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DE102016102506A1 - Packung und Kolonne umfassend eine oder mehrere Packungen - Google Patents

Packung und Kolonne umfassend eine oder mehrere Packungen Download PDF

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DE102016102506A1
DE102016102506A1 DE102016102506.2A DE102016102506A DE102016102506A1 DE 102016102506 A1 DE102016102506 A1 DE 102016102506A1 DE 102016102506 A DE102016102506 A DE 102016102506A DE 102016102506 A1 DE102016102506 A1 DE 102016102506A1
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DE
Germany
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honeycomb body
plastic material
pack according
honeycomb
ptfe
Prior art date
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Withdrawn
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DE102016102506.2A
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English (en)
Inventor
Katja Widmann
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ElringKlinger AG
ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH
Original Assignee
ElringKlinger AG
ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH
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Publication date
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Priority to PCT/EP2016/075178 priority patent/WO2017108233A2/de
Priority to CN201680075820.4A priority patent/CN108430601A/zh
Priority to PCT/EP2016/081610 priority patent/WO2017108637A2/de
Priority to EP16815844.2A priority patent/EP3393619A2/de
Publication of DE102016102506A1 publication Critical patent/DE102016102506A1/de
Priority to US16/014,620 priority patent/US20180333669A1/en
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Abstract

Es wird eine Packung bereitgestellt, die eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit, hohe Chemikalienbeständigkeit, geringen Durchflusswiderstand und eine erhöhte Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Packungen aufweist, wobei hierzu vorgesehen ist, dass die Packung einen Wabenkörper mit ersten und zweiten Stirnseiten umfasst, wobei der Wabenkörper eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an im Wesentlichen parallel angeordneten Strömungskanälen, die durch Kanalwände aneinander grenzen, umfasst und wobei der Wabenkörper aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt ist. Weiterhin wird eine Kolonne vorgeschlagen, welche ein Gehäuse mit mindestens einem Einlass, mindestens einen Auslass und einer oder mehreren erfindungsgemäßen Packungen umfasst, die vorzugsweise in einem vom Einlass zum Auslass verlaufenden Strömungsweg gegebenenfalls hintereinander angeordnet ist/sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Packung, insbesondere zur Verwendung in Kolonnen für einen Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, umfassend einen Wabenkörper mit ersten und zweiten parallel zueinander angeordneten Stirnseiten sowie einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten, sich von der ersten zur zweiten Stirnseite erstreckenden Strömungskanälen für fluide Medien. Die Erfindung betrifft weiter eine Kolonne, insbesondere zur Verwendung für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass und einer oder mehreren Packung/en, die in einem vom Einlass zum Auslass sich erstreckenden Strömungsweg des Gehäuses angeordnet sind.
  • Typischerweise können Packungen in Kolonnen für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, insbesondere in Industrie- oder Rektifikationskolonnen, eingesetzt werden. Rektifikationskolonnen sind verfahrenstechnische Anlagen zur Trennung von fluiden Stoffgemischen. Alternativ können Packungen für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, beispielsweise in der Abluftreinigung oder Gaswäsche verwendet werden, wobei in gasförmigen Medien, wie Abluft oder zu waschendem Gas, vorhandene Schmutzpartikel beim Stoffaustausch in eine Waschflüssigkeit übergehen.
  • Fluide Stoffgemische können beispielsweise flüssige und/oder gasförmige Komponenten und daneben Feststoffpartikel enthalten. Bei der Verwendung in Kolonnen für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch müssen die Packungen hohe Anforderungen in Bezug auf Strömungsverhalten der flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten, beispielsweise eine Strömungsumlenkung ohne größere Druckverluste bei Eintritt oder Austritt in oder aus einer Packung, erfüllen.
  • Es ist außerdem von Bedeutung, dass eine homogene Verteilung des fluiden Stoffgemisches über den gesamten Querschnitt des Wabenkörpers der Packung vorherrscht und sich insbesondere keine Durchflussinhomogenitäten entlang eines Strömungskanals oder entlang der Oberfläche einer Stirnseite bilden.
  • Packungen der eingangs genannten Art für den Einsatz in Kolonnen für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch sind beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung DE 197 06 544 A1 bekannt. Die dort beschriebenen Packungen umfassen mehrere übereinander angeordnete Packungsschichten. Die Packungsschichten sind aus vorzugsweise gewellten oder gefalzten Metallblechen gefertigt. Eine dort geforderte Strömungsumlenkung zwischen benachbarten Packungsschichten wird von einem sogenannten Einsatz zwischen den Packungsschichten unterstützt. Der Einsatz weist, wie die Packungsschichten, durch Kanalwände getrennte Strömungskanäle auf.
  • Häufig werden auch hochsiedende Komponenten aus einem Stoffgemisch abgetrennt oder erhitzte Gase während des Stoffaustauschs entlang dem Strömungsweg durch das Gehäuse der Kolonne geleitet, weshalb die Packungen eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen müssen.
  • Gleichzeitig sollte eine gute Durchmischung der fluiden Komponenten des Stoffgemisches gegeben sein, so dass ein möglichst effizienter Stoffaustausch und bei Bedarf auch Energieaustausch in den Packungen bzw. deren Wabenkörper stattfinden kann.
  • Bauteile zur Unterstützung des Stoff- und Energieaustauschs, insbesondere die Packungen, kommen regelmäßig mit korrosiven Gasen, Flüssigkeiten oder reaktiven Schmutzpartikeln der zu trennenden Stoffgemische in Kontakt. Deshalb werden für die Packung neben einer guten Temperaturbeständigkeit auch eine hohe Korrosionsfestigkeit und eine hohe und universelle Chemikalienbeständigkeit allgemein gefordert.
  • Rückstände von korrosiven Gasen, Nebenreaktionsprodukten und Schmutzpartikeln müssen, insbesondere in Form von Feststoffrückständen, regelmäßig von den Packungen entfernt werden. Aus diesem Grund sind eine einfache Handhabung und eine effiziente Möglichkeit zur Abreinigung der Packungen bzw. deren Wabenkörper von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
  • Außerdem sollten die Packungen eine geringe Verschmutzungsanfälligkeit aufweisen, so dass die Packungen nicht allzu häufig einer aufwändigen Reinigungsprozedur unterzogen werden müssen.
  • Die Packungen werden typischerweise in Kolonnen für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch verwendet, die kontinuierlich betrieben werden. Bei solchen kontinuierlich betriebenen Kolonnen, beispielsweise einer kontinuierlich betriebenen Rektifikationskolonne, kann ein Anfahrvorgang nach einem Stillstand mehrere Tage dauern. Bei einem Austausch von Packungen, kommt es demnach, neben den Reparaturkosten bzw. Neuanschaffungskosten, auch noch zu Kosten, die durch den Stillstand und Anfahrvorgang verursacht werden. Aus diesem Grund sollten die Packungen eine möglichst hohe Lebensdauer aufweisen, so dass Reparaturen bzw. Austausch von Bauteilen erst nach möglichst langen Zeitintervallen durchgeführt werden müssen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Packung vorzuschlagen, die den obenstehenden Problemen Rechnung tragen und wirtschaftlich herstellbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Packung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass der Wabenkörper einer erfindungsgemäßen Packung aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt ist, welches eine gute Temperaturbeständigkeit und eine hohe Chemikalienbeständigkeit aufweist, erfüllt die erfindungsgemäße Packung zum einen die hohen Anforderungen bzgl. der Temperaturbeständigkeit und zum anderen ist gleichfalls eine hohe Chemikalienbeständigkeit gegeben.
  • Weiterhin müssen keine Einsätze innerhalb der Packung zur Strömungsumlenkung eingesetzt werden, um optimierte Durchflussbedingungen zu erzielen, wie es im Stand der Technik, beispielsweise in der DE 197 06 544 A1 , notwendig ist. So muss nur eine Art von Bauteil eingesetzt werden, was wiederum die Anzahl verschiedener Ersatzteile, die bestellt und gelagert werden müssen, vermindert.
