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Gegenstromstufenwäscher Zur Absorption bzw Kondensation von Gasen
oder Dämpfen in Flüssigkeiten werden die verschiedensten Apparate angewandt, deren
Durchbildung, sofern keine Wärme auftritt bzw. keine Kühlung notwendig ist, sich
einfach gestaltet. Auch bei den Verfahren, bei welchen die einmalige gute Vorkühiung
der zu absorbierenden Gase oder der Absorptionsflüssigkeit oder auch beider genügt,
um die Temperatur während der Absorption nicht zu hoch werden zu lassen, bietet
dieDurchführung keine Schwierigkeiten. Sollten jedoch diese, für die Wärmeabfuhr
getroffenen Maßnahme nicht genügen, hat man bereits folgende Wege vorgeschlagen:
Wird die Wärmeabfuhr z. B. durch Mantel kühlung bewirkt, so ist diese in der Regel
nur bei kleineren Absorptionsapparaten anzuwenden. Bei großen Absorptionsapparaten
ist man jedoch genötigt, von dieser Art der Kühlung abzugeben, und man hat versucht,
die Kühlfläche im Innern des Absorptionsapparates unterzubringen. Dies ist jedoch
nicht immer leicht, da man mit dem Raum meistens beschränkt ist und da wegen der
schlechten Wärmeübertragung größere Austauschflächen notwendig sind. Es sind deshalb
auch bereits Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Behandlung von Gasen oder Dämpfen
mit Flüssigkeiten unter Anwendung des Gegen,sttromprin, zips vorgeschlagen worden,
bei denen. die Absorptionsflüssigkeit außerhalb des Reaktionsturmes durch in den
Kreislauf eingeschaltete Kühler gekühlt wird. Dabei muß jedoch der
Absorptionsapparat
mehrmals unterteilt werden, um die Gase bzw. die Absorptionsflüssigkeit in den außen
anta,ebrachten Kühlem vor der nächsten Absorptionsstufe zu kühlen.
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Auch hierbei sind verhältnismäßig große Kühlflächen wegen der schlechten
Wärmeübertragung notwendig, ganz abgesehen von der komplizierten Konstruktion, die
notwendig ist, um das mehrmalige Herausführen der Gase aus dem Innern des Turmes
zu bewirlcen.
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Auch die Durchführung der Absorption in mehreren Stufen, wobei in
den einzelnen Stufen die Absorptionsflüssigkeit umgewälzt und mittels Kühler gekühlt
wird, bedingt die Anwendung einer sehr großen Stufenzahl, da ja innerhalb der einzelnen
Stufen wegen des starken Flüssigkeitsumlaufes in der Flüssigkeit selbst keine großen
Konzentrationsunterschiede vorhanden sein können und das Gegen. stromprinzip zwar,
bezogen auf die Gesamtzahl der Stufen, durchgeführt wird, jedoch nicht innerhalb
der einzelnen Stufen. Daraus ergibt sich die Anwendung einer verhältmsmäßig großen
Anzahl von Stutzen, oder es besteht der Nachteil darin, daß mit so viel Al> sorptionsflüssigkeit
gearbeitet werden muß, daß das Absorptionsgleichgewicht auch nicht annähernd erreicht
werden kann.
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Es sind auch Gegenstromstufenwäscher bekanntgeworden, bei denen eine
einfach berieselte Stufe entweder vor den mehrfach berieselten Stufen eingeschaltet
ist oder nach diesen. Weiterhin sind Einrichtungen ausgeführt worden, bei denen
die einfach berieselte Stufe vor und nach den mehrfach berieseiten Stufen angeordnet
ist. Wenn auch bei dieser Anordnung der Absorptionseffekt verbessert wird, so besteht
doch nach wie vor der prinzipielle Nachteil, daß innerhalb der mit umlaufen der
und gekühlter Flüs siglit berieselten Stufen das Gegenstromprinzip nicht gewahrt
ist. Das bedingt also auch in diesem Falle, um eine möglichst quantitative Auswaschung
zu erzielen, entweder eine große Anzahl von mehrfach berieselteni Stufen oder einen
vermehrten Aufwand au Absorptionsflüssigkeit.
