DE1442884B2 - Stoffaustauschkolonne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stoffaustauschkolonne, die senkrecht zur Kolonnenachse in einzelne, durch Zwischenräume voneinander getrennte Stoffaustauschabschnitte unterteilt ist, in welchen eine Flüssigkeit und ein gasförmiges Mittel gegeneinander strömen, und wobei zum Ableiten der Flüssigkeit aus einem Stoffaustauschabschnitt in den darunter angeordneten Stoffaustauschabschnitt Leitelemente angeordnet sind, die derart geneigt sind, daß sie in senkrechter Projektion den ganzen freien Kolonnenquerschnitt decken.

Aus der britischen Patentschrift 7 89 640 ist eine Stoffaustauschkolonne bekannt, in der mehrere übereinander angeordnete, durch leere Zwischenräume voneinander getrennte Vorrichtungen angebracht sind, die aus schräg gestellten Leitelementen bestehen, die derart geneigt sind, daß sie in senkrechter Projektion den Kolonnenquerschnitt decken. Durch diese Leitvorrichtungen, die absatzweise um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind, soll dem aufwärtsströmenden Gas eine Zickzackbewegung aufgezwungen werden.

Demgegenüber soll die Erfindung insbesondere auf Kolonnen Anwendung finden, bei denen in den Stoffaustauschabschnitten Füllkörper, wie z. B. Raschigringe in statistischer Verteilung'angeordnet sind oder auch bei denen die Stoffaustauschabschnitte aus Packungsschichten bestehen. Jedoch kann die Erfindung auch bei solchen Kolonnen verwendet werden, in denen die einzelnen Stoffaustauschabschnitte in jeweils einem Bündel von vertikalen, parallel angeordneten Kanälen bestehen, wobei entweder bei größerem Durchmesser

'5 der einzelnen Kanäle diese mit Füllkörper aufgefüllt sind oder bei kleinem Durchmesser der Kanäle die Kolonne als eine sogenannte Filmkolonne ausgebildet ist.

In derartigen Stoffaustauschkolonnen kann zum Beispiel Destillation oder Rektifikation oder aber Extraktion (Absorption) etwa einer Komponente aus einem gasförmigen Gemisch mittels einer fremden, in Stoffaustausch mit dem Gemisch stehenden Abtrennflüssigkeit (Extraktions- oder Absorptionsflüssigkeit) oder aber eine Abtrennung isotoper Elemente aus einem Stoff aufgrund einer chemischen Austauschreaktion vorgenommen werden, zum Beispiel die Trennung von Deuterium und Wasserstoff. Die Trennung von mit verschiedenen Isotopen gebildeten Molekülen, beispielsweise von schwerem und leichtem Wasser, läßt sich selbstverständlich ebenfalls in derartigen Austauschkolonnen durchführen. Während es bisher nur üblich war, in derartigen Stoffaustauschkoionnen in bestimmten Abständen Zwischenverteiler für die herabrieselnde Flüssigkeit anzuordnen, durch die die Flüssigkeit aus der Randzone gesammelt und wieder in die Mitte der Kolonne geführt wird, hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, durch eine entsprechende Gestaltung derartiger Auffangvorrichtungen, die gesamte aus einem Stoffaustauschabschnitt herabrieselnde Flüssigkeit aufzufangen, zu sammeln, wodurch die einzelnen Flüssigkeitsströme gemischt und dadurch etwa aufgetretene Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden, und die Flüssigkeit einer Verteilvorrichtung zuzuleiten, durch welche sie in gleichmäßiger Verteilung auf den Querschnitt des darunterliegenden Stoffaustauschabschnittes aufgegeben wird. Hierdurch kann der Trenneffekt des Austauschverfahrens verbessert werden. Vor allem ist es jedoch das Ziel der Erfindung, die Auffangvorrichtung derart auszubilden, daß von ihnen nur ein Bruchteil des Kolonnenquerschnittes versperrt wird, so daß sie in dem aufwärtsströmenden Gas nur einen kleinen Druckabfall bewirken, wodurch die Wirksamkeit und Belastbarkeit der Kolonne, insbesondere bei Vakuumbetrieb bei Drücken von weniger als 100 Torr, weiter verbessert werden kann.

