DE10116329A1

DE10116329A1 - Verteiler für Flüssigkeiten und Gase und Säule für Material- oder Wärmeaustauschprozesse

Info

Publication number: DE10116329A1
Application number: DE10116329A
Authority: DE
Inventors: Jean Gallarda
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA 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: 2000-04-07
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2001-10-11
Also published as: FR2807505A1; US20010027858A1; GB2361197B; GB0108725D0; GB2361197A; US6668913B2; FR2807505B1

Abstract

Verteiler für Flüssigkeiten und Gase in einer Säule zum Material- und/oder Wärmeaustausch, gekennzeichnet durch einen einzigen Behälter (24), dessen allgemeine äußere Gestalt im wesentlichen zylindrisch ist und der dazu ausgebildet ist, zwischen seiner Umfangswand und der Innenwand des Mantels (1) der Säule einen Ringspalt zu bilden, und der einen perforierten Boden (25) aufweist, und durch Mittel (23) zum Verbinden des Behälters mit dem Mantel (1) der Säule und Mittel (3, 5), die den Durchtritt der Gase aus dem Ringspalt in den Raum oberhalb des Behälters (24) ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Säulen für den Material- und/oder Wärme austausch, insbesondere Säulen zum Waschen oder Destillieren von Gasgemi schen. Spezieller befaßt sich die Erfindung mit Verteilern, die die im Inneren dieser Säule absinkende Flüssigkeit aufnehmen und sie auf die obere Oberflä che einer weiter unten befindlichen aktiven Zone verteilen.

Im Verlauf von Verfahren zum rennen verschiedener Bestandteile eines Gasge misches im Inneren einer Säule kann es notwendig sein, die in der Säule auf steigenden Gase vorübergehend zu extrahieren, um an ihnen eine Behandlung vorzunehmen, beispielsweise eine Wärmeaustauschbehandlung, um ihre Tem peratur auf einen gegebenen Wert zurückzuführen. Dies gilt insbesondere dann, wenn im Inneren der Säule ein Waschprozeß stattfindet, bei dem die aufsteigen den Gase mit Hilfe einer flüssigen Komponente gewaschen werden. Als Beispiel für ein solches Verfahren kann die Abscheidung von Wasserstoff aus Gemischen aus Wasserstoff, CO und Methan betrachtet werden, die durch Reformieren oder Umsetzen von Methan mit Wasserdampf gewonnen werden. Bei der Trennopera tion, die darauf abzielt, am Kopf der Säule reinen Wasserstoff zu erhalten, kann man den Wasserstoff mit flüssigem Methan waschen, das in den oberen Teil der Säule zugeführt wird.

Damit ein solcher Waschvorgang möglichst effizient abläuft, muß die Säule ins gesamt auf einer Temperatur gehalten werden, die so nahe wie möglich bei -180°C liegt, während der Waschprozeß exotherm ist. Hierzu ist es bekannt, die in der Säule aufsteigenden Gase an verschiedenen Stellen aus der Säule abzu ziehen, sie durch einen Wärmetauscher zu leiten, um sie abzukühlen und sie dann wieder an höherer Stelle in die Säule einzuleiten. Die niedrigere Tempera tur der Gase, die den Wärmetauscher passiert haben, verursacht in der Säule die Kondensation der weniger flüchtigen Komponenten des Gasgemisches. Die kondensierte Flüssigkeit wird durch Flüssigkeitsbarrieren aufgefangen und in Verteilergefäße geleitet. Diese Verteilergefäße haben einen perforierten Boden, so daß die darin enthaltene Flüssigkeit auf der oberen Oberfläche einer tieferliegen den aktiven Zone verteilt wird, die beispielsweise durch eine Ausfütterung in der Säule gebildet wird.

Diese Baugruppen, bestehend aus Flüssigkeitsbarrieren und Verteilern sind re lativ sperrige Gebilde, deren Gesamthöhe einige Meter erreichen kann. Da die Säule im allgemeinen eine Vielzahl von mit Ausfütterungen versehenen Stufen aufweist und die aufsteigenden Gase in jeder dieser Stufen extrahiert, gekühlt und wieder in die Säule eingeleitet werden, führt diese Konstruktion notwendi gerweise zur Errichtung von Säulen mit sehr großer Höhe, die entsprechend teu er sind. Außerdem haben diese Baugruppen aus Flüssgkeitsbarrieren und Ver teilern selbst eine komplexe Struktur, so daß sie selbst einen beträchtlichen Ko stenfaktor darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Benutzern solcher Säulen, die zum Material- und/oder Wärmeaustausch dienen, Verteiler für Flüssigkeiten und Gase zur Verfügung zu stellen, die eine deutlich geringere Komplexität als herkömmliche Verteiler haben, so daß die Herstellungskosten der Säule gesenkt und ggf. ihre Gesamthöhe reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen ge löst.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verteiler für Flüssigkeiten und Gase für Säulen zum Material- und/oder Wärmeaustausch, mit einem einzigen Behälter, dessen allgemeine äußere Gestalt im wesentlichen zylindrisch ist und der dazu ausgebildet ist, zwischen seiner Umfangswand und der Innenwand der Säule einen Ringspalt zu bilden, und der einen perforierten Boden hat, und mit Einrichtungen zur Verbindung des Behälters mit der Innenwand der Säule und Mitteln, die den Durchtritt der Gase aus dem Ringspalt in den Raum oberhalb des Behälters ermöglichen.

