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PATENTANSPRÜCHE
1. Einbauelement für Stoffaustauschkolonnen, welche im Gegenstrom von einer kontinuierlichen und einer dispersen Phase durchströmt werden, wobei das Einbauelement aus mehreren parallel zur Kolonnenachse liegenden, sich berührenden Lagen besteht, welche Strömungskanäle aufweisen, und wobei die Strömungskanäle in den einzelnen Lagen im wesentlichen gleichgerichtet zueinander verlaufen, und wobei weiterhin die Strömungskanäle zweier benachbarter Lagen sich kreuzen und mindestens zwischen einer Anzahl von benachbarten, Strömungskanäle aufweisende Lagen ebene Zwischenlagen eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen derart ausgebildet sind, dass sie einen Teil benachbarter Lagen gegeneinander abdecken.
2. Einbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Längsachse der Kolonne mindestens zwei Reihen von Zwischenlagen übereinander angeordnet sind, wobei die Zwischenlagen der übereinanderliegenden Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind, und die seitlichen Begrenzungen bis zur Innenwand der Kolonne reichen.
3. Einbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen gleiche Höhe aufweisen.
4. Einbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Zwischenlagen etwa die Hälfte der Höhe der Strömungskanäle aufweisenden Lagen aufweist.
5. Einbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Zwischenlagen mindestens nahezu der Höhe der Strömungskanäle aufweisenden Lagen entspricht, und sich die Zwischenlagen in der Breite bis mindestens nahezu an die seitliche Begrenzung der benachbarten Strömungskanäle aufweisenden Lagen erstrecken, wobei jede Zwischenlage mindestens eine sich mindestens nahezu über die gesamte Breite der Zwischenlage erstreckende Aussparung aufweist, deren Höhe mindestens der Breite eines Strömungskanales entspricht.
6. Einbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aussparung aus einer Mehrzahl von Teil Aussparungen besteht.
Die Erfindung betrifft ein Einbauelement für Stoffaustauschkolonnen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine Struktur derartiger Einbauelemente ist aus der CH PS 398 503 bekannt.
Die Lagen des Einbauelementes bestehen hierbei aus geriffelten Lamellen, welche sich gegenseitig berühren, wobei die Strömungskanäle bildende Riffelung eine wellen- oder zickzackförmige Kontur aufweisen kann. Die bekannten Einbauelemente werden vorzugsweise in Rektifikationskolonnen eingesetzt, wobei die flüssige Phase als Film über die Lamellenoberflächen abwärts und die aufwärts strömende gasförmige Phase das freie Lückenvolumen des Einbauelementes ausfüllt.
Es handelt sich hierbei um einen Stoffaustausch zwischen zwei kontinuierlich strömenden Phasen.
In der genannten Patentschrift wird erwähnt, dass im Falle eine Oberflächenvergrösserung erwünscht ist, zwischen je zwei geriffelten Lamellen eine ungeriffelte Lamelle eingeschoben werden kann. In diesem Fall ist die Grösse der ungeriffelten Lamellen mit derjenigen der geriffelten Lamellen identisch, d.h. sie decken sich gegenseitig vollständig ab.
Im Gegensatz hierzu spielt eine Oberflächenvergrösserung bei Stoffaustauschverfahren, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben sind, keine Rolle.
Die Erfindung kann auf Stoffaustauschverfahren angewendet werden, bei welchen in einer Kolonne eine disperse Phase mit einer kontinuierlichen Phase in Kontakt gebracht werden soll.
Es kann sich hierbei um Extraktions- oder Absorptionsverfahren handeln, wobei entweder eine kontinuierlich die Einbauelemente abwärts bzw. aufwärtsdurchströmende flüssige Phase, welche das freie Lückenvolumen zwischen den Lagen eines Einbauelementes ausfüllt, mit einer die Zwischenräume der Lagen, d. h. die Strömungskanäle aufwärts bzw. abwärts durchströmenden, dispersen Phase in Kontakt gebracht wird.
Bei einer Flüssig-Flüssig-Extraktion steigt die leichte, flüssige Phase in Tröpfchenform aufwärts bzw. sinkt die schwerere, disperse flüssige Phase abwärts.
