DE3228045A1

DE3228045A1 - Verfahren zum kontaktieren von gasen mit fluessigkeiten und packung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3228045A1
Application number: DE19823228045
Authority: DE
Inventors: Tadeusz Gliwice Byrka; Marta Koch; Ignacy Lachmann; Zbigniew Prof. Dr.-Chem. Leszczynski; Andrzej Dr.-Ing. Plaskura; Krzysztof Dr.-Chem. Rogalski; Józef Warszawa Zyczynski
Original assignee: PROSYNCHEM
Current assignee: PROSYNCHEM
Priority date: 1981-07-29
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1983-02-24
Also published as: GB2104798A; ATA276482A; SU1204240A1; US4490310A; SU1204240A3; PL129859B1; PL232397A1; CS275235B2; FR2510424A1; DE3228045C2; DD202508A5; IT1152475B; CS560882A2; AT383286B; FR2510424B1; JPS5867336A; IT8222621A0; GB2104798B; IT8222621A1

Description

322804

PATENTANWÄLTE ZELLENTlN

ZWEIBRÜCKENSTR. 15
8OOO MÜNCHEN 2

Die Erfindung betrifft das Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik und insbesondere ein Verfahren zum Kontaktieren von Gasen mit Flüssigkeiten zur Durchführung von Stoff- und Energieaustauschprozessen, insbesondere zur Durchführung von Verfahrensschritten wie Destillation und Rektifikation, Extraktion, Absorption, Desorption, Gas-Trocknung und Gas-Anfeuchtung oder auch Entstaubung, sowie eine Packung zur Durchführung dieses Verfahrens, die die Füllung einer Kolonne bildet.

Stoff- und Wärmeaustauschprozesse, die auf der Erzeugung von Gas- und Flüssigkeitsströmen in Packungskolonnen beruhen, werden gewöhnlich im Gegenstrom durchgeführt. Bei den bekannten und angewandten Arten des direkten Stoff- und Wärmeaustausches erfolgt der Austausch durch den Kontakt eines Gases mit dem Flüssigkeitsfilm im Gegenstrom. Die Flüssigkeit fließt an den Wänden der Kolonne und auf der Oberfläche der Packung nach unten und kommt dabei mit dem aufwärts strömenden Gas in Berührung. Der Phasenkontakt findet an der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms statt, wobei infolge der Gegenstrombewegung die Zeit des Kontaktes sehr kurz ist.

Die Zeitdauer des Phasenkontaktes und die Ausdehnung der Phasengrenzfläche ist dabei von der Gestaltung der Packungsoberfläche abhängig.

Einer beliebigen Vergrößerung dieser Oberfläche sind jedoch durch den Anstieg der Strömungswiderstände Grenzen gesetzt. Um einen intensiven Stoff- und Wärmeaustausch zu erreichen, folgen die bisher angewandten Packungen meistens dem Prinzip der maximalen Oberflächenentwicklung. Für Industriezwecke werden als Standardpackungen Füllkörper verwendet wie Raschigringe,Berl- bzw. Intaloxsättel oder Ausschnitts-

ringe (Bialecki, Pall), Perforringe (Cannon) oder auch andere spezielle Füllkörper (Interpax, Stedan, Sulzar).

Den kompaktesten Aufbau besitzen Packungen, die aus Pakete ten vertikaler, horizontaler Bleche bzw. Röhren zusammengesetzt und durch einen gleichmäßigen Phasenkontakt Gas-Flüssigkeit im Querschnitt gekennzeichnet sind. Bei vertikalen bzw. horizontalen Blechen fließt die Flüssigkeit als dünner Film herab und der Phasenkontakt findet auf seiner Oberfläche statt.

Eine Packungsabart bilden Rostfüllungen, die in ihrer Wirkung an die Siebböden erinnern. Diese sind aus Lochblechen angefertigt und so geformt, daß sie Kanäle mit quadratischem Querschnitt bilden. Die Flüssigkeit fließt an den Wänden herab und vermischt sich mit dem Gasstrom.

Es ist auch eine Zellenpackung in Form von Gittern mit quadratischen Zellen bekannt, wobei die Zellen im unteren Teil so gebogen sind, daß eine Spalte entsteht, durch welche das Gas einströmt, das in den Zellen den Flüssigkeitsstrom zerschlägt, was die Kontaktfläche bedeutend vergrößert.