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Es ist zwar auch schon auf einem anderen Arbeitsgebiet vorgeschlagen
worden, zwischen die mehrfach berieselten Stufen eine einfach berieselte anzuordnen.
Diese Zwischiensehaltung der einfach berieselten Stufe ergab sich zwangsläufig aus
der Wirkungsweise der darüber angeordneten Kondensationsstufe. wobei der entstehende
starke Überlauf an Kondensationsprodukt eine Kreislaufführung für d!ie darunter
befindliche Stufe überflüssig enscheinen ließ.
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Durch die vorliegende Erfindung werden diese Nachteile in einfacher
und sicherer Weise dadurch vermieden, daß der neue Gegenstromstufenwäscher, der
zur Absorption löslicher oder kondensierbarer Gase mittels durch die Stufen einmalig
laufender bzw. im Kreislauf geführter und dabei gekühlter Wasehflüssigkeit dient,
in der Weise gestaltet ist, daß mehrere einfach berieselte und mehrere mit umlaufender
und gekühlter Waschflüssigkeit berieselte Stufen abwechselnd aufeinander folgen,
wobei die im Gasweg letzte-Stufe eine einfach berieselte ist.
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Durch diese Anordnung sind in dem AS sorptionsturm abwechslungsweise
gekühlte und ungekühlte Stufen unterg.hracht, wobei in den ungekühlten Stufen die
Absorptionsflüssigkeit in feiner Verteilung z. B. über Füllkörperschichten, und
zwar in einer SIenge herabrieselt, wie sie der aufgegebenen SIenge entspricht. Hat
die Flüssigkeit diese einfach berieselte Stufe passiert, gelangt sie in die darunter
befindliche Stufe, in welcher sie mehrfach umgewälzt wird. Dabei wird sie durch
außenliegende Kühler gekühlt, welche je nach der Art der vorzunehmenden Absorption
mit Wasser oder Kältesole betrieben werden.
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Ausführungsbeispiel Zum Nachweis dessen, daß das vorliegende Verfahren
einen weit höheren Effekt erreicht als bei demjenigen, bei welchem die Absorptionskolonnen
in Stufen unterteilt und die Abr sorptionsflüssigkeit durch Kühler gekühlt und durch
Pumpen in jeder Stufe umgewälzt wird, soll für dieses bekannte Verfahren der Ahsorptionseffekt
durchgerechnet werden.
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Es soll in einer dreistufigen Absorptionskolonne ein wo°/oiges Stickoxydgas
mittels 980/o Salpetersäure absorbiert werden. Die in nachstehender Tabelle experimentell
ermittelten Gleichgewichtsbedingungen gelten für eine Temperatur von 100 und atmosphärischem
Druck.
| Gaszusammensetzung über |
| Zusammensetzung der Absorptionsflüssigkeit |
| Absorptionssäure in in Volumprozenten N2O |
| Gewichtsprozenten NO4 bei Gleichgewicht |
| 0,0 0,00 |
| 2,0 0,05 |
| 4,° 0,10 |
| 6,0 0,20 |
| 8,o o,35 |
| 10,0 0,65 |
| 15,0 I,85 |
| 20,0 3,55 |
| 25,0 5,50 |
| 30,0 7,90 |
| 32,0 9,10 |
| 34,0 10,50 |
Die Zwischenwerte sind durch Interpolation zu entnehmen.
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Enthält die ablaufende Säure z.B. 300/0 N2 04 gelöst, dann sind für
10 Teile absorbiertes Gas 23,3 Teile Absorptionssäure notwendig.
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Das Gas über dieser, in der untersten Stufe kreiseinden Absorptionssäure
enthält noch laut Tabelle 7,9 Volumpfozent N2 04.
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Es sind demnach in dieser Stufe, wenn I0°/oige Gase eingetreten,
sind, unter Berücksichtigung der Volumenveränderung, 2,28 Teile von 10 Teilen absorbiert,
was sich aus folgender Gleichung ergibt:
Die Säure der darüber bNefindlichen mittleren Stufe enthält also (io - 2,28) zuIoo
= 24,9% N2O4.
