CH401003A - Stoffaustauschkolonne - Google Patents

Description

      Stoffaustauschkolonne       Die Erfindung betrifft eine     Stoffaustauschko-          lonne,    die von einer Flüssigkeit und einem gas- oder       dampfförmigen    Mittel durchsetzt wird, mit vertikalen,  lückenlos     nebeneinanderliegenden    Strömungskanälen.  



  In     derartigen        Stoffaustauschkolonnen    kann zum  Beispiel Destillation     oder    Rektifikation oder aber  Extraktion (Absorption) etwa einer Komponente aus       einem    gasförmigen Gemisch mittels einer fremden,  in Stoffaustausch mit dem Gemisch stehenden Ab  trennflüssigkeit     (Extraktions-    oder Absorptionsflüs  sigkeit) oder aber eine Abtrennung     isotoper    Elemente  aus einem Stoff auf Grund einer chemischen Aus  tauschreaktion vorgenommen werden, zum Beispiel  die Trennung von Deuterium und- Wasserstoff.

   Die  Trennung von mit verschiedenen Isotopen gebildeten  Molekülen,     beispielsweise    von schwerem und leich  tem Wasser, lässt sich selbstverständlich     ebenfalls    in  derartigen Austauschkolonnen durchführen.  



  Es ist das Ziel der Erfindung, die Wirksamkeit  der bekannten Kolonnen mit vertikalen, lückenlos       nebeneinanderliegenden    Strömungskanälen zu ver  bessern, d. h. einen hohen Trenneffekt herbeizufüh  ren. Um mit den     bekannten    Kolonnen einen guten  Trenneffekt eines Stoffgemisches zu realisieren, ist  es wesentlich, dass die in die parallelen Kanäle ein  gespeisten     Flüssigkeits-    und Dampfmengen unterein  ander keine zu starken Streuungen aufweisen.

   Da  Streuungen jedoch bei den bekannten Kolonnen prak  tisch nicht vermeidbar sind oder nur mit hohem       apparativem        Aufwand    relativ klein gehalten werden  können, ist eine wesentliche Verschlechterung der  Wirksamkeit der Kolonnen und damit des Trenn  effektes des Stoffgemisches die Folge.  



  Die Erfindung basiert auf der     Erkenntnis,    dass  bei derartigen Kolonnen, deren     Stoffaustauschteil     aus vertikalen, lückenlos     nebeneinanderliegenden       Strömungskanälen besteht, nur     dann    eine Erhöhung  des     Trenneffektes    gegenüber bekannten     Kolonnen     erreicht werden kann,

   wenn innerhalb der     einzelnen     Kanäle für eine möglichst gute Flüssigkeitsverteilung  und sowohl innerhalb -der Kanäle als aber auch über  den gesamten Kolonnenquerschnitt für eine möglichst  gleichmässige Verteilung und     Vermischung    des     gas-          oder        dampfförmigen        Mittels    gesorgt wird.  



  Diese Aufgabe wird     erfindungsgemäss    so gelöst,  dass die     Strömungskanäle    mit     Füllkörpern    aufgefüllt  sind und die Begrenzungswände der Strömungska  näle     öffnungen    für eine     Verteilung    des gas- oder       dampfförmigen    Mittels über den Kolonnenquerschnitt  aufweisen, während die Flüssigkeit oben einmal auf  die Kanäle verteilt wird und in den ihr zugeteilten       Kanälen    nach unten     strömt.     



  Eine vorteilhafte Ausführungsform der     Erfindung     besteht darin,     d'ass    die Begrenzungswände der     Strö-          mung5kanäle    von mindestens einem     Einbauelement     mit     wabenförmiger    Struktur gebildet werden, wobei  die die Strömungskanäle bildenden Waben eine recht  eckige Form     besitzen,    und in den Strömungskanälen  als Füllkörper jeweils     mindestens    zwei Packungs  körper übereinander angeordnet sind,     deren    Abmes  sungen dem Querschnitt der Strömungskanäle ange  passt sind, wobei die Packungskörper aus Lamellen  bestehen, die mindestens zum Teil geriffelt sind, und,

    wobei weiterhin die     senkrechten    Stellungen der La  mellen     übereinander    angeordneter Packungskörper  um 90  gegeneinander versetzt angeordnet sind.     Vor-          teilhaft    bestehen hierbei die Packungskörper aus  einander     berührenden        geriffelten    Lamellen, wobei  die Riffelungen von benachbarten Lamellen ver  schiedene     Richtungen    haben und mindestens die Rif  felung     einer    von zwei benachbarten     Lamellen    im  Winkel zur Kolonnenachse liegt.

