WO2005037428A1 - Geordnete packung für wärme- und stoffaustausch - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an ordered packing for heat and / or mass transfer columns, a packing unit consisting of at least two packing layers.
  • European patent application EP 1 074296 describes an orderly pack in which the individual pack layers are each composed of two individual pack layers with different geometries.
  • a packing layer with a narrow geometry arranged at the bottom is combined with a packing layer with a wide geometry arranged at the top.
  • the packs are operated in such a way that the lower pack layer is driven in a bubble state with a high mass exchange.
  • the coarse packing layer arranged above acts as a droplet separator and additionally fulfills the function of a conventional packing with a liquid film flowing over it.
  • the object of the invention is to improve the gas and / or liquid distribution with a simple structure in a pack of the type mentioned at the outset to increase the heat and / or mass exchange.
  • this object is achieved in that the lower packing layer has packing layers which have a greater density and thus a larger surface area than the other packing layers of the same packing layer.
  • these packs according to the invention do not have a uniform geometry of the individual layers, but are specifically designed to be uneven in the horizontal direction, in the vertical direction or preferably in the horizontal and at the same time vertical direction.
  • the packs are operated in such a way that the lower pack layer is driven in a bubble state with a high mass exchange, the coarse pack layer arranged above acts as a droplet separator and additionally fulfills the function of a conventional pack over which a liquid film flows.
  • the packing layers with a greater density and thus a larger surface form a greater resistance for the gas coming from below, so that the gas flows upwards more slowly there and as a result the liquid in these packing layers reaches the bottom more strongly. This results in liquid circuits and gas cycles within the packing layer, which find an optimal distribution of the liquid. This also ensures that the liquid gets down in sufficient quantities.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a pack unit in a cutout
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the lower pack layer
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the lower pack layer
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of the lower pack layer.
  • Each floor has at least one packing unit 1, each of which has an upper 2 and a lower packing layer 3.
  • the first exemplary embodiment according to FIG. 1 has a conventional upper packing layer 2 in a cross-channel structure, in which the individual packing layers 4 have a uniform geometry with the same specific surface both in the horizontal direction and in the vertical direction.
  • the upper packing layer 2 is of lower density and has a smaller specific surface.
  • the lower pack layer 3 is of greater density and has a larger specific surface.
  • FIGS. 1 and 2 show sections of packing layers according to the invention, in which the lower packing layer 3 packing layers 4a, 4b have at least two specific surfaces of different sizes in the horizontal direction.
  • two packing layers 4b with the higher specific surface are installed adjacent. Between these layers 4b with the larger specific surface area are 1 to about 10, preferably 3 to 6, adjacent layers 4a with a smaller specific surface area.
  • the specific surface area of the layers 4a with the smaller specific surface area corresponds to the geometries customary in the art with a specific surface area of approximately 100 to 1200 m 2 / m 3 .
  • the layers 4b with the larger specific surface have a specific surface larger by a factor of about 2.
  • the reason for this very large specific surface lies in the function deviating from the usual internals used in distillation technology.
  • the tight, dense packing layers 4b can be made from different materials, which can also have perforations, for example from sheet metal, expanded metal or wire mesh.
  • both packing layers 4a, 4b have perforations at the lower end over approximately 10 to 50% of the height, which allow the liquid to pass from the narrow channels into the wide channels.
  • the free opening cross section should be about 5 to 20% based on the total area of the packing layers.
  • the narrow packing layers 4b protrude at the lower end of the narrow packing layer by approximately 2 to 50 mm, preferably 5 to 20 mm, the layers at the upper end at the same height (FIG. 3) or at a different, in particular lower End height (Figure 4).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine geordnete Packung für Wärme- und/oder Stoffaustauschkolonnen, wobei eine Packungseinheit (1) aus mindestens zwei Packungslagen (2, 3) besteht, wobei dass die untere Packungslage (3) Packungsschichten (4b) aufweist, die gegenüber den übrigen Packungsschichten (4a) der selben Packungslage (3) eine grössere Dichte und damit eine grössere Dichte und damit eine grössere Oberfläche aufweisen.

Description

Geordnete Packung für Wärme- und Stoffaustausch
Die Erfindung betrifft eine geordnete Packung für Wärme- und/oder Stoffaustauschkolonnen, wobei eine Packungseinheit aus mindestens zwei Packungslagen besteht.
In der europäischen Patentanmeldung EP 1 074296 ist eine geordnete Packung beschrieben, bei der die einzelnen Packungslagen jeweils aus zwei einzelnen Packungslagen mit unterschiedlicher Geometrie zusammengesetzt sind. Dabei wird jeweils eine unten angeordnete Packungslage mit enger Geometrie mit einer oben angeordneten Packungslage mit weiter Geometrie kombiniert. Die Packungen werden so betrieben, dass die untere Packungslage jeweils in einem Sprudelzustand mit hohem Stoffaustausch gefahren wird. Die darüber angeordnete grobe Packungslage wirkt als Tropfenabscheider und erfüllt zusätzliche die Funktion einer mit einem Flüssigkeitsfilm überströmten konventionellen Packung.
