-
-
Einsatz für zum Wärme- und Stoffaustausch verwendete
-
Kolonnen Die Erfindung betrifft einen Einsatz für zum Wärme- und
Stoffaustausch verwendete Kolonnen, die bei der Absorption, Extraktion, Destillation,
der Tropfenabscheidung, der Entnebelung, der Reinigung von Gasen, sowie für einen
membranenfreien Wärmeaustausch eingesetzt werden.
-
Es sind bereits verschiedene Konstruktionen von Einsätzen einschließlich
ihrer Bauelemente zur Optimierung von' Stoff-und Wärmeaustauschprozessen in mit
den Einsätzen ausgerilsteten Kolonnenapparaten bekannt.
-
Von großer Bedeutung für den kinetischen Verlauf des Stoff- und Wärmeaustausches
sind u.a. die Bedingungen des Durchflusses und der gegenseitigen Berührung der Phasen
sowie hydrodynamische Bedingungen des Einsatzes, die die Effektivität und Wirtschaftlichkeit
des Prozesses bestimmen. Von wesentlicher Bedeutung sind dabei Durchflußwiderstände,
eine gleichmäßige und vollständige Benetzung der Einsatzoberfläche sowie möglichst
große wirksame Oberflächen der Einsätze. Die Einsätze müssen deshalb einen intensiven
Stoff- und Wärmeaustausch gewährleisten, was mit einer großen Beruhrwigsoberfläche
der Phasen und minimalen Strömungswiderständen verbunden ist.
-
Diesen gegensätzlichen 3,edingungen genügen einerseits Ringelemente
in Form von Schüttfüllungen oder verlegten Füllungen und andererseits Bauelemente,
die entweder als Einsätze mit starrem, aber lösbaren Aufbau aus gleichen Bestandteilen
mit bestimmter Lage im Einsatz oder als einheitliche, an die Abmessungen des Apparates
angepaßte Baueinsätze ausgeführt sind.
-
Zu den Ringelementen zählen die sogenannten Raschigringe mit glatter
oder geriffelter Oberfläche sowie mit Abänderungen in Form von Rippen, Sperren usw.
im Innenraum, ferner tessingringe mit einzelnen oder doppelten Sperren, Dixonringe
aus Drahtnetz ohne Sperre oder mit einer Sperre, Pallringe mit rechteckigen Ausschneidungen
in der Nantelfläche, die in der Richtung zur Achse bogenförmig abge bogen sind,
und Formingringe mit Sperren und kreisförmigen Ausschneidungen in der Nantelfläcbe.
-
Aus den PL-PS'n 55 193, 70 169, 74 693, 86 686, 100 420y 100 697,
101 135, 101 927 und 105 806 sind Füllungselemente bekannt, deren gemeinsame Eigenschaft
eine ringförmige Gestalt ist. Sie werden im allgemeinen durch Rollen eines Bandes
hergestellt, in welchem vorher Öffnungen verschiedener Form ausgeschnitten wurden.
Die dadurch entstandenen Ausschnitte werden in Richtung zur Achse abgebogen, wodurch
der freie Durchflußquerschnitt abgeblendet wird.
-
Diese Ausschnitte bilden Leitwerke für das Medium sowie Wirbelelemente
für den Durchfluß und sind einzeln oder paarweise in einer oder mehreren Reihen
an der Mantelfläche des Ringes angeordnet.
-
Aus der PL-PS 58 460 ist ein Kolonneneinsatz bekannt, der aus zwei
oder mehreren perforierten welligen Flächen besteht, an denen auf beiden Seiten
transversale Sperren wechselweise befestigt sind. Diese Flächen sind starr, gegenseitig
parallel verbunden und in der Kolonne senkrecht aufgestellt.
-
In der PLvPS 63 575 ist eine Kolonnenfüllung beschrieben, die aus
mehreren Schichten besteht, wobei fede Schicht ein
Gittersystem
von sich einander gegenseitig durchdringenden und zum Niveau abgebogenen Leisten
bildet und die benachbarten Schichten derartig aufgestellt sind, daß ihre Leisten
in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind.
