DE2221734A1

DE2221734A1 - Vorrichtung fuer den gegenseitigen Kontakt fluider Phasen

Info

Publication number: DE2221734A1
Application number: DE19722221734
Authority: DE
Inventors: Jaroslav Prochazka; Vladimir Dipl-Ing Rod
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1971-05-05
Filing date: 1972-05-04
Publication date: 1972-11-16
Also published as: GB1348863A; FR2135272A1; BE783068A; IT955223B; CS156164B1; DD96846A1; CA960839A; NL7206036A

Description

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PATENTANWALT L· C. L· I

3. Mai 1972 Anw.-Akte: 75.459

PATENTANMELDUNG Anmelderin; Ceskoslovenska akademie, ved, Praha / C.S.S.R.

Titel: Vorrichtung für den gegenseitigen Kontakt fluider Phasen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den gegenseitigen Kontakt zweier oder mehrerer fluider Phasen von denen eine ein Gas sein kann und zumindest zwei gegenseitig unlöslich öder nur begrenzt löslich sind. Der gegenseitige Kontakt der Flüssigkeiten wird durch ihre gegenseitige feine Verteilung (Dispergierung) erreicht. Auf diese Weise wird die Diffusion der Komponenten oder der Wärmeaustausch zwischen den Phasen ermöglicht. Die Erfindung kann zur Extraktion von Flüssigkeiten, zur Absorption und Desorption von Gasen, bei der Rektifikation flüssiger Gemische und bei der Verwirklichung chemischer Reaktionen in Gemischen fluider Phasen ausgenutzt werden.

Für die vorerwähnten Zwecke werden in der Praxis Kolonnen mit schwingenden perforierten Böden, sogenannte Vibrationskolonnen oder Kolonnen mit pulsierender Flüssigkeit, sogenannte Pulsationskolonnen, eingesetzt. In diesen Apparaten haben sich vor allem Boden bewährt, in welchen neben einer größeren Anzahl von zur Verteilung der dispersen Phase oder Phasen bestimmten Öffnungen noch eine kleinere Anzahl von Öffnungen beträchtlich größeren Querschnitts

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vorhanden ist, durch welche vor allem die kontinuierliche Phase strömt. Die Offnungen für die dispherse Phase sind in der Regel kreisrund, mit einem kleineren Durchmesser als 10 mm; die Öffnungen fUr die kontinuierliche Phase können dann jede beliebige Form aufweisen, wobei ihr Querschnitt zumindest das Dreifache des Querschnitts der einzelnen Öffnungen fUr die disperse Phase.

-1 beträgt. Falls die Böden mit einer Frequenz zwischen 0,5 s bis 40 s und mit Amplituden zwischen 0,5 bis 20 mm schwingen, können sie sich entweder alle gemeinsam bewegen oder aber es kann sich die Bewegung von einzelnen Böden oder von Gruppen von Böden hinsichtlich der Amplitude, der Frequenz oder der Phase voneinander unterscheiden. Außer diesen Böden können in den vorbeschriebenen Kolonnen auch weitere Einbauten vorhanden sein, die einer gewünschten Orientierung der Strömung der einzelnen Phasen dienen oder ihre Dispergierung unterstutzen.

Die Öffnungen für die disperse und kontinuierliche Phase werden auf den einzelnen Böden derart angeordnet, daß zwischen den Böden ein gegenseitiger Kreuzstrom der kontinuierlichen und der dispersen Phase erzielt wird: die kontinuierliche Phase strömt quer zwischen den einzelnen Böden, die disperse Phase dann in Richtung der vertikalen Kolonnenachse. Dies wird dadurch erreicht, daß alle größeren Öffnungen eines Bodens in einer seiner Hälften konzentriert werden, während die größeren Öffnungen des benachbarten Bodens in der gegenüberliegenden Hälfte angeordnet sind. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anordnung der größeren Öffnungen in der Mitte des einen und am Umfang des anderen, benachbarten Bodens. Eine solche Anordnung von Kolonnenboden beschreiben die tschechoslowakischen Patentschriften Nr. 106 313, Nr. 132 022 und Nr. 139 895. Die angeführten Anordnungen sind gut für kleine Kolonnendurchmesser ge-

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eignet, wo sie zu ihrer hohen Wirksamkeit beitragen. Bei großen Durchmessern verlängert sich der Strömungsweg der kontinuierlichen Phase quer durch die Kolonne und es entstehen erhöhte Druckgradienten. Der Abstand zwischen den Böden muß daher vergrößert werden, mit dem Ergebnis, daß die spezifische Leistung wie auch die Wirksamkeit der größeren Anlage im Vergleich zu Apparaten kleineren Durchmessers absinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezählten Nachteile im ganzen Umfang durch eine neue, verbesserte Konstruktion zu beseitigen.