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I0 - 2,28 + 23,3 Das Gas über der Imittleren Stufe, also über dieser
Säure, enthält laut Tabelle 5,45 Volumprozent N2 04. Die Absorption in der unteren
und mittleren Stufe zusammen beträgt also 4,8I Teile von 10 Teilen
Die Säure der oberen Stufe weist also einen N2 O4-Gehalt von (Io - 4,81) # I00 =
18,2% I0 - 4,8I + 23,3 auf.
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Das aus der obersten Stufe abziehende Gas enthält also laut Tabelle
noch 2,9 Volumprozent N2O4.
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Die Absorption in den idrei Stufen zusammen beträgt also 7,32- Teile
von Io Teilen
Das bedeutet also, daß, trotzdem die ablaufende Säure nicht die höchste Anreicherung
an N2 04 erfahren hat, nur 73,2% der eintretenden Stickoxyde absorbiert worden sind
oder, daß eine viel größere Menge an Absorptionsflüssigkeit aufgewendet werden müßte,
um eine fast quantitative Absorption zu erzielen, wobei die Voraussetzung getroffen
ist, daß die Stickoxyde in den einzelnen Stufen bis zur theoretischen Grenze absorbiert
werden.
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Bei einer nach dem vorliegenden Verfahren, also unter Einschaltung
von Zwischenstufen arbeitenden, ausgeführten Groß anlage wurde unter denselben Bedingungen,
also Zuführung von I0%igen Stickoxydgasen, bei einer Kühler temperatur von - 10°
und Anreicherung der Absorptionssäure bis zu 300/0 N2 O4-Gehalt eine gg0/oige Absorption
erreicht.
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Dieser nicht ohne weiteres voraussebhare technische Effekt ist darauf
zurückzuführen, daß die Absorption außer in den drei Stufen, in denen gekühlte Säure
kreiselt, vor allen Dingen in den dazwischengeschalteten reinen Absorptionsstufen
erfolgt, in denen das Gegenstromprinzip voll zur Auswirkung gelangt, welches in
den mit Pumpen bierieselten Stufen nicht vorhanden ist, da ja infolge der starken
Flüssigkeitsumwälzung praktisch diesel'be N2O4-Konzentration und damit auch Gaskonzentration
innerhalb dieser Stufen beibehalten wird.
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Das bei dem vorliegenden Verfahren der erreichbare Absorptionseffekt
besser sein muß als bei den bisher bekannten Verfahren, ist außerdem darauf zurückzuführen,
daß z. B. die in die oberste Stufe des eingangs durchgerechneten Beispiels eintretende
tetroxydfreie Aufgabesäure sofort mit der Säure mit It3°/o N2 O4-Gehait vermischt
wird, während beim vorliegenden Verfahren diese Aufgalbesäure in einer darüberliegenden,
einfach berieselten Stufe die letzten Stickoxydgasreste fast quantitativ herauswäscht.
Daraus ergibt sich, daß die Säure mit I80/o N2 O4-Gehalt das Gas mit noch 2,9 Volumprozent
N2 °4 durchläßt, während die tetroxydfreie Aufgabesäure die Gase fast quantitativ
herauszuwaschen vermag.
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-Durch diesen Gegenstromstufenwäscher werden Vorteile in mehrfacher
Beziehung erreicht, und zwar kann jede beliebige Wärmemenge auch bei tiefster Temperatur
durch entsprechende Wahl der Pumpenleistung, der Kühlergröße und des Turmquerschnittes
abgeführt und jede beliebige Gasmenge absorbiert werden. Außerdem sind die Kühlflächen
der Flüssigkeitskühler im Verhältnis zur abzuführenden Wärmemenge klein, da die
in--direkte Wärmeübertragung zwischen Kühlflüssigkeft und Absorptionsflüssigkeit
an sich sehr gut ist, z. B. ist sie zehnmal so groß wie die zwischen Gas und Kühlflüssigkeit.
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Durch Anwendung von Umwälzpumpen ist man weiterhin in der Lage, große,
die Wärmeübertragung begünstigende Geschwindigkeiten in den Kühlern zu erzielen.