  • Die erfindungsgemäße Packung mit einem Wabenkörper aus einem auf PTFE-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial weist inhärent eine antiadhäsive Oberfläche auf, wodurch sie weniger verschmutzungsanfällig ist als herkömmliche Packungen aus Metall. Darüber hinaus lassen sich die geringen Verschmutzungen, insbesondere Feststoffablagerungen, rückstandsfrei abreinigen, ohne dass das Bauteil durch ein neues ersetzt werden muss.
  • Im Gegensatz zu Packungen aus Metall, wie beispielsweise aus der DE 197 06 544 A1 bekannt, weisen erfindungsgemäße Packungen mit Wabenkörpern aus einem auf PTFE-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial eine hohe Korrosionsfestigkeit auf, was in Kombination mit der allgemeinen hohen Chemikalienbeständigkeit zu einer erhöhten Lebensdauer der erfindungsgemäßen Packungen führt.
  • Dadurch, dass der Wabenkörper der erfindungsgemäßen Packung eine Wabenstruktur mit im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen ausgebildet ist, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite des Wabenkörpers erstrecken und die über Kanalwände aneinander grenzen, kann eine verbesserte Durchmischung stattfinden und der Strömungswiderstand klein gehalten werden. Dieser Effekt in Kombination mit der hohen Korrosionsfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit sowie guten Temperaturbeständigkeit führt zu insgesamt optimierten Bedingungen für die Trennung der Bestandteile von fluiden Stoffgemischen im Vergleich zu herkömmlichen Packungen.
  • Vorzugsweise weist der Wabenkörper Strömungskanäle mit freien Querschnittsflächen auf, wobei die Summe der freien Querschnittsflächen ca. 70 bis ca. 92 %, insbesondere ca. 75 bis ca. 85 % der Fläche einer Stirnseite des Wabenkörpers beträgt. Dies hat den Vorteil, dass zum einen der Strömungswiderstand vermindert wird und zum anderen eine optimierte Durchmischung der Komponenten ermöglicht werden kann.
  • Vorzugsweise ist der Wabenkörper der erfindungsgemäßen Packung in einem Querschnitt parallel zu den ersten und zweiten Stirnseiten im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass sich ein im Wesentlichen runder Durchflussquerschnitt ergibt, der im Gegensatz zu einem eckigen Durchflussquerschnitt Inhomogenitäten im Durchfluss in Eckbereichen vermeidet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wabenkörper mehrteilig ausgebildet. Er umfasst in dieser bevorzugten Ausführungsform zwei oder mehr Segmente, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite des Wabenkörpers erstrecken und planar und gegebenenfalls teilzylindrisch ausgebildete Seitenwände aufweisen. Durch die Ausbildung des Wabenkörpers in Segmenten kann auch bei einem großen Querschnitten des Wabenkörpers parallel zur den Stirnseiten eine erleichterte Handhabung realisiert werden.
  • Im Falle, dass ein Segment zwei planare Seitenwände aufweist, die in den Eckbereichen aufeinander treffen, sind diese Seitenwände des Segments im rechten Winkel zueinander angeordnet. Der Einbau bzw. Austausch einzelner Segmente wird ermöglicht, während bei einem einteiligen Wabenkörper bei Verschleißerscheinungen oder Ähnlichem der gesamte Wabenkörper ausgetauscht werden muss.
  • Im Sinne der Erfindung ist eine planare Seitenwand eines Segments nicht als geschlossene und glatte Fläche des Wabenkörpers zu verstehen. Planar bedeutet im Sinne der Erfindung nicht, dass die Seitenwand keine Vor- und/oder Rücksprünge umfassen kann. Planar bzw. teilzylindrisch ausgebildete Seitenwände sind im Sinne der Erfindung planare bzw. zylinderwandförmige Hüllflächen.
  • Vorzugsweise sind die einzelnen Strömungskanäle der Wabenstruktur im Querschnitt parallel zu den Stirnseiten des Wabenkörpers gesehen polygonal, insbesondere rechteckig, beispielsweise quadratisch, pentagonal oder hexagonal ausgebildet. Mit einer derartigen Ausbildung der Strömungskanäle kann einerseits ein geringer Strömungswiderstand realisiert werden und andererseits eine ausreichend gute Durchmischung der durchfließenden Medien erzielt werden.
  • Vorzugsweise weisen in dem polygonalen, insbesondere in dem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Querschnitt der Strömungskanäle im Wesentlichen parallele einander gegenüberliegende Kanalwände eines Strömungskanals einen Abstand von ca. 8 bis ca. 20 mm, bevorzugt einen Abstand von ca. 11 bis ca. 17 mm, zueinander auf. So sind die Durchmischung der Komponenten und der Strömungswiderstand in einem optimierten Gleichgewicht zueinander.
  • Die Kanalwände sich im Querschnitt parallel zu den Stirnseiten bevorzugt mit einer Höhe von ca. 5 bis ca. 11 mm, insbesondere mit einer Höhe von ca. 7 mm bis ca. 10 mm ausgebildet.
  • Vorzugsweise weisen die Kanalwände der Strömungskanäle der Wabenstruktur eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2,1 mm auf.
  • Es kann bei herkömmlichen Packungen, wie in der DE 197 06 544 A1 beschrieben, schon durch Aufeinanderschichten oder Zusammenpressen von Packungsschichten zu einem unerwünschten Einknicken der Kanalwände in den Packungsschichten oder den dazwischen angeordneten Einsätzen und somit zu einem unkontrollierten, erhöhten Strömungswiderstand kommen. Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform mit optimierten, zuvor beschriebenen Parametern, wie Abstand der Kanalwände, ihrer Höhe und Dicke, vermieden werden, ohne dass die Packung in Schichten aufgetrennt werden und dazwischen Einsätze verwendet werden müssten.
  • Das erste Kunststoffmaterial ist vorzugsweise durch eine Press-/Sintertechnik verarbeitbar. Eine anschließende spanende Bearbeitung kann eine anwendungsspezifische Anpassung des Wabenkörpers ermöglichen.
  • Gegebenenfalls ist das erste Kunststoffmaterial des Wabenkörpers thermoplastisch verarbeitbar, was bei der Herstellung des Wabenkörpers von Vorteil ist.
  • Vorzugsweise weist das erste Kunststoffmaterial des Wabenkörpers eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m·K) oder mehr auf und/oder weist das erste Kunststoffmaterial des Wabenkörpers eine spezifische Wärmekapazität von ca. 0,9 J/(g·K) oder mehr auf. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise Reaktionswärme oder Prozesswärme, die während des Stoffaustauschs entsteht, über die gut wärmeleitfähigen Kanalwände der Wabenstruktur abgeführt werden kann. Darüber hinaus können Bereiche, an denen eine höhere Temperatur vorherrscht, sogenannte Hot-Spots, vermieden werden und eine ausreichend gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Packung kann realisiert werden.
  • Besonders bevorzugte erste Kunststoffmaterialien weisen über Füllstoffe optimierte Wärmeleitfähigkeiten auf, beispielsweise ca. 0,43 W/(m·K) bei einer spezifischen Wärmekapazität von 1,24 J/(g·K) gemessen an einer Materialprobe mit einem Füllstoffgehalt von 3 Gew.% eines Graphit-basierenden Füllstoffs C-THERMTM002, Partikelgröße D50 ca. 38 µm (erhältlich von TimCal Graphite & Carbon). Diese Füllstoffe, über die die Wärmeleitfähigkeit des ersten Kunststoffmaterials optimiert werden kann, werden im Folgenden auch als Wärmeleitpigmente bezeichnet.
  • Vorzugsweise weist das PTFE-Polymermaterial eine Dichte von ca. 2,0 bis ca. 2,2 g/cm3 auf.