-
Andere, aus den PL-PS'n 82 403 und 86 621 bekannte Kolonnenfüllungen
für den Stoffaustausch bestehen aus einer Reihe von Metallplatten oder Kunststoffplatten,
die in parallelen Sektoren von Bändern oder Ausschnitten verteilt sind und die Form
von Wellenlinien oder Zackenlinien haben, die in zu der Platte senkrechten Flächen
liegen. Die Bänder oder Ausschnitte einer Platte durchdringen entsprechend die Bänder
oder Ausschnitte der benachbarten Platten.
-
Aus der PL-PS 97 242 ist eine in Form von Paketen ausgeführte Kolonnenfüllung
bekannt, die gegen die Kolonnenachse parallel angeordnete Berührungsoberflächen
für die Phasen hat, wobei zwischen diesen Oberflächen den Durchfluß verwirbelnde
Einsatzteile angeordnet sind.
-
In den PL-PS'n 100 676 und 101 599 sind Bauelemente von Füllungen
bzw. Einsätzen beschrieben, die als waagrechte Abflußböden oder als senkrechte Rinnen
mit Durchflußleitwerk ausgebildet sind. Die Böden oder Rinnen sind gegenseitig unter
beliebigen Winkeln angeordnet und bilden -in Querrichtung gesehen - ein Zickzacklinien-Profil.
Die' Durchflußleitwerke sind als angeschnittene und abgebogene Ausschnitte in Gestalt
von regelmäßigen geometrischen Figuren oder Nasen ausgeführt.
-
Aus den PL-PSn 75 351 und 84 623 sind Kolonnenfüllungselementevbekannt,
die als spiralförmig gerollte, beliebig angeordnete Bänder mit Anschnitten in der
Form von verschiedenartigen geometrischen Figuren ausgeführt sind, die abwechselnd
einwärts und auswärts von der Spirale abgebogen sind, wobei die Höhe der abgebogenen
Anschnitte den Abstand zwischen den Rollen der Bänder bestimmt.
-
Bekannt ist außerdem eine Kolonnenfüllung (DE-PS 1 181 672), welche
aus parallelen senkrecht aufgestellten Blechpaketen
besteht, wobei
eine Schicht gegen eine andere um einen Winkel von 900 verschoben ist und jedes
Blech vorher zerschnitten und gestreckt wurde, so daß ein System von rhombusförmigen
Öffnungen gebildet wird.
-
Die bekannte sogenannte PANAPAK-Füllung besteht aus zwei vorher angeschnittenen
und gestreckten Blechstreifen, die rhombische Öffnungen aufweisen. Das Blech wird
in einer t'Ve-Form geschweißt. Diese Elemente werden mit den Spitzen nach oben aufgestellt
und bilden dadurch einen Füllungseinsatz.
-
Die bekannte sogenannte SPRAYPAK-Füllung hat einen großen freien Querschnitt
und besteht aus einige- Millimeter breit ten Gitterstreifen, die in Form von rechteckigen
Paketen in die Kolonne eingesetzt werden.
-
Die bekannte sogenannte SULZER-Füllung besteht åus zylindrischen mehrschichtigen,
aus parallel gefalteten Drahtgitterstreifen ausgeführten Segmenten. Die im Kolonneninneren
benachbarten Segmente sind gegenseitig um 900 verdreht. Die Falten sind in Richtung
der Kolonnenachse geneigt, wobei die nachfolgenden Streifen verschiedene Richtungen
von Faltenneigungen aufweisen.
-
Bei der bekannten sogenannten POLPAK-Füllung werden Bündel von Bändern
mit verschiedenen Breiten schraubenförmlg gewickelt und parallel zu dem Gas- und
Flüssigkeitsstrom aufgestellt. Die Bänder bestehen aus Metalls Gitterwerk oder Kunststoff.
