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Mehrstufige Hochgeschwindigkeits-Kontakteinrichtung Die Erfindung
betrifft eine mehrstufige Hochgeschwindigkeits-Kontakteinrichtung für Stofftrennverfahren,
wie z B. für die Rektifikation und Absorption.
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Es sind bereits Hochgeschwindigkeits-Xontakteinrichtungen bekannt,
die aus einzelnen parallel und vertikal angeordneten rohrförmigen Kontaktelementen
bestehen. Die Rohre sind in der Regel in horizontal angeordneten Böden innerhalb
eines Kolonnenmantels eingelassen. Die flüssige Phase tritt über die obere Rohrperipherie
durch Zentrifugalwirkung in einen freien Raum aus. Dieser Raum dient zur erneuten
Sammlung der Flüssigkeit auf dem Boden, auf dem sie sich infolge Schwerkrafteinfluß
absetzt. Ebenso erfolgt der Rücklauf auf den nächst tiefer gelegenen Boden allein
durch Schwerkraft.
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Des weiteren wurden bereits Varianten vorgeschlagen, die am oberen
Kontaktrohrende spezielle Abscheider mit rohrförmigen Mänteln besitzen. Sie lassen
über periphere Öffnungen die Flüssigkeit in Rückförderschächte austreten.
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Die fehlenden Abscheidermäntel bei den einfacheren Varianten haben
ein Aufeinanderprallen der bereits abgeschiedenen Flüssigkeitsströme von einander
benachbarten Kontaktelementen zur Folge. Im Ergebnis der erneuten Flüssigkeitszerteilung
sinkt der Wirkungsgrad der Austauschprozesse durch Rückvermischung. Dieser Einfluß
kann nur durch großräumige Beruhigungs- und Absetzzonen eingeschränkt werden, die
den Raumausfüllungsgrad einer Kolonne durch die Einbauten unvertretbar klein halten.
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Außerdem besteht die Gefahr einer ungleichmäßigen Beaufschlagung der
Kontaktelemente mit Gas und Flüssigkeit.
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Als Folge der gegenseitigen Beeinflussung der Kontaktelemente kann
eine Maßstabsvergrößerung (von einem Kontaktelement auf eine Kontakteinheit) nur
begrenzt vorgenommen werden. Bei Verwendung von Abscheidermänteln zur Erhöhung des
Abscheidegrades sinkt der Raumausfüllungsgrad in der Regel weiter ab. Selbst bei
besonders günstigen Anordnungen der Abscheider bleibt durch Zwickelräume und durch
Kanäle für die Strömungsführung das Freiflächenverhältnis unter 25.
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Der Zweck der Erfindung besteht in einer vorteilhaften Vereinigung
des Prinzips der Flüssigkeitszwangsführung zur gleichmäßigen Beaufschlagung der
Kontaktelemente mit einem hohen Raumausfüllungsgrad einer Kontakteinrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Kontakteinrichtung
die Kontakt- und Abscheideelemente in möglichst dichter Packung zur Vergrößerung
des Freiflächenverhältnisses und des Raumausfüllungsgrades anzuordnen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf einem Kontaktboden
bei unterschiedlichem Abstand zwischen Kontaktboden und Kontaktzwischenboden mehrere
im Wechsel verschieden lange Kontaktrohre angeordnet sind, die mit alternierend
in der Höhe versetzten Abscheidermänteln versehen sind. Diese Baueinheiten sind
so parallel und übereinander gestaffelt angeordnet, daß eine möglichst dichte Zylinderpackung
entsteht. Auf einfache Weise ist bei jeweils zwei Kontaktelementen auf einem um
eine Abscheidermantelhöhe verlängerten Kontaktrohr ein Abscheider über dem anderen
stufenförmig-alternierend gruppiert. Dabei berührt die Peripherie des Abscheiders
auf dem kürzeren Kontaktrohr die Peripherie des läNgeren Kontaktrohres. Die Flächen
zwischen den aktiven
Rohrquerschnitten vermindern sich. Das Freiflächenverhältnis
wächst ebenso wie der Raumausfüllungsgrad.