Für die Lösung dieser Aufgabe sind die aus der vorstehend genannten britischen Patentschrift bekannten Leitvorrichtungen aber keineswegs geeignet, da hierbei allenfalls längs der Leitelemente eine Vermischung der Flüssigkeit über einen begrenzten Teil des Kolonnendurchmessers erfolgen kann.
Die Auffangsvorrichtung nach der Erfindung ist

⁶S derart gestaltet, daß am unteren Ende der Leitelemente Auffangrinnen angeordnet sind, die in einen rohr- oder rinnenförmigen Sammler münden, unter dessen im Kolonnenzentrum befindlichen Ablauf sich eine Vor-

richtung zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit auf den Querschnitt des darunter liegenden Stoffaustauschabschnittes befindet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der im Kolonnenzentrum angeordnete rohrförmige Sammler von untereinander gleichen Leitelementen in Form eines Schaufelkränzes umgeben ist, wobei die Leitelemente und Auffangrinnen an ihren dem Kolonnenzentrum gegenüberliegenden Enden in ein rohrförmiges Stück eingefügt sind, welches flüssigkeitsdicht mit der Innenwand der Kolonne verbunden ist.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß bei rinnenförmig ausgebildeten Sammler wenigstens eine Gruppe von zu einem Durchmesser der Kolonne symmetrisch angeordneten parallelen Leitelementen vorgesehen ist, wobei die Leitelemente und Auffangrinnen außen in einem der Form des Stoffaustauschabschnittes angepaßten rohrartigen Stück eingefügt sind, welches flüssigkeitsdicht mit der Innenwand der Kolonne verbunden ist.

Die Leitelemente selbst können aus ebenen, aber auch aus gewölbten Flächen bestehen. Weiterhin umfaßt die Erfindung auch solche Ausführungsformen von Auffangvorrichtungen, bei denen die Neigungswinkel der über den Kolonnenquerschnitt verteilt angeordneten Leitelementen verschieden groß gewählt sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand von in der Zeichnung dargestellten und im folgenden erläuterten. Ausführungsbeispielen der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Stoffaustauschkolonne mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auffangvorrichtung im Längsschnitt,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung dieser Auffangvorrichtung mit einem Teil der Leitelemente und Auffangrinnen, wobei die rohrförmigen Umhüllungen zum Teil aufgeschnitten sind,

Fig.3 einen Ausschnitt einer Stoffaustauschkolonne - mit einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auffangvorrichtung im Längsschnitt und

Fig.4 die Auffangvorrichtung gemäß Fig.3 in perspektivischer Darstellung.

In F i g. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Stoffaustauschkolonne 1 dargestellt, deren Stoffaustauschabschnitte 2a und 2b beispielsweise mit Füllkörpern, wie Raschigringen, aufgefüllt sind oder Packungskörper enthalten, die z. B. aus geriffelten lamellenartigen Elementen bestehen. Diese Stoffaustauschabschnitte sind durch einen freien Zwischenraum 3 voneinander getrennt. An die untere Begrenzung des Austauschabschnittes 2a, die beispielsweise von einem Rost als Auflage für Füllkörper gebildet wird, schließen sich über den Kolonnenquerschnitt verteilt angeordnete schräggestellte, flächenartige Leitelemente 4 an, die - wie aus Fig.2 ersichtlich - gewölbt sind. Diese untereinander gleich großen Leitelemente, die an ihrem unteren Ende mit Auffangrinnen 5 verbunden sind, sind in Form eines Schaufelradkranzes um ein im Zentrum der Kolonne angeordnetes Rohrstück 6 angeordnet Die Auffangrinnen, die ein Gefälle zum Zentrum der Kolonne hin aufweisen, münden in dieses Rohrstück ein. Wie insbesondere aus Fig.2 hervorgeht, sind die Leitelemente und Auffangrinnen an ihren dem Kolonnenzentrum gegenüberliegenden Enden in ein rohrförmiges Stück 7 eingefügt, das an der Innenseite des Kolonnenmantels 1 flüssigkeitsdicht mit diesem in der Nähe der unteren Begrenzung des oberen Stoffaustauschabschnittes verbunden ist. Zur Befestigung der Auffangvorrichtung in der Kolonne können z.B. Schrauben dienen, die durch die Kolonnenwand und das Rohrstück 7 geführt sind.