  • Insbesondere weist das erste Kunststoffmaterial eine Temperaturbeständigkeit von ca. 200°C oder mehr, insbesondere ca. 250°C oder mehr auf. Die erfindungsgemäßen Packungen können so auch in Trennverfahren mit speziellen Anforderungen eingesetzt werden, in denen derart hohe Temperaturen vorherrschen bzw. entstehen.
  • Die Materialeigenschaften des ersten Kunststoffmaterials des Wabenkörpers sind ausschlaggebend für die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Packung.
  • Das erste Kunststoffmaterial des Wabenkörpers weist vorzugsweise eine gemäß EN ISO 12086-2 gemessene Reißfestigkeit von ca. 10 bis ca. 30 N/mm2 auf. Dies hat den Vorteil, dass Packungen mechanische Beanspruchungen aushalten ohne zu reißen. So kann eine verbesserte Handhabbarkeit beim Einbau und Austausch erfindungsgemäßer Packungen in Kolonnen ermöglicht werden. Darüber hinaus können Transportschäden verringert werden.
  • Vorzugsweise weist das erste Kunststoffmaterial des Wabenkörpers gemäß Prüfnorm EN ISO 12086-2 eine Reißdehnung von ca. 220 bis ca. 350 % auf. Dies ist, ähnlich wie die verbesserte Reißfestigkeit, für die Handhabbarkeit während Einbau, Austausch und Transport der erfindungsgemäßen Packungen von Vorteil.
  • Die verbesserten mechanischen Eigenschaften des ersten Kunststoffmaterials tragen insbesondere dazu bei, dass erfindungsgemäße Packungen in dieser bevorzugten Ausführungsform hohe Lasten tragen können und dabei nur eine geringe Durchbiegung zeigen.
  • Beispielsweise können erfindungsgemäße Packungen mit einer Kanallänge der Strömungskanäle von der ersten zur zweiten Stirnseite von 100 mm realisiert werden, die bei einem losen Auflegen am Rand einer offenen und dem Auflegen einer Last von 210 kg selbst bei 100°C oder 150°C keine Durchbiegung aufweisen. Auch bei einer Temperatur von 200°C kommt es lediglich zu einer Durchbiegung von ca. 0,5 mm.
  • Zu dem im Stand der Technik beschriebenen Einknicken der Kanalwände kommt es bei einer erfindungsgemäßen Packung auch bei einer Last von 210 kg nicht. Es wird demnach auch bei einer hohen Belastung der erfindungsgemäßen Packungen ein zusätzlicher Strömungswiderstand durch eingenickte Kanalwände vermieden, der zudem zu Inhomogenitäten beim Durchfluss führen würde. Folglich weisen erfindungsgemäße Packungen in dieser bevorzugten Ausführungsform einen geringen Strömungswiderstand und gleichmäßige Durchflusseigenschaften über den gesamten Wabenkörper auch bei unterschiedlichen Prozessbedingungen auf.
  • Es ist von Bedeutung, dass Packungen eine möglichst geringe Gasdurchlässigkeit gegenüber reaktiven, insbesondere korrosiven, Gasen aufweisen. Gasdurchlässigkeit wird typischerweise anhand einer Permeationsrate der Durchlässigkeit in cm3 gegenüber Testgasen, pro Fläche in m2, Versuchsdauer in Tagen d und pro Druck des Gases in bar angegeben. Die Permeationsrate wird bei einer Folie mit definierter Folienstärke gemäß DIN 53380 Teil 2 gemessen.
  • Die Zusammensetzung des ersten Kunststoffmaterials kann an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
  • In einer bevorzugten Variante des ersten Kunststoffmaterials, bei der das PTFE-Polymermaterial ein Hochleistungspolymer umfasst, weist das erste Kunststoffmaterial des Wabenkörpers insbesondere eine verbesserte Gasdurchlässigkeit oder Permeationsrate auf. Die Permeationsrate, gemessen an einer Folie mit einer Stärke von 1 mm, für diese bevorzugte Variante des ersten Kunststoffmaterials, umfassend ein Hochleistungspolymer, ist für gasförmiges HCl insbesondere 440 cm3/(m2·d·bar) oder weniger. Falls eine noch geringere Gasdurchlässigkeit erwünscht sein sollte, kann die Permeationsrate mit einer nur um 1 mm dickeren Folie sogar halbiert werden oder mit einer noch dickeren Folie von z.B. 6 mm sogar um einen Faktor 7 oder mehr reduziert werden.
  • Aber auch im Falle, dass das erste Kunststoffmaterial gemäß einer weiteren Variante aus einem PTFE-Polymermaterial ohne Hochleistungspolymer ausgewählt wird, kann eine Permeationsrate gegenüber Cl2, HCl oder SO2 von ca. 620 cm3/(m2·d·bar) oder weniger, bei Cl2 oder SO2 insbesondere ca. 300 cm3/(m2·d·bar) oder weniger erzielt werden.
  • Bei solchen Permeationsraten ist die Menge eines möglicherweise korrosiven Gases, das durch die Kanalwände durchtritt, und so in Kontakt mit dem Gehäuse der Kolonne kommen und Verschleißerscheinungen hervorrufen kann, minimiert.
  • Wie eingangs erwähnt enthalten zu trennende Gemische häufig Schmutzpartikel, die sich in Form von Feststoffablagerungen an der Oberfläche des Wabenkörpers absetzen können oder für einen schnelleren Verschleiß sorgen. Insbesondere eine Oberflächenstruktur mit einer hohen Rauigkeit kann eine erhöhte Verschmutzungsanfälligkeit aufweisen.
  • Vorzugsweise weisen deshalb die Oberflächen der Kanalwände eine Oberflächenrauigkeit Rmax von ca. 250 µm oder weniger auf. So kann einerseits das Durchflussverhalten optimiert andererseits die Verschmutzungsanfälligkeit verringert werden. Die Oberflächenrauigkeit wird nach DIN EN ISO 4288 bestimmt.
  • Auch der Verschleiß der erfindungsgemäßen Packung ist im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Packungen vermindert. Ein Verschleißtest mit der Bestrahlung der erfindungsgemäßen Packung mit Korund mit einer Körnung von ca. 0,2 bis ca. 0,8 mm mit einem Druck von 6 bar zeigte auch nach 5 Minuten keine merkliche Veränderung der Packung.
  • In einer bevorzugten Variante enthält das PTFE-Polymermaterial virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger. Das virginale PTFE weist dabei vorzugsweise einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, weiter bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger auf. Das virginale PTFE mit einem Co-Monomeranteil wird im Folgenden auch als virginales, modifiziertes PTFE bezeichnet.
  • Weiter bevorzugt weist das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer im Rohzustand eine mittlere Partikelgröße D50 von ca. 10 µm bis ca. 600 µm, bevorzugt ca. 250 µm bis ca. 450 µm, auf. Die mittlere Partikelgröße D50 bezieht sich jeweils auf den mittleren Durchmesser der Partikel.
  • Ein geeignetes virginales, nicht-agglomeriertes PTFE ist beispielsweise Inoflon 640 (Hersteller: Gujarat Fluorochemicals Ltd.) mit einer Primärpartikelgröße D50 von ca. 25 µm.
  • Die zuvor beschriebene bevorzugte Variante des ersten Kunststoffmaterials kann insbesondere ohne Schweißzusatz verschweißt werden. Dies ermöglicht eine erleichterte Verarbeitbarkeit.
  • Um die Eigenschaften des ersten Kunststoffmaterials an die jeweiligen Anforderungen anzupassen, enthält das erste Kunststoffmaterial bevorzugt nichtmetallische Füllstoffe, wobei die nichtmetallischen Füllstoffe insbesondere ausgewählt sind aus PEEK, Graphit, Kohle, Bornitrid und Siliziumcarbid.
