DE1020598B - Gas-Fluessigkeits-Austauschboden - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Gegenstand der Erfindung ist ein Gas-Flüssigkeits-Austauschboden mit Öffnungen, die so bemessen sind, daß während des Betriebs das aufsteigende Gas durchtreten kann,, nicht aber die auf dem Boden strömende Flüssigkeit. Derartige Böden werden im allgemeinen mit »Siebboden« bezeichnet.

Böden dieser Art weisen einen einfachen Aufbau und eine große Leistung auf, die allerdings nur zwischen verhältnismäßig engen Grenzen der Durchflußmenge aufrechterhalten bleibt. Sie arbeiten im übrigen erheblich weniger gut, insbesondere bei geringer Beaufschlagung, wenn ihre Oberfläche nicht genau horizontal liegt. Schließlich entleeren sie sich bei jedem Anhalten durch die öffnungen, die normalerweise für den Durchgang des aufsteigenden Gases vorgesehen sind, und sie können demzufolge ihren Normalbetrieb erst nach einer gewissen Verzögerung wiederaufnehmen.

Um diese Nachteile zu beheben, ist es bereits vorgeschlagen worden, dem Boden eine gewellte Oberfläche zu geben. Auf diese Weise tritt das Gas, wenn der Gasdruck verhältnismäßig gering ist, nur durch diejenigen Öffnungen, deren senkrechter Abstand vom Flüssigkeitsspiegel am geringsten ist. Wenn sich der Druck erhöht, lassen fortschreitend auch ihrerseits diejenigen öffnungen das Gas durchtreten, die in größerem senkrechtem Abstand vom Flüssigkeitsspiegel liegen. Der Boden besitzt somit eine Einrichtung für veränderlichen Gasdurchlaß in Abhängigkeit vom Gasdruck und infolgedessen von der Beaufschlagung mit aufsteigendem Gas, die es ihm gestattet, ein gutes Betriebsverhalten innerhalb sehr weiter Beaufschlagungsgrenzen beizubehalten. Im übrigen ist die Arbeitsweise dieses bekannten Bodens erheblich weniger gegen eine geringfügige Abweichung bezüglich der waagerechten Lagerung empfindlich, jedoch ist die Zeit, die benötigt wird, um eine Kolonne, die mit solchen Böden ausgerüstet ist, richtig in Gang zu setzen, nach wie vor sehr lang.

Demgegenüber ist es Zweck des Bodens nach der Erfindung, diesen zuletzt genannten Nachteil zu beheben und gleichzeitig auch den Beaufschlagungsbereich, in welchem der Boden zufriedenstellend arbeitet, gegenüber demjenigen eines gewellten Bodens bekannter Art, wie er oben beschrieben und der mit Öffnungen in verschiedenen Höhen versehen ist, noch zu erweitern.

Gemäß der Erfindung ist daher unterhalb des unteren Abschnittes jeder Wellung eine nicht gelochte Rinne angeordnet, die die Flüssigkeit aufnehmen kann.

Auf diese Weise wird erreicht, daß, wenn der Betrieb der Kolonne durch Unterbrechung des Gasoder Flüssigkeitsumlaufes unterbrochen wird, die

Gas-Flüssigkeits-Austauschboden

Anmelder:

L'Air Liquide, Societe Anonyme pour

l'Etude et !'Exploitation des Procedes

Georges Claude, Paris

Vertreter: Dr. H. H. Willrath, Patentanwalt
Wiesbaden, Hildastr. 32

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 11. März 1954

Jean Maille, Courbevoie (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

durch den Gasdruck nicht mehr gehaltene Flüssigkeit nur teilweise durch die oberen Öffnungen abläuft, während ein Teil der Flüssigkeit in den Rinnen verbleibt. Der normale Betrieb der Kolonne stellt sich dann beim Wiederingangsetzen sehr schnell wieder ein.

