DE2917749A1

DE2917749A1 - Gas-fluessigkeit-kontaktvorrichtung

Info

Publication number: DE2917749A1
Application number: DE19792917749
Authority: DE
Inventors: Akio Kobayashi; Masakazu Takaiwa; Kunihide Yaguchi
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1978-05-04
Filing date: 1979-05-02
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS54145371A; FR2432335A1; GB2020192A

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung die dadurch gebildet ist, daß Stopfstangen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 40 mm innerhalb eines gestopften Turmes horizontal und parallel zueinander im richtigen Abstand angeordnet werden, so daß sie eine Packungsdichte im Bereich von 2 bis 30 % ergeben.

In der chemischen Industrie sowie in anderen Industriezweigen stellt der Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorgang zur Herbeiführung von Absorption, Abstrahlung, Destillation, Kühlung, Waschung, Staubentfernung, usw. durch Kontakt von gasförmigen Substanzen mit flüssigen Substanzen eines der wichtigen Einheitsverfahren dar. Als Ausrüstung zur Durchführung dieses Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorganges wurden bereits Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtungen entwickelt, die mit verschiedenen Stopfmaterialien gestopfte Türme verwenden. Von den bisher entwickelten verschiedenen Stopfmaterialien sind insbesondere Raschig-Ringe, Berl-Saddles und Tellerettes wohl bekannt. Keines dieser Materialien weist Jedoch eine dem Zweck entsprechende Leistungsfähigkeit auf. Bei einer anderen Art von Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtungen wurden Plattentürme mit verschiedenen Ausbildungen verwendet. Auch deren Leistungsfähigkeit war für den Anwendungszweck nicht zufriedenstellend.

Die Funktion eines Gas-Flüssigkeit-Kontaktgerätes beruht allgemein darauf, daß ein Massentransfer in großen Mengen verursacht wird. Die Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung mit hoher Kapazität muß daher den gasseitigen Druckabfall auf einem geringen Wert und die Gas-Flüssigkeits-Eontaktfläche auf einem hohen Wert halten und zwar trotz eines beträchtlichen Anstiegs der am Kontaktvorgang teilnehmenden Mengen

der gasförmigen und flüssigen Substanzen. Von den Stopfmaterialien, wie sie durch Raschig-Ringe und Berl-Saddles repräsentiert werden, werden derzeit verschiedene Abwandlungsformen ins Auge gefaßt. Zum Zweck der Erhöhung der Gas-Flüssigkeit-Kontaktfläche wird dabei stets besonders darauf geachtet, daß diesen Stopfmaterialien selbst große Oberflächen verliehen werden. Sogarbei einem derart verbesserten Stopfmaterial, bei dem eine große Anzahl von Teilstücken in einem gestopften Turm unregelmäßig angeordnet ist, bleibt jedoch ein Teil der Oberflächender einzelnen Teilstücke unbenetzt bzw. unbefeuchtet, und zwar wegen der gegenseitigen Oberflächenberührung und der ungleichförmigen Verteilung von Zwischenräumen für den Durchlaß der Flüssigkeitsströmung. Diese modifizierten Ausführungsformen ergeben also in der Praxis keine so große Erhöhung der Kontaktoberfläche wie erwartet. Sie weisen überdies den Nachteil auf, daß unausweichlich ein hoher Druckabfall auftritt, da die Einzelelemente nicht voneinander getrennt sind. Keine der bislang entwickelten Abwandlungsformen von Stopfmaterialien hat sich als zufriedenstellend erwiesen.

Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtungen mit Plattentürmen sind derart aufgebaut, daß sie den erforderlichen Gas-Flüssigkeits-Kontakt im Prinzip entweder dadurch herbeiführen, daß gasförmige Substanzen blasenförmig durch auf abgestuften Platten ortsfest gehaltene flüssige Substanzen hindurchgeführt werden, oder daß flüssige Substanzen auf abgestuften Platten fluidisiert werden. Diese Vorrichtungen weisen zwar verglichen mit den Innenoberflächen ihrer Türme große Kontaktflächen auf, jedoch ohne Bezug zu den Prinzipien des Gas-Flüssigkeits-Kontaktvorgangs. Sie zeigen jedoch den Nachteil, daß ihre Verfahrensvorgänge spürbar durch Veränderungen der beim Kontakt mitwirkenden Mengen von gasförmigen und flüssigen Substanzen beeinflußt werden, da die

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Vorgänge die Konstanthaltung eines entsprechenden Gleichgewichts zwischen der Höhe der Flüssigkeit auf den abgestuften Platten und dem Druck, mit dem das Gas aufwärts geblasen wird, erfordern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung zu schaffen, die bei sehr einfachem Aufbau eine verbesserte Kapazität, nämlich eine vergrößerte Gas-Flüssigkeits-Kontaktflache, aufweist und dennoch gasseitig einen geringen Druckabfall hervorruft .