   Die     Packungskörper     können aber auch derart ausgebildet sein,     d.ass    zwi-      scheu je zwei geriffelten Lamellen eine     ungeriffelte     Lamelle angeordnet ist.  



  Weitere Merkmale ergeben sich     anhand:    der in  den Zeichnungen dargestellten und im folgenden er  läuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung.  



  Die     Fig.    1 zeigt einen Längsschnitt durch eine       Rektifizierkolonne,    die beispielsweise zur     Trennung     von leichtem und schwerem Wasser dienen kann,  während,       Fig.    2 einen Querschnitt durch die Kolonne längs  der     Schnittlinie        II-II    der     Fig.    1 zeigt.  



  In     Fig.    3 sind perspektivisch die einzelnen La  mellen eines als     Füllkörper    dienenden Packungs  körpers dargestellt.  



  Die     Fig.4    zeigt einen Ausschnitt einer     Rektifi-          zierkolonne,    bei der zwischen zwei     Stoffaustauschab-          schnitten    ein Mischraum angeordnet ist.  



  Die in der     Fig.    1 dargestellte     Rektifizierkolonne    1  besitzt einen quadratischen Querschnitt (vgl.     Fig.    2)  und dient zur Durchführung einer Blasenrektifika  tion. Das     zu    rektifizierende     Gemisch    befindet sich  im Bodenteil der Kolonne und wird mittels einer  Heizungseinrichtung, von der die Heizschlange 2  dargestellt ist, verdampft.

   Das     dampfförmige    Ge  misch durchströmt den erfindungsgemäss ausgebilde  ten     Stoffaustauschteil    3 der Kolonne, der im folgen  den noch näher erläutert     wird,    und tritt hierin mit  der die Strömungskanäle 4     herabströmenden    Flüssig  keit in Stoffaustausch. Das     dampfförmige    Kopfpro  dukt, bei Rektifikation die leichter flüchtige Kompo  nente des Gemisches, verlässt die Kolonne durch eine  Leitung 5 und wird in einem     Rücklaufkondensator    6  verflüssigt.

   Ein Teil des Kondensats wird durch eine  Leitung 7 in den Kopfteil 8 der Kolonne als Rücklauf  zurückgeführt, während ein anderer Teil des Kon  densats über eine Leitung 9     entnommen    werden  kann.  



  Aus dem Kopfteil 8 wird der Rücklauf     dosiert,     z. B. über eine aus Kapillaren 10 bestehende     Ver-          teilvorrichtung,    auf den Querschnitt der einzelnen  Strömungskanäle aufgegeben.  



  Die Strömungskanäle werden von einem Einbau  element 11 mit     wabenförmiger    Struktur gebildet,  wobei die die Strömungskanäle bildenden     Waben    4  quadratisch sind und die     Wabenwände    Öffnungen 12  aufweisen, deren Verteilung und Anzahl so gewählt  wird, dass eine     gleichmässige    Verteilung des     dampf-          förmigen    Mittels über den     Kolonnenquerschnitt    er  folgen kann. Bei einem Öffnungsdurchmesser von       einigen    Millimetern, z.

   B. etwa 2 mm, wird vermie  den, dass sich die Öffnungen mit Flüssigkeit vollsau  gen können, was in diesem Fall einen     Gasdurchtritt          verhindern,    zumindest erschweren würde.  



  Das Einbauelement kann aus Blech, aber auch  aus einem anderen Material, wie z. B. Kunststoff,  bestehen.     In    den die Strömungskanäle bildenden Wa  ben sind als Füllkörper Packungskörper 13 über  einander     angeordnet,    deren Abmessungen dem Quer  schnitt der Waben angepasst sind. Die Packungskör  per bestehen im Ausführungsbeispiel, wie in     Fig.3       perspektivisch dargestellt wird, aus geriffelten La  mellen 14, die einander berühren, wobei die Riffe  lungen von benachbarten Lamellen verschiedene  Richtungen haben.

   Die Packungskörper, deren La  mellen zur     Herbeiführung    einer guten Gasverteilung  über den Querschnitt des Packungskörpers gelocht  sind und die aus Metall, aus Kunststoff, vorzugsweise  aus einem selbstbenetzenden Material mit Gewebe  struktur, ausgeführt werden, weisen ausser einem ge  ringen Druckabfall eine sehr gute     Verteilwirkung    der  in Kontakt miteinander zu bringenden Flüssigkeit       mit    dem dampfförmigen Mittel auf, wodurch eine  hohe Bodenzahl erreicht wird und somit die Ko  lonnenhöhe     reduziert    werden kann. In konstruktiver  Hinsicht sind die Packungskörper ausserdem einfach       herstellbar.     