Bei der Verwendung dieser Packungen zeigt sich eine Empfindlichkeit der Packungen gegenüber einem nicht exakt ausgerichteten horizontalen Einbau, speziell bei größeren Kolonnendurchmessern von mehr als 1 m. Die Schrägstellung bewirkt einen über den Kolonnenquerschnitt ungleich hohen Flüssigkeitsstand. Dabei werden die Zonen, die einen erhöhten Flüssigkeitsstand aufweisen, mit kleineren Gasvolumenströmen beaufschlagt. Diese Ungleichverteilung wirkt sich auf die ansonsten sehr hohe Trennleistung nachteilig aus. Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Packung der eingangs genannten Art zur Erhöhung des Wärme- und/oder Stoffaustausches die Gas- und/oder Flüssigkeitsverteilung bei einfachem Aufbau zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die untere Packungslage Packungsschichten aufweist, die gegenüber den übrigen Packungsschichten der selben Packungslage eine größere Dichte und damit eine größere Oberfläche aufweisen.
Es wurde gefunden, dass sich die Empfindlichkeit gegen Ungleichverteilungen stark verringern lässt, wenn man die Geometrie der engen im gefluteten Zustand betriebenen Packungslage modifiziert. Im Unterschied zu konventionellen Kolonnenpackungen weisen diese Packungen erfindungsgemäß keine einheitliche Geometrie der einzelnen Schichten auf, sondern sind gezielt in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung oder bevorzugt in horizontaler und gleichzeitig vertikaler Richtung ungleich ausgeführt. Die Packungen werden so betrieben, dass die untere Packungslage jeweils in einem Sprudelzustand mit hohem Stoffaustausch gefahren wird, die darüber angeordnete grobe Packungslage als Tropfenabscheider wirkt und zusätzlich die Funktion einer mit einem Flüssigkeitsfilm überströmten konventionellen Packung erfüllt.
Die Packungsschichten mit größerer Dichte und damit größerer Oberfläche bilden einen größeren Widerstand für das von unten kommende Gas, so dass dort das Gas langsamer nach oben strömt und hierdurch die Flüssigkeit in diesen Packungsschichten stärker nach unten gelangt. Damit kommt es innerhalb der Packungslage zu Flüssigkeitskreisläufen und Gaskreisläufen, die zu einer optimalen Verteilung der Flüssigkeit finden. Auch ist hierdurch sichergestellt, dass die Flüssigkeit in ausreichenden Mengen nach unten gelangt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Packungseinheit im Ausschnitt,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform der unteren Packungslage,
Figur 3 eine dritte Ausführungsform der unteren Packungslage,
Figur 4 eine vierte Ausführungsform der unteren Packungslage.
In einer Kolonne sind mehrere waagerechte Stoffaustauschböden übereinander angeordnet. Jeder Boden weist mindestens eine Packungseinheit 1 auf, die jeweils eine obere 2 und eine untere Packungslage 3 aufweist.
Das erste Ausführungsbeispiel nach Figur 1 besitzt eine konventionelle obere Packungslage 2 in Kreuzkanalstruktur, bei der die einzelnen Packungsschichten 4 sowohl in horizontaler Richtung, als auch in vertikaler Richtung eine einheitliche Geometrie mit gleicher spezifischer Oberfläche aufweisen. Die obere Packungslage 2 ist von geringerer Dichte und hat eine kleinere spezifische Oberfläche. Die untere Packungslage 3 ist von größerer Dichte hat und eine größere spezifische Oberfläche.
Figuren 1 und 2 zeigen Ausschnitte aus erfindungsgemäßen Packungslagen, bei denen die untere Packungslage 3 Packungsschichten 4a, 4b in horizontaler Richtung, zumindest zwei unterschiedlich große spezifische Oberflächen aufweisen. In der Regel sind jeweils zwei Packungsschichten 4b mit der höheren spezifischen Oberfläche benachbart eingebaut. Zwischen diesen Schichten 4b mit der größeren spezifischen Oberfläche befinden sich 1 bis etwa 10, bevorzugt 3 bis 6, benachbarte Schichten 4a mit einer kleineren spezifischen Oberfläche.
Die spezifische Oberfläche der Schichten 4a mit der kleineren spezifischen Oberfläche entspricht den in der Technik üblichen Geometrien mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 100 bis 1200m2/m3.
Die Schichten 4b mit der größeren spezifischen Oberfläche weisen eine um etwa den Faktor 2 größere spezifische Oberfläche auf. Der Grund für diese sehr große spezifische Oberfläche liegt in der von den üblichen in der Destillationstechnik verwendeten Einbauten abweichenden Funktion.
