DE69836825T2

DE69836825T2 - Destillationskolonne mit gewellter bandpackung

Info

Publication number: DE69836825T2
Application number: DE69836825T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Lehman; Etienne Werlen
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: AU753509B2; EP1034032B1; NO20002534L; CN1130252C; FR2771025B1; CN1282272A; US6251499B1; JP2001523552A; AR017627A1; FR2771025A1; BR9814198A; CA2310098A1; DE69836825D1; EP1034032A1; WO1999025472A1; NO20002534D0; TW438615B; AU1161299A; ID24884A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolonnen, die eine quer gewellte Übereinanderlagerung von Auskleidungs-Teilabschnitten umfassen. Insbesondere betrifft sie Luftdestillationskolonnen, die auf schwimmenden Erdölplattformen oder auf Schwimmcontainern mitgeführt werden.
Es ist bekannt, dass bei bestimmten Destillationskolonnen quer gewellte Auskleidungen anstelle der Destillationsböden zum Einsatz kommen, um den Stoff- und Wärmeaustausch zwischen einem aufsteigenden Gas und einer abwärts fließenden Flüssigkeit zu gewährleisten. Diese quer gewellten Auskleidungen setzen sich aus einer Überlagerung von Teilabschnitten zusammen. Jeder Teilabschnitt ist aus einer Anhäufung von gewellten Bändern gebildet, die jeweils in einer allgemeinen senkrechten Ebene und gegeneinander liegend angeordnet sind. Die Welligkeiten sind schräg und verlaufen abwärts in entgegengesetzten Richtungen von einem Band zum nächsten.
Die Bänder umfassen im Allgemeinen eine dichte Lochung kleinen Durchmessers mit einem Lochungsanteil von etwa 10%, damit die Flüssigkeit auf beiden Seiten der gewellten Bänder durchlaufen kann.
Solche quer gewellten Verkleidungen sind in der GB-A-1 004 046 und der CA-A-1 095 827 beschrieben.
Eine quer gewellte Auskleidung wird im Allgemeinen aus einem flachen Erzeugnis hergestellt, das heißt aus Blattmetall in Form von Bändern. Die Bänder werden zunächst derart gefaltet (oder gebogen), dass sie ein Bandwellblech bilden, dessen Wellungen schräg zur Bandachse verlaufen. Die gefalteten Bänder werden darauf in Teilabschnitte aufgeteilt, dann angehäuft, indem abwechselnd eines von zwei Bändern umgekehrt wird. Die Auskleidungs-Teilabschnitte werden häufig als "Packungen" bezeichnet.
Die WO-A-90/10 497 beschreibt unter anderem eine Auskleidung, die den zuvor erwähnten quer gewellten Auskleidungen ähnlich ist, aber auf andere Weise gelocht ist. Der hier verwendete Begriff "quer gewellte Verkleidung" umfasst auch eine derartige Verkleidung sowie jede sonstige ähnliche Verkleidung.
Die US-A-3,526,393 und die US-A-5,632,934 beschreiben ein gewelltes Band für eine quer gewellte Auskleidung, das auf seinem unteren Rand, von vorne gesehen, ein hervorstehendes Motiv aufweist, dessen Umriss derartig ist, dass die Tangente am Umriss einen spitzen Winkel mit der Horizontalrichtung bildet.
Die Erdölplattformen im Meer erzeugen Restgase. Aus wirtschaftlichen und umweltbedingten Gründen ist es mehr und mehr unerlässlich, diese Gase zurückzugewinnen. Ein Verfahren besteht in ihrer Umwandlung in schwerere flüssige Kohlenwasserstoffe und sich folglich leichter durch den Fischer-Tropsch-Prozess, der hohe Mengen an Sauerstoff verbraucht, transportieren lassen.
Die Basisaufgabe soll erfindungsgemäß durch Schaffung einer Luftdestillationskolonne gelöst werden, die in der Lage ist, unter zufriedenstellenden Bedingungen auf einer Plattform oder einem Schwimmcontainer zu funktionieren, das heißt in Gegenwart von durch den Seegang verursachten Pendelbewegungen und deren Amplitude typischerweise zwischen 5° und 10° in allen Richtungen liegt. Ein Gebot ist daher, dass die am Kolonnenkopf verteilte Flüssigkeit eine im Wesentlichen gleichmäßige Benetzung der Auskleidung über den gesamten Querschnitt der Kolonne trotz der zuvor erwähnten Pendelbewegungen gewährleistet.
Zu diesem Zweck liegt der Erfindung die Aufgabe einer Kolonne nach Anspruch 1 zugrunde.
Die gewellte Kolonne gemäß der Erfindung kann einen Teilabschnitt mit einer Anhäufung gewellter Bänder aufweisen, von denen mindestens eines eine oder mehrere der folgenden Kennzeichnungen umfasst:

– Das Motiv wiederholt sich mehrere Male am unteren Rand des Bandes entlang, wobei die Motive miteinander benachbart oder durch im Wesentlichen geradlinige Segmente getrennt sind;
– Jedes Motiv wird durch Falten eines flachen Bandes gemäß einer Welligkeit mit Höhe H, mit einem Öffnungswinkel γ und einem Radius r am Wellenberg erhalten, mit den um einen Winkel δ, von vorne gesehen, geneigten Mantellinien, wobei die Parameter H, γ, r und δ derart gewählt werden, dass
– Jedes Motiv wird durch Zuschneiden von zwei Kerben in den unteren Rand des Bandes vor dessen Faltung erhalten.

Insbesondere ist bei einer Ausführungsform die Überlagerung von Teilabschnitten aus Teilabschnitten mit Bändern gebildet, die parallel zur vorzugsweisen Pendelrichtung sind, und aus Teilabschnitten mit Bändern, die senkrecht zu dieser Richtung sind, wobei die Anzahl dieser Bänder aus 2/3 und 3/4 der Gesamtanzahl der Teilabschnitte der Übereinanderlungen aus Teilabschnitten gebildet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematischen, teilweisen Axialschnitt einer Destillationskolonne gemäß der Erfindung;
2 perspektivisch einen Teil eines Teilabschnitts mit quer gewellter Auskleidung.
3 eine schematische Perspektivenansicht einer geneigten Destillationskolonne;
4 eine schematische Anordnung der Kolonne von 1;
5 eine schematisch dargestellte ähnliche Variante;
6 die Form der Welligkeit der Bänder der quer gewellten Verkleidung von 2;
7 ein von vorne gesehenes gewelltes Band der Auskleidung;
8 einen vergrösserten Massstab des unteren Rands eines Bands der Auskleidung und
9 und 10 zwei schematisch dargestellte Varianten.
1 zeigt schematish eine Luftdestillationskolonne 1, die an einem am Meeresboden verankerten Schwimmcontainer 2 befestigt ist. Dieser Schwimmcontainer pendelt unter Einwirkung des Seegangs mit einer vorzugsweisen Pendelrichtung, die durch den Doppelpfeil F veranschaulicht und auf der Zeichnung der Figur enthalten ist. Der Neigungswinkel auf der Senkrechten der X-X-Achse der Kolonne kann einen vorgegebenen Maximalwert α₀ von mindestens gleich 5° erreichen und typischerweise zwischen 5 und 10° liegen. In diesem Pendelbereich muss die Kolonne eine zufriedenstellende Destillation gewährleisten.
1 stellt schematisch die Innenanordnung des oberen Teils der Kolonne 1 dar. Dieser obere Teil umfasst eine Überlagerung von Packungen 3 der quer gewellten Verkleidung, wobei jede Packung die Form einer zylinderförmigen Scheibe, die den gesamten Querschnitt der Kolonne belegt.
Jede Packung 3 (2) ist aus einer Anhäufung von gewellten Bändern 4 mit schrägen Wellen 5 gebildet, wobei diese Bänder eventuell über ihre gesamte Fläche gelocht sind. Jedes Band 4 weist eine allgemeine senkrechte Ebene auf, alle Bänder haben dieselbe Höhe, und die Wellen sind abwechselnd in einer und in einer anderen Richtung von einem Band zum nächsten geneigt. Somit berühren sich die Wellen der benachbarten Bänder an einer grossen Anzahl von Schnittpunkten.
Es sind zwei Arten von Packungen 3 vorgesehen: Packungen 3A, deren Bänder 4A parallel zur bevorzugten Pendelrichtung F orientiert sind, das heißt gemäß der Anordnung von 1, und Packungen 3B, deren Bänder 4B senkrecht zu den Bändern 4A orientiert sind.
Alle diese Packungen 3 haben dieselbe Anzahl von Bändern 4, aber die Packungen 3B weisen eine grössere Anzahl als die Packungen 3A auf. Bei diesem Beispiel ist die Anzahl der Packungen 3B zwei Mal grösser als die Packungen 3A; die obere Packung ist eine Packung 3A, dann findet man absteigend zwei Packungen 38, eine Packung 3A, zwei Packungen 3B, usw. Selbstverstänlich lässt sich diese Anordnung entlang der gesamten Destillationskolonne wiederholen, das heisst der Niederdruckkolonne und der Mitteldruckkolonne, wenn es sich wie bei diesem Beispiel umd eine doppelte Luftdestillationskolonne handelt.
Die Flüssigkeit, die in der Kolonne abwärts strömt und am Kolonnenkopf über dessen gesamten Querschnitt anhand eines Verteilers 6 verteilt wird, fliesst dann mehrheitlich auf Bändern senkrecht zur Richtung F ab, welche sich wirksam der Ablenkung der Flüssigkeit in Neigungsrichtung widersetzen. Die Packungen 3A widersetzen sich dieser Ablenkung weniger, müssen aber unbedingt vorhanden sein, um eine Neuverteilung der Flüssigkeit senkrecht zu den Bändern 3A auf mehreren Ebenen der Kolonne zu gewährleisten.
Auf allgemeine Weise kann die Anzahl der Packungen 3B zwischen etwa 2/3 und 3/4 der Gesamtanzahl der Packungen liegen.
