DE3901213A1 - Einbauelement fuer eine stoff- und/oder waermeaustauschkolonne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einbauelement für eine Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonne bestehend aus in mehreren parallelen Ebenen angeordneten Lagen, die aus zickzackförmig gefaltetem folienartigen Material gebildet sind.

Stoff- bzw. Wärmeaustauschkolonnen werden mit derartigen Einbauelementen, die auch als strukturierte Packungen bezeichnet werden, ausgestattet, um ihren Wirkungsgrad bei der Rektifikation zu verbessern. Packungen ermöglichen einen effektiveren Austausch zwischen gasförmiger und flüssiger Phase, indem sie pro Kolonnenvolumen eine wesentlich größere Kontaktfläche zwischen Gas und Flüssigkeit zur Verfügung stellen als konventionelle Rektifizierböden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß die Oberfläche des gefalteten Materials durch die in der Kolonne herabfließende Flüssig­ keit benetzt wird. Ein gemäß dem Oberbegriff ausgeführtes Einbauelement ist beispielsweise aus der DE-OS 37 35 923 bekannt.

Bisher ist es üblich, die Elemente am Ort der Montage der Austauschkolonne zusammenzubauen. Zu diesem Zweck werden mehrere Lagen zu einem Zylinder mit etwa Kolonnendurchmesser zusammengepackt, dessen Achse parallel zu der Ebene der Lagen verläuft. Das Aufeinanderlegen verschiedener Lagen erfolgt im allgemeinen so, daß die Vorzugsrichtungen der durch die zickzackförmige Faltung entstandenen Falze zweier aufeinander­ folgender Lagen einen Winkel miteinander bilden und außerdem gegenüber der Zylinderachse geneigt sind. Die Lagen werden mechanisch zusammengehalten, etwa durch um den Umfang ge­ schlungene Metallbänder und/oder durch Zuganker, welche die Lagen durchstoßen. Das zylinderförmige Element wird anschlie­ ßend in die Kolonne eingeführt, die im allgemeinen mehrere entlang ihrer Achse aufgereihte zylinderförmige Elemente enthält.

Ein solcher Einbau auf der Baustelle ist aus verschiedenen Gründen ungünstig. Zum einen erfordert er einen hohen Aufwand an Personal und Montagezeit zu einem festen, vom Montagefort­ schritt festgelegten Zeitpunkt. Zum anderen müssen entspre­ chende Spezialwerkzeuge und -maschinen zur Baustelle transpor­ tiert werden. Daher wäre es also wünschenswert, Einbauelemente oder komplette Kolonnen bereits vorgefertigt anzuliefern. Dies ist jedoch mit den bekannten, oben erwähnten Verbindungsmetho­ den nicht möglich, da die Lagen sich beim Transport gegen­ einander verschieben würden.

Eine starrere Verbindung zwischen den Lagen könnte durch Kleben oder Löten geschaffen werden. Dies ist jedoch mit den bisher bekannten Einbauelementen nicht möglich, da die Auflageflächen zwischen zwei benachbarten Lagen zu klein sind, um dort genügend Klebstoff bzw. Lot aufzubringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einbauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, deren Lagen durch Kleben oder Löten verbunden werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lagen parallel nebeneinander, senkrecht zu den Falzen verlaufende Streifen aus rechteckigen Leitflächen aufweisen, wobei die Leitflä­ chen im Winkel zur Ebene der Lage angeordnet und durch Dachflächen verbunden sind, daß die Dachflächen im wesent­ lichen parallel zur Ebene der Lage ausgerichtet sind und Dachflächen benachbarter Streifen untereinander verbunden sind und daß benachbarte Streifen einer Lage gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Die Dachflächen liegen befinden sich in dem Bereich der Lage, der einer benachbarten Lage zugewandt ist. Beim Zusammenbau mehrerer Lagen berühren sich diese mit den jeweiligen Dachflächen. Da die Dachflächen erfindungsgemäß in der Ebene der Lage liegen, sind die Berührungsflächen zwischen zwei benachbarten Lagen groß, groß genug daß Klebstoff oder Lot aufgebracht werden kann, um eine stoff­ schlüssige und starre Verbindung herzustellen.