Die Erfindung betrifft eine Apparatur für den gegenseitigen Kontakt fluider Phasen, die aus einem vertikalen zylinderförmigen Gefäß besteht, das mit Ein- und Ablaufstutzen für di© einzelnen Phasen versehen ist, in welchem zumindest zwei oder mehr waagerechte Böden untergebracht sind, die entweder Schwingungen in vertikoler Richtung durchführen od©r aber unbeweglich sind und die im Gefäß vorhandenen Flüssigkeiten eine pulsierende Bewegung relativ zu ihnen ausüben. Hierbei sind diese Böden mit Öffnungen für den Durchfluß der dispersen Phase oder Phasen und mit Öffnen» gen für den Durchfluß der kontinuierlichen Phase versehen, wob^i die letzteren jedwede Form haben können und wobei der Querschnitt jeder dieser Öffnung zumindest das Dreifache des Querschnitts der Öffnung für die disperse Phase beträgt. Die Gesamtanzahl der Öffnungen für die kontinuierliche Phase beträgt maximal 35 % der Gesamtanzahl aller Öffnungen im Boden, das Verhältnis der Fläche aller Öffnungen zur Gesamtfläche des Bodens des zylindrischen Gefässes ist kleiner als 1:2..

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Bei einer solchen Vorrichtung wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, daß sich Gruppen von Öffnungen fUr die disperse Phase periodisch mit Öffnungen fUr die kontinuierliche Phase oder mit Gruppen solcher öffnungen derart abwechseln, daß die öffnungen fUr die kontinuierliche Phase eines Bodens oberhalb der Öffnungen fUr die disperse Phase des benachbarten Bodens angeordnet sind und umgekehrt. Die Öffnungen fUr die kontinuierliche Phase können Überdies mit Rohransätzen versehen werden, die mit der Ebene des Bodens einen spitzen Winkel einschließen. Gegebenenfalls können ihre Austrittsöffnungen tangential - alle im gleichen Drehsinn hinsichtlich der Gefäßachse - ausgerichtet sein.

Die Erfindung stellt einen bedeutsamen Fortschritt bei der konstruktiven Lösung von Vibrations- und Pulsationskolonnen großer Durchmesser dar. Erfindungsgemäß kann erstmals ein Kreuzstrom der Phasen zwischen den Böden sichergestellt werden, was eine Voraussetzung für hohe Wirkungsgrade derartiger Anlagen ist; gleichzeitig werden auch die ungünstigen Folgeerscheinungen einer Verlängerung des Strömungsweges der kontinuierlichen Phase zwischen den Böden beseitigt. Es ist demnach nicht nötig, bei anwachsendem Durchmesser den Bodenabstand zu vergrößern. Da sich sowohl die spezifische Leistung wie auch die Wirksamkeit derartiger Vorrichtungen nur sehr wenig mit ansteigendem Durchmesser verändert, wird auch der Entwurf großtechnischer Anlagen erleichtert, der auf Grund von Messungen an kleinen Modellen verwirklicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt sich aus einer Reihe parallel angeordneter Einheiten analoger Konstruktion und Funktion

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in einen gemeinsamen zylinderförmigen Behälter zusammen. Bei sehr großen Einheiten besteht die Gefahr,daß es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Ströme Über den Bodenquerschnitt und somit zu einer Verminderung des Wirkungsgrads der Anlage kommen könnte. Diese Erscheinung kann durch die vorerwähnte Orientierung der Austrittskanäle der öffnungen fUr die kontinuierliche Phase beseitigt werden, wodurch eine schraubenförmige Strömung der kontinuierlichen Phase durch die Kolonne hervorgerufen werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema der Gesamtanordnung einer Apparatur mit beweglichen, an einen Vibrator angeschlossenen Böden,

Fig. 2 eine Gesamtanordnung einer Apparatur nit unbeweglichen Böden und mit einem FlUssigkeitspulsator,

Fig. 3 einen Boden mit einer größeren Öffnung, die mit einer

einen Kanal bildenden Zwischenwand versehen ist, der mit der Ebene des Bodens einen spitzen Winkel einschließt und dessen Austrittsöffnung hinsichtlich der Gefäßachse tangential ausgerichtet ist,

Fig. 4 einen Quer- und einen Axialschnitt einer Kolonne »it Böden, deren größer« öffnungen die For« gleichlaufender Schlitze aufweisen,

Fig. 5 einen Quer- und einen Axialschnitt einer Kolonne mit Böden, deren größere öffnungen in For« von konzentrischen ringförmigen Schlitzen ausgebildet sind,

Fig. 6 einen Quer- und einen Axialschnitt einer Kolonne «it Böden, «it kreisrunden gleichwäßig Über die gesamte Oberfläche verteilten größeren Öffnungen,

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Fig. 7 einen Quer- und einen Axialschnitt einer Kolonne mit Böden, deren größere Öffnungen. die Form radialer Schlitze aufweisen, und auf denen es zur Ausbildung einer Schraubenströmung kommt.

