DE1444367A1 - Stoffaustauschkolonne - Google Patents

Description

• B e s c h r e i b u n g) "Stoffaustauschkolone" Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne, di. von einer flüssigkeit und einem Das oder dampfförmigen Mittel durchsetzt wird, mit vertikalen, lückenlos nebeneinander liegenden Strömungakanälen.
• In derartigen Stoffaustauschkolonnen kann z.B. Destillation oder Rektifikation oder aber Extraktion (Absorption) dtwA einer Komponente aus einem gasförmigen Gemisch mittels einer fremden, in Stoffaustausch mit dem Gemisch stehenden Abtrennflüssigkeit (Extraktions- oder Absorptionsflüssigkeit) oder aber eine Abtrennung isotoper Elemente aus einem Stoff auf Grund einer chemischen Austauschreaktion vorgenommen werden, z.B. die Trennung von Deuterium und Wasserstoff0 Die Trennung von mit verschiedenen Isotopen gebildeten Molekülen, beispielsweise von schwerem und leichtem Wasser, läßt sich selbstverständlich ebenfalls in derartigen Austauschkolonnen durchführen.
• Es ist das Ziel der Brtindung, die Wirksamkeit der bekannten Kolonnen mit vertikalen, lückenlos nebeneinander liegenden @trömungskanälen zu verbessern, d.h, einen hohen Trenneffekt hcrbeizuführen. Um mit den bekannten Kolonnen einen guten Trenneffekt eint Stoffgemisches zu realisieren, ist es wesentlich, daß die in die parallelen Kanäle eingespeisten Flüssigkeite- und Dampfmengen untereinander keine au starken streuungen aufweisen. Da Streuungen jedoch bei den bekannten Kolonnen praktisch nicht vermeidbar sind oder nur mit hohem apparativem Aufwand relativ klein gehalten werden können, ist eine wesentliche Verschlechterung der Wirksamkeit der Kolonnen und damit des Trenneffektes des Stoffgemisches die Folge.
• Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß bei derartigen Kolonne deren Stoffaustauschteil aus vertikalen, lückenkos nebeneinander liegenden Strömungskanälen besteht, nur dann eine Erhöhung des Trenneffektes gegenüber bekannten Kolonnen erreicht werden kann, wenn innerhalb der einzelnen Kanäle für eine möglichst gute Flüssigkeitaverteilung und sowohl innerhalb der Kanäle als aber auch über den gesamten Kolonnenquerschnitt für eine möglicht gleichmäßige Verteilung und Vermischung des gas- oder dampfförmigen Mittels gesorgt wird0 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ao gelöst, daß die Strömungs kanäle mit Füllkörpern aufgefüllt sind und die Begrenzungswände der Strömungskanäle Öffnungen für eine Verteilung des gas- oder dampfförmigen Mittels über den Kolonnenquerschnitt aufweisen, wShrend die Flüssigkeit oben einmal auf die Knäle verteilt wird und in den ihr zugeteilten Kanälen nach unten strömt.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Begrenzungswände der Strömungskanäle von mindestens einem Einbauelement mit wabenförmiger Struktur gebildet werden, wobei die die Strömungskanäle bildenden Waben eine rechteckige Porm bssitzen, und in den Strömungekanälen als Füllkörper Jeweils mindestens zwei Packungekörper übereinander angeordnet sind, deren Abmessungen dem Querschnitt der Strömungakanäle angepaßt sind, wobei die Packungskörper aus Lamellen bestehen, die mindestens zum Teil geriffelt sind, und wobei weiterhin die senkrechtenn Stellungen der Lamellen übereinander angeordnetor Faokungskörper Um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind0 Vorteilhaft bestehen hierbei die Paokungskörper aus einander berührend n geriffelten Lamellen, wobei die Riffelungen von benachbarten Lamellen verschiedene Richtungen haben und mindestens die Riffelung einer von zwei benachbarten Lamellen im Winkel zur Kolonnenachse liegt. Die Pakkungakürper können aber auch derart ausgebildet sein, daß zwischen Je zwei geriffelten Lamellen eine ungeriffelte Lamelle angeordnet ist.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der in den Zeichnungen dargestellten und im folgenden erläuterten-Ausführungsbeispiele der Erfindungt Die Pig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Rektifizierkolonne, die beispielsweise zur Trennung von leichtem und schwerem Wasser dienen kann, während Fig. 2 einen Quer@ch@itt durch die Kolonne länges der Schnittlinie II - II der Fig. 1 zeigt.
