DE1040514B - Verfahren zur Durchfuehrung von Stoff- und/oder Waermeaustausch zwischen Gasen und Fluessigkeiten und/oder zur Durch-fuehrung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen und Fluessigkeiten in der fluessigen Phase in einer Fuellkoerperschicht - Google Patents

Description

• Verfahren zur Durchführung von Stoff-und/oder Wärmeaustausch zwischen Gasen und Flüssigkeiten und/oder zur Durchführung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten in der flüssigen Phase in einer Füllkörperschicht Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen Gasen und Flüssigkeiten und/oder zur Durchführung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten in der flüssigen Phase in einer Füllkörperschicht.
• Es ist bekannt, Wärme- und Stoffaustausch sowie Katalyse in berieselten, festen Füllkörperschichten durchzuführen. Dabei wird die Flüssigkeit, die mit dem Gas in innige Berührung gebracht werden soll, im Gleich- oder Gegenstrom zum Gas durch die Füllkörperschicht hindurchgeführt. Der Stoff- und Wärmeanstausch erfolgt an der benetzten Oberfläche der einzelnen Füllkörper. Bei der Durchführung katalytischer Vorgänge in der Flüssigkeit können die Füllkörper selbst als Kontaktsubstanzträger oder auch als Kontaktsubstanz ausgebildet sein, wobei die gewünschte Reaktion an der Füllkörperoberfläche tmterhalb des Flüssigkeitsfilms erfolgt.
• Es ist ferner bekannt, Katalysatorsubstanz als Suspension der die Füllkörperschicht durchrieselnden Flüssigkeit mitzugeben.
• Es sind auch bereits Verfahren bekannt, bei denen zum Stoff- und Wärmeaustausch Bodenkolonnen vorgesehen werden, die aus strömungstechnisch hintereinandergeschalteten einzelnen Böden bestehen. Der Stoff- bzw. Wärmeaustausch erfolgt bei diesen Verfahren beim Durchperlen des Gases durch die Flüssigkeit, wobei an der Oberfläche der einzelnen Blasen die innige Berührung zwischen Gas und Flüssigkeit erfolgt. Derartige Bodenkolonnen haben jedoch den Nachteil, daß Gas und Flüssigkeit nur mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit durch die einzelnen öffnungen hindurchtreten können und die Dauer der Berührung beider Phasen klein ist. Auch bei diesen Verfahren kann man feste Kontaktsubstanzen in feinster Verteilung in der Flüssigkeit suspendieren und derart katalytische Vorgänge hervorrufen. Hier ist aber von Nachteil, daß nur in der Nachbarschaft der Gasdurchtrittsstellen die Wechselwirkung beider Phasen vor sich geht und die entfernter liegenden Stellen wegen des großen Diffusionsweges schlechter arbeiten. Außerdem besteht an diesen Stellen die C.efahr der Sedimentation der Kontaktsuspension Bei der Verwendung von Füllkörperschichten zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch wird dabei grundsätzlich von einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases ausgegangen, die unterhalb der oberen Grenzgeschwindigkeit liegt, bei der ein Fluten der Kolonnen auftritt.
• Man bezeichnet diese obere Grenzgeschwindigkeit auch als Überreißgrenze und definiert sie als die Gasgeschwindigkeit, bei der die Flüssigkeit nicht mehr die Möglichkeit hat, gegen das Gas anzuströmen.
• Die Erfindung macht unter grundsätzlicher Abkehr von den bei Füllkörperschichten verwendeten Strömungsprinzipien von dieser gefürchteten und bisher grundsätzlich vermiedenen Erscheinung Gebrauch, da erkannt wurde, daß sich oberhalb der oberen Grenzgeschwindigkeit in der Füllkörperschicht ein Strömungszustand der Flüssigkeit ausgebildet, der durch stärkste Verwirbelung und ständige Neubildung von Oberflächen gekennzeichnet ist. Durch ständiges Zerreißen des Flüssigkeitszusammenhanges treten außer dem dünnwandige Flüssigkeitsschichten auf, die den Diffusionsweg außerordentlich herabsetzen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/oder Wärmeaustausch zwischen Gasen und Flüssigkeiten und/oder zur Durchführung katalytischer Umsetzungen zwischen Gas und Flüssigkeit in der flüssigen Phase in einer Füllkorperschicht ist also dadurch gekennzeichnet, daß die Gase mit einer oberhalb der oberen Grenzgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit gegen die Wirkung der Schxverkraft gegen die flüssige Phase durch die Füllkörperschicht anströmen und das flüssige Reaktionsprodukt am Kopf der Füllkörperschicht abgezogen wird.
• Slit diesem Verfahren lassen sich Destillationen, Absorptionen und Katalysen in der flüssigen Phase, wobei die Füllkörper als Kontaktsubstanz bzw. als Kontaktträger ausgebildet sein können oder eine Kontaktsuspension der Flüssigkeit mitgegeben werden kann, bei einem extrem günstigen Strömungszustand durchzuführen, wobei neben den optimalsten Stoff-bzw. Wärmeübergangsbedingungen eine ausreichende Verweilzeit der Flüssigkeit in der Kolonne gewährleistet ist, um katalytische Vorgänge ablaufen zu lassen. Bei Verwendung von Kontaktsuspensionen ist die Arbeitsweise der Erfindung besonders vorteilhaft, da der besagte Strömungszustand eine ständige, lel)-hafte Durchmischung der Flüssigkeit bewirkt. wodurch gleichzeitig ein Sedimentieren der Kontaktsubstanz vermieden werden kann.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt also kein Durchströmen der Schicht mit Flüssigkeit derart, daß der Ablauf der Flüssigkeit am Boden stattfindet, sondern das flüssige Reaktionsprodukt wird am oder in der Nähe des Kopfes der Füllkörperschicht abgezogen. Wünscht man bei diesem Verfahren das Gegenstromprinzip zur Anwendung zu bringen, so kann man die Füllkörperschichten in Abschnitten bodenartig hintereinander anordnen, wobei die Flüssigkeit von der Schüttung der einen Stufe zur Schüttung der folgenden Stufe geführt wird.
• Eine derartige Kolonne zur Durchführung des Verfahrens besteht vorzugsweise aus auf Rosten befindlichen, übereinander angeordneten Füllkörperschichten, die durch Überläufe mit Tauchleitungen mit einander in Verl)indung stehen, wobei das Reaktionsprodukt am Kopf der untersten Füllkörperschicht. d. h. am Boden der Kolonne, abgenommen wird.
• Um ein sicheres Überschreiten der oberen Grenzgeschwindigkeit zu erzielen, kann man die einzelne Schüttung so ausführen, daß die obere Grenzgeschwindigkeit von Querschnitt zu Querschnitt der Schüttung rerschieden groß gewählt wird, so daß in einer bestimmten Ebene des Querschnitts die obere Grenzgeschwindigkeit erreicht wird. Im einzelnen läßt sich dies durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Verkleinerung der hydraulischen Radien der Schüttung mit zu- oder abnehmender Füllkörperhöhe sowie durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Schüttung durch Verengung ihres Querschnitts vornehmen. Es wird im allgemeinen von der Flüssigkeitsmenge abhängen, ob mit zunehmender Höhe der Schüttung ihre obere Grenzgeschwindigkeit durch die Wahl abnehmender hydraulischer Radien herabgesetzt bzw. die Gasgeschwindigkeit durch Verengung des Querschnitts der Füllkörpersäule heraufgesetzt wird, oder umgekehrt. Ist die Flüssigkeitsmenge groß genug, um technisch ausreichend große Querschnitte bis zur Uberreißgrenze auszurieseln. dann wird die erstere Arbeitsweise bevorzugt. Wird dagegen auf große Verweilzeit der Flüssigkeit in einem Boden Wert gelegt, so wird man mit zunehmender Füllkörperhöhe die Gasgeschwindigkeit heralsetzen und/oder die hydraulischen Radien der Schüttung vergrößern.
• Für die Konstruktion der Kolonne lassen sich je nach den vorzunehmenden Reaktionen die verschiedensten Ausführungsformen denken. Nian kann bei spielsweise in der Schüttung an zwei Stellen die obere Grenzgeschwindigkeit erreichen und überschreiten, wobei in einer Zwischenzone, die unterhalh der unteren Grenzgeschwindigkeit liegen kann, die Flüssigkeit durch die Gasströmung hochgestaut wird. bis sie in jene Zone gelangt, in der sie vom Gas mitgerissen wird und von wo aus sie abfließt. Die jeweils zweckmäßig zur Anwendung kommende Anordnung der Füllkörperschichten läßt sich experimentell ohne Schwierigkeiten nach den jeweiligen Bedingungen des Betriebes der Kolonne ermitteln. Wesentlich ist, daß das Grundprinzip der Erfindung, die Gase mit einer oberhalb der oberen Grenzgeschwindigkeit liegenden (tleschwindigkeit gegen die Wirkung der Schwerkraft gegen die flüssige Phase durch die Füllkörperschicht anströmen zu lassen. in jedem Falle erhalten hleil)t.
• Experimentell läßt sich auch diejenige Betriebsweise ohne Schwierigkeiten ermitteln, bei der Belastungsschwankungen weitgehendst aufgefangen werden. Die Überläufe von Schüttung zu Schüttung sind zweckmäßig mit Tauchleitungen an sich bekannter Form eingerichtet. um dem Gas eine Umgehung der einzelnen Schüttungen zu versperren.
• Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in Form einer Kolonne, wobei der Übersichtlichkeit halber nur drei Böden im einzelnen dargestellt sind.
• Die Zeichnung zeigt die siebartigen Roste 1, 2 und 3. Auf diesen Rosten befindet sich eine Füllkörperschicht 4, die gegebenenfalls mehrschichtig sein kann, wie es bei mittleren Böden bei 5, 6 und 7 angedeutet ist. Der Kolonne 8 wird von unten in Richtung des Pfeiles 9 Gas zugeführt, das gegen die Wirkung der Schwerkraft gegen die flüssige Phase auf den einzelnen Siebböden 1, 2 und 3 usw. mit oberhalb der oberen Grenzgeschwindigkeit liegender Geschwindigkeit anströmt. Auf jedem Boden befindet sich ein überlauf 10 mit einer Tauchleitung 11. Vom Boden 2 fließt deshalb Flüssigkeit durch den tZberlauf 10 über die Tauchleitung 11 und tritt aus einer Düse 12 aus, von wo sie sich über die Füllkörpersehicht auf dem Siebboden 3 gleichmäßig verteilt. Die Flüssigkeit auf den einzelnen Böden befindet sich in einer wallenden, kochenden Bewegung. so daß dadurch gewährleistet ist, daß die Kontaktsubstanz in innige Berührung mit Gasen und Flüssigkeit gebracht wird.
• P i 1- N 51'!'' 1. Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/ oder Wärmeaustausch zwischen Gasen und Flüssigkeiten und/oder zur Durchführung katalytischer Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten in der flüssigen Phase in einer Füllkörperschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase gegen die Wirkung der Schwerkraft mit einer oberhalb der oberen Grenzgesclwindigkeit liegenden Geschwindigkeit der flüssigen Phase durch die Füllkörperschicht entgegengeführt werden und die Flüssigkeit bzw. das flüssige Reaktionsprodukt am Kopf der Füllkörperschicht abgezogen wird.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Phase durch mehrere übereinander angeordnete Füllkörperschichten in Stufen verschiedener Konzentration unterteilt ist.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen gegen die Gasströmungsrichtung miteinander in Verbindung stehen.

   4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei katalvtischen Umsetzungen die Füllkörper als Kontaktsubstanz oder Kontaktträger ausgebildet sind.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssigen Phase Katalysatorsuspensionen zugesetzt werden.

   6. Kolonne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3. gekennzeichnet durch auf Rosten (1,2,3) befindliche, übereinander angeord- netze Füllkörperschichten (4), die durch Uberläufe (10) mit Tauchleitungen (11) miteinander in Verbindung stehen.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 903 445.