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Der weitere Vorteil des neuen Gegenstromstufenwäschers besteht darin,
daß innerhalb der ungekühlten Stufen das exakte Gegenstromprinzip durchgeführt wird,
wodurch die höchstmögliche Anreicherung in der Absorptionsflüssigkeit erhalten wird.
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Die Abfuhr der in den ungekühlten Stufen auftretenden Absorptionswärme
erfolgt sowohl durch die aus der darüber befindlichen Kühlstufe kommende gekühlte
Flüssigkeit, als auch durch die von unten ebenfalls von einer
Kühlstufe
kommenden gekühlten Gase. Selbstverständlich findet eine Absorption auch in den
gekühlten Stufen statt, wobei die Absorptionswärme direkt abgeführt wird.
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Der größte Vorteil bei der Anwendung -des neuen Gexgenstromstufenwäscilers
ergibt sich aber durch seinen einfachen Aufbau, da alle komplizierten Kühlereinhauten,
außenliegende Gaskühler u. dgl. in Wegfall kommen. Weiterhin ist man dabei in der
Lage, in den einzelnen Stufen die verhältnismäßig billigen Fü'llkörperschichten
anzuwenden, wobei zwec1çmäßig für die gekühlten und stärker berieselten Stufen niedrige
Schichten, und für die Absorptionsstufen, in denen nur eine normale Berieselung
stattfindet, höhere Schichten vorgesehen werden. Selbstverständlich können an Stelle
der Füllkörperschichten auch Siebböden, Glockenhöden, poröse Platten u. dgl, Verwendung
finden.
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Der neue Gegenstromstufenwäscher eignet sich besonders gut zur Absorption
stickoxydhaltiger Gase mittels hochkonzentrierter Salpetersäure, da hier verhältnismäßig
große Wärmemengen bei tiefer Temperatur abzuführen siiid und man mit möglichst wenig
hochkonzentrierter Säure eine vollständige Absorption erzielen kann.
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In der Zeichnung ist der neue Gegenstromstufenwäscher in einer beispielsweisen
Ausführungsform schematisch dargestellt.
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In den Absorptionsturm I tritt das Gas unten durch den Stutzen 2
ein und tritt oben durch den Stutzen 3 wieder aus. Die aus dem Behälter 15 kommende
und durch die Kühlschlange 4 gekühlte Absorptionsflüssigkeit tritt oberhalb der
obersten Absorptionsschicht 5 durch einen Flüssigkeitsverteiler 6 ein. Die Absorptionsflüssigkeit
durchfließt gut verteilt die Füllkörperschicht 5 und gelangt in die darunter befindliche
Stufe 7. In dieser Stufe wird die herabrieselnde Flüssigkeit in der darunter befindlichen
Tasse 8 aufgefangen.
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Die Flüssigkeit gelangt zur Umwälzpumpe 9, von welcher sie durch den
Kühler 10 gedrückt wird und oberhalb der Stufe 7 wiederum über einen Verteiler 6
auf die Füllkörperschicht 7 gleichmäßig verteilt gelangt und diese im gekühlten
Zustande wiederum durchfließt. Die in diesem Kreislauf zirkulierende Flüssigkeitsmenge
kann je nach der Art der durchzuführenden Absorption ein z. B. 5- bis 20faches gegenüber
der aufgegebenen Menge betragen. Die aus der Stufe 5 herabrieselnde Flüssigkeit
vermischt sich mit der Flüssigkeit der unter ihr befindlichen im Kreislauf geführten
Flüssigkeit, und der Flüssigkeitsübe rschuß gelangt durch den Überlauf II in die
darunter befindliche, ebenfalls nur einfach berieselte Stufe 12.
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In dieser Weise wiederholt sich der Vorgang in den darunter angeordneten
Stufen.
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Dabei ist es zweckmäßig, daß die unterste Stufe ebenfalls mit einer
Umwälzpumpe g ausgerüstet ist, damit diese die höchst angereicherte Absorptionsflüssigkeit
durch die Leitung I3 zur Weiterverarbeitung fördern kann.
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Die in der Zeichnung gezeigte Schicht 14 dient dazu, die evtl. mit
dem Gasstrom mitgeführten Flüssigkeitsteilchen zurückzuhalten.