WO2006087193A1

WO2006087193A1 - Verfahren mit verwendung einer vorrichtung zur gasverteilung in kolonnen

Info

Publication number: WO2006087193A1
Application number: PCT/EP2006/001418
Authority: WO
Inventors: Holger Kleim
Original assignee: Epc Engineering Consulting Gmbh
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2006-08-24
Also published as: DE102005007289A1; EP1848527A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasverteilung bei Verwendung einer Vorrichtung in Kolonnen, in denen Partikel in einer Schüttschicht von oben nach unten strömen und Gas und Flüssigkeit im Gegenstrom nach oben geführt wird. Die Vorrichtung besteht aus übereinander angeordneten Böden. Das Gas wird beim Passieren der Böden in den Querschnitt der Kolonne verteilt. Diese Böden sind ausgeführt mit Verengungen und mit einem vereinten Gasraum, gebildet aus Verteilerrippen und einem peripheren Ringraum. Die Möglichkeiten zum Druckausgleich des Gases im Boden ergibt sich durch definierte Spalte in den Verteilerrippen zum Eintritt und gleichmäßigen Wieder-Austrag des Gases in den Kolonnenquerschnitt für den Fall von Druckunterschieden zwischen den Verengungen und dem Bodenraum infolge unterschiedlich strömender Gasmengen.

Description

Verfahren mit Verwendung einer Vorrichtung zur Gasverteilung in Kolonnen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Verwendung einer Vorrichtung zur vergleichmäßigten Verteilung von Gas in Kolonnen, in denen Partikel, speziell Polyamidgranulat, in einer Schüttschicht von oben nach unten strömen und die mit einer Strömung von Flüssigkeit und Gas im Gegenstrom behandelt werden, nach den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In DE OS 25 48 647 wird eine Vorrichtung zur Steuerung eines teilchenförmigen Feststoffstromes in einer Flüssigkeit von oben nach unten ohne zusätzliche Gasströmung vorgestellt. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein System von Leitblech-Leitungen mit darunter angeordneten Walzenpaaren. Die Steuerung des Feststoffstromes erfolgt durch variable Verstellung des Abstandes der Walzenpaare zu den Leitblech-Leitungen in Abhängigkeit von den Parametern der Partikel. Die Leitblech-Leitungen bestehen aus parallel angeordneten Kanälen mit einem unteren waagerechten Bodenblech mit anschließenden geneigten Seitenblechen und jeweils aufgesetztem Winkelblech und querverbindenden Winkelstreifen. Zwischen den Seitenblechen und dem Winkelblech ist jeweils ein Spalt vorhanden. Diese Lösung ist für die vergleichmäßigte Verteilung eines Gasstroms in der Flüssigkeit einer Polyamidgranulatschicht mit einer gezielten Turbulenz in einem partiellen Höhenabschnitt der Kolonne nicht geeignet:

1. Die in der Feststoff-/Flüssigkeitssäule aufwärts strömende Gasmenge stößt gegen das waagerechte Bodenblech. Nach der Umlenkung strömt es senkrecht nach oben und kann nicht in den Spalt einströmen. Die unten geöffneten Winkelstreifen erfassen in ihrem vollem Querschnitt das Gas und verteilen es lokal ohne einen Druckausgleich in einem notwendig untereinander verbunden Gasraum. Eine gleichförmige Gasverteilung über den Behälterquerschnitt und eine gezielte Turbulenz ist nicht möglich.

2. Die Feststoffströmung hinterlässt unter dem waagerechten Bodenblech und den Winkelstreifen einen Leeraum (Schüttwinkel). Bei einer Gasströmung würde hierbei der Feststoff aufgewirbelt und eine negative Instabilität in der Granulatschicht und Nachteile für das Verweilzeitverhalten resultieren.

DE OS 1 751 164 veröffentlicht eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Polymergranulat mit Gas ohne Gegenwart von Flüssigkeit, wobei in einem Apparat mit rechteckigen Querschnitt das Gas durch mehrere parallel geführte Gaseinführungs-Einbauten in die Granulatschicht eingeblasen wird. Die Einbauten sind oben unter einem Winkel schräg gemäß Granulatströmung von oben nach unten ausgebildet. Am unteren Austritt sind sie offen, das Gas kann in die Granulatschicht austreten.

