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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Packung für die Fluidtrennung, die als
Packungsmaterial für
Destinations- und Fraktionierkolonnen oder -türme vorteilhaft ist. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Packung für die Fluidtrennung, die
innerhalb der gesamten Umgebung des Stromtrennungsverfahrens für einen
Gleichstrom des Gehalts an Flüssigkeit
und Dampf sorgt.
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Es
gab verschiedene Untersuchungen im Zusammenhang mit der Optimierung
der Gestaltung von Destilations- und Fraktionierkolonnen oder -zonen,
d.h. der Kontaktkolonne oder -zone, in der die Flüssig- und die Dampfphase
im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines
Fluidgemisches vorzunehmen, wie z.B. durch den Kontakt mit der Dampf-
und der Flüssigphase
auf einer Reihe von senkrecht beabstandeten waagerechten Böden oder
Platten, die innerhalb der Kolonne angebracht sind. Die Forschung
zur Gestaltung konzentrierte sich primär auf die Gestaltung der Strukturen
der verschiedenen Böden,
um die Wirksamkeit des gesamten Trennverfahrens zu verbessern. Es
wurden auch Versuche unternommen, hervorragende Packungsmaterialien
zu gestalten, die in der Kolonne angeordnet werden sollen, um das
Trennverfahren zu verbessern.
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Das
Destillationsverfahren, sowie es herkömmlich auf diesem Fachgebiet
bekannt ist, ist ein Verfahren zum Trennen der einzelnen Komponenten eines
Gemischs, wobei Unterschiede bei deren Dampfdruck ausgenutzt werden.
Insbesondere wurde in der chemischen Industrie eine Vielzahl von
Gestaltungen der Böden
entwickelt, um die Wirksamkeit des Massentransports zu verbessern.
Verbesserungen der Gestaltung von Destillationskolonnen führten zur
Verwendung unterschiedlicher Arten einer Packung zum Füllen des
Inneren dieser Destillationskolonnen. Die gegenwärtig verwendete Packung schließt z.B. eine
Drahtgitterpackung, eine Metallblechpackung, eine Keramikpackung,
eine Glaspackung und eine Packung aus einem synthetischen Harz ein.
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Für die Verwendung
in Destilations- und Fraktionierkolonnen wurden viele Arten von
Packungen entwickelt. Im allgemeinen erleichtern diese Packungsmaterialien
den Kontakt zwischen dem Flüssigkeits- und dem Dampfstrom,
indem sie zu einer gleichmäßigeren
Verteilung von Flüssigkeit
und Dampf auf der Oberfläche
der Packung führen.
Frühe Formen
einer strukturierten Packung schließen die Stedmen-Packung ein, die
US-Patent Nr. 2,047,444 beschrieben ist. Im allgemeinen steht strukturierte Packung
für eine
Packung, bei der einzelne Teile eine bestimmte Orientierung zueinander
und zur Achse der Kolonne oder des Turms aufweisen. Eine regellose
Packung, wie die Verwendung von Raschig-Sätteln, wird in der Industrie
ebenfalls verwendet.
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Ein
Typ einer Packung, die in großem
Umfang verwendet wird, besteht aus einer Vielzahl von gerippten
Platten, die einander berühren
und parallel zur Achse der Kolonne angeordnet sind. Gerippte Platten
dieses Typs können
aus unterschiedlichen Materialarten, wie Metallblech und Drahtgewebe, aufgebaut
sein. Wenn die gerippten Platten aus Metallblech hergestellt sind,
wird die gleichmäßige Verteilung
der Flüssigkeit
auf den Platten beeinträchtigt, da
die Flüssigkeit
zur Kanalbildung entlang der Faltenrinnen neigt. Zur besseren Verteilung
der Flüssigkeit
auf gerippten Platten ist die Verwendung von Öffnungen in den Platten bekannt,
so daß ein
Teil der Flüssigkeit,
der entlang einer Seite der Platte strömt, zur entgegengesetzten Seite
der Platte abgelenkt wird, wenn er auf eine Öffnung trifft. Ein Beispiel
einer solchen Platte ist in US-Patent Nr. 4,296,050 von Meier beschrieben.
Eine Packung für
eine Kolonne, die mit Rippen und strukturierten Oberflächen besonders
unter Umschlag- bzw. Abwärtsbedingungen
für eine
bessere Leistung sorgt, ist in US-Patent Nr. 5,132,056 von Lockett
et al. offenbart. Eine verbesserte Gestaltung einer gerippten Platte,
um eine höhere
Dichte von Platten innerhalb einer vorgegebenen Querschnittsfläche der
Kolonne zu erreichen, damit ein besserer Massentransport und/oder
eine bessere Wärmeübertragung
zwischen den Flüssigkeits-
und Dampfströmen
erreicht wird, die in der Kolonne strömen, ist in US-Patent Nr. 5,413,741
aufgeführt.
Andere Arten von Packungen neben den Böden mit gerippter und strukturierter
Oberfläche schließen eine
Packung ein, die aus einzelnen Packungselementen besteht. Es wird
allgemein in Betracht gezogen, daß der Wirkungsgrad bei der
Verwendung solcher Packungselemente verbessert wird, wenn die Elemente
in regelloser Weise bereitgestellt werden, wie es in US-Patent Nr. 4,376,081 von
Leva beschrieben ist, das ein Element offenbart, das eine Unterseite
aufweist, die eine Oberflächenkontur
hat, die durch Drehen einer zweidimensionalen Kurve mit einer umgekehrten
Krümmung über einen
ungefähren
Winkelbereich von 10 bis 180° um eine
gerade Linie, die innerhalb der Ebene der Kurve liegt, entsteht.
