DE19605286A1

DE19605286A1 - Druckverlustarme Gewebepackungen oder gewebeähnliche Packungen mit geordneter Struktur zur Verwendung in Stoffaustauschkolonnen

Info

Publication number: DE19605286A1
Application number: DE1996105286
Authority: DE
Inventors: Wolfram Burst; Horst Hartmann; Wulf Dr Kaiser
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-08-14

Description

Die Erfindung betrifft Gewebepackungen oder gewebeähnliche Pac kungen, vorzugsweise Metallgewebepackungen, mit geordneter Struk tur und neuer Geometrie zur Verwendung in einer Stoffaustauschko lonne mit besonders geringem spezifischen Druckverlust.

Bei der destillativen Aufarbeitung von Produktgemischen erzielt man im allgemeinen die besten Ergebnisse bei der sogenannten Ge genstromdestillation, auch Rektifikation genannt, d. h. einem De stillationsverfahren bei dem die Flüssigkeit als sogenannter Rücklauf von oben nach unten und der Dampf von unten nach oben in die Kolonne strömt. Dabei kommt es zur Anreicherung der leichter flüchtigen Komponenten im Dampf und der schwerer flüchtigen Kom ponenten in der Flüssigkeit.

Dieser Stoff- und Wärmetransport wird durch in die Kolonne einge baute Elemente, wie Kolonnenböden, Füllkörper oder geordnete Pac kungen, die für eine ausreichende Berührungszeit der Phasen und eine hinreichende große Phasengrenzfläche sorgen, intensiviert. Durch diese Kolonneneinbauten, verbunden mit dem abströmenden Rücklauf ergibt sich jedoch in der Kolonne ein Strömungswider stand für den Dampf, der sogenannte Druckverlust. Der Druckver lust einer Kolonne hängt bei gegebener Kolonnengeometrie, d. h. Durchmesser und Kolonnenhöhe, neben Art und Menge der zu rektifi zierenden Verbindungen sehr stark von der Art der Kolonneneinbau ten ab.

Für die Auftrennung von Substanzgemischen, die eine hohe Trenn leistung erfordern, verwendet man im allgemeinen Rektifizierko lonnen, mit Einbauten aus Metallgewebe mit geordneter Struktur. Diese in regelmäßiger Geometrie systematisch aufgebauten Gewebe packungen mit definierten Durchtrittsbereichen für die Gegen stromphasen zeichnen sich gegenüber allen anderen Einbauten durch höhere Belastbarkeit, eine bessere Trennwirkung und einen gerin gen spezifischen Druckverlust aus. Sie werden daher bei allen Va kuumrektifikationen eingesetzt, bei denen es wegen der Temperatu rempfindlichkeit des zu trennenden Gemisches besonders auf eine Begrenzung des Kolonnendruckverlustes ankommt. Besonders geei gnete Kolonnenpackungen sind Metallgewebepackungen vom Typ BX und CY der Firma Sulzer (vgl. Firmenschrift "Trennkolonnen für De stillation und Absorption" der Firma Sulzer) und ähnlich wirksame Metallgewebepackungen anderer Firmen, z. B. Montz-Pak Typ A3 der Montz GmbH und gewebeähnliche Packungen, wie die BSH Typen der Montz GmbH.

Eine schematische Darstellung solcher Kolonnen findet man beispielsweise auf Seite 103 des Lehrbuches "Thermische Trennver fahren" von Klaus Sattler, VCH Verlagsges.mbH, Weinheim (BRD), 1988. Bezüglich näherer Einzelheiten über die Rektifikation von Substanzgemischen verweisen wir auf dieses Lehrbuch von Klaus Sattler, Seiten 101-225, insbesondere 120-160 und 199-214.

Für zahlreiche hochsiedende Gemische ist die thermische Belast barkeit so gering, daß sich trotz Verwendung der beschriebenen Metallgewebepackungen oder gewebeähnlichen Packungen mit geordne ter Struktur und Kopfdrucken in der Kolonne von nur 0,5 bis 1 mbar durch den Druckverlust an den für die erforderliche Trenn leistung benötigten Gewebepackungen im Sumpf Temperaturen auftre ten würden, die oberhalb des Zersetzungsbereichs der zu trennen den Verbindungen liegt.