Darüber hinaus ist der zusätzliche Gasdruck, der notwendig ist, damit das Gas, das bereits durch einen Bereich von Öffnungen hindurchtritt, die bezüglich der Rinne in einer festgelegten Höhe angeordnet sind, beginnt, auch durch einen unmittelbar darunterliegenden Bereich von Öffnungen hindurchzutreten, höher als der Betrag des hydrostatischen Druckes (Höhenunterschied der Flüssigkeitssäule über einem Bereich von Öffnungen und dem darunterliegenden Bereich von Öffnungen), weil das Gas in den engen Zwischenraum zwischen dem gelochten Teil des Bodens und der Rinne eintreten und die sich dort befindende Flüssigkeitsschicht verdrängen muß, was einen Überschuß an zusätzlichem Gasdruck erforderlich macht. Dies hat die gleiche Wirkung, als wenn der Höhenunterschied zwischen zwei Bereichen von Öffnungen in Wirklichkeit größer wäre. Man erzielt auf diese Weise das gleiche Ergebnis wie mit einem Boden, dessen Wellungen eine größere Höhe besitzen. Der durch die Erfindung in dieser Hinsicht erzielte Vorteil ist insbesondere im Hinblick auf die Vereinfachung und Verbilligung des Bodenaufbaues von großer Bedeutung.

Ein zusätzlicher Vorteil, der durch die Erfindung erzielt wird, ist der folgende: Das Gas, das durch die

im Bereich der Rinne gelegenen Öffnungen hindurchtritt, unterliegt einer scharfen Änderung der Strömungsrichtung, während es in den Zwischenraum zwischen dem gelochten Blech und der Rinne eindringt. Hierdurch trennen sich die Flüssigkeit*- tröpfchen, die ständig vom Gasstrom mitgerissen werden, von diesem ab und sammeln sich auf der Unterseite des gegenüberliegenden Wellenteiles, auf welchem sie sich vereinigen, bevor sie auf den darunterliegenden Boden zurücktropfen. Dies hat eine günstige Wirkung auf die Anreicherung von Dampf beim Durchtritt durch einen Boden, da das Mitreißen vom Flüssigkeitströpfchen durch das Gas, die diese Anreicherung vermindern, auf diese Weise herabgesetzt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen in derjenigen der beiden Flanken jeder Wellung, die über der Rinne gelegen ist, in größerer Anzahl angeordnet als in der der Rinne abgewandten Flanke.

In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Boden aus mehreren übereinandergreifenden Teilen bestehen, deren jeder einen mittleren konvexen Abschnitt aufweist, an welchen sich zwei konkave Abschnitte anschließen, von denen der eine von Öffnungen frei ist und eine Rinne bildet. während der andere über der Rinne des benachbarten Teiles so angeordnet ist, daß er nur mit seinem Ende auf der Rinne aufliegt.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in ihrer Anwendung auf Rektifizierkolonnen beispielshalber erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem lotrechten Querschnitt in ziemlich großem Maßstab einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Bodens in Form einer Mulde mit sinusförmigem Querschnitt;

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Abschnitt einer Kolonne mit radialer Strömung mit erfindungsgemäßen kreisförmigen Böden;

Fig. 3 ist ein waagerechter Schnitt der gleichen Kolonne längs der Linie X-Y der Fig. 2;

Fig. 4 ist ein waagerechter Schnitt einer Kolonne, welche mit erfindungsgemäßen rechteckigen Böden versehen ist, bei welchen die Wellung nicht mehr kreisförmig, sondern geradlinig ist;

Fig. 5, 6 und 7 zeigen schematisch die mechanische Wirkung des Gases auf die Flüssigkeit bei zunehmenden Durchströmmengen des Gases.

Gemäß Fig. 1 besteht der Boden aus mehreren aufeinanderfolgenden Teilen, deren jeder von oben gesehen einen mittleren konvexen Abschnitt 1 besitzt, welcher von zwei konkaven Abschnitten 2 und 2' eingefaßt wird, wobei der Abschnitt 2' eine stärkere Vertiefung aufweist. Der Abschnitt 2 eines jeden Teiles ist in den Abschnitt 2' des nächsten Teiles so eingepaßt, daß ein kleiner Zwischenraum zwischen den beiden Teilen in ihren dem Eiide des Abschnittes 2' entsprechenden Abschnitten entsteht, während der Abschnitt 2 mit seiner Unterseite in Berührung mit der Oberseite des Nachbarteiles gehalten wird, z. B. durch Schweißen.

