DE1419608B1

DE1419608B1 - Stoffaustauschkolonnen-Boden

Info

Publication number: DE1419608B1
Application number: DE1960F0032316
Authority: DE
Inventors: Franklin Drew Mayfield; James Hugh Mayes
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1960-10-11
Filing date: 1960-10-11
Publication date: 1971-07-22

Description

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Stoffaustauschkolonnen, in welchen aufwärts strö- abhängig von den Dampf- und Flüssigkeitsströmungs-

mender Dampf mit abwärts fließender Flüssigkeit Verhältnissen — je eine Anzahl Abdeckungen zum

miteinander in engen Kontakt gebracht werden, Zulauf und zum Ablauf hin gerichtet sind,

werden bei Destillier-, Fraktionier- und Absorptions- Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil,

vorgängen verwendet und werden darüber hinaus 5 daß der Operationsbereich des Stoff austauschkolonnen-

allgemein zur Beschleunigung chemischer Reaktionen Bodens wesentlich erweitert ist. Durch die variable

eingesetzt. Ausrichtung der Abdeckungen wird ferner eine we-

Es sind Kolonnen mit vertikal übereinander ange- sentliche Verbesserung des Stoff austausches erzielt. Da ordneten Lochböden bekannt, die Abflußrohre be- die Befestigung der Halter am Kolonnenboden lösbar sitzen, durch welche die Flüssigkeit nach unten zum 10 ausgebildet ist, kann die Anzahl der zum Zulauf genächsten Boden fließen kann. Bei anderen Böden richteten Abdeckungen bzw. die Anzahl der zum Abwiederum werden keine Abflußrohre verwendet, lauf gerichteten Abdeckungen in ihrem Verhältnis zusondern sowohl Flüssigkeit als auch Dampf treten einander variiert werden. Damit ist die Möglichkeit durch die gleichen Öffnungen des Bodens. gegeben, eine ursprünglich getroffene Abdeckungs-

Weiterhin wurden Kolonnenboden mit im wesent- 15 anordnung nachträglich zu ändern und damit die

liehen parallel zum Boden liegenden Abdeckungen Strömungsverhältnisse auf der Bodenplatte neu ein-

solcher Öffnungen vorgeschlagen, auf denen diese Ab- zusteuern.

deckungen unlösbar mit dem Kolonnenboden ver- Wenn beispielsweise ein Gemisch mit einem relativ

bunden sind und stets die aufsteigenden Dämpfe in kleinen Flüssigkeits-Dampf-Verhältnis destilliert wer-

einer bestimmten Richtung, zum Zulauf oder zum 20 den soll, so wird man den Anteil der Abdeckungen, die

Überlauf hin umlenken. Der Zulauf kann in der Mitte die Dämpfe zu dem Zulauf hin umlenken, vergrößern,

des Kolonnenbodens liegen, und sämtliche Ab- Umgekehrt ist es durch die Erfindung möglich, bei

deckungen über den Bodenöffnungen weisen mit ihren großem Flüssigkeits-Dampf-Verhältnis den Anteil der- ί

Zungen zum Überlauf hin, oder die Zungen aller Ab- jenigen Abdeckungen zu erhöhen, der den Dampf zu

deckungen sind in einem bestimmten Winkel zum Zu- 25 dem Überlauf hinlenkt.

lauf und Überlauf angeordnet. Es sind aber auch Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Lochböden mit auf konzentrischen Kreisen angeord- sind die Abdeckungen an Leistengliedern befestigt, neten Öffnungen bekanntgeworden, deren Abdeckun- die lösbar auf dem Kolonnenboden zwischen benachgen mit ihren Zungen zum zentral angeordneten Über- harten Öffnungsreihen angeordnet sind. Durch Lösen, lauf oder aber gleichzeitig zum Überlauf und zum Ab- 30 Umdrehen und erneutes Befestigen eines oder mehrerer lauf hinweisen. Alle diese bekannten Kolonnenboden Leistenglieder kann die gewünschte Anpassung an versind jedoch jeweils nur für ein bestimmtes Mengen- änderte Betriebsbedingungen erreicht werden. Daverhältnis der einander entgegenströmenden Phasen durch werden Zeitersparnisse beim Aufbau des Bodens eingerichtet, entsprechend der Zahl und Gestaltung und bei Umrüstungen erzielt.