Die Unterseite des Packungselementes ist außerdem mit Schlitzen und davon
abgehenden Zungen versehen. Eine Packung für eine Destillationskolonne
in Form eines kugelförmigen
Körpers der
durch Zusammenstellen eines Paares halbkugelförmiger Teile mit der gleichen
Form und Struktur aufgebaut wird, wobei jedes dieser halbkugelförmigen Teile
ein geeignetes Teil herausgeschnittener Öffnungen aufweist, die auf
dessen Oberflächenabschnitt ausgebildet
sind, ist in US-Patent Nr. 4,159,817 von Ikawa aufgeführt.
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US-A-4290980
beschreibt eine zelluläre
Packung für
einen Gas/Flüssigkeits-Masseaustauscher mit
Gegenstrom. Die Packung liegt in Form von Zellen vor, die in ihrem
Boden Öffnungen
aufweisen, die dadurch gebildet werden, daß die unteren Teile der Seitenwände rund
gebogen werden. Das Gas strömt durch
die Packung von der Oberseite einer Zelle durch die Öffnung im
Boden der oberen Zelle im allgemeinen nach oben, während die
Flüssigkeit
durch die Öffnung
im Boden der oberen Zelle nach unten in die untere Zelle strömt.
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US-A-4490310
beschreibt eine Packung, die aus gestapelten Schichten von Elementen
gebildet ist, wobei jedes Element an seinem unteren Ende eine Düse aufweist,
die durch Überlappen
der unteren Enden der entgegengesetzten Seitenwände gebildet wird. Das obere
Ende von mindestens einer Seitenwand ist mit einer nach innen gerichteten
gekrümmten
Biegung versehen. Das Gas strömt
im allgemeinen durch die mit der Packung gefüllte Kolonne nach oben, wohingegen
die Flüssigkeit
im allgemeinen nach unten strömt.
Die Form der Innenseite der Elemente führt dazu, daß die Flüssigkeiten,
die vom Gas mitgerissen werden, im Element im Gleichstrom strömen.
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Es
sind Verbesserungen der Gestaltung einer Destinations- und Fraktionierkolonne
erforderlich, um die Wirksamkeit oder Kapazität des gesamten Trennprozesses
zu verbessern und dadurch die Betriebs- und/oder Fixkosten zu verringern. Verbesserte
Gestaltungen würden
vorzugsweise das gesamte Volumen in der Kolonne für die Verwendung beim
Trennprozeß ausnutzen
und sowohl die Vorteile von Böden
als auch Packungselementen in Kombination ausnutzen.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Packung für die Fluidtrennung bereitgestellt,
die als Packungsmaterial für
Destillationskolonnen, Fraktionierkolonnen und dgl. vorteilhaft
ist. Die Packung für die
Fluidtrennung sorgt für
eine höhere
Trennkapazität,
indem der verfügbare
Raum im Inneren der Kolonne wirksamer ausgenutzt wird. Bei angemessenen
Strömungsraten
des Dampfes sorgt die vorliegende Erfindung außerdem für einen Gleichstromkontakt
zwischen den dampfförmigen
und den flüssigen
Fluiden in der Umgebung eines insgesamt im Gegenstrom verlaufenden
Verfahrens.
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Die
Packung für
die Fluidtrennung umfaßt nach
einer Ausführungsform
eine Vielzahl von verbundenen Packungselementen, die eine Unterseite und
eine durchgängige
Seitenwand mit einem oberen Ende und einem unteren Ende aufweisen.
Das untere Ende der Seitenwand endet in der Unterseite, und das
obere Ende definiert eine Ebene des oberen Bereichs der Packungselemente.
Die Seitenwände definieren
somit ein Kontaktvolumen, das oberhalb der Unterseite und unterhalb
der Ebene des oberen Bereichs der Packungselemente liegt. In der
Unterseite gibt es mindestens eine und vorzugsweise einige Dampföffnungen,
durch die die Dämpfe
in das Kontaktvolumen strömen
können.
Auf den Seitenwänden
befindet sich ebenfalls mindestens eine und vorzugsweise einige
Flüssigkeitsschlitze,
wobei die Flüssigkeitsschlitze
eine Öffnung
in der Seitenwand bilden, durch die die Flüssigkeit strömen kann.
Die Packungselemente sind so verbunden, daß die Seitenwände benachbarter
Packungselemente einander bis zu einem Grad, jedoch nicht vollständig, berühren, und
somit definieren die Seitenwände
ebenfalls eine Öffnung
zwischen benachbarten Packungselementen.
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Die
Packungselemente sind so verbunden, daß in der Kolonne eine Reihe
oder Ebene von Packungselementen entsteht. Verschiedene andere derartige
Reihen werden auf der Oberseite einer anderen aufgenommen, wodurch
ein Abschnitt der Kolonne mit Packungselementen gefüllt wird.
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Es
gibt eine Vielzahl von Rücklaufrohren
in Durchflußverbindung
mit den Packungselementen, wodurch eine Einrichtung für den Flüssigkeitstransport
zwischen den verschiedenen Reihen der Packungselemente bereitgestellt
wird. Diese Rücklaufrohre
weisen Seitenwände
auf, die einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt haben.