Das Rohrstück 6 endigt unterhalb der Mündungsstellen der Auffangrinnen 5 und liegt einem Trichter 8 einer darunter angeordneten Verteilvorrichtung gegenüber. Im Ausführungsbeispiel ist diese Verteilvorrichtung nach Art eines Segnerschen-Wasserrades ausgebildet, und zwar derart, daß das an den Trichter 8 anschließende Rohr 9 am unteren Ende in zwei radial angeordnete, an ihrem Ende abgeschlossene Rohrstükke 10 einmündet, die auf gegenüberliegenden Seiten gleichmäßig über den Radius der Kolonne verteilte Ausströmungsöffnung 11 aufweisen. Das an seinem unteren Ende geschlossene Rohr 10 ist drehbar auf einem Dorn 12 gelagert, der über Trägerelemente 13 an der Innenseite des Kolonnenmantels 1 bzw. auf der Oberfläche des Stoffaustauschabschnittes 2b selbst abgestützt ist.

Im Betrieb wird die aus dem Austauschabschnitt 2a herabrieselnde Flüssigkeit von den Leitelementen 4 aufgefangen, in die Rinnen 5 geleitet und gesammelt und strömt durch das Rohrstück 6 in den Trichter 8 der Verteilvorrichtung. Die Flüssigkeit versetzt die aus Trichter 8, Rohr 10 und Verteilöffnungen 11 bestehende Vorrichtung beim Ausströmen aus den öffnungen 11 in Rotation, so daß die aus dem oberen Austauschabschnitt aufgefangene Flüssigkeit gleichmäßig verteilt auf den oberen Querschnitt des Stoffaustauschabschnittes 26 aufgegeben wird, in welchem sie mit dem aufwärtsströmenden Gas in Stoffaustausch tritt. Dadurch, daß die Auffangvorrichtung aufgrund einer erfindungsgemäßen Ausbildung nur einen Bruchteil des Kolonnenquerschnittes, z. B. etwa 10 bis 20% (die Leitelemente selbst nur etwa 5%) einnimmt, erfährt das durch den Zwischenraum in den oberen Stoffaustauschabschnitt einströmende Gas nur einen geringen Druckabfall.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Verteilvorrichtung nach Art eines Segnerschen-Wasserrades stellt zwar eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer Verteilvorrichtung dar, jedoch können bei der Erfindung selbstverständlich auch andere Vorrichtungen, z. B. stationär angeordnete Vorrichtungen, zur Verteilung der aufgefangenen Flüssigkeit Anwendung finden.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ebenfalls wie in F i g. 1 nur ein Ausschnitt einer Stoffaustauschkolonne in schematischer Darstellungsweise gezeigt. Die gleichen Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Auffangvorrichtung nach den F i g. 3 und 4 besteht aus zwei zu einem Durchmesser der Kolonne symmetrisch ausgebildeten Gruppen von parallelen Leitelementen 15 und mit ihnen verbundenen Auffangrinnenl6, wobei in den F i g. 3 und 4 aufgrund der gewählten Darstellungsweise nur eine der beiden Gruppen zu sehen ist Die ein Gefälle aufweisenden Auffangrinnen 16 münden in zwei Sammelrinnen 17, die ein Gefälle zum Zentrum der Kolonne hin aufweisen, und durch die die Flüssigkeit in die darunter angeordnete Verteilvorrichtung abfließt Die Leitelemente 15 und Auffangrinnen 16 und 17 sind außen in ein der Form des Kolonnenquerschnittes angepaßtes rohrartiges Stück 18 eingefügt das an seinem oberen Rand flüssigkeitsdicht mit der Innenwand der Kolonne über ein kragenförmig den unteren Teil des oberen Stoffaustauschabschnittes umfassendes Element 19 verbunden ist. Das Ausführungsbeispiel