  • In der bevorzugten Variante, in der das erste Kunststoffmaterial nichtmetallische Füllstoffe enthält, kann insbesondere die Formstabilität sowie die Abrieb- und Verschleißfestigkeit des Wabenkörpers verbessert werden. Darüber hinaus lassen sich mit den Füllstoffen die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit optimieren. Besonders bevorzugt sind nichtmetallische Füllstoffe auf Kohlenstoffbasis, insbesondere auf Graphit-, Kohle- oder Rußbasis, die auch als Wärmeleitpigmente bezeichnet werden.
  • Im Hinblick auf die bevorzugte Auswahl der Partikelgröße der erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffe wird die Partikelgröße der Füllstoffe im Hinblick auf die anzustrebende gleichmäßige Verteilung im Kunststoffmaterial ca. 2 µm bis ca. 300 µm, bevorzugt ca. 2 µm bis ca. 150 µm, betragen.
  • Insbesondere weisen die nichtmetallischen Füllstoffe eine Partikelgröße D50 des jeweiligen Füllstoffs vorzugsweise ca. 100 µm oder weniger auf.
  • Vorzugsweise ist der nichtmetallische Füllstoff mit einem Anteil von ca. 40 Gew.-% oder weniger, in dem ersten Kunststoffmaterial des Wabenkörpers enthalten.
  • Vorzugsweise lässt sich der Füllstoff im Rahmen einer Compoundierung (Herstellung eines kornförmigen Granulats) der Füllstoffe und dem virginalen oder virginalen, modifizierten PTFE homogen in dem ersten Kunststoffmaterial verteilen. Anschließend wird das nicht rieselfähige Compound einer Granulierung zur Herstellung agglomerierter Partikel unterworfen. Die dabei erzielte mittlere Partikelgröße D50 der Agglomerate kann beispielsweise ca. 1 bis 3 mm betragen.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Packung ein aus einem zweiten Kunststoffmaterial auf Basis von Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymer gefertigtes Dichtelement auf, welches sich parallel zur ersten bzw. zweiten Stirnseite des Wabenkörpers vom Wabenkörper weg erstreckt. Das Dichtelement verringert den Durchfluss zwischen Packung und Gehäuse der Kolonne, so dass das Gehäuse mit möglichst wenig hoch korrosiven Medien in Kontakt kommt oder diese im Bereich der Gehäusewand geringe Durchflussraten aufweisen.
  • Es reicht teilweise aus, wenn durch das Dichtelement der Durchfluss zwischen Packung und Gehäuse der Kolonne verringert wird, insbesondere aber wird das Dichtelement fluiddicht ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist das Dichtelement stoffschlüssig mit dem Wabenkörper verbunden. Es ist insbesondere einstückig mit dem Wabenkörper ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass eine möglichst gute Abdichtung realisiert werden kann.
  • In einer Ausführungsform, in der die Packung mehrteilig ausgebildet ist, ist das Dichtelement bevorzugt mehrteilig ausgebildet.
  • Gegebenenfalls kann das Dichtelement so konzipiert werden, dass es die Segmente des Wabenkörpers im eingebauten Zustand in der Kolonne stabilisiert. Dies hat den Vorteil, dass die Segmente des Wabenkörpers zwar zusammengehalten sind, jedoch ein Spannring, wie er typischerweise in metallischen Packungen eingesetzt wird, für die Einbausituation in Kolonnen überflüssig wird.
  • Die Erfindung betrifft wie eingangs schon erwähnt darüber hinaus eine Kolonne insbesondere zur Verwendung für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einem Einlass, mindestens einem Auslass und einer oder mehreren der erfindungsgemäßen Packung/en gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22. Die erfindungsgemäßen Packung/en ist/sind in einem vom Einlass zum Auslass verlaufenden Strömungsweg der Medien im Gehäuse gegebenenfalls hintereinander angeordnet.
  • Die oben genannten Vorteile für erfindungsgemäße Packungen gelten für erfindungsgemäße Kolonnen, die solche Packungen beinhalten, gleichermaßen.
  • Vorzugsweise ist der in der erfindungsgemäßen Kolonne verwendete Wabenkörper mehrteilig in Form von zwei oder mehr Segmenten ausgebildet, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite des Wabenkörpers erstrecken und planar und gegebenenfalls im Querschnitt kreisbogenförmig ausgebildete Seitenwände aufweisen. Die Segmente sind über planare Seitenwände aneinandergrenzend in dem Gehäuse der Kolonne angeordnet. Diese mehrteilige Ausbildung erleichtert den Einbau in die Kolonne und ermöglicht einen Teilaustausch ohne dass die gesamte Packung ausgetauscht werden muss. Außerdem kann der Querschnitt des Wabenkörpers so an den jeweils geforderten Umfang der Packung einfach angepasst werden.
  • Erfindungsgemäße Kolonnen können sowohl im Gleichstrom als auch im Gegenstrom betrieben werden. Je nach Aufbau und Aufgabe kann außerdem ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb bevorzugt sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kolonne neben Ein- und Auslässen einen Zulauf zwischen Ein- und Auslässen, über den das zu trennende Gemisch zugeführt wird.
  • Die Segmente mehrteiliger Wabenkörper einer erfindungsgemäßen Packung sind vorzugsweise lose im Gehäuse der Kolonne angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu metallischen Packungen keine Spannringe verwendet werden müssen, so dass ein Austausch der Packungen bzw. einzelner Segmente erleichtert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Kolonne zwei oder mehr Packungen, die in dem Strömungsweg zwischen Einlass und Auslass hintereinander angeordnet sind, wobei optional ein Abstandhalter mit einem oder mehreren Sockelelementen zwischen den Packungen angeordnet ist. Ein Abstandhalter verbessert insbesondere die Durchflussbedingungen zwischen zwei Packungen. Ein Ausrichten der im Strömungsweg aufeinanderfolgenden Packungen mit ihren Strömungskanälen kann dann entfallen.
  • Im Gegensatz zu dem Stand der Technik muss der Abstandhalter jedoch nicht großflächig ausgebildet sein, sondern eine kleine Anlagefläche zwischen dem oder den Sockelelement/en und der jeweiligen Packung kann ausreichend sein, um den Übergang des Fluides von einer in eine andere Packung insbesondere wirbelfrei und ohne Änderung des Strömungswiderstands zu ermöglichen.
  • Das oder die Sockelelemente umfassen vorzugsweise ein blockförmiges Wabenelement mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite, wobei das Wabenelement eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten, sich von der ersten zur zweiten Stirnseite erstreckenden Strömungskanälen umfasst, die über Kanalwände aneinander angrenzen, wobei die Wabenstruktur aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt ist, wobei das/die Sockelelemente an der ersten bzw. zweiten Stirnseite an die jeweiligen Stirnseiten der jeweiligen Packungen anschließt/anschließen. So kann ein optimierter Durchfluss ohne Druckverluste an den Übergängen zwischen Sockeln und Packungen bzw. zwischen den einzelnen Packungen erzielt werden.
  • Vorzugsweise sind die Strömungskanäle der Wabenstruktur der Packungen und gegebenenfalls die Strömungskanäle der Wabenstruktur des/der Sockelelemente/s parallel zum Strömungsweg ausgerichtet in dem Gehäuse angeordnet. In dieser Ausrichtung der Strömungskanäle kann ein optimierter Stoffaustausch und eine verbesserte Durchmischung der fluiden Komponenten realisiert werden.
  • Vorzugsweise ist/sind das/die Sockelelement/e formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit den Packungen verbunden oder es/sie ist/sind ein einstückig mit den Packungen ausgebildet.