Der obere Abschnitt befindet sich in der Öffnung zwischen den benachbarten
Packungselementen, und in den bevorzugten Ausführungsformen wird der obere
Abschnitt direkt von den Seitenwänden
der Packungselemente gebildet. Der untere Abschnitt erstreckt sich unter
die Unterseite der Packungselemente und weist ein Ende des unteren
Abschnittes auf. Mindestens eine Öffnung befindet sich in der
Nähe des
Endes des unteren Abschnittes, die eine Öffnung in den Seiten wänden des
Rücklaufrohrs
bildet, durch die die Flüssigkeit
strömen
kann. Bei der Aufnahme der verschiedenen Reihen der Packungselemente
werden die Rücklaufrohre
so ausgerichtet, daß sie
sich im Kontaktvolumen, und vorzugsweise in oder in der Nähe der Mitte
des Kontaktvolumens zentriert, eines Packungselementes auf der nächsten senkrecht
darunterliegenden Reihe befinden.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
befinden sich die Dampföffnungen
in der Nähe
der Seitenwände
des Packungselementes und zwischen dem unteren Abschnitt des Rücklaufrohrs
und den Seitenwänden
des Packungselementes. Es ist auch bevorzugt, die Flüssigkeitsschlitze
an Stellen in der Nähe des
oberen Endes der Seitenwände
anzuordnen.
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Die
Geometrie der Packungselemente und der Rücklaufrohre kann für unterschiedliche
Verwendungszwecke geändert
werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Seitenwände der
Packungselemente die Form eines Achtecks haben. Bei einer solchen achteckigen
Anordnung bilden die Seitenwände
quadratische Öffnungen
zwischen benachbarten Packungselementen, und diese quadratischen Öffnungen
können
als oberer Abschnitt der Rücklaufrohre dienen.
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Beim
Betrieb strömt
der Dampf in der Kolonne nach oben durch die im Inneren verbundenen
und aufgenommenen Packungselemente. Der Dampf strömt mittels
der Dampföffnungen
in der Unterseite der Packungselemente von einer Reihe der Packungselemente
zur nächsten.
Die Flüssigkeit
strömt mittels
der Rücklaufrohre,
die die Flüssigkeit
auf der Unterseite des Packungselementes ablagern, von einer Reihe
der Packungselemente zur nächsten.
Die Flüssigkeit
kommt folglich innerhalb des Kontaktvolumens im Packungselement
mit dem Dampf in Kontakt. Bei geeigneten Strömungsraten des Dampfs reißt der Dampf
die Flüssigkeit
mit und trägt
sie nach oben durch das Kontaktvolumen. In den bevorzugten Ausführungsformen
sind die Dampfstreifen so angeordnet, daß sie den Strom aus Dampf und
mitgerissener Flüssigkeit
rotierend nach oben durch das Kontaktvolumen ausrichten. In der
Nähe der
Oberseite des Packungselementes werden Dampf und Flüssigkeit
getrennt, wobei die Flüssigkeit
mittels des Flüssigkeitsschlitzes
aus dem Packungselement strömt und
der Dampf durch eine Dampföffnung
in der nächsten
Reihe der Packungselemente nach oben strömt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert dadurch auch ein verbessertes Verfahren
zum Fraktionieren, Destillieren und dgl., wobei die Verbesserung
die Bereitstellung einer senkrechten Kolonne mit umgebenden Seitenwänden und
das Einführen
eines ersten und eines zweiten Fluids in die Kolonne umfaßt, wobei
in der Kolonne das erste Fluid im Dampfzustand und das zweite Fluid
im flüssigen
Zustand vorliegen. Das erste und das zweite Fluid werden dann so
ausgerichtet, daß sie
durch die verschiedenen gestapelten Schichten der verbundenen Packungselemente strömen, wie
es vorstehend beschrieben ist. Die Fluide werden auch so ausgerichtet,
daß sie
durch eine Vielzahl von Flüssigkeitsrücklaufrohren
strömen,
wie es vorstehend beschrieben ist. Bei diesem Verfahren strömen die
in der Kolonne vorliegenden Dämpfe durch
die Dampföffnungen
von einer Schicht der Packungselemente nach oben zur nächsten,
und die in der Kolonne vorliegende Flüssigkeit strömt von einer Schicht
der Packungselemente nach unten zur nächsten, indem sie durch die
Flüssigkeitsschlitze und
durch die Rücklaufrohre
strömt,
wobei Flüssigkeit
und Dampf im Kontaktvolumen der Packungselemente im Gleichstrom
miteinander in Kontakt kommen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Ansicht einer
Vielzahl von Packungselementen und Rücklaufrohren gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist eine Vorderansicht
eines erfindungsgemäßen Packungselementes;
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3 ist eine Schnittansicht
der Unterseite eines erfindungsgemäßen Packungselementes entlang
der Linie 3-3 in 2;
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4 ist eine Draufsicht eines
erfindungsgemäßen Packungselementes;
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5 ist eine Vorderansicht
eines erfindungsgemäßen Packungselementes;
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6 ist eine Vorderansicht
der Aufnahme und Stapelung von zwei Reihen von Packungselementen
und zugehöriger
Rücklaufrohre
der erfindungsgemäßen Packung
für die
Fluidtrennung;
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7 ist eine Vorderansicht
von zwei Reihen von aufgenommenen und gestapelten Packungselementen
mit zugehörigen
Rücklaufrohren
der erfindungsgemäßen Packung
für die
Fluidtrennung.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Packung für die Fluidtrennung,
die als Packungsmaterial für
Destillations- und Fraktionierkolonnen oder -türme vorteilhaft ist. Solche
Kolonnen trennen ein Beschickungsmaterial aufgrund ihres unterschiedlichen
Dampfdrucks in mindestens zwei Komponenten. Diese Kolonnen arbeiten
im allgemeinen mit dem Gegenstromkontakt zwischen einem nach oben
strömenden
Dampfstrom und einem nach unten strömenden Flüssigkeitsstrom. Die Massentrennung
kann verbessert werden, wenn zwischen der dampfförmigen und der flüssigen Phase
innerhalb einzelner Abschnitte der Kolonne für einen Kontakt im Gleichstrom
gesorgt wird. Die erfindungsgemäße Packung
für die
Fluidtrennung ist einzigartig gestaltet, so daß es bei geeigneten Bedingungen
zu einem solchen Kontakt im Gleichstrom kommt.