Benachbarte Streifen sind durch den Versatz nur an wenigen Stellen miteinander verbunden. Zwischen jedem Paar benach­ barter Leitflächen zweier Streifen befindet sich ein Spalt. Diese ausgesprochen offene Struktur der Packung bewirkt zum einen einen außerordentlich niedrigen Druckverlust innerhalb einer mit solchen Einbauelemnten ausgestatteter Kolonne; zum anderen zwingen die Schnitte an den Rändern der Leitflächen den Flüssigkeitsfilm zum Abreißen, die Phasengrenzfläche wird entlang der Kolonnenachse sehr oft erneuert und dadurch ein verbesserter Stoffaustausch geboten. Auch der Queraus­ tausch von Gas - senkrecht zur Richtung der Streifen - wird sehr stark unterstützt.

In Weiterbildung der Erfindung sind jeweils der erste und der dritte Streifen eines Tripletts benachbarter Streifen innerhalb einer Lage ohne Versatz zueinander angeordnet.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht in einem Einbauele­ ment der eingangs genannten Art, bei dem jeweils eine Lage durch Kämme, die entlang der Falze verlaufen, in Streifen aufgeteilt ist, bei dem die Streifen durch weitere Falze, die durch eine weitere zickzackförmige Faltung gebildet werden und im wesentlichen senkrecht zu den Kämmen verlau­ fen, in Leitflächen unterteilt sind und bei dem Paare von benachbarten Lagen so angeordnet sind, daß Hauptrichtung der Kämme einer Lage mit derjenigen der Kämme einer benachbarten einen Winkel einschließen.

Die Kämme erhalten durch die weitere Faltung einen zickzack­ förmigen Verlauf. Bei der Durchführung dieser Faltung ist es nicht mehr möglich, die Falze in einer einzigen Linie zu führen, vielmehr erfahren diese, und damit auch die Kämme eine in gewissem Umfang flächenhafte Ausdehnung. Da sich benachbarte Lagen an den Kämmen berühren, ist dadurch die Berührungsfläche zweier benachbarter Lagen besonders groß und ermöglicht ein günstiges Aufbringen von Klebstoff oder Lot für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung.

Die Faltung senkrecht zur Hauptrichtung der Kämme bewirkt außerdem eine hohe Stabilität der Lagen gegenüber Verformun­ gen senkrecht zur Ebene der Lagen. Insgesamt steht damit eine besonders starre Packung zur Verfügung.

Im folgenden wird gezeigt, wie die beiden oben erklärten Grundformen des erfindungsgemäßen Einbauelementes durch verschiedene Merkmale weitergebildet werden können, so daß ihre Vorteile noch stärker zur Geltung kommen.

So erweist es sich als vorteilhaft, wenn jeweils eine Lage des Einbauelementes durch Stanzen, Prägen, Rollen und/oder Falten eines einzigen Werkstücks des folienartigen Materials hergestellt ist. Dies ermöglicht es, die einzelnen Lagen praktisch vollständig maschinell und damit äußerst kosten­ günstig herzustellen. Als Material werden im allgemeinen Aluminium- oder VA-Stahl-Bleche verwendet.

Um die Transparenz des Einbauelementes weiter zu erhöhen, kann das folienartige Material Löcher aufweisen. Auf diese Weise wird der Fluidaustausch zwischen verschiedenen Lagen verbessert und außerdem der durch das Einbauelement verur­ sachte Druckabfall innerhalb einer Austauschkolonne verrin­ gert. Diese Maßnahme ist vor allem bei der zweiten Grundform ("Fischgrätenmuster") des erfindungsgemäßen Einbauelementes wichtig, da diese in ihrer Grundstruktur keine Öffnungen aufweist. Mit Hilfe von Löchern kann jedoch auch hier ein effektiver Queraustausch erzielt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das folienartige Material mit einer Struktur vorgeprägt, die kleiner als die Fläche der Leitflächen ist. Eine solche Struktur kann beispielsweise aus Noppen oder Rillen bestehen, deren Abmessungen wesentlich kleiner als die Periode der Faltung ist. Die kleinflächige Struktur verbessert die Benetzung der Leitflächen mit Flüssigkeit und damit den Stoffaustausch zwischen flüssiger und Gasphase.

