DE19931799B4 - Schüttschicht mit verbesserter Wärmeübertragungseigenschaft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Formkörper für den Einsatz in Schüttschichten oder strukturierten Packungen mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften, insbesondere einer verbesserten effektiven Wärmeleitfähigkeit der Schüttschicht. Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Schüttschichten aus Formkörpern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Materialien zu Formkörpern verarbeitet werden, die mindestens drei definierte Begrenzugsflächen aufweisen, wobei die Begrenzungsflächen der Formkörper in einer Schüttschicht aus mehreren Formkörpern miteinander Kontaktflächen ausbilden können. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in Schüttschichten aus Formkörpern der erfindungsgemäßen Art der Anteil der Festkörperwärmeleitung durch die Kontaktflächenberührung der Partikel an der Gesamtwärmeübertragungsbilanz erhöht wird. Auch bei Formkörpern aus schlecht wärmeleitendem Material wird dadurch die Wärmeübertragung in der Schüttschicht wesentlich verbessert.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schüttschicht mit Sorptionsmittel enthaltenden Formkörpern aus Vollmaterial mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften.
- Die betreffenden Schüttschichten werden beispielsweise in Apparaten zum Stoff- und/oder Wärmeaustausch eingesetzt. Typische Anwendungsfälle sind Destillations- Rektifikations- und Sorptionskolonnen bzw. -behälter. Dabei sind die Formkörper als Festbett in einem Behälter angeordnet und im Falle einer nicht durchströmten Schüttung sind die Formkörper von einer fluiden Phase umgeben bzw. werden bei einer durchströmten Schüttung von der fluiden Phase umströmt. Bei der Form der Anordnung der Formkörper kann es sich um eine Zufallsschüttung oder um sogenannte strukturierte Packungen handeln.
- Je nach Material der Formkörper können diese an Stoffumwandlungs- bzw. Stoffaustauschprozessen, katalytischen Prozessen oder Stofftrennprozessen beteiligt sein. Neben dem Stofftransport spielt für viele Anwendungsgebiete der Wärmetransport in der Schüttung eine große Rolle. Die Wärmeleiteigenschaften einer Schüttung aus Formkörpern sind von besonderer Wichtigkeit, wenn Wärme durch indirekte Wärmeübertragung über einen Wärmeübertrager aus dem Festbett ausgekoppelt bzw. in das Festbett eingebracht werden soll.
- Ganz besonders trifft das für den Einsatz von Formkörpern in Sorptionsbehältern von Adsorptionskälteanlagen zu. Die Formkörper bestehen dabei aus Sorptionsmitteln, welche sich bei der Adsorption aus der fluiden Phase erwärmen, wobei ein Teil der Wärme über Wärmeübertragungseinbauten ausgekoppelt werden soll, und welche zur Desorption der adsorbierten Stoffe erwärmt werden müssen.
- Als Materialen für Formkörper werden Zeolith in verschiedensten Typen, Aktivkohle, Kieselgele u. a. in Kombination mit Bindemitteln, Füllstoffen oder porenbildenden Stoffen verwendet. Im Stand der Technik werden die Materialien zu Formkörpern verarbeitet. Bekannte Ausführungsformen sind beispielsweise Kugeln verschiedenster Durchmesser oder Stränge mit kreisförmigen oder anderen, abgerundeten Querschnitten sowie geometrisch nicht definierte kristalline Partikel bzw. Bruchstüche.
