DE3902275A1

DE3902275A1 - Fluessigkeitsverteiler

Info

Publication number: DE3902275A1
Application number: DE19893902275
Authority: DE
Inventors: Anton Moll
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1990-08-02

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsverteiler für eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne mit einem Hauptkanal und Nebenkanälen, welche einen u-förmigen Querschnitt mit Böden und Seitenwänden aufweisen.

In einer Stoff- und Wärmeaustauschkolonne werden nach unten fließende Flüssigkeit und nach oben strömendes Gas miteinander in Kontakt gebracht. Um den Austauschprozeß bei gegebenen Kolonnenmaßen möglichst effektiv zu gestalten, ist eine gleichmäßige Verteilung der Stoffe über den Kolonnenquerschnitt notwendig. Diese ist für die Gasphase schon durch Diffusion und Konvektion ausreichend gegeben; bei der flüssigen Phase spielen jedoch Schwer-, Oberflächen- und Kapillarkräfte die entscheidende Rolle. Diese Kräfte wirken im allgemeinen einer homogenen Verteilung entgegen.

Vor allem in Kolonnen, welche mit Füllkörpern oder strukturierten Packungen ausgestattet sind, müssen deshalb zusätzliche Maßnahmen zur Querverteilung der herabfließenden Flüssigkeit getroffen werden. Zu diesem Zweck werden in solche Kolonnen Flüssigkeitsverteiler eingebaut, welche gesammelte oder von außen aufgegebene Flüssigkeit zunächst in einer Ebene von einem Hauptkanal aus über mehrere Nebenkanäle auf den gesamten Kolonnenquerschnitt verteilen und anschließend durch Öffnungen in den Böden und/oder Seitenwänden der Kanäle die Flüssigkeit austreten lassen. Derartige Verteiler werden am Kopf und oft auch in gewissen Abständen entlang der Kolonnenachse in die Säule eingebaut.

Ein solcher Flüssigkeitsverteiler ist bspw. in der EP-PS 1 12 978 beschrieben worden. Hier tritt die Flüssigkeit über an den Seitenwänden angebrachte Strömungskanäle und außerdem durch Öffnungen an der Unterseite der Nebenkanäle aus. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über den Kolonnenquerschnitt erreicht. Allerdings ist die Herstellung eines derartigen Verteilers aufwendig, da für jeden einzelnen der Strömungskanäle ein Röhrchen an die Seitenwand des Nebenkanals gelötet werden muß. Außerdem ist eine Anpassung an schwankende Flüssigkeitsbelastungen schwierig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsverteiler der eingangs genannten Art zu entwickeln, der eine hohe Verteilgenauigkeit bewirkt, für hohe und variable Flüssigkeitsbelastungen geeignet ist und kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Seitenwände von Hauptkanal und/oder Nebenkanälen Löcher aufweisen. Die Löcher in den Seitenwänden können konventionelle Löcher im Boden der Kanäle ergänzen. Die Löcher sind vorzugsweise in verschiedenen Höhen angebracht, so daß die Fläche, die für das Ausströmen von Flüssigkeit aus dem Verteiler wirksam ist, mit dem Füllstand der Flüssigkeit in den Kanälen wächst. Dadurch ist der erfindungsgemäße Verteiler für variierende Flüssigkeitsbelastungen geeignet, insbesondere für außerordentlich hohe Werte der Flüssigkeitsbelastung. Mithilfe eines derartigen Verteilers ist der außerordentlich hohe Lastbereich von mit strukturierten Packungen ausgerüsteten Kolonnen (1 : 8 und größer) voll nutzbar.

Berücksichtigt man lediglich die Löcher in den Seitenwänden der Kanäle, so ist die Höhe h des Flüssigkeitsstandes im Verteiler nicht mehr proportional zu Q ², dem Quadrat des Flüssigkeitsdurchsatzes, sondern proportional Q ^2/3; h steigt also weniger als linear mit der Flüssigkeitsbelastung. Bei höheren Werten der Füllhöhe h gilt diese Beziehung auch dann, wenn zusätzlich Löcher im Boden der Kanäle vorhanden sind; denn auch in diesem Fall entströmt der größere Teil der Flüssigkeit durch die Seitenwände des Verteilers. Durch diese Funktionsweise können auch mit einer relativ niedrigen Bauhöhe des Verteilers stark variierende und insbesondere absolut hohe Flüssigkeitsbelastungen pro Kolonnenquerschnitt verkraftet werden.