der Abdeckungen. Die Böden versagen oder erleiden 35 Unter Verwendung solcher Leistenglieder ist es beeinen erheblichen Abfall ihres Wirkungsgrades schon sonders einfach, eine vorteilhafte Anordnung der Abbei geringen Abweichungen von dem Mengenverhält- deckungen dadurch vorzunehmen, daß die Abdeckunnis, das der Auslegung zugrunde gelegt wurde. Dem- gen der dem Bodenzulauf benachbarten Öffnungsgemäß sind Kolonnen mit derartigen Böden unge- reihen zum Bodenüberlauf (Bodenablauf), die Abeignet für Versuchsanlagen, bei denen die apparativen 40 deckungen der dem Bodenüberlauf benachbarten Bedingungen möglichst schnell und einfach den je- Öffnungsreihen zum Bodenzulauf und die Abdeckunweiligen Versuchsbedingungen angepaßt werden sollen. gen der mittleren Öffnungen in Reihen wechselweise Bei Verwendung der herkömmlichen Kolonnenboden zum Zulauf und zum Ablauf gerichtet sind. Die Anmüßte man hierzu eine Vielzahl der unterschied- Ordnung ergibt in bezug auf den Kontakt und den Λ lichsten Bodentypen in Bereitschaft haben, um durch 45 Stoffaustausch besonders günstige Strömungsverhält- ™ Austausch desselben ohne Zeitverlust die apparativen nisse.

Bedingungen den wechselnden Flüssigkeits-Dampf- Der bevorzugte Durchmesser der Bodenöffnungen

Verhältnissen anpassen zu können. liegt bei 25,4 mm. Die Öffnungen können rund,

Zwar ist auch ein Gas- und Flüssigkeitskontakt- schlitzförmig oder vieleckig sein. Ein genaues Ausapparat bekannt, bei dem die Durchflußöffnungen 5° richten — bei kreisförmigen Öffnungen Zentrieren — in Abhängigkeit von dem im Turm herrschenden der Abdeckungen über den Öffnungen ist nicht er-Druckunterschied mit Hilfe von Schwebeventilen forderlich. Die Größe der Öffnungen und die Größe selbsttätig geregelt werden, doch wird durch diese der Abdeckungen können voneinander abweichen. Konstruktion ebenfalls keine wirksame und vielseitige Daraus ergeben sich Vereinfachungen für die Kon-Anpassung an unterschiedliche Behandlungsgemische 55 struktion.

und Flüssigkeits-Dampf-Verhältnisse erreicht, wie es In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungs-

zu Versuchszwecken erforderlich ist. beispiele der Erfindung am Beispiel einer Fraktionier-

Diese Anpassung wird nun erreicht, wenn ein Stoff- kolonne dargestellt. Es zeigt

austauschkolonnen-Boden mit einem Zulauf und einem F i g. 1 einen partiellen Vertikalschnitt durch die

Überlauf für Flüssigkeiten und Reihen voneinander 60 Kolonne und zwei Fraktionierböden, entsprechend

getrennter Öffnungen, über denen mittels am Boden Linie 1-1 in F i g. 2,

befestigter Halter im Abstand vom Boden Abdeckun- F i g. 2 einen Querschnitt durch die Kolonne entgen im wesentlichen parallel zum Boden und in vor- sprechend Linie 2-2 in F i g. 1,
bestimmter Richtung ausgerichtet angeordnet sind, F i g. 3 eine perspektivische Ansicht der Abverwendet wird, bei dem erfindungsgemäß die Be- 65 deckungsbefestigung,

festigung der Halter (32, 58, 64) am Kolonnenboden F i g. 4 einen Querschnitt entsprechend der Linie 4-4

(6, 8) lösbar ausgebildet ist und die Abdeckungen (34, in F i g. 3,

56, 60, 62, 66, 68, 70, 72) so ausgerichtet sind, daß — F i g. 5 bis 11 verschiedene Formen der Öffnungen,

der Abdeckungen und deren Befestigung in perspektivischer Darstellung.