Löcher 3, 3', 3" für den Durchtritt des aufsteigenden Gases sind in jedem Teil in seinem mittleren konvexen Abschnitt 1 und in dem konkaven Abschnitt 2 vorgesehen, während der Abschnitt 2' keine Löcher enthält. Die Richtung des durch die Löcher austretenden Gases ist durch die gestrichelten Pfeile angegeben, während die Richtung der auf dem Boden strömenden Flüssigkeit durch einen waagerechten vollausgezogenen Pfeil bezeichnet ist.

Aus der Figur ist ersichtlich, daß dank der Anordnung der Löcher für den Durchtritt des Gases dessen Bewegungsenergie auf die Flüssigkeit eine Druckkraft ausübt, deren Resultierende in Strömungsrichtung dt-r Flüssigkeit gerichtet ist, wenn der Gasdruck groß genug ist, daß die öffnungen 3' von dem Gat- durchströmt werden.

Wenn der Boden mit geringen Strömungsmengen von Gas arbeitet, ist der Gasdruck verhältnismäßig klein, und gemäß dem Schema der Fig. 5 sind nur die in den mittleren konvexen Abschnitten einen jeden Teiles liegenden Löcher 3 wirksam. Die waagerechten Druckkräfte der schrägen Gasstrahlen heben sich dann auf, und die Flüssigkeit strömt nur unter der alleinigen Wirkung des Höhenunterschiedes zwischen ihrer Ankunfts- und Abflußstelle, was dann für den Stoffaustausch günstig ist, da die Strömung der Flüssigkeit verhältnismäßig langsam sein soll. Wenn dagegen die Durchströmmenge und der Gasdruck zunehmen, soll die Strömung der Flüssigkeit schneller werden, was selbsttätig durch die waagerechte Druckkraft des zusätzlichen Gases erhalten wird, welches durch die in Fig. 6 angegebenen Löcher 3' austritt.

Bei weiterer Zunahme des Gasdruckes kann die die Flüssigkeit bewegende Wirkung der die Löcher 3' durchströmenden Gasstrahlen so groß werden, daß die Flüssigkeit auf eine Geschwindigkeit kommt, welche größer als die günstigste Geschwindigkeit ist. Der Gasdruck macht dann gemäß Fig. 7 die am Grund der Wellungen liegenden Löcher 3" wirksam, und die Wirkung der entsprechenden lotrechten Gasstrahlen und der aus den Löchern 3' kommenden Strahlen gibt der Flüssigkeit in jeder Wellung eine Wirbelbewegung in einer lotrechten Ebene, welche die waagerechte Strömung der Flüssigkeit verlangsamt.

Wenn der Betrieb der Kolonne durch Unterbrechung der Gas- und Flüssigkeitsströmung abgestellt wird, wird die Flüssigkeit nicht mehr durch den Gasdruck gehalten und fließt teilweise durch die öffnungen 3 aus. Ein Teil der Flüssigkeit bleibt jedoch in den konkaven Abschnitten 2' des Bodens, welche keine Löcher aufweisen und Rinnen unterhalb der gelochten Abschnitte 2 des nächsten Teiles bilden. Bei der Wiederinbetriebnahme stellt sich daher schnell der normale Betriebszustand der Kolonne wieder ein.

Fig. 2 zeigt im Schnitt in kleinerem Maßstab einen Abschnitt einer mit erfindungsgemäßen Böden versehenen Kolonne, wobei die Strömung der Flüssigkeit auf allen Böden vom Rand nach der Mitte zu erfolgt, jeder Boden besteht aus einer Reihe von ringförmigen Teilen, welche gemäß Fig. 1 ineinander eingreifeil, wobei die Flüssigkeit am Rand eines Bodens ankommt und von dem unmittelbar darüberliegenden Boden stammt. Nachdem die Flüssigkeit auf dem Boden in Richtung auf die Mitte zu geströmt ist, sammelt sie sich in einem mittleren Behälter 4, von welchem Flüssigkeitsdichtungen 5 bildende Rohre ausgehen, welche sie an den Umfang der Kolonne führeil, von wo aus sie auf den nächsten Boden fließt.