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Die
Packung für
die Fluidtrennung besteht aus gestapelten Schichten von regelmäßigen Gruppen
von Packungselementen, die einander berühren und übereinander aufgenommen sind.
Innerhalb des Packungselementes kommen die Flüssigkeit von der darüberliegenden
Schicht und der Dampf aus der darunterliegenden Schicht in Kontakt,
vermischen sich und unterliegen dem Massentransport. Die Packungselemente
weisen eine Unterseite oder einen Boden und Seitenwände auf,
die von der Unterseite nach oben verlaufen und somit ein Kontaktvolumen innerhalb
des Packungselementes definieren. Die Unterseite des Packungselementes
ist geschlossen, abgesehen davon, daß in der Unterseite Öffnungen vorgesehen
sind, damit der Dampf hindurchströmen und in das Kontaktvolumen
im Packungselement gelangen kann. Dampfstreifen befinden sich oberhalb der Öffnungen,
und diese Dampfstreifen sind so orientiert, daß sie den Dampfstrom durch
das Kontaktvolumen rotierend ausrichten. Die Packungselemente sind
so gestaltet und angeordnet, daß eine
deutliche Anzahl von Seitenwänden,
die nicht mit der Seitenwand eines anderen Packungselementes in
Kontakt stehen, den oberen Abschnitt der Rücklaufrohre bilden, damit die
Flüssigkeit
in das Kontaktvolumen eines Packungselementes in der nächsten senkrecht darunterliegenden
Ebene der Packungselemente strömen
kann. Bei ausreichend hohen Strömungsraten
des Dampfes wird die Flüssigkeit
vom Dampf mitgerissen und durch die Dampfstreifen nach oben zur Seitenwand
des Packungselementes gestoßen. Wenn
die Flüssigkeit
nach oben zu den Seitenwänden
rotiert, wird sie zu den Rücklaufrohren
ausgerichtet, da sie durch einen Schlitz in der Seitenwand strömt. Aus
diesen Schlitzen geht die Flüssigkeit nach
unten durch das Rücklaufrohr
zur nächsten
darunterliegenden Packungsschicht. Auf diese Weise wird im Kontaktvolumen
des Packungselementes und innerhalb des insgesamt im Gegenstrom
erfolgenden Trennmodus ein Gleichstromkontakt zwischen Flüssigkeit
und Dampf eingerichtet.
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Die
Beschreibung der Packung für
die Fluidtrennung wird anhand der Figuren besser verständlich. 1 zeigt eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Packung
für die
Fluidtrennung, die für
die Gestaltung des Packungselementes eine achteckige Geometrie anwendet.
Diese Ansicht zeigt die Anordnung von sechs Packungselementen 12. Die
Packungselemente 12 werden von einer Unterseite 14 und
Seitenwänden 16 gebildet.
Die Unterseite 14 enthält
eine Vielzahl von Streifen 18, die sich vorzugsweise nach
oben in das Packungselement 12 erstrecken. Die Streifen 18 richten
den Dampf, der mittig durch die Öffnung 15 durch
die Unterseite 14 geht (siehe 3), in Richtung der Seitenwände 16 aus.
An der Schnittstelle zwischen den Packungselementen 12 sind
zwei Rücklaufrohre 20 gezeigt,
die sich zwischen den Seitenwänden 16 der
Packungselemente 12 (nicht gezeigt) nach oben erstrecken.
Die Rücklaufrohre 20 weisen
Seitenwände 21 auf,
die sich unter die Packungselemente 12 erstrecken und somit
einen unteren Abschnitt 22 des Rücklaufrohrs 20 bilden,
und diese Seitenwände 21 enden
am Boden 26 des Rücklaufrohrs 20 in
einem geschlossenen Abschnitt 24. Die Rücklaufrohre 20 weisen
in der Nähe
ihres Bodens 26 vorzugsweise eine Vielzahl von Flüssigkeitsöffnungen 28 auf,
um die Flüssigkeit wirksam
auf der Unterseite 14 des nächsten senkrecht Barunterliegenden
Niveaus von Packungselementen 12 zu verteilen.
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In 2 ist ein einzelnes Packungselement 12 gezeigt.