-
(t'Inzynieria i Aparatura Chemiczna#; 1975, Nr. 3, S. 15-22) Nachteilig
bei den Ringfüllungen, die als Schüttfüllungen oder verlegte Füllungen verwendet
werden, ist die ungleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit und die Benetzung auf
der gesamten HUhe der Füllung sowie der große Widerstand der Gasphase. Die Ringe
mit vergrößerter Oberfläche in einer Form von Ausschnitten ermöglichen bei kleinem
Verhältnis der Oberfläche der Öffnungen zu der gesamten Außenoberfläche der Ringe
keinen freien Durchfluß der Gasphase in das Innere
des Ringes. Demzufolge
strömt ein großer Anteil des Gases um die Ringe an deren Außenseite, so daß die
Innenoberfläche nur in kleinem Maße am Stoffaustausch beteiligt ist.
-
Darüber hinaus bewirken die Ringelemente infolge ungleichmäßiger Verteilung
der Flüssigkeit und des Gases die Entstehung von zahlreichen und unerwünschten freien
Kanälen in der Füllung. Die Ringelemente halten auch einen gewissen Anteil der Flüssigkeit
fest, der dadurch nicht am Austauschprozeß beteiligt ist. Außerdem lassen sie einen
freien Durchfluß der Flüssigkeitsströme zu.
-
Nachteilig bei den Füllungen in Form von Einsätzen, insbesondere den
planparallelen und gefalteten, ist die Notweudigkeit, daß Distanzstücke und Wirbelelemente
vorgesehen werden müssen, um die Turbulenz des Durchflusses zu bewirken. Dadurch
werden Arbeitsaufwand und Ausführungskosten vermehrt und das Kolonnengewicht erhöht.
-
Ein anderer Nachteil dieser Füllungen, insbesondere der Paketenfüllungen,
ist ein beschränktes Vermischen der Agenzien über dem Querschnitt der Kolonne, was
bei ungenügender Benetzung zur Entstehung von einzelnen Kanälen führt, durch welche
das Gas hindurchfließt, ohne am Stoffaustausch teilzunehmen. Dies hat einen nachteiligen
Einfluß auf die Leistung des Austauschprozesses.
-
Wenn Einsatzelemente verwendet werden, die ein System von Öffnungen
aufweisen, #insbesondere in waagerechten Flächen, so kann die Gas und Dampfphase
die flüssige Phase nicht befriedigend kontaktieren, wodurch das Verteilungsvermögen
des Einsatzes erniedrigt wird.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Einsatz
mit großer wirksamer Oberfläche pro Volumeneinheit, mit kleinem Durchflußwiderstand
und gleichmäßiger Verteilung der Flüssigkeit zu schaffen, wobei ein guter Kontakt
zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase erzielt werden soll, um eine hohe
Leistung des Stoff- und Wärmeaustauschprozesses zu gewährleisten.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemiß durch eine Füllungskonstruktion
bzw. einen Einsatz, bestehend aus Elementen, gelöst, die als glatte, gefaltete oder
perforierte rechteckige Platten ausgeführt sind, die sich längs ihren längeren Kanten
berühren und die in dem Einsatzquerschnitt ein System von Durchflußkanalen mit einem
Profil von regel mäßigen geometrischen Figuren bilden. Diese Platten sind in den
Ecken mit Rohrnippeln, vorzugsweise RingnippelnS verbunden.
-
Jede Platte besitzt eine beliebige Anzahl von Ausschn#ttpaaren, vorzugsweise
in Form von Trapezen oder rechtwinkef ligen Dreiecken, die in jedem Paar zu den
beiden Seiten der Platte abgebogen sind. Die Biegungslinien der nächsten Ausschnittpaare
derselben Platte sind zueinander parallel und zu der Kante dieser Platte um einen
spitzen Winkel, vorzugsweise um 45°, geneigt.
-
Bei einer anderen Ausführung sind die Biegungslinien der benachbarten
Ausschnittpaare derselben Platte in entgegengesetzter Richtung, bezogen auf die
Kante dieser Platte, geneigt und sind so zueinander spiegelbildlich.