Die Kanäle des erfindungsgemäßen Verteilers können extrem kostengünstig aus Siebblech hergestellt werden. Dabei wird das Material zunächst perforiert und anschließend gestanzt und geformt. Das gleiche Siebblech kann sowohl für die Seitenwände als auch für die Böden der Kanäle verwendet werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Löcher homogen über die Seitenwände verteilt. Diese Maßnahme erleichtert zum einen die Herstellung, zum anderen wird die Gleichmäßigkeit der Verteilung unterstützt.

Falls die zu verteilende Flüssigkeit eine relativ hohe Oberflächenspannung aufweist, kommt es bei genügend kleinem Lochdurchmesser nicht zu einer Strahlablösung bei Austritt durch die Seitenwände. Diese Gefahr besteht allerdings bei niedrigerer Oberflächenspannung, so daß die Flüssigkeit unkontrolliert ausströmen würde und damit nur eine schlechte Verteilgüte erzielt werden könnte.

In diesem Fall ist es günstig, wenn der Verteiler parallel zu den perforierten Seitenwänden der Kanäle Prallwände aufweist, die möglicherweise auftretende Flüssigkeitsstrahlen auffangen. Die Flüssigkeit fließt dann entlang der Prallwände kontrolliert nach unten, und zwar an einer Stelle, die durch die Geometrie des Verteilers festgelegt ist. Damit wird auch bei hoher Flüssigkeitsbelastung eine Verteilgüte errreicht, die derjenigen eines Verteilers nahekommt, der lediglich Löcher an der Unterseite der Kanäle aufweist. Ein solcher einfacher Verteiler würde jedoch bei gleicher Flüssigkeitskapazität eine wesentlich größere Bauhöhe erfordern. Die Prallwände können kostengünstig aus dem gleichen Material wie die Seitenwände der Kanäle hergestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verteilers in Draufsicht,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt einer Seitenwand einer der Kanäle,

Fig. 4 einen Nebenkanal im Querschnitt und

Fig. 5 einen Nebenkanal mit Prallwänden im Querschnitt.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verteilers mit Blickrichtung in Kolonnenachse. Der Verteiler besteht aus einem Hauptkanal 1 und einer Vielzahl an senkrecht dazu angeordneten Nebenkanälen 2. Zu verteilende Flüssigkeit wird auf den Hauptkanal 1 aufgegeben und von dort in die in einer Ebene liegenden Nebenkanäle 2 weitergeleitet. Der Hauptkanal 1 ist entweder in der gleichen Ebene wie die Nebenkanäle oder in einer höher gelegenen angeordnet.

Die Schnittzeichnung von Fig. 2 zeigt deutlich den u-förmigen Querschnitt der Nebenkanäle. Seitenwände 4 und Böden 3 der Nebenkanäle 2 bestehen aus Siebblech. Der Hauptkanal kann ebenfalls Löcher aufweisen oder auch aus nicht perforiertem Material hergestellt sein. Eine Seitenwand 4 bzw. ein Siebblech, aus dem diese gefertigt ist, ist in Fig. 3 im Detail dargestellt. In diesem Beispiel sind die Löcher kreisförmig ausgebildet. Sie können jedoch ebensogut die Form von Rauten, Dreiecken, langgezogenen Schlitzen oder ähnlichen geometrischen Figuren besitzen. Jeweils drei benachbarte Löcher 7 bilden ein gleichseitiges Dreieck mit Seitenlänge (Teilung) t. d bezeichnet den Durchmesser der Löcher 7. Der Wert der Teilung t liegt im Bereich von 10 bis 50 mm, vorzugsweise etwa bei 20 mm; der Durchmesser d der Löcher 7 liegt zwischen 0,8 und 5 mm, vorzugsweise bei ca. 2 mm.