  • Diese und weitere Vorteile der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Er wird im Einzelnen gezeigt:
  • 1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolonne mit erfindungsgemäßen Packungen;
  • 2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolonne mit erfindungsgemäßen Packungen;
  • 3: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung;
  • 4: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung;
  • 5: ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kolonne mit einer erfindungsgemäßen Packung;
  • 6: ein weiterer Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kolonne mit zwei erfindungsgemäßen Packungen;
  • 7: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolonne 10 mit erfindungsgemäßen Packungen 50, 70 in einem vertikalen Querschnitt. Die Kolonne kann für den Stoffaustausch und gegebenenfalls Energieaustausch, beispielsweise zur Gaswäsche eingesetzt werden. Die Kolonne 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit zwei Einlässen 20, 22 und zwei Auslässen 30, 32, sowie zwei zwischen den Einlässen 20, 22 und den Auslässen 30, 32 angeordneten Packungen 50, 70, die in einem vom Einlass 22 zum Auslass 30 verlaufenden Strömungsweg angeordnet sind. Je nach Verwendung der Kolonne 10, beispielsweise bei Interesse an einem flüssigen Medium, kann der Strömungsweg auch vom Einlass 20 zum Auslass 32 verlaufen.
  • Der bezogen auf die Schwerkraftrichtung oben liegende Einlass 20 bzw. Auslass 30 ist in einem Kopfbereich 40 der Kolonne 10 angeordnet, während der bezogen auf die Schwerkraft unten liegende Einlass 22 bzw. Auslass 32 in einem Sumpfbereich 42 der Kolonne 10 angeordnet ist.
  • Die Packungen 50, 70 umfassen jeweils einen Wabenkörper 52, 72 mit ersten und zweiten im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stirnseiten 54, 56, 74, 76. Die jeweiligen Wabenkörper 52, 72 umfassen weiter eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, die über Kanalwände aneinander angrenzen. Die Wabenstruktur ist detaillierter in 3 dargestellt. Die Wabenkörper 52, 72 sind aus einem aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt. Die bezogen auf die Schwerkraft untere Packung 70 ist auf einem Stützrand oder Stützgitter 78 angeordnet und wird so stabil in der Kolonne 10 gehalten. Der Stützrand oder das Stützgitter ersetzen hier den im Stand der Technik üblichen Tragrost, so dass der Anteil an korrosionsanfälligem Material im Innern der Kolonne minimiert ist. Dies ist möglich aufgrund der hohen Eigenstabilität der erfindungsgemäßen Packung gegen mechanische Belastungen.
  • Optional ist zwischen den Packungen 50, 70 ein Abstandhalter 90 mit hier gezeigten vier Sockelelementen 92, 94, 96, 98 angeordnet. So kann ein optimierter Durchfluss des zu trennenden fluiden Stoffgemisches ohne Druckverluste zwischen den Packungen 50, 70 erreicht werden und ein Ausrichten der Packungen in Bezug auf ihre Strömungskanäle im Strömungsweg kann entfallen.
  • Vorzugsweise umfassen die Sockelelemente 92, 94, 96, 98 jeweils ein Wabenelement mit ersten und zweiten im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stirnseiten. Die Wabenelemente umfassen jeweils eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, die über Kanalwände aneinander angrenzen. Die Wabenelemente sind aus einem auf PTFE-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt.
  • Die Wabenkörper 52, 72 können auch ohne Sockelelemente 92, 94, 96, 98 in direktem Kontakt mit einander in der Kolonne platziert werden, wobei der Strömungswiderstand bei den aneinander grenzenden Stirnseiten der Packungen 50, 70 in der Regel höher ausfällt.
  • Aufgrund der antiadhäsiven Oberfläche und der hohen Chemikalienbeständigkeit des auf einem PTFE-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial der Packungen weisen die Packungen 50, 70 eine geringe Verschmutzungsanfälligkeit gegenüber Feststoffpartikeln und eine erhöhte Lebensdauer auf.
  • In einem möglichen Betriebsmodus, der beispielsweise in der Gaswäsche eingesetzt werden kann, wird ein gasförmiges Medium in dem im Sumpfbereich 42 ausgebildeten Einlass 22 in die Kolonne 10 eingeleitet und strömt entlang des Strömungswegs durch die Packungen 50, 70, bevor es die Kolonne 10 durch den Auslass 30 im Kopfbereich 40 der Kolonne 10 wieder verlässt.
  • Gleichzeitig wird ein flüssiges Medium durch den Einlass 20 im Kopfbereich 40 der Kolonne 10 geleitet und strömt entgegen der Strömung des gasförmigen Mediums in Schwerkraftrichtung durch die Packungen 50, 70 und verlässt die Kolonne 10 durch den im Sumpfbereich 42 der Kolonne 10 ausgebildeten Auslass 32.
  • Im Bereich der Packungen 50, 70 kann die Durchmischung der Medien optimiert werden und im gasförmigen Medium enthaltene Schmutzpartikel und Verunreinigungen insbesondere Feststoffpartikeln können in das flüssigen Medium übergehen und sich gegebenenfalls darin lösen. Das gasförmige Medium verlässt die Kolonne 10 so am Auslass 30 in einer gereinigten Form. Unerwünschte gasförmige Komponenten in dem gasförmigen Medium können ebenfalls bei geeigneter Auswahl des flüssigen Mediums in dieses übergehen und sich gegebenenfalls in diesem lösen.
  • Es sind auch vielfältige andere Verwendungen möglich, beispielsweise eine, bei der Verunreinigungen aus dem flüssigen Medium in das gasförmigen Medium übergehen.
  • Es sind sowohl kontinuierliche Betriebsweisen, wie oben beschrieben, als auch diskontinuierliche Betriebsweisen möglich.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolonne 100 in einem vertikalen Querschnitt. Die Kolonne 100 kann für den Stoffaustausch und gegebenenfalls Energieaustausch, beispielsweise in Industrie- und Rektifikationskolonnen, zu Trennung von Komponenten in fluiden Stoffgemischen eingesetzt werden.
  • Die Kolonne 100 umfasst ein Gehäuse 102 mit zwei Einlässen 120, 122 und zwei Auslässen 130, 132, einen weiteren Einlass in Form eines Zulaufs 134 sowie zwei zwischen Einlässen 120, 122 und Auslässen 130, 132 angeordneten Packungen 150, 170, die in einem vom Einlass 122 zum Auslass 130 verlaufenden Strömungsweg angeordnet sind.
  • Der bezogen auf die Schwerkraftrichtung oben liegende Einlass 120 bzw. Auslass 130 ist in einem Kopfbereich 140 der Kolonne 100 angeordnet, während der bezogen auf die Schwerkraftrichtung unten liegende Einlass 122 bzw. Auslass 132 in einem Sumpfbereich 142 der Kolonne 100 angeordnet ist. Der Zulauf 134 ist zwischen den Packungen 150, 170 angeordnet.
  • Die Packungen 150, 170 sind jeweils auf einem Tragrost 151, 171 angeordnet und umfassen jeweils einen Wabenkörper 152, 172 mit ersten und zweiten im Wesentlichen parallelen Stirnseiten 154, 156, 174, 176. Die jeweiligen Wabenkörper 152, 172 umfassen weiter eine Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, die über Kanalwände voneinander getrennt sind. Die Strömungskanäle und Kanalwände sind detailliert in 3 dargestellt. Die Wabenkörper 152, 172 sind aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt.
  • In einem bevorzugten Betriebsmodus wird die Kolonne 100 kontinuierlich betrieben.
  • Im Folgenden wird die Verwendung der Kolonne 100 als Rektifikationskolonne beispielhaft beschrieben. Dieses Beispiel ist nicht als Beschränkung der Verwendung der erfindungsgemäßen Kolonne 100 zu verstehen.
  • In einem kontinuierlichen Betrieb wird ein zu trennendes flüssiges Stoffgemisch über den Zulauf 134 in die Kolonne 100 eingebracht. Die Kolonne 100 wird vorzugsweise beheizt um eine thermische Trennung von höhersiedenden und niedersiedenden Komponenten des Stoffgemischs herbeizuführen (nicht gezeigt). Ein Teil des Stoffgemisches wird verdampft und steigt im gasförmigen Zustand entgegen der Schwerkraft nach oben und sammelt sich im Kopfbereich 140 an. Dieser Teil des Stoffgemischs kann durch den Auslass 130 im gasförmigen Zustand entnommen werden.