Für die Übereinstimmung
hier und innerhalb der grundsätzlichen
Beschreibung der Erfindung wird für dessen Beschreibung wiederum
für die
Gestaltung des Packungselementes 12 die achteckige Geometrie
verwendet. Für
die Beschreibung dieser Packung für die Fluidtrennung wird die
Verbindung zwischen verschiedenen Schichten von Packungselementen
anhand der gleichen Geometrie besser verständlich. Die Unterseite 14 und
die Seitenwände 16 sind
wieder so dargestellt, daß sie
das Packungselement 12 bilden. Die Seitenwände 16 enden
an ihren oberen Enden 30. Die oberen Enden 30 der
Seitenwände 16 definieren
eine Ebene des oberen Bereichs der Packungselemente. Dieser Bereich
im Packungselement 12, der durch den Raum zwischen der
Unterseite 14 und der Ebene des oberen Bereichs definiert
wird, die von den oberen Enden 30 der Seitenwände 16 gebildet
wird, ist das Kontaktvolumen (nicht markiert).
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Der
Dampf tritt durch eine Öffnung 15 (in 3 gezeigt) in das Packungselement 12 ein,
die vorzugsweise aus dem herausgeschnittenen Abschnitt der Unterseite 14 erzeugt
wird, der die Dampfstreifen 18 bildet, wie es in der in 2 gezeigten Ausführungsform
dargestellt ist. Die Streifen 18 sind in 2 so gezeigt, daß sie von der Unterseite 14 nach
oben in das Kontaktvolumen ragen. Die Streifen 18 dienen
dazu, den Strom des nach oben gelangenden Dampfes rotierend in Richtung
der Seitenwände 16 auszurichten.
Der Winkel zwischen den Streifen 18 und der Unterseite 14,
die Länge
der Streifen 18 und die Form der Streifen 18 kann
jeweils geändert werden,
um die Strömungsrichtung
des Dampfes zu verändern.
Die Streifen 18 müssen
nicht körperlich mit
der Unterseite 14 verbunden sein, obwohl es für eine einfache
Herstellung bevorzugt ist.
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Die
Flüssigkeit
gelangt durch das Rücklaufrohr 20,
das mit der nächsten
senkrecht darüberliegenden
Schicht von Packungselementen verbunden ist, in das Kontaktvolumen
im Packungselement. Der untere Abschnitt des Rücklaufrohrs, der von den Seitenwänden 21 des
Rücklaufrohrs
gebildet wird, ist in der vereinfachten 2 gezeigt. Die Flüssigkeit gelangt durch die Öffnung 28 an
eine Stelle in der Nähe der
Unterseite 14, und vorzugsweise direkt auf diese, in das
Packungselement 12. Es kann gegebenenfalls ein Überlauf 39 als
Flüssigkeitsabdichtung
verwendet werden, um die Öffnungen 28 abzudichten
und zu verhindern, daß der
Dampf im Rücklaufrohr
nach oben strömt;
der Überlauf 39 ist
hier als niedrige Wand gezeigt, die die Seitenwände 21 des Rücklaufrohrs
umgibt und somit einen Hohlraum bildet, in dem während des Betriebs eine Flüssigkeitssäule mit über die
Oberseite des Überlaufs 39 überströmender Flüssigkeit
entsteht. Die Flüssigkeit
wird somit vom nach oben strömenden
Dampf mitgerissen, der durch die Öffnung 15 in das Packungselement 12 gelangt,
und vom Streifen 18 ausgerichtet, und die Flüssigkeit steigt
entlang der Seitenwände 16 durch
das Packungselement 12 nach oben. Das Packungselement 12 weist
Schlitze auf, die hier als Ausschnitte in den Seitenwänden 16 und
in das Kontaktvolumen nach innen ragend dargestellt sind, die eine Öffnung 34 in
den Seitenwänden 16 bilden,
um die nach oben steigende Flüssigkeit
aus dem Packungselement 12 zu entfernen und zu ermöglichen,
daß die
Flüssigkeit aufgrund
der Schwerkraft mittels des Rücklaufrohrs 20 (nicht
gezeigt) zum nächsten
darunterliegenden Niveau von Packungselementen strömt.
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Der
Dampfstrom durch das Packungselement 12 ist in 3 gezeigt, die ein Querschnitt
entlang der Linie 3'-3' in 2 ist. Wie aus 2 ersichtlich, steigt der Dampf zu den
oberen Ende 30 der Seitenwände 16 auf und wird
dort von der Flüssigkeit
getrennt, die durch die Öffnung 34 in
das Rücklaufrohr fließt. Der
Dampf strömt
gegen die Außenseite
der Unterseite 14 eines Packungselementes, das Teil der nächsten senkrecht
darüberliegenden
Schicht von Packungselementen ist. Der Dampf gelangt durch die Öffnungen 15 (3), die sich vorzugsweise
unter den Streifen 18 befinden, in dieses obere Niveau von
Packungselementen. Für
einen besseren Massentransport und angesichts der Tatsache, daß sich das
Rücklaufrohr 20 (nicht
gezeigt) vorzugsweise in der Nähe
der Mitte des Packungselementes 12 befindet, ist es ferner
erwünscht,
die Öffnungen 15 und
die Streifen 18 in der Nähe der Seitenwände 16 anzuordnen,
um zu sichern, daß das
Gemisch aus Flüssigkeit/Dampf
mit den Seitenwänden
in Kontakt kommt.
