anordnet i rørstussene (46).

3. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at åpninger (14) er anordnet i beholderbunnen og/eller i beholderens sidevegger og er forbundet med doseringsinnretningene (16) .

4. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at en blandeanordning (11) er anordnet i beholderen (10).