Bei Absorptionsverfahren, bei denen die disperse Phase dampf- bzw. gasförmig vorliegt, steigen die Dampf- bzw.
Gasblasen innerhalb der Strömungskanäle senkrecht auf.
Eine vollständige Abdeckung der die Strömungskanäle aufweisenden Lagen durch Einschub von diesen Lagen abdeckenden ebenen Lagen würde keinen Gewinn bringen, da weder die disperse Phase noch die kontinuierliche Phase sich nicht als Film über die Lamellenoberflächen ausbreiten.
Es handelt sich bei dem Anwendungsgebiet der Erfindung um eine völlig andere Aufgabenstellung als bei den erwähnten bekannten Einbauelementen.
Wendet man die bekannten Einbauelemente, bei welchen sich die Strömungskanäle von jeweils zwei benachbarten Lagen kreuzen, bei Extraktions- bzw. Absorptionsverfahren an, so stellt man folgendes fest:
In Fig. 1 ist in einem Teil-Längsschnitt schematisch eine Kolonne 1 dargestellt mit Teilansichten von zwei hintereinanderliegenden Lagen I und II eines in der Kolonne 1 angeordneten bekannten Einbauelementes.
Unter der Annahme, dass die schwerere flüssige Phase kontinuierlich das Einbauelement abwärts durchströmt, wobei sie durch die Strömungskanäle seitlich verteilt wird, bewirken die Strömungskanäle keine seitliche Verteilung der aufwärtsströmenden, dispersen, leichteren, flüssigen bzw.
gas- oder dampfförmigen Phase, wie dieses durch den Strömungsweg der Tröpfchen oder Blasen 2 dargestellt ist.
Eine Folge davon besteht darin, dass die Verweilzeit der Tröpfchen bzw. Blasen in dem Einbauelement kurz ist, und sich das chemische Gleichgewicht nur langsam einstellen kann, d. h. es braucht zur Einstellung des chemischen Gleichgewichtes eine relativ grosse Anzahl von Einbauelementen und damit eine grosse Kolonnenhöhe, was wirtschaftlich unter Umständen kaum tragbar ist.
Weitere wesentliche nachteilige Effekte, die beim Einbau der bekannten Einbauelemente in einer Stoffaustauschkolonne auf dem Anwendungsgebiet der Erfindung auftreten, werden anhand der Fig. la, l'a und lb, l'b erläutert.
Fig. la zeigt in schematischer Darstellung einen Teil Längsschnitt durch eine Kolonne 1, in welcher drei bekannte Einbauelemente 3 angeordnet sind, wobei das mittlere Einbauelement gegenüber dem oberen und unteren Einbauelement in bezug auf die Längsachse der Kolonne um 90" verschwenkt ist.
Durch ein Zuführrohr 4 wird als Strahl eine disperse Phase in das untere Einbauelement zentral eingeleitet. Hierbei wird keine radiale Verteilung der dispersen Phase über den Kolonnenquerschnitt erreicht. In der Randzone der Kolonne wird eine Rezirkulation der die Kolonne 1 von oben nach unten kontinuierlich durchströmenden Flüssigkeit (Effekt einer Mammutpumpe) bewirkt, wie durch Pfeilrichtung angegeben ist. Dieses hat zur Folge, dass der gewünschte Konzentrationsgradient in der kontinuierlichen bzw. in der dispersen Phase in Richtung der Kolonnenlängsachse nicht
erzielt werden kann. Anders ausgedrückt, kann in dieser Vorrichtung aufgrund der Konvektionsströmungen der kontinuierlichen Phase und der damit verbundenen Rückvermischung nicht die erforderliche Trennleistung erreicht werden.
Fig. l'a zeigt einen Querschnitt durch die Kolonne 1 längs der Schnittlinie A - A. Diese Darstellung verdeutlicht eine zentrale Ansammlung der Blasen bzw. Tropfen 2 der dispersen Phase beim Austritt aus dem Stoffaustauschteil der Kolonne.
Fig. lb zeigt eine Ausführungsform einer Kolonne 1 in einem Teil-Längsschnitt mit ebenfalls drei bekannten Einbauelementen 3.