Die Kontaktvorrichtung oder die Kolonne 2 besteht aus dem senkrechten Mantel 4, einer Vielzahl übereinander angeordneter Stoffaustauschkolonnen-Böden, von denen nur zwei, 6 und 8, dargestellt sind. Der Boden 6 besitzt, mit der Bodenplatte verbunden, einen Zulauf 10 und einen Überlauf 14 für die Flüssigkeit. An dem Boden 8 sind der Zulauf mit 12 und der Überlauf mit 24 bezeichnet. Die Böden entsprechen der Bodenkonstruktion im gesamten Turm.

Mit dem Überlauf 14 des Bodens 6 ist der Abzug 16 verbunden, der sich nach unten in Richtung auf den Zulauf 12 des Bodens 8 erstreckt. Vom Boden 8 abwärts zum Zulauf 18 des Bodens 20 erstreckt sich der Abzug 22. Abwärts zum Zulauf 10 des Bodens 6 erstreckt sich der Abzug 26 eines nicht dargestellten Bodens. Der Flüssigkeitsspiegel wird auf jedem Boden mittels der Überläufe oberhalb der Linien gehalten. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit führt auf jedem Boden, wie in F i g. 1 durch Pfeile B angedeutet, vom Bodenzulauf zum Bodenablauf.

Jeder Boden besitzt eine Vielzahl von Öffnungen 28, die in Reihen angeordnet sind; jede dieser Reihen liegt rechtwinklig zu der durch die Pfeile B angedeuteten Strömungsrichtung. Die Öffnungen 28 einer Reihe sind gegen die Öffnungen der benachbarten Reihen versetzt, wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich.

Die Abdeckungen zur Umlenkung des durch die öffnungen 28 aufsteigenden Dampfes erstrecken sich im wesentlichen parallel zum Boden. Einzelheiten der in F i g. 1 und 2 über den Öffnungen 28 erkennbaren Abdeckungen sind aus Fi g. 3 und 4 zu ersehen; sie sind dort mit 34 bezeichnet. Die Abdeckungen einer Reihe 36 sind über Halter 32 mit einem Leistenglied 30 verbunden. Jedes Leistenglied besitzt, in Abständen angeordnet, Gewindestifte 38 zur Aufnahme eines Spannstückes 40, das einen Schlitz 42 und einen angeformten Haken mit den Schenkeln 46 und 48 aufweist. Der Haken greift in eine der Bodenöffnungen 28 ein. Durch an den Haltern 32 befestigte Greifer 50 mit den Schenkeln 52 und 54 läßt sich das Leistenglied 30 im Zusammenwirken mit dem Spannstück 40 und einer Mutter 44 auf dem Boden lösbar befestigen. Die Höhe der Halter 32 bestimmt den Abstand der Abdeckungen 34 vom Boden und damit die Änderung des Druckabfalls gegenüber einem Boden mit nicht abgedeckten Öffnungen.

Wie aus F i g. 1 und 2 weiter zu ersehen, ist der eine Teil der Abdeckungen zum Bodenzulauf hin und der andere Teil zum Bodenüberlauf hin gerichtet. Die Anzahl der jedem Teil zugeordneten Öffnungen ist, wie bereits erwähnt, abhängig von den Belastungsverhältnissen der Kolonne. In F i g. 2 sind die dem Zulauf 10 des Bodens 6 benachbarten drei Reihen mit Abdeckungen versehen, die zum Überlauf 14 hin gerichtet sind; die Abdeckungen der dem Überlauf 14 benachbarten zwei Reihen sind zum Zulauf 10 und die der mittleren vier Reihen wechselweise in Reihen zum Zulauf 10 und Überlauf 14 hin gerichtet.

