DE10026127A1 - Vorrichtung zur Zerlegung eines Fluidgemisches - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Fluidgemisches in einen flüssigen Anteil mit schwerer siedenden und in einen gasförmigen Anteil mit leichter siendenden Komponenten des Fluidgemisches mit abwechseld übereinander angeordneten Abschnitten für Stoff- und Wärmeaustausch. DOLLAR A Erfindungsgemäß bilden senkrecht und in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Platten mit seitlichen Mantelstücken (1) einen quaderförmigen Block (2) mit flachen senkrechten Kanälen, die sich über im Wechsel übereinander angeordnete Wärmetauscherabschnitte (3) und Stoffaustauschabschnitte (4) erstrecken, wobei zur Führung eines Wärmeträgers geeignete Kanäle und Fluidgemischanteile führende Kanäle, gegebenenfalls unter Herstellung eines Wärmekontakts des Fluidgemisches mit dem Wärmeträger, zueinander benachbart angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Fluidgemisches in einen flüssigen Anteil mit schwerer siedenden und in einen gasförmigen Anteil mit leichter siedenden Komponenten des Fluidgemisches mit abwechselnd übereinander angeordneten Abschnitten für Stoff- und Wärmeaustausch.

Für die Zerlegung eines mehrkomponentigen Gemisches durch Rektifikation sind zwei Apparatetypen bekannt. Zum einen Rektifizierkolonnen, bei denen Stoff und Wärmeaustausch zwischen Dampf und Flüssigkeit auf Rektifizierböden oder auf der Oberfläche von Füllungen, wie z. B. geordneten Packungen oder ungeordneten Füllkörpern, stattfindet. Kolonnen werden in der Regel nur an ihren Enden durch indirekten Wärmeaustausch mit Wärme beziehungsweise Kälte von außen versorgt. Zum anderen werden für weniger anspruchsvolle Trennaufgaben Dephlegmatoren eingesetzt, bei denen es sich um Wärmetauscher handelt, in deren einer Passagengruppe ein von unten eingeführtes Gas in indirektem Wärmetausch mit einem Wärmeträger kondensiert und die kondensierte Flüssigkeit nach unten abfließt und dabei in Stoffaustausch mit dem gasförmig verbliebenen Anteil tritt.

Dephlegmatoren benötigen auf der Kondensationsseite bei gegebenem Durchsatz eine große Anströmfläche, um zu vermeiden, daß das Kondensat vom nach oben strömenden Gas mitgerissen wird. Dies bedingt einen insgesamt hohen apparativen Aufwand, insbesondere eine erhöhte Baugröße. Eine ausreichende Trennwirkung kann nur mit Hilfe einer großen Oberfläche erzielt werden. Dies wirkt sich ebenfalls nachteilig auf die Baugröße aus.

Rektifiziersäulen weisen einen erheblich besseren Stoffaustausch auf. Wärme wird allerdings im allgemeinen nur durch Kopfkühlung und/oder Sumpfheizung abgezogen oder eingeführt. Zwischen den Enden der Kolonne stellt sich dann ein Temperaturverlauf ein, der thermodynamisch nicht optimal ist und in den von außen nicht eingegriffen werden kann. Aus diesem Grunde wurden bereits Zwischenkühlungen oder -heizungen durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger vorgeschlagen. Dabei wird entweder eine Fraktion aus der Kolonne herausgeleitet und nach einem indirekten Wärmeaustausch wieder zurückgeführt, oder ein Wärmetauscher ist im Innern der Kolonne eingebaut. Dadurch kann der Temperaturverlauf längs der Kolonnenachse zumindest stellenweise an das thermodynamische Optimum angepaßt werden. Beispielhaft hierfür sind das Verfahren und die Vorrichtung der DE-C-26 38 488. Hier sind jedoch ebenfalls ein erheblicher apparativer Aufwand und eine hohe Baugröße erforderlich.

Aus der DE-A-41 18 468 ist eine auf dieser Grundlage verbesserte Trennkolonne bekannt. In der Trennkolonne eingebaute Wärmetauscher sind als Plattenwärmeaustauscher ausgebildet. Flüssigkeit strömt innerhalb einer ersten Gruppe von Kanälen (Passagen) mit Gas nach oben. Die obere Stirnfläche des Wärmetauschers ist als Rektifizierboden ausgebildet. Ein Ablaufschacht führt von der als Rektifizierboden ausgebildeten oberen Stirnfläche des Wärmetauschers zum Innenraum der Trennkolonne unterhalb des Wärmetauschers. Eine zweite Gruppe von Passagen ist mit mindestens je einer Zufuhr- und Abfuhrleitung für einen Wärmeträger verbunden. Es ist sehr aufwendig, die genannten Komponenten in der Trennkolonne zu montieren.

