DE69922135T2

DE69922135T2 - Strukturierte Packung mit unterschiedlichem Widerstand

Info

Publication number: DE69922135T2
Application number: DE69922135T
Authority: DE
Inventors: Swaminathan Sunder
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: EP1010463A1; JP2000176275A; US6513795B2; CA2292131A1; KR20000052499A; KR100446343B1; DE69922135D1; JP3391758B2; CN1121265C; EP1010463B9; ATE283111T1; SG84556A1; TW450827B; MY129569A; CA2292131C; EP1010463B1; CN1261551A; US20020195727A1; ES2229635T3; US6425574B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine strukturierte Packung mit gemischtem Widerstand und findet besondere Anwendung in Wärme- und/oder Masse- bzw. Stoff-Austauschsäulen, speziell in kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren, obwohl sie auch in anderen Wärme- und/oder Stoff-Austauschverfahren verwendet werden kann, die die strukturierte Packung nutzen können.
Der Begriff "Säulensektion" (oder "Sektion") bedeutet eine Zone in einer Wärme- und/oder Stoff-Austauschsäule, die den Säulendurchmesser ausfüllt. Der obere oder untere Teil einer besonderen Sektion endet an Verteilern der flüssigen bzw. Gas (einschließlich Dampf) -Phase. Der Begriff "Packung" bedeutet feste oder hohle Körper einer vorgegebenen Größe, Form und Gestaltung, die als das Säulen-Innere verwendet werden, um einen Oberflächenbereich für die Flüssigkeit bereitzustellen, so dass ein Masse- bzw. Stoff- und/oder Wärme-Austausch an der Phasen-Grenzfläche während des Gegenstroms der zwei Phasen ermöglicht wird. Zwei verbreitete Klassen von Packungen sind "ungeordnet" und "strukturiert". "Ungeordnete Packung" bedeutet eine Packung, in der einzelne Teile keine beliebige, besondere Ausrichtung relativ zueinander oder zur Säulenachse haben. Ungeordnete Packungen sind kleine, hohle Strukturen mit einer großen Oberflächen-Fläche pro Volumeneinheit, die zufällig ("random") in eine Säule geladen werden.
"Strukturierte Packung" bedeutet eine Packung, in der einzelne Teile eine spezielle Ausrichtung relativ zueinander und zur Säulenachse haben. Strukturierte Packungen werden gewöhnlich aus Streckmetall oder einem gewebten Drahtgeflecht hergestellt, die in Schichten oder als spiralförmige Wicklungen übereinander angeordnet sind.
In Verfahren wie der Destillation oder der Kühlung mit direktem Kontakt ist es vorteilhaft, eine strukturierte Packung zu verwenden, um den Wärme- und Stoffaustausch zwischen den im Gegenstrom befindlichen flüssigen und Gasströmen zu unterstützen. Die strukturierte Packung bietet im Vergleich mit der ungeordneten Packung oder Trennböden den Vorteil einer höheren Wirksamkeit für den Wärme- und/oder Stoffaustausch bei einem geringeren Druckabfall. Sie hat außerdem ein berechenbareres Leistungsverhalten als die ungeordnete Packung. Die kryogene bzw. Tieftemperatur-Zerlegung von Luft wird durch das Vorbeiführen von sich im Gegenstrom berührender Flüssigkeit und Dampf durch eine Destillationskolonne durchgeführt. Die Dampfphase des Gemisches steigt mit einer ständig zunehmenden Konzentration der flüchtigeren Bestandteile, z. B. Stickstoff, an, während sich die flüssige Phase des Gemisches mit einer ständig zunehmenden Konzentration der weniger flüchtigen Bestandteile, z. B. Sauerstoff, nach unten bewegt. Es können verschiedene Packungen oder Trennböden verwendet werden, um die flüssigen und Dampfphasen des Gemisches miteinander in Kontakt zu bringen, so dass ein Stoffaustausch zwischen den Phasen durchgeführt wird.
Es gibt viele Verfahren für die Zerlegung von Luft durch kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation in seine Bestandteile, d. h. Stickstoff, Sauerstoff, Argon usw. Eine typische kryogene bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegungseigenheit 10 wird schematisch in 1 gezeigt. Einspeisungsluft mit hohem Druck 1 wird in den unteren Teil einer Hochdrucksäule 2 eingespeist. In der Hochdrucksäule wird die Luft in mit Stickstoff angereichertem Dampf und mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit zerlegt. Die mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit 3 wird von der Hochdrucksäule 2 in eine Niederdrucksäule 4 eingespeist. Der mit Stickstoff angereicherte Dampf 5 wird in einen Kondensator 6 geführt, wo er gegen den siedenden Sauerstoff kondensiert, wodurch Aufkochen in der Niederdrucksäule bereitgestellt wird. Die mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit 7 wird an 8 teilweise entnommen und an 9 teilweise als Flüssigkeits-Rückfluss in die Niederdrucksäule eingespeist. In der Niederdrucksäule werden die Speisungen 3 & 9 durch die kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation in sauerstoffreiche und stickstoffreiche Bestandteile zerlegt. Die strukturierte Packung 11 kann verwendet werden, um die flüssigen und Dampfphasen des zu zerlegenden Sauerstoffs und Stickstoffs in Kontakt zu bringen. Der stickstoffreiche Bestandteil wird als ein Dampf 12 entnommen, wobei der sauerstoffreiche Bestandteil als ein Dampf 13 entnommen wird. Alternativ kann der sauerstoffreiche Bestandteil von einer Stelle im Sammelbehälter, der den Reboiler/Kondensator 6 umgibt, als eine Flüssigkeit entnommen werden. Ein Abgasstrom 14 wird ebenfalls von der Niederdrucksäule entnommen. Die Niederdrucksäule kann in mehrere Sektionen unterteilt werden. Drei solcher Sektionen mit der Packung 11 werden in 1 beispielhaft gezeigt.
Die am häufigsten verwendete strukturierte Packung besteht aus gewellten bzw. geriffelten Blechen aus Metall oder Kunststofffolien (oder geriffeltem Maschengewebe), die vertikal übereinander geschichtet sind. Diese Folien können verschiedene Formen von Öffnungen und/oder die Oberfläche aufrauende Merkmale haben, wobei eine verbesserte Wirksamkeit des Wärme- und Stoff-Austausches bezweckt wird. Ein Beispiel dieser Art von Packung ist in US-A-4 296 050 (Meier) offenbart. Es ist nach dem Stand der Technik außerdem gut bekannt, dass die Maschen-Packung hilft, die Flüssigkeit wirksam zu verbreiten; sie bietet eine gute Stoffaustausch-Leistung, wobei die Maschen-Packungen aber viel teurer sind als die meisten Folien-Packungen.
Das Zerlegungs-Verhalten der strukturierten Packung wird oft in Bezug auf Trennstufenhöhe (height equivalent to a theoretical plate – HETP) angegeben, die die Höhe der Packung ist, über die eine Änderung der Zusammensetzung erreicht wird, die äquivalent zu der Änderung der Zusammensetzung ist, die durch eine Trennstufe erreicht wird. Der Begriff "Trennstufe" bedeutet ein Kontaktverfahren zwischen den gasförmigen und flüssigen Phasen, so dass sich die bestehenden gasförmigen und flüssigen Ströme im Gleichgewicht befinden. Je kleiner der HETP einer speziellen Packung für eine spezifische Zerlegung ist, umso effizienter ist die Packung, weil die Höhe der Packung, die verwendet wird, mit dem HETP abnimmt.