In diesem Fall wird die disperse Phase einigermassen gleichmässig auf den Querschnitt des untersten Einbauelementes 3 mit Hilfe eines Rohrverteilers 5, der Lochungen 6 aufweist, aufgegeben. Anstelle dieser Aufgabeneinrichtung könnte beispielsweise auch ein Siebboden eingesetzt werden, wie es in den sog. Siebbodenkolonnen für Rektifikationsverfahren der Fall ist. Eine exakt gleichmässige Aufgabe der dispersen Phase ist jedoch aus etlichen Gründen nur schwer realisierbar.
Einerseits können die Lochungen durch Ablagerungen verstopft oder durch Benetzung durch die kontinuierliche Phase einen gleichmässigen Austritt der dispersen Phase über den Kolonnenquerschnitt verhindern.
Andererseits würde bei einer nur geringen Abweichung der Längsachse der Kolonne gegenüber der Senkrechten, eine ungleichmässige Verteilung der dispersen Phase die Folge sein.
Schliesslich kann bei einer nur geringen Randgängigkeit der Einbauelemente 3 wiederum eine Rezirkulation der kontinuierlichen Phase nicht verhindert werden.
Bei einer derart ausgeführten Kolonne müssten aufgrund dieser Nachteile die disperse Phase in freien Zwischenabschnitten gesammelt und wieder verteilt auf den Querschnitt des benachbarten Einbauelementes aufgegeben werden.
Dieses bedeutet, dass die erforderliche Kolonnenhöhe entsprechend grösser sein muss und zudem zusätzlich Vorrichtungen für die Sammlung und Verteilung der dispersen Phase benötigt würden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für Extraktions- bzw. Absorptionsverfahren angewendete Kolonnen derart auszubilden, dass eine gute radiale Verteilung der dispersen Phase über den Kolonnenquerschnitt gewährleistet ist ohne Zwischenschaltung von Sammlern und Verteilern der dispersen Phase.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Zwischenlagen eines jeden Einbauelementes derart ausgebildet sind, dass sie einen Teil benachbarter Lagen gegeneinander abdecken.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass in Richtung der Längsachse der Kolonne mindestens zwei Reihen von Zwischenlagen angeordnet sind, wobei die Zwischenlagen der übereinanderliegenden Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind, und die seitlichen Begrenzungen bis zur Innenwand der Kolonne reichen. Hierbei können die Zwischenlagen gleiche Länge aufweisen, wobei z. B. die Höhe der Zwischenlagen etwa die Hälfte der Höhe der Strömungskanäle aufweisenden Lagen aufweist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Höhe der Zwischenlagen mindestens nahezu der Höhe der Strömungskanäle aufweisenden Lagen entsprechen, wobei sich die Zwischenlagen in der Breite bis mindestens nahezu an die seitliche Begrenzung der benachbarten Strömungskanäle aufweisenden Lagen erstrecken, wobei weiterhin jede Zwischenlage mindestens eine sich mindestens nahezu über die gesamte Breite der Zwischenlage erstreckende Aussparung aufweist, deren Höhe mindestens der Breite eines Strömungskanales entspricht. Hierbei kann jede Aussparung aus einer Mehrzahl von Teil-Aussparungen bestehen, die beispielsweise kreisförmig, quadratisch, trapezförmig oder dreieckig ausgebildet sein können. Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Fig. 2a und 2'a zeigen in schematischer Darstellungsweise analog zu den Fig. la, l'a und lb, I'b einen Teil Längsschnitt durch eine Kolonne, in welcher drei erfindungsgemäss, mit ebenen Zwischenlagen versehene Einbauelemente angeordnet sind.
Fig. 3 zeigt in einem vergrösserten Teil-Längsschnitt durch eine Kolonne ein Einbauelement mit ebenen Zwischenlagen gemäss der Fig. 2a.
Die Fig. 3' und 3" zeigen in analoger Darstellungsweise zu Fig. 1 Teil-Längsschnitte durch eine Kolonne mit Teil Ansichten von hintereinanderliegenden Lagen eines Einbauelementes, welches der in den Fig. 2a und Fig. 3 dargestellten Ausführungsform entspricht.
Die Fig. 4 und 5 zeigen perspektivische Darstellungen eines Teiles eines gemäss den Fig. 3, 3' und 3" ausgebildeten Einbauelementes.