-
Die Ausschnitte in den Platten sind zu den Oberflächen dieser Platten
um einen beliebigen Winkel, vorzugsweise um einen rechten Winkel, abgebogen.
-
Die Ausschnittpaare mit Trapezprofil> die von benachbarten Platten
abgebogen sind und einen #urchflußkanal, insbesondere mit dreieckigem Querschnitt,
bilden, sind auf derselben Höhe angeordnet und berühren- sich punktartig im Schwerpunkt
des dreieckigen Querschnitts des Kanals.
-
Die Ausschnittpaare mit dreieckiger Gestalt, die von benachbarten
Platten abgebogen sind und einen Durchflußkanal, insbesondere mit dreieckigem Querschnitt,
bilden, sind in den nachfolgenden Platten auf verschiedenen Höhen angebracht und
schaffen dadurch in diesem Kanal Abflußflächen mit schraubenförmigem Profil.
-
Die Platten haben an ihren kürzeren Seiten je zwei Ausschnitte für
Ringnippel. Längs der längeren Seiten sind sie in bekannter Weise mit Aufbiegungen,
z.B. in Form von Rinnen
für eine gegenseitige lösbare Verbindung
der Platten ausgestattet.
-
Bei einer anderen Ausführung besteht der erfindungsgemäße Füllungseinsatz
aus flachen rechteckigen Platten, die in bekannter Weise permanent längs der längeren
Kanten verbunden sind und die geschlossene Rohrprofile in Form von regelmäßigen
geometrischen Figuren bilden. Diese Profile sind in den Ecken durch Nippel, vorzugsweise
Ringnippel, verbunden.
-
Die Platten haben Ausschnitte in Gestalt von regelmäßigen geometrischen
Figuren, die paarweise angeordnet und für jedes Paar nach beiden Seiten der Platte
abgebogen sind, wodurch im Inneren des Profils Abflußflächen entstehen.
-
Diese auf derselben Höhe im Innern des Rohrprofils angeordneten Ausschnitte
sind ungefähr in der Achse dieses Profils punktförmig permanent verbunden.
-
In den Ausschnitten sind zusätzliche Ausschneidungen in Form von beliebigen
geometrischen Figuren ausgeführt, die von den Ausschnittoberflächen abgebogen sind.
In den Ringnippeln ist eine Quersperre vorhanden.
-
Der erfindungsgemäße Einsatz hat folgende Vorteile: Kleine Durchflußwiderstände,
Beseitigung von Schlammablagerungen an den Einsatzelementen und Verringerung der
Einsatzmasse um ungefähr 60 %, bezogen auf eine Füllung aus Raschigringen mit Kreuzsperre,
und um rund 40 O/c, bezogen auf Raschigringe ohne Sperre. Die Masse von 1 m3 Raschigringe
100 x 100 mm beträgt 750 kg. Der Einsatz mit der dreieckigen Anordnung, die diesem
Ringausmaß entspricht, hat für 1 m3 eine Masse von 450 kg.
-
Außerdem gewährleistet der erfindungsgemäße Einsatz homogene Bedingungen
für den Stoff- und Wärmeaustausch im ganzen Volumen sowie eine gleichmäßige und
beinahe vollständige Benetzbarkeit der Oberflächen. Ferner bewirkt der Einsatz eine
starke Verwirbelung der Gasphase und schafft Bedingungen für eine sehr gute Berührung
zwischen beiden Medien, die im Stoffaustausch stehen, was die Gesamtleistung des
Austauschprozesses erhöht.
-
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen einsatz im Axial-Sehnitt, Fig. 2 den Einsatz von Fig. 1
von oben, Fig. 3 die Stirnansicht der Einsatzplatte, Fig. 4' die Platte von Fig.
3 in der Seitenansicht, Fig. 5 die Platte von Fig. 3 von oben, Fig. 6 den Schnitt
A-A in Fig. 3, Fig. 7 abgewickelte Platten in der Vorderansicht, Fig. 8 ein Rohrprofil
aus drei Platten von oben und Fig. 9 eine andere Anordnung von Platten im Kolonnenapparat.