• In Pig. 3 sind perspektivisch die einzelnen Lamellen eines ale Füllkörper dienenden Packungakörpers dargestellt.
• Die Fig 4 zeigt einen Ausschnitt einer Rektifizierkolonne, bei der zwischen zwei Stoffaustauschabschnitten ein Mischraum angeordnet ist.
• Die in der Fig. 1 dargestellte Rektifizierkolonne 1 besitzt einen quadratischen Querschnitt (vgl. Fig. 2) und dient zur Durchführung einer Blasenrektifikation. Das zu rektifizierende Gemisch befindet sich im Bodenteil der Kolonne und wird mittels einer Heizungseinrichtung, von der die Heizspirale 2 dargestellt ist, verdampft Das dampfförmige Gemisch durchströmt den erfindungsgemäß ausgebildeten Stoffaustauschteil 3 der Kolonnen, der im folgenden noch näher erläutert wird, und tritt hierin mit der die Strömungskanäle 4 herabströmenden Flüssigkeit in Stoffaustausch. Das dampfförmige Kopfprodukt, bei Rektifikation die leichter flüchtige Komponente des Gemisches, verläßt die Kolonne durch eine Leitung 5 und wird in einem Rücklaufkondensator 6 verflüssigt. Ein Teil des Kondensates wird durch eine Leitung 7 in den Kopfteil 8 der Kolonne als Rücklauf zurückgeführt, während ein anderer Teil des Kondensates über eine Leitung 9 entnommen werden kann Aus dem Kopfteil 8 wird der Rücklauf dosiert, z,B. über eine aus Kapillaren 10 bestehende Verteilvorrichtung auf den Querschnitt der-einzelnen Strömungskanäle aufgegeben.
• Der Stoffaustauschteil wird von einem Einbauelement 11 mit wabenförmiger Struktur gebildet, wobei die die Strömungskanäle 4 bildenden Waben quadratisch sind und die Wabenwände Offnungen 12 aufweisen, deren Verteilung und Anzahl so gewählt sind, daß eine gleichmäßige Verteilung des daLlpfförmigen Mittels über den Kolonnenquerschnitt erfolgen kann0 Bei einem Öffnungsdurchmesser von einigen Millimetern, z.B. 2 mm, wird vermieden, daß sich die Offnungen mit Flüssigkeit vollsaugen können, was in diesem Fall einen Gasdurchtritt verhindern, zumindest erschweren würde.
• Das Einbauelement kann aus Blech, aber auch aus einem anderen Material, wie z.B. Kunststoff, bestehen. In den die Strörungskanäle bildenden Waben sind als Füllkörper Packungskörper 13 übereinander angeordnet, deren Abmessungen den querscinitt der Waben angepaßt sind. Die Packungskörper bestehen im Ausführungsbeispiel, wie in -Fig. 3 perspektivisch dargestellt wird, aus geriffelten Lamellen 14, die einander berühren, wobei die Riffelungen von benachbarten Lamellen verschiedene Richtungen haben. Die Packungskörper, deren Lamellen zur Herbeiführung einer guten Gasverteilung über den Querscirnitt des Packungskörpers gelocht ssld und die aus Metall, aus Kunststoff, vorzugsweise aus einen selbsbethetzenden Haserial mit Gewebestruktur, ausgeführt werden, weisen außer einem geringen Druckabfall eine sehr gute Verteilwirkung der in Kontakt miteinander zu bringenden Flüssigkeit und dem dampfförmigen Mittel auf, wodurch eine hohe Bodenzahl erreicht wird und somit die Kolonnenhöhe reduziert werden kann. In konstruktiver Hinsicht sind die Fackungskörper außerdem einfach herstellbar.