In den Fig. 6, 7 und 8 sind schematisch variante Ausführungsformen von Zwischenlagen dargestellt.
Gemäss Fig. 2a wird in eine Kolonne 7, in welcher drei Einbauelemente 8 übereinander angeordnet sind, wobei das mittlere Einbauelement gegenüber den beiden angrenzenden Einbauelementen um 90" um die Längsachse der Kolonne verschwenkt ist, durch ein Zuführrohr 9 eine disperse Phase strahlförmig auf die Unterseite des untersten Einbauelementes aufgegeben. Die Erfindung ist nicht auf diese Art der Zuführung der dispersen Phase beschränkt. So könnte die disperse Phase beispielsweise, wie anhand der Fig. lb erläutert ist, auch durch einen Rohrverteiler mit Lochungen oder durch einen Siebboden eingeleitet werden.
In Längsachse der Kolonne 7 sind zwischen je zwei benachbarten geriffelten Lagen 10 in jedem Einbauelement zwei Reihen von ebenen Zwischenlagen 11' bzw. 11" angeordnet, wobei die Zwischenlagen der übereinanderliegenden Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind, gleiche Höhe h aufweisen, welche der Hälfte der Höhe H der geriffelten, d.h. Strömungskanäle aufweisenden Lagen 10 entspricht (vergl. auch Fig. 3).
Aufgrund dieser Ausbildungsweise werden die Blasen bzw. Tröpfchen 2 der dispersen Phase gleichmässig über den Kolonnenquerschnitt verteilt, wie der Querschnitt gemäss Fig. 2'a durch die Kolonne 7 längs der Schnittlinie A - A zeigt und wie noch näher anhand der Fig. 3' und 3" erläutert wird.
Anhand der Fig. 3' und 3" wird im folgenden der Strömungsweg der dispersen Phase (Tröpfchen oder Blasen 2) durch ein Einbauelement, welches einer Ausführungsform.
wie sie in Fig. 2a und Fig. 3 dargestellt ist, erläutert.
Die Fig. 3' und 3" zeigen in Teilansichten insgesamt fünf hintereinanderliegende, geriffelte Lagen I, II und V, die identisch mit den geriffelten Lagen 10 in den Fig. 2a und 3 sind.
Analog zu den ebenen Zwischenlagen 11' bzw. 11" in den Fig. 2a und 3 ist zwischen den geriffelten Lagen I und II eine ebene Zwischenlage III und zwischen den geriffelten Lagen II und V eine ebene Zwischenlage IV angeordnet.
Während in den Teilen des Einbauelementes 8, die ohne Zwischenlagen sich direkt berühren, die Blasen oder Tröpfchen 2 unbehindert von der Struktur der Strömungskanäle senkrecht nach oben steigen, werden die Blasen oder Tröpfchen 2 in den Teilen, in welchen zwischen zwei entgegengesetzt geriffelten Lagen eine ebene Zwischenlage eingescho ben ist, von den Strömungskanälen der geriffelten Lagen jeweils entgegengesetzt nach aussen umgelenkt.
Durch die abwechslungsweise Anordnung von Bereichen gegeneinander verschlossener bzw. offener Strömungskanäle entlang der Kolonnenachse wird deshalb verhindert, dass alle Tröpfchen oder Blasen in der einmal eingeschlagenen Richtung bis zur Kolonnenwand verbleiben. Die Ausbildung einer irgendwie bevorzugten Quertransportrichtung wird hierbei vermieden.
Hierdurch wird einerseits der gewünschte Konzentrationsgradient längs der Kolonnenachse erreicht und andererseits aufgrund der wesentlich längeren Strömungswege der Tröpfchen oder Blasen 2 die Verweilzeit verlängert, so dass aufgrund dieser beiden Wirkungen über eine relativ kurze Länge des Stoffaustauschteiles die erforderliche Trennleistung erzielt wird.
Dieser Effekt konnte auch experimentell bestätigt werden.
Zu einer besseren räumlichen Vorstellung eines gemäss der vorstehend erläuterten Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgebildeten Einbauelementes, dienen die Fig. 4 und 5. Diese Figuren zeigen in perspektivischer Darstellung Teile eines solchen Einbauelementes, wobei die Innenwand der Kolonne 7 strichpunktiert angedeutet ist und die Breite eines ebenen Strömungskanals mit b bezeichnet ist. Im übrigen sind für alle Elemente die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2a und 3 verwendet.