Die verschiedenen Lagen eines Elementes müssen vor dem Einbau in eine Kolonne zusammengefügt und -gehalten werden. Bisher werden zu diesem Zweck mechanische Hilfsmittel wie Zugstangen verwendet. Diese versagen jedoch, falls das Einbauelement bzw. die Kolonne, in der es sich befindet, nennenswerten Erschütterungen ausgesetzt ist, wie es beispielsweise beim Transport einer kompletten Kolonne der Fall ist.

Erfindungsgemäß ausgebildete Lagen können dagegen durch Löten oder Kleben stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Dabei werden die Dachflächen bzw. die Kämme benach­ barter Lagen miteinander verklebt oder verlötet. Durch diese Technik erhält man eine starre Sandwichstruktur, ohne daß die Transparenz der Packung durch den Verbindungsmechanismus beeinträchtigt wird. Die erzielte Starrheit des Einbauele­ mentes läßt es zu, daß zusammengefügte Packungen oder sogar komplette Kolonnen vorgefertigt und zum Ort der Aufstellung transportiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen im einzelnen:

Fig. 1, 2 einen Ausschnitt einer Lage eines erfindungsgemäßen Einbauelementes einer ersten Ausführungsform in Draufsicht bzw. Schnitt,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Lage des Einbau­ elementes von Fig. 1, 2 in perspektivi­ scher Darstellung,

Fig. 4, 5 eine Lage eines erfindungsgemäßen Ein­ bauelementes einer zweiten Ausführungs­ form in Draufsicht bzw. Schnitt und

Fig. 6 das gleiche Einbauelement in perspekti­ vischer Darstellung.

Zunächst sei die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Die Fig. 1 und 3 zeigen Ausschnitte einer Lage. In Fig. 1 sind drei benach­ barte Streifen 1, 2, 3 dargestellt. In der Draufsicht ist zu unterscheiden zwischen dicken Linien, welche Schnitte darstellen, an denen das folienartige Material, vorzugsweise Aluminium- oder VA-Stahl-Blech, unterbrochen ist, und zwischen dünneren Linien, welche Falze darstellen.

Die perspektivische Darstellung in Fig. 3 enthält außerdem zwei weitere Streifen 4, 5. Die Streifen 1, 2, 3, 4, 5 sind identisch aufgebaut sind, nämlich aus abwechselnd aneinan­ dergereihten Leitflächen 6 und Dachflächen 7. Leit- und Dachflächen sind durch im Rahmen der zickzackförmigen Faltung entstandene Falze 8 voneinander abgegrenzt. Benach­ barte Streifen sind jeweils an den Dachflächen 7 miteinander verbunden (Übergänge 9).

Die Falze 8 sind in den Zeichnungen als scharfe Kanten dargestellt, um die räumliche Gestaltung des Einbauelementes besonders deutlich hervorzuheben. Bei einer realen, aus einem Blechen gestanzten und gefalteten Lage des Einbauele­ mentes sind die Falze 8 selbstverständlich weniger scharf, sondern stark abgerundet. Ihre Breite, also die Ausdehnung senkrecht zur Achse, um die gefaltet wurde, kann durchaus in die Größenordnung einer halben Dachflächenlänge c/2 reichen.

Benachbarte Streifen, beispielsweise 1 und 2, sind gegen­ einander versetzt, allerdings nur so weit, daß die Dach­ flächen sich noch berühren. Denn nur an den Dachflächen 7 verlaufen zwei benachbarte Streifen exakt in der gleichen Ebene, so daß Übergange 9 möglich sind. Benachbarte Leit­ flächen 6 verschiedener Streifen 1, 2 sind leicht gegen­ einander versetzt und deshalb durch Spalte 10 voneinander getrennt. Der Versatz ist besonders gut in Fig. 2 zu erkennen, die einen Schnitt durch den Streifen 1 und im Hintergrund eine seitliche Ansicht des Streifens 2 zeigt.

