DE69615969T2 - Flüssigkeits-Gas-Kontaktkolonne - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeits- Dampf-Kontaktsäule mit einer Vielzahl von innerhalb eines äußeren rohrförmigen Gehäuses (das heißt eines Gefäßes von zylindrischer oder anderer Form) gehalterten Böden zum kontaktieren von Flüssigkeits- und Dampfphasen miteinander aufweist.
• Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäulen werden in Destillationsanwendungen eingesetzt. Weitere Anwendungsfälle umfassen Wärmeaustausch und Absorption eines Gases in Flüssigkeit. In Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäulen werden Schalen innerhalb der Säule gehaltert, um gasförmige und flüssige Phasen, beispielsweise Phasen eines zu destillierenden Gemischs, miteinander in Berührung zu bringen. Bei der kryogenen Destillation von Luft wird eine Dampfphase, während sie innerhalb einer Säule aufsteigt, fortschreitend stärker an Stickstoff angereichert. Während die Flüssigkeitsphase innerhalb der Säule absteigt, wird sie fortschreitend stärker an Sauerstoff konzentriert. Es gibt unterschiedliche Arten von Schalenkonstruktionen, die zum Kontaktieren von Flüssigkeits- und Dampfphasen miteinander brauchbar sind. Im allgemeinen werden bei der kryogenen Lufttrennung Siebschalen benutzt. Außerdem werden Blasendeckel- und tiefgezogene Metallschalen verwendet.
• Säulen mit tiefgezogenen Metallschalen sind zum Beispiel aus der GB-A-817 579 bekannt.
• Es werden Ableiter zum Leiten einer absteigenden Flüssigkeitsphase von Schale zu Schale innerhalb der Säule verwendet. Die Flüssigkeit strömt von jedem Ableiter auf einem Einlassteil einer zugeordneten Schale und dann über einen aktiven Teil der Schale, wo der Flüssigkeits-Dampf-Kontakt stattfindet. Die Flüssigkeit wird dann von einem Auslassteil der Schale zum nächsten Ableiter abgeleitet. In der Säule aufsteigender Dampf gelangt durch Öffnungen, die im aktiven Teil jeder Schale vorgesehen sind. Der Dampf kommt daher in Berührung mit der Flüssigkeitsphase auf der Schale und verwandelt typischerweise die Flüssigkeitsphase in einen Schaum.
• Säulen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind aus beispielsweise der US-A-3,464,679 oder der FR-A-2 119 425 bekannt.
• Das Strömungsmuster der Dampfphase, von Schale zu Schale gesehen, wirkt mit dem Strömungsmuster der Flüssigkeitsphase zusammen. Der Dampf gelangt auf einer Schale nicht rechtwinklig zur Schale durch die Flüssigkeit hindurch, sondern wird vielmehr unter einem Winkel zur Schale in Richtung der Flüssigkeitsströmung abgelenkt. Wenn die Schalen relativ nahe beieinander beabstandet sind, entwickelt sich anstatt eines weiteren Aufstiegs unter diesem Winkel zur nächsten Schale ein Gegenstrommuster bzw. -Pfad, in welchem die Dampfphase ihre Richtung umkehrt. Als Resultat erhält man einen Druckgradienten in der Horizontalrichtung, wobei der höchste Druck am Flüssigkeitsauslassbereich der Schale auftritt. Dies wiederum erzeugt einen höheren hydraulischen Flüssigkeitsgradienten, um diesen Druckgradienten zu überwinden, und als Ergebnis sind die Schraubhöhen nahe dem Flüssigkeitseinlaß höher. Darüber hinaus kann der im Gegenstrom strömende Dampf mitgerissene Flüssigkeit rückwärts transportieren, was die Flüssigkeitsbeladung auf der Schale zum Einlassteil der Schale hin steigert. Dies kann zu einer vorzeitigen Überflutung der Schale führen. Der resultierende höhere hydraulische Gradient kann auch zu einem Wischeffekt nahe des Flüssigkeitseinlasses führen, was eine Verschlechterung des Massentransferwirkungsgrads bedingt, da die überschwappende Flüssigkeit zwei Schalen umgeht.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine Destillationssäule, bei welcher die Schalen so angeordnet sind, daß die Dampfquerströmung durch Geraderichten des Gegenstrompfads der Dampfphase zwischen den Schalen verringert wird, was kleinere Schalenabstände und kompaktere Destillationssäulenkonstruktionen ermöglicht.
• Gemäß der Erfindung weist eine Flüssigkeits-Dampf- Kontaktsäule auf: Ein äußeres Rohrgehäuse, eine Mehrzahl von abwärts führenden Rohren und eine Mehrzahl von Böden, die in dem Rohrgehäuse gehaltert sind, um eine aufsteigende Dampfphase mit einer absteigenden Flüssigkeitsphase in innige Berührung zu bringen. Jeder der Böden hat einen Einlassteil zur Aufnahme der absteigenden Flüssigkeitsphase, einen Auslaßteil zum Abführen der Flüssigkeitsphase, und einen aktiven Teil, der den Einlassteil und den Auslassteil verbindet. Der aktive Teil weist Durchtrittsöffnungen auf, durch welche die aufsteigende Dampfphase mit der absteigenden Flüssigkeitsphase in Berührung kommt, wie vom Einlaß zum Auslaß über den Boden strömt. Die aktiven Teile der Böden sind derart gestaffelt angeordnet, daß ihre stromaufwärtigen Enden näher am äußeren Rohrgehäuse liegen als ihre stromabwärtigen Enden, um zu verhindern, daß die aufsteigende Dampfphase in einer Gegenstromrichtung mit Bezug auf die über die Böden fließenden Flüssigkeitsphase strömt.
