DE19931799B4 - Bulk layer with improved heat transfer property - 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.The invention relates to moldings for use in packed beds or structured packings with improved heat transfer properties, in particular an improved effective thermal conductivity of the packed bed. The object of the invention is to improve the effective thermal conductivity of bulk layers of moldings. According to the invention the object is achieved in that the materials are processed into moldings having at least three defined Begrenzugsflächen, wherein the boundary surfaces of the moldings can form contact surfaces with each other in a packed layer of a plurality of moldings. The advantage of the invention is that is increased in bulk layers of moldings of the type according to the invention, the proportion of the solid heat transfer through the contact surface contact of the particles in the total heat transfer balance. Even with moldings made of poorly heat-conductive material, the heat transfer in the bulk layer is significantly improved.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schüttschicht mit Sorptionsmittel enthaltenden Formkörpern aus Vollmaterial mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften.The The invention relates to a packed bed with sorbent-containing moldings of solid material with improved heat transfer properties.

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.The relevant bulk layers For example, in apparatuses for mass and / or heat exchange used. Typical applications are distillation, rectification and sorption columns or containers. there are the moldings as a fixed bed in a container arranged and in the case of a non-flow-through bed are the moldings of surrounded by a fluid phase or be in a flow-through bed of flows around the fluid phase. In the form of the arrangement of the shaped body may be a random pad or to act as so-called structured packs.

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.ever according to the material of the moldings can these at Stoffumwandlungs- or mass transfer processes, catalytic Be involved in processes or mass separation processes. In addition to the substance transport plays for many applications of heat transport in the bed a big Role. The heat conduction properties a bed from shaped bodies are of particular importance when heat is transferred by indirect heat transfer over a Heat exchanger off decoupled from the fixed bed or introduced into the fixed bed should.

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.All this is especially true for the use of moldings in sorption tanks of adsorption refrigeration systems to. The moldings consist of sorbents, which are produced during adsorption from the fluid phase, with some of the heat via heat transfer internals is to be decoupled, and which for the desorption of the adsorbed Heated fabrics Need to become.

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.When Materials for moldings are zeolite in various types, activated carbon, silica gels u. a. in combination with binders, fillers or pore-forming Used substances. In the prior art, the materials become too moldings processed. Known embodiments For example, balls of different diameters or strands with circular or other, rounded cross sections as well as not geometrically defined crystalline particles or fracture particles.

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.From the DE 24 25 058 A1 For example, fillers of ceramic material and their use are known, which are used for the mass transfer between fluids in liquid / gaseous material systems in chemical apparatuses, such as distillation cores, exchange collones and gas scrubbers. The disclosed provision of channels within strand-like packing of ceramic material results in a higher porosity and a better flow through the above-mentioned application in order to provide the lowest possible passage resistance for the flowing fluids. This is achieved in that additional parallel channels are formed within the ceramic filling.

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.The DE 44 37 078 A1 relates to a process for the removal of hydrocarbons in the air by adsorption by means of an adsorption reactor with adsorbents. According to the introduction to the description, the state of the art is based on a packed bed which is introduced from sorbent-containing moldings into the sorption reactor. The sorbents are in the form of cylinders, spheres, cubes or tetrahedrons. For a variety of adsorption, the disclosed adsorption reactors with the known bulk layers of moldings in terms of the separation capacity and the pressure losses in the bed are quite sufficient. A disadvantage of this prior art, however, that the transport of heat through the bulk layer is insufficient because of too low effective thermal conductivity of the packed layer.

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.From the DE 44 38 084 A1 is a sorption and the task of solving a conflict in Sorptionsaggregaten known, which is to allow material and heat conduction in Sorptionsaggregaten. It is proposed to coat thin-walled corrugated pipes with a relatively thin layer of densely packed zeolite crystals and to connect the coated metal supports with a heat exchanger in order to achieve satisfactory heat transfer efficiency in sorption processes. The improvement of the heat conduction properties, however, is achieved in a departure from the principle of random bed of Sorptionsmittelformkörpern, but this is associated with a deteriorated mass transfer.

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.From the DE 502 767 A In turn, fillers for bulk layers in absorption spaces are known, which are optimized for the formation of a low-throughflow fixed bed, but the heat-conducting properties of the packed layer are insufficient due to the point contacts of the convex surfaces of the packing.