Weiter soll erfindungsgemäß erreicht werden, daß die Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung keine Verklumpung von Fremdstoffen in der Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone entstehen läßt.

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Erfindungsgemäß sind in der Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung schlanke Stopfstangen mit einer Länge von nicht mehr als 40 mm horizontal und parallel zueinander innerhalb eines Turmes in geeignetem Abstand angeordnet, so daß sie eine Packungsdichte im Bereich von 2 bis 30 % bilden.

Obwohl die Stopfstangen aus einem metallischen oder nichtmetallischen Material hergestellt sein können, sind solche aus geformtem Plastikmaterial bevorzugt, da sie leicht und kostengünstig sind. In Abhängigkeit von der Art der zu behandelnden gasförmigen und flüssigen Substanzen sind die Stopfstangen vorzugsweise insgesamt aus einem Material geformt, welches gegen Alkalien, Säuren oder andere Stoffe widerstandsfähig ist, oder sie sind mit einem derartigen Material beschichtet. Die Stopfstangen werden mittels bekannter Verfahren, wie Extrusionsformung, Ziehformung oder Spritzguß in der gewünschten Gestalt geformt und innerhalb eines Turmes durch eines der bekannten Verfahren, wie Schweißen, Schmelzbefestigung oder An-

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schrauben in geeigneter Positionierung eingestellt. Bei dieser Positionseinstellung sollen die Stopfstangen mit einer Packungsdichte im Bereich von 2 bis 30 $, vorzugsweise von 5 bis 20 % beabstandet werden. Wenn eine Vielzahl von Stopfstangen in einem Turm positionsmäßig angeordnet ist, dann sind die Stopfstangen horizontal und parallel zueinander mit im wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Wenn die Stopfstangen nicht mit im wesentlichen gleichen Abständen parallel zueinander angeordnet sind, dann kann sich eine Gasdrift und dabei auch eine Flüssigkeitsdrift ergeben, da ein Packungskoeffizient der Stopfstangen teilweise unterschiedlich ist. Folglich kann dabei kein gleichförmiger Gas-Flüssigkeits-Kontakt erzielt werden, wie erwünscht. Die Stopfstangen sollen überdies horizontal angeordnet sein, so daß die Flüssigkeit entlang der ganzen Länge gleichförmig an den Stangen nach unten strömt. Die horizontale Anordnung der Stangen muß nicht sehr genau sein, da die Flüssigkeit unter dem Einfluß der gleichförmigen Strömung des Gases im Innenraum des Turmes verteilt wird.

Bei der Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung gemäß der Erfindung strömt die nach unten tretende Flüssigkeit entlang der Oberfläche der Stopfstangen nach unten und fällt von der Oberfläche in Gestalt von Tropfen ab, während das aufsteigende Gas durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Stopfstangen hindurchströmt und dabei sein Volumen wechselweise kontrahiert und expandiert. Die entlang der Stopfstangen nach unten strömende Flüssigkeit erneuert ständig ihre Oberfläche und ist während des Falles in den Zwischenräumen einer heftigen Dispersion unter dem Einfluß der Aufwärtsströmung des Gases ausgesetzt. Die Gas-Flüssigkeits-Kontaktflache wird daher in hohem Ausmaß vergrößert.