Die bisher angewandten Lösungen besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen und Unbequemlichkeiten. So sind zum Beispiel die Standardfüllkörper-Packungen durch eine geringe Elastizität gekennzeichnet, die Folge der Möglichkeit der Überflutung, des Fehlens einer gleichmäßigen Oberflächenbenetzung und der Bachbildung ist. Die modernen Standard-Füllkörper-Packungen erlauben es zwar, die Belastungen zu steigern, weisen jedoch im Vergleich mit den Standard-Füllkörpern auch einen 2- bis 3-fachen Anstieg der Strömungswiderstände auf und sind im Hinblick auf ihre kompliziertere Form auch schwieriger herzustellen.
Die Paketpackungen ermöglichen im Verhältnis zu den Standard-Füllkörpern eine Belastungssteigerung, einen besseren Phasenkontakt, die Erzielung größerer Geschwindigkeiten und

-δ-eine Herabsetzung der Strömungswiderstände. Sie haben jedoch viel kompliziertere Formen, was ihre Herstellung erschwert .

Zellenpackungen mit oben offenen Elementen und einem Schlitz 5· in ihrem unteren Teil sind leicht auszuführen und ermöglichen bei der industriellen Anwendung Gasgeschwindigkeiten bis 5 m/s (berechnet für leeren Kolonnenquerschnitt) bei gleichzeitig niedrigen Strömungswiderständen. Bei einer solchen Packung kann der Gasstrom jedoch lediglich innerhalb des Zellenelements in turbulente Bewegung gebracht und der Flüssigkeitsstrom zerschlagen werden. Bei zu großen Flüssigkeits- und Gasbelastungen wird die Flüssigkeit aus den zellulären Füllkörpern hinausgedrückt bzw. über der Füllung wird eine Schaumschicht aufgetrieben, was zur Verkürzung der Kontaktzeit führt.

Aufgabe der Erfindung ist die Verlängerung der Gas-Flüssigkeits-Kontaktzeit bei gleichzeitiger Vergrößerung der Phasengrenzfläche, ohne daß dafür die Packungsfläche übermäßig vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Kontaktieren von Gasen mit Flüssigkeiten in Gegenstrom-Kolonnen mit einer Packung dadurch gelöst, daß Gas und Flüssigkeit neben dem Gegenstromkontakt innerhalb der Packung und in den Packungsschicht-Zwischenräumen auch in Gleich- und Kreuzstrom-Wirbelbewegung miteinander in Berührung kommen. Diese Bewegungen werden durch eine entsprechende Gestaltung der Wände der Packung erzielt. Zwischen den Packungsschichten erfolgt der Medienkontakt in einer turbulenten Bewegung, die durch die Gestaltung und gegenseitige Anordnung der Packungs-Ein- und Auslaufe hervorgerufen wird. Durch die Anwendung der Gleichstrombewegung bei gleichzeitiger Wirbelung der Ströme innerhalb der Packung wird die Phasenkontaktzeit verlängert und der Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den Strömen intensiviert. Die Wirbelung des Gas-Flüssigkeitsstromes verbessert nicht nur den Wärme- und Stoffaustausch,

sondern verhütet auch das Absetzen von Verunreinigungen an den Packungswänden.

Eine Packung, mit der dieses Verfahren des Gas-Flüssigkeitskontaktes verwirklichtwird, besteht aus Schichten sich wiederholender Packungselemente mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Vielecks. Die Packung ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Packungselemente in seinem unteren Teil in der Form einer Düse gestaltet ist,die durch zwei überlappende gegenüberliegende Wände des Packungselements entsteht. Diese Wände bilden gleichzeitig Schlitze mit den übrigen Wänden. Die Düse ist so angeordnet, daß der Gasstrom auf die vertikale Wand des Packungselements gerichtet wird. Diese Wand weist in ihrem oberen Teil Radial- bzw. Winkelbiegungen auf, die zugleich eine Verengung des Elementquerschnittes bewirken.

Durch die Biegung wird gleichzeitig die Wirbelung der Flüssigkeits- und Gasströmung gesteigert. Die sich wiederholenden Packungselemente sind schichtweise angeordnet, wobei die Anordnung der angrenzenden Schichten in horizontalen Ebenen beliebig sein kann, weil die Ein- und Auslaufkonstruktion der einzelnen Packungselemente in jeder Lage einen Gas-Flüssigkeitskontakt zwischen den Schichten in turbulenter Bewegung gewährleistet.