Bei einem Triplett von Streifen, beispielsweise 1, 2, 3, sind jeweils Paare von übernächsten Streifen, im Beispiel die Streifen 1 und 3, ohne Versatz zueinander angeordnet. In Fig. 2 ist der Streifen 3 also durch Streifen 1 verdeckt. Die Struktur ist dadurch auch in der Richtung senkrecht zur Richtung der Streifen periodisch (Periodenlänge: doppelte Streifenbreite 2 b).

Ein Einbauelement wird in bekannter Weise aus den in den Fig. 1 bis 3 im Ausschnitt dargestellten Lagen zusammen­ gepackt, indem mehrere Lagen parallel zueinander angeordnet werden. Der Einbau in eine Kolonne erfolgt so, daß die Kolonnenachse in einer Lagenebene verläuft. Dabei schließen die Kämme, welche durch die jeweils untereinander verbun­ denen Dachflächen 7 gebildet werden, einen Winkel von etwa 45° bis 60° mit der Kolonnenachse ein. Die Kämme zweier benachbarter Lagen bilden - abhängig vom oben genannten Winkel - miteinander einen Winkel von etwa 90° bis 60°.

Benachbarte Lagen berühren sich an den Dachflächen, weisen also insgesamt relativ große Berührungsflächen auf gegen­ über denjenigen, die bei einer einfachen Zickzackfaltung auftreten. Dies gilt auch für reale, abgerundete Falze, deren Breite nicht zu vernachlässigen ist. Auf die Dach­ flächen kann Klebstoff oder Lot aufgebracht werden, so daß die Lagen zusammengeklebt oder - ähnlich wie Aluminium­ plattenwärmetauscher - verlötet werden können.

Das erfindungsgemäße Einbauelement ermöglicht durch seine offene Struktur, insbesondere durch die Spalte 10, einen besonders guten Austausch zwischen den verschiedenen Lagen. Dieser unbehinderte Queraustausch gewährleistet, daß in einer Ebene senkrecht zur Kolonnenachse ein konstanter Gleichgewichtszustand herrscht. Dieser Vorteil kann durch zusätzliche Perforation des folienartigen Materials weiter ausgebaut werden. Die häufigen Unterbrechungen durch die Spalte 10 an den Seiten der Leitflächen bewirkt außerdem einen häufigen Abriß und einer anschließenden Erneuerung des Flüssigkeitsfilms, der die Leitflächen benetzt. Die beiden zuletzt beschriebenen Wirkungen der erfindungsgemäßen Packung schaffen optimale Voraussetzungen für eine besonders effektive Rektifikation.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einbauelementes, genauer einen Ausschnitt aus einer der Lagen, aus denen ein solches Element aufgebaut ist. Die räumliche Struktur besteht aus einer zickzackför­ migen Grundfaltung, bei der das folienartige Material, wie­ derum vorzugsweise Aluminium- oder VA-Stahl-Blech, um die Falze 29 gebogen ist. Dadurch werden Streifen 21, 22, 23 gebildet, welche im Gegensatz zu den Streifen 1, 2, 3, 4, 5 in den Fig. 1 bis 3 parallel zu den Kämmen 31 verlaufen, welche sich aus aufeinanderfolgenden Falzen 29 zusammen­ setzen.

Diese Streifen weisen nun erfindungsgemäß eine zweite zickzackförmige Faltung auf, welche die Streifen 21, 22, 23 durch weitere Falze 30, welche im Unterschied zu den Falzen 29 in Fig. 4 als dünne Linien dargestellt sind, in Leit­ flächen aufteilt. Die zweite Faltung ist im allgemeinen weniger stark ausgeprägt als die Grundfaltung. Sie führt jedoch dazu, daß die Kämme 31 am oberen und unteren Rand der Lagen nicht mehr geradlinig, sondern zickzackförmig verlau­ fen. Aus diesem Grunde ist es nicht mehr möglich, die Falze 29 als scharfe Kanten auszuführen, wie es der Einfachheit halber in den Fig. 4 bis 6 dargestellt ist. Der Anschluß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Falzen 29 kann in der Praxis nur durch eine Verzerrung erreicht werden, welche dazu führt, daß die Kämme 31 annä­ hernd flächenhaft ausgebildet sind.