Die Wirksamkeit der Destillationssäulen mit strukturierter Packung zeigt eine Abhängigkeit von deren Durchmesser, wenn alle anderen geometrischen und Verfahrens-Faktoren konstant gehalten werden. Während äquivalente Zerlegungen in unterschiedlichen Maßstäben durchgeführt werden, da der Durchmesser von einem kleinen Bruchteil eines Meters auf mehrere Meter ansteigt, steigt der HETP zuerst an und neigt dann dazu, sich einzupendeln. Dies kann durch eine Kombination von zwei Faktoren erläutert werden, nämlich den Strömungseigenschaften und den Mischungseigenschaften der strukturierten Packungssäulen.
Hinsichtlich der Strömungseigenschaften ändert sich die Verteilung, selbst wenn die Verteilung der anfänglichen flüssigen und Gasphase in eine Füllkörpersektion einer Säule äußerst gleichförmig ist, da die flüssigen und Gasphasen, sich im Gegenstrom berührend, durch die Füllkörpersektion strömen, was zu Veränderungen des Verhältnisses der flüssigen zur Gasphase ("L/V") durch den Querschnitt der Säule hindurch führt. Es ist außerdem bekannt, dass eine erhebliche Strömung von Flüssigkeit an der Säulenwand auftritt, wodurch die Flüssigkeitsladung in der Packung in einem ringförmigen Bereich der Packung in der Nähe der Wand reduziert wird. Die Gasströmung, obwohl nicht völlig gleichmäßig, ist in der Packung gleichmäßiger als die flüssige Strömung.
Damit gibt es gewöhnlich eine systematische Veränderung im L/V-Verhältnis durch den Querschnitt einer typischen, zylindrischen Füllkörperkolonne hindurch, wie in 2 schematisch gezeigt wird. Mit Bezug auf 2 gibt es in einer typischen, zylindrischen Füllkörperkolonne 22 einen ringförmigen Raum 19 zwischen der Säulen-Innenwand 40 und der Packung, die zwischen den parallelen, unterbrochenen Linien 16 angeordnet ist, die den Umfang bzw. Perimeter einer zylindrischen Packungsschicht darstellen. Die Säulenachse wird durch die unterbrochene Linie 15 dargestellt. Die unterbrochene Linie 17 stellt das "nominale" L/V-Verhältnis für theoretische oder ideale Bedingungen dar, wenn es im L/V-Verhältnis durch den Querschnitt der Säule hindurch keine Veränderung geben würde. Die durchgehende Linie 18 ist eine schematische Darstellung des nicht gleichmäßigen L/V-Verhältnisses (relativ zum Nominal- bzw. Nennwert) durch den Querschnitt einer typischen, zylindrischen Füllkörperkolonne. Das L/V-Verhältnis ist in der Nähe der Säulen-Innenwand auf Grund der überschüssigen Flüssigkeit, die an der Säulen-Innenwand herunter fließt, viel höher, wie durch die steile Neigung der Linie 18 über dem ringförmigen Raum 19 in 2 angezeigt wird.
Das allgemeine Muster des eigentlichen L/V-Verhältnisses, das durch Linie 18 in 2 veranschaulicht wird, kann abhängig von den Einzelheiten der Packung, des zerlegten Gemisches und den Verfahrensbedingungen erheblich variieren.
Es ist ferner gut bekannt, dass die Fehlverteilung zu einer Verschlechterung der Trennungs- bzw. Zerlegungs-Wirksamkeit der Säule führen kann, es sei denn, sie wird durch wiederholtes Mischen der flüssigen und Gasphasen in der Säule gemindert. Dies gilt besonders für enge Trennungen, wie jene, die in der kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegung angewendet werden.
Hinsichtlich der Mischungseigenschaften kann eine Säule mit einem kleinen Durchmesser, die ein großes Verhältnis Länge/Durchmesser (I/d), z. B. 5 zu 20, aufweist, die Gasströmung und in einem geringeren Ausmaß die im Gegenstrom befindliche flüssige Strömung durch den Säulenquerschnitt hindurch wiederholt vermischen, wodurch der Durchschnitt der Folgen der lokalen Veränderungen der L/V-Verhältnisse viel besser ermittelt werden kann, als bei einer Säule mit großem Durchmesser, die ein viel niedrigeres I/d-Verhältnis, z. B. 0,5 zu 5,0, aufweist. Aus diesem Grund ist die Verschlechterung der Wirksamkeit der Zerlegung im Vergleich zum Ideal in Säulen mit einem großen Durchmesser schwerwiegender, was zu einem Ansteigen des HETP führt.
Das Ansteigen des HETP in großen Austauschsäulen ist ein bedeutender ökonomischer Nachteil, da die Gesamthöhe des Systems vergrößert wird, von dem die Säule ein Teil ist. Es wird gewünscht, das Ansteigen des HETP in Säulen mit einem großen Durchmesser zu mindern, so dass sich solche Säulen der Leistung der Säulen mit einem kleinen Durchmesser hinsichtlich der Wirksamkeit der Zerlegung annähern können.
Der Stand der Technik hat dieses spezifische Problem nicht erkannt oder sich diesem nicht gewidmet. Der Stand der Technik hat die nachteilige Wirkung des Strömens von überschüssiger Flüssigkeit an der Wand erkannt, wobei es Versuche gegeben hat, wie zum Beispiel durch die Verwendung von herkömmlichen Wandbürsten, diese Wirkung zu mildern. Obwohl die Wandbürsten das Strömen der Flüssigkeit an der Wand örtlich reduzieren können, sind die Wandbürsten beim Zurückführen der Flüssigkeit in die Packung jedoch nicht sehr wirksam. Damit gibt es selbst in Säulen, die mit Wandbürsten ausgerüstet sind, ungünstige Veränderungen der L/V-Verhältnisse. Die nachteilige Wirkung der an der Säulenwand vorbei geführten Gasphase kann durch die Verwendung von einschränkenden Mitteln im ringförmigen Raum in der Nähe der Säulenwand, wie festen Metallbürsten und anderen Vorrichtungen, gemildert werden, die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 99 307 807.3 (entspricht der US Patentanmeldungs-Seriennummer 09/166 373 (Klotz, et al) mit dem Titel „Devices to Minimize Vapour Bypass in Packed Column and Method of Assembly") offenbart sind.
Die Druckschrift US-A-5 262 095 (Bosquain et al) beschreibt die Anwendung einer Modifikation des Packungsrandes durch das Verformen, Schlitze, poröse Stopfen, Füllstoffe oder spezielle Bürsten, um eine Strömungs-Umkehrung der Flüssigkeit zurück in die Packung und weg von der Wand der Säule zu unterstützen. Die Druckschrift US-A-5 441 793 (Suess) beschreibt die Anwendung von Umleitungselementen für die Flüssigkeit an den Packungsrändern in der Nähe der Wand. Solche Elemente können aus „L"-förmigen Mini-Riffelungen hergestellt sein. Die Druckschrift US-A-5 224 351 (Jeannot et al) beschreibt ähnliche Rand-Modifikationen durch das Falten einiger der Riffelungsränder in der Nähe der Säulenwand. Die Druckschrift US-A-5 700 403 (Billingham et al) beschreibt die Bildung von speziellen, gewellten bzw. geriffelten Packungsschichten, in denen andere gewellte bzw. geriffelte Elemente in einer strukturierten Packungsschicht in der Nähe der Wand kurz geschnitten werden, so dass die Neigung, die Flüssigkeit zur Wand zu leiten, reduziert wird. Die Druckschrift US-A-5 282 365 (Victor et al) beschreibt die Anwendung einer Wärmezugabe an die Säulenwand, um die Wandströmung zu verdampfen und zu reduzieren.