Der Nachteil dieses Standes der Technik ist die schlechte effektive Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen derartiger Formkörper.Of the Disadvantage of this prior art is the bad effective thermal conductivity of fillings such shaped body.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Schüttschichten aus Formkörpern.task The invention is the improvement of the effective thermal conductivity of loose layers from shaped bodies.

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.According to the invention, this object is achieved a bulk layer containing sorbent-containing moldings made of solid material, wherein the moldings are formed from a strand having a pentagonal cross-sectional area and a ratio of outer circle diameter of the cross-sectional area to strand length of 0.1 to 5 and wherein a plurality of a bulk layer forming moldings at their boundary surfaces common contact surfaces and lines of contact form. The advantage of the invention is that in the packed beds of shaped bodies according to the invention, the proportion of solid-body heat conduction through contact surface contact of the particles with the total heat transfer balance is increased. Even with moldings made of poorly heat-conductive material, the heat transfer in the bulk layer is significantly improved.

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:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment ( 1.3 ) and several comparative examples ( 1.1 . 1.2 . 2 . 3.1 . 3.2 . 3.3 ) with reference to the accompanying drawings. Show it:

1: Formkörper aus Strängen verschiedener Querschnitte 1 : Shaped bodies of strands of different cross sections

1.1: Formkörper mit Dreiecksquerschnitt 1.1 : Shaped body with triangular cross-section

1.2: Formkörper mit Oktagonquerschnitt 1.2 : Shaped body with octagonal cross-section

1.3: Formkörper mit Pentagonquerschnitt 1.3 : Moldings with pentagonal cross section

2: Schnitt durch eine Kugelschüttung 2 : Cut through a ball bed

3: Kontaktformen in Schüttungen aus Kreis zylinderformkörpern 3 : Contact forms in beds of circular cylindrical bodies

3.1: Darstellung von Linienkontakten in der Kreiszylinderschüttung 3.1 : Representation of line contacts in the circular cylinder bed

3.2: Darstellung von Flächenkontakten in der Kreiszylinderschüttung 3.2 : Representation of surface contacts in the circular cylindrical bed

3.3: Darstellung von Linien- und Flächenkontakten in der Kreiszylinderschüttung 3.3 : Representation of line and area contacts in the circular cylinder bed

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.In 1 Different moldings are disclosed. The moldings consist of a strand of n-sided cross-section and variable length, wherein the number of corners n of the cross-sectional area is greater than or equal to three and less than infinity.

Dabei wird in 1.1 ein Formkörper 1 als Strang mit drei ebenen Begrenzungsflächen 2 und zwei dreieckigen Stirnflächen 3 gezeigt. Die Stirnflächen 3 sind auch die Querschnittsflächen des Stranges.It will be in 1.1 a shaped body 1 as a strand with three flat boundary surfaces 2 and two triangular faces 3 shown. The faces 3 are also the cross-sectional areas of the strand.

In 1.2 und 1.3 werden Varianten für die Querschnittsflächen der Formkörper 1 mit acht- bzw. fünfeckigem Querschnitt (gemäß der Erfindung) gezeigt. Es handelt sich bei den Stirnflächen 3 um ein Oktagon bzw. um ein Pentagon.In 1.2 and 1.3 become variants for the cross-sectional surfaces of the moldings 1 shown with eight- or pentagonal cross-section (according to the invention). These are the faces 3 around an octagon or a pentagon.

Der Kreis als Querschittsfläche mit einer unendlichen Anzahl von Ecken ist aus dem Stand der Technik für Formkörper bekannt.Of the Circle as cross-sectional area with an infinite number of corners is from the prior art known for moldings.

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.In addition to the strand-shaped moldings 1 There are also polyhedra not shown. Starting from the tetrahedron via the octahedron to the pentadodecahedron and beyond, the so-called Eulerian or convex polyhedra with their flat boundary surfaces are known.

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.It will be in 2 shown that in a section through a ball fill the individual balls form essentially point contacts. It is apart from any slight flattening of the balls at the contact points due to pressure forces on the moldings.