Für die zu lösende o.a. Aufgabe kann diese Vorrichtung als Gasverteilung über den Querschnitt nicht angewendet werden:

1. Das aufwärts strömende Gas würde im Querschnitt in den unten geöffneten Querschnitt der jeweiligen Gaseinführungs-Einbauten eintreten und es lokal, ohne einen Druckausgleich in einem notwendig untereinander verbunden Gasraum, verteilen. Eine gleichförmige Verteilung des Gases über den Querschnitt und eine gezielte Turbulenz ist nicht möglich.

2. Die Polymergranulatschicht füllt teilweise den freien Querschnitt der Gaseinführungs-Einbauten aus und erzeugt in Verbindung mit der Gasströmung eine Instabilität und. Die Verweilzeit dieses Granulates ist unbestimmt.

In der vom Eidgenössischen Amt der Schweiz ausgegebenen Schrift 28 34 14 wird ein Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von fein verteilten festen Stoffen mit Gasen ohne Gegenwart von Flüssigkeit beschrieben. Der Reaktor ist als rechteckiger Schacht ausgeführt und ist zum Eintrag von Reaktionskomponenten mit dachförmigen Einbauten versehen. Die Einbauten erzeugen jeweils einen Freiraum in der Feststoffschicht zum Eintrag der Komponenten.

Die Ausführung dieser Einbauten ist nicht geeignet zur Anwendung bei der Lösung der vorliegenden Aufgabe einer Erzielung von definierter Turbulenz mittels Gasstrom in der Flüssigkeit innerhalb der Polymergranulatschicht in definierten Engstellen eines Bodens. Die Problematik entspricht der Sachlage bei der Veröffentlichung DE OS 1 751 164, auf die oben eingegangen wurde.

In den recherchierten Veröffentlichungen wurden keine Lösungen zum gleichmäßigen Verteilen des Gases in eine Granulatschüttung bei Gegenwart einer Flüssigkeit gefunden, wobei eine qualitativ ausreichende Turbulenz der Flüssigkeit in einem partiellen Raum im Bereich des Bodens erzeugt werden könnte, um optimale Verhältnisse zur Verbesserung des Stoffübergangs und zur Vermeidung einer Konvektion der Flüssigkeit von oben nach unten zu erreichen.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren bei Verwendung einer Vorrichtung zu gestalten zum gleichmäßigen Verteilen von Gas in eine von oben nach unten strömende Granulatschüttung, in der eine Flüssigkeit von unten nach oben strömt, wobei in einem partiellen Bereich der Kolonnenhöhe eine erhöhte und über den Bereich vergleichmäßigte Turbulenz in der Flüssigkeit infolge der Gasströmung erzielt wird.

Diese Vorrichtung muss folgende Lösungen zum Ergebnis haben:

1. Böden mit definierten Verengungen über den Querschnitt der Kolonne zur Verdichtung des von unten anströmenden Gasstromes und der Erzeugung einer gezielten Turbulenz in diesem partiellen Höhenabschnitt und mit einem vereinten Gasraum, gebildet aus Verteilerrippen und einem peripheren Ringraum,

2. Möglichkeiten zum Druckausgleich des Gases im Boden, gebildet durch definierte Spalte in den Verteilerrippen, mit optimalen Bedingungen für den Eintritt des Gases in den Gasraum und seinem vergleichmäßigten Wieder-Austritt in den Kolonnenquerschnitt (Fluktuation),

3. Vermeidung von granulatfreien Räumen im Bereich der Böden, die Verwirbelungen des Granulats durch den Gasstrom ausüben würden,

4. Gestaltung von Schrägen an den Verteilerrippen in Zulauf- und Ablaufrichtung mit jeweils definierten Winkeln und Schaffung von optimalen Bedingungen an den definierten Engstellen zwischen den Verteilerrippen zur gezielten Gestaltung der Verhältnisse für die wechselseitigen Bedingungen zwischen Granulatströmung und Gasströmung für eine verbesserte Prozessführung zum Stoffaustausch.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 - 12 dargestellt;

1. Gestaltung von Böden, die aus Verteilerrippen und einem peripheren Ring mit räumlicher Verbindung aufgebaut sind. Die Verteilerrippen sind aus einer oberen und unteren Rippe zusammengesetzt und beidseitig mit einem definierten Spalt versehen. Die Verteilerrippen bilden jeweils Engstellen zwischen sich.

2. Das Gas tritt bei Unterdruck durch die Spalte in den Boden ein und erzeugt einen Druckausgleich im Boden. Danach tritt das Gas gleichmäßig verteilt aus den Spalten wieder in die Engstellen aus. Diese Vorgänge erfolgen überlagert (Fluktuation) und erzielen in der Summe eine gleichmäßige Verteilung des Gases im Kolonnenquerschnitt. Dies wirkt vor allem bei ggf. geringer Gasströmung, die zur Gassenströmung im Kolonnenraum führen würde. Ohne Einsatz der Böden in der Kolonne mit festgelegten Maßen übereinander würde sich diese Gassenströmung über die gesamte Höhe der Kolonne fortsetzen.