Während die Packungen und Verfahren, die in den ersten vier Patenten gezeigt wurden, die Strömung der Flüssigkeit an der Wand reduzieren können, sind die damit verbundenen Kosten aufwändig, da die Herstellungsverfahren unüblich sind und die Installation der Packungen voraussichtlich arbeitsintensiv wäre. Die vorgeschlagene Lösung des fünften Patents würde ebenfalls kostspielig sein, da sie eine zusätzliche Verfahrens-Schaltung erfordern würde, so dass ein weiteres Fluid außerhalb der Säule angeordnet wird, um die Wandflüssigkeit im Inneren der Destillationsanlage zu verdampfen.
Die Druckschrift US-A-5 100 448 (Lockett et al) offenbart die Verwendung einer strukturierten Packung von unterschiedlicher Packungsdichte in wenigstens zwei Sektionen einer Säule, die direkt über- und untereinander angeordnet sind, um die hydraulische Belastung auszugleichen. Desgleichen wird nach der Druckschrift US-A-5 419 136 (McKeigue) der Riffelungswinkel der strukturierten Packung in zwei Sektionen verändert, die direkt über- und untereinander angeordnet sind, um die hydraulische Ladung auszugleichen. Obwohl diese Anordnungen der Packung, wie verlautet, eine verbesserte Arbeitsflexibilität bei der kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegung bereitstellen, behandeln sie nicht die Probleme der hier erörterten Fehlverteilung, noch stellen sie eine Lösung oder einen Vorschlag der Lösung für eines dieser Probleme bereit.
Die Druckschrift GB-A-744 906 (Kittel) betrifft verschiedene Strömungs-Verteilungsmuster von gasförmigen und flüssigen/gekörnten, festen Strömen, um zum Beispiel ein gewünschtes Mischungsmuster in zum Beispiel einer Rektifizierkolonne zu erhalten, wobei sie eine Einrichtung beschreibt, die so ein gewünschtes Strömungs-Verteilungsmuster durch eine geeignete Anordnung von dreieckigen oder quadratischen Sektionen in eine Schicht in einer Säule erreicht. Sie beschreibt ein Beispiel (siehe 2) einer Anordnung von Sektionen in eine Schicht oder Platte, wodurch zwei konzentrische Zonen gebildet werden, in denen das Medium, das unterhalb der Platte in einer nach oben gerichteten Richtung strömt, fast parallel zu Oberfläche der Platte und im Allgemeinen zum Mittelpunkt der Platte hin abgelenkt wird und wobei die in der zentralen Zone angeordneten Schlitze größere Abmessungen haben als jene in der äußeren Zone, so dass die innere Zone eine "Regenzone" bereitstellt, durch die das dichtere Medium fallen kann, wobei es dort von einem leichteren Medium in einer nach oben gerichteten Richtung ungenügend getragen wird.
Die Druckschrift US-A-5 456 865 (Pluess et al) betrifft ein Stoff leitendes Kranz-Element für eine Stoff-Austauschkolonne. Sie offenbart in ihrer Einführung, dass die Packung einer solchen Kolonne aus Schichten von wellenförmigen Lagen eines folienähnlichen Materials zusammengesetzt sein kann, deren Riffelungen sich in einem Winkel von etwa 45° oder 30° zur mittleren Achse befinden und wechselnd angeordnet sind. Die Ausrichtung der Beschichtung unterscheidet sich zwischen jeder Schichtsektion um 90°.
Es wird eine strukturierte Packung erwünscht, die die Auswirkungen der Fehlverteilung mittels einer Variation der herkömmlichen, strukturierten Packung minimiert, die keinerlei spezielle Rand-Modifikation der Packung oder irgendwelche zusätzliche Ausrüstung oder Schaltung außerhalb der Austauschsäule erfordert.
Es wird ferner eine strukturierte Packung erwünscht, die hohe Leistungs-Eigenschaften für kryogene bzw. Tieftemperatur-Anwendungen, wie die, die bei der Luftzerlegung verwendet werden, und für andere Wärme- und/oder Stoff Austauschanwendungen zeigt. Speziell wird gewünscht, das Ansteigen des HETP in Säulen mit einem großen Durchmesser zu mindern, die in solchen Anwendungen verwendet werden, so dass sich solche Säulen der Leistung von Säulen mit einem kleinen Durchmesser hinsichtlich der Wirksamkeit der Zerlegung annähern.
Es wird ferner eine Austauschsäule gewünscht, in der das Gesamtverhältnis Flüssigkeit/Dampf (liquid/vapour – L/V) in der Säule so wenig wie möglich vom Nennwert abweicht (ausgenommen die Wandwirkungen), wodurch dies zu einem verbesserten Stoff-Austauschverhalten führt.
Es wird außerdem eine Austauschsäule mit einer strukturierten Packung erwünscht, in der das L/V-Verhältnis in der Säule annähernd konstant aufrechterhalten wird, selbst wenn die absoluten flüssigen und Dampfströmungen nicht konstant aufrechterhalten werden.
Es wird weiterhin noch gewünscht, das L/V-Verhältnis durch den Querschnitt einer Austauschsäule hindurch auszugleichen und die Säulen mit einem großen Durchmesser der Leistung von Säulen mit einem kleinen Durchmesser bei der Stoff- und/oder Wärme-Austauschwirksamkeit anzunähern.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Schicht aus einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand bereit, die in einer oder mehreren Sektionen einer Säule zum Austauschen von Wärme und/oder Stoff zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase, besonders bei der kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegung, verwendet werden kann. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind ein Verfahren und ein System zum Reduzieren des HETP (height equivalent to a theoretical plate – Trennstufenhöhe) in Austauschsäulen.
Die strukturierte Packung mit gemischtem Widerstand kann in einer oder mehreren Schichten der Packung in einer oder mehreren Sektionen einer Austauschsäule verwendet werden. In einer solchen Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand wird die Packung mit dem niedrigeren Widerstand für die Gasphase im zentralen Kern verwendet, wobei die Packung mit dem höheren Widerstand für die Gasphase in einem äußeren Ring verwendet wird, der den zentralen Kern umgibt. Dies drängt mehr Gasströmung zur Mitte der Austauschsäule und weniger zur Säulenwand, wodurch einer Tendenz entgegengewirkt wird, die Flüssigkeit in der Austauschsäule falsch zu verteilen. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung, das L/V-Verhältnis (Verhältnis der flüssigen zur Gasphase) auszugleichen, nähern sich die Säulen mit einem großen Durchmesser der Leistung der Säulen mit einem kleinen Durchmesser hinsichtlich des im Wesentlichen niedrigeren HETP an.
In einer ersten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung von wenigstens einer Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand mit einer ersten Zone der strukturierten Packung als einen zentralen Kern und einer zweiten Zone der strukturierten Packung als einen äußeren Ring bereit, wobei die zweite Zone im Allgemeinen horizontal in der Nähe der ersten Zone ist und einen höheren Widerstand für die aufsteigende Gasströmung als der der ersten Zone hat, um den HETP einer Säule für den Wärme- und/oder Stoff-Austausch zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase zu reduzieren.