Den in F i g. 3 mit 34 bezeichneten Abdeckungen entspricht der Form nach in etwa die Abdeckung gemäß Fig. 5; der Halter58 wird mit einer nicht sichtbaren Verbindung am Boden über der Öffnung28a gehalten, die etwas kleiner ist als die Abdeckung.

Die Abdeckung 60 nach F i g. 6 hat eine längsgeriffelte Form. In F i g. 7 ist gezeigt, daß die Abdeckung 62 kleiner bzw. schmaler ausgeführt ist als die Öffnung 28έ. Der Halter ist hier mit 64 bezeichnet.

Über den kreisförmigen öffnungen 28 c nach F i g. 8 sind halbkreisförmige Abdeckungen 66 angebracht. Die öffnungen28c? können, wie in Fig. 9 gezeigt, quadratisch sein und quadratische Abdeckungen 68 besitzen. In Fig. 10 sind rechteckige öffnungen28e von rechteckigen Abdeckungen 70 überdeckt, in Fig. 11 sechseckige Öffnungen28/von sechseckigen Abdeckungen 72. Die Form der Öffnungen muß nicht mit der Form der Abdeckungen übereinstimmen, so könnten über kreisförmigen Öffnungen auch rechteckige Abdeckungen angeordnet sein.

Nach der Erfindung ist es möglich, eine Kolonne mit Glockenboden, in welcher die Aufsätze und Abgaseinsätze entfernbar sind, strukturell durch einfache Entfernung der Einsätze und Installierung der beschriebenen Abdeckungen über den Bodenöffnungen zu verändern.

Der Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit kann in einem weiten Bereich von Dampf- und Flüssigkeitsströmungsverhältnissen erfolgen, während eine dauerhafte und wirksame Fraktionierung durch einfaches Verändern der Anzahl von Abdeckungen, die zum Überlauf gerichtet sind, gegenüber denjenigen Abdeckungen, die zum Zulauf gerichtet sind, aufrecht erhalten werden kann.

Beispielsweise betrug in einer Kolonne, die mit einem hohen Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis betrieben wurde, die Anzahl der Abdeckungen, die zum Überlauf gerichtet waren, 50 bis 55 % ^aH^er Abdeckungen, während die übrigen Abdeckungen zum Zulauf gerichtet waren. Dagegen wird in einer Kolonne, in der niedrige Dampfgeschwindigkeiten und sehr hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten auftreten, eine größere Anzahl von Abdeckungen zum Überlauf gerichtet.

In einer trockenen Kolonne mit einem Durchmesser von etwa 2,75 m, die einerseits mit Aufsätzen und Abzügen ausgestattet war (als konventionelle Glockenbodenkolonne) und bei der andererseits die Aufsätze und Abzüge durch Abdeckungen gemäß der Erfindung ersetzt wurden, wurden die folgenden in Tabelle I aufgeführten Vergleichszahlen erhalten.

Tabelle I
Druckgefälle von Testböden

Ausgerüstet mit Abdeckungen gemäß der Erfindung	Trocken-	Ausgerüstet mit Bodenglocken	Trocken-
	Kolonnen-		Kolonnen-
Luftdurchsatz/	boden-Druck-	Luftdurchsatz/	boden-Druck-
Kolonnenfläche	gefälle in	Kolonnenfläche	gef alle in
cm³/sec · cm²	Atmosphären	cm³/sec · cm²	Atmosphären
	0,001229		0,001229
2,0 -10²	0,002458	1,73 · 10²	0,002458
2,52 · 10²	0,003367	2,14 · ΙΟ²	0,003687
2,85 · 10²	0,004301	2,48 · 10²	0,004916
3,15 · 10²	0,005530	2,80 · 10²	0,006145
3,45 · 10²	3,09 · 10²

Tabelle II zeigt das Druckgefälle von Testböden mit Abdeckungen bei einem Luft-Wasser-System und verschiedener Flüssigkeitsströmung pro Kubikmeter Überlauf.

Tabelle II

Luftdurchsatz/

Kolonnenfläche

cm³/sec · cm²

1,56 · 10²
2,56 · 10²
3,15 · 10²
3,59 · 10²

Druckgefälle in
Atmosphären bei
7360 m³/Std. ■ m

0,005210
0,005850
0,006464
0,007079

Druckgefälle in
Atmosphären bei
9900 m^s/Std. · m

0,005948
0,006587
0,007226
0,007865

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Erfindungsgemäß kann der Flüssigkeitsgradient, dessen Höhe bei Glockenbödenkolonnen großen Durchmessers oftmals ein Problem darstellt, auf den gewünschten Wert zurückgeführt werden, indem eine größere Zahl von Abdeckungen zum Überlauf gerichtet wird. Auch liegt es im Bereich der Erfindung, die Abdeckungen in solchen Böden vorzusehen, die noch über einigen Öffnungen die Glocken und Abzüge ao aufweisen, um den Flüssigkeitsgradienten herabzusetzen und somit die Wirksamkeit der Abdeckungen zu verbessern. Auch können in einer Kolonne mit Lochböden die Flüssigkeit und der Dampf periodisch neu verteilt werden, indem die Böden nur abwechselnd mit den neuen Abdeckungen ausgestattet werden. So kann jeder fünfte oder jeder dritte mit den neuen Abdeckungen versehen werden, um eine vollständige Kontrolle der Flüssigkeit und des Dampfes aufrechtzuerhalten. Die Abdeckungen nach der Erfindung können daher wirksam bei Lochböden verwendet werden, die keine Abzugsrohre besitzen.

Auf Grund der leichten Beweglichkeit der die Abdeckungen tragenden Leisten kann das Flüssigkeitsniveau auf jedem Boden gesteuert und damit ein inniger Kontakt der Flüssigkeit mit dem Dampf aufrechterhalten werden.

Die Lösbarkeit der Abdeckungen bzw. der Leisten erleichtert nicht nur die Einsteuerung des Flüssigkeitslaufes über den Boden, sondern auch die Reinigung. Die Reinigung kann bei großen Kolonnen durch teilweise Entfernung eines Teils des Bodens weiter vereinfacht werden. Hierzu kann eine Trennfuge 88 (F i g. 2) angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Stoffaustauschkolonnen-Boden mit einem Zulauf und einem Überlauf für Flüssigkeiten und Reihen voneinander getrennter Öffnungen, über denen mittels am Boden befestigter Halter im Abstand vom Boden Abdeckungen im wesentlichen parallel zum Boden und in vorbestimmter Richtung ausgerichtet angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Halter (32, 58, 64) am Kolonnenboden (6, 8) lösbar ausgebildet ist und daß die Abdeckungen (34, 56, 60, 62, 66, 68, 70, 72) so ausgerichtet sind, daß — abhängig von den Dampf- und Flüssigkeitsströmungsverhältnissen — je eine Anzahl Abdeckungen zum Zulauf und zum Ablauf hin gerichtet sind.

2. Stoffaustauschkolonnen-Boden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen an Leistengliedern (30) befestigt sind, die lösbar auf dem Kolonnenboden (6, 8) zwischen benachbarten Öffnungsreihen angeordnet sind.

3. Stoffaustauschkolonnen-Boden nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen der dem Bodenzulauf benachbarten Öffnungsreihen zum Bodenüberlauf, die Abdeckungen der dem Bodenüberlauf benachbarten Öffnungsreihen zum Bodenzulauf und die Abdeckungen der mittleren Öffnungen in Reihen wechselweise zum Zulauf und zum Ablauf gerichtet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen