DE10208711B4

DE10208711B4 - Keramisches Packungselement

Info

Publication number: DE10208711B4
Application number: DE10208711A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Zehner; Gerhard Olbert; Mathias Dr. Haake
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: DE10208711A1

Abstract

Packung (3) für eine Kolonne zur Durchführung einer thermischen Trennung und gegebenenfalls einer chemischen Reaktion eines fluiden Stoffgemisches, gebildet aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Packungselementen (1) mit Strömungskanälen (2), die in mehreren, zueinander parallelen Ebenen (A, B) angeordnet sind, wobei die Strömungskanäle (2) innerhalb jeder Ebene parallel zueinander und mit einem Neigungswinkel zur Längs- beziehungsweise Mittelachse des Packungselementes (1) geneigt ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungselemente (1) aus offenporiger Schaumkeramik bestehen und von Packungselement (1) zu Packungselement (1) um 90° gegeneinander um ihre Längsachse verdreht angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Packungselement für eine Kolonne zur Durchführung einer thermischen Trennung eines fluiden Stoffgemisches, eine Packung, gebildet aus zwei oder mehreren Packungselementen, ein Verfahren unter Verwendung eines Packungselementes oder einer Packung sowie eine Verwendung.
Bei thermischen Trennverfahren in einer Kolonne werden Stoffe und meist auch Wärme zwischen mindestens zwei Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung eines fluiden Stoffgemisches ausgetauscht. Hierbei handelt es sich häufig um eine gasförmige und eine flüssige Phase oder um zwei unterschiedliche flüssige Phasen, meist mit relativ großer Dichtedifferenz. Dieser Stoff- und Wärmetransport wird durch in die Kolonne eingebaute Elemente, wie Böden, Füllkörper oder Packungen, die für eine ausreichende Berührungszeit der Phasen und eine hinreichend große Phasengrenzfläche sorgen, intensiviert.
Häufig wird in derselben Kolonne eine thermische Trennung und gleichzeitig eine chemische Reaktion durchgeführt. Chemische Reaktionen werden oft in Gegenwart von, häufig heterogenen, Katalysatoren durchgeführt. Dabei ist es erforderlich, den Katalysator möglichst effektiv in den Kolonneneinbauten unterzubringen, um hohe spezifische Katalysatoroberflächen und somit gute Katalysatoraktivitäten zu gewährleisten.

Im Stand der Technik sind verschiedene Realisierungsmöglichkeiten zur Durchführung von heterogen katalysierten Reaktivdestillationen, das heißt von heterogen katalysierten Reaktionen und gleichzeitig destillativen Auftrennungen, somit thermischen Trennungen, in derselben Kolonne bekannt: eine Möglichkeit besteht darin, Packungen in aus der Destillationstechnik bekannter Bauform mit aktiver Katalysatormasse zu beschichten, wie zum Beispiel bei der Katapack-M der Fa. Sulzer AG, CH 8404 Winterthur.

Es ist auch bekannt, Katalysatorteilchen in Verbindung mit Packungen in Kolonnen zur Reaktivdestillation einzusetzen, wobei die Katalysatorteilchen in Taschen aus Drahtgewebe eingebracht sind, die entweder direkt als Destillationseinbauten, wie die Bauform Katapack-S der Firma Sulzer AG, CH 8404 Winterthur, oder die als ebene Taschen ausgebildet sind, die zwischen die einzelnen Schichten der Destillationspackungen eingelegt werden, wie die Bauform Multipack der Firma Montz GmbH, D 40723 Hilden.

Die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung DE 101 59 821 beschreibt eine Packung zur Reaktivdestillation, die unmittelbar mit Katalysatorteilchen befüllt ist, ohne dass hierzu eine Ausbildung von zusätzlichen Aufnahmeräumen, beispielsweise von Taschen erforderlich wäre. Dabei wird jedoch auch von in der Destillationstechnik bislang üblichen Packungen ausgegangen, für die als Werkstoffe überwiegend Metalle, seltener auch keramische Materialien, Porzellan oder Kunststoffe eingesetzt werden. Metallische Werkstoffe werden überwiegend als Bleche oder Drahtgewebe in mehreren, zueinander parallelen Lagen eingesetzt, die ein Packungselement bilden. Die Packungselemente müssen den Kolonnenquerschnitt möglichst vollständig ausfüllen, das heißt in einer vorgegebenen Geometrie vorliegen, was in der Regel mit hohen Fertigungskosten verbunden ist.