In einer zweiten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand für den Wärme- und/oder Stoff-Austausch zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase mit einer ersten Zone der strukturierten Packung als einen zentralen Kern und einer zweite Zone der strukturierten Packung als einen äußeren Ring bereit, wobei die zweite Zone im Allgemeinen horizontal in der Nähe der ersten Zone ist, wobei die erste und die zweite Zone jeweils mehrere gewellte bzw. geriffelte Platten aufweisen, wobei jede Platte wenigstens eine Riffelung hat, die in einem Winkel zu wenigstens einer Riffelung einer benachbarten Platte angeordnet ist, wobei die Platten so angeordnet sind, dass die zweite Zone einen höheren Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung als der der ersten Zone hat.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Zone ringförmig mit einem inneren Umfang bzw. Perimeter, der im Wesentlichen dem äußeren Umfang bzw. Perimeter eines zentralen Kerns entspricht, der durch die erste Zone gebildet wird.
Der innere Umfang bzw. Perimeter der ringförmigen zweiten Zone stößt im Wesentlichen an den äußeren Umfang bzw. Perimeter der ersten Zone. Passenderweise sind der äußere Umfang der ersten Zone und der innere Umfang der zweiten Zone im Wesentlichen kreisförmig.
Die erste und zweite Zone können jeweils wenigstens eine gewellte bzw. geriffelte Platte aufweisen und umfassen vorzugsweise jeweils mehrere gewellte bzw. geriffelte Platten, die aus einem folienartigen Material hergestellt sind, das in paralleler Beziehung angeordnet ist, wobei jede Platte wenigstens eine Riffelung hat, die in einem Winkel und in einer kreuzenden Beziehung zu wenigstens einer Riffelung einer benachbarten Platte angeordnet ist. Der Unterschied des Gasströmungs-Widerstands zwischen den strukturierten Packungen der Zonen kann auf Grund eines Unterschieds der Winkel der Riffelungen bestehen. Zum Beispiel kann der Winkel von wenigstens einer Riffelung in der strukturierten Packung der ersten Zone anders, vorzugsweise größer sein als der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der zweiten Zone.
In einer weiteren Variation kann ein Unterschied des Gasströmungs-Widerstands zwischen der ersten und zweiten Zone auf Grund eines Unterschieds der Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packungen der Zonen bestehen. Zum Beispiel kann die Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packung der zweiten Zone die Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packung der ersten Zone übersteigen.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Säule zum Austauschen von Wärme und/oder Stoff zwischen der sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und der aufsteigenden Gasphase bereit, wobei die Säule wenigstens eine Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung hat. Die Säule kann eine erste Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand und eine zweite Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand aufweisen, die sich unter der ersten Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand befindet und relativ zur ersten Schicht in einem Winkel von normalerweise 0° bis 90° gedreht ist.
Entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Wärme- und/oder Stoffaustausch mit sich im Gegenstrom berührenden gasförmigen und flüssigen Phasen in einer Säule bereitgestellt, die wenigstens eine Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform ist ein Verfahren für die kryogene bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegung mit sich im Gegenstrom berührenden Dampf und Flüssigkeit in wenigstens einer Destillationssäule, die wenigstens eine Sektion enthält, in der der Kontakt Flüssigkeit/Dampf durch wenigstens eine Schicht aus strukturierter Packung mit gemischtem Widerstand hergestellt wird.
Eine Austauschsäule der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren zusammengesetzt werden, dass mehrere Schritte enthält. Der erste Schritt ist es, eine Austauschsäule bereitzustellen. Der zweite Schritt ist es, eine Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung bereitzustellen, wie sie oben beschrieben wurde. Der abschließende Schritt ist es, die Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand in der Austauschsäule zu installieren.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, Wärme und/oder Stoff zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase in einer Säule mit wenigstens einer Sektion der strukturierten Packung auszutauschen, wobei die Strömung von wenigstens einem Teil der aufsteigenden Gasphase durch die Sektion weg von der Säulenwand zur Mitte der Säule hin hervorgerufen wird, so dass die Gleichmäßigkeit des Verhältnisses flüssige/Gasströmung durch die Sektion hindurch erhöht wird. Vorzugsweise erhält der Wechsel der Strömung der Gasphase das Verhältnis durch die Sektion hindurch auf einem annähernd konstanten Wert aufrecht.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein System, um den HETP in einer Säule zum Austauschen von Wärme und/oder Stoff zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase zu verringern und wenigstens eine Sektion der strukturierten Packung zu enthalten, wobei das System eine Einrichtung zur Positionsbestimmung in der Säule umfasst, um die Strömung von wenigstens einem Teil der aufsteigenden Gasphase durch die Sektion weg von der Säulenwand zur Mitte der Säule hin hervorzurufen, so dass die Gleichmäßigkeit des Verhältnisses der flüssigen/Gasphase durch die Sektion hindurch erhöht wird. Die Einrichtung erhält vorzugsweise das Verhältnis auf einem annähernd konstanten Wert durch die Sektion hindurch aufrecht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist eine Säule zum Austauschen von Wärme und/oder Stoff zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase und zum Enthalten von wenigstens einer Sektion der strukturierten Packung und einer in der Säule befindlichen Einrichtung, um die Strömung von wenigstens einem Teil der aufsteigenden Gasphase durch die Sektion weg von der Säulenwand zur Mitte der Säule hin hervorzurufen, so dass die Gleichmäßigkeit des Verhältnisses der flüssigen/Gasphase durch die Sektion hindurch erhöht wird. Die Einrichtung erhält vorzugsweise das Verhältnis auf einem annähernd konstanten Wert durch die Sektion hindurch aufrecht.
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine schematische Veranschaulichung einer typischen Luft-Zerlegungseinheit;
2 die Ungleichmäßigkeit des L/V-Verhältnisses in einer typischen, zylindrischen Destillationssäule, die eine herkömmliche, strukturierte Packung verwendet;
3 eine schematische, grafische Darstellung einer Draufsicht einer Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand in einer Austauschsäule;
4A eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen, strukturierten Packungselements;
4B eine schematische, grafische Darstellung, die die kreuzende Anordnung von benachbarten Elementen in einer herkömmlichen, strukturierten Packung veranschaulicht;
4C eine schematische, grafische Darstellung, die die Verwendung von Wandbürsten in einer Füllkörperkolonne veranschaulicht;
5A eine schematische, grafische Darstellung einer Draufsicht einer Anordnung von Bausteinen der strukturierten Packung auf einer Höhe an einer Schnittansicht entlang der Linie 5A-5A nach 5B;
5B eine schematische, grafische Darstellung einer Vorderansicht einer Anordnung von mehreren Schichten von strukturierten Packungen zwischen Flüssigkeits- und Dampf-Verteilern in einer Sektion einer Destillationssäule;
6 eine schematische, grafische Darstellung, die die Strömungen von Flüssigkeit und Dampf in einer Niederdrucksäule einer herkömmlichen Luft-Zerlegungseinheit mit zwei Säulen veranschaulicht;
7 eine weitere schematische, grafische Darstellung, die die Strömungen von Flüssigkeit und Dampf in einer Niederdrucksäule in einer Luft-Zerlegungseinheit mit zwei Säulen veranschaulicht;
8 ein Diagramm, dass die Wirkung der Fehlverteilung von Flüssigkeit und die Mischung an zwei parallelen Säulen mit und ohne ausgleichende Dampfverteilung veranschaulicht.