Mit mehreren in der Trennkolonne eingebauten Wärmetauschern und Rektifizierböden können zwar in manchen Fällen Zu- und Abfuhrleitungen für den Wärmeträger eingespart werden, dann werden aber Rohrverbindungen zwischen den Wärmetauschern benötigt, was die Montage weiter erschwert.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Fluidgemisches vorzuschlagen, die diesen Nachteil vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Kennzeichnend an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß senkrecht und in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Platten mit seitlichen Mantelstücken, einen quaderförmigen Block mit flachen senkrechten Kanälen bilden, die sich über im Wechsel übereinander angeordnete Wärmetauscher- und Stoffaustauschabschnitte erstrecken, wobei zur Führung eines Wärmeträgers geeignete Kanäle und Fluidgemischanteile führende Kanäle, gegebenenfalls unter Herstellung eines Wärmekontakts des Fluidgemisches mit dem Wärmeträger, zueinander benachbart angeordnet sind.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch ungekühlte Wärmetauscherabschnitte mit Stoffaustausch in jeweils darüberliegenden Abschnitten verwirklicht werden. Der Block erfüllt auch die Funktion eines nach dem Stand der Technik benötigten Kolonnenkörpers, der entsprechende Komponenten für den Wärme- und Stoffaustausch umschließt. Der als Druckbehälter auszuführende Kolonnenkörper entfällt und damit auch die schwierige Montage der Komponenten im Kolonnenkörper.

Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können in den Abschnitten für den Wärmeaustausch senkrechte Zwischenstücke in den Fluidgemischanteile führenden Kanälen zwei Gruppen von Teilkanälen ausbilden, die eine Gruppe mit der Funktion Gas unter Teilverflüssigung aufwärts zu leiten und die zweite Gruppe mit der Funktion Flüssigkeit abwärts zu leiten. Die Gruppen selbst können mit Hilfe zusätzlicher Zwischenstücke weiter unterteilt sein und mehrere Untergruppen zur Führung ablaufender Flüssigkeit und/oder zur Führung von Fluidgemisch ausbilden. Dies ist insbesondere für große Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung günstig und ohne damit verbundenem Aufwand für zusätzlich benötigte Verrohrung möglich.

Mit Vorteil sind in den Abschnitten für den Stoffaustausch in den Fluidgemisch führenden Kanälen gewellte oder gefaltete Bleche (fins) mit horizontaler Stegrichtung der fins enthalten, die horizontale Durchgänge für Flüssigkeit ausbilden. Die fins sind vorzugsweise gelocht und damit durchgängig für Gas aus einem unterhalb des Abschnitts für den Stoffaustausch anschließenden Wärmeaustauschabschnitt in einen oberhalb anschließenden Wärmeaustauschabschnitt ausgebildet. Solche fins erleichtern die Ausbildung von Sprudelschichten und deren Verteilung auf der Oberkante des darunterliegenden Wärmetauscherabschnitts.

Die Kanäle mit den fins können mindestens je eine Strömungsverbindung vom Stoffaustauschabschnitt in den unten anschließenden Wärmeaustauschabschnitt besitzen. Mit diesen Strömungsverbindungen kann die Funktion übereinander liegender und zusammenwirkender Abschnitte für den Wärme- und Stoffaustausch mindestens abschnittsweise ohne Aufwand für Verrohrung und Montage sichergestellt werden.

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsform mit zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Schnittbild durch einen Fluidgemischanteile führenden Kanal;