Aufgabe der Erfindung war es nun, neue Gewebepackungen oder gewe beähnliche Packungen mit geordneter Struktur zu entwickeln, die bei gleicher Trennleistung einen noch geringeren Druckverlust aufweisen, als alle bislang verfügbaren Kolonneneinbauten, d. h. Gewebepackungen, die es ermöglichen, auch hochsiedende temperaturempfindliche Substanzgemische, die eine hohe Trennlei stung erfordern, ohne Anwendung von alternativen teuren Destilla tionsverfahren wie Hochvakuumdestillation oder Kurzweg destillation, mit guten Ausbeuten destillativ zu trennen, bzw. neue Gewebepackungen, die ganz allgemein durch ihren geringen Druckverlust niedrige Sumpftemperaturen und damit eine schonen dere Destillation ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung sind daher druckverlustarme Gewebe packungen oder gewebeähnliche Packungen mit geordneter Struktur und neuer Geometrie zur Verwendung in einer Stoffaustauschko lonne, die dadurch gekennzeichnet sind, daß

a) sich berührende verformte Gewebelagen so angeordnet sind, daß sie nahezu rechtwinklige viereckige oder aber nahezu gleich seitige sechseckige Strömungskanäle bilden, bei denen der Neigungswinkel der Zahnung der einzelnen Gewebelagen der Pac kung gegen die Kolonnenachse nur 0 bis 25°, vorzugsweise 3 bis 14°, insbesondere 4-6° beträgt und
b) zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Packung erforderlichenfalls zwischen den Gewebelagen Metalldrähte oder dünne Metallstäbe in geeigneter, vorzugsweise in waage rechter, Anordnung angebracht sind, oder aber die Gewebelagen an einigen Berührungspunkten fest verbunden sind.

Während also der Neigungswinkel der Zahnung bei den üblichen Gewebepackungen im allgemeinen mindestens 30° beträgt, weisen die erfindungsgemäßen Gewebepackungen einen Neigungswinkel der Zah nung der Gewebelagen gegen die Kolonnenachse von nur 0 bis 25°, vorzugsweise 3 bis 14°, insbesondere 4 bis 6° auf. Der Neigungs winkel der Zahnung der Gewebelagen gegen die Kolonnenachse wird in Fig. 1 veranschaulicht. In dieser Figur bedeutet 1 den Nei gungswinkel der Zahnung der Gewebelagen gegen die Kolonnenachse und 2 Gewebelagen.

Die erfindungsgemäßen Packungen haben den geringsten spezifischen Druckverlust aller bisher bekannten oder in der Literatur be schriebenen Füllkörper oder Packungen. Der spezifische Druckver lust ist der Druckverlust der Dampfströmung bei Durchströmen der Gewebepackung, deren Höhe genau einer theoretischen Trennstufe entspricht. Bei einem F-Faktor von 1 √ liegen die spezifischen Druckverluste der zur Zeit auf dem Markt befindlichen bekannten Packungen mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m²/m³ nach Herstellerangaben im Bereich von 0,09-0,11 mbar/n_th. Die Trenn leistung dieser Packungen liegt bei ca. 5-7 Trennstufen pro Me ter der Packung. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gewebepackungen mit senkrechten oder nur wenig zu Kolonnenachse geneigten Strömungskanälen ist es gelungen, bei vergleichbarer Trennleistung den spezifischen Druckverlust um ca. 50% zu sen ken.

Hierdurch kann der Anwendungsbereich von Stoffaustauschkolonnen auch auf die Rektifikation von hochsiedenden, temperaturempfind lichen Substanzen, die eine hohe Trennleistung erfordern, ausge dehnt werden, weil durch die Reduzierung des Druckverlustes die Sumpftemperatur erheblich verringert werden kann.

Es war außerordentlich überraschend, daß die erfindungsgemäßen Gewebepackungen mit ihren senkrechten oder nur wenig gegen die Kolonnenachse geneigten nahezu rechteckigen oder sechseckigen Strömungskanälen bei wesentlich geringerem Druckverlust die glei che Trennwirkung aufweisen wie die bekannten Gewebepackungen, bei denen der Neigungswinkel der Zahnung der einzelnen Gewebelagen mindestens 30° beträgt (vgl. Gewebepackungen BX, CY, DX und EX der Firma Sulzer Chemtech) bzw. der Neigungswinkel der Wellenkanäle der Metall-Gewebepackungen vom Typ A3 der Firma Montz standardmä ßig bei 45 oder 60° liegt, da man bisher davon ausgegangen ist, daß für einen optimalen Stoffaustausch - und damit für optimale Trennwirkung - auch eine optimale Quermischung der Dampfphase notwendig ist.