Die Fähigkeit der Auskleidung der Ablenkung der Flüssigkeit unter Einwirkung der Pendelbewegung zu widerstehen, lässt sich durch eine Grösse mit der Bezeichnung "Flüssigkeitsablenkungsfaktor", die gleich d/i ist, kennzeichnen, wobei d den mittleren Ablenkungswinkel der Flüssigkeit im Verhältnis zur X-X-Achse der Kolonnen bezeichnet, während i den Neigungswinkel dieser Achse auf der Senkrechten (3) bezeichnet.
Es lässt sich beweisen, dass dieser Ablenkungsfaktor proportional zum Mittelwert M der Kosinusse der Winkel aller Bänder 4A und 4B mit der Richtung F ist, wobei diese Kosinusse als Absolutwert berücksichtigt werden. Der Proportionalitäsfaktor hängt nicht von der Art der verwendeten Auskleidung ab.
Bei der üblichen Anordnung mit sich abwechselnden Packungen 3A und 3B ist der Mittelwert M gleich 0,5, wenn die Richtung F einer der zwei Orientierugnen der Bänder entspricht und überschreitet 0,5 bei jeder anderen Richtung F. Zum Beispiel ist M = 0,71 bei einer Neigung, deren Ebene einen Winkel θ = 45° mit jenen der gewellten Bänder bildet.
Bei den 4 und 5 bezeichnet θ den Winkel der Pendelebene mit einer Bezugsebene, deren Verlauf als horizontal angenommen wird.
4 enspricht der zuvor beschriebenen Anordnung mit zwei 3B- und einer Packung 3A-Packung. θ = 0 ist die Richtung der Bänder 4A. Für θ = 0 hat man in diesem Fall M = 0,33; für θ = 45° hat man M = 0,71 und für θ = 90° hat man M = 0,67. Somit ist der Ablenkungsfaktor reduziert, wenn die vorzugsweise Pendelrichtung F, wie beispielsweise θ = 0, oder eine benachbarte Richtung gewählt wird.
Als Variante können anderen Anordnungen zu einer reduzierten Ablenkung der Flüssgigkeit führen. Somit bilden beim Beispiel von 5 die Packungen abwechselnd einen Winkel x = + 60° und x = – 60° mit der Bezugsrichtung θ = 0. θ = 0 ergibt in diesem Fall M = 0,5, θ = 30° ergibt M = 0,43 und θ = 90° ergibt M = 0,87. Man sieht, dass der Ablenkungsfaktor durch Wahl der bevorzugten Pendelrichtung F wie θ = 30° oder einer benachbarte Richtung reduziert wird. Es gibt hier selbstverständlich zwei symmetrische Richtungen F, die geeignet sind.
Nun wird im Vergleich zu 6 bis 10 die Bildung des unteren Rands der Bänder 4A und 4B beschrieben.
Vom Ende aus gesehen (6) hat jede Welle eine allgemein dreieckige Form mit geradlinigen Flanken 7, die symmetrisch im Verhältnis zur sekrechten Richtung D sind, und Abrundungen 8 an den Wellenbergen. Die Welle wird durch ihre Gesamthöhe H, die parallel zur Richtung D gemessen wird, ihren Öffnungswinkel γ an den Wellenbergen und durch den Radius r der Abrunden 8 definiert.
Von vorne gesehen (7,) ist jedes Band 4 ein Rechteck, dessen Wellen 8 um einen Winkel δ im Verhältnis zur Horizontalen geneigt sind.
Wenn das flache Ausgangsblech gemäß dem Winkel δ gefaltet wird, durch Wicklung um einen geeigneten Schrägdorn, nehmen sein oberer und unterer Rand eine Sägezahnform an, so wie es in 8 für den unteren Rand dargestellt ist. Von vorne gesehen weist, daher der untere Rand eine Reihe von Protuberanzen 9 auf, die nach unten hervorstehen. Im Verhältnis zur nach rechts orientierten Horizontalrichtung bewegt sich die Tangente am Umriss der Protuberanzen zwischen einem negativen Minimum α_m und einem positiven Maximum α_M.
Wenn die Flüssigkeit, die auf dem gewellten Band herabrieselt ihren unteren Rand erreicht, bildet jede Protuberanz 9 einen unteren Punkt, der das Tropfen der Flüssigkeit auf die untere Packung unterstützt und verhindert, dass sie sich bis zum Ede des Bandes bewegt. Damit dieser Vorgang mit jeder beliebigen Neigung der Achse der Kolonne in jeder beliebigen Richtung bis zum zuvor erwähnten Winkel α₀ (α₀ ≥ 5°), stattfindet, wählt man die Parameter H, r, γ und δ in einer Weise, dass – αm > α0 et αM > α0.
Dies lässt sich durch folgende Bedingung erhalten:
Wie in 9 und 10 dargestellt, kann die Existenz von unteren Punkten entlang des unteren Rands der Bänder 4 für die mitgeführte Kolonne ebenfalls erhalten werden, indem an diesem unteren Rand vor der Faltung des Blechs eine Reihe von Kerben 10 realisiert werden, wobei alle das geeignete Profil aufweisen: Kreisbogen, Ellipsenbogen wie dargestellt, aber auch Polygone, usw. Diese Kerben 10, die die Protuberanzen 9 zueinander begrenzen, können voneinander durch geradlinige Teilabschnitte (9) getrennt oder miteinander benachbart sind (10).
Im Fall von 9 hat man – α_m = α_M = 45. Diese Werte ändern sich ein wenig nach der Faltung des Blechs, bleiben aber weit oberhalb der Werte α₀, die für die betrachtete Anwendung vorgeschrieben sind und die, wie zuvor angegeben, zwischen 5 und 10° liegen.