Die vertikalen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Pakkungsschichten betragen je nach den Parametern der Gas-Flüssigkeitsströme von 0 bis zur 3-fachen Schichthöhe. Für optimale Packungs-Betriebsbedingungen beträgt der günstigste Abstand von 0 bis zu der Höhe einer Schicht.

Das Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeits-Gaskontaktes gemäß der Erfindung sowie die Packung, die dieses Verfahren verwirklicht, ermöglichen den Betrieb einer Kolonne mit weiten Grenzen für die Strömungsverhältnisse beider Medien. Das Verfahren läßt bei stabilem Kolonnenbetrieb die Anwendung großer Gasgeschwindigkeiten der Größenordnung von

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5 m/s und eine Flüssigkeitsbelastung bis 20 kg/m .s zu. Die erreichten Gasgeschwindigkeiten sind durchschnittlich fünfmal höher als bei Standard-Füllkörper-Packungen (Raschigringe) bei denselben Strömungswiderständen in Bezug auf 1 m Packungsschichthöhe.

Im Vergleich mit der Zellenpackung ermöglichen die Anwendung des Verfahrens und die Packung gemäß der Erfindung bei derselben Höhe und denselben Flüssigkeits-Gasströmungen eine Erhöhung der Wärme- und Stoffaustauschfaktoren um durchschnittlich 100%.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines konkietsn Ausführungsbeispiels sowie unter Bezug auf zwei Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der gegenseitigen Anordnung der Packungselemente zweier übereinanderliegender Packungsschichten,
20

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Packungsschicht.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen besteht eine erfindungsgemäßePackung aus Schichten 1 sich wiederholender Packungselemente 2 mit den Querschnitt eines regelmäßigen Vielecks, z.B.eines Vierecks .DiePackungselemente sind in ihrem unteren Teil in der Form einer Düse 3 gestaltet, die durch zwei überlappende gegenüberliegende Wände 5 und 6 des Packungselements 2 gebildet wird. Diese Wände bilden gleichzeitig Spalten mit den übrigen Wänden. Die Düse 3 ist so angeordnet, daß der Gasstrom auf die vertikale Wand 5 des Packungselements 2 gerichtet wird, die in ihrem oberen Teil eine Radialbie— gung 7 aufweist.
Die Bewegungen der Gas- und Flüssigkeitsströme werden sche-

^ matisch in Fig. 1 gezeigt, wobei die Gasströme mit einer unterbrochenen und die Flüssigkeitsströme mit einer konti-

^;. : · ::. 3228Q4§

-δι nuierlichen Linie gekennzeichnet sind.

Das Gas strömt von unten durch die Düse 3 in das Packungselement ein, wobei die Düse 3 eine Geschwindigkeitserhöhung des Gases verursacht. Die Flüssigkeit wird in das Packungselement von oben im Gegenstrom eingeführt.

Das aus der Düse herausströmende Gas reißt die herabfließende Flüssigkeit mit und versetzt einen Teil derselben unter Rückführung in eine Wirbel-Gleichstrombewegung. Die weitere Wirbelung erfolgt infolge der Wandbiegung im oberen Teil, wobei auch an dieser Stelle ein Mißreißen der von oben zufließenden Flüssigkeit durch den wirbelnden Strom stattfindet.

Die innerhalb des Packungselements auftretende Wirbelbewegung der Flüssigkeit und des Gases im Gleichstrom verlängert die Phasenkontaktzeit, intensiviert den Stoff- und Wärmeaustausch und verhindert überdies die Bildung von "toten" Räumen, was ein Absetzen von Verunreinigungen in der Packung verhütet.

Ein Teil des Gasstromes strömt aus dem Element durch die Verengung in seinem oberen Teil aus und wird im Zwischenschichtraum durch die gegenseitige Anordnung der Ein- und Ausläufe der Packungselemente in eine turbulente Bewegung versetzt. Gleichzeitig erfolgt eine Mischung des Gases mit der herabfließenden Flüssigkeit, was die Phasenkontaktflache zusätzlich vergrößert.

Die im unteren Teil der Packungselemente zwischen der Düse und den angrenzenden Wänden entstandenen Spalten bewirken, daß ein Teil des Gases in die Packungselemente gelenkt wird, und zwar in Querrichtung zu den aus den Düsen 3 austretenden Strömen. Das steigert die Intensität des Phasenkontaktes weiter.