Die einzigen bisher bekannten Packungssysteme aus Metallgewebe packungen mit senkrechten Strömungskanälen sind die sogenannten Kloss- und Neo-Kloss-Packungen der Firma Montz GmbH. Diese Pac kungen bestehen aus geriffelten oder gewellten Metall-Gewebela genbändern, die mit Abstandhaltern spiralig zu einem Wickelkörper aufgewickelt sind. Sie enthalten dementsprechend lange senkrechte ringförmige Strömungsspalte. Diese Packungssysteme haben zwar einen geringeren Druckverlust als die Gewebepackungen mit den zur Kolonnenachse stark geneigten Strömungskanälen, jedoch auch eine geringere Trennleistung. Sie haben also keinen geringeren Druck verlust pro Trennstufe, d. h. keinen geringeren spezifischen Druckverlust.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Packungen mit neuer Geome trie können alle für die Herstellung von Geweben üblichen Mate rialien verwendet werden. Als wichtigste seien genannt Metall gewebe aus Edelstählen, wie die entsprechend DIN 1.0330; 1.4000; 1.4301; 1.4401; 1.4404; 1.4435; 1.4439; 1.4571 oder ähnliche, aus Hasteloy C4, aus Aluminium (z. B. DIN 3.0255), aus Kupfer, aus Ti tan (z. B. DIN 3.7025), aus Monel, aus Kunststoff, wie Polypropy len/Polyacrylnitril-Mischgewebe oder Gewebe aus Kohlenstoffasern. Vorteilhaft verwendet man Gewebepackungen mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 250 bis 1000 m²/m³. Gewebepackungen, die aus sich berührenden verformten Metallgewebelagen gebildet werden, werden bevorzugt.

Die Verformung der Gewebe kann in an sich bekannter Weise erfol gen. Sie erfolgt z. B. unter Bildung der in Fig. 2 dargestellten Formen A) , B) und C), in denen die ausgezogenen Linien die ein zelnen Gewebelagen in Draufsicht und die gestrichelten Linien die Metalldrähte oder Metallstäbe zur Gewährleistung der Stabili tät in Draufsicht darstellen. In den Fig. 2A, 2B und 2C bedeu ten 3 die Gewebelagen und 4 die Metalldrähte oder -stäbe. Besond ers vorteilhaft sind Packungen, in denen geriffelte Gewebe lagen (entsprechend Fig. 2A) die Strömungskanäle bilden.

Zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Packungsele mente werden zwischen den einzelnen Gewebelagen Metalldrähte oder dünne Metallstäbe von etwa 1 mm Durchmesser in geeigneter, vor zugsweise waagerechter, Anordnung angebracht, die das Ineinander rutschen der Gewebelagen verhindern sollen. Die mechanische Sta bilität der Packungselemente kann aber auch dadurch gewährleistet werden, daß die einzelnen Gewebelagen an einigen Berührungspunk ten, beispielsweise durch Verlöten, Verschweißen oder Verkleben fest verbunden werden.

Voraussetzung für eine gute Trennleistung der erfindungsgemäßen Packungen ist - wie bei allen Packungen - eine gute Flüssigkeits verteilung unterhalb der Zulauf- oder Entnahmestellen. Hierzu sind auf dem Markt sehr gute Flüssigkeitsverteiler mit einer ho hen Zahl von Abtropfstellen pro Querschnittsfläche der Kolonne erhältlich. Für eine gute Flüssigkeitsverteilung ist es - ins besondere bei Kolonnen in industriellem Maßstab - auch vorteil haft, wenn man direkt unterhalb der Flüssigkeitsverteiler ein oder mehrere, vorzugsweise 2 bis 3, Packungselemente mit dem bis her üblichen größeren Neigungswinkel der Zahnung der Gewebelagen anbringt und erst darunter die erfindungsgemäßen Gewebepackungen anordnet.

Die üblicherweise für Rektifikationen verwendeten Gewebepackungen mit geordneter Struktur sind aus einer der geforderten Trennlei stung entsprechenden Anzahl von Packungslagen von etwa 15 bis 25 cm Höhe zusammengesetzt. Eine Lage einer Gewebepackung besteht im allgemeinen aus einer Vielzahl einzelner entsprechend hoher Gewebelagen. Jede Packungslage wird beim Einbau in die Kolonne um jeweils 90° in bezug auf die vorgehende eingebaut, um eine mög lichst gute Stoffverteilung zu gewährleisten.