Anstelle von abwechslungsweise, versetzten, ebenen Zwischenlagen, wie in den Fig. 2a, 3, 3', 3", 4 und 5 dargestellt ist, können die Zwischenlagen beispielsweise auch entsprechend den Fig. 6, 7 oder 8 ausgebildet werden.
Hierbei sind die Höhe H und die Breite B der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Zwischenlagen identisch mit der Höhe und Breite der geriffelten Lagen eines Einbauelementes. Zwischen je zwei geriffelten Lagen ist eine ebene Zwischenlage angeordnet.
Gemäss Fig. 6 weist die Zwischenlage 12 zwei abstandsweise übereinanderliegende, sich über den grössten Teil der Breite B erstreckende, rechteckige Aussparungen 13 auf wobei die Höhe h' jeder Aussparung mindestens der Riffelbreite b (s. Fig. 4) einer geriffelten Lage entspricht. In Fig. 6 ist die hinter der Zwischenlage 12 sich befindende, geriffelte Lage
14 sichtbar.
Die in Fig. 7 dargestellte Zwischenlage 15 weist in bezug auf die geriffelten Lagen gleiche Abmessungen auf. Anstelle der sich über nahezu über die gesamte Breite erstreckenden Aussparungen 13 in Fig. 6 weist die Zwischenlage zwei übereinander angeordnete Reihen von einzelnen quadratischen Aussparungen 16 auf deren Höhe ebenfalls mindestens der Riffelbreite b der die Zwischenlagen berührenden Lagen entspricht. Die hinter der Zwischenlage 15 liegende geriffelte Lage ist mit der Bezugsziffer 17 bezeichnet.
Anstelle der quadratischen Aussparungen können die Aussparungen beispielsweise einen kreisförmigen, rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt aufweisen.
Eine weitere mögliche Ausführungsform einer Zwischenlage ist in Fig. 8 schematisch dargestellt.
Abweichend von Fig. 6 und 7 besteht hier die Zwischenlage aus einzelnen abstandsweise übereinander angeordneten rechteckigen Streifen 18. Für die Bemessung der Abstände gilt das gleiche wie für die Ausführungen gemäss Fig. 6 und 7. Die hinter den Streifen der Zwischenlagen liegende geriffelte Lage ist mit der Bezugsziffer 19 bezeichnet.
Die Zwischenlagen können z. B. aus Metall oder Kunststoff bestehen, zweckmässig aus dem gleichen Material wie die geriffelten Lagen.
Die die Einbauelemente bildenden geriffelten Lagen und Zwischenlagen können z. B. miteinander durch Punktschweissung verbunden werden oder im Falle der in Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsform in eine Kolonne einzeln nacheinander eingeschoben werden und somit selbstzentrierend ausgebildet sein. Wenn erforderlich, können die Lagen auch mit der Kolonneninnenwand fest, z.B. durch Verschweissung, verbunden werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen der Zwischenlagen beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsformen, die vom Kennzeichnen des Anspruchs 1 überdeckt sind und die vorstehend beschriebene Wirkungsweise bei der Durchführung von Extraktionsbzw. Absorptionsverfahren in Stoffaustauschkolonnen zeigen, wenn eine disperse Phase mit einer kontinuierlichen Phase im Gegenstrom in Kontakt gebracht wird.
In einem Experiment konnte bei einer Vergleichsmessung eines mit erfindungsgemäss ausgebildeten Einbauelementen versehenen Rohrstückes mit einem mit den bekannten, ausschliesslich aus geriffelten Lagen bestehenden Einbauelementen versehenen Rohrstückes von 0,4 m Durchmesser und ca. 0,8 m Höhe folgendes ermittelt werden. Die beiden Rohre wurden mit Wasser gefüllt und Luft punktförmig zentral in die Rohre eingeleitet. Die Rezirkulation als Folge der schlechten Luftverteilung ohne Zwischenlagen bewirkte, dass ein am oberen Rohrende eingespritzter Farbstoss nach ca. 15 Sekunden am unteren Ende austrat, während mit Zwischenlagen dieses erst nach 30 Sekunden der Fall war.