Für die Einfachheit der Erörterung wird die vorliegende Erfindung mittels herkömmlicher, strukturierter Packungselemente, Bausteinen und Schichten, die in 4A bis 5B veranschaulicht sind und unten erörtert werden, beschrieben. Die Erfindung kann jedoch mit anderen Arten der strukturierten Packung verwendet werden, die die Arten von Packungen, die in EP-A-0 930 096 (entspricht der US Patentanmeldungs-Seriennummer 09/008 691 (Sunder) mit dem Titel „Horizontal Structured Packing" ); EP-A-0 899 011 (entspricht der US Patentanmeldungs-Seriennummer 08/918 175 für Sunder mit dem Titel: „Stackable Structured Packing with Controlled Symmetry") und EP-A-0 807 462 (entspricht der US Patentanmeldungs-Seriennummer 08/647 495 (Sunder) mit dem Titel „Structured Packing") offenbart sind, einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Bezugnehmend auf 3 wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine Schicht einer strukturierten Packung 20 in einer Sektion einer Füllkörperkolonne 22 erörtert, wobei die Schicht eine Packung mit einem höheren Dampf-Widerstand 24 (gekennzeichnet durch „A") und eine Packung mit einem niedrigeren Dampf-Widerstand 26 (gekennzeichnet durch „B") in der in 3 veranschaulichten Konfiguration enthält. Wie unten erörtert und in 4A bis 5B veranschaulicht wird, wird eine "Schicht" typischerweise aus mehreren "Bausteinen" von Packungselementen oder Blechen hergestellt, die zusammenpassen, so dass sie den Querschnitt einer Säule ausfüllen. Gemäß 3 befindet sich die Packung mit dem höheren Dampf-Widerstand ("A") im äußeren Ring 28, wobei sich die Packung mit dem niedrigeren Dampf-Widerstand („B") im zentralen Kern 30 befindet.
Der äußere Ring 28 wird durch die im Wesentlichen kreisförmige, innere Wand 40 der Säule 22 und dem konzentrischen Kreis 42 begrenzt, der den Umfang bzw. Perimeter des zentralen Kerns 30 definiert.
Obwohl die Grenze zwischen dem zentralen Kern 30 und dem äußeren Ring 28 in 3 als ein Kreis 42 veranschaulicht wird, ist die Grenze aus Fertigungsgründen in der eigentlichen Praxis eine zerklüftete Grenze mit einer Reihe von geraden Linien die sich grob dem Kreis 42 nähern. Die Segmentierung der in 3 veranschaulichten Schicht ist nur ein Beispiel. Abhängig vom Säulendurchmesser und den Abmessungen der Packung sind viele weitere Variationen möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die in 3 gezeigte Gestaltung beschränkt, noch ist sie auf die Verwendung von nur zwei Packungen von zwei unterschiedlichen Widerstandspegeln beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass andere Gestaltungen verwendet werden können und dass mehr als zwei unterschiedliche Packungen mit unterschiedlichen Widerständen verwendet werden können.
Wie in 3 veranschaulicht wird, werden die relativen Größen des äußeren Ringes 28 und des zentralen Kerns 30 durch den Durchmesser des Kreises 42, d. h. dem Umfang bzw. Perimeter des zentralen Kerns, bestimmt. Wenn für eine vorgegebene Größe der Säule 22 der zentrale Kern 30 relativ größer ist, d. h. der Kreis 42 hat einen größeren Durchmesser als der in 3 gezeigte, dann wird der äußere Ring 28 relativ kleiner sein als der in 3 gezeigte. Wenn im Gegensatz dazu der zentrale Kern relativ kleiner ist, d. h. der Kreis 42 hat einen kleineren Durchmesser als der in 3 gezeigte, dann wird der äußere Ring relativ größer sein als der in 3 gezeigte. Der Fachmann wird erkennen, dass zahlreiche Variationen möglich sind, da der Durchmesser des Kreises 42 von einem unteren Limit nahe Null bis zu einem oberen Limit in Nähe des Durchmessers der inneren Wand 40 reichen kann.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen, zentralen Kern 30 in einer Füllkörperkolonne 22 mit einer kreisförmigen, inneren Wand 40 verwendet, sind andere Kombinationen möglich. Zum Beispiel können die Formen der inneren Wand 40 der Säule 22 und/oder der Umfang bzw. Perimeter 42 des zentralen Kerns 30 anders als kreisförmig sein. In diesen Fällen würde der äußere Ring 28 die Form einer geometrischen Form mit einem äußeren Umfang, der durch die innere Wand 40 definiert wird, und einen inneren Umfang, der durch den äußeren Umfang 42 des zentralen Kerns 30 definiert wird, haben.
Mit Bezug auf das in 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel arbeitet die vorliegende Erfindung durch Entgegenwirken der Abreicherung der sich nach unten bewegenden flüssigen Strömung im äußeren Ring 28 der Packung durch das Hervorrufen einer ähnlichen Reduktion der aufsteigenden Dampfströmung im äußeren Ring. Dies kann durch das Vermischen der Dampf-Widerstände in so einer Weise durchgeführt werden, dass der äußere Ring von einigen oder allen Schichten in einer Sektion eine Packung mit einem höheren Dampf-Widerstand 24 und der zentrale Kern 30 eine Packung mit einem niedrigeren Dampf-Widerstand 26 hat.
Die vermischten Widerstände können durch das Variieren von einer oder mehreren der folgenden veränderlichen Größen zwischen dem zentralen Kern 30 und dem äußeren Ring 28 erreicht werden: dem Riffelungs-Winkel, der Mantelflächen-Dichte, der Oberflächenstruktur, der Perforierung, den Packungsarten oder anderen veränderlichen Größen, die die Eigenschaften des Dampfwiderstandes der Packung ändern.
Durch das Hervorrufen von weniger Dampfströmung im äußeren Ring 28 und mehr Dampfströmung zum zentralen Kern 30 hin zeigt das Gesamtverhältnis Flüssigkeit/Dampf (liquid/vapour – L/V) in der Säule 22 eine geringere Abweichung vom Nennwert, wobei dadurch das Stoffaustausch-Verhalten hinsichtlich des erforderlichen HETP verbessert wird. Für handelsübliche Säulen können Verringerungen der Höhe den gesamten Druckabfall trotz des erhöhten Widerstands im äußeren Ring reduzieren. Mit dem sich daraus ergebenden Ausgleichen des Strömungsverhältnisses Flüssigkeit/Dampf (L/V) kann wenigstens etwas vom Abbau des HETP von großen industriellen Säulen zurück gewonnen werden. Dies kann zu einer viel niedrigeren Sektionshöhe führen, die auf eine Verringerung der Gesamtkosten eines Systems übertragen wird.
Die herkömmliche Technologie zum Verwenden einer strukturierten Packung wurde in vielen der die strukturierte Packung betreffenden Patente beschrieben, die der Druckschrift US-A-4 296 050 (Meier) folgten, die die geriffelte, strukturierte Packung und ihre Anwendungen beschreibt. Ein grundlegendes, herkömmliches, strukturiertes Packungselement 32 wird in 4 gezeigt. Jedes Packungselement wird aus einer dünnen Metallfolie oder einem anderen geeigneten Material hergestellt, das geriffelt ist. Eine Destillationssäule 22, die mit einer herkömmlichen, strukturierten Packung gepackt ist, wird in 5A und 5B veranschaulicht.