Es ist bekannt, keramische Materialien mit überwiegend offenporiger Schaumstruktur, insbesondere zum Einsatz als Filtermaterial herzustellen. Ein klassisches Verfahren hierfür ist das sogenannte "Schwartzwalder-Verfahren" ( US 3,090,094 ), wonach aus einem offenzelligen Polymerschaum das gewünschte Bauteil herausgeschnitten und anschließend mit einer Suspension aus keramischen Partikeln und Wasser oder Lösungsmittel getränkt wird. Danach wird der getränkte Polymerschaum ein- oder mehrmals mechanisch ausgepresst, getrocknet und ausgebrannt. Durch Sinterung der zurückgebliebenen keramischen Beschichtung wird die offenzellige Schaumkeramik erhalten. Da die nach diesem Verfahren hergestellte offenzellige Schaumkeramik eine Abformung der zellenartigen Polymerstruktur des Ausgangsmaterials ist, werden keramische Stege mit Hohlräumen erhalten, die die Festigkeit beeinträchtigen. Hierzu schlägt die WO 97/45381 vor, die inneren Hohlräume, die Risse und die Porosität der keramischen Stege mit einer oder mehreren metallischen und/oder keramischen Phasen und/oder Glasphasen ganz oder teilweise zu füllen, wodurch die Festigkeit bedeutend zunimmt.

Weitere bekannte Verfahren zur Herstellung von Schaumkeramiken sind beispielsweise die Direktschäumung mittels Luft oder unter Einsatz eines Treibmittels.

Der Patent Abstract of Japan der JP-A 03-098640 beschreibt ein keramisches Packungsmaterial mit Kreuzkanalstruktur.

Es war Aufgabe der Erfindung, eine Packung für eine Kolonne zur Durchführung einer Verfahrensoperation eines fluiden Stoffgemisches mit Stofftransport zur Verfügung zu stellen, die mit geringen Fertigungskosten ohne Einschränkung in der geometrischen Form herstellbar ist und die darüber hinaus einen verbesserten Stoffaustausch sowie gegebenenfalls eine verbesserte katalytische Aktivität gegenüber bekannten Packungen aufweist.

Die Lösung geht aus von einer Packung für eine Kolonne zur Durchführung einer Verfahrensoperation eines fluiden Stoffgemisches mit Stofftransport, gebildet aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Packungselementen mit Strömungskanälen, die in mehreren, zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei die Strömungskanäle innerhalb jeder Ebene parallel zueinander und mit einem Neigungswinkel zur Längs- beziehungsweise Mittelachse des Packungselements geneigt ausgerichtet sind.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Packungselemente aus offenporiger Schaumkeramik bestehen und von Packungselement zu Packungselement um 90° gegeneinander um ihre Längsachse verdreht angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße keramische Packungselement weist somit für die Aufnahme und Weiterleitung des fluiden Stoffgemisches erforderliche Strömungskanäle auf, die, wie in aus der Destillationstechnik bekannten Packungen in mehreren zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei die Strömungskanäle innerhalb jede Ebene parallel zueinander und mit einem Neigungswinkel zur Längsachse des Packungselementes ausgerichtet sind.

Bevorzugt sind die parallel zueinander angeordneten Ebenen in Kolonnenlängsrichtung orientiert. Besonders bevorzugt weist der Neigungswinkel der Strömungskanäle unmittelbar benachbarte Ebenen den gleichen Wert, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen auf, wodurch ein besonders guter Stoff- und gegebenenfalls Wärmeaustausch gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß ist das keramische Packungselement aus einer zumindest teilweise offenporigen Schaumkeramik gebildet.