• Die Flüssigkeitsströmung lenkt die aufsteigende Dampfphase anfänglich in Richtung der Flüssigkeitsströmung ab. Bei einer herkömmlichen Anordnung wird die Dampfphase dann auf eine Strömung in Gegenrichtung zu der über den Boden strömenden Flüssigkeit beschränkt. Als Ergebnis ergibt sich ein höherer hydraulischer Gradient, ein Mitführen von Flüssigkeit im Dampf, und eine vorzeitige Überflutung. Durch Staffeln der Böden entsprechend der Erfindung neigt die Dampfphase zum Strömen entlang ihres anfänglich abgelenkten Srömungswegs durch die Flüssigkeit, so daß ein Strömen des aufsteigenden Dampfs durch einen Gegenstrompfad verhindert bzw. gehemmt wird.
• Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäulen nach der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer herkömmlichen Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule,
• Fig. 2 eine entsprechende schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule nach der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 3 eine entsprechende schematische Schnittdarstellung eines Teils einer alternativen Flüssigkeits-Dampf- Kontaktsäule nach der Erfindung.
• Gemäß Fig. 1 weist eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule 10 ein äußeres Rohrgehäuse 12 (vorzugsweise von zylindrischer Konfiguration) und innerhalb des Rohrgehäuses 12 gehalterte Böden 14, 16 und 18 auf. Der leichten Darstellung halber sind nur Böden 14, 16 und 18 dargestellt, und typischerweise ist eine große Anzahl von Böden innerhalb der Flüssigkeits-Dampf- Kontaktsäule 10 vorgesehen. Die Böden 14, 16 und 18 sind jeweils mit einem Einlassteil 20, 22 bzw. 24 versehen. Die Flüssigkeit steigt durch abwärts führende Rohre 26, 28 und 31 ab und strömt auf den entsprechenden Einlassteil 20, 22 bzw. 24 der Böden 14, 16 und 18. Die Flüssigkeit strömt von rechts nach links auf den Boden 14, von links nach rechts auf den Boden 16, und dann von rechts nach links auf den Boden 18.
• Die Flüssigkeit 29 tritt durch den Ableiter 26 auf den Einlassteil 20 ein. Sie strömt dann über einen aktiven Teil 30 des Bodens 14. Der aktive Teil 30 weist Öffnungen bzw. Perforationen 32 auf, damit sich die aufsteigende Dampfphase mit der Flüssigkeit 29 auf dem aktiven Teil des Bodens 14 vermischen kann. Die Flüssigkeit 29 strömt vom aktiven Teil 30 zu einem Auslassteil 34 des Bodens 30 und strömt dann in den Ableiter 28 des Bodens 16. Flüssigkeit vom Ableiter 28 strömt auf den Einlassteil 22 des Bodens 16 und dann über einen aktiven Teil 36, der mit Perforationen 38 versehen ist, damit die aufsteigende Dampfphase sich mit der Flüssigkeit vermischen kann, die mit der Bezugszahl 40 bezeichnet ist. Die Flüssigkeit 40 strömt über den aktiven Teil 36 zum Auslassteil 42 des Bodens 16. Die Flüssigkeit 40 strömt über den Auslassteil 42 in den Ableiter 31 und tritt dann auf dem Einlaßteil 24 in den Boden 18 ein. Die Flüssigkeit auf dem Boden 18, die mit der Bezugszahl 44 bezeichnet ist, strömt über einen aktiven Teil 46 desselben. Der aktive Teil 46 ist mit Perforationen 48 versehen, damit die aufsteigende Dampfphase die Flüssigkeit 44 kontaktieren kann. Nach dem Strömen über den aktiven Teil 46 wird die Flüssigkeit 44 von einem Auslassteil 50 des Bodens 18 zum Ableiter 52 ausgetragen.
• Während die durch den Buchstaben A bezeichnete aufsteigende Dampfphase durch die Flüssigkeit 44 hindurchgelangt, wird sie von rechts nach links in Richtung der Strömung der Flüssigkeitsphase abgelenkt. Der vom Dampf eingenommene Pfad wird durch Strömungslinien A in Fig. 1 dargestellt. Wenn die Böden mit einem ausreichend engen Abstand zueinander angeordnet sind, was wünschenswert ist, um die Höhe der Säule niedrig zu halten, kehrt der Dampf, um die Öffnungen 38 des aktiven Teils des Bodens 36 zu erreichen, seine Richtung um und strömt in Gegenstromrichtung entgegen der Strömung der Flüssigkeit 44. Dies erzeugt einen Druckgradienten in der Horizontalrichtung, wobei der höchste Druck am Auslassteil 50 des Bodens 18 auftritt. Ein höherer hydraulischer Flüssigkeitsgradient ist notwendig, um diesen Druckgradienten zu überwinden, der zu einer höheren Schaumhöhe am Einlassende des Bodens führt. Während die Dampfphase in Gegenstromrichtung zwischen den Böden strömt, kann ein Mitreißen von Flüssigkeit auftreten, was die Flüssigkeit zurückführt und die Flüssigkeitsströmung auf dem Boden vergrößert. Dies kann zu vorzeitiger Überflutung führen. Der hohe hydraulische Gradient kann außerdem zu einem Abwischen des Bodens nahe des Flüssigkeitseinlasses 24 führen.