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Beispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeitskontaktes sowie die Packung/ die dieses Verfahren verwirklicht, wurden in einer Vertikalkolonne mit dem Durchmesser von 200 mm erprobt. In dieser Kolonne wurden fünf Packungsschichten angeordnet, wobei die Abmessungen der Packungselemente 20 χ 20 χ 40 mm betrugen. In den aufeinanderfolgenden Schichten wurden die Elemente in horizontalen Ebenen unter einem beliebigen Winkel zueinander angeordnet. Die Düsenspalte in den Packungselementen waren dieselben und betrugen 3 mm im kleinsten Querschnitt. In die Kolonne wurde mit Hilfe eines Ventilators eine im Elektrovorwärmer erhitzte Luft gefördert. In die Kolonne wurde über eine Pumpe aus einem Behälter Wasser gefördert. Eine über der Packung angeordnete Brause gewährleistete eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung im Kolonnenquerschnitt, über der Brause war ein Tropfenabscheider angebracht. Die Luft- und Wassertemperaturen wurden mit-Fe-Co-Thermoelementen gemessen. Der Abfall des statischen Gasdruckes beim Durchströmen der Packung wurde mit einem Wasser-Differenzmanometer gemessen. Die Feuchtigkeit der strömenden Luft wurde vor und nach der Kolonne anhand der Anzeigen eines "Feuchtigkeitsthermometers" bestimmt. Der Luftdurchsatz

2 wurde während der Versuche von 1,30 bis 3,46 kg/m variiert. Ein stabiler Kolonnenbetrieb wurde bei einer Wasser-

2 belastung von 1,64 bis 15,12 kg/m -s erreicht.

In dem geprüften Flüssigkeits-Gasströmungsbereich ergaben sich Wärmedurchgangsζahlen im Bereich von 18 050 bis 122 ³

Die mit dem Zellenpackungssystem durchgeführten Vergleichsversuche haben ergeben, daß bei denselben Betriebsbedingungen die Wärmeübergangsζahlen für die Lösung gemäß der Erfindung um 120% höher waren als bei der Zellenpackung.

-ήΟ* Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE ZELLENTIN ZWEIBRÜCKENSTR. 15 QOOO MÜNCHEN 2 27. Juli 1982 Biuro Projektow i Realizacji Inwestycji AS/Hu Przemyslu Syntezy Chemicznej "Prosynchem" CW 222 Gliwize, Polen "Verfahren zum Kontaktieren von Gasen mit Flüssigkeiten und Packung zur Durchführung dieses Verfahrens" Patentansprüche

1. Verfahren zum Kontaktieren von Gasen mit Flüssigkeiten in einer im Gegenstrom betriebenen Kolonne mit Packung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Packung mit einer solchen Gestaltung der Wände der Pakkungselemente verwendet wird, daß in jedem Packungselement eine Wirbelbewegung erzeugt wird, in der sich Gas und Flüssigkeit im Gleichstrom bewegen, und in jedem Packungselement außerdem Teilströme des Gases im Kreuzstrom mit der abwärts fließenden Flüssigkeit in Kontakt kommen, und daß ferner zwischen den Packungsschichten der Kontakt von Gas und Flüssigkeit in einer turbulenten Bewegung erfolgt, die durch die Gestaltung und die gegenseitige Anordnung der Ein- und Auslaufe der Packungselemente hervorgerufen wird.

2. Packung aus Schichten sich wiederholender Packungselemente mit dem Querschnitt eines regelmäßigen Vielecks zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungselemente (2) in ihrem unteren Abschnitt in Form einer Düse (3) gestaltet sind,

die durch zwei überlappende, einander gegenüberliegende Wände (5, 6) des Packungselements (2) gebildet wird, die gleichzeitig Spalten zwischen diesen Wänden (5,6) und den übrigen Wänden bilden, wobei die Düse (3) so angeordnet ist, daß der aus ihr austretende Gasstrom auf eine vertikale Wand (5) des Packungselements (2) gerichtet ist, die in ihrem oberen Abschnitt radiale oder abgewinkelte Abbiegungen (7) aufweist, die eine Verengung des Querschnitts des Packungselements (2) bewirken.

3. Packung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen in senkrechter Richtung aufeinanderfolgenden Packungsschichten (1) im Bereich von 0 bis zum 3-fachen der Höhe einer Packungsschicht (1) liegen, und die gegenseitige Anordnung der Packungsschichten (1) in den horizontalen Ebenen beliebig ist.

4. Packung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände in senkrechter Richtung im Bereich von 0 bis zum 1,0-fachen der Höhe einer Packungsschicht (1) liegen.