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 Mantelflächen 8 und ergeben im für die Wärmeleiteigenschaften günstigen Fall paralleler Lage der Formkörper 7 Linienkontakte 5, wie in 3.1 dargestellt.The thermal conductivity of a packed layer, as stated above, essentially determined by the particle contacts. In bulk layers of moldings 7 with circular cross section, the lateral surfaces touch 8th and give in favorable for the heat conduction properties case parallel position of the moldings 7 line contacts 5 , as in 3.1 shown.

Allenfalls sind zwischen den herkömmlichen Formkörpern 7 nach 3.2 Flächenkontakte 6 über die Stirnflächen 3 der Stränge möglich. In 3.3 sind für den günstigsten Fall bei Formkörpern 7 die Kombination von Kontaktflächen 6 und Kontaktlinie 5 dargestellt.At most, between the conventional moldings 7 to 3.2 surface contacts 6 over the faces 3 the strands possible. In 3.3 are the best case for moldings 7 the combination of contact surfaces 6 and contact line 5 shown.

Demgegenüber sind an Stelle von Linienkontakten zwischen den Partikeln bei den Formkörpern 1 Flächenkontakte möglich.In contrast, instead of line contacts between the particles in the moldings 1 Surface contacts possible.

Im Material der Formkörper 1 sind für deren Einsatz in Sorptionsbehältern Sorptionsmittel enthalten. Insbesondere werden Materialien Zeolith verschiedenster Typen, Kieselgel und Aktivkohle eingesetzt.In the material of the moldings 1 are used for their use in sorbent sorbents. In particular, zeolite materials of various types, silica gel and activated carbon are used.

Gemäß der Erfindung sind die Formkörper 1 als Stränge gemäß 1.3 eingesetzt und ihr Verhältnis von Außenkreisdurchmesser der Querschnittsfläche 3 zur Länge des Formkörpers 1 beträgt 0,1 bis 5.According to the invention, the shaped bodies 1 as strands according to 1.3 used and their ratio of outer circle diameter of the cross-sectional area 3 to the length of the molding 1 is 0.1 to 5.

Die Herstellung von Formkörpern 1 aus Strängen erfolgt über das Extrudieren des Formkörpermaterials, wobei die Düsenplatte des Extruders Löcher in der Form der Querschnittsfläche 3 der Formkörper 1 aufweist.The production of moldings 1 strands are made by extruding the molded body material, the die plate of the extruder having holes in the shape of the cross-sectional area 3 of the moldings 1 having.

11
Formkörpermoldings
22
ebene Begrenzungsflächelevel boundary surface
33
Stirnfläche, Querschnittsfläche des StrangesEnd face, cross sectional area of the train
44
kugelförmiger Formkörperspherical shaped body
55
Kontaktliniecontact line
66
Kontaktflächecontact area
77
Formkörper, Strang mit KreisquerschnittShaped body, strand with circular cross section
88th
Mantelfläche des KreiszylindersLateral surface of the circular cylinder

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.Bulk layer with sorbent-containing moldings made of solid material, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) of a strand with pentagonal cross-sectional area ( 3 ) and a ratio of outer circle diameter of the cross-sectional area ( 3 ) are formed to strand length of 0.1 to 5, wherein a plurality of forming a packed layer molding ( 1 ) at their boundary surfaces ( 2 ) common contact surfaces ( 6 ) and contact lines ( 5 ) train. Schüttschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (1) ein Verhältnis von Strangdurchmesser zu Stranglänge von 0,5 bis 2 aufweisen.Bulk layer according to claim 1, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) have a ratio of strand diameter to strand length of 0.5 to 2. 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.Bulk layer according to claim 1 or 2, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) have a ratio of strand diameter to strand length of 0.8 to 1.5. 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.Bulk layer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) have a ratio of strand diameter to strand length of 1 to 1.25. Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (1) als Sorptionsmittel Zeolith enthalten.Bulk layer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) as a sorbent zeolite. Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (1) als Sorptionsmittel Kieselgel enthalten.Bulk layer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) as sorbent silica gel. Schüttschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper (1) als Sorptionsmittel Aktivkohle enthalten.Bulk layer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the shaped bodies ( 1 ) as activated carbon sorbent.
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