DE1442714B2 - Packungseinheit für Umsetzungsoder Stoffaustauschkolonnen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Packungseinheiten zur Verwendung in Kolonnen, in denen Umsetzungsoder Stoffaustauschprozesse stattfinden, bestehend aus ein- oder mehrfädigem, schlauchartig gewirktem und gewelltem Band in vertikaler Anordnung, wobei sich die Richtungen dieser Wellen von zwei benachbarten Lagen kreuzen.

Nach der deutschen Auslegeschrift 1 067 783 werden in Kolonnen Einsätze aüfeinandergestapelt, welche aus mit einem Haltering befestigten, vertikal, parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordneten, schichtenförmigen Elementen aufgebaut sind. Diese schichtförmigen Elemente können einfache Bleche, die eben oder gewellt sein können, wie auch Lochplatten und Siebmaterial sein. Diese Einsätze sind nicht direkt aufeinander aufsitzend in die Kolonne gefüllt, sondern in einem horizontalen Abstand. Mit diesen Einbauten ist der Zusammenbau und auch der Ausbau für Reinigung und Neufüllung der Kolonne kompliziert und aufwendig.

Die parallelen Bleche, wobei hier im folgenden unter Blechen auch die Lochplatten und Siebe, sowohl ebener als gewellter Ausführung verstanden werden sollen, sind in ihrer Hauptausdehnung parallel zu dem Flüssigkeitsstrom und dem Gasstrom angeordnet, d. h., es wird bei unterer Gäseihführung und oberer Flüssigkeitszufuhr die Flüssigkeit über die Oberfläche dieser Bleche abwärts rinnen und nur entlang dieser Flächen mit der Gasphase in Berührung kommen. Das Verhältnis von wirksamer Oberfläche zu dem Volumen ist für Kolonneneinsätze bei dieser Art von Füllungen nicht sehr groß.

Da das Verhältnis von wirksamer Oberfläche zu dem Kolonnenvolumen nicht die hohen Werte erreicht, wie sie für Hochleistungstrennkolonnen verlangt werden, eignen sich derartige Destillations- und Extraktionskolonnen im wesentlichen nur zu groben Trennungen.

Eine Abwandlung dieser Kolonnenfüllung ist aus der deutschen Auslegeschrift 1088 026 bekannt. Diese bestehen aus geschichteten Geflechten, Geweben oder Gewirken, die quer zur Durchflußrichtung wechselweise ein dichtes und ein lockeres Gefüee besitzen. Es handelt sich also um zwei sehr unterschiedliche Materialien, wobei als dichter Werkstoff ein siebartiges Produkt, als lockeres Geflecht ein dreidimensionales Gebilde angesehen werden kann. Diese beiden Werkstoffe werden abwechselnd für die Kolonnenfüllung herangezogen, wobei sie zu den Kolonnenwänden parallel stehen können. Sie können aber auch gemeinsam spiralig aufgewickelt den Kolonnenquerschnitt erfüllen oder auch in vertikaler

ίο Orientierung zickzackgelegt sein. Hier treten in etwa die gleichen Erscheinungen wie bei den Kolonnen im Sinne der deutschen Auslegeschrift 1 067 783 auf.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei Hochleistungstrennkolonnen liegt in der gleichmäßigen Verteilung von flüssiger und gasförmiger Phase über dem gesamten Kolonnenquerschnitt und über die ganze Kolonnenhöhe. Bei parallel und im Abstand voneinander angeordneten Blechen, Sieben oder Netzen ist jedoch in radialer Richtung keine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung zu erwarten, da diese parallel zu den Blechen anders sein wird wie senkrecht zu den Blechen.

Bei einer anderen bekannten Kolonnenfüllung handelt es sich um Packungselemente, die ohne Befestigung in das ganze Kolonnenvolumen geschichtet werden und aus Zylinderstücken aufgebaut sind. Diese Zylinderstücke werden hergestellt, indem man aus einem Fadenmaterial ein schlauchartiges Gewirke herstellt,"diesen Schlauch zusammenpreßt und gegebenenfalls mit parallelen Wellen versieht, und zwei dieser doppelten Bänder derart aufeinanderlegt, daß sich die Linien der Eindrückungen an benachbarten Flächen kreuzen, und das doppelschichtige Material spiralig aufrollt.

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung dieser bekannten Kolonnenfüllung, die deren Nachteile, die im folgenden noch in Gegenüberstellung zu den erfindungsgemäßen Vorteilen näher ausgeführt werden, nicht aufweisen.

Die Erfindung betrifft söhiit eine Packungseinheit zur Verwendung in Kolonnen, in denen Umsetzungsoder Stoffaustauschprözesse stattfinden, bestehend aus mehrfädigem, schlauchartig gewirktem und gewelltem Band in vertikaler Anordnung, wobei sich die Richtungen dieser Wellen vdti zwei benachbarten Lagen. kreuzen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das schlauchartig gewirkte Band in ebenen Lagen aneinandergelegt ist. Vorzugsweise ist das Band zickzackförmig gefaltet.