Der Begriff Schaumkeramik bezeichnet einen keramischen Werkstoff, der porös ist, wobei die Poren offen oder geschlossen sein können. Für das erfindungsgemäße keramische Packungselement eignen sich grundsätzlich Schaumkeramiken, die zumindest teilweise offenporig sind, das heißt die einen Anteil an offen Poren von mindestens 30 %, bevorzugt von mindestens 60 %, besonders bevorzugt von mindestens 80 %, aufweisen.

Die Gesamtporosität der zumindest teilweise offenporigen Schaumkeramik liegt bevorzugt im Bereich von 55 bis 95 %, insbesondere im Bereich von 75 bis 90 %.

Die Erfindung ist nicht eingeschränkt bezüglich der einsetzbaren keramischen Materialien. Beispielhaft genannt seien Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Siliziumdioxid.

Die zumindest teilweise offenporige Schaumkeramik kann nach jedem bekannten Verfahren hergestellt werden, vorausgesetzt es wird die für den Einsatz als Packung für eine Kolonne erforderliche mechanische Stabilität erreicht.

Die Strömungskanäle in der Schaumkeramik können in besonders einfacher Weise erhalten werden, indem das eingangs beschriebene Verfahren durch Abformung der zellenartigen Polymerstruktur eines Ausgangsmaterials dergestalt abgewandelt wird, dass heiße Stäbe, die in Anzahl und Geometrie den Strömungskanälen entsprechen, aus einem Material, das hierbei nicht schmilzt, durch den Polymerschaum durchgeschoben werden.

Bevorzugt liegt das Volumen der Strömungskanäle, bezogen auf das Gesamtvolumen des Packungselementes im Bereich von 10 bis 80 %, insbesondere im Bereich von 30 bis 60 %.

Der Querschnitt der Strömungskanäle kann grundsätzlich jede beliebige geometrische Form aufweisen, bevorzugt ist sie jedoch kreisförmig oder annähernd kreisförmig. Weitere bevorzugte Querschnittsformen sind rechteckige oder dreieckige Formen.

Es ist möglich, das Packungselement bevorzugt dergestalt auszubilden, dass sich der Neigungswinkel der Strömungskanäle über die Höhe des Packungselementes kontinuierlich oder diskontinuierlich verändert.

Bevorzugt kann das Packungselement aus einem katalytisch aktiven Material gebildet sein oder es kann als Katalysatorträger fungieren, auf und/oder in den ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien, insbesondere durch Beschichtung oder Tränken, aufgebracht sind. Das keramische Material kann beispielsweise ein Zeolith sein, der katalytisch aktiv sein kann. Als Katalysatorträger kann der Keramikschaum beispielsweise aus Aluminiumoxid gebildet sein, auf den eine Beschichtung mit katalytisch aktiver Masse, beispielsweise Palladium, aufgebracht wird.

Bevorzugt kann das Packungselement in der Weise ausgebildet werden, dass innerhalb des Packungselementes Bereiche mit unterschiedlichem Volumen der Strömungskanäle und/oder unterschiedlicher katalytischer Aktivität vorliegen. Dadurch kann in gewünschten Bereichen ein größerer Flüssigkeits-Hold-Up gegenüber anderen Bereichen erreicht, insbesondere können Anstaubereiche gebildet werden.

Die übereinander angeordneten Packungselemente können unterschiedliche Porosität und/oder unterschiedliche Volumina der Strömungskanäle und/oder unterschiedliche katalytische Aktivität aufweisen.