Diese letzteren Einrichtungen können durch Öffnungen gebildet werden, die in einem oberen Rand des Verteilers oder in der Umfangswand des Behälters aus gebildet sind.

Bevorzugt weist der Behälter in seinem mittleren Teil eine Einschnürung seines Innenquerschnitts auf.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Säule zum Material- und/oder Wärmeaustausch mit wenigstens einem in der oben beschriebenen Weise ausge bildeten Verteiler für Flüssigkeiten und Gase, der die absinkende Flüssigkeit aufnimmt, um sie auf eine darunter befindliche aktive Zone zu verteilen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel, die den Durchtritt der aufsteigenden Gase aus dem Ringspalt in den Raum oberhalb des Behälters ermöglichen, eine Leitung zur Entnahme der aufsteigenden Gase aus dem Ringspalt und eine Leitung zum Wiedereinführen dieser Gase in die Säule oberhalb des Behälters. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind in einem oberen Rand des Behälters Öffnungen ausgebildet, die in einen Wärmetauscher münden, der in die Säule integriert ist.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht somit darin, daß in den Verteiler für Flüssigkeiten und Gase ein Behälter integriert wird, der eine allge mein zylindrische Form und einen perforierten Boden hat, der zugleich die Funktion einer Flüssigkeitsbarriere erfüllt, so daß keine gesonderte Flüssigkeits barriere benötigt wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wirkt der Behälter mit der Umfangswand der Säule zusammen, um die aufstei genden Gase durchzulassen oder so umzuleiten, daß sie eine Behandlung in ei ner Apparatur erfahren, die sich innerhalb oder außerhalb der Säule befindet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeich nung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Abschnitts einer Säule zum Trennen eines Gasgemisches nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Teils einer Säule zum Trennen eines Gasgemisches, die mit einem erfindungsgemäßen Verteiler für Flüssigkeiten und Gase ausgerüstet ist;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil der Säule und einen Vertei ler gemäß einer abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 4 einen Verteiler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Er findung in der Draufsicht; und

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Teils der Säule und eines Verteilers ge mäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil einer herkömmlichen Säule zum Trennen eines Gasgemisches weist einen zylindrischen Mantel 1 auf und ist auf einem Teil sei ner Höhe durch eine Ausfütterung 2 ausgefüllt, die eine aktive Zone der Säule bildet. Bei der als Beispiel dargestellten Anlage haben die Gase, die aus der Aus fütterung 2 austreten, eine Temperatur, die höher ist als die Temperatur, die ei gentlich gewünscht wäre, um diese Gase mit hoher Effizienz einem Waschprozeß unterziehen zu können. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Säule zur Be handlung eines Gemisches aus Wasserstoff, CO und Methan dient, das durch eine Reformierungsreaktion des Methans mit Wasserdampf gewonnen wurde. Die Säule hat dann die Funktion, das Gasgemisch zu trennen in reinen, gasför migen Wasserstoff, der sich am Kopf der Säule sammelt, und ein Gemisch aus flüssigem CO und Methan, das sich am Fuß der Säule sammelt. Zu diesem Zweck ist es häufig erwünscht, das in der Säule aufsteigende Gasgemisch mit flüssigem Methan zu waschen, das am Kopf der Säule zugeführt wird. Damit dieser Waschvorgang mit maximaler Effizienz abläuft, sollte er bei einer Tempe ratur in der Nähe von -180°C stattfinden. Da die aus der Ausfütterung 2 austre tenden Gase eine Temperatur haben, die etwas über dem gewünschten Wert liegt, werden diese Gase über eine Leitung 3 abgezogen, die den Mantel 1 der Säule 1 durchsetzt. Diese Gase werden durch einen Wärmetauscher 4 geleitet, wo ihnen Wärme entzogen wird (z. B. mit flüssigem CO). Nachdem die Tempera tur der Gase wieder auf -180°C zurückgeführt wurde, werden die Gase und die aufgrund des Wärmeverlusts auskondensierte Flüssigkeit über eine Leitung 5 wieder in die Säule eingeleitet. Die Leitung 5 mündet oberhalb der Leitung 3 in die Säule. Die flüssige Fraktion des über die Leitung 5 zurückgeleiteten Materi als wird von einer Flüssigkeitsbarriere 6 aufgefangen. Diese Flüssigkeitsbarriere 6 hat die Form eines Trichters, dessen oberer Rand auf dem gesamten Umfang mit dem Mantel 1 der Säule verbunden ist, und zwar in einer Höhe zwischen der Leitung 3, über die die Gase entnommen wurden, und der Leitung 5, über die die Gase und die kondensierte Flüssigkeit in die Säule zurückgeleitet werden. Der trichterförmige Teil der Flüssigkeitsbarriere 6 mündet in einen zylindrischen Teil 7, der einen geschlossenen Boden 8 hat. Flüssigkeit 9 kann sich somit am Boden der Flüssigkeitsbarriere 6 sammeln. Über Leitungen 10, 11 wird diese Flüssigkeit 9 in einen Verteiler 12 eingeleitet, der unter der Flüssigkeitsbarriere 6 angeordnet ist. Der Verteiler 12 kann von herkömmlicher Bauart sein und die Form eines relativ komplex gestalteten Behälters haben, dessen Boden Durch brüche 13, 14, 15, 16, 17, 18 aufweist. Die in dem Verteiler 12 vorhandene Flüssigkeit läuft durch die Durchbrüche 13, 14, 15, 16, 17, 18 des Verteilers auf die Ausfütterung 2 ab. Die Pegel der Flüssigkeiten 9, 19 in der Flüssigkeitsbar riere 6 und im Verteiler 12 entsprechen den Druckverlusten des Gases zwischen dem Niveau oberhalb und unterhalb dieser Flüssigkeiten. Der Boden des Vertei lers 12 weist auch Dome 20 mit Durchbrüchen 21 auf, die den Durchtritt der aus der Ausfütterung 2 aufsteigenden Gase durch den Verteiler 12 ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Säule, die in Fig. 2 gezeigt ist, weist zwischen dem Ni veau der zur Entnahme der Gase dienenden Leitung 3 und dem Niveau der zum Zurückleiten der Gase und der kondensierten Flüssigkeit dienenden Leitung 5 einen Träger 22 auf, der auf dem gesamten Umfang des Mantels 1 an der Innen wand des Mantels umläuft. Auf diesem Träger 22 liegt ein oberer Rand 23 eines Behälters 24 auf, der Teil eines Verteilers für Flüssigkeiten und Gase gemäß der Erfindung ist. Der Behälter 24 hat eine allgemein zylindrische Form, und sein Boden 25 weist Durchbrüche 26 auf Sein Außendurchmesser "d" ist kleiner als der Innendurchmesser "D" der Säule. Die Durchbrüche 26 verteilen die in dem Behälter 24 vorhandene Flüssigkeit 27 auf die obere Oberfläche der Ausfütte rung 2, oberhalb derer sich der Behälter 24 befindet. Die aus der Ausfütterung 2 aufsteigenden Gase strömen durch einen Ringspalt, der einerseits durch den Mantel 1 der Säule und andererseits durch die Umfangswand des Behälters 24 begrenzt wird. Sie werden zu der zur Gasentnahme dienenden Leitung 3 geleitet, da der Träger 22, auf dem der obere Rand 23 des Behälters 24 aufliegt, zusam men mit der Umfangswand des Behälters 24 eine Sperre für die aufsteigenden Gase bildet. Wie beim Stand der Technik durchströmen die aufsteigenden Gase einen Wärmetauscher 4, in dem die Gastemperatur auf den gewünschten Wert gesenkt wird. Nachdem die Gase über die Leitung 5 wieder in die Säule eingelei tet wurden, setzen die abgekühlten Gase ihren Aufstieg fort, während die kon densierte Flüssigkeit und die Waschflüssigkeit in den Behälter 24 tropfen, ohne daß eine gesonderte Flüssigkeitsbarriere oder irgendein anderes Organ vorhan den wäre, das der Flüssigkeitsbarriere 6 nach Fig. 1 vergleichbar wäre. Der Pe gel der Flüssigkeit 27 in dem Behälter 24 entspricht dem Druckverlust des Ga ses zwischen den Bereichen stromaufwärts und stromabwärts des Behälters 24. Im Vergleich zu der herkömmlichen Konfiguration nach Fig. 1 hat das Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 2 eine um etwa 1 m geringere Höhe. Die Höhe ist so mit deutlich reduziert. Dies ermöglicht es, die Höhe der Säule insgesamt be trächtlich zu verringern, was insofern besonders vorteilhaft ist, als die Stufen zum Abziehen, Kühlen und Wiedereinleiten des Gases in die Säule in großer Zahl vorhanden sind.

Gemäß einer in Fig. 3 gezeigten Abwandlung weist der Behälter 24 in seinem mittleren Teil eine Einschnürung 28 seines Innendurchmessers auf. So läßt sich die Menge an Flüssigkeit 27 reduzieren, die in dem Behälter 24 zurückgehalten wird. Um das Auffangen der Flüssigkeit 27 zu erleichtern, kann auch bei dem Behälter nach Fig. 3 oberhalb der Einschnürung 28 ein trichterförmiger Teil vorgesehen sein.

Gemäß einer in Fig. 4 gezeigten Abwandlung kann der obere Rand 23 des Be hälters 24 Öffnungen 29 aufweisen. Zusammen mit ähnlichen Öffnungen in dem Träger 22 ermöglichen die Öffnungen 29 den Aufstieg der Gase im Inneren der Säule. Diese Öffnungen 29 können auch in Wärmetauscher münden, die in ihrer Funktion dem Wärmetauscher 4 nach Fig. 1 bis 3 ähneln, jedoch in den Mantel 1 der Säule integriert sind. Nach dem Durchtritt der Gase durch die se Wärmetauscher und ihre Wiedereinleitung in das Innere der Säule sinkt die auskondensierte Flüssigkeit ab und wird in dem Behälter 24 aufgefangen.

Die erfindungsgemäßen Verteiler können auch in dem Fall benutzt werden, in dem die aufsteigenden Gase keine besondere Behandlung zu erfahren brauchen, sondern lediglich die absinkende oder herabtropfende Flüssigkeit gleichmäßig auf die Oberfläche der Ausfütterung (oder allgemeiner, auf die aktive Zone) un terhalb des Verteilers verteilt werden soll. Hierzu kann die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform des Behälters 24 eingesetzt werden. Dieser Behälter ist in eine Säule eingebaut, deren Mantel 1 keinerlei Einrichtungen zum Behandeln der aufsteigenden Gase aufweist, weder innerhalb noch außerhalb der Säule. Wie bei den in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen ist der Ringspalt zwi schen dem Behälter 24 und dem Mantel 1 der Säule am oberen Ende durch den mit dem Mantel 1 verbundenen Träger und den oberen Rand 23 des Behälters verschlossen. Weder der Rand 23 noch der Träger 22 weisen in diesem Fall Öff nungen auf, die den Durchtritt der aufsteigenden Gase gestatten. Statt dessen befinden sich Öffnungen 30 in der Umfangswand des Behälters 24. Somit wird der Aufstieg der Gase durch den Ringspalt nicht durch kondensierte Flüssigkeit behindert, die aus den höher gelegenen Stufen der Säule in den Behälter 24 tropft.

Wahlweise könnten die Öffnungen 30 auch im Rand 23 des Behälters vorgese hen sein.

Claims

1. Verteiler für Flüssigkeiten und Gase in einer Säule zum Material- und/oder Wärmeaustausch, gekennzeichnet durch einen einzigen Behälter (24), dessen allgemeine äußere Gestalt im wesentlichen zylindrisch ist und der dazu ausge bildet ist, zwischen seiner Umfangswand und der Innenwand des Mantels (1) der Säule einen Ringspalt zu bilden, und der einen perforierten Boden (25) aufweist, und durch Mittel (23) zum Verbinden des Behälters mit dem Mantel (1) der Säu le und Mittel (3, 5; 29; 30), die den Durchtritt der Gase aus dem Ringspalt in den Raum oberhalb des Behälters (24) ermöglichen.

2. Verteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (24) in seinem mittleren Teil eine Einschnürung (28) seines Querschnitts aufweist.

3. Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Durchtritt der Gase gestatten, durch Öffnungen (29) gebildet werden, die in einem oberen Rand (23) des Behälters (24) ausgebildet sind.

4. Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Durchtritt der Gase gestatten, durch Öffnungen (30) gebildet werden, die in der Umfangswand des Behälters (24) ausgebildet sind.

5. Säule zum Material- und/oder Wärmeaustausch, mit mindestens einem Verteiler für Flüssigkeiten und Gase, der in der Säule absinkende Flüssigkeit aufnimmt, um sie auf eine tiefer liegende aktive Zone (2) zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebil det ist.

6. Säule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Durchtritt der aufsteigenden Gase aus dem Ringspalt in den Raum oberhalb des Behälters (24) gestatten, eine Leitung (3) zur Entnahme der aufsteigenden Gase aus dem Ringspalt und eine Leitung (5) zum Wiedereinleiten der Gase in die Säule oberhalb des Behälters (24) aufweisen.

7. Säule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler nach Anspruch 3 ausgebildet ist und daß die Öffnungen (29) in einen in die Säule in tegrierten Wärmetauscher münden.