Eine typische, strukturierte Packung nutzt vertikal ausgerichtete, geriffelte Packungsbleche oder -elemente, wie die in 4A, wobei die Riffelungen in einem Winkel zur Vertikalen angeordnet sind. Jedes Packungsblech ist so positioniert, dass seine Riffelungsrichtung zu der Riffelungsrichtung seines angrenzenden Packungsbleches entgegengesetzt ist, wie in 4B veranschaulicht wird. Die durchgezogenen diagonalen Linien stellen die Riffelungen von einem Packungsblech dar, wobei die unterbrochenen diagonalen Linien die Riffelungen eines angrenzenden Packungsbleches darstellen. Wenn die Riffelungen für die Verwendung in einer Destillationssäule vertikal angeordnet werden, bilden Sie einen Winkel (α) mit der Horizontalen. Zusätzlich zur Riffelung können die Elemente oder Bleche eine Oberflächenstruktur, Löcher oder andere Öffnungen, Vertiefungen, Nuten oder andere Merkmale haben, die die Leistung des grundlegenden Elements verbessern können.
Durch das Verwenden solcher grundlegenden Packungselemente wird ein "Baustein" 34 einer strukturierten Packung durch das Zusammensetzen der Elemente (typischerweise 40 bis 50 Elemente pro Baustein) so hergestellt, dass die Riffelungen der angrenzenden Elemente gemäß 4B in einer kreuzenden Weise angeordnet werden. Die Einrichtung, die verwendet wird, um die Elemente festzuhalten, wird nicht gezeigt. Wenn die Bausteine in einer zylindrischen Säule angeordnet werden, sind die Ränder des Bausteins in der Nähe der Wand rau und zerklüftet, wobei sich Spalten bilden. Um das Umgehen der Flüssigkeit zu verringern, werden gemäß 4C typischerweise Bürsten 36 verwendet.
Strukturierte Packungsbausteine 34 werden gemäß 5A und 5B typischerweise in Schichten (48, 48') in einer Sektion einer Destillationssäule 38 zusammengesetzt. 5A ist eine Draufsicht, die die Anordnung von 12 Bausteinen auf einer Höhe als eine Schnittansicht an 5A-5A in 5B zeigt. 5B zeigt eine Vorderansicht der gesamten Anordnung einer Säule mit einer strukturierten Packung mit mehreren Schichten (48, 48') in einer Sektion zwischen einem Flüssigkeitsverteiler 44 und einem Dampfverteiler 46, wobei aufeinander folgende Schichten (48, 48') der Packung (pro Schicht typischerweise etwa 8 Zoll (20 cm) hoch) relativ zueinander in rechten Winkeln (d. h. 90°) gedreht werden. Dies ist die gebräuchlichste Anordnung, wobei aber andere Drehungsmuster verwendet werden können, in denen z. B. aufeinander folgende Schichten in einem Winkel zwischen 0° und 90° gedreht werden.
Die vorliegende Erfindung modifiziert die Anordnung der herkömmlichen Packung, wie unten erörtert wird. In der herkömmlichen Packung werden die Bausteine 34 auf einer Höhe, wie in 5A gezeigt wird, alle aus identischen Elementen 32 gemäß 4A gebildet. Die vorliegende Erfindung verwendet gemäß 3, abhängig von der Lage der Bausteine, wenigstens zwei unterschiedliche Arten von grundlegenden Elementen. Die, die sich im äußeren Ring 28 befinden, werden aus Elementen gebildet, die für die Dampfströmung einen höheren Widerstand bieten, wobei jene im zentralen Kern 30 aus Elementen gebildet werden, die für die Dampfströmung einen niedrigeren Widerstand bieten.
Die Unterschiede des Dampfwiderstands können auf Grund der Unterschiede der Mantelflächen-Dichte bestehen, die gewöhnlich in Form von m²/m³ des Volumens ausgedrückt wird, das durch die Packung eingenommen wird. Der Begriff "Mantelflächen-Dichte" bedeutet die Mantelfläche der strukturierten Packung pro Volumeneinheit der strukturierten Packung. Die Mantelflächen-Dichte der im äußeren Ring 28 verwendeten Packung würde relativ zur Mantelflächen-Dichte der Packung im zentralen Kern 30 höher sein.
Während die gleiche Mantelflächen-Dichte sowohl im äußeren Ring 28 als auch im zentralen Kern 30 beibehalten wird, könnte im äußeren Ring 28 eine Packung mit einem niedrigeren Riffelungswinkel relativ zum Riffelungswinkel einer Packung im zentralen Kern 30 alternativ verwendet werden. Zusätzlich können auch andere Oberflächenmerkmale vermischt werden, um die Packungen zwischen dem äußeren Ring und dem zentralen Kern zu unterscheiden. Diese Merkmale beinhalten Strukturen, Löcher und Öffnungen, Vertiefungen, Nuten, Formen der Riffelungen, Wellen oder andere Einrichtungen, die einzeln oder gleichzeitig in Verbindung mit anderen Merkmalen vermischt werden können, um den Zweck zu erfüllen, den Widerstand für die Dampfströmung zwischen dem äußeren Ring und dem zentralen Kern zu variieren.
Weitere Variationen und Erweiterungen dieser Konzepte werden für den Fachmann offensichtlich sein. Zum Beispiel könnten Variationen mehr als zwei Widerstände in jeder Schicht in verschiedenen aufeinander folgenden, ringförmigen Sektionen oder die Anwendung von gemischten Widerständen in nur einigen, aber nicht allen Schichten einer Füllkörpersektion beinhalten. Dieses allgemeine Verfahren kann auch auf eine beliebige Wärme- und Stoff-Austauschsäule angewendet werden, die entgegengesetzt strömende flüssige und Gasphasen hat und die eine systematische Fehlverteilung aufweist, so wie sie oben beschrieben wurde. Die vorliegende Erfindung ist außerdem nicht auf die Destillation oder auf die Anwendung kryogener bzw. Tieftemperatur-Destillation beschränkt.
Die vorliegende Erfindung wird ferner durch die untere Analyse erläutert. Obwohl die vorliegende Erfindung eine allgemeine Anwendbarkeit hat, bezieht sich die Analyse für die Einfachheit der Erörterung der Analyse auf die Trennung von Argon und Sauerstoff in einer herkömmlichen Luftzerlegungs-Anlage mit zwei Säulen.
Musterberechnungen der Folgen des Ungleichgewichts des L/V-Verhältnisses und die Korrekturwirkung der gegenwärtigen Erfindung werden unten bereitgestellt. Das Zerlegungs-Beispiel stellt den unteren Teil einer Niederdrucksäule 4 in einer herkömmlichen Luft-Zerlegungsanlage mit zwei Säulen 10, wie das in 1 gezeigte, dar.
