DE2352177C3 - Siebboden für Stoffaustauschkolonnen - Google Patents

Description

Die Erfindur'j bezieht sich auf einen Siebboden für Stoffau.'itauschkolonnen der im Oberbegriff des Patentanspruchs vorausgesetzten Art.

Ein solcher Siebboden ist aus ter DE-OS 21 12 301 bekannt, wobei die Schlitze der begasungsöffungen in dem dem Ablauf näheren Bereich vorzugsweise zur Strömungsrichtung geneigt ausgerichtet sind und von mindestens zwei benachbarten Abschnitten ein erster stromaufwärts liegender Abschnitt eine vergleichsweise kleinere und ein zweiter stromabwärts liegender Abschnitt eine vergleichsweise größere Schlitzdichte nach einer bestimmten mathematischen Beziehung besim. Damit soll eine verbesserte Flüssigkeitsverteilung über die gesamte aktive Bodenfläche erreicht werden.

Ein Siebboden für Stoffausiauschkolonnen mit durch Brücken über durchgestanzten Schlitzen gebildeten Begasungsöffungen zwischen dem Einlauf und dem Ablauf, wobei die Symmetrieebene jeder Brücke über den Boden in der Richtung zum Ablauf gerichtet ist. ist beispielsweise aus der DE-OS 19 08 717 bekannt und stellt eine weitere Entwicklungsstufe der schon früher bekannten Kontaktböden nach der FR-PS 10 46951 und der GB-PS 6 90 798 dar. Die mit Brücken versehenen Schlitzboden nach der DE-OS 19 08 717 weisen im Vergleich mit den klassischen einfachen Siebboden den gemeinsamen Vorteil auf, daß sie aus dünneren Metallblechen gefertigt werden können und daß sie außerdem bei einer gleichen Leistung gegenüber den Siebboden eine niedrigere, homogenere und regelmäßigere Schaumschicht bilden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Schlitzböden liegt jedoch darin, daß sie einen zu engen Arbeitsbereich aufweisen. Es kommt bei ihnen wegen eines hohen hydraulischen Gradienten insbesondere in der Nähe des Überlaufes, d. h. am Anfang der Flüssigkeitsstrecke über dem Boden, zu einem unerwünscht hohen Flüssigkeitsdurchtropfen. Ein erhöhter hydraulischer Widerstand wird bei solchen Schlitzboden noch dadurch bewirkt, daß die Brücken meistens ziemlich hoch über das Niveau des Bodens hervorragen und daß die Flüssigkeit auf deren Höhe emporgehoben werden muß. Außerdem wird der gegen die Flüssigkeitsströmung wirkende Widerstand des Bodens ungunstig auch dadurch erhöht, daß durch die seitlichen s Schlitze zwischen den Brücken und der Bodenoberfläche ziemlich starke Anteile der Gas- bzw. Dampfphase durchdringen und die Bodenoberfläche in Richtung senkrecht zur Flüssigkeitsströmung abspulen.
Die gängigen Siebboden finden ihre Anwendung in

ι ο Wasch-, Absorptions- und Destillations-Kolonnen.

Es gibt eine ganze Reihe von Perforationsarten, geometrischen Formen und Anordnungen, gegebenenfalls auch Kombinationen mit verschiedenen Arten von weiteren Austauschelementen, z.B. mit Ventilen. Ein beträchtlicher Vorteil der Siebböden liegt in ihrer Baueinfachheit, leichten Montage und Instandhaltung, besonders in Fällen, wo man während des technologischen Vorganges Festkörper, die sich absetzen können, oder hochviskose Stoffe, die auf dem Boden ausfallen, vor. Zeit zu Zeit beseitigen muß.

Bisher bekannte Böden besitzen sehr verschiedene Anordnungen und Formen der öffnungen. Man kann sie aber im wesentlichen in drei Grundgruppen zusammenfassen, und zwar unter a) die, bei denen die durch die Öffnungsränder gelegte Ebene oder Fläche, durch die das Gas ausströmt, oder die durch einen Teil der Öffnungsränder ausgebildete Ebene, durch die das Gas ausströmt, mit der Bodenebene gleich ist (z. B. mit kreisförmigen öffnungen), unter b) die, bei denen die

durch die Öffnungsränder gelegte Ebene oder Fläche schräg zur Bodenebene ist; diese Gruppe umschließt alle Böden, die zum Flüssigkeitstransport auf dem Boden die kinetische Energie ausnützen (z. B. Streckmetallböden oder »Jet-Böden«), und schließlich unter c) die,