Auch die erfindungsgemäßen Gewebepackungen setzen sich aus ein zelnen Packungslagen zusammen, die beim Einbau in die Kolonne um jeweils 90° in bezug auf die vorgehende Packungslage eingebaut werden. Die Höhe der Packung kann 4 bis 30, vorzugsweise 16 bis 20, insbesondere 16 bis 17 cm, betragen.

Bei einem F-Faktor von etwa 1 √a liegen die Druckverluste der zur Zeit auf dem Markt befindlichen bekannten Packungen mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m²/m³ nach Herstellerausgaben in einem Bereich von 0,09 bis 0,11 mbar für eine sogenannte theore tische Trennstufe (nm). Die Trennleistung dieser Packungen liegt bei ca. 5-7 Trennstufen pro Meter der Packung. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gewebepackungen mit senkrechten oder nur wenig zur Kolonnenachse geneigten Strömungskanälen ist es gelungen, den spezifischen Druckverlust bei vergleichbarer Trennleistung um etwa 50% zu senken.

Hierdurch kann der Anwendungsbereich von Stoffaustauschkolonnen auch auf die Rektifikation von Gemischen hochsiedender temperaturempfindlicher Substanzen, die eine hohe Trennleistung erfordern, im Feinvakuum ausgedehnt werden, weil durch die Redu zierung des Druckverlustes die Sumpftemperatur erheblich verrin gert werden kann.

Das nachfolgende Beispiel mit Vergleichsbeispiel soll den großen Vorteil der erfindungsgemäßen Packungen mit neuer Geometrie auf zeigen.

Vergleich des spezifischen Druckverlustes Δp/n_th einer erfindungs gemäßen Metallgewebepackung mit dem einer bekannten Metallgewebe packung gleicher spezifischer Oberfläche.

Eine Laborkolonne mit einem Durchmesser von 45 mm und einer Länge von 1,8 m wurde jeweils

1) zum Vergleich mit einer handelsüblichen Metallgewebepackung vom Typ Montz A 3-500 mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m²/m³ und einem Neigungswinkel der Wellenkanäle von 30° zur Kolonnenachse und
2) mit einer erfindungsgemäßen Metallgewebepackung mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m²/m³ und einem Neigungswinkel der Zahnung der einzelnen Gewebelagen der Packung gegen die Kolonnenachse von 5° gefüllt.

Die Verteilung der Flüssigkeit erfolgte in beiden Fällen mit einer Abtropfstelle, der Kopfdruck betrug 50 mbar. Als Testsystem wurde ein Chlorbenzol/Ethylbenzol-Gemisch verwendet. Es wurde der spezifische Druckverlust (Δp/n_th) bei einem F-Faktor von 0,5 bis etwa 2 bestimmt und die erhaltenen Werte in Fig. 3 als Kurven dargestellt.

In Fig. 3 stellt die Kurve 1 den Druckverlust für die Gewebepac kung vom Typ Montz A3 (Vergleich) und die Kurve 2 den Druckver lust für die erfindungsgemäße Metallgewebepackung dar.

Wie die Kurven zeigen, weist die erfindungsgemäße Packung einen wesentlich geringeren spezifischen Druckverlust auf. Im Bela stungsbereich zwischen F = 0,5 und 2 √ ist der spezifische Druckverlust nur etwa halb so groß wie der der Gewebepackung vom Typ Montz A 3-500 mit gleicher Trennung.

Claims

1. Druckverlustarme Gewebepackungen oder gewebeähnliche Packun gen mit geordneter Struktur in neuer Geometrie zur Verwendung in einer Stoffaustauschkolonne, dadurch gekennzeichnet, daß

a) sich berührende verformte Gewebelagen so angeordnet sind, daß sie nahezu rechtwinklige viereckige oder aber nahezu gleichseitige sechseckige Strömungskanäle bilden, bei de nen der Neigungswinkel der Zahnung der einzelnen Gewebe lagen der Packung gegen die Kolonnenachse nur 0 bis 25° beträgt und
b) zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Pac kungen erforderlichenfalls zwischen den Gewebelagen Me talldrähte oder dünne Metallstäbe in geeigneter Anordnung angebracht sind, oder aber die Gewebelagen an einigen Be rührungspunkten fest verbunden sind.

2. Gewebepackungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Zahnung der einzelnen Gewebelagen der Packung gegen die Kolonnenachse 3 bis 14° beträgt.

3. Gewebepackungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus sich berührenden verformten Metallgewebelagen gebil det werden.

4. Gewebepackungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität zwischen den Gewebe lagen Metalldrähte oder dünne Metallstäbe in waagerech ter Anordnung angebracht sind.