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Fig. 1 mit je einem übereinanderliegenden Wärmetauscher- und Stoffaustauschabschnitt.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zerlegung eines Fluidgemisches. Dargestellt ist ein Schnittbild durch einen Fluidmigeschanteile führenden Kanal. Nicht dargestellt ist in der Fig. 1, daß parallel zur Zeichnungsebene benachbart mindestens ein Wärmeträger-führender Kanal angeordnet ist und darauf folgend weitere solche Fluidgemischanteile- und Wärmeträger-führende Kanäle angeordnet sind. Die Kanäle werden durch mit Abstand parallel zur Zeichnungsebene liegende Platten und seitliche Mantelstücke 1 gebildet und zu einem Block 2 zusammengefaßt. Jeder Fluidgemisch führende Kanal ist in Kanalabschnitte 3 für Wärmetausch und Kanalabschnitte 4 für Stoffaustausch unterteilt. Die Kanalabschnitte 3 sind durch Zwischenstücke 5 in einen zweiphasiges Fluidgemisch aufwärts leitenden Teilkanal 6 und einen Flüssigkeit abwärts führenden Teilkanal 7 unterteilt. Die Kanalabschnitte 4 stehen in Strömungsverbindung 8 mit dem Teilkanal 6 sowohl des oberhalb wie das unterhalb des Abschnitts 4 anschließenden Abschnitts 3. Bevorzugte Stegrichtungen von fins sind in den einzelnen Kanalabschnitten 3, 4, 6, 7 jeweils durch parallele Striche 9 angedeutet. Je ein Mittel zur Zufuhr und Verteilung 10 des Fluidgemisches auf die entsprechenden Kanäle und zur Sammlung und Abfuhr gebildeter Flüssigkeit 11 und eines gasförmig verbleibenden Fluidgemischanteiles 12 aus den Kanälen befinden sich am oberen und unteren Ende des Blockes 2. Entsprechende Mittel zur Zufuhr und Abfuhr des Wärmeträgers sind in der Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Fig. 1 mit je einem übereinander­ liegenden Wärmetauscherabschnitt 3 - und Stoffaustauschabschnitt 4 an ihrer Kontaktstelle zueinander. Dargestellt ist ein Kanal mit einem Zwischenstück 5 und fins 11, 12 mit ihrer bevorzugten Stegrichtung, senkrecht 11 im Kanalabschnitt 3 für den Wärmetausch und waagrecht 12 und zusätzlich gelocht im Kanalabschnitt 4 für den Stoffaustausch. Nicht dargestellt ist, daß die fins 11 ebenfalls bevorzugt gelocht ausgeführt sind. Diese Anordnung erfüllt die Funktion, im Teilkanal 6 das Fluidgemisch unter Verflüssigung nach oben zu führen und im Stoffaustauschabschnitt 4 eine Sprudelschicht zu bilden, aus der einerseits Flüssigkeit 14 seitwärts abgeleitet und im Teilkanal 7 abwärts geführt wird und andererseits Gas 15 aus der Sprudelschicht nach oben geleitet wird. Angedeutet ist eine Platte 16 mit einem im Bildhintergrund anschließendem Kanal 17, der zum Führen eines Wärmeträgers geeignet ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Zerlegung eines Fluidgemisches in einen flüssigen Anteil mit schwerer siedenden und in einen gasförmigen Anteil mit leichter siedenden Komponenten des Fluidgemisches mit abwechselnd übereinander angeordneten Abschnitten für Stoff- und Wärmeaustausch, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht und in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Platten mit seitlichen Mantelstücken einen quaderförmigen Block mit flachen senkrechten Kanälen bilden, die sich über im Wechsel übereinander angeordnete Wärmetauscher- und Stoffaustauschabschnitte erstrecken, wobei zur Führung eines Wärmeträgers geeignete Kanäle und Fluidgemischanteile führende Kanäle, gegebenenfalls unter Herstellung eines Wärmekontakts des Fluidgemisches mit dem Wärmeträger, zueinander benachbart angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abschnitten für den Wärmeaustausch senkrechte Zwischenstücke in den Fluidgemischanteile führenden Kanälen zwei Gruppen von Teilkanälen ausbilden, die eine Gruppe mit der Funktion Gas unter Teilverflüssigung aufwärts zu leiten und die zweite Gruppe mit der Funktion Flüssigkeit abwärts zu leiten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abschnitten für den Stoffaustausch die Fluidgemisch führenden Kanäle gewellte oder gefaltete Bleche (fins) mit horizontaler Stegrichtung der fins enthalten, die horizontale Durchgänge für Flüssigkeit ausbilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fins gelocht und damit durchgängig für Gas aus einem unterhalb des Abschnitts für den Stoffaustausch anschließenden Wärmeaustauschabschnitt in einen oberhalb anschließenden Wärmeaustauschabschnitt ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mit den fins mindestens je eine Strömungsverbindung für Flüssigkeit aus dem oben anschließenden Wärmeaustauscherabschnitt in den Stoffaustauschabschnitt und mindestens je eine Strömungsverbindung vom Stoffaustauschabschnitt in den unten anschließenden Wärmeaustauschabschnitt besitzen.