Bei Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung, bspw. Wasser oder wäßrige Lösungen, und kleinem Lochdurchmesser ist keine Strahlablösung an den Seitenwänden 4 zu befürchten. Die Nebenkanäle 2 werden in diesem Fall gemäß der Querschnittzeichnung von Fig. 4 ausgeführt. Seitenwände 4 und Boden 3 sind wiederum aus dem gleichen Siebblechmaterial gefertigt.

Flüssigkeiten mit kleiner Oberflächenspannung neigen jedoch zur Bildung von Strahlen beim Ausströmen aus den Löchern 7 der Seitenwände 4, vor allem bei relativ großen Lochdurchmessern zu rechnen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist in einem solchen Fall die Anbringung von Prallwänden 6 angeraten, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind. Diese können auf außerordentlich einfache und kostengünstige Weise durch ein Umbiegen der Seitenwände 4 am oberen Ende des Kanals gefertigt werden und ermöglichen einen definierten Abfluß der Flüssigkeit nach dem Durchströmen der Seitenwände 4.

In der folgenden Tabelle werden anhand eines konkreten Beispiels noch einmal die Wirkungsweise und die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verteilerkanales mit Löchern in gleichseitiger Dreiecksanordnung in Boden und Seitenwänden bei variierender Flüssigkeitsbelastung gezeigt. Die geometrischen Parameter (s. Fig. 2 und 3) haben im Beispiel die folgenden Werte:

Breite der Nebenkanäle:
b = 100 mm
Abstand zweier Nebenkanäle:	a = 80 mm
Teilung (Lochabstand):	t = 19 mm
Lochdurchmesser:	d = 2 mm

Aus der Größe und Anordnung der Löcher ergibt sich ein Öffnungsverhältnis von etwa 1%.

Die in der Tabelle angegebenen Größen haben die folgende Bedeutung:

h: Höhe des Flüssigkeitsstandes im Kanal
h _rel: h in relativen Einheiten

Größen, die sich auf einen erfindungsgemäßen Verteiler beziehen:
Q _abs: Flüssigkeitsdurchsatz in m³/m² · h
Q _rel: Q in relativen Einheiten
Q _{rel, Wände}: Anteil der Flüssigkeit, der durch die Seitenwände abfließt

Größen, die sich auf einen Verteiler beziehen, der lediglich in den Kanalböden Löcher aufweist (sog. Lochverteiler):
Q _rel*: Flüssigkeitsdurchsatz (in relativen Einheiten) bei einem Lochverteiler

Tabelle

In der Tabelle ist zum einen zu sehen, wie der Anteil Q _{rel, Wände} der Flüssigkeit, welcher durch die Löcher in den Seitenwänden abfließt, mit steigendem Flüssigkeitsstand h im Kanal außerordentlich stark zunimmt. Durch diesen Effekt wird die Kapazität des erfindungsgemäßen Verteilers bei steigender Flüssigkeitsbelastung erhöht.

Bei einem Lochverteiler, der in der Tabelle wegen seiner vergleichbaren Verteilgüte und ähnlich geringen Fertigungskosten als Vergleichsmaß verwendet wird, bleibt die Kapazität bei steigendem Flüssigkeitsstand - abgesehen von hydrostatischen Effekten - konstant. Bei gleicher Bauhöhe, also gleichem maximalen Flüssigkeitsstand h, ergibt sich ein wesentlich geringerer maximaler Flüssigkeitsdurchsatz Q _rel.

Claims

1. Flüssigkeitsverteiler für eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne mit einem Hauptkanal (1) und Nebenkanälen (2), welche einen u-förmigen Querschnitt mit Böden (3) und Seitenwänden (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (4) von Hauptkanal (1) und/oder Nebenkanälen (2) Löcher (7) aufweisen.

2. Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (7) homogen über die Seitenwände (4) verteilt sind.

3. Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Seitenwänden (4) außerhalb der Kanäle (1, 2) Prallwände (6) angebracht sind.