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Durch die Erfindung wird also eine verbesserte Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung geschaffen, bei der durch den Kontakt eines Gases mit einer an der Oberfläche eines in einem gestopften Turm angeordneten Stopfmaterials nach unten strömenden Flüssigkeit ein Einheitsprozeß durchgeführt wird; die Verbesserung besteht darin, daß als Stopfmaterial schlanke Stopfstangen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 40 mm verwendet werden, und daß die Stopfstangen im Turm horizontal und parallel zueinander mit einer Packungsdichte im Bereich von 2 bis $0 % angeordnet sind.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugr nähme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Teilschnittansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2(a)Schnittansichten von Stopfstangen zur Verwendung bis (f) mit der Erfindung; und

Fig. 3 Schnittansichten anderer bevorzugter Ausführungsund M- formen der Erfindung.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, sind innerhalb eines Turmes Ί der Flüssigkeit-Gas-Kontaktvorrichtung Stopfstangen 2 horizontal und parallel zueinander mit geeignetem Abstand angeordnet. Das Gas wird über das Gaseinlaßrohr 1 und die Flüssigkeit über das Flüssigkeitseinlaßrohr M- in das Innere des Turmes 1 eingeführt« Innerhalb des Turmes treten sie miteinander in Kontakt und werden dann über ihre Jeweiligen Auslaßrohre 5» 6 herausgeführt. In diesem Fall können das Gas und die Flüssigkeit in Gegenstromrichtungen, wie in der Fig. 1 dargestellt, oder in Parallelströmungsrichtungen miteinander in Kontakt gebracht werden. Die Stopfstangen 2

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können mit einem der verschiedenen, in den Fig. 2(a) Ms (f) dargestellten verschiedenen Querschnitten geformt sein. Die möglichen Querschnittsformen der Stangen sind jedoch nicht auf die in Fig. 2 gezeigten begrenzt.

Jede der Stangen weist einen Durchmesser von 1 bis 40 mm bei kreisförmigem Querschnitt auf oder einen Hauptdurchmesser derselben Größe wenn ein anderer Querschnitt als ein Kreis vorgesehen ist. Stangen mit einem Durchmesser von mehr als 40 mm sind zur praktischen Anwendung als Gerät zur Absorption oder Destillation nicht wünschenswert, da ihre spezifische Oberfläche sehr klein und der Gesamtgasvolumen-Koeffizient gering sind. Sie sollen jedoch aus praktischen Herstellungsgründen einen Durchmesser von nicht unter 1 mm aufweisen.

Diese Stopfstangen 2 sind horizontal und parallel zueinander im richtigen Abstand innerhalb des Turmes Λ derart angeordnet, daß sie eine Packungsdichte von 2 bis 30 % ergeben. Die Stopfstangen können gleichmäßig im gesamten Innenraum des Turmes angeordnet sein, es ist jedoch bevorzugt , jeweils 3 bis 30 Säulen der Stopfstangen 2 als Einheit auszubilden und mehr als 3 cm Raum zwischen den Einheitsanordnungen vorzusehen, wie in der Fig. 3 gezeigt, um eine Anstauung bzw. Überflutung zu verhindern. Es ist weiterhin bevorzugt, zur Verhinderung von Gas- und Flüssigkeitsdriften, die Einheiten der Stopfstangen in abwechselnden Richtungen anzuordnen, beispielsweise in einander rechtwinklig schneidenden Richtungen, so daß die Stangen von oben gesehen, wie in der Fig. 4 gezeigt,parallele Kreuze bilden.

Die Stopfstangen können verschiedene Durchmesser für den oberen Teil und den unteren Teil des Turmes aufweisen, oder

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die Packungsdichten können zwischen den oberen und unteren Teilen des Turmes unterschiedlich ausgebildet sein. Wenn ein Gleichgewichts-Differentialdruck der Flüssigkeit sehr von dem des Gases abweicht, dann wird ein leistungsfähiger Betrieb der Vorrichtung mit einem geringen Wert des Gasvolumen-Koeffizienten erreicht, wenn Jedoch der Unterschied der Differentialdrücke der Flüssigkeit und des Gases abnimmt, dann soll der Gasvolumen-Koeffizient groß sein, und da der Gasvolumen-Koeffizient in inverser Proportion zum Druckabfall steht, können die Stopfstangen mit unterschiedlichen Durchmessern für den oberen Abschnitt und den unteren Abschnitt verwendet werden oder sie können mit unterschiedlichen Packungsdichten angeordnet sein, so daß insgesamt eine Ökonomische Einrichtung geschaffen wird.