In Fig. 1 ist eine Kolonne - ein zylinderförmiger stehender Behälter 1 - dargestellt, welcher mit Flanschen 2 für die Zu- und Ableitung der einzelnen Phasen versehen ist. Im Inneren der Kolonne befindet sich ein Satz von Böden 3, die auf einer gemeinsamen Zugstange 10 befestigt sind. Durch einen Exzenter 11 wird die Zugstange 10 in Vibrationsbewegung versetzt.

Auch in der Fig. 2 ist eine Kolonne - ein zylinderförmiger stehender Behälter 1 - dargestellt, der mit Flanschen 2 fUr die Zu- und Ableitung der einzelnen Phasen versehen ist. Im Inneren der Kolonne 1 ist ein Satz von Böden 3 befestigt. Die Flüssigkeit in der Kolonne wird durch den Pulsator 12 in Pulsationsbewegung versetzt.

In beiden Fällen bewegen sich die Phasen im Behälter 1 im Gegenstrom. In den in den Abbildungen angedeuteten Anordnungen wird die leichtere Phase bei dem Durchgang durch die Offnungen der einzelnen Böden 3 dispergiert und die gebildeten Tröpfchen steigen sodann in den Behälter 1 aufwärts. In der Nähe des benachbarten Bodens kommt es zu ihrer Verdichtung, gegebenenfalls zu ihrer Koaleszenz in eine zusammenhängende Schicht, die neuerlich dispergiert wird. Die schwerere Phase fließt durch den Behälter 1 abwärts entlang eier in den Abbildungen durch Pfeile angedeuteten Wege. Im eeeren Teil des Behälters setzt sich die leichtere Phase ab, bildet eine zusammenhängende Schicht aus und fließt durch den Ablaufstutzeit «b.

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Die Fig. 3 zeigt einen Achsenschnitt durch den Behälter 1 mit dem Boden 3 mit öffnungen 4 fUr die disperse und mit den kreisrunden größeren öffnungen 5 für die kontinuierliche Phase. Die letzterwähnte Öffnung ist mit einer Zwischenwand ausgestattet, die den Kanal 9 für den Abfluß der kontinuierlichen Phase bildet, der mit der Ebene des Bodens 3 einen spitzen Winkel einschließt und dessen Austrittsöffnung hinsichtlich der Behälterachse tangential ausgerichtet ist.

In Fig. 4a ist ein Querschnitt durch den Behälter 1 mit dem Boden 3 wiedergegeben, der mit den Öffnungen 4 für die disperse und mit größeren Öffnungen 5 für die kontinuierliche Phase - in Form gleichgerichteter Schlitze - versehen ist. Aus dem Achsenschnitt 4b ist gut die abwechselnd angeordnete Lage der Schlitze in den benachbarten Böden ersichtlich. Durch diese Anordnung wird der Strom der kontinuierlichen Phase zwischen den Böden so ausgerichtet, daß er den Strom der dispersen Phase kreuzt. Die Strömungsrichtung der kontinuierlichen Phase ist durch Pfeile angedeutet. Die Böden 3 tragen an ihrem Umfange senkrechte Trennwände 7. Bei dem ersten und dritten Boden sind die Randschlitze durch die Lücke 6 zwischen dem Boden 3 und der Wand des Behälters 1 ersetzt. Die für die kontinuierliche Phase bestimmten größeren Öffnungen 5 tragen auf ihrem Umfange senkrechte Zwischenwände, die die Kanäle 9 bilden.

In Fig. 5a ist ein Querschnitt durch den Behälter 1 mit dem Boden 3 wiedergegeben, der «it den Öffnungen 4 für die disperse und mit größeren Öffnungen 5 für die kontinuierliche Phase - in Form konzentrischer ringförmiger Schlitze - versehen ist. Aus dem Axialschnitt 5b ist ersichtlich, wie sich die Lage der

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Schlitze bei benachbarten Böden periodisch abwechselt. Durch diese Anordnung wird eine gerichtete Strömung der kontinuierlichen Phasen zwischen den Böden - wie durch die Richtungspfeile angedeutet - erzielt. Die Böden 3 tragen auf ihrem Umfange senkrechte Trennwände 7. Bei dem zweiten Boden, dessen Grundriß im Querschnitt der Kolonne eingezeichnet ist, ist eine der größeren Öffnungen 5 fUr die kontinuierliche Phase als eine Lücke 6 zwischen dem Rand des Bodens 3 und der Wand des Behälters 1 ausgebildet. Die für die kontinuierliche Phase bestimmten größeren öffnungen 5 tragen auf ihrem Umfange senkrechte Zwischenwände, die die Kanäle 9 bilden.