-
Wie es in den Fig. 1 bis 6 gezeigt ist, ist der Einsatz 1 im Gehäuse
2 einer Kolonne angeordnet. Die Grundbestandanteile des Einsatzes 1 sind flache,
rechteckige Platten 3, die senkrecht aufgestellt sind und sich gegenseitig längs
der längeren Seiten, je sechs in einer. Ecke, berühren.
-
Die Platten 3 sind in den Ecken lösbar mittels Ringnippel 4 befestigt,
die in entsprechende Ausschneidungen 5 an den kürzeren Plattenseiten eindringen.
Bei dem so gebildeten Einsatz 1 bilden alle drei Platten 3 einen senkrechten Hauptdurchflußkanal
6 mit dem Profil eines gleichseitigen Dreiecks. Zwischen drei solchen Kanälen entsteht
ein analoger zusätzlicher Durchflußkanal 6'.
-
In jeder Platte 3 ist eine beliebige Anzahl von Ausschnitten 7 mit
Trapezprofil oder Ausschnitten 8 mit Dreieckprofil, was in Fig. 3 bis 5 gestrichelt
gezeichnet ist, ausgeführt, die paarweise längs der Platte 3 angeordnet und bei
jedem Paar zu beiden Seiten der Platte 3 unter einem rechten Winkel zur Plattenoberfläche
abgebogen sind.
-
Die Biegungslinien der Ausschnitte 7 und 8 sind bei jedem Paar zueinander
parallel und zur Plattenkante 3 unter einem spitzen Winkel, vorzugsweise 450 geneigt.
-
In ein und derselben Platte 3 sind die Biegungslinien der nächsten
Ausschnittpaare 7 oder 8 zueinander parallel oder in entgegengesetzter Richtung
zur Plattenkante geneigt, so daß sie zueinander spiegelbildlich sind.
-
Die Platten 3 haben an den längeren Kanten halbrunde Verdickungen
2, die die Platten verstärken. An den kürzeren Seiten sind sie mit rechteckigen
Ausschneidungen 5 für die Einführung von Ringnippeln ~4 versehen, die die obere
und untere Befestigung der Platten 3 bilden.
-
Bei den dreieckigen Durchflußkanälen 6 sind die Trapezausschnitte
7 von drei Platten 3 auf gleicher Höhe angebracht und nach einer Seite geneigt,
wobei sie sich punktartig im Schwerpunkt des Dreiecks, das von diesen Platten gebildet
wird, berühren, wodurch dieser Kanal über dem Querschnitt geschlossen wird. Die
analogen Trapezausschnitte 7 dagegen, die von den Platten 6 des Kanals 6 nach außen
abgebogen sind, gehören zum zusätzlichen Kanal 6 und bilden eine Sperre, die zu
der des Kanals 6 identisch ist.
-
Auf diese Weise entsteht durch ein Untereinanderverbinden von drei
dreieckigen Sätzen von Platten 3, die drei Grundkanäle bilden, ein zusätzlicher
vierter Kanal zwischen ihnen, in welchem die Wände der Platten 3 und die von ihnen
abgebogenen Ausschnitte 8 oder 7 genutzt werden.
-
Die dreieckigen Ausschnitte 8 können in den Platten 3 auf verschiedenen
Höhen angeordnet werden, wodurch diese Ausschnitte in dem dreieckigen Durchflußkanal
ein kaskadenartiges Sperrensystem bilden und eine spiral-schraubenartige Bewegung
der Flüssigkeit und des Gases hervorrufen.
-
Bei einer anderen Ausführung (Fig. 8) besteht der Einsatz aus Elementen
in Form von starren Rohrprofilen 10 mit dreieckigem Profil, die durch dauerhafte
Verbindung der Platten 3 längs der längeren Seiten erhalten werden, wobei an der
Verbindungsstelle der Rand 11, der die Versteifung des Profils 10 bildet, verdickt
ist.
-
In jedem Rohrprofil 10 sind Ausschneidungen 5 ausgeführt, in welche
bei der Montage die Ringnippel 4 eingeführt werden.