3. Die Verteilerrippen sind oben und unten im Winkel abgekantet. Die Winkel sind nach den erforderlichen Bedingungen des Systems Granulatablauf und Gasströmung, einlauf- und ablaufseitig, angepasst. Somit wird für die Zuströmseite und auch für die Abströmseite des Granulats erzielt, dass die verstärkte Turbulenz der Flüssigkeit im partiellen Höhenabschnitt gleichmäßig auf das Granulat einwirkt und somit ein verbesserter Stoffaustausch erzielt und eine nachteilige Konvektion der Flüssigkeit von oben nach unten vermieden wird.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gestaltung des Verfahrens mit Verwendung der Vorrichtung sind durch folgende Punkte gegeben:

1. Erzeugung einer verstärkten gleichmäßigen Turbulenz der Flüssigkeit in einem partiellen Höhenabschnitt an den definierten Engstellen der Böden mit Einwirkung auf die Grenzschicht des Granulats und somit Gewinn für einen verbesserten Stoffaustausch sowie Vermeidung einer nachteiligen Konvektion der Flüssigkeit von oben nach unten,

2. wirksamer Druckausgleich des nach oben strömenden Gases im vereinten Gasraum Verteilerrippen/Ring und damit Erzielung einer Vergleichmäßigung der Gasströmung bei Wieder-Eintrag in die definierten Engstellen der Kolonne,

3. Anordnung der Böden in der Kolonne in Paaren aus jeweils 2 Stück mit festgelegten Abständen und versetzt zueinander, Anordnung dieser Paare in Abständen übereinander und versetzt zueinander, gegenüber dem darunter angeordneten Paar und weiter fortführend, damit Erzielung einer Punktsymmetrie als Strömungsregulierung für das System Granulatströmung / Gasströmung und der resultierenden vergleichmäßigten Verweilzeit,

4. Möglichkeit der Gestaltung von Kolonnen mit großen Durchmessern und damit hoher Durchsatzleistung für das Produkt durch Schaffung einer hohen Gleichmäßigkeit der Verweilzeit über den Querschnitt,

5. einfache kostengünstige Konstruktion der Böden in dünner Wandstärke,

6. geringer Fertigungsaufwand durch Auskreisen der Durchbrüche der Verteilerrippen im inneren Ring mittels computergestütztem Laser auf Grundlage der computererstellten Abwicklung und Herstellung der Verteilerrippen durch Abkanten von zugeschnittenen Blechen.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit der verwendeten Vorrichtung wird in einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung sind die Einzelheiten der verwendeten Vorrichtung dargestellt:

Es zeigen:

- Fig. 1 den Boden in der Draufsicht,

- Fig. 2 einen Schnitt A-A zur Darstellung der Verteilerrippen,

- Fig. 3 Einzelheit „X" für die Gestaltung des peripheren Rings mit

Darstellungen der Installation mit äußerer Zarge 9,

- Fig. 4 Einzelheit „X" für die Gestaltung des peripheren Rings mit

Darstellungen der Installation ohne äußere Zarge 9. In der Kolonne sind Böden in der Ausführung nach Fig. 1, 2 und 3/4 in waagerechter Lage installiert, welche die Kolonne in Wirkzonen unterteilen. Die Installation der Böden bezüglich der Ausrichtung ihrer parallel angeordneten Verteilerrippen 2 wird nachfolgend beschrieben. Die Kolonne ist mit Polyamidgranulat gefüllt, welches in geringer Geschwindigkeit von oben nach unten fließt. Im Gegenstrom strömt Wasser ebenfalls mit geringer Geschwindigkeit von unten nach oben. Zusätzlich zum Wasser wird Gas von unten nach oben geleitet.

Der in der Kolonne durchzuführende Prozess erfordert eine hohe Vergleichmäßigung des Gases in den Wirkzonen, was durch die Böden erreicht wird. Außerdem sind prozessbedingt in partiellen Höhenabschnitten der Kolonne definierte Engstellen b (s. Fig. 2) erforderlich, die eine konvektive Rückströmung des Wassers von oben nach unten vermeiden und eine hohe Turbulenz im Wasser in diesem partiellen Höhenabschnitt bewirken.