- Aus der
DE 24 25 058 A1 sind Füllkörper aus Keramikmaterial und deren Verwendung bekannt, die für den Stoffaustausch zwischen Fluiden in flüssig/gasförmig Stoffsystemen in chemischen Apparaten, wie Destillationskollonen, Austauschkollonen und Gaswäschern, eingesetzt werden. Das offenbarte Vorsehen von Kanälen innerhalb von strangförmigen Füllkörpern aus Keramikmaterial führt zu einer höheren Porosität und einer besseren Durchströmung der oben genannten Anwendung, um einen möglichst geringen Durchgangswiderstand für die strömenden Fluide zu bieten. Dies wird dadurch erreicht, dass zusätzliche parallele Kanäle innerhalb der Keramikfüllkörper ausgebildet werden. - Die
DE 44 37 078 A1 betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von in der Luft enthaltenden Kohlenwasserstoffen durch Adsorption mittels eines Adsorptionsreaktors mit Adsorptionsmitteln. Gemäß der Beschreibungseinleitung wird als Stand der Technik von einer Schüttschicht ausgegangen, welche aus sorptionsmittelhaltigen Formkörpern in den Sorptionsreaktor eingebracht ist. Die Sorptionsmittel sind in Form von Zylindern, Kugeln, Kuben oder Tetraedern ausgebildet. Für eine Vielzahl von Adsorptionsaufgaben sind die offenbarten Adsorptionsreaktoren mit den bekannten Schüttschichten von Formkörpern in Bezug auf das Trennvermögen und die Druckverluste in der Schüttung durchaus ausreichend. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass der Transport der Wärme über die Schüttschicht wegen einer zu geringen effektiven Wärmeleitfähigkeit der Schüttschicht unzureichend ist. - Aus der
DE 44 38 084 A1 ist ein Sorptionsaggregat und die Aufgabe, einen Zielkonflikt in Sorptionsaggregaten zu lösen, bekannt, der darin besteht, Stoff- und Wärmeleitung in Sorptionsaggregaten zu ermöglichen. Es wird vorgeschlagen dünnwandige Wellrohre mit einer relativ dünnen Schicht dicht gepackter Zeolithkristalle zu überziehen und die beschichteten Metallträger mit einem Wärmetauscher zu verbinden, um in Sorptionsprozessen befriedigende Wirkungsgrade beim Wärmetransport zu erreichen. Die Verbesserung der Wärmeleitungseigenschaften wird jedoch in einer Abkehr vom Prinzip der Zufallsschüttung aus Sorptionsmittelformkörpern erreicht, was allerdings mit einem verschlechterten Stofftransport verbunden ist. - Aus der
DE 502 767 A sind wiederum Füllkörper für Schüttschichten in Absorptionsräumen bekannt, die für die Bildung eines mit geringem Widerstand durchströmbaren Festbettes optimiert sind, die Wärmeleiteigenschaften der Schüttschicht sind jedoch durch die Punktkontakte der konvexen Flächen der Füllkörper ungenügend. - Der Nachteil dieses Standes der Technik ist die schlechte effektive Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen derartiger Formkörper.
- Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Schüttschichten aus Formkörpern.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Schüttschicht mit Sorptionsmittel enthaltenden Formkörpern aus Vollmaterial gelöst, wobei die Formkörper aus einem Strang mit fünfeckiger Querschnittsfläche und einem Verhältnis von Außenkreisdurchmesser der Querschnittsfläche zu Stranglänge von 0,1 bis 5 ausgebildet sind und wobei mehrere eine Schüttschicht bildende Formkörper an ihren Begrenzungsflächen gemeinsame Kontaktflächen und Kontaktlinien ausbilden. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in den erfindungsgemäßen Schüttschichten aus Formkörpern der Anteil der Festkörperwärmeleitung durch die Kontaktflächenberührung der Partikel an der Gesamtwärmeübertragungsbilanz erhöht wird. Auch bei Formkörpern aus schlecht wärmeleitendem Material wird dadurch die Wärmeübertragung in der Schüttschicht wesentlich verbessert.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels (
1.3 ) und mehrerer Vergleichsbeispiele (1.1 ,1.2 ,2 ,3.1 ,3.2 ,3.3 ) mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: -
1 : Formkörper aus Strängen verschiedener Querschnitte -
1.1 : Formkörper mit Dreiecksquerschnitt -
1.2 : Formkörper mit Oktagonquerschnitt -
1.3 : Formkörper mit Pentagonquerschnitt -
2 : Schnitt durch eine Kugelschüttung -
3 : Kontaktformen in Schüttungen aus Kreis zylinderformkörpern -
3.1 : Darstellung von Linienkontakten in der Kreiszylinderschüttung -
3.2 : Darstellung von Flächenkontakten in der Kreiszylinderschüttung -
3.3 : Darstellung von Linien- und Flächenkontakten in der Kreiszylinderschüttung - In
1 sind verschiedene Formkörper offenbart. Die Formkörper bestehen aus einem Strang mit n-eckigem Querschnitt und variabler Länge, wobei die Zahl der Ecken n der Querschnittsfläche größer oder gleich drei und kleiner als unendlich ist. - Dabei wird in
1.1 ein Formkörper1 als Strang mit drei ebenen Begrenzungsflächen2 und zwei dreieckigen Stirnflächen3 gezeigt. Die Stirnflächen3 sind auch die Querschnittsflächen des Stranges. - In
1.2 und1.3 werden Varianten für die Querschnittsflächen der Formkörper1 mit acht- bzw. fünfeckigem Querschnitt (gemäß der Erfindung) gezeigt. Es handelt sich bei den Stirnflächen3 um ein Oktagon bzw. um ein Pentagon. - Der Kreis als Querschittsfläche mit einer unendlichen Anzahl von Ecken ist aus dem Stand der Technik für Formkörper bekannt.