• Wie experimentelle Ergebnisse zeigen, kann der Durchmesser eines derartigen Packungskörpers unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der angegebenen guten Sigenschaften nicht beliebig groß gemacht werden. Wenn z.B. eine Kolonne mit einem Durchmesser von 100 cm von Packungskörpern mit gleichen Abmessungen aufgefüllt wird, so zeigen diese Packungskörper nicht mehr eine ausreichend gute Verteilwirkung der Flüssigkeit, so daß die mit der Erfindung angestrebten Ziele nicht mehr erreicht werden. Teilt man hingegen eine Kolonne von einem Durchmesser von 100 cm in 25 bis 100 Strömungskanäle auf, so daß zur Auffüllung der Kanäle Packungskörper von 10 bis 20 cm Durchmesser erforderlich werden, wird bei gleichmäßiger Aufgabe der Plüssigkeit am Kopf der Kolonne auf die Querschnitte der die Kanäle füllenden Paokungskörper erreicht, daß die Flüssigkeit die Kolonne in senkrechter Richtung von oben nach unten durchströmt, wobei sie sich über das Volumen der einzelnen Packungskörper gleichmäß<gm verteilt und vermischt, ohne jedoch durch die Bergrenzungswände der Kanäle hindurchzuströmen.
• Wie aus den Fig. 1 und 2 des Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, sind die Packungskörper hinsichtlich der Richtung ihrer Lamellen gegeneinander um 90° versetzt angeordnet, um die Verteilwirkung der Flüssigkeit über den Querschnitt der einzelnen Kanäle weiter zu verbessern. In den Big. 1 und 2 sind Einfachheits halber nur die Richtungen der Lamellenebenen angegeben, während tatsächlich die lamellen, wie aus Fig. 3 hervorgeht, geriffelt sind.
• Das im Bodenteil der Kolonne verdampfte Gemisch, das die gotonne von unten nach oben durchsetzt, kann sich Jedoch auf Grund der in den Wabenwänden angeordneten Öffnungen über den gesamten Kolonnenquerschnitt verteilen.
• In konstruktiver Hinsicht wird die Herstellung des in den Zeichnungen dargestellten Stoffaustauschteiles äußerst einfach.
• Zweckmäßig kann zunächst eine vertikale Lage der Waben hergestellt und in diese die Packungskörper eingelegt werden, sodann wird die nächsteLage an die erste angefügt, beispielsweise bei Metallstruktur angeschweißt. Nun wird die nächste Schicht Packungskörper eingelegt und so fort. Bei Verwendung anderer Füllkörper, beispielsweise Raschig-Ringe, werden hingegen die Füllkörper in die fertige, in die Kolonne eingefügte Wabenstruktur eingefüllt.
• In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einer Stoffaustauschkolonne 20, beispielsweise einer Rektifizierkolonne, dargestellt, in der das zu rektifizierende dampfförmige Gemisch in einen Zwischenraum 21 zwischen zwei erfindungsgemäß ausgebildeten Stoffaustauschabschnitten 22 und 23 über eine Leitung 24 in die Kolonne eingespeist wird. Die Stoffaustauschabschnitte sind hierbei analog der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ausgebildet. i.h. aie EinbauXelemente besitzen einen quadratischen Querschnitt, der in diesem Fall allerdings nicht mit dem Querschnitt des Kolonnenmantels übereinstimmt. Die Einbauelemente sind am Kolonnenmantel 25 befestigt.