Das aus der unteren Wirkzone unter dem Antrieb des hohen Dichteunterschiedes zwischen Gas und Wasser nach oben strömende Gas muss jeweils durch die definierten Engstellen der Böden strömen, die eine verringerte freie Fläche gegenüber dem Kolonnenquerschnitt aufweisen. Das Gas erfährt in den Engstellen mit einer definierten Breite b eine räumliche Verdichtung und ist bestrebt, beim geringsten Druckunterschied zwischen Engstelle und vereintem Gasraum des Bodens durch die Spalte c in den vereinten Gasraum je nach Druckrichtung ein- bzw. auszutreten und für einen Druck- und somit Mengenausgleich in der Engstelle zu sorgen. Hierbei sind die Anströmwinkel ß der Verteilerrippen so ausgelegt, dass das Gas in seiner Anströmrichtung optimal eingezogen wird und das Gas im Fall des örtlichen Unterdrucks im Boden an dieser Stelle in die Spalte c eintreten kann (Staudruck in der Engstelle höher als Druck im Boden). Im Boden kommt es durch den vereinten Gasraum Verteilerrippen 2 / Ringraum 1 zum Druckausgleich über die gesamte Bodenfläche. Für den Fall des Überdrucks im Boden an dieser Stelle entlädt sich das Gas aus dem Boden über die Spalte c in die Engstelle b und strömt gemeinsam mit dem von unten anströmenden Gas (Manko im aufsteigenden Gasstrom) nach oben. Der Abströmwinkel α gewährleistet, dass der Gasstrom nach der Engstelle sich in Verbindung mit der Staudruckwirkung durch die Granulatschüttung (s. Fig. 2) in homogener Weise auf den Kolonnenquerschnitt verbreitert und eine Vergleichmäßigung über den Kolonnenquerschnitt erhält, Unterschiede in Form von möglichen Kanalströmungen des Gases über die Höhe der Kolonne bei zu geringen Gasmengen werden durch die Anordnung mehrerer Böden übereinander somit ausgeglichen.

Diese räumliche Verdichtung des Gases und der daraus folgende Staudruck bewirkt eine Barriere gegen alle Bestrebungen des Wassers, durch Eigenkonvektion von der oberen Wirkzone durch die Engstellen in die untere Wirkzone zu fließen (Konvektion hervorgerufen durch geringere Temperatur und höhere Dichte in der oberen Wirkzone).

Durch die Gestaltung der unteren Rippe im Winkel ß bleibt das Granulat formschlüssig eingeengt. Dies bewirkt, dass keine granulatfreien Räume bei der Strömung des Polyamidgranulats nach unten entstehen. Nachteilige Verwirbelungen des Granulats, wie es bei freiem Schüttwinkel des Granulats ohne Formschluss bei der Gasströmung auftritt, werden vermieden und somit die Qualität des Endproduktes verbessert.

In Fig. 1 ist ein Boden der verwendeten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in der Draufsicht dargestellt. Er besteht aus einem Ring 1 und den in diesem dicht angeordneten Verteilerrippen 2. Die Verteilerrippen sind gehaltert von Stegblechen 3 mit maßhaltigen Durchbrüchen für die Verteilerrippen. Hierdurch werden folgende Wirkungen erzielt, die für die effektive Durchführung des Verfahrens erforderlich sind (s. Fig. 2): a. die Maßhaltigkeit für die Abstände b zwischen den Verteilerrippen, b. die Sicherung der ebenengerechten Anordnung der Verteilerrippen im Boden, c. die Führung und maßhaltige Zueinanderanordnung der oberen Rippe 4 und der unteren Rippe 5 zur Gewährleistung der definierten Werte für die Engstellen b und die Spalte c. Die oberen und unteren Rippen sind unter je einem Winkel α und ß abgekantet, in den Ring 1 eingeführt und räumlich dicht mit ihm verbunden. Der Ring ist gebildet aus innerer Zarge 8 und äußerer Zarge 9, die mit konischen Ringen 10 und 11 dicht geschweißt ist (s. Fig. 3). Die Rippen 4 und 5 sind ebenfalls dicht in die innere Zarge 8 eingeschweißt. Die oberen und unteren Rippen verfügen über Abkantungen 6 und 7 an den Enden. Zwischen den Abkantungen 6 und 7 befindet sich ein Spalt c. Die Abkantungen 6 und 7 überlappen sich derart, dass bei Füllung der Kolonne mit einer Flüssigkeit diese nicht in die Verteilerrippen eintreten kann und der Innenraum der Verteilerrippen und des Rings von Gas gefüllt bleiben.