J5 wo die durch die Öffnungsränder gelegte Ebene oder Fläche senkrecht zur Grundebene des Bodens ist In

letzter Zeit findet man Kombinationen der angeführten

Typen, und zwar vorwiegend der Tjipen a) und b). Der Nachteil der Siebböden ist vor allem ein großes

Durchregnen bei niedrigen Darnpfgeschwindigkeiten, was ein Hindernis ihrer Anwendung im Bereich niedrigerer Geschwindigkeiten bedeutet Daraus ergibt sich ein enger Arbeitsbereich, bei dem der Boden noch wirkungsvoll arbeiten kann. Das Verhältnis der

4S maximalen und minimalen Dampfgeschwindigkeit dieser Böden beträgt 2 bis etwa 3, d. h, daß sie im Bereich von 50 bis 100% oder 33 bis etwa 100% der Maxiamileistung arbeiten. Die obere Wirkungsgrenze dieser Böden ist in den meisten Fällen begrenzt durch

so eine große Schaumhöhe, was im wesentlichen ein

Mitreißen einer gewissen Flüssigkeitsmenge von dem

auf höher angebrachtem Boden ausgebildeten Schaum bedeutet

Eine Herabsetzung der Schaumhöhe kann man besser

ss bei den in die Gruppen unter b) und c) eingereihten

Böden, in denen Gas schräg zur Vertikale aufströmt, als

an Bödenarten unter a) erreichen, in denen Gas senkrecht aufwärts strömt.

Alle Bauarten und besonders die unter a) und b)

besitzen den gemeinsamen Nachteil, daß die aufwärts spritzenden Tropfen wieder auf die öffnungen zurückfallen und so eine Möglichkeit des Durchregnens schaffen. Grundsätzlich günstigere Bedingungen ergeben die Bauarten unter c), wo die Tropfen immer auf Bodenmaterial hinunterfallen, da die Ebene der öffnungen immer in Einfallrichtung liegt. In dieser Hinsicht ist die Bodenbauart unter c) günstiger. Der Nachteil dieser Variante besteht aber darin, daß die

Flüssigkeit, bsonders falls eine größere Flüssigkeitsmenge auf dem Boden vorhanden ist, einen, beträchtlichen hydraulischen Gradienten schafft, den man nur mit Hilfe von Zwangsfühmngen oder Lenkungsbohrungen, d. h. mittles der Bauart unter b) ziemlich gut herabsetzen kann.

Andererseits sind aus »Chera Techn.« 23 (1971), Seiten 652 - 653 Austauschboden mit positivem Transporteffekt bekannt, die beispielsweise als Streckmetallböden mit düsenartigen Lenkungsöffnungen ausgebildet sind. Diese Austauschboden wirken als Strahlböden, wobei die Gas- bzw. Dampfphase die Tragphase bildet, mit der die fein zerstäubte Flüssigkeit mitgetragen bzw. mitgerissen wird. Dabei kommt es zwar zum Anstieg der Gasdurchtrittsgeschwindigkeit, aber auch zum is Abfall der Trennfähigkeit des Bodens, was etwa durch Anordnung mehrerer Strahlböden übereinander ausgeglichen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Boden der eingangs genannten Art in dem Sinn zu J" verbessern, daß darauf zwecks eines ausr ι ichenden Trenneffekts ein optimaler Schaumbereich erzielt wird und zugleich die gegenüber der Flüssigkeitsströmung wirkenden Bodenwiderstände wesentlich erniedrigt oder ganz beseitigt bzw. ausgeglichen werden, um eine höhere Leistung als mit den bekannten Siebboden zu ■ '■ erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die r. kennzeichnenden Merkmaie des Patentanspruchs gelöst. '". Einer der größten Vorteile dieser Kombination von U Begasungsöffnungen und Lenkungsbohrungen gemäß ^:; der Erfindung ist die teilweise Ausnutzung der kinetischen Energie zur Beschleunigung der Flüssigkeitsströmung auf dem Siebboden, wodurch Bedingungen für eine gleichmäßige Bodenfunktion an jeder Stelle geschaffen werden. Das gilt insbesondere für die jeweiligen steigenden Betriebskapazitäten im Wege der Vergrößerung der Kolonnendurchmesser, wenn an jedem Punkt des Siebbodenquerschnitts der gleiche hydrostatische Druck bzw. die gleiche Höhe klarer Flüssigkeit sein soll. Bei Nichterfüllung dieser Bedingung treten eine unerwünschte Betriebsweise und deshalb auch eine Änderung der Wirksamkeit ein, was jedenfalls feine schlechtere Trennung zur Folge hat Die zweckmäßige Anordnung beider Öffnungsarten in der Bodenfläche ermöglicht demgegenüber die erwähnte gleichmäßige Bodenfunktion sowohl mit Rücksicht auf das Gas als auch auf die Flüssigkeit ohne Durchregnen. Die vorgeschlagene Anordnung <Jer Siebbodenöffnun- ίο gen gemäß der Erfindung erlaubt die Anwendung auch mehrerer Abläufe (Siebboden mit dynamischem Ablauf), da die frei von oben auf den Siebboden herabfließende Flüssigkeit keine Möglichkeit hit, auf eine öffnung aufzuprallen, sondern immer voll auf die Bodenfläche trifft, wodurch ein Durchregnen verhindert und die Wirksamkeit dieser Siebböden erhöht wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Siebbodens ist seine robuste Bauweise, denn die aus dem Bodenmaterial ausgebildeten Brücken bewirken günstig seine Steifheit, so daß man die Böden aus dünnerem Material fertigen kann.