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Die
Streifen 18 können,
wie vorstehend erläutert,
verschiedene Formen aufweisen, und in 3 ist
die Vorderkante 19 der Streifen 18 so gezeigt,
daß sie
eine unterschiedliche Geometrie aufweist, und die Seiten 13 der
Streifen 18 können
ebenfalls eine unterschiedliche Geometrie aufweisen. Die Öffnungen 15,
durch die der Dampf in das Packungs element 12 strömt, können ebenfalls
irgendeine Geometrie aufweisen, wie es in 3 gezeigt ist. Der Dampfstrom ist durch
die Linien 17 dargestellt. Das Kontaktvolumen 36 ist
ebenfalls in 3 gezeigt.
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Der
Flüssigkeitsstrom
aus dem Packungselement 12 in das Rücklaufrohr ist in 4 verdeutlicht, die eine
Draufsicht des Packungselementes 12 ist. Die Schlitze 32 sind
als in das Kontaktvolumen 36 ragend dargestellt, sie können jedoch
auch nach außen
in das Rücklaufrohr
ragen. Die Schlitze 32, wie die in 4 gezeigten, können in irgendeinem Winkel
zur Seitenwand 16 vorliegen. Die Schlitze 32 können auch
als Klappen oder irgendein anderer Öffnungstyp in der Seitenwand 16 gestaltet
sein, um den Strom der Flüssigkeit
in das Rücklaufrohr
zu verstärken.
Die Schlitze 32 bilden die Öffnungen 34, durch die
die Flüssigkeit
strömt,
wie es durch die Linien 38 dargestellt ist.
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Die
in 4 gezeigten Schlitze 32 liegen
wirkungsvoll vor, um die Öffnungen 34 in
den Seitenwänden 16 zum
Entfernen der Flüssigkeit
aus dem Packungselement 12 bereitzustellen. Die entfernte Flüssigkeit
strömt
dann in das Rücklaufrohr 20 (nicht gezeigt).
In diesem Zusammenhang können
die Schlitze 32 Ausschnitte sein, die in den Seitenwänden 16 gemacht
worden sind. Eine solche Gestaltung eines Schlitzes 32 ist
in 5 gezeigt, wobei
die Schlitze 32 herausgeschnittene Abschnitte der Seitenwände 16 sind,
die folglich die Öffnung 34 für den Austritt
der Flüssigkeit
bilden. Die Schlitze 32 können irgendeine geometrische
Form, wie Quadrate, Rechtecke, Kreise, Klappen usw. haben, wie es
in 5 gezeigt ist. Für einen
besseren Kontakt zwischen Flüssigkeit
und Dampf ist es bevorzugt, die Schlitze 32 an einer Stelle
in der Nähe
der Oberseite des Packungselementes 12 anzuordnen. In 2 ist der Schlitz 32 tatsächlich so
gezeigt, daß er
aus einem Teil der oberen Enden 30 der Seitenwände 16 herausgeschnitten
ist. Sie können
jedoch an einer Stelle unterhalb der oberen Enden 30 der
Seitenwände
angeordnet sein, wie es in 5 gezeigt
ist. Die Un terkante 31 des Schlitzes 32 befindet
sich vorzugsweise an einer Stelle, die entlang der Seitenwand 16 senkrecht
nach oben zumindest in der Hälfte
liegt, stärker bevorzugt
an einer Stelle, die entlang der Seitenwand 16 senkrecht
nach oben bei mindestens 75 % liegt.
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Die
Packungselemente 12 sind paketartig kombiniert, wodurch
die erfindungsgemäße Packung 60 für die Fluidtrennung
zusammengestellt wird. Diese Aufnahme der Packungselemente ist in 6 gezeigt. In diesem Fall
ist das Verbinden von zwei Niveaus von Packungselementen gezeigt.
Das obere Niveau der Packungselemente 40 muß vor der
Verwendung in einer Trennkolonne in das untere Niveau von Packungselementen 50 eingesetzt
werden. Die Rücklaufrohre 20 vom
oberen Niveau 40 werden an ihrem oberen Abschnitt von den
Seitenwänden 16 der
Packungselemente 12 gebildet. Die Rücklaufrohre 20 erstrecken
sich über
die obere Ebene 40, wie es anhand der Seitenwände 21 des
Rücklaufrohrs gezeigt
ist, die den unteren Abschnitt 22 des Rücklaufrohrs 20 bilden.
Dieser untere Abschnitt 22 des Rücklaufrohrs 20 wird
in das Kontaktvolumen 36 eines Packungselementes 12 eingesetzt,
das sich im unteren Niveau 50 befindet.