In definierten Abständen sind 2 aufeinander folgende Böden als Paar in der Ebene um 90° zueinander gedreht angeordnet. Das nächste Paar erhält eine Auslenkung von unter 45° zu dem vorigen Paar, so dass sich die Richtungen der Verteilerrippen der 4 untereinander liegenden Böden nicht überdecken. Das zweite Bodenpaar wird ebenfalls in definiertem Abstand zum vorhergehenden Paar installiert. Diese Anordnung setzt sich für die nachfolgenden Gruppen von je 4 Böden fort. Dadurch wird eine Punktsymmetrie für das System der Verteilerrippen in der Kolonne erzielt, die die Vergleichmäßigung der Strömung aller Reaktionspartner optimal gleichmäßig gestaltet.

Die Erzielung einer hohen Gleichmäßigkeit für die Verweilzeit der Reaktionspartner in der Kolonne ermöglicht eine Gestaltung von Kolonnen mit großem Durchmesser und damit hohem Produktdurchsatz. Die Bedingungen für die Prozessführung können auch in diesem Fall als optimal erreicht werden und gewährleisten hohe Ergebnisse in der Qualität.

Die Böden werden in verschiedener Weise in der Kolonne fixiert:

1. Die Böden werden nach Fig. 3 in der Kolonne exakt horizontal ausgerichtet und nur an der oberen Kante des Rings (äußere Zarge 9) gasdicht mit einer Naht 13 an die Kolonnenwand 12 geschweißt. Das aufströmende Gas füllt den Zwischenraum 14 mit dem Spalt d bis zur unteren Kante aus. Dieser Raum bleibt inaktiv.

2. Die Böden werden nach Fig. 4 in der Kolonne exakt horizontal ausgerichtet. Mittels der Konen 10 und 11 wird die innere Zarge 8 mit den Verteilerrippen gasdicht an die Kolonnenwand 12 geschweißt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung von Gas in den Querschnitt einer Kolonne, die mit Flüssigkeit versetzt ist, welche von unten nach oben strömt und in der eine Partikelströmung von oben nach unten vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung in Form von übereinander angeordneten Böden verwendet wird, die aus Verteilerrippen 2 bestehen, welche in einem Abstand b zueinander angeordnet und räumlich mit einem peripher angeordneten Ring 1 verbunden sind, wobei die oberen Rippen 4 und unteren Rippen 5 jeweils mit einem Winkel α und ß ausgeführt und die Verteilerrippen senkrecht zu ihrer Ausrichtung von mehreren Stegblechen 3 eingefasst sind, die oberen Rippen '4 und unteren Rippen 5 jeweils beidseitig über eine Höhe h einen Spalt c ergeben, wobei der Spalt c unten eine Öffnung in den Kolonnenraum aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die verwendete Vorrichtung jeweils 2 Böden als Paar in definiertem Abstand aufeinanderfolgend unter einem Winkel von 30° bis 150° in der Ebene zueinander verdreht angeordnet werden und ein ebensolches nachfolgendes Paar in definiertem Abstand wiederum um einen Winkel von 15° bis 75° verdreht zum vorhergehenden Paar angeordnet ist und diese Folge weiter über die Höhe der Kolonne angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die verwendete Vorrichtung die Abstände der Böden in der Kolonne zueinander ein Verhältnis Abstand Böden zu Durchmesser Kolonne von 0,2 bis 4,0 einnehmen.

4. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Böden mit geschlossenem, gasdicht geschweißtem Ring 1, bestehend aus innerer Zarge 8 und äußerer Zarge 9 sowie den Konen 10 und 11, und in den Ring dicht eingeschweißten Verteilerrippen 2 nach Fig. 3 ausgeführt sind,

5. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dicht geschweißten Böden so ausgeführt sind, dass der Ring 1 aus innerer Zarge 8, den Konen 10 und 11 und der Kolonnenwand 12 nach Fig. 4 gebildet wird.

6. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel α an den oberen Rippen 4 und ß an den und unteren Rippen 5 einen Wert von jeweils 10° bis 150° einnehmen.

7. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte b den 2- bis 200-fachen Wert der Partikelgröße des Produktes einnehmen.

8. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte b über den Querschnitt der Kolonne gleich groß sind.

9. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte b über den Querschnitt der Kolonne unterschiedlich groß sind.

10. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Spaltes c einen Wert von 0,5 mm bis 200 mm beträgt.

11. Verwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegbleche in einem Abstand a von 50 mm bis 1000 mm angeordnet sind.

12. V erwendete Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß H kleiner als 500 mm ist.