Die angenommenen Bedingungen für die Berechnungen werden in 6 gezeigt. Zusätzlich wurden die folgenden Parameter angenommen: ein Argon/Sauerstoff- Gemisch; 25 psia (170 kPa); 25 theoretische Stufen; Nennwert L/V = 1,4. Zuerst wurden Berechnungen durchgeführt, um die ideale Zerlegung unter gleichmäßigen Strömungsbedingungen auszurechnen. Diese Ergebnisse wurden dann mit einer Zerlegung verglichen, in der die Säule in zwei parallele Säulen mit gleichem Flächenbereich mit unterschiedlichen L/V-Verhältnissen in der Säule aufgeteilt ist. Da in realen Säulen das Mischen einige Male stattfindet, wurde der Mischpegel als eine veränderliche Größe zwischen 0 und 3 Zwischenmischungen untersucht.
Ein Beispiel eines spezifischen Mischungsmusters wird schematisch in 7 gezeigt. Andere Mischungsmuster können in einer ähnlichen Weise erzielt werden. 7 stellt ein Beispiel von relativen Strömungen bereit, wobei nur eine Fehlverteilung der Flüssigkeit bei einer Zwischenmischung angenommen wird. Die relativen Strömungsteilungen für die Flüssigkeit werden im oberen Teil der grafischen Darstellung angezeigt, wobei die relativen Strömungsteilungen für den Dampf im unteren Teil der grafischen Darstellung angezeigt werden.
Die Resultate der vorliegenden Erfindung wurden dadurch berechnet, dass die Wirkung gezeigt wird, in der die L/V-Verhältnisse in den zwei parallelen Säulen wieder ausgeglichen werden, wenn auch mit unterschiedlichen absoluten Strömungen. Die in diesen Berechnungen verwendeten Parameter waren: Ar/O₂ aus zwei Einheiten bestehend, 25 psia (170 kPa), L/V 1,4, 7% Ar in der Flüssigkeit am oberen Teil, 0,5% Ar am unteren Teil und 25 theoretische Stufen. Die Ergebnisse der Berechnungen werden in 8 gezeigt und sind unten tabellarisch angeordnet.
Die Erkenntnisse anhand dieser Berechnungen sind wie folgt. Als Erstes ist der HETP einer idealen Säule, der als relativer Ausdruck angegeben wird, 1. Dies wird in 8 durch alle Fälle gezeigt, die innerhalb der zwei parallelen Säulen 0 Fehlverteilung aufweisen. Die Anzahl der Zwischenmischungen hat keine Auswirkung auf diese Berechnung. Aber wenn die Fehlverteilung der Flüssigkeit bei ±2,6%, 5%, 10% und 15% in den zwei Säulen relativ zum Mittelwert auferlegt wird, steigt der gesamte HETP an. Die grafisch dargestellten Ergebnisse in 8 zeigen, dass der relative HETP mit dem ansteigenden Pegel der Fehlverteilung der Flüssigkeit zunimmt. Obwohl das dazwischen durchgeführte Mischen diese Wirkung mindert, wird sie nicht beseitigt. Im Gegensatz dazu beseitigt das Bereitstellen einer ausgleichenden Dampf-Fehlverteilung, um die L/V-Verhältnisse zwischen den zwei parallelen Säulen wieder herzustellen, praktisch das Problem. Wenn zum Beispiel die Fehlverteilung der Flüssigkeit ± 5% beträgt, dann steigt der HETP auf einen relativen Wert von 1,288. Ein (1) dazwischen durchgeführtes Mischen reduziert dies auf nur 1,045. Wenn jedoch die ausgleichende Dampfströmung im gleichen Ausmaß hervorgerufen wird, um das L/V-Verhältnis in beiden Säulen auf 1,4 wiederherzustellen, dann geht der HETP, selbst ohne zu mischen, auf 1,0003 zurück. Ähnlich dazu steigt der relative HETP bei ± 15% Fehlverteilung der Flüssigkeit selbst bei zwei Zwischenmischungen auf 1,265. Das Wiederherstellen des L/V-Verhältnisses durch eine ausgleichende Dampfströmung reduziert den HETP auf 1,003.
Die Berechnungen zeigen, dass es sehr wichtig ist, das L/V-Verhältnis in einer Destillationssäule annähernd konstant aufrechtzuerhalten, selbst wenn die absoluten flüssigen und Dampf-Ströme nicht konstant aufrechterhalten werden können. Die Berechnungen zeigen außerdem, dass ein dazwischen durchgeführtes Mischen die Auswirkungen der Fehlverteilung mindert. Da aber das Mischen zunehmend begrenzt wird, wenn der Säulendurchmesser ansteigt, kann eine zusätzliche Einrichtung, wie sie durch die vorliegende Erfindung gezeigt wird, die Leistung der Säule verbessern.
Er sollte angemerkt werden, dass die obigen Berechnungen mit verschiedenen spezifischen Voraussetzungen nur als ein Beispiel durchgeführt wurden. Wenn Änderungen in der spezifischen Mischung, den Verfahrensbedingungen oder den Fehlverteilungs- und Mischungsmustern vorgenommen werden, werden die Ergebnisse die gleiche qualitative Richtung zeigen, auch wenn es Änderungen in quantitativer Hinsicht geben kann. Damit hat die vorliegende Erfindung eine sehr allgemeine Anwendbarkeit für Austauschsäulen, die in Gegenstrom-Richtungen strömende, flüssige und Gasphasen haben. Sie kann auf die kryogene und nicht kryogene Destillation, sowie auf einen beliebigen Wärme- und/oder Stoff-Austauschvorgang angewandt werden, der eine strukturierte Packung als Kontaktmittel verwendet.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Variation einer bestehenden herkömmlichen, strukturierten Packung, die keinerlei spezielle Randmodifikation der Packung in der Säule oder eine beliebige zusätzliche Ausrüstung oder Schaltung außerhalb der Säule erfordert. Außerdem wirkt sie, bevor sie versucht, die Veränderung der flüssigen Strömung zu beseitigen, der Veränderung durch Hervorrufen einer ähnlichen Strömungsänderung in der Strömung der Gasphase entgegen, so dass die Veränderung des UV-Verhältnisses minimiert wird.
Das Konzept, gemischte Widerstände in einer einzelnen Schicht zu verwenden, so dass es Unterschiede im Gasströmungs-Widerstand zwischen dem zentralen Kern und dem äußeren Ring einer Säule gibt, wurde nach dem Stand der Technik nicht vorgeschlagen. Es ist üblich, die gleiche Packung in der gesamten Füllkörpersektion zu verwenden. Der Stand der Technik nutzt unterschiedliche Packungen in vollständig getrennten Füllkörpersektionen in einer Füllkörperkolonne, was durch Variieren der Mantelfläche, des Riffelungswinkels oder anderen Einrichtungen geschehen kann (siehe zum Beispiel US-A-5 100 448). Das unterscheidet sich jedoch von der vorliegenden Erfindung in der baulichen Anordnung sowie dem beabsichtigten Zweck vollkommen. Der Zweck von jenen Anordnungen nach dem Stand der Technik ist es, eine gleiche Annäherung des Flutens zwischen den unterschiedlichen Sektionen einer Destillationssäule zu erreichen, während es der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, die L/V-Verhältnisse durch den Querschnitt einer Säule hindurch auszugleichen und zu bewirken, dass sich große Säulen in der Wirksamkeit des Stoff- und/oder Wärmeaustausches den kleinen Säulen annähern.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden mit besonderem Bezug auf die veranschaulichten Beispiele beschrieben. Es sollte jedoch erkannt werden, dass Veränderungen und Modifikationen an jenen Ausführungsbeispielen und Beispielen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den abhängigen Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verwendung wenigstens einer Schicht (48, 48') einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand mit: einer ersten Zone (30) mit strukturierter Packung (26) als zentraler Kern und einer zweiten Zone (28) mit strukturierter Packung (24) als ein äußerer Ring, wobei die zweite Zone im allgemeinen horizontal in der Nähe der ersten Zone (30) ist und einen höheren Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung als der der ersten Zone (30) hat, um den HETP einer Säule (22) für den Wärme und/oder Stoffaustausch zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase zu verringern.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Zone (30 & 26) jeweils mehrere gewellte bzw. gerippte Platten (32) aufweisen, wobei jede Platte (32) wenigstens eine Riffelung hat, die in einem Winkel zu wenigstens einer Riffelung einer benachbarten Platte (32) angeordnet ist, wobei die Platten so angeordnet sind, dass die zweite Zone eine höheren Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung als der der ersten Zone (30) hat.