  • Der gasförmige Teil kann einen Anteil einer höhersiedenden Komponente des Stoffgemisches enthalten. Zu einer verbesserten Trennung kann der Anteil der höhersiedenden Komponente des flüssigen Stoffgemischs, nachdem er zusammen mit dem niedersiedenden Anteil die Kolonne 100 durch den Auslass 130 verlassen hat, mittels eines Kondensators 136 verflüssigt werden und über den Einlass 120 im Kopfbereich 140 der Kolonne 100 wieder zugeführt werden.
  • Dieser verflüssigte Teil des flüssigen Stoffgemischs strömt entgegen der Richtung des Strömungswegs nach unten und trifft in den Packungen 150, 170 auf den gasförmigen Teil des Stoffgemischs. Es kommt aufgrund der Geometrie der Packung (näher erläutert im Zusammenhang mit den 3 bis 5) zu einer optimierten Durchmischung der flüssigen und gasförmigen Anteile, so dass mittels Stoffaustauschs überwiegend die niedersiedende Komponente des Stoffgemisches in den gasförmigen Zustand übergeht.
  • Im Sumpfbereich 142 der Kolonne 100 sammelt sich die höhersiedende Komponente des Stoffgemischs an und kann über den Auslass 132 entnommen werden. Für eine verbesserte Trennung der Komponenten des Stoffgemischs wird der über den Auslass 132 abgezogene Anteil mittels eines Verdampfers 138 wieder erhitzt, gegebenenfalls in den gasförmigen Zustand gebracht und der Kolonne 10 über den Einlass 122 im Sumpfbereich 142 wieder zugeführt.
  • Die jeweiligen Auslässe 130, 132 im Kopfbereich 140 bzw. Sumpfbereich 142 können so ausgestaltet werden, dass im laufenden Betrieb der Kolonne 100 Proben entnommen und Reinheitsprüfungen durchgeführt werden können.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung 200 insbesondere zur Verwendung in Kolonnen für den Stoff und gegebenenfalls Energieaustausch in einer perspektivischen Ansicht. Die Packung 200 umfasst einen Wabenkörper 202 mit ersten und zweiten im Wesentlichen parallelen Stirnseiten 210, 212. Der Wabenkörper 202 umfasst eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen 220, die über Kanalwände 222 aneinander angrenzen. Der Wabenkörper 202 ist aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt. Im vorliegenden Fall ist der Wabenkörper 202 in einem Querschnitt parallel zu den Stirnseiten 210, 212 kreisförmig ausgebildet, wodurch anders als bei eckigen Querschnitten Durchflussinhomogenitäten in Eckbereichen vermieden werden.
  • Das erste Kunststoffmaterial weist eine hohe Chemikalienbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, sodass die Packung 200 auch bei Kontakt mit korrosiven oder reaktiven Stoffgemischen eine lange Lebensdauer aufweist.
  • Im vorliegenden Fall sind die Strömungskanäle 220 parallel zu den Stirnseiten 210, 212 in einem hexagonalen Querschnitt ausgebildet und parallele, gegenüberliegende Kanalwände 222 sind in einem Abstand a von ca. 14 mm ausgebildet.
  • Die Strömungskanäle weisen eine freie Querschnittsfläche auf. Die Kanalwände 222 sind im vorliegenden Fall mit einer Dicke von ca. 1,1 mm gefertigt und die Summe der freien Querschnittsflächen der Strömungskanäle liegt in einem Bereich von ca. 89 bis 92 % der Fläche einer Stirnseite 210, 212 des Wabenkörpers 202. So hat die Packung 200 zum einen einen geringen Strömungswiderstand und zum anderen kann eine gute Durchmischung der Komponenten des Stoffgemisches erzielt werden.
  • Im vorliegenden Fall sind die Kanalwände 222 in einem Querschnitt parallel zu den Stirnseiten 210, 212 des Wabenkörpers 202 mit einer Höhe h von ca. 8 mm ausgebildet.
  • Im vorliegenden Fall weist der Wabenkörper 102 eine spezifischen Oberfläche von ca. 75 bis 115 m2/m3 und ein Gewicht von ca. 400 bis 420 kg/m3 auf.
  • Die Dichte des PTFE-Polymermaterials liegt im vorliegenden Fall bei ca. 2,16 g/cm3, wodurch eine hohe Permeationsfestigkeit des ersten Kunststoffmaterials gegeben ist.
  • Die Oberflächen der Kanalwände 222 weisen im vorliegenden Fall eine Oberflächenrauigkeit Rmax von weniger als 250 µm auf, wodurch die ohnehin schon geringe Verschmutzungsanfälligkeit noch minimiert wird. Es können sich so kaum im Stoffgemisch enthaltene Feststoffpartikel an den Kanalwänden 222 ablagern.
  • Im vorliegenden Fall enthält das PTFE-Polymermaterial virginales PTFE mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% und ein von dem PTFE verschiedenes Hochleistungspolmer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% und das virginale PTFE weist einen Co-Monomeranteil von ca. 0,1 Gew.-% auf. Als von PFTE verschiedenes Hochleistungspolymer eignet sich beispielsweise Perfluorpropylvinylether (PPVE).
  • Vorzugsweise werden das virginale und das virginale, modifizierte PTFE zur Herstellung des Wabenkörpers 202 im Rohzustand in agglomerierter Form mit einer mittleren Partikelgröße D50 von ca. 250 bis 650 µm, besonders bevorzugt von ca. 250 µm bis ca. 450 µm, eingesetzt.
  • Virginales und virginales, modifiziertes PTFE in nicht agglomerierter Form mit einer Partikelgröße D50 von ca. 10 bis ca. 200 µm, bevorzugt von ca. 25 bis ca. 100 µm, kann zur Herstellung von Compounds verwendet werden, welche dann zur Herstellung des Wabenkörpers 202 zum Einsatz kommen.
  • Das erste Kunststoffmaterial weist im vorliegenden Fall bei einem Prüfkörper mit einer Folienstärke von 1 mm eine Permeationsrate gegenüber HCl von ca. 450 cm3/(m2·d·bar) auf. Gegenüber SO2 und Cl2 liegt die Permeationsrate über 24 h gemessen bei einer Folienstärke von 1 mm bei ca. 190 cm3/(m2·d·bar) bzw. ca. 180 cm3/(m2·d·bar). Mit einer so niedrigen Permationsrate kann die Menge an Gas, das durch die Kanalwände 222 hindurchtritt und in Kontakt mit dem Gehäuse der Kolonne kommt minimiert werden und so die Lebensdauer des Gehäuses verlängert werden.
  • Das erste Kunststoffmaterial weist vorzugsweise eine gemäß EN ISO 12086-2 gemessene Reißfestigkeit von ca. 20 N/mm2 auf.
  • Das erste Kunststoffmaterial weist vorzugsweise eine Reißdehnung von ca. 200 % auf, gemessen nach EN ISO 12086-2.
  • Mit derartigen Eigenschaften kann die Packung 200 auch hohen mechanischen Beanspruchungen standhalten und es stellt sich nur ein geringer Verschleiß ein. So ist auch ein robusterer Umgang mit den Packungen beim Einbau oder eine Hochdruckreinigung möglich.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung insbesondere zur Verwendung in Kolonnen für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch in einer perspektivischen Ansicht. Die Packung 300 umfasst einen Wabenkörper 302 mit ersten und zweiten im Wesentlichen parallelen Stirnseiten 310, 312. Der Wabenkörper 302 umfasst eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen 320, die über Kanalwände 322 aneinander angrenzen. Der Wabenkörper 302 ist aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt.
  • Im vorliegenden Fall ist der Wabenkörper 302 in einem Querschnitt parallel zu den Stirnseiten 310, 312 kreisförmig ausgebildet, wodurch anders als bei eckigen Querschnitten Durchflussinhomogenitäten in Eckbereichen vermieden werden.
  • Die Strömungskanäle 320 weisen einen hexagonalen Querschnitt auf, was einen geringen Strömungswiderstand zur Folge hat.