Bei der erfindühgsgemäßen Kolonnenfüllung handelt es sich also um Zylinderstücke, die hergestellt sind, indem gedoppelte Bänder aus schlauchartigen Gewirken aus Fadenmaterial schichtförmig aufeinandergelegt sind, und zwar derart, daß bei Einsatz des

Zyiinderstückes in die kolonne die Richtung der Schichten vertikal zu der Kolonnenachse zu liegen kommen. Diese aneinanderliegenden Schichten aus dem gedoppelten gewirkten Band können zur Befestigung in der Lage mit einer Hülle in Form eines lockeren Gewirkes umgeben sein. Die lagenweise Anordnung der Schichten kann entweder aus einem endlosen Band zickzackförmig erfolgen oder aber in parallelgelegten Teilstücken. Die bevorzugte Ausführungsweise ist die Zickzack-Anordnung aus endlosem, gedoppeltem, gewirktem Band.

Eine Befestigung der Zylinderstücke der erfindungsgemäßen Packungseinheit innerhalb der Kolonne ist nicht erforderlich. Diese können ohne we-

ihrerseits wieder zum Durchlaufen der Flüssigkeit, also zum Kolonnendurchbruch führen kann.

Es zeigte sich nun wider Erwarten, daß die Schwierigkeiten der spiraligen Packung weitgehend behobeh werden können^ indem man erfindungsgemäß die gewellten, doppelten Gewirke vertikal anordnet und zu Zylinderstücken vereinigt, die dann iriit zueinander senkrecht stehender Schichtrichtung in die Kolonne gefüllt werden.

Ursprünglich versprach die spiralige Packung eine hohe Wirksamkeit und gute Wirtschaftlichkeit bei der Vakuumdestillation in Kolonnen mit geringem Durchmesser. Es zeigte sich jedoch, daß die Wirksamkeit geradezu katastrophal sinkt mit steigendem

strie immer mehr gegen größere Kolonnendurchmesser und daher günstigeres Verhältnis von Investition und Betriebsaufwand zur Leistung der Kolonne.

Die erfindungsgemäße Packung zeigt im Gegensatz zur spiraligen Packung kein Absinken der Wirksamkeit bei zunehmendem Kolonnendurchmesser. Die Leistung .von Kolonnen mit einem Durchmesser von 150 mm ist mit der erfindungsgemäßen paralle-

sentlichen Arbeitsäufwand vori ungelernten Kräften in die Kolonne eingesetzt werden. Es soll nur darauf geachtet werden; daß die Packungen hinsichtlich der vertikalen Läge ihrer Bandstücke gegeneinander versetzt sind, z. B. in einem Winkel von 90°.

Bei allen Destillationen, Extraktionen und Trennvorgängen in mit Füllkörpern oder Einbauten gepackten Kolonnen ist — wie bereits erwähnt — das Hauptproblem die gleichmäßige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasphase und flüssiger Phase über die gesamten Kolonnenquerschnitte und das gesamte Kolonnenvolumen. Die Einhaltung der gleichmäßigen Verteilung der Gasphase ist im allgemeinen relativ einfach, wogegen die Einhaltung einer

überall gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung außeror- 15 Kolonnendurchmesser, wodurch natürlich die Andentliche Schwierigkeiten bereitet. Bekanntlich sind wendbarkeit der spiraligen Packung begrenzt ist. Für die üblichen auch oben diskutierten Füllkörperko- industrielle Vakuumdestillationen, für die in erster lonnen stark randgängig, d. h., Menge und Geschwin- Linie derartige Packungen gedacht sind, aber auch digkeit der flüssigen Phase wird von der Kolonnen- Isotopentrennungen und ähnliche superfeine Trennachse aus in Richtung zu den Wänden immer grö- 20 verfahren, sind jedoch kleine Kolonnen nicht so sehr ßer. wünschenswert, und die Tendenz geht in der Indu-

Im Gegensatz dazu erwies sich wider Erwarten
die Kolonne mit den bekannten Packungselementen
als mittengängig. Lange Zeit war keine plausible Erklärung für dieses abnorme Verhalten der Kolonne 25
vorhanden. Infolge der sehr komplexen Natur der
Probleme bei der Destillation oder Extraktion, wo
nicht nur die Thermodynamik der Flüssigkeit und
des Gasstromes schon sehr vielschichtig ist, kommen
die Faktoren des Massentransportes, der Oberflä- 30 len Packung ungefähr doppelt so hoch als mit der chenspannung, Viskosität und Kapillarität, der Tem- spiraligen. Bei noch größeren Kolonnendurchmesperaturverteilung in der flüssigen, gasförmigen und sern ist der Unterschied noch augenfälliger,
festen Phase und viele andere Faktoren dazu. Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Ko-

Man kannte die relativ hohe Leistungsfähigkeit lonnenpackung sind die geringe Höhe der theoretider Packungselemente, aber auch ihre Nachteile. Man 35 sehen Böden und der außerordentlich kleine Druckwußte aber nicht, warum sie wider Erwarten mitten- abfall.

gängig sind. Man kannte keine Möglichkeit der Be- Das schlauchartige Gewirke des Bandes kann aus

seitigung der Mittengängigkeit. Ein Ableiten durch irgendeinem steifen Material hergestellt sein; für Einbauten verbot sich aus naheliegenden Gründen. hohe Arbeitstemperaturen aus Metalldrähten, bei-Die Verhältnisse wurden immer ungünstiger je grö- 4° spielsweise aus nichtrostendem Stahl oder Kupferleßer der Kolonnendurchmesser ist. Die bekannten gierungen oder aus Glasfäden. Für niedere Arbeits-Packungselemente können daher nur für Kolonnen temperaturen eignen sich Kunststoffäden, z. B. aus relativ geringen Durchmessers angewandt werden. einem 8-fädigen Garn. Die im Band eingepreßten Bei größeren Durchmessern fällt die Wirksamkeit Wellen liegen vorteilhafterweise in einem Winkel dieser spiraligen Packungen außerordentlich schnell. 45 zwischen 30 und 45° zur Bandlängsrichtung.

Wie oben bereits erwähnt, herrschte zur Zeit der Die Erfindung wird nachfolgend an Hand sche-

Entwicklung der erfindungsgemäßen Kolonnenpakkung zwar Kenntnis über das empirische Verhalten spiralig aufgewundener, doppelter Gewirke, jedoch

keine Klarheit über die theoretischen Ursachen. Auf 50 Lage 1 des gedoppelten, schlauchartigen, gewellten der Suche nach einer Verbesserung der Mittengän- Bandes aus mehrfädigem Garn, deren eingepreßte, gigkeit der spiralig aufgewundenen Packungen wäre
eigentlich zur Erhöhung der Homogenität eine Anordnung in horizontalen Schichten naheliegend gewesen. Da würden dann keine radial gerichteten Kräfte 55 (gefalteten) Lagen des gedoppelten, schlauchartigen, und Wandeffekte zu erwarten sein. Die durch die gewellten Bandes, deren Wellen sich an den zugekehrten Flächen kreuzen;

F i g. 3 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Packungseinheit mit zickzackgefaltetem Band gemäß Fig. 2;

F i g. 4 zeigt in Draufsicht eine andere erfindungs-

matischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer

parallele Wellen 2 zur Bandlängsrichtung im Winkel liegen;

Fig.2 ist eine perspektivische Ansicht von zwei

Oberflächenkräfte longitudinal gerichteten Spannungen wurden einen gewissen Ausgleich herbeiführen und die örtlichen Unterschiede der Flüssigkeitsgeschwindigkeit begrenzen.

Es zeigte sich jedoch, daß solche horizontalen Lagen unwirksam sind, und die Unwirksamkeit der horizontalen Lagen hat einen ganz anderen Grund. Ein glattes, filmartiges Abfließen der Flüssigkeit erfordert, daß der Draht, aus welchem das Gewirke gebildet ist, und die Kreuzungsstellen möglichst in der gleichen Ebene liegen. Liegen die Lagen horizontal, so besteht die Neigung zu einer Tropfenbildung, die

gemäße Packungseinheit, aufgebaut aus aufeinandergelegten, auf Maß beschnittenen Lagen gemäß Fig. 1;

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Packungseinheit, bei der einmal gefaltete »Doppellagen« entsprechender Dimension aufeinandergeschichtet sind;

F i g. 6 zeigt vergrößert das bevorzugte Gewirke.

Die erfindungsgemäßen Packungseinheiten werden vorzugsweise in einer Hülse oder einem Beutel 3 aus einer oder mehreren Schichten des gleichen oder eines ähnlichen Bandmaterials zusammengehalten.

Beim Beladen der Kolonne mit den erfindungsgemäßen Packungseinheiten werden diese übereinandergestapelt, wobei die vertikalen Lagen der aneinanderliegenden Einheiten um einen Winkel, beispielsweise 90°, versetzt sein sollen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Packungseinheit zur Verwendung in Kolonnen, in denen Umsetzungs- oder Stoffaustauschprozesse stattfinden, bestehend aus mehrfädigem, schlauchartig gewirktem und gewelltem Band in vertikaler Anordnung, wobei sich die Richtungen dieser Wellen von zwei benachbarten Lagen kreuzen, dadurch gekennzeichnet, daß das schlauehärtig gewirkte Band in ebenen Lagen aneinandergelegt ist.

2. Packungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band zickzackförmig gefaltet ist.