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Bei der Wahl konstanter Abstände zwischen Kontaktboden und Kontaktzwischenboden
wird der Einbau unterschiedlicher Kontaktrohrlängen vermieden, indem Kontaktrohre
und Abscheidermäntel alternierend in Reihe und parallel versetzt bei höherem Raumausfüllungsgrad
angeordnet sind. Dabei sind die einander benachbarten Austauschstufen jeweils um
eine halbe Kontaktstufenhöhe vertikal gestaffelt. Die Strömungsführung der Flüssigkeit
erfolgt für die höhenversetzten Kontaktstufen jeweils getrennt und insgesamt in
schleifenförmig verschachtelter Weise.
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Zu diesem Zweck werden Zu- und Rückförderschächte für beide Kontaktstufen
voneinander getrennt ausgeführt.
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Raum für den Abtransport der flüssigen Phase aus den Abscheidern in
der dichten Zylinderpackung wird dadurch gewonnen, daß die Abscheidermäntel über
dem Boden einseitig geöffnet sind und einen gemeinsamen Sammelkanal bilden. Spezielle
Leitflächen sorgen für einen gerichteten Strömungsverlauf der flüssigen Phase. Die
in Reihe versetzt hintereinander angeordneten Rohre verschiedenen Durchmessers stoßen
an ihren senkrechten Berührungslinien dicht aneinander. Die Dichtigkeit gegenüber
den angrenzenden Strömungskanälen wird durch einfaches Aneinandersetzen und Verspannen
der Zylinderpackung erreicht. Die Kontakteinheiten werden zu mindestens jeweils
zwei Elementen (Kontaktrohre und Abscheidermäntel) mit zwei zugehörigen Bodenplatten
als kleinste Baueinheit vorgefertigt. Dabei werden die Kontaktrohre in dafür aufgebördelte
Öffnungen eingesetzt und durch formschlüssige Verbindungen mit den Platten vereinigt.
Die Abscheidermäntel werden in dichter Packung mit den angrenzenden Kontaktrohren
mit Dichtangsringen durch Klemmverbindung räumlich zwischen den Platten fixiert.
Die Baueinheiten besitzen an den Rändern der Bodenplatten an- oder eingearbeitete
Profile, die ein lückenloses Aneinanderfügen,
Verbinden und Schachteln
innerhalb eines Kolonnenmantels gestatten. Bei allen Anordnungsvarianten der Kontaktelemente
verhalten sich die Durchmesser des Kontaktrohres zum Abscheidermantel wie 2:3.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei spiel näher
erläutert. In den zugehörigen Darstellungen zeigen: Fig. 1: eine Schrägaufsicht
auf eine Kontaktelementreihe, teilweise im Schnitt, in der die Abscheidermäntel
alternierend in der Höhe dicht gepackt versetzt sind, Fig. 2: eine Kontakteinrichtung
in pseudoperspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, mit dichter Zylinderpackung
und zugehöriger Strömungsführung, Fig. 3: zwei Reihen von Kontaktelementen mit einseitig
unten mit Austrittspalten versehenen Abscheidermänteln in Schrägaufsicht und teilweise
im Schnitt.
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Gemäß Fig. 1 befinden sich auf einem Kontaktboden 1 in Reihenanordnung
einander parallele Kontaktrohre 2 und, diese umschließend, Abscheidermäntel 3. Die
Abscheidermäntel 3 sind alternierend höhenversetzt und schließen mit ihren Peripherien
an die Kontaktrohre 2 an. Jeweils ein Kontaktboden 1 mit dem Kontaktzwischenboden
1'und den zugehörigen Elementen Kontaktrohr 2 und Abscheidermantel 3 bilden eine
Austauschstufe.
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Es wird ein Flüssigkeits-Teilstrom (flächig gezeichneter Pfeil) betrachtet,
der auf den Kontaktboden 1 von einer höher gelegenen Stufe bei der Stelle B eintritt.
Die flüssige Phase gelangt über eine oder mehrere periphere
Kontaktrohröffnungen
4 in das Kontaktrohr 2 und somit in den spiralförmig aufsteigenden Gasstrom (dünn
gezeichnete schwarze Pfeile).
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Die Rotationskomponente des Gasstromes wird durch einen Drallkörper
5 erzeugt. An der Innenwand des Kontaktrohres 2 lösen sich die Flüssigkeitsstrahlen
in Tropfenschwärme auf, die zuerst angenähert den Stromlinien des Gases folgen und
dann durch Zentrifugalwirkung nach erfolgter Kontaktierung aus einem Ringspalt 6
des Abscheiders über die Abscheideraustrittsöffnung 7 ausgetragen werden. Die Flüssigkeit
verläßt den Kontaktzwischenboden 1'an der Stelle A' und tritt auf den nächst tiefer
gelegenen Boden bei der Stelle Dein. Es erfolgt eine erneute Zerteilung, Abscheidung
und Austragung der flüssigen Phase, die jetzt vom Kontaktzwischenboden 1< an
der Stelle C abgeführt wird. Damit ist ein Austauschvorgang über zwei Kontaktstufen
vollzogen; die Flüssigkeit strömt in der gleichen Abwärtsrichtung wie beim Eintritt
an der Stelle B. Die Stellen C' und D sind analog den Stellen A' und B zu betrachten.
Die Abscheidermäntel 3 bestimmen den horizontalen Platzbedarf, der in der erfindungsgemäß
dargestellten Anordnung minimal ist.
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Nach Fig. 2 werden Kontaktrohre 2 und Abscheidermäntel 3 einer Kontakteinrichtung
so miteinander auf Kontaktböden 1 und Kontaktzwischenböden 1' dicht gepackt, daß
zwei getrennte (flächig-durchgezogen gezeichnete und gestrichelt gezeichnete Pfeile),
in miteinander verschachtelten Schleifen geführte Flüssigkeits-Teilströme bei hohem
Freiflächenverhältnis und Raumausfüllungsgrad entstehen.
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In Figur 2 schließen an die peripheren Kontaktrohröffnungen 4 im Rohrinneren
zentral-axiale Flüssigkeitslanzen 8 an, die für eine bessere Verteilung der Sprühströmung
über den Querschnitt sorgen, Die flüssige Phase wird durch Rückförderschächte 9
geführt, die periodisch mit Ein- und
Austrittsschlitzen 10 versehen
sind. Die Flüssigkeitsteilströme werden durch Längswehre 11 voneinander getrennt.
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Geneigte Leitbleche 12 dienen einer strömungsgünstigen Einführung
der Flüssigkeit auf die Xontaktböden 1 und Kontaktzwischenböden 1: Die Abscheidermäntel
3 einer Doppelreihe von Kontaktelementen sind bezüglich ihrer Spiegelsymmetrielinie
einseitig mit Schlitzen oder Austrittsspalten oder -schlitzen 13 so versehen, daß
die aus den Ringspalten 6 benachbarter Kontaktrohre 2 austretenden Flüssigkeitsströme
zwar einerseits voneinander abgeschirmt werden, andererseits aber einen ungehinderten
Flüssigkeitsdurchtritt zulassen (Fig. 3).
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Die besonderen erfindungsgemäßen Vorteile bestehen darin, daß unkontrollierte
Strömungen vermieden werden, die durch wechselseitige Beeinflussung der Ströme den
Wirkungsgrad des Austauschvorganges vermindern. Die Einzelelemente stellen geschlossen
berechenbare Prozeßeinheiten dar und lassen eine theoretisch unbegrenzte Maßstabsvergrößerung
durch Parallelanordnung zu. Sie sind fertigungstechnisch günstig in Form eines Baukastensystems
herstellbar und lassen sich besonders gut verschiedenen Stofftrennprozessen variabel
anpassen. Durch eine besondere Flüssigkeitsführung wird bei Stoffsystemen mit hohen
Übergangswiderständen zur Erhöhung des Wirkungsgrades eine strömungsmäßig überblickbare
Rezirkulation zugelassen.