Beispielsweise bei einer Gegenstrom-Kontaktvorrichtung sind die Stopfstangen mit ziemlich großem Durchmesser im unteren Abschnitt angeordnet, während die Stangen mit ziemlich kleinem Durchmesser im höheren Abschnitt vorgesehen sind.

Bei einem weiteren Beispiel sind in einer Gegenstrom-Kontaktvorrichtung die Stangen derart angeordnet, daß sie im oberen Abschnitt eine hohe Packungsdichte (die Partialdichte überschreitet 30 % jedoch nicht) und im unteren Abschnitt des Turmes eine geringe Dichte aufweisen.

Es ist bevorzugt, die Stopfstangen konkret dreieckförmig anzuordnen. Bei gleichformxger Anordnung der Stopfstangen innerhalb des Turmes ist es bevorzugt, das Ganze im Dreieck anzuordnen und wenn die Stopfstangen jeweils eine Einheit mit 3 bis 30 Säulen der Stopfstangen bilden ist es bevorzugt, die Stopfstangen in jeder Einheit im Dreieck anzuordnen, obwohl die vorliegende Erfindung auf diese Anordnungen nicht beschränkt ist.

Die Packungsdichte ist durch die folgende Formel gegeben:

Packungsdichte = Gesamtvolumen aller Stopfstangen _1(χ) ±-acioin₀saicnre - _effektives Volumen des Turmes ^{x IUU}

Diese Packungsdichte soll in den Bereich von 2 "bis 30 % fallen, vorzugsweise 4- bis 20 °/o. Wenn die Packungsdichte 20 % überschreitet, dann steigt der Druckverlust deutlich an und wenn sie 30 % überschreitet, dann wird der Druckabfall extrem groß. Unter 2 % Packungsdichte ist der Kontaktwirkungsgrad zu gering. Für eine ökonomische und praktische Vorrichtung sind wenigstens 4- % Packungsdichte wünschenswert .

Beispiel 1:

Innerhalb eines Turmes mit einer Gestalt wie in Fig. 1 gezeigt, mit einem Querschnitt von 0,64- m und einer Höhe von 4- m wurden runde Stangen von 6 mm Durchmesser in gleichen horizontalen und vertikalen Abständen von 24- mm angeordnet (so daß sich eine Packungsdichte von 4-,9 °/o ergab). In diesen Turm wurde ein Abgas aus einem Heizkessel mit einem Gehalt von 1000 ppm schwefeligen Säuregases aufwärts durch den Boden eingeführt und eine wässrige Lösung mit etwa 5 Mol/Diter Natriumsulfit wurde nach unten vom Oberteil her eingeführt. In diesem Fall betrug das Flüssigkeits/Gas-Verhältnis etwa 2 Liter/Nnr und die Oberflächengeschwindigkeit des Gases im Turm etwa 2 Nm/S. Der in diesem Fall gefundene Druckabfall des Gases und der Gasmassentransfer-Koeffizient sind in der Tabelle 1 dargestellt.

Beispiel 2:

In dem gleichen Turm wie bei Beispiel 1 verwendet, wurde das Verfahren gemäß Beispiel 1 getreu nachvollzogen, um die Ab-

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sorption von schwefeligem Säuregas herbeizuführen, mit der Ausnahme, daß die Stopfstangen einen Durchmesser von 22 mm hatten und in gleichen horizontalen und vertikalen Abständen von 44 mm angeordnet waren (so daß eine Packungsdichte von 20 % erzielt wurde). Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt.

Beispiel 3:

In dem gleichen Turm wie im Beispiel 1 verwendet, wurden sechs runde Stangen mit jeweils 6 mm Durchmesser in dreieckiger Anordnung und mit gleichen horizontalen und vertikalen Abständen von 24 mm zur Bildung einer Einheit angeordnet. Acht Einheiten der runden Stangen wurden im rechten Winkel in abwechselnden Richtungen zueinander angeordnet mit einem Raum von 3 cm zwischen den Einheiten. Die Packungsdichte betrug insgesamt 4,6 %,

Das Ergebnis der Absorption von schwefeligem Säuregas unter Verwendung dieses Turmes in gleicher Weise wie bei Beispiel Λ erläutert, ist in Tabelle 1 angegeben.