  Wie     experimentelle    Ergebnisse zeigen, kann der  Durchmesser eines     derartigen    Packungskörpers nicht  beliebig gross gemacht werden unter     gleichzeitiger     Aufrechterhaltung der angegebenen guten Eigenschaf  ten. Wenn z. B. eine Kolonne mit einem Durchmesser  von 100 cm von Packungskörpern mit gleichen Ab  messungen aufgefüllt wird, so zeigen diese Packungs  körper nicht mehr eine ausreichend gute     Verteil-          wirkung    der Flüssigkeit, so dass die mit der Erfindung  angestrebten Ziele nicht mehr erreicht werden:.

   Teilt  man hingegen eine Kolonne von einem Durchmesser  von 100 cm in 25 bis 100 Strömungskanäle auf, so  ,dass zur Auffüllung der Kanäle Packungskörper von  10 bis 20 cm Durchmesser erforderlich werden, wird  bei gleichmässiger Aufgabe der Flüssigkeit am Kopf  der Kolonne auf die Querschnitte der die Kanäle  füllenden Packungskörper erreicht, dass die Flüssig  keit die Kolonne in senkrechter Richtung von     oben     nach unten durchströmt, wobei sie sich über das  Volumen der     einzelnen    Packungskörper gleichmässig  verteilt und vermischt, ohne jedoch durch die Be  grenzungswände der Kanäle     hindurchzuströmen.     



  Wie aus den     Fig.    1     und    2 des Ausführungsbei  spiels ersichtlich,     sind    die Packungskörper hinsicht  lich der Richtung ihrer Lamellen gegeneinander um  90  versetzt     angeordnet,    um die     Verteilwirkung    der  Flüssigkeit über     dien    Querschnitt der einzelnen Ka  näle weiter zu verbessern. In den     Fig.    1 und 2     sind          einfachheitshalber    nur die Richtungen der Lamellen  ebenen angegeben, während tatsächlich die     Lamellen:,     wie aus     Fig.    3 hervorgeht, geriffelt sind.  



  Das im Bodenteil der Kolonne verdampfte Ge  misch, welches die Kolonne von unten nach oben  durchsetzt, kann sich jedoch auf Grund der in den       Wabenwänden        angeordneten    Öffnungen über den ge  samten Kolonnenquerschnitt verteilen.  



  In konstruktiver Hinsicht wird die Herstellung des  in den Zeichnungen dargestellten     Stoffaustauschteiles     äusserst einfach.     Zweckmässig    kann     zunächst    eine  vertikale Lage     dier    Waben hergestellt werden und in  ,diese die Packungskörper eingelegt werden, sodann  wird die nächste Lage an die erste angefügt, bei  spielsweise bei Metallstruktur angeschweisst. Nun  wird die nächste Schicht Packungskörper eingelegt,      und so fort. Bei Verwendung anderer     Füllkörper,     beispielsweise     Raschig-Ringe,    werden hingegen die  Füllkörper in die fertige, in die Kolonne eingefügte       Wabenstruktur    eingefüllt.  



  In     Fig.    4 ist ein Ausschnitt aus einer Stoffaus  tauschkolonne 20, beispielsweise einer Rektifizier  kolonne, dargestellt, in welcher das zu     rektifizierend     dampfförmige Gemisch in einen Zwischenraum 21  zwischen zwei     erfindungsgemäss        ausgebildeten;    Stoff  austauschabschnitten 22 und 23 über     eine    Leitung  24 in die Kolonne eingespeist wird. Die Stoffaus  tauschabschnitte sind hierbei analog der in den     Fig.    1  und 2 dargestellten Ausführungsform ausgebildet.

    Das heisst, die Einbauelemente besitzen     einen    quadra  tischen Querschnitt, der in diesem Fall     allerdings     nicht mit dem Querschnitt des Kolonnenmantels  übereinstimmt. Die Einbauelemente sind am Ko  lonnenmantel 25 befestigt.  