Verwendung nach Anspruch 2, wobei die gewellten Platten (32) aus einem folienartigen Material hergestellt sind, das in paralleler Beziehung angeordnet ist, und wobei jede Platte (32) wenigstens eine Riffelung hat, die in einem Winkel und in einer kreuzenden Beziehung zu wenigstens einer Riffelung einer benachbarten Platte (32) angeordnet ist.
Verwendung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der ersten Zone (30) anders als der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der zweiten Zone (28) ist, wodurch der Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung zwischen den beiden Zonen (30 & 28) unterschiedlich ist.
Verwendung nach Anspruch 4, wobei der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der ersten Zone (30) größer als der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der zweiten Zone (28) ist, wodurch der Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung zwischen den beiden Zonen (30 & 28) unterschiedlich ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packung der zweiten Zone (28) größer als die Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packung der ersten Zone (30) ist, wodurch der Widerstand für aufsteigende Gasströmungen zwischen den beiden Zonen (30 & 28) unterschiedlich ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Zone (28) kreisringförmig mit inneren Umfang bzw. Perimeter ist, der im wesentlichen gleich zu dem äußeren Umfang bzw. Perimeter eines zentralen Kerns (30) ist, der durch die erste Zone gebildet wird, und der im wesentlichen an den äußeren Umfang bzw. Perimeter (42) des zentralen Kerns (30) stößt.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei der äußere Umfang (42) der ersten Zone (30) und der innere Umfang der zweiten Zone (28) im wesentlichen kreisförmig sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine zweite Schicht aus der gemischten strukturierten Packung vorgesehen ist, die sich unter einer ersten Schicht der gemischten strukturierten Packung befindet und relativ zu der ersten Schicht um bis zu 90° gedreht ist.
Verwendung nach Anspruch 9, wobei die zweite Schicht um 90° in Bezug auf die erste Schicht orientiert bzw. gedreht ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Säule ein Verhältnis Länge/Durchmesser von 0,5 bis 5,0 hat.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Säule ein Verhältnis Länge/Durchmesser von 0,5 bis 20 hat.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Säule eine Distillationskolonne in einer kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit ist.
Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand für den Wärme und/oder Stoffaustausch zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase mit: einer ersten Zone (30) aus einer strukturierten Packung (26) als zentralem Kern und einer zweiten Zone (28) aus strukturierter Packung (24) als ein äußerer Kreisring, wobei die zweite Zone im allgemeinen horizontal benachbart zu der ersten Zone (30) ist, wobei die erste und die zweite Zone (30 & 26) jeweils mehrere gewellte bzw. geriffelte Platten (32) aufweisen, wobei jede dieser Platten (32) wenigstens eine Riffelung hat, die in einem Winkel zu wenigstens einer Riffelung einer benachbarten Platte (32) angeordnet ist, und wobei die Platten so angeordnet sind, dass die zweite Zone einen höheren Widerstand gegenüber aufsteigender Gasströmung als der der ersten Zone (30) hat.
Schicht einer strukturierter Packung mit gemischtem Widerstand nach Anspruch 14, wobei die korrugierten bzw. gewellten Platten (32) aus einem folienähnlichen Material hergestellt sind, das in paralleler Beziehung angeordnet ist, und wobei jede Platte (32) wenigstens eine Riffelung hat, die in einem Winkel und einer sich kreuzenden Beziehung zu wenigstens einer Riffelung einer benachbarten Platte (32) angeordnet ist.
Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der ersten Zone (30) größer als der Winkel der wenigstens einen Riffelung in der strukturierten Packung der zweiten Zone (28) ist, wodurch der Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung zwischen den beiden Zonen (30 & 28) unterschiedlich ist.
Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packung der zweiten Zone (28) größer als die Mantelflächen-Dichte der strukturierten Packung der ersten Zone (30) ist, wodurch der Widerstand für eine aufsteigende Gasströmung zwischen den beiden Zonen (30 & 28) unterschiedlich ist.
Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die zweite Zone (28) ringförmig mit einem inneren Umfang bzw. Perimeter ist, der im wesentlichen gleich dem äußeren Umfang bzw. Perimeter eines zentralen Kerns (30) ist, der durch die erste Zone gebildet wird, und der im wesentlichen an den äußeren Umfang (32) des zentralen Kerns (30) stößt.
Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand nach Anspruch 18, wobei der äußere Umfang (42) der ersten Zone (30) und der innere Umfang der zweiten Zone (28) im wesentlichen kreisförmig sind.
Säule zum Austausch von Wärme und/oder Masse bzw. Stoff zwischen einer sich nach unten bewegenden flüssigen Phase und einer aufsteigenden Gasphase, wobei die Säule (22) wenigstens eine Schicht (48, 48') einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand hat, wie sie in Anspruch 14 definiert ist.
Säule nach Anspruch 20, wobei die Säule (22) ein Verhältnis Länge/Durchmesser von wenigstens 0,5 hat.
Säule nach Anspruch 21, wobei die Säule (22) ein Verhältnis Länge/Durchmesser von 0,5 bis 5,0 hat.
Säule nach einem der Ansprüche 20 bis 22 mit einer ersten Schicht (48) aus der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand und einer zweiten Schicht (48') aus der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand, die unter der ersten Schicht (48) angeordnet und mit einem Winkel relativ dazu gedreht ist.
Säule nach Anspruch 23, wobei der Winkel zwischen 0° und 90° liegt.
Säule nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die wenigstens eine Schicht (48, 48') der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand eine Schicht ist, wie sie in einem der Ansprüche 15 bis 19 definiert ist.
Verfahren zum Wärme und/oder Stoffaustausch mit sich im Gegenstrom berührenden gasförmigen und flüssigen Phasen in einer Säule, die wenigstens eine Schicht einer strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand enthält, wie sie im Anspruch 14 definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 26 für die kryogene bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegung mit sich im Gegenstrom berührenden Dampf und Flüssigkeit in wenigstens einer Destillationssäule, die wenigstens eine Sektion enthält, in der der Kontakt Flüssigkeit/Dampf durch wenigstens eine Schicht aus strukturierter Packung mit gemischtem Widerstand hergestellt wird, wie sie im Anspruch 14 definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, wobei die wenigstens eine Schicht der strukturierten Packung mit gemischtem Widerstand eine Schicht ist, wie sie in einem der Ansprüche 15 bis 19 definiert ist, und/oder die Säule ist, wie sie in einem der Ansprüche 20 bis 25 definiert ist.