• Grundsätzlich kann der Stoffaustauschteil einer Kolonne in nehrere, durch freie Zwischenräume voneinander getrennte Austauschbeschnitte unterteilt aein. In den Zwischenräumen kann dann eine zusätzliche Vermischung des dampfförmigen Mittels erfolgen, wobei vorteilhaft die mit ihrer Oberseite an einen Zwischenraum angrenzenden Packungskörper derart ausgebildet sind, daß zwischen je zwei geriffelten Lamellen eine ungeriffelte lamelle angeordiet ist. Hierdurch wird der in den Zwischenraum austretenden Ströung des Dampfes eine seitliche Komponente aufgezwungen und die Mischung der aus den einzelnen Kanälen austretenden Dampf ströme durch eine Verwirbelung verbessert.
• Durch eine zackenföruige Ausbildung der Unterseite der Lamellen der an einen Zwischenraum angrenzenden Packungskörper wird errreicht, daß die Flüssigkeit in gleichnäßigerVerteilung durch den Zwischenraum auf den Querschnitt der Packungskörper in den darunter befindlichen Strömungskanälen aufgegeben wird.
• In denjenigen Fällen, wo Füllkörper anderer Art, wie z BO Raschig-Ringe, verwendet werden, wird zwickmäßig jeder Stoffaustauschabschnitt an seiner oberen Seite mit einem Rost mit schräggestellten Leitelementen abgedeckt. An ihrer Unterseite sind die Stoffaustauschabschnitte in diesem Fall von einem Tragrost abgeschlossen, der zweckmäßig derart ausgebildet ist, daß eine gleichmäßige Flüssigkeitsaufgabe auf die unterhalb des Zwischenraumes sich befindenden Querschnitte der Strömungskanäle erfolgt.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1) Stoffaustauschkolonne, die von einer Blüssigkeit und einem gas- oder dampfförmigen Mittel durchsetzt wird, mit vertikalen, lückenlos nebeneinander liegenden Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle mit Füllkörpern aufgefüllt sind und die Begrenzungswände der Strömungskanäle Öffnungen für eine Verteilung des gas- oder dampfförmigen Mittels über den Kolonnenquerschnitt aufweisen, während die Plüssigkeit oben einmal auf die Kanäle verteilt wird und in den ihr zugeteilten Kanälen nach unten strömt.
2. 2) Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswände der Ströuungskanäle von in destens einen Binbauelement mit wabenförmiger Struktur gebildet werden, wobei die die Strömungskanäle bildenden Waben eine rechteckige Form besitzen, und in den Strömungskanälen als Füllkörper jeweils mindestens zwei Packungskörper übereinander angeordnet sind, deren Abmessungen dem Querschnitt der Ströuungskanäle angepaßt sind, wobei die Packungskörper aus Lamellen bestehen, die mindestens zum Teil geriffelt sind, und wobei weiterhin die senkrechten Stellungen der Lamellen übereinander angeordneter Packungskörper um 900 gegeneinander versetzt angeordnet sind.
3. 3) Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungskörper aus einander berührenden geriffelten Lamellen bestehen und die Riffelungen von benachbarten Lamellen verschiedene Richtungen haben und Mindestens die Riffelurig einer von zwei benachbarten Lamellen im Winkel zur Kolonnenachse liegt.
4. 4) Stoffgustauschkolonne nach anspruch 2, dadurch gekennzeichnot, daß die Packungskörper derart ausgebildet sind, daß zwischen Je zwei geriffelten Lamellen eine ungeriffelte Lamelle angeordnet ist.
5. 5) Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, di. längs zur tolonnenachse mindestens durch einen senkrecht zur Kolonnenachse angeordneten Zwischenraum in untereinander getrenne Stoffaustauschabschnitte unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen des untersten, an einen Zwischenraum angrenzenden Packungskörpers der Strbmungekanäle an ihrer Unterseite zackenförmig auslaufen.
6. 6) Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, die längs zur Kolonnenachse mindestens durch einen senkrecht zur Kolonnenachse angeordneten Zwischenraum in untereinander getrennte Stoffaustauschabschnitte unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrer Oberseite an einen Zwischenraum angrenzenden Packungskörper derart ausgebildet sind daß zwischen Je;( zwei geriffelten Lamellen eine ungeritfelte Lamelle angeordnet ist.