Diese Rohre haben eine gebogene Form. Sie sind geometrisch Abschnitte eines in einer lotrechten Ebene liegenden Ringkörpers. Ein Ende des Rohres tritt in den mittleren Behälter 4 ein, wo es in einen etwa waagerechten Abschnitt ausläuft, der somit schräg zur Achse des Rohres liegt. Das entgegengesetzte freie Ende des Rohres ist vorzugsweise ebenfalls schräg abgeschnitten und bildet den gleichen Winkel mit der Achse des Rohres wie an dem anderen Ende. Dank des schrägen Abschnittes des in den mittleren Behälter 4 eintretenden Endes des Rohres 5 bietet das Rohr

für den Durchtritt der Flüssigkeit eine Fläche, welche größer als der Querschnitt des Rohres ist, wodurch die Druckverluste infolge der Richtungsänderung der Flüssigkeit verengert werden. Da die beiden Endabschnitte des Rohres den gleichen Winkel mit der Achse bilden, können alle Verteilungsrohre einer Kolonne aus einem Rohr großer Länge hergestellt werden, welches spiralig gewickelt und mit dem geringsten Arbeitsaufwand und ohne irgendeinen Werkstoffverlust in gleiche Abschnitte zerschnitten wird.

Das Rohr 5 besitzt zweckmäßig an seinem höchsten Teil eine Öffnung 6 für den Druckausgleich zwischen dem Rohr und der Gasatmosphäre unterhalb des Bodens, wodurch ein Entleeren des Behälters 4 bei vollständiger Füllung des Rohres 5 mit Flüssigkeit vermieden wird.

Bei Kolonnen zur Behandlung von großen Flüssigkeits- und Gasmengen weist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung den Nachteil auf, daß die Oberfläche des mittleren Behälters für die Unterbringung aller Abfluß rohre 5 für die Flüssigkeit ungenügend sein kann, wenn er nicht einen großen Teil des Gesamtquerschnittes der Kolonne einnimmt.

Der in Fig. 4 dargestellte Boden hilft diesem Nachteil ab. Der eigentliche Boden 7 ist ein Quadrat, welches in den Kreis 8 eingeschrieben ist, welcher den Querschnitt des zylindrischen Mantels der Kolonne bildet. Der quadratische Boden 7 besitzt geradlinige Wellungen, welche denen eines Wellblechs gleichen, und ist an den zylindrischen Mantel 8 durch vier volle Segmente 6' angeschlossen. Die Zufuhr der Flüssigkeit erfolgt auf einem Segment 6', dessen Grundseite zu den Wellungen parallel ist, während die Abfuhr der Flüssigkeit an dem entgegengesetzten Segment erfolgt, so daß die Strömung senkrecht zu den WeI-lungen stattfindet. Der eigentliche Boden kann durch Teile gebildet werden, welche alle einander gleich sind, was eine wirtschaftliche Massenfertigung ermöglicht.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gas-Flüssigkeits-Austauschboden, welcher mit Öffnungen von solchen Abmessungen versehen ist, daß während des Betriebes der Durchtritt des aufsteigenden Gases, aber nicht der der auf dem Bodea strömenden Flüssigkeit möglich ist, wobei die öffnungen gruppenweise in waagerechten Ebenen angeordnet sind, die Bodenoberfläche gewellt ist und die Strömung der Flüssigkeit quer zu den Wellungen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des unteren Abschnittes jeder Wellung eine nicht gelochte Rinne (2') angeordnet ist, die Flüssigkeit aufnehmen kann.

2. Austauschboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (3, 3', 3"), in derjenigen der beiden Flanken jeder Wellung, die über der Rinne (2') gelegen ist, in größerer Anzahl angeordnet sind als in der der Rinne (2') abgewandten Flanke.

3. Austauschboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden aus mehreren übereinandergreifenden Teilen besteht, deren jeder einen mittleren konvexen Abschnitt (1) aufweist, an welchen sich zwei konkave Abschnitte (2 und 2') anschließen, von denen der eine (2') von öffnungen frei ist und eine Rinne bildet, während der andere (2) über der Rinne des benachbarten Teiles so angeordnet ist, daß er nur mit seinem Ende auf der Rinne aufliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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