Der größte Vorteil des erfindungsgemäßen Siebbodens besteht im erweiterten Arbeitsbereich, sowohl abwärts in der Richtung zu niedrigeren Gasdurchtritts- 6^ geschwindigkeiten, als at Jh aufwärts in der Richtung zu höheren Gasdurchtrittsgeschwindigkeiten, denn die Bodenbauweise ermöglicht eine Vergrößerung der freien Fläche im Gegensatz zu konventionellen Böden und dadurch eine Erhöhung ihrer Leistung, die höher als die der Klappenböden liegt Die Leistungserhöhung erzielt man durch die niedrigere Schaumhöhe auf dem Siebboden im Vergleich mit anderen Böden, gegebenenfalls durch Verkürzung des Bodenabstandes unter Berücksichtigung der wirtschaftlich vorteilhaftesten Variante. Schließlich tritt beim erfindungsgemiißen Siebboden ein Selbstreinigungseffekt auf, da sich eine sehr starke turbulente Horizontalströmung auf dem Boden bildet

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Siebbodens gemäß der Erfindung schematisch dargestellt

F i g. 1 zeigt einen Achsenschnitt durch die Stoffaustauschkolonne, in deren Mantel 1 sich mit Brücken, die mit Begasungsöffnungen 5 und Lenkungsbohrungen 6 ausgerüstet sind, versehene und waagerecht eingebaute Böden 2 befinden; auf den Böden gibt -?s durch ein Wehr 3 und ein Ablaufschachtblech 4 gebadete Abläufe; der weiter dargestellten Schnittlinie 2-2 entspricht F i g. 2.

F i g. 2 zeigt im Grundriß beide Brückenarten, die die zwei Öffnungsarten, d. h. die Begasungsöffungen 5 und die Lenkungsbohrungen 6 bilden, und mit dem Doppelpfeil ist die Strömungsrichtung der Flüssigkeit auf dem Boden vom Einlauf 4, gegebenenfalls vom Ablaufschachtblech 4 des oberen Bodens, zum Ablaufwehr 3 als Ablauf dargestellt. Die die Begasungsöffungen 5 bildenden Brücken haben in der oberen Figurhälfte eine Rechteckform, und die die Lenkungsbohrungen 6 bildenden Brücken in der unteren Figurhälfte haben Trapezform; die längeren Rechteckseiten sind durchgeschnitten, und das Material ist so gestanzt, daß Brücken ausgebildet sind. Zwischen der unteren längeren Brückenkante und dem Grundblech sind in dieser Weise Vierkantöffnungen für den Gasdurchstrom ausgebildet jede Brücke hat daher zwei Schlitze längs der längeren Seiten, d. h. Begasungsöffnungen 5. Gas kann waagerecht und seitwärts in der dargestellten Stromrichtung durchströmea Im Unterteil der Figur ist eine Trapezbrückenform ersichtlich, in der wieder längs der längeren Seiten zwei Begasungsöffnungen 5 ausgebildet sind. Zusätzlich gibt es auf dem Boden Reihen des zweiten Brückentyps, die die Lenkungibohruügen 6 bilden und die, bezogen auf die Stromrichtung, entweder eine waagerechte, seitliche oder eine waagerechte bis schräg aufwärtige Gasströmung ermöglichen.