• In Fig. 2 ist eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule 100 dargestellt, die ein äußeres Rohrgehäuse 112 und eine Vielzahl von Böden 114, 116 und 118 aufweist, die innerhalb des Rohrgehäuses 112 gehaltert sind. Ableiter 126, 128 und 131 führen die Flüssigkeitsphase zu Einlassteilen 120, 122 und 124 der Böden 114,116 und 118. Die Flüssigkeit 129 strömt über einen aktiven Teil 130 des Bodens 114, der Öffnungen 132 aufweist, und wird von einem Auslassteil 134 zum Ableiter 128 ausgetragen. Der Boden 116 ist mit einem aktiven Teil 136 versehen, der Perforationen 138 aufweist, damit sich die Dampfphase mit der Flüssigkeit 140 der über den Boden 116 strömenden Flüssigkeitsphase vermischen kann. Die Flüssigkeit 140 wird vom Boden 116 vom Auslassteil 142 in den Ableiter 131 ausgetragen. Die Flüssigkeit 144 auf dem Boden 118 strömt über einen aktiven Teil 146. Im aktiven Teil 146 sind Perforationen 148 gebildet, damit die Dampfphase durch den Boden 118 aufsteigen und sich mit der Flüssigkeit 144 der über den Boden 118 strömenden Flüssigkeitsphase vermischen kann. Die Flüssigkeit 144 wird von einem Auslassteil 150 des Bodens 118 in einen Ableiter 152 zum nächstfolgenden darunter liegenden Boden ausgetragen.
• Die aufsteigende Dampfphase wird in Richtung der Strömung der Flüssigkeitsphase abgelenkt, kehrt aber ihre Richtung nicht um, um die aktiven Teile der aufeinanderfolgend höheren Böden zu erreichen, weil die Böden 114, 116, 118 und daher deren aktive Teile mit einer Ersatzdistanz Doff gestaffelt sind. Daher hemmt die Staffelung der aktiven Teile eine Dampfströmung in Gegenstromrichtung. Der vom Dampf eingenommene Strömungspfad wird durch Strömungslinien B in Fig. 2 angedeutet. Der Winkel α ist in Fig. 2 in Bezug auf eine der Strömungslinien B in der Nähe des Bodens 118 dargestellt. Wie gezeigt, werden die Strömungslinien B unter einem Winkel α mit Bezug auf die Vertikale durch die strömende Flüssigkeit abgelenkt. Unter Anwendung einfacher Geometrie ist sichtbar, daß Doff ungefähr gleich einem Produkt aus Bodenabstand und tan(α) eingestellt werden sollte. tan(α) kann aus der unten stehenden Gleichung 1 berechnet werden. Doff ist durch die unten stehende Gleichung 2 genauer angegeben.
• Doff = (htrsp - hfr·ε)·tan α ... 2
• wobei htrsp = Bodenabstand; L/V = Flüssigkeits/Dampf- Verhältnis (Massenverhältnis); ρV = Dampfdichte; ρL = Flüssigkeitsdichte; ltr = aktive Bodenlänge; c = Schaumgeschwindigkeitsprofilformfaktor (c = 1 für Vollfüllungsströmung, c = 2 für lineares Strömungsprofil (konstante Dampfbeschleunigung in Horizontalrichtung)); ε = Schaumdichte (volumetrische Flüssigkeitsfraktion); und hfr = Schaumhöhe.
• Der berechnete Wert für Doff ist ein Indikator für die Stärke der Querströmungswirkung. Oftmals ist es nicht notwendig, diesen Effekt vollständig zu kompensieren, beispielsweise würde das Verwenden nur der Hälfte des berechneten Versatzes den horizontalen Druckradienten um 50% reduzieren und eine umgekehrte Dampfströmung und ein Rückwärtsmitführen von Flüssigkeit verhindern.
• Wenn die Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule 100 mit der Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule 10 verglichen wird, sieht man, daß das Säulengehäuse 112 einen größeren Durchmesser als das Säulengehäuse 12 hat, was von der Staffelung der in dem Säulengehäuse 112 enthaltenen Böden herrührt. In Fig. 3 ist eine Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule 200 gezeigt, deren Säulengehäuse 212 einen Durchmesser hat, der gleich oder mindestens nahe demjenigen der Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule nach Fig. 1 ist. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform sind die Böden 214 und 216 gestaffelt, und, wie dargestellt, verlaufen die Strömungslinien C der aufsteigenden Dampfphase wegen dieser Staffelung nicht in Gegenstromrichtung.
• Der Durchmesser des Säulengehäuses 212 ist (im Vergleich zum Säulengehäuse 112) durch Verringerung der Größe des darunter liegenden inaktiven Bodenbereichs verringert. Ableiter 226 und 228, die Flüssigkeit zu den Böden 214 und 216 zuführen, überdecken die aktiven Teile 230 und 236 derselben. Um zu verhindern, daß aus den Ableitern austretende Flüssigkeit durch die jeweilige aktiven Teile 230 und 236 hindurchpassieren, sind die Ableiter 226 und 228 mit abwärts verlaufenden gekrümmten Diffusorabschnitten 227 und 229 versehen, die einwärts in eine überdeckende Position mit Bezug auf die Bereiche der aktiven Teile 230 und 236 gebogen sind, die unter dem jeweiligen Ableiter liegen, und mit Bezug auf Bereiche der jeweiligen inaktiven Einlassteile 221 und 222. Diese Anordnung steigert die Geschwindigkeit der eingeleiteten Flüssigkeit auf die Böden und verringert dadurch den Druck dieser Flüssigkeit über den genannten darunter liegenden Bereichen der aktiven Teile 230 und 236, um ein Wegwischen von Flüssigkeit davon zu verhindern. Das diffusorartige Profil der Diffusorabschnitte 227 und 229 dient zur Druckrückgewinnung der Flüssigkeit, so dass die Flüssigkeit über den Rest der aktiven Teile 230 und 236 fließt. Die Flüssigkeit verlässt den aktiven Teil 236 des Bodens 216 und strömt in den Ableiter 231.

