DE2161578C3

DE2161578C3 - Boden zum Kontaktieren von Dämpfen und Flüssigkeiten in Stoffaustauschkolonnen

Info

Publication number: DE2161578C3
Application number: DE2161578A
Authority: DE
Inventors: Don Burton Mount Prospect Carson; Kenneth Douglas Bensenville Uitti
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-11
Publication date: 1974-10-03
Also published as: ES398143A1; FR2119425A5; NL169823C; NL169823B; IT945425B; BR7108469D0; AU3629071A; US3700216A; AU464760B2; JPS5339391B1; DE2161578A1; GB1369018A; ZA718035B; CA957610A; YU35842B; NL7116779A; YU313571A; DE2161578B2; RO61961A

Description

Bei Böden zum Kontaktieren von Dämpfen und einer Verungleichmäßigung der Strömung der Flüs-Flüssigkeiten in Stoffaustauschkolonnen hängt der 40 sigkeit über den Austauschbereich, andererseits wird Wirkungsgrad des Stoffüberganges zwischen dampf- die Strömung des aufsteigenden Dampfef durch den förmiger und flüssiger Phase von der guten Durchmi- von den Leitblechen gebildeten 90 -Krümmer lamischung beider Phasen ab. Insbesondere bei Nieder- nar gehalten. Da der Dampfstrom '«: waagerechter druck-Stoffaustauschkolonncn großen Durchmessers Richtung über die Oberfläche der im Austauschbemit geringem Druckgefällc von Boden zu Boden fin- 45 reich befindlichen Flüssigkeit geblasen wird, findet det wegen des erforderlichen hohen Flüssigkeitsstan- einerseits kaum eine Durchmischung von Dampf und des im Zulaufbereich ein schlechter Kontakt zwi- Flüssigkeit und damit eine Schaumbildung statt, zum sehen flüssiger und dampfförmiger Phase statt, da anderen wird die über den Austauschbereich ströder aufsteigende Dampf zum Durchtritt durch Bo- mende Flüssigkeit beschleunigt und dadurch die Verdenbereiche mit niedrigem Flüssigkeitsstand und 50 weilzeit der Flüssigkeit im Auslauch mit dem Dampf Umgehung der Bodenbereiche mit hohem Flüssig- auf dem Boden stark verkürzt.

keitsstand neigt. In Bodenbereichen mit hohem Flüs- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits

sigkeitsstand, insbesondere im Zulaiifbereich, findet im Bereich des Flüssigkeitszulaufes des Bodens einer oftmals ein Durchregnen der Flüssigkeit auf den Stoffaustauschkolonne eine starke Schaumbildung zu nächstniedrigen Boden, insbesondere auf dessen 55 erzeugen, die auch über den gesamten Austauschbe-Ablaufbereich, und damit eine Umgehung von reich des Bodens hin erhalten bleibt, wobei eine praktisch gleich zwei Böden statt. möglichst gleichmäßige Geschwindigkeit des Kreuz-

Man ist daher bestrebt, einen über den gesamten stromes der Flüssigkeit quer über den Boden ange-Bereich des Bodens wirksamen Austausch der Pha- strebt wird. Dabei soll vermieden werden, daß im sen herbeizuführen und das Durchregnen der Flüs- 60 Bereich der schaumbildenden Einrichtung ein Durchsigkeit auf ein Minimum herabzusetzen. regnen der Flüssigkeit durch die Durchlässe für den

Es ist bereits eine Einrichtung zur Begünstigung aufsteigenden Dampf auf den übernächst tiefer geleder Blasen- oder Schaumbildung bekannt (Chemical genen Boden erfolgt, was den Austauschwirkungs-Engineering Progress, Bd. 65, Nr. 2, S. 79, Februar grad erheblich verschlechtern würde. Der verbesserte 1969), die aus einer undurchlässigen, aufsteigenden 65 Boden soll ferner einfach ausgebildet und leicht her-Wandung besteht, die angrenzend an eine abwärts zustellen sein, seine Einrichtung zur Erzeugung der geneigte durchlässige Wandung angeordnet ist, wobei Schaumbildung soll auch in bereits vorhandene Kodie Durchlässe etwa 14 % der Gesamtwandfläche lonnen bzw. deren Austauschboden einbaubar sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Boden gemäß den Ansprüchen.

Der neue Boden sorgt durch die Gestaltung des Leitbfcches als schiefe Ebene mit einem ständig gleichmäßigen überlauf, ohne daß dadurch die Geschwindigkeit des Kreuzstroms der Flüssigkeit über den Boden vergrößert werden müßte, für eine Beruhigung und Vergleicbmäßigung des Flüssigkeitsstroms, während durch das senkrechte Wehr mit scharfer und unterhalb der Endkante des Leitbleches endender Kante eine Stolperstufe für den über dieses Wehr :trömenden aufsteigenden Dampf gebildet wird, wodurch der Dampf in den turbulenten Strömungszustand gebracht wird. Diese Turbulenz der Mischzone im Bereich von Wehr und Leitblech bewirkt eine so starke Schaumbildung, daß auch in der Nähe von Wehr und Leitblech kein Durchregnen des Bodens im Austauschbereich erfolgen kann und daß ferner die Schaumbildung über den gesamten Austauschbereich hinweg erhalten bleibt. Es ergibt sich daher eine Verbesserung des Austau".'hwirkungsgrades der Kolonne, wie er beispielsweise aus dem Ausführungsbeispiel deutlich wird.

Durch den Einbau des erfindungsgemäßen Wehres und Leitbleches, die im übrigen vorgefertigt und mit sehr geringen Kosten leicht auf bereits vorhandenen Austauschboden angebracht werden können, wird bei Konstanthalten der übrigen Betriebsbedingungen die Zahl der theoretischen Böden mehr als verdoppelt und der Druckabfall je theoretischem Boden auf die Hälfte verringert. Gegenüber bekannten Böden sind das Wehr und Leitblech des neuen Bodens niehl nur einfacher ausgebildet und leichter zu installieren. sondern auch wesentlich billiger herzustellen. wie sich aus der einfachen Form der Erfindung im Vergleich zu den komplizierten Formen bekannter Böden ohne weiteres ergibt. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Stnffauslauschkolonne für fraktionierte Destillation, die mit erfindungsgemäßen Böden ausgestattet ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Ausführungsform der F ι g. 1 in der Ebene 2-2 und

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab Leitblech und Weht des erfindungsgemäß ausgebildeten Bodens.

In den F i g. 1 und 2 ist eine Fraktionierkolonne 1 mit einer Mehrzahl von durchfochten Böden la, 2 h. und Ic, weiche in der Kolonne einer über dem anderen angeordnet sind, dargestellt. Die Boden sind durch herkömmliche nicht dargestellte Mittel in der Fraktionierkolonne 1 befestigt. Als Beispiel sind Siebboden dargestellt, es kann sich aber auch um Glockenboden oder Ventilboden handeln. Siebböden und Ventilboden werden bevorzugt. Jeder Boden 2 a. Ib und 2c weist einen lochfreien Flüssigkeitszulaufbereich 3 auf, der einen Teil des Umfangsbcrcichcs des Bodens bildet und auf den die Flüssigkeit vom oberen Boden läuft.

Jeder Boden weist einen durchlochten Austauschbereich 10 mit darin befindlichen Durchlässen, etwa Löchern 4, auf. Der Austauschbereich IO erstreckt sich einwärts von dem lochfreien Zulaufbereich 3 bis zum Flüssigkeitsablauf 11α, lift, bzsv. lic. Der Austauschbereich 10 gestattet einen Dampfdurchtritt vom unteren Bod?η durch die Löcher 4 zum darüber befindlichen Boden.

Jeder Boden vA in üblicher Weise mit einer Ableiteinrichtung 5, 6 im Abstand von der Kolonnenwandune 12 versehen.

Jeder Boden weist ferner ein einwärts schräg anstegendes im wesentlichen undurchlässiges Leitblech? auf. Die Unterkante dieses Leitbleches 7 verläuft angrenzend an den Flüsstgkeitszulaufbereich3,

so daß er diesen von dem durchlachten Austanscbberejch 10 trennt. Ein Teil des schräg ansteigenden Leitbleches 7 kann über den Austauschbereich IO des Bodens reichen. Das Leitblech 7 is: vorzugsweise undurchlässig, jedoch kann auch ein geringer Teil

ίο seiner Fläche durchlässig sein, so daß etwas Flüssigkeit und/oder Dampf hindurchgehen kann. Vorzugsweise wird die Gesamtmenge der Flüssigkeit, die durch den Flüssigkeitsablauf 11 a, 11 b bzw. 11 c auf den nächsten Boden läuft, über das Leitblech 7 geleitet.

Angrenzend an den Austauschbereich 10 befindet sich ein Wehr in Form einer aufwärts reichenden, im wesentlichen undurchlässigen Trennwände. Vorzugsweise erstreckt sich die«··'. Trennwand quer über

so den gesamten Boden von einer Seite der Kolonne zur anderen Seite. Diese Trennwand 8 ist senkrecht nach oben stehend angeordnet, und sie videt in einer Höhe unterhalb der Höhe, wo sich die Endkante des schräg ansteigenden Leitbleches 7 befindet. Diese senkrechte Anordnung gewährleistet einen turbulenten Fluß im Bereich neben der Wand, so daß kein Flüssigkeitsdurchlauf durch Löcher im durchlochten Abschnitt unmittelbar neben dem Wehr 8 erfolgt. Weiterhin verhindert diese Trennwand jeglichen Flüssigkeitsdurchlauf unter dem Leitblech 7 in den Dampfraum 13 des darunterliegenden Bodens. In der Zeichnung ist die bevorzugte Ausbildung und Anordnung bezüglich des schräg ansteigenden Leitblcches7 und der senkrechten Trennwände dargestellt, wonach die Endkantc des Leitbleches 7 direkt oberhalb der Endkante des senkrechten Wehrs 8 endet.

Die Endkante des schräg ansteigenden Leitbleches? und die Endkante des Wehrs bzw. der senkrechten Trennwand 8 bilden zusammen einen im weseitlichen durchgehenden Dampfspalt 9, der sich quer durch die Kolonne erstreckt und mit dem Dampfraum 13 des darunter befindlichen Bodens durch Löcher 4 in Verbindung steht. Der durch die Löcher 4 aufsteigende Dampf strömt durch den Dampfspalt 9 und tritt dabei in innige Berührung mit der Flüssigkeit, die über das schräg ansteigende Leitblech 7 überfließt. Der dabei eintretende Dampf-Fliissigkeits-Kontakt führt zu einer Schaumbildung an dieser Stelle, und diese bereits zu Beginn erfolgenclc Schaumbildung führt zu besonders günstigen Bedingungen für eine Schaumbildung auf dem durchlochten Austauschbcrcich 10 des Bodens. Weiterhin führt dieses Inbcrührungbringen und Durchmischen von Dampf und Flüssigkeit zu einer gleichmäßigen Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die auch erhalten bleibt, wenn die Flüssigkeit dann über den durdilochteii Austauschbereich 10 des Bodens fließt. Die über den Austauschbereich 10 fließende Flüssigkeit hat also an den Stellena, b und c in der Fig.2 in etwa die gleiche Geschwindigkeit. Die Herbeiführung dieser gleichmäßi.pen Geschwindigkeit bereits zu Beginn in Verbindung mit der Gewährleistung eines Dampf-Flüssigkeits-Gemischs von gleichmäßiger Konzentration stellt sicher, daß eine sehr wirksame Fraktionierung ohne Flüssigkeitsdurchlauf auf die darunterliegenden Böden erzielt wird.

Die Beseitigung eines Flüssigkeitsdurchlaufes ist ebenfalls besonders wichtig, da bei bekannten Böden

häufig ein Großteil der Flüssigkeit, die durch einen gegebenen Boden hindurchläuft, nicht nur diesen Boden umgeht, sondern Much den nächstniedercn Boden. Dies läßt sich gul an Hand der Fig. I veranschaulichen. Wenn das schräg ansteigende Leitblech 7 und die senkrechte Trennwand 8 nicht vorhanden wären, würde ein Teil der durch den Flü.ssigkeitsablauf 11a herablaufcnden Flüssigkeit infolge Durchlaufs durch Löcher4 den BodenIb umgehen und in Nähe des Flüssigkeitsablaufes Hr auf den darunter befindlichen Boden Ic fallen. Da der Fluß auf dem Boden 2 c zum Flüssigkeitsablauf lic gerichtet ist, würde die durch den Boden 2 b hindurchlaufcnde Flüssigkeit praktisch sofort aus dem Austauschbereich 10 des Bodens 2 c wieder fortgespült werden. Demgemäß würde die Flüssigkeit nicht nur auf dem Boden 2b, sondern auch auf dem Boden Ic die aufsteigenden Dämpfe umgehen.

Die den Dampfspalt 9 bildende öffnung verläuft parallel zur Oberfläche des jeweiligen Bodens, d. h., die Endkante des schräg ansteigenden Leitbleches 7 verläuft ebenfalls parallel zum Boden. Die im Einzelfall angewendete lichte Höhe des Dampfspaits9 ist für optimale Verhältnisse häufig abhängig von der im Einzelfall durchgeführten Art des Inberührungbringens von Dampf und Flüssigkeit und den im Einzelfall vorliegenden Komponenten. Vorzugsweise sollte der Dampfspalt jedoch etwa 15 bis etwa 75⁰O der Abstandsfläche zwischen der Endkante des schräg ansteigenden Leitbleches und dem Boden ausmachen.

Die Fig. 3 zeigt insbesondere die Anordnung des schräg ansteigenden Leitbleches 7 in bezug auf die senkrechte Trennwände zur Bildung des durchgehenden Dampfspaltes 9. Es können, je nach Kolonnengröße, Stützen 14 vorgesehen sein, die nur den Zweck haben, Mittelbereiche des schräg ansteigenden Leitbleches 7 abzustützen und damit sicherzustellen, daß die Spaltöffnung über die gesamte Kolonnenbreite eine gleichmäßige lichte Höhe aufweist. Es wurde gefunden, daß der Winkel zwischen dem schräg ansteigenden Leitblech und dem betreffenden Boden, hier also dem Boden 26, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 45 betragen sollte.

Ein besonders wichtiger technischer Vorteil des erfindungsgemäßen Bodens liegt darin, daß seine Einrichtungen leicht und bequem in bereits vorhandene Kolonnen eingebaut werden können. Die Teile 7, 8 und 14 können getrennt von den Böden hergestellt und zusammengebaut werden. Die vorgefertigten Einrichtungen können dann leicht auf bereits vorhandenen Fraktionierböden, bei denen eine schlechte Dampf-Flüssigkeits-Verteilung und ungleichmäßige Flüssigkeitsgeschwindigkeiten auf dem Boden vorliegen, angebracht werden. Dabei ist es auch nicht zwingend erforderlich, daß die bereits vorhandene Kolonne die gleiche innere Ausgestaltung hat, wie die in der Zeichnung dargestellte Kolonne. Es ist ohne Schwierigkeit eine Anpassung an den Einzelfall möglich. So ist beispielsweise in der Zeichnung eine Kolonne mit Kreuzstrom dargestellt, die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber in analoger Weise auch bei Böden mit geteiltem Strom oder anderen Bodenausbildungen Anwendung finden.

Der erfindungsgemäße Boden ist besonders brauchbar und vorteilhaft bei Destillationskolonnen, die bei unteratmosphärischen Drücken arbeiten und ein sehr geringes Druckgefälle je theoretischem Boden erfordern, da die erläuterte Einrichtung ein Dampf-Flüssigkcits-Gcmisch von gleichmäßiger Zusammensetzung und eine gleichmäßige Ilüssigkeitsgcschwindigkcit auf jedem Boden sicherstellt. Dies ist besonders wichtig, wenn in der Destillationskolonne ein Einsatzmaterial verarbeitet wird, das einen thermisch unbeständigen Bestandteil umfaßt.

Die erzielten Vorteile werden an Hand des nach stehenden Beispiels weiter veranschaulicht.

Beispiel

Die nachstehend aufgeführten Werte wurden erhalten unter großtechnischen Betriebsbedingungen.

»5 es wurde ein Äthylbenzol-Slyrol-Gemisch, das 41 Molprozent Äthylbenzol und 59 Molprozent Styrol mit Spuren anderer Aromaten enthielt, in einer Fraktionierkolonne mit doppeltem Durchgang von 6,1 m Durchmesser, die 85 Böden mit einem Abstand zwi-

ao sehen den Böden von 0,61 m enthielt, fraktioniert. Jeder Boden wies 3.7 m², das sind 12,7",O, freie Fläche in Form von Ventilen, eingebaut in öffnungen von 3,8 cm Durchmesser, auf. Die Kolonne wurde bei einem Knopfdruck von 35 mm Hg abs. und

a5 einer Kopftemperatur von 52' C und bei einem Bodendruck von 250 mm Hg abs. und einer Bodentemperatur von 107° C gehalten. Die Frischbeschikkungszuführung zur Kolonne betrug 18,InWh, wobei 8,1 nWh als Produkt über Kopf abgezogen und

10,0m³/h als Bodenproduktstrom abgenommen wurden. Der Rückfluß betrug 69,5 m^s/h, entsprechend einem Rückfluß/Beschickungs-Verhältnis von 3 76 (Mol).

Die Kolonne wurde zunächst mit Böden ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Einrichtungen betrieben. Die dabei erhaltenen Ergebnisse waren unbefriedigend.

Dann wurde die Einrichtung gemäß der Erfindung, wie sie insbesondere in der Fi g. 3 dargestellt ist, eingebaut. Hierzu wurden zunächst die Ventile und Ventilkäfige der ersten Ventilreihe parallel zu dem lochfreien Flüssigkeitszulaufbereich eines jeden Bodens entfernt, und dann wurden die beschriebenen Einrichtungen über der sich jeweils ergebenden

Reihe von freien Löchern mit 3,8 cm Durchmesser angebracht. So wie in der Zeichnung dargestellt, erstreckten sich Wehr und Leitblech durch den vollen Querschnitt der Kolonne. Entsprechend der Ausbildung gemäß den Figuren und insbesondere der F i g. 3 hatte die senkrechte Trennwand 8 eine Höhe von 1,27 cm, das schräg ansteigende Leitblech 7 war 6,03 cm breit, und die Teile 7 und 8 waren so zueinander angeordnet, daß die Endkante des Leitbleches 7 direkt oberhalb der Trennwand 8 lag und sich ein durchgehender Dampfspalt von 1,27 cm Höhe ergab. Der Winkel betrug etwa 17,5°. Kommunizierende Verbindung mit den darunterliegenden Böden war hergestellt durch die unter dem Leitblech 7 liegenden Löcher, die durch die Entfernung der ersten Ventilreihe des jeweiligen Bodens frei gemacht worden waren.

Nachstehend sind die gemittelten Ergebnisse aufgeführt, die vor und nach Einbau der Einrichtungen gemäß der Erfindung erhalten wurden. Der angegebene Bodenwirkungsgrad stellt einen Gesamtkolonnenwirkungsgrad dar, bestimmt durch die angewendeten Betriebsbedingungen und den Murphee-Wirkungsgrad.

Herkömmlicher Boden

Erfindungsgemäßer Boden

Zusammensetzung des Über-Kopf-Produktes, Molprozent

Styrol

Äthylbenzol

Zusammensetzung des Bodenproduktes, Molprozent

Styrol

Äthylbenzol ·.

Bodenwirkungsgrad

6 94

99,8 bis 99,9 0,1 bis 0,2

40 bis 50 Vo

2 98

99,99 0,01

80 bis 90¹Vo

Die vorstehenden Ergebnisse belegen eindeutig die 15 verdoppelt und der Druckabfall je theoretischem Bo-

durch die Erfindung erzielte Verbesserung und die hinsichtlich der Absolutwerte ausgezeichnete Trennleistung. Durch Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Kolonne um einen Faktor von zwei oder mehr wird die Zahl der theoretischen Böden mehr als den auf die Hälfte verringert. Dies bedeutet einen einschneidend verbesserten Betrieb der Destillationskolonne durch den Einbau des erfindungsgemäßen Bodens.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ι »

ausmachen. Aus dem FlUssigkcilszulauf fließt die

Patentansprüche· Flüssigkeit über die undurchlässige Wandung auf die

ratenmnsprucne. geneigte durchlässige Wandung, wo infolge des ge-

L Boden zum Kontaktieren von Dumpfen und "ngeren Flüssigkeitsstandes an dieser Stelle eine

Flüssigkeiten in Stoffaustauschkolonnen, bei dem 5 Schaumbildung durch den.durchι die Durchlese und

auf der einen Seite ein Flüssigkeitszulauf und auf die Flüssigkeit aufsteige^J" ^D™P^f «JJ°'g .^⁶

der gegenüberliegenden Seife ein Flüssigkeits- Strömungsverhaltn.sse bei dieser bekannten Emnch-

ablauf vorgesehen sind und bei dem zwischen tnng bewirken jedoch, daß der Boden m seinem Aus-

dem Zulaufbereich und dem Austauschbereich tauchbere.ch, der dieser Einrichtung benachbart m,

ein Wehr vorgesehen ist, dem vom Flüssigkeits- 10 zum Durchregnen neigt.

zulauf her ein vom Boden zur Austauschfläche Es ist auch bereitstem Austauschboden mit einem hin ansteigendes und über das Wehr ragendes zwischen dem Zulaufbereich und dem Austauschbe-Leitblech vorgelagert ist, wobei die Endkanten reich vorgesehenen Wehr, dem vom Hussigkeitszuvon Wehr und Leitblech im wesentlichen parallel lauf her ein vom Boden zur Austauschflache hin anzueinander verlaufen und der Boden im Bereich 15 steigendes und über das Wehr ragendes Leitblech zwischen Wehr und Leitblech Dampfdurchtritts- vorgelagert ist, bekannt (deutsche Patentschrift öffnungen besitzt, dadurch gekenn- 971 135), wobei die Endkanten von Wehr und Leitzeich -iet, daß das Wehr (8) als senkrecht auf blech im wesentlichen parallel zueinander verlaufen dem Boden (2 a, 2 b, 2 c) angeordnete Trenn- und der Boden im Bereich zwischen Wehr und Leitwand und das Leitblech (7) als schiefe Ebene 20 blech Dampfdurchtrittsöffnungen besitzt,
ausgebildet ist. Dieser bekannte Boden dient nicht der Schaumbil-
2. Boden nach Anspruch 1, dadurch gekenn- dung, sondern soll der auf dem Austauschbereich bezeichnet, daß das Leitblech (7) mit dem Boden findlichen Flüssigkeit eine Beschleunigung ihrer (2a, 2b, 2c) einen Winkel von 10 bis 45" bildet. Kreuzstrombewegung erteilen. Zu diesem Zweck
3. Boden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- as weisen das Wehr und das Leitblech sowie weitere kennzeichnet, daß der Spalt (9) zwischen der zwischen ihnen angeordnete Leitbleche die Form Endkante des Wehres (8) und der Endkante des paralleler, düsenförmiger Prallplatten in Form eines Leitbleches (7) 15 bis 75°/o der Abstandsfläche 90 -Krümmers auf, mit welchem wenigstens ein Teil zwischen der Endkante. des Leitbleches (7) und des aufsteigenden Dampfes um 90 ' umgeleitet wird, dem Boden (2 a, ? b, 2 r^x beträgt. 30 um waagerecht über die Oberfläche der auf dem

Austauschboden stehenden Flüssigkeit geblasen zu werden. Auf dem obersten Leitblech steht senkrecht angeordnet ein Einlaufwehr, über welches die Flüssigkeit aus dem Zulaufbereich in den Austauschbe-35 reich fließt.

Bei diesem bekannten Boden führt das Überströmen der Flüssigkeit aus dem Zulaufbereich über die scharfe Kante des senkrecht stehenden Wehrs zu