- Neben den strangförmigen Formkörpern
1 gibt es auch nicht dargestellte Polyeder. Beginnend vom Tetraeder über das Oktaeder bis hin zum Pentadodekaeder und darüber hinaus sind die sogenannten Eulerschen oder konvexen Polyeder mit ihren ebenen Begrenzungsflächen bekannt. - Es wird in
2 gezeigt, dass bei einem Schnitt durch eine Kugelschüttung die einzelnen Kugeln im wesentlichen Punktkontakte ausbilden. Dabei wird von eventuell leichten Abplattungen der Kugeln an den Kontaktpunkten infolge von Druckkräften auf die Formkörper abgesehen. - Die Wärmeleitfähigkeit einer Schüttschicht wird, wie schon vorangehend ausgeführt, wesentlich durch die Partikelkontakte bestimmt. In Schüttschichten aus Formkörpern
7 mit kreisförmigem Querschnitt berühren sich die Mantelflächen8 und ergeben im für die Wärmeleiteigenschaften günstigen Fall paralleler Lage der Formkörper7 Linienkontakte5 , wie in3.1 dargestellt. - Allenfalls sind zwischen den herkömmlichen Formkörpern
7 nach3.2 Flächenkontakte6 über die Stirnflächen3 der Stränge möglich. In3.3 sind für den günstigsten Fall bei Formkörpern7 die Kombination von Kontaktflächen6 und Kontaktlinie5 dargestellt. - Demgegenüber sind an Stelle von Linienkontakten zwischen den Partikeln bei den Formkörpern
1 Flächenkontakte möglich. - Im Material der Formkörper
1 sind für deren Einsatz in Sorptionsbehältern Sorptionsmittel enthalten. Insbesondere werden Materialien Zeolith verschiedenster Typen, Kieselgel und Aktivkohle eingesetzt. - Gemäß der Erfindung sind die Formkörper
1 als Stränge gemäß1.3 eingesetzt und ihr Verhältnis von Außenkreisdurchmesser der Querschnittsfläche3 zur Länge des Formkörpers1 beträgt 0,1 bis 5. - Die Herstellung von Formkörpern
1 aus Strängen erfolgt über das Extrudieren des Formkörpermaterials, wobei die Düsenplatte des Extruders Löcher in der Form der Querschnittsfläche3 der Formkörper1 aufweist. -
- 1
- Formkörper
- 2
- ebene Begrenzungsfläche
- 3
- Stirnfläche, Querschnittsfläche des Stranges
- 4
- kugelförmiger Formkörper
- 5
- Kontaktlinie
- 6
- Kontaktfläche
- 7
- Formkörper, Strang mit Kreisquerschnitt
- 8
- Mantelfläche des Kreiszylinders
Claims (7)
- Schüttschicht mit Sorptionsmittel enthaltenden Formkörpern aus Vollmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) aus einem Strang mit fünfeckiger Querschnittsfläche (3 ) und einem Verhältnis von Außenkreisdurchmesser der Querschnittsfläche (3 ) zu Stranglänge von 0,1 bis 5 ausgebildet sind, wobei mehrere eine Schüttschicht bildende Formkörper (1 ) an ihren Begrenzungsflächen (2 ) gemeinsame Kontaktflächen (6 ) und Kontaktlinien (5 ) ausbilden. - Schüttschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) ein Verhältnis von Strangdurchmesser zu Stranglänge von 0,5 bis 2 aufweisen. - Schüttschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) ein Verhältnis von Strangdurchmesser zu Stranglänge von 0,8 bis 1,5 aufweisen. - Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) ein Verhältnis von Strangdurchmesser zu Stranglänge von 1 bis 1,25 aufweisen. - Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) als Sorptionsmittel Zeolith enthalten. - Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) als Sorptionsmittel Kieselgel enthalten. - Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (
1 ) als Sorptionsmittel Aktivkohle enthalten.
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