  • Der Wabenkörper 302 ist mit denselben Abmessungen und daraus resultierenden Materialeigenschaften und Vorteilen ausgestaltet wie der Wabenkörper 202 in 3.
  • Der Wabenkörper 302 ist mehrteilig ausgebildet und umfasst im vorliegenden Fall 9 Segmente 330, 332, 334, 336, 338, 340, 342, 344, 346, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite 310, 312 des Wabenkörpers 302 erstrecken und planar und teilzylindrisch ausgebildete Seitenwände (beispielhaft 348, 350, 352 bei Segment 342) aufweisen.
  • Zwei planare Seitenwände 350, 352, die in einem Eckbereich eines Segments 342 aufeinandertreffen, sind in einem rechten Winkel zueinander angeordnet. Die rechtwinklige Ausrichtung erleichtert die Herstellung der Segmente und deren Anordnung zur Bildung des Wabenkörpers 300 und macht diese wirtschaftlicher als bei in davon abweichenden Winkeln zueinander angeordneten planaren Seitenwänden.
  • Im vorliegenden Fall enthält das erste Kunststoffmaterial einen Füllstoff in Form eines Wärmeleitpigments. Das Wärmeleitpigment ist in einem Anteil von ca. 3 Gew.-% enthalten, bezogen auf den Gewichtsanteil des ersten Kunststoffmaterials.
  • Der Wabenkörpers 302 weist im vorliegenden Fall eine Wärmekapazität ca. 1,2 J/(g·K) und eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,4 W/(m·K) auf. So kann eventuell beim Stoffaustausch entstehende Reaktionswärme über die Packung 300 abgeführt werden und es entstehen keine Bereiche mit höherer Temperatur in dem Stoffgemisch, sondern die Wärme wird über die gesamte Packung 300 gleichmäßig verteilt.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Kolonne 400 mit einer erfindungsgemäßen Packung 410 in einem Querschnitt senkrecht zu den Stirnseiten der Packung 410. In dem Ausschnitt ist die erfindungsgemäße Packung 400 in ihrer Einbausituation in der Kolonne 400 dargestellt. Das Gehäuse der Kolonne, Ein- und Auslässe, zwischen denen die Packung 410 angeordnet ist, sind hier nicht gezeigt, können aber wie z.B. in 1 oder 2 ausgestaltet sein.
  • Die Packung 410 umfasst einen Wabenkörper 412 mit ersten und zweiten parallel zueinander angeordneten Stirnseiten 420, 422. Der Wabenkörper 412 umfasst eine Wabenstruktur mit im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, die über Kanalwände aneinander angrenzen und sich von der ersten Stirnseite 420 zur zweiten Stirnseite 422 erstrecken. Der – Wabenkörper 410 ist aus einem ersten auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden Kunststoffmaterial gefertigt. Die Wabenstruktur ist wie in 3 erläutert ausgestaltet.
  • Das erste Kunststoffmaterial ist im vorliegenden Fall wie das im Zusammenhang mit der 3 beschriebene und weist die dort beschriebenen Eigenschaften und Vorteile auf.
  • Die Packung ist auf einem Tragrost 430 angeordnet. Oberhalb der Packung 410 ist eine Schicht 440 aus Füllkörpern lose aufgeschichtet.
  • Während durch die erfindungsgemäße Packung 410 der Strömungswiderstand gering ist und sich Komponenten des zu trennenden fluiden Stoffgemisches gut durchmischen können, wird durch die Füllkörperschicht 440, beispielsweise aus Raschig-Ringen oder Pall-Ringen, eine erhöhte Verweildauer ermöglicht und die Zeit, die das zu trennende Stoffgemisch zum Stoffaustausch in den erfindungsgemäßen Packungen 410 verbringt, wird verlängert.
  • Es können auch Kolonnen wie die in 1 oder 2 ausgestaltet sein, wobei auf jeder der in 1 und 2 dargestellten Packungen 50, 70, 150, 170 Füllkörper 440 wie in 5 gezeigt lose aufgeschichtet sind.
  • 6 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kolonne 500 mit zwei erfindungsgemäßen Packungen 510, 520 mit jeweils einem Wabenkörper 512, 522 mit ersten und zweiten parallel angeordneten Stirnseiten 514, 516, 524, 526 in einem Querschnitt senkrecht zu diesen Stirnseiten.
  • Die Wabenkörper 512, 522 weisen jeweils eine Wabenstruktur mit parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen auf, die über Kanalwände aneinander angrenzen, und sind aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt.
  • Die Wabenkörper 512, 522 sind wie der in 3 dargestellte Wabenkörper ausgestaltet.
  • Zwischen den Wabenkörpern 510, 520 ist ein Abstandhalter 530 Sockelelementen 532, 543, 536, 538 angeordnet.
  • Die Sockelelemente 532, 543, 536, 538 sind in in Form der Sockelelemente 532, 543, 536, 538 ausgestaltete Rücksprünge in den Wabenkörpern 510, 520 eingerückt und stützen sich mit ihren jeweiligen Stirnseiten an den Wabenkörpern ab. So wird der Aufbau der Packungen 510, 520 der Kolonne 500 gegenüber Verrutschen stabilisiert. Außerdem kann durch die Sockelelemente 532, 534, 536, 538 ein geringer Strömungswiderstand beim Übergang von einer Packung 510 in die andere Packung 520 und umgekehrt erreicht werden und ein eventuelles Ausrichten der Strömungskanäle bei aufeinanderfolgenden Packungen entfällt.
  • Die Sockelelemente 532, 534, 536, 538 umfassen jeweils ein blockförmiges Wabenelement mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite, wobei die Wabenelemente der Sockelelemente 532, 534, 536, 538 eine Vielzahl an im Wesentlichen parallel angeordneten Strömungskanälen umfassen, die über Kanalwände aneinander angrenzen. Die Wabenelemente sind aus einem auf PTFE-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt.
  • Die Strömungskanäle der Sockelelementen 532, 543, 536, 538 und der Packungen 510, 520 sind im Wesentlichen parallel zum Strömungsweg in der Kolonne 500 angeordnet und ermöglichen so einen minimalen Strömungswiderstand.
  • 7 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Packung 600. Die Packung 600 umfasst einen Wabenkörper 602 mit ersten und zweiten Stirnseiten 610, 612, einer Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen 620, die über Kanalwänden 622 aneinander angrenzen. Der Wabenkörper 602 ist wiederum aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt und mehrteilig mit Segmenten 630, 632, 634 ausgebildet. Der Wabenkörper 602 ist analog zu dem in 4 gezeigten Wabenkörper 300 aufgebaut.
  • Die Packung 602 weist ferner ein Dichtelement 650 auf, das aus einem zweiten Kunststoffmaterial auf Basis von Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymer gefertigt ist. Das Dichtelement 650 ist parallel zur ersten Stirnseite 610, 612 angeordnet und erstreckt sich radial vom Wabenkörper 602 weg. Durch das Dichtelement 650 wird der Spalt zwischen der Packung 600 und der Wand des Gehäuses der Kolonne (nicht gezeigt) reduziert oder gegebenenfalls ganz geschlossen und damit die darin strömenden häufig korrosiven Stoffgemische vom Gehäuse der Kolonne ferngehalten.
  • Das Dichtelement 650 verringert oder unterbindet so den Durchfluss zwischen Gehäusewand und Packung und ist insbesondere fluiddicht ausgebildet.
  • Im vorliegenden Fall ist das Dichtelement 650 stoffschlüssig, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben etc., mit dem Wabenkörper 602 verbunden. Es kann aber auch kraftschlüssig mit dem Wabenkörper 602 verbunden sein.
  • Das Dichtelement 650 stabilisiert die Segmente 630, 632, 634 des Wabenkörpers 602 im zusammengesetzten Zustand in der Kolonne, so dass kein Spannring, wie bei herkömmlichen metallischen Packungen üblich, verwendet werden muss.