In Fig. 6a ist ein Querschnitt durch den Behälter 1 mit dem Boden 3 wiedergegeben, der mit den öffnungen 4 fUr die disperse Phase und mit größeren kreisrunden gleichmäßig Über die gesamte Fläche des Bodens verteilten Öffnungen 5 fUr die kontinuierliche Phase versehen ist. Aus dem Axialschnitt 6b ist ersichtlich, wie sich die Lage der öffnungen in benachbarten Böden verändert. Gestrichelt ist im Querschnitt 6a die Lage der größeren Öffnungen fUr die kontinuierliche Phase im unteren Boden 13 angedeutet. Die Richtungspfeile im Achsenschnitt 6b zeigen die Strömungsrichtung der kontinuierlichen Phase. Die Böden 3 tragen auf ihrem Umfange senkrechte Trennwände 7. Gleichfalls die öffnungen 5 tragen auf ihrem Umfange senkrechte Zwischenwände, die die Kanäle bilden.

In Fig. 7a ist ein Querschnitt durch den Behälter 1 mit dem Boden 3 wiedergegeben, der mit den Öffnungen 4 fUr die disperse und mit größeren Öffnungen 5 fUr die kontinuierliche Phase - in Form radialer Schlitze - versehen ist. Diese Schlitze sind verschieden lang, um einen einigermaßen gleichlangen Strömungsweg

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der kontinuierlichen Phase zwischen den benachbarten Böden in verschiedenen Entfernungen von der Achse des Behälters 1 zu erzielen. Zur größeren Übersichtlichkeit sind in dem Querschnitt 7b auf jedem Boden 3 nur zwei größere öffnungen 5 für die kontinuierliche Phase eingezeichnet. Die gegenseitige Lage der benachbarten Böden ist klar ersichtlich. Die größeren Öffnungen 5 für die kontinuierliche Phase tragen auf ihrem Umfange Zwischenwände, die den Kanal 9 fUr den Ausfluß der kontinuierlichen Phase bilden. Diese Kanäle 9 schließen mit der Ebene des Bodens 3 einen spitzen Winkel ein und alle Kanäle sind hinsichtlich der Achse des Behälters 1 im gleichen Sinn ausgerichtet. Dies ruft zusammen mit der gegenseitigen Lage der Schlitze in den benachbarten Böden eine schraubenförmige Strömung der kontinuierlichen Phase durch die Kolonne hervor, so wie dies die Richtungspfeile in dem Axialschnitt 7b andeuten.

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Claims

PATENTANSPRUCH

Vorrichtung für den gegenseitigen Kontakt fluider Phasen, bestehend aus einem lotrechten zylinderförmigen Behälter, der mit Flanschen für die Zu- und Ableitung der Phasen versehen ist und in wel chem zumindest zwei oder mehrere waagerechte Böden eingebaut sind, die entweder eine Schwingungsbewegung in Vertikalrichtung ausführen oder aber unbeweglich sind und die in dem Behälter vorhandene Flüssigkeit eine Pulsationsbewegung aufweist, wobei die Böden mit öffnungen für den Durchfluß der dispersen Phase oder Phasen und mit öffnungen für den Durchfluß der kontinuierlichen Phase einer beliebigen Form versehen sind, wobei der Querschnitt der Öffnungen zumindest dreimal so groß ist wie der Querschnitt der Öffnungen fUr die disperse Phase und wobei deren Gesamtanzahl maximal 35% der Anzahl aller Öffnungen im Boden beträgt und wobei das Verhältnis der Fläche aller Öffnungen zur Fläche des gesamten Bodens im zylinderförmigen Behälter kleiner als 1 : 2 ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Gruppen der Öffnungen (4) für die disperse Phase sich periodisch mit den öffnungen (5) fUr die kontinuierliche Phase oder deren Gruppen derart abwechseln, daß die öffnungen (5) für die kontinuierliche Phase eines Bodens oberhalb der öffnungen (4) für die disperse Phase des benachbarten Bodens und umgekehrt angeordnet sind, wobei die Öffnungen (5) für die kontinuierliche Phase auf ihrem Umfange mit Zwischenwänden versehen sind, die einen Kanal (9) bilden, und die mit der Ebene des Bodens (3) einen spitzen Winkel einschließen oder die tangential und alle in gleichem Drehsinn hinsichtlich der lotrechten Achse des Behälters (1) ausgerichtet sind.

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