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Der
Strom der Flüssigkeit
und des Dampfes durch die erfindungsgemäße Packung 60 für die Fluidtrennung
ist in 7 gezeigt. Der
nach oben gelangende Dampf strömt
durch die Öffnungen
in der Unterseite 14 und wird von Dampfstreifen 18 in
Richtung der Seitenwände 16 der
Packungselemente 12 gerichtet, wie es anhand der Linien 72 dargestellt
ist. Die nach unten gelangende Flüssigkeit strömt durch die
Rücklaufrohre 20 (durch
die unterbrochenen inneren Seitenwände 21 des Rücklaufrohrs
gezeigt), wie es mit den Linien 74 dargestellt ist. Die
nach unten gelangende Flüssigkeit
verläßt die Rücklaufrohre 20 durch
die Öffnungen 28,
wie es mit den Linien 78 gezeigt ist (wie erläutert, kann
ein Überlauf 39,
wie er in 2 gezeigt
ist, dazu dienen, die Öffnungen 28 gegenüber dem
Dampf 72 abzudichten). Wie im mittleren Packungselement
auf der unteren Reihe gezeigt, sammelt sich die Flüssigkeit
auf der Unterseite 14 des Packungselementes 12,
wie es anhand des Flüssigkeitspools 80 dargestellt
ist, und wird dadurch von den nach oben gelangenden Dämpfen mitgerissen,
wie es mit den Linien 72 dargestellt ist, wodurch ein Fluid
aus beiden Phasen gebildet wird, wie es anhand der Linien 77 dargestellt
ist, das entlang der Seitenwände 16 rotierend
in Aufwärtsrichtung
strömt. Das
nach oben strömende
Fluid wird dann in der Nähe
der Oberseite des Packungselementes abgetrennt, wenn die Flüssigkeit
durch die Öffnungen 34 strömt, die
durch die Schlitze 32 erzeugt werden, wie es anhand der
Linien 76 dargestellt ist, und strömt dann durch ein Rücklaufrohr 20 zum
nächsten
unteren Niveau der Packungselemente. Der Dampf strömt durch
die Unterseite der nächsten
Schicht von Packungselementen, wie es mit der Linie 72 gezeigt ist.
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Es
kann selbstverständlich
sein, daß die
erfindungsgemäße Trennpackung
in einer Kolonne oder einem Turm durch Aufnehmen von Reihen von verbundenen
Packungselementen zusammen mit zugehörigen Rücklaufrohren auf der Oberseite
einer vorhergehenden Schicht von Packungselementen und zugehörigen Rücklaufrohren
gebildet wird. Die Reihen von Packungselementen nehmen vorzugsweise
die gesamte innere Querschnittsfläche der Kolonne ein, obwohl
die Gestaltung der Packung in der Nähe der Seitenwände der
Kolonne geändert
werden muß,
um sie der Wand der Kolonne anzupassen.
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Es
kann selbstverständlich
sein, daß das
Paket der Packungselemente 12 in der in 7 gezeigten Art und Weise zu einem wirksameren
Kontakt zwischen der Flüssig-
und der Dampfphase führt,
wodurch der gesamte Massentransport zwischen den beiden Phasen verbessert
wird. Das Stapeln und Aufnehmen der verschiedenen Niveaus von Packungselementen
nutzt das Volumen in der Kolonne wirksamer aus als die alleinige
Gestaltung von Böden und
sogar Bodenformen mit einer Packung, da beide einen toten Raum erfordern,
der zwischen den senkrecht beabstandeten Böden vorliegen muß. Die erfindungsgemäßen Packungselemente
behalten den Wirkungsgrad bei, der von herkömmlichen Gestaltungen von Böden geliefert
wird, da es innerhalb des Packungselementes noch einen Kontakt zwischen Flüssigkeit
und Dampf gibt, der fast wie bei einem Boden ist, außer daß bei der
vorliegenden Erfindung dieser Kontakt aufgrund des Gleichstromkontaktes, der
erreicht werden kann, verbessert ist. Es gibt auch Rücklaufrohre
für den
Transport der Flüssigkeit
zu den unteren Niveaus und Löcher
der unteren Fläche der
Unterseite der Packungselemente, durch die der Dampf aufsteigen
kann. Auf diese Weise nutzen die erfindungsgemäßen Packungselemente den Wirkungsgrad
in einem System aus, der sowohl durch die Gestaltung eines Bodens
als auch die Gestaltung einer Packung erhalten werden kann.
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Die
Geometrie der Packungselemente wurde hier als achteckige Gestaltung
beschrieben, die aufgrund der festgestellten einfachen Herstellung und
des festgestellten Wirkungsgrades bei der Verwendung die bevorzugte
Ausführungsform
darstellt. Diese Geometrie kann jedoch in irgendeine der verschiedenen
Geometrien geändert
werden, um die aufgeführten
Zwecke der erfindungsgemäßen Gestaltung
einer Packung zu erreichen. Insbesondere funktionieren die erfindungsgemäßen Gestaltungen einer
Packung so, daß erstens
ein Packungselement bereitgestellt wird, das im wesentlichen ein
einzelner Behälter
ist, in dem die Flüssigkeit
und der Dampf in Kontakt kommen und in dem bei geeigneten Strömungsbedingungen
das Dampfes der Kontakt innerhalb des Kontaktvolumens im Gleichstrom
erfolgt. Diese Packungselemente weisen in der unteren Fläche der
Unterseite der Packungselemente ein Loch, durch das der Dampf aufsteigen
kann, und oberhalb dieser Löcher
Streifen auf, um den Dampfstrom auszurichten. Die Packungselemente
weisen auch den unteren Abschnitt eines Rücklaufrohrs vom oberen Niveau
der Packungselemente auf, der die Flüssigkeit aus diesem oberen
Niveau auf die Unterseite des Packungselementes abgießt, wo sie
sich mit dem aufsteigenden Dampf mischt und bei geeigneten Strömungsbedingungen
des Dampfes von diesem Dampf für
den im Gleichstrom erfolgenden Kontakt im Kontaktvolumen innerhalb
des Packungselementes mitgerissen wird. Die Packungselemente enthalten
ferner in ihren Seitenwänden
in der Nähe
der Oberseite der Seitenwände
einen Schlitz, damit die Flüssigkeit
in ein Rücklaufrohr
gelangen kann. Diese zweite Funktion der erfindungsgemäßen Gestaltung von
Packungen dient der Bereitstellung einer Fluidverbindung der Rücklaufrohre,
und im allgemeinen der Verbindung, mit den Seitenwänden des
oberen Niveaus der Packungselemente, um die Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsschlitzen
zur Unterseite des Packungselementes in der darunterliegenden Schicht zu
transportieren. Dem Fachmann ist somit klar, daß eine unterschiedliche Geometrie,
sowohl für
die Gestaltung der Seitenwände
des Packungselementes als auch der Rücklaufrohre – sowohl
der obere Abschnitt als auch der untere Abschnitt der Rücklaufrohre – als Mittel
angewendet werden kann, um diese Funktionen zu erreichen.