Claims

Destillationskolonne (1), deren Achse (X-X) sich bis zu einem vorbestimmten Winkel α₀ von mindestens gleich 5° neigen kann, umfassend eine quer gewellte Übereinanderlagerung von Auskleidungs-Teilabschnitten (3A, 3B) mit mindestens zwei verschiedenen Winkelorientierungen, wobei mindestens einer der Teilabschnitte eine Anhäufung von senkrechten gewellten Bändern (4) beinhaltet, wobei mindestens ein Band an seinem Innenrand, von vorne gesehen, mindestens ein Motiv (9) aufweist, das nach unten hervorsteht, dessen Umriss derartig ist, dass sich, wenn α_m und α_M, die Extremwerte des algebraischen Wertes des spitzen Winkels bezeichnen, den die Tangente am Umriss mit der Horizontalrichtung bildet, ergibt – αm > α0 und αM > α0 mit ihren Welligkeiten (8), die abwechselnd in gegenüberliegenden Richtungen geneigt sind, und dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Richtung (F) derart existiert, dass der Kosinusmittelwert der Winkel, den alle Bänder (4A, 4B) der Teilabschnitte mit dieser Richtung (F) bilden, wobei die Kosinuswerte als Absolutwert genommen werden, unterhalb 0,5 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einer losen Struktur (2) mitgeführt wird, die eine bevorzugte Pendelbewegung aufweist, und dass die Richtung (F) diese bevorzugte Pendelbewegung ist.
Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Motiv (9) mehrere Male am unteren Rand des Bandes (4) entlang wiederholt, wobei die Motive miteinander benachbart oder durch im Wesentlichen geradlinige Segmente (11) getrennt sind.
Kolonne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Motiv (9) durch Falten eines flachen Bandes gemäss einer Welligkeit mit Höhe H, mit einem Öffnungswinkel γ und einem Radius r am Wellenberg erhalten wird, mit den um einen Winkel δ, von vorne gesehen, geneigten Mantellinien, wobei die Parameter H, γ, r und δ derart gewählt werden, dass
Kolonne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Motiv (9) durch Zuschneiden von zwei Kerben (10) in den unteren Rand des Bandes vor dessen Faltung erhalten wird.
Destillationskolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übereinanderlagerung von Teilabschnitten aus Teilabschnitten (3A) mit Bändern (4A) gebildet wird, die parallel zur vorzugsweisen Pendelrichtung sind, und aus Teilabschnitten (3B) mit Bändern (4B), die senkrecht zu dieser Richtung sind, wobei die Anzahl dieser Bänder aus 2/3 und 3/4 der Gesamtanzahl der Teilabschnitte der Übereinanderlagerung aus Teilabschnitten gebildet wird.