  • Gegebenenfalls kann, wie in 7 gezeigt, benachbart zu beiden Stirnseiten 610, 612 des Wabenkörpers 602 ein Dichtring 650 angeordnet werden.
  • Auch in dieser mehrteiligen Ausführungsform des Wabenkörpers mit Dichtelement 650 können Füllkörper oberhalb der Packung 600 angeordnet sein.
  • Das oder die Dichtelemente 650 können bei Bedarf auch mehrteilig ausgebildet sein.
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    • EN ISO 12086-2 [0118]
    • EN ISO 12086-2 [0119]

Claims (29)

  1. Packung insbesondere zur Verwendung in Kolonnen für Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, umfassend einen Wabenkörper mit ersten und zweiten im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stirnseiten, wobei der Wabenkörper eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen umfasst, die über Kanalwände aneinander angrenzen, wobei der Wabenkörper aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt ist.
  2. Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper Strömungskanäle mit freien Querschnittsflächen aufweist, wobei die Summe der freien Querschnittsflächen ca. 70 bis ca. 92 %, insbesondere ca. 75 bis ca. 85 % der Fläche einer Stirnseite des Wabenkörpers beträgt.
  3. Packung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper in einem Querschnitt parallel zu den ersten und zweiten Stirnseiten kreisförmig ausgebildet ist.
  4. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper mehrteilig ausgebildet ist und zwei oder mehr Segmente umfasst, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite des Wabenkörpers erstrecken und planar und gegebenenfalls kreisbogenförmig ausgebildete Seitenwände aufweisen, wobei im Falle, dass ein Segment zwei planare Seitenwände aufweist, die in einem Eckbereich des Segments aufeinander treffen, diese Seitenwände des Segments in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
  5. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strömungskanäle der Wabenstruktur parallel zu den Stirnseiten des Wabenkörpers gesehen mit einem polygonalen, insbesondere rechteckigen, quadratischen, pentagonalen oder hexagonalen Querschnitt ausgebildet sind.
  6. Packung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem polygonalen, insbesondere in dem rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Querschnitt der Strömungskanäle im Wesentlichen parallel einander gegenüberliegende Kanalwände eines Strömungskanals einen Abstand von ca. 8 bis ca. 20 mm, bevorzugt einen Abstand von ca. 11 bis ca. 17 mm, zueinander aufweisen.
  7. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände in einem Querschnitt parallel zu den Stirnseiten des Wabenkörpers mit einer Höhe von ca. 5 bis ca. 11 mm, weiter bevorzugt mit einer Höhe von ca. 7 bis ca. 10 mm ausgebildet sind.
  8. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände der Strömungskanäle der Wabenstruktur eine Dicke von ca. 0,8 mm bis ca. 2,1 mm aufweisen.
  9. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial in einem Press-/Sinterverfahren oder thermoplastisch verarbeitbar ist.
  10. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial der Kanalwände eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,3 W/(m·K) oder mehr aufweist und/oder dass das erste Kunststoffmaterial der Kanalwände eine spezifische Wärmekapazität von ca. 0,9 J/(g·K) oder mehr aufweist.
  11. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das PTFE-Polymermaterial eine Dichte von ca. 2,0 bis ca. 2,2 g/cm3 aufweist.
  12. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial der Kanalwände eine Temperaturbeständigkeit von ca. 200 °C oder mehr, insbesondere ca. 250 °C oder mehr aufweist.
  13. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial der Kanalwände eine gemäß EN ISO 212086-2 gemessene Reißfestigkeit von ca. 10 bis ca. 30 N/mm aufweist.
  14. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial der Kanalwände eine gemäß EN ISO 12086-2 gemessene Reißdehnung von ca. 160 bis ca. 350 % aufweist.
  15. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial der Kanalwände eine Permeationsrate gegenüber Cl2, HCl und/oder SO2 von ca. 620 cm3/(m2·d·bar) oder weniger und insbesondere gegenüber Cl2 und/oder SO2 von ca. 300 cm3/(m2·d·bar) oder weniger aufweist.
  16. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Kanalwände eine Oberflächenrauigkeit Rmax von ca. 250 µm oder weniger aufweisen.
  17. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das PTFE-Polymermaterial virginales Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Anteil von ca. 80 Gew.-% oder mehr und gegebenenfalls ein von PTFE verschiedenes Hochleistungspolymer mit einem Anteil von ca. 20 Gew.-% oder weniger enthält, wobei bevorzugt das virginale PTFE einen Co-Monomeranteil von ca. 1 Gew.-% oder weniger, weiter bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% oder weniger, aufweist.
  18. Packung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das virginale PTFE und gegebenenfalls das von dem PTFE verschiedene Hochleistungspolymer zur Herstellung des Wabenkörpers im Rohzustand eine mittlere Partikelgröße D50 von ca. 10 µm bis ca. 600 µm, bevorzugt ca. 250 µm bis ca. 450 µm, aufweist.
  19. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffmaterial nichtmetallische Füllstoffe enthält, wobei die nichtmetallischen Füllstoffe insbesondere ausgewählt sind aus PEEK, Graphit, Kohle, Bornitrid und Siliziumcarbid.
  20. Packung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen und/oder nichtmetallischen Füllstoffe eine Partikelgröße D50 von ca. 100 µm oder weniger aufweisen, dass vorzugsweise der nichtmetallische Füllstoff mit einem Anteil von ca. 40 Gew.-% oder weniger, in dem ersten Kunststoffmaterial des Wabenkörpers enthalten ist.
  21. Packung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Packung ein aus einem zweiten Kunststoffmaterial auf Basis von Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymer gefertigtes Dichtelement aufweist, wobei sich das Dichtelement vorzugsweise parallel zur ersten bzw. zweiten Stirnseite des Wabenkörpers vom Wabenkörper weg erstreckt.
  22. Packung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement stoffschlüssig mit dem Wabenkörper verbunden, insbesondere einstückig mit dem Wabenkörper ausgebildet, ist.
  23. Kolonne, insbesondere zur Verwendung für den Stoff- und gegebenenfalls Energieaustausch, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einem Einlass, mindestens einem Auslass sowie eine oder mehrere zwischen Einlass und Auslass angeordnete Packung/en gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, die vorzugsweise in einem vom Einlass zum Auslass verlaufenden Strömungsweg für ein Fluid gegebenenfalls hintereinander angeordnet ist/sind.
  24. Kolonne nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper mehrteilig in Form von zwei oder mehr Segmenten ausgebildet ist, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite des Wabenkörpers erstrecken und planar und gegebenenfalls kreisbogenförmig ausgebildete Seitenwände aufweisen, wobei die Segmente über planare Seitenwände aneinandergrenzend in dem Gehäuse angeordnet sind.
  25. Kolonne nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente der Packung lose im Gehäuse angeordnet ist.
  26. Kolonne nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Stofftauscher zwei oder mehr Packungen umfasst, die in dem Strömungsweg hintereinander angeordnet sind, wobei optional ein Abstandhalter mit einem oder mehreren Sockelelementen zwischen den Packungen angeordnet ist.
  27. Kolonne nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Sockelelemente ein blockförmiges Wabenelement mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite umfassen, wobei das Wabenelement eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl an im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen umfasst, die über Kanalwände aneinander angrenzen, wobei das Wabenelement aus einem auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-Polymermaterial basierenden ersten Kunststoffmaterial gefertigt ist und wobei der/die Sockelelemente sich an der ersten bzw. zweiten Stirnseite an die jeweiligen Stirnseiten der Packungen abstützt/abstützen.
  28. Kolonne nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle der Wabenstruktur der Packungen und gegebenenfalls die Strömungskanäle der Wabenstruktur der Sockelelemente im Wesentlichen parallel zum Strömungsweg ausgerichtet in dem Gehäuse angeordnet sind.
  29. Kolonne nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Sockel formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit einer Packung verbunden oder dass er/sie einstückig einer Packung ausgebildet ist/sind.
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