F i g. 3 zeigt eine axonomefrische Ansicht auf einen mit beiden Brückentypen mit öffnungen 5 und 6 versehenen Bodenteil; Flüssigkeit strömt in der Doppelpfeilrichtung. Die die öffnungen 5 ausbildende Brück« wird in der Weise gefertigt, daß man zwei längere Rechteckseiten durchschneidet, wobei das Rechteck in einem gewissen Abstand, gleichlaufend mit der Grundebene des Bodens gestanzt wird. Dadurch entstehen bei diesem Brückentyp zwei Längsöffnungen für die, bezogen auf die Strömungsrichtung der Flüssigkeit, waage/echt-seitwärts gerichtete Gasströmung. Die Brücken sind in Reihen unter bestimmten Abständen auf dem ganzen Boden angeordnet Zwischen einigen Reihen dieses Brückemyps sind Lenkungsbohrungen 6 bildende Brücken ausgestanzt, die senkrecht oder im spitzen Winkel hinsichtlich der Vertikale zur mit dein Doppelrichtungspfeil bezeichneten Strömungsrichtung stehen. Die Gasstromrichtung ist mit Einzellinien und Pfeilen bezeichnet, und zwar sowohl aus öffnungen S als auch aus Bohrungen 6.

Fig.4 zeigt eine axonomeirische Ansicht auf einem

Bodenteil 2, wo wieder beide die öffnungen 5 und 6 bildenden Brückenarten vorliegen. Die die öffnungen S bildende. Brücke ist identisch mit der in P i g. 3, wogegen diejenigen Brücken, die die Bohrungen 6 bilden, in der Weise gefertigt sind, daß aus dem Grundblechmaterial 5 jede Brücke in Rechteckform so ausgebildet ist, daß man ihre drei Seiten durchschneidet und ihre vierte Seite so ausstanzt, daß die Brückenebene mit der Grundblechebene gleichlaufend ist In diesem Fall werden also drei Bohrungen ausgebildet, so daß das Gas aus den Bohrungen waagerecht seitwärts zur Stromrichtung der Flüssigkeit und in Richtung dieses Stromes ausfließen kann, wodurch die Flüssigkeitsströmung in Richtung zum Ablauf beschleunigt wird.

Weitere Figuren stellen mögliche Brückenvarianten dar, die beide Offnungsarten 5 und 6 bilden können. Alle Figuren, außer Fig.6 und 8, die als Grundrisse vorliegen, sind axonometrische Ansichten.

F i g. 5 zeigt einen Bodenteil 2 mit einer rechteckigen Brückenform, die die öffnungen 5 mit zwei durchgeschnittenen längeren Seiten bildet

Fig.6 zeigt eine Fig.5 entsprechende Ansicht im Grundriß, wobei die Richtung des Gasstromes aus den öffnungen 5 mit Pfeilen bezeichnet ist

Fig.7 zeigt den Ausschnitt eines Bodenteiles mit einer die öffnungen 5 bildenden Rechteckbrücke mit durchgeschnittenen zwei längeren Seiten, wobei aber die Brückenebene mit der Bodenebene einen spitzen Winkel bildet und wobei an den Seiten jeder Brücke zwei ungleich breite öffnungen ausgebildet sind, so daß das aus den öffnungen zwischen der Brücke und dem Boden ausströmende Gas die Geschwindigkeitskomponente ν 2 (s. F i g. 8 im Grundriß) erhält, die sich mit der senkrecht zur Stromrichtung der Flüssigkeit ausgehenden Komponente v, so zusammensetzt, daß die is resultierende Geschwindigkeit ν keine senkrechte, sondern eine schräge Richtung zur Stromrichtung der Flüssigkeit hat, was zu ihrer Beschleunigung und dadurch zur Aufhebung des hydraulischen Gradienten auf dem Boden führt Den Hauptanteil an der to Aufhebung des hydraulischen Gradienten auf dem Boden haben aber die die Bohrungen 6 ausbildenden Brücken, die in weiteren Figuren dargestellt sind.

F i g. 9 zeigt einen Bodenteil 2 mit die Bohrungen 6 ausbildenden Brücken, und zwar in der Form eines « ausgestanzten Dreiecks, von dem zwei Seiten durchgeschnitten sind, wobei die Brückenebene mit der Grundbodenebene gleichlaufend ist Die zwangsführende oder lenkende Wirkung der so ausgebildeten zwei Bohrungen läuft in Richtung der Flüssigkeitsströmung. » Der aus den Bohrungen austretende Gasstrom ist also schräg in Richtung des