Mit Hilfe dieser erfindungsgemäßen Faltung ist also eine stoffschlüssige Verbindung, wie sie bereits bei der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 geschildert wurde, ebenfalls möglich.

Das folienartige Material ist zur Verbesserung der Queraus­ tausches vorzugsweise perforiert. Die Löcher sind in den Fig. 4 bis 6 nicht gezeigt.

Beide Ausführungsformen der Erfindung können Feinstrukturen aufweisen. Dazu wird das folienartige Material geprägt, bevor es gefaltet wird. Die Strukturen bestehen beispiels­ weise aus Noppen oder Rillen, deren Abmessungen kleiner als die Breite b der Leitflächen ist. Durch die Prägung wird eine verbesserte Benetzbarkeit der Leitflächen und damit eine Vergrößerung der für die Rektifikation wirksamen Kontaktfläche zwischen gasförmiger und flüssiger Phase erreicht.

Im folgenden werden einige bevorzugte Wertebereiche für die Parameter der beiden näher beschriebenen Versionen der erfindungsgemäßen Packung genannt.

Die Packungen werden vorzugsweise so gefaltet, daß sie eine spezifische Oberfläche von 100 bis 700 m²/m³ aufweisen. Der genaue Wert richtet sich jeweils nach den Anforderungen an die spezielle Rektifiziereinrichtung. Dieser Wert wird im wesentlichen durch zwei geometrische Parameter festgelegt, durch den Winkel 11 der Grobfaltung und durch die Höhe h der Lagen. Der Winkel 11, der jeweils von zwei Leitflächen 6, 26, die über eine Dachfläche 7 bzw. über einen Falz 29 miteinander verbunden sind, eingeschlossen wird, kann zwischen 0° und 120° liegen. Falls die Lagen verlötet werden, ist ein Wert von ungefähr 50° bis 90° günstig. Für die Höhe h ergibt sich dann ein Wertebereich von ca. 3 bis 25 mm.

Die Abmessungen der Leitflächen a und b können im Bereich von etwa 3 bis 50 mm liegen. Die Dicke des Bleches beträgt im allgemeinen 0,1 bis 0,2 mm.

Claims (7)

1. Einbauelement für eine Stoff- und/oder Wärmeaustausch­ kolonne bestehend aus in mehreren parallelen Ebenen angeordneten Lagen, die aus zickzackförmig gefaltetem folienartigen Material gebildet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lagen parallel nebeneinander, senk­ recht zu den Falzen verlaufende Streifen (1, 2, 3, 4, 5) aus rechteckigen Leitflächen (6) aufweisen, wobei die Leitflächen (6) im Winkel zur Ebene der Lage angeordnet und durch Dachflächen (7) verbunden sind, daß die Dachflächen (7) im wesentlichen parallel zur Ebene der Lage ausgerichtet sind und Dachflächen (7) benachbarter Streifen (1, 2, 3, 4, 5) untereinander verbunden sind und daß benachbarte Streifen (1, 2, 3, 4, 5) einer Lage gegeneinander versetzt angeordnet sind.

2. Einbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der erste (1) und der dritte (3) Streifen eines Tripletts (1, 2, 3) benachbarter Streifen inner­ halb einer Lage ohne Versatz zueinander angeordnet sind.

3. Einbauelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Lage durch Kämme (31), die entlang der Falze (29) verlaufen, in Streifen (21, 22, 23) aufgeteilt ist, daß die Streifen (21, 22, 23) durch weitere Falze (30), die durch eine weitere zickzackförmige Faltung gebildet werden und im wesentlichen senkrecht zu den Kämmen (31) verlaufen, in Leitflächen (26) unterteilt sind und daß Paare von benachbarten Lagen so angeordnet sind, daß Hauptrichtung der Kämme einer Lage mit derjenigen der Kämme einer benachbarten einen Winkel einschließen.

4. Einbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Lage durch Stanzen, Prägen, Rollen und/oder Falten eines einzigen Werkstücks des folienartigen Materials hergestellt ist.

5. Einbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das folienartige Material Löcher aufweist.

6. Einbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das folienartige Material mit einer Struktur vorgeprägt ist, die kleiner als die Fläche der Leitflächen (6, 26) ist.

7. Einbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen durch Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.