Während in den groben Packungslagen ein Gegenstrom von Gas und Flüssigkeit in Form einer Sprudelschicht vorliegt, werden die Zwischenräume der Packungsschichten 4b mit der größeren spezifischen Oberfläche bevorzugt nur oder überwiegend mit Flüssigkeit durchströmt. In diesen flüssigkeitsgefüllten Zwischenräumen tritt eine gute Vergleichmäßigung eines Teils der Flüssigkeitsströmung und eine Gleichverteilung auf. Derartige Packungslagen 3 wirken daher verteilend. Sie machen separate Anordnungen von Flüssigkeitssammlern und Flüssigkeitsverteilern ganz oder zumindest teilweise entbehrlich.
Erstaunlicherweise zeigen Experimente, dass die Flüssigkeit sehr zuverlässig in die engen Strömungskanäle eindringt und längs der Kanäle gleichmäßig verteilt wird.
Die engen dichten Packungsschichten 4b können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, die auch Perforationen aufweisen können, beispielsweise aus Blech, Streckmetall oder Drahtgewebe.
Für die Funktion der unteren Packungslage 3 als Sprudelschicht ist es erforderlich, dass beide Packungsschichten 4a, 4b am unteren Ende über etwa 10 bis 50% der Höhe Perforationen aufweisen, die einen Durchtritt der Flüssigkeit aus den engen Kanälen in die weiten Kanäle erlauben. Der freie Öffnungsquerschnitt soll dabei etwa 5 bis 20% bezogen auf die Gesamtfläche der Packungsschichten betragen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die engen Packungsschichten 4b am unteren Ende der engen Packungslage etwa 2 bis 50 mm, bevorzugt 5 bis 20 mm herausragen, wobei die Lagen am oberen Ende auf gleicher Höhe (Figur 3) oder auf unterschiedlicher insbesondere niedrigerer Höhe enden (Figur 4).

Claims

Ansprüche
1. Geordnete Packung für Wärme- und/oder Stoffaustauschkolonnen, wobei eine Packungseinheit (1) aus mindestens zwei Packungslagen (2, 3) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Packungslage (3) Packungsschichten (4b) aufweist, die gegenüber den übrigen Packungsschichten (4a) der selben Packungslage (3) eine größere Dichte und damit eine größere Oberfläche aufweisen.
2. Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsschichten (4, 4a, 4b) quer zur waagerechten Lage der Packungslage (2, 3) ausgerichtet sind.
3. Packung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsschichten (4, 4a, 4b) schräg oder senkrecht angeordnet sind.
4. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Packungslage (3) eine größere Dichte und damit eine größere Oberfläche aufweist als die darüber befindliche Packungslage (2).
5. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsschichten (4b) mit der größeren spezifischen Oberfläche eine um etwa den Faktor 2 bis 10 größere spezifische Oberfläche aufweisen als die restlichen Packungsschichten (4a).
6. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Packungsschichten (4b) mit der größeren Oberfläche benachbart in der unteren Packungslage (3) eingebaut sind und zwischen diesen Schichten mit der größeren Oberfläche 1 bis 10 insbesondere 3 bis 6 Schichten (4a) mit einer kleineren spezifischen Oberfläche angeordnet sind.
7. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsschichten (4b) mit der größeren Oberfläche aus perforierten Materialien insbesondere aus Streckmetall oder Drahtgewebe bestehen.
8. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Packungsschichtarten (4a, 4b) am unteren Ende über etwa 10 bis 50% ihrer Höhe Perforationen in größerer Anzahl und/oder in größerem Durchmesser aufweisen, die einen Durchtritt der Flüssigkeit aus den engen Kanälen in die weiten Kanäle erlauben.
9. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Öffnungsquerschnitt etwa 5 bis 20% bezogen auf die Gesamtfläche der Packungsschicht beträgt.
10. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die engen Packungsschichten (4b) eine größere Oberfläche am unteren Ende der unteren Packungslage (3) etwa 2 bis 100 mm, bevorzugt 5 bis 40 mm nach unten herausragen.
11. Packung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichne , dass die Packungsschichten (4b) größere Oberfläche an ihrem unteren Ende etwa 2 bis 100 mm, bevorzugt 5 bis 40 mm herausragen und an ihrem oberen Ende etwa 2 bis 100 mm, bevorzugt 5 bis 40 mm tiefer angeordnet sind als die übrigen Packungslagen (4a).
12. Verwendung der Packungen nach einem der vorherigen Ansprüche zur Durchführung von Destillationen, Absorptionen, Gaswäschen, Extraktivdestillationen oder Reaktivdestillation.
13. Verwendung der Packungen nach einem der Ansprüche zur Flüssigkeitsverteilung in Kolonnen.
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