  Grundsätzlich kann der     Stoffaustauschteil    einer  Kolonne aus mehreren durch freie     Zwischenräume     voneinander getrennte Austauschabschnitte unterteilt  sein. In den Zwischenräumen kann dann eine zu  sätzliche Vermischung des     dampfförmigen        Mittels     erfolgen, wobei     vorteilhaft    die mit     ihrer    Oberseite  an einen Zwischenraum     angrenzenden    Packungs  körper derart ausgebildet sind,     :dass    zwischen je zwei  geriffelten Lamellen eine urigeriffelte     Lamelle    ange  ordnet ist.

   Hierdurch wird der in den Zwischenraum  austretenden Strömung des Dampfes eine seitliche  Komponente aufgezwungen und die Mischung der aus  den einzelnen Kanälen austretenden Dampfströme  durch eine     Verwirbelung    verbessert.  



  Durch eine     zackenförmige    Ausbildung der Unter  seite der     Lamellen    der an einen Zwischenraum an  grenzenden Packungskörper wird erreicht, dass     die     Flüssigkeit in gleichmässiger Verteilung durch den  Zwischenraum auf den Querschnitt der Packungs  körper in den darunter befindlichen Strömungska  nälen aufgegeben     wird.     



  In     denjenigen    Fällen, wo     Füllkörper    anderer Art,  wie z. B.     Raschig-Ringe,    verwendet werden,     wird     zweckmässig jeder     Stoffaustauschabschnitt    an seiner  oberen Seite mit einem Rost mit schräggestellten  Leitelementen abgedeckt.

   An ihrer Unterseite     sind     die     Stoffaustauschabschnitte    in diesem Fall von  einem Tragrost     abgeschlossen,    der     zweckmässig        der-          art    ausgebildet ist, dass eine gleichmässige Flüssig  keitsaufgabe auf die unterhalb des     Zwischenraumes     sich befindenden Querschnitte der Strömungskanäle  erfolgt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Stoffaustauschkolonne, die von einer Flüssigkeit und einem gas- oder dampfförmigen Mittel durch setzt wird, mit vertikalen, lückenlos nebeneinander liegenden Strömungskanälen, dadurch gekennzeich- net, dass die Strömungskanäle mit Füllkörpern aufge- füllt sind und die Begrenzungswände der Strömungs kanäle öffnungen für eine Verteilung des gas- oder dampfförmigen Mittels über den Kolonnenquerschnitt :

   aufweisen, während die Flüssigkeit oben einmal auf die Kanäle verteilt wird und in den ihr zugeteilten Kanälen nach unten strömt. UNTERANSPRÜCHE 1. Stoff austauschkolonne nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswände der Strömungskanäle von mindestens einem Einbau element mit wabenförmiger Struktur gebildet wer den, wobei die die Strömungskanäle bildenden Wa ben eine rechteckige Form besitzen,

   und in. den Strömungskanälen als Füllkörper jeweils mindestens zwei Packungskörper übereinander angeordnet sind, deren Abmessungen dem Querschnitt der Strömungs kanäle angepasst sind, wobei die Packungskörper aus Lamellen bestehen, die mindestens zum Teil geriffelt sind; und wobei weiterhin die senkrechten Stellungen der Lamellen übereinander angeordneter Packungskörper um 90 gegeneinander versetzt an geordnet sind. 2.

   Stoff austauschkolonne nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass,die Packungskörper aus einander berührenden geriffelten Lamellen bestehen und die Riffelungen von benachbarten Lamellen, ver schiedene Richtungen haben und mindestens die Riffelung einer von zwei benachbarten Lamellen im Winkel zur Kolonnenachse liegt.

   3. Stoffaustauschkolonne nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungskörper derart ausgebildet sind, .dass zwischen je zwei geriffel ten Lamellen eine urigeriffelte Lamelle angeordnet ist.

   4. Stoffaustauschkolonne nach Unteranspruch 1, die längs zur Kolonnenachse mindestens durch einem senkrecht zur Kolonnenachse angeordneten Zwi schenraum in untereinander getrennte Stoffaustausch abschnitte unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen dies untersten, :

   an einen Zwischenraum angrenzenden Packungskörpers der Strömungskanäle an ihrer Unterseite zackenförmig auslaufen. 5. Stoffaustauschkolonne nach Unteranspruch 1, die längs zur Kolonnenachse mindestens durch einen senkrecht zur Kolonnenachse angeordneten Zwi schenraum in untereinander getrennte Stoffaustausch abschnitte unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mit ihrer Oberseite an einen Zwischenraum an grenzenden Packungskörper derart ausgebildet sind,

   dass zwischen: je zwei geriffelten Lamellen eine uri- geriffelte Lamelle angeordnet ist.