betrifft eine Kolonne mit kreisförmigem Querschnitt, und es ist in diesem Fall an der Innenseite des Rohres 18 je ein zusätzliches, schräggestelltes Leitelement 20 angebracht zur Ableitung der Flüssigkeit aus einem Teil der Randzone des Austauschabschnittes in die Auffangrinne 16 des benachbarten Leitelementes 15. Die Auffangvorrichtung eignet sich insbesondere auch für Kolonnen mit rechteckigem Querschnitt, wobei in diesem Fall die Leitelemente gleiche Größe aufweisen. Diese Ausführungsform kann auch so ausgebildet sein, daß nur eine Gruppe von Leitelementen und Auffangrinnen vorgesehen ist. In diesem Fall werden die Auffangrinnen zweckmäßig V-förmig ausgebildet, und zwar derart, daß an ihrer tiefsten Stelle öffnungen

angebracht sind, durch die die Flüssigkeit in eine darunter angeordnete Sammelrinne abströmt, die ihrerseits ebenfalls V-förmig ausgebildet ist und an ihrem tiefsten Punkt eine öffnung aufweist, durch die die gesamte Flüssigkeit in die darunter angeordnete Verteilvorrichtung abfließt.

Die einzelnen Elemente der Auffangvorrichtungen, wie insbesondere Leitelemente, Auffangrinnen und das umhüllende Rohrstück, können beispielsweise aus Blech, aber auch aus Kunststoff bestehen. Im ersten Fall können die Verbindungen von Leitelementen und Auffangrinnen und dem äußeren Rohrstück beispielsweise durch Lötung oder Schweißung hergestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Stoffaustauschkolonne, die senkrecht zur Kolonnenachse in einzelne, durch Zwischenräume voneinander getrennte Stoffaustauschabschnitte unterteilt ist, in welchen eine Flüssigkeit und ein gasförmiges Mittel gegeneinander strömen, und wobei zum Ableiten der Flüssigkeit aus einem Stoffaustauschabschnitt in den darunter angeordneten Stoffaustauschabschnitt Leitelemente angeordnet sind, die derart geneigt sind, daß sie in senkrechter Projektion den ganzen freien Kolonnenquerschnitt decken, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Leitelemente (4, 15) Auffangrinnen (5, 16) angeordnet sind, die in einen rohr- oder rinnenförmigen Sammler (6, 17) münden, unter dessen im Kolonnenzentrum befindlichen Ablauf sich eine Vorrichtung (8, 9, 10, 11) zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit auf den Querschnitt des darunter liegenden Stoffaustauschabschnittes (2b) befindet

2. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kolonnenzentrum angeordnete rohrförmige Sammler (6) von untereinander gleichen Leitelementen (4) in Form eines Schaufelkranzes umgeben ist.

3. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (4) und Auffangrinnen (5) an ihren dem Kolonnenzentrum gegenüberliegenden Enden in ein rohrförmiges Stück (7) eingefügt sind, welches flüssigkeitsdicht mit der Innenwand der Kolonne (1) verbunden ist.

4. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei rinnenförmig ausgebildetem Sammler (17) wenigstens eine Gruppe von zu einem Durchmesser der Kolonne symmetrisch angeordneten parallelen Leitelementen (15) vorgesehen ist.

5. Stoffaustauschkolonne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (15) und Auffangrinnen (16) außen in einem der Form des Stoffaustauschabschnittes angepaßten rohrartigen Stück (18) eingefügt sind, welches flüssigkeitsdicht mit der Innenwand der Kolonne (1) verbunden ist.

6. Stoff austauschkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (4) gewölbt sind.