-
In den Wänden des Rohrprofils 10, also in den Platten 3, sind Trapezausschnitte
12 oder Dreiecksausschnitte ausgeführt, die in der Figur nicht gezeigt sind, und
deren Anordnung längs der Wände und Winkel-Anordnung analog zu den Ausschnitten
7 oder 8 ist.
-
Die Rohrprofile werden untersinander in den Ecken durch Ringnippel
4 verbunden, wodurch eine starre Einsatzkonstruktion in Form einer Honigwabe gebildet
wird, wobei zwischen drei verbundenen Rohrprofilen, analog zu der Dreiecksanordnung
von Platten 3, ein zusätzlicher Durchflußkanal entsteht, der von den Außenwänden
dieser Rohrprofile begrenzt wird.
-
Bei einer weiteren AusfuI#irungsform (Fig. 9) können die Rohrprofile
einen quadratischen oder hexagonalen Querschnitt aufweisen. Außerdem können in den
Ausschnitten 7, 8 und 12 zusätzliche Ausschneidungen 7', 8' und 12' mit Profilen
beliebiger geometrischer Figuren ausgebildet werden, wobei diese Ausschneidungen
bezüglich ihrer zugehörigen Ausschnitte abgebogen sind.
-
Die Ringnippel 4 bestehen aus geraden Rohrabschnitten und sind,um
den Durchfluß der Flüssigkeit längs der sich berührenden Kanten der Platten 3 oder
Rohrprofile 10 zu verringern, mit einer Sperre 4 ausgestattet.
-
Wie Fig. 9 zeigt, sind bei einer weiteren Anordnung jeweils drei Platten
3 miteinander verbunden, wodurch hexagonale Durchflußkanäle gebildet werden, bzw.
vier miteinander verbundene Platten 3 zur Bildung quadratischer Kanäle.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Platten 3 untereinander
parallel aufgestellt und bilden geradlinige oder spiralförmige Füllungssysteme.
Für die gegenseitige Verbindung der Platten 3 sind in bekannter Weise längs ihrer
längeren Seiten nicht gezeigte Biegungen ausgeführt,
z.B. in Form
von kleinen Rinnen, Profilverdrückungen usw.
-
Diese Biegungen sind sowohl Anschluß elemente als auch Versteifungen
der Platten 3.
-
Der erfindungsgemäße Einsatz kann aus Sätzen von Platten 3 bestehen
(nicht gezeigt), welche durch dauerhafte Verbindung der Kanten zwei-, drei-, vier-
und mehrarmige Anordnungen bilden, z.B. eine Vt'-Anordnung, bestehend aus zwei Platten,
die unter einem Winkel von 600 aufgestellt sind, eine "Y"-Anordnung, bestehend aus
drei Platten, die mit einem Winkel von 1200 angeordnet sind, eine: Kreuzanordnung,
eine sechsarmige Anordnung usw.
-
Die Platten 3 und die Rohrprofile 10 können aus Metall, Kunststoff,
Keramik, Kohle und dergleichen hergestellt werden.
-
Während des Stoff- und Wärmeaustauschprozesses wird heizer Flüssigkeit
von oben auf den Einsatz 1 aufgegeben. Die heiße Flüssigkeit strömt nach unten über
die Wände der Platten 3 und kaskadenförmig längs der nächsten Ausschnitte 7 und
8, wobei sie die Oberflächen benetzt und das im Gegenstrom fließende Gas kontaktiert.
-
Infolge der Neigung der Ausschnitte sowie infolge ihrer unterschiedlichen
Anordnung in den Durchflußkanälen 6 und 6 wird eine Wirbelbewegung oder eine Schraubenspiralbe
wegung der Flüssigkeit und des Gases erzwungen, was ein gutes Mischen der beiden
Phasen und eine Steigerung des Stoff- und Wärmeaustausches auch dann gewährleistet,
wenn der Einsatz mit geringen Mengen der Gasphase beaufschlagt wird.