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Die
Geometrie der Seitenwände
für die
Packungselemente kann z.B. in eine hexagonale Anordnung geändert werden,
wenn dreieckige Rücklaufrohre
verwendet werden. Eine solche Gestaltung würde jedoch dazu führen, daß einige
der dreieckigen Rücklaufrohre,
die durch Auslegen der Ebene entstehen, in einigen Fällen überflüssig sind,
und somit ist diese Gestaltung weniger wirksam als die bevorzugte
achteckige Gestaltung. In einer anderen Ausführungsform kann für die Seitenwände der
Packungselemente eine zehneckige Gestaltung verwendet werden, um
die Ebene auszulegen, wodurch Rücklaufrohre
in Form einer Bogenverbindung gebildet werden, die die Wirksamkeit
des im Gleichstrom vorliegenden, rotierenden Stroms im Kontaktvolumen
des Packungselementes im unteren Niveau beeinflussen könnte.
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Die
Geometrie der Rücklaufrohre
zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt der Rücklaufrohre
kann geändert
werden. Der obere Abschnitt wird als der Abschnitt definiert, der
die gleiche Ausdehnung wie das obere Niveau der Packungselemente
hat, aus denen die Flüssigkeit
in das Rücklaufrohr
fließt.
Der untere Abschnitt wird als der Abschnitt definiert, der die gleiche
Ausdehnung wie das untere Niveau der Packungselemente aufweist,
in die die Flüssigkeit
aus dem Rücklaufrohr
fließt.
Bei bevorzugten Gestaltungen wird die Geometrie des oberen Abschnittes
des Rücklaufrohrs
durch die Gestaltung der Seitenwände
der Packungselemente bestimmt. Der untere Abschnitt kann jedoch
irgendeine Geometrie aufweisen und ist vorzugsweise so gestaltet,
daß die
Rotationsströmung
innerhalb des Kontaktvolumens verbessert wird. Bei der zehneckigen
Gestaltung der Packungselemente kann z.B. die Form des Rücklaufrohrs
als Bogenverbindung für
den oberen Abschnitt des Rücklaufrohrs
z.B. in eine dreieckige Gestaltung für den unteren Abschnitt des
Rücklaufrohrs
geändert
werden.
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Die
Höhe und
Länge der
Seitenwände
der Packungselemente können
natürlich
geändert
werden, um die Massentrennung der bestimmten Anwendung zu optimieren.
Im allgemeinen wird jedoch angenommen, daß die Trennung wirksam durchgeführt werden
kann, wenn Packungselemente verwendet werden, die eine Höhe von etwa
2,5 bis 25 cm (etwa 1 bis 10 inch), vorzugsweise von etwa 5 bis
15 cm (etwa 2 bis 6 inch) aufweisen. Die Breite der Packungselemente,
die als längste
Seite des Packungselementes definiert wird, beträgt im allgemeinen etwa 0,6
bis etwa 7,6 cm (etwa 0,25 bis etwa 5 inch), vorzugsweise etwa 1,3
bis 7,6 cm (etwa 0,5 bis etwa 3 inch).
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Die
erfindungsgemäße Packung
für die
Fluidtrennung kann bei verschiedenen Behandlungsanlagen mit Massentrennung
verwendet werden. Die bevorzugten sind jedoch für Destinations- und Fraktionierkolonnen.
Diese Kolonnen sind senkrecht orientiert und weisen umgebende Seitenwände auf,
die im allgemeinen eine zylindrische Form haben. Die zu trennenden
Fluide werden im allgemeinen als Flüssigkeiten, entweder im gleichen
Strom oder als Teil mehrfacher Beschickungsströme, eingeführt, und in der Kolonne wird
ein Fluid im dampfförmigen
Zustand behandelt, wohingegen das andere im flüssi gen Zustand behandelt wird.
Die Packung kann entweder als vorgefertigte Einheit aus einer Vielzahl
von vorher in Paketen angeordneten Niveaus von Packungselementen
in die Kolonnen eingesetzt werden, oder einzelne Niveaus der Packungselemente
können
paketweise an Ort und Stelle der Kolonne montiert werden.
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In
den Fällen
eines Umschlagbetriebs, bei dem der Dampfdruck nicht ausreichend
ist, um die erforderliche Hubkraft bereitzustellen, damit die Flüssigkeit
mitgerissen wird, ist die erfindungsgemäße Packung für die Fluidtrennung
noch wirksam. Bei einem solchen Umschlagmodus wirkt die erfindungsgemäße Packung
wie ein Boden mit Dualströmung oder
eine Siebplatte. In diesem Falle sind die Rücklaufrohre nicht funktionelle,
aufgrund der geringeren Belastung der Kolonne wäre der Verlust des Kolonnenvolumens
aufgrund der Rücklaufrohre
für die
gesamte Abtrennung jedoch nicht signifikant.