Um eine verbesserte Durchströmung der Packung durch das fluide Stoffgemisch zu gewährleisten, können zwischen aufeinander folgenden Packungselementen Verteil- und Sammelelemente vorgesehen sein. Die Verteil- und Sammelelemente können vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, bevorzugt aus dem gleichen Werkstoff wie die Schaumkeramik, hergestellt sein. Sie sind geometrisch dergestalt ausgebildet, beispielsweise durch Vertiefungen, Nuten und/oder Prägungen in ihrer Querrichtung, dass sie aus dem darüber liegenden Packungselement Flüssigkeit aufnehmen und über Durchtritte in das darunter liegende Packungselement weiterleiten. Dadurch wird eine Flüssigkeitsanstauung an der Grenzfläche zwischen zwei aufeinander folgenden Packungselementen vermieden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen zwei aufeinander folgenden Packungselementen jeweils ein Abstandshalter angeordnet, bevorzugt aus Metall- oder Keramikstreifen und/oder aus einer großporigen Schaumkeramik. Als großporig wird vorliegend verstanden, dass die Porengröße mindestens 3 mm, bevorzugt mindestens 5 mm, beträgt.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur thermischen Trennung fluider Stoffgemische in einer Kolonne mit einem oben beschriebenen Packungselement oder mit einer oben beschriebenen Packung, wobei das Verfahren zur thermischen Trennung eine Destillation oder eine Rektifikation ist.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Verfahren zur thermischen Trennung eine Extraktion sein. Das Verfahren zur thermischen Trennung kann auch bevorzugt eine Absorption oder eine Desorption, insbesondere eine Strippung, sein.

Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, wonach in der Kolonne zusätzlich zur thermischen Trennung eine chemische Reaktion durchgeführt wird. Bevorzugt ist die Reaktivdestillation.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer zumindest teilweise offenporigen Schaumkeramik für ein oben beschriebenes Packungselement oder eine oben beschriebene Packung. Bevorzugt kann (können) in die zumindest teilweise offenporige Schaumkeramik eine oder mehrere katalytisch aktive Massen eingebracht und/oder aufgebracht sein.

Indem erfindungsgemäß ein keramisches Packungselement oder eine keramische Packung mit zumindest teilweise offenzelliger Schaumstruktur eingesetzt wird, werden überragende verfahrenstechnische Vorteile erreicht: die Schaumstruktur gewährleistet eine große innere Oberfläche mit guter Benetzbarkeit und somit hohem Flüssigkeits-Hold-Up und großer Verweilzeit der flüssigen Phase. Dadurch kann die Apparategröße im Vergleich zu konventionellen Packungen reduziert werden, mit entsprechenden wirtschaftlichen Vorteilen. Ebenfalls durch die große innere Oberfläche kann die Schaumkeramik, sofern sie selbst katalytisch aktiv ist, eine besonders gute katalytische Wirksamkeit entfalten oder sie kann, sofern sie als Träger wirkt, eine große aktive Katalysatormasse aufnehmen.

Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Packungselement und die erfindungsgemäße Packung durch eine hohe Temperatur- und chemische Beständigkeit aus. Sie kann einfach, in jeder geometrischen Form, und somit mit geringen Fertigungskosten hergestellt werden und ist, durch ihr geringes Gewicht, einfach handhabbar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern jeweils gleiche oder entsprechende Merkmale.
Es zeigen im Einzelnen:
1a Die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Packungselementes, mit Querschnittsdarstellung in 1b und Längsschnittdarstellungen in 1c und 1d,
2 die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung,
3a bis 3c die schematischen Darstellungen von Querschnitten durch aus Packungssegmenten ausgebildeten Packungselementen und
4 die schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung.
In 1a ist schematisch ein Packungselement 1 dargestellt, mit parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen 2.
Der Querschnitt in 1b verdeutlicht, dass die Strömungskanäle 2 in mehreren zueinander parallelen Ebenen A, B angeordnet sind, wobei die Strömungskanäle 2 innerhalb jeder Ebene A, B, jeweils parallel zueinander angeordnet sind. Der Neigungswinkel der Strömungskanäle 2 kann sich bevorzugt von Ebene zu Ebene unterscheiden, wodurch, wie in der in 1b im Querschnitt dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Überschneidung der Strömungskanäle aufeinander folgender Ebenen A, B, vorliegen kann.
Die Längsschnittdarstellungen in der Ebene A (1c) bzw. in der Ebene B (1c) verdeutlichen, dass sich die Neigungswinkel der Strömungskanäle 2 in aufeinander folgenden Ebenen jeweils durch ihr Vorzeichen unterscheiden, wobei ihr Wert gleich ist.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung mit übereinander angeordneten Packungselementen 1, die Strömungskanäle 2 aufweisen. In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind unmittelbar übereinander angeordnete Packungselemente 1 jeweils gegeneinander um 90° verdreht.
Die schematischen Darstellungen in 3a bis 3c zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung im Querschnitt, wobei die Querschnittsdarstellungen in 3a bzw. 3b übereinander liegende Packungselemente zeigen.
Jedes der übereinander liegenden Packungselemente ist jeweils aus den Kolonnenquerschnitt vollständig ausfüllenden Packungssegmenten 4 aufgebaut. Die übereinander liegenden Segmente aufeinander folgender Packungselemente sind dabei bevorzugt gegeneinander versetzt angeordnet, wie dies die Querschnittsdarstellung in 3c verdeutlicht.
4 zeigt die schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Packung 3, wonach zwischen aufeinander folgenden Packungselementen 1 ein Verteil- und Sammelelement 5 angeordnet ist.