Claims (3)

1. Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule (100; 200) mit:

einem äußeren Rohrgehäuse (112; 212), und

einer Mehrzahl von Böden (114, 116, 118; 214, 216), die in dem Rohrgehäuse (112; 212) gehaltert sind, um eine aufsteigende Dampfphase mit einer absteigenden Flüssigkeitsphase in innige Berührung zu bringen,

einer Mehrzahl von abwärts führenden Rohren (126, 128, 131; 226, 228, 231),

wobei jeder der Böden (114, 116, 118; 214, 216) einen Einlaßteil (120, 122, 124; 221, 222) zur Aufnahme der absteigenden Flüssigkeitsphase, einen Auslaßteil (134, 142, 150) zum Abführen der Flüssigkeitsphase, und einen aktiven Teil (130, 136, 146; 230, 236) aufweist, der den Einlaßteil (120, 122, 124; 221, 222) und den Auslaßteil (134, 142, 150) verbindet und Durchtrittsöffnungen (132, 138, 148) aufweist, um die Dampfphase in Berührung mit der Flüssigkeitsphase kommen zu lassen, die vom Einlaßteil zum Auslaßteil über den Boden strömt,

wobei die aktiven Teile (130, 136, 146; 230, 236) der Böden (114, 116, 118; 214, 216) gestaffelt angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile (130, 136, 146; 230, 236) derart gestaffelt angeordnet sind, daß ihre stromaufwärtigen Enden näher am äußeren Rohrgehäuse (112; 212) liegen als ihre stromabwärtigen Enden, so daß die aufsteigende Dampfphase an einer Strömung in Gegenstromrichtung mit Bezug auf die über die Böden strömende Flüssigkeitsphase gehindert wird.

2. Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule nach Anspruch 1, wobei jeder der Böden einen Siebboden umfaßt.

3. Flüssigkeits-Dampf-Kontaktsäule nach Anspruch 1, oder 2, wobei jedes abwärtsführende Rohr (214, 216) einen hängenden, einwärts gekrümten Diffusorabschnitt (227, 229) aufweist, der den aktiven Teil des darunterliegenden Boden teilweise überdeckt.