Vergleichsbeispiel Λ:

In dem gleichen Turm wie bei Beispiel 1 verwendet, wurde das Verfahren des Beispiels 1 wiederholt, um die Absorption von schwefeligem Säuregas herbeizuführen, mit der Ausnahme, daß anstelle der Stopfstangen als Stopfmaterial 1-Zoll Tellerettes verwendet wurden.

Vergleichsbeispiel 2:

In dem gleichen Turm wie in Beispiel 1 verwendet, wurde das Verfahren des Beispiels 1 zur Absorption von schwefeligem Säuregas durchgeführt, mit der Ausnahme, daß als Stopfmaterial

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anstelle von Stopfstangen parallele Plastikplatten von 1 mm Dicke verwendet wurden, die in vertikalen Abständen von 25 mm angeordnet waren.

Tabelle 1

	Gasmassen- Transf er Koeffizient ,KG (kg Mol/nPh atm)	Ge s amt gas vo lumen-. Koeffizient, KGa (kg Mol/m²h atm)	Druckverlust (mm Hg/m)
Beispiel 1	15,5	1000	12
Beispiel 2	16,1	640	21
Beispiel 3	17,0	1050	12
Vergleichs beispiel 1	-10,0	1200	80
Vergleichs beispiel 2	2,0	150	5

Aus der Tabelle 1 ist klar zu entnehmen, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung einen größeren Gasmassentransfer-Koeffizient und einen viel kleineren (etwa 1/4) Druckabfall ergab, als die Vorrichtung, bei der als Stopfmaterial Tellerettes verwendet wurden.

Obwohl bei dem Vergleichsbeispiel 2 unter Verwendung von parallelen Plastikplatten als Stopfmaterial der Druckverlust klein war, war auch der Gasmassentransfer-Koeffizient klein. Zur Erhöhung des Koeffizienten sollte das Turmvolumen für das Stopf material vergrößert vrerden. Demgegenüber weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung einen ausreichend geringen Druckabfall und einen hohen Gasmassentransfer-Koeffizienten auf. Sie kann daher als hervorragendes Gerät eingestuft werden.

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L e e r s e i t e

Claims

MÜLLER-BORE D^-EUS¹TR: L · SCHÖN · fIERTEX

PATEKTAlfWlLTE

DR. WOLFGANG MÜLLER-BOR6 (PATENTANWALT VON 1927 - 1975) DR. PAUL DEUFEL, DIPL-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS

D/w - E 1327

V s ■ fc

Eureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha
8 Horidome-cho 1-chome, Nihonbashi,
Chuo-ku, Tokyo, Japan

Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung

Patentansprüche

Gas-Flüssigkeit-Kontaktvorrichtung zur Herbeiführung
des Kontaktes eines Gases mit einer an der Oberfläche eines innerhalb eines Turmes angeordneten Stopfmaterials nach unten strömenden Flüssigkeit, indem das
Gas und die Flüssigkeit in den Turm eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß das
Stopfmaterial als Stange mit einem Hauptdurchmesser von nicht mehr als 40 mm ausgebildet ist, und daß die Stopfstangen horizontal und parallel zueinander im Turm angeordnet sind, so daß sie eine Packungsdichte im Bereich von 2 bis 30 % ergeben.

9 8 46/08 ag

MÜNCHEN 80 · SIEBERTSTR. 4 · POSTFACH 860720 · KABEi: MITEBOPAT- TEL. (08D) 474005 · TELEX 5-24885
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stopfstangen gleichförmig über die gesamte Länge des Turminnenraums verteilt sind.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfstangen in Einheiten mit 3 his 30 Reihen bzw. Spalten gruppiert sind und daß die Einheiten mit einem Zwischenraum von mehr als 3 cm angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch g ek e η η zeichnet , daß die Einheiten der Stopfstangen in abwechselnden Richtungen angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Einheiten der Stopfstangen ineinander im rechten Winkel schneidenden Richtungen angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Stopfstangen in jeder Einheit in dreieckiger Anordnung verteilt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Stopfstangen in den unteren und oberen Abschnitten des Turmes unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfstangen derart angeordnet sind, daß sie in den unteren und oberen Abschnitten des Turmes unterschiedliche Packungsdichten bilden.

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9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Λ bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung eine Gegenstrom-Gas-Flüssigkeits-Kontaktvorrichtung ist.

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