Claims

Packung (3) für eine Kolonne zur Durchführung einer thermischen Trennung und gegebenenfalls einer chemischen Reaktion eines fluiden Stoffgemisches, gebildet aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Packungselementen (1) mit Strömungskanälen (2), die in mehreren, zueinander parallelen Ebenen (A, B) angeordnet sind, wobei die Strömungskanäle (2) innerhalb jeder Ebene parallel zueinander und mit einem Neigungswinkel zur Längs- beziehungsweise Mittelachse des Packungselementes (1) geneigt ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungselemente (1) aus offenporiger Schaumkeramik bestehen und von Packungselement (1) zu Packungselement (1) um 90° gegeneinander um ihre Längsachse verdreht angeordnet sind.
Packung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zueinander angeordneten Ebenen (A, B) in Kolonnenlängsrichtung ausgerichtet sind.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungswinkel der Strömungskanäle (2) unmittelbar benachbarter Ebenen (A, B) der Packungselemente (1) den gleichen Wert, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen aufweisen.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise offenporige Schaumkeramik der Packungselemente (1) eine Gesamtporosität von 55 bis 95 %, bevorzugt von 75 bis 90 % aufweist.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Strömungskanäle (2) der Packungselemente (1) bezogen auf das Gesamtvolumen des Packungselementes (1) im Bereich von 10 bis 80 %, bevorzugt von 30 bis 60 %, liegt.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Strömungskanäle (2) der Packungselemente (1) annähernd kreisförmig ist.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungselemente (1) aus einem katalytisch aktiven Material gebildet sind oder dass sie als Katalysatorträger fungieren, auf und/oder in die ein oder mehrere katalytisch aktive Materialien, insbesondere durch Beschichtung oder Tränken, aufgebracht sind.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Packungselementes (1) Bereiche mit unterschiedlichen Volumen der Strömungskanäle (2) und/oder unterschiedlicher katalytischer Aktivität vorliegen.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei vertikal aufeinander folgenden Packungselementen (1) jeweils ein Verteil- und Sammelelement (5) angeordnet ist.
Packung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei aufeinander folgenden Packungselementen (1) jeweils ein Abstandshalter, bevorzugt aus Metall- oder Keramikstreifen und/oder aus einer großporigen Schaumkeramik, angeordnet ist.
Verwendung einer Packung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur thermischen Trennung eine Destillation oder Rektifikation ist.
Verwendung einer Packung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur thermischen Trennung eine Extraktion ist.
Verwendung einer Packung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur thermischen Trennung eine Absorption oder eine Desorption, insbesondere eine Strippung ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kolonne zusätzlich zur thermischen Trennung eine chemische Reaktion durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Packung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Packungselemente (1) unter Verwendung einer offenporigen Schaumkeramik gefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungselemente (1) aus einem offenzelligen Polymerschaum herausgeschnitten und anschließend mit einer Suspension aus keramischen Partikeln und Wasser oder Lösungsmittel getränkt, und danach ein- oder mehrfach mechanisch ausgepresst, getrocknet und gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (2) in den Packungselementen (1) erhalten werden, indem heiße Stäbe, die in Anzahl und Geometrie den Strömungskanälen (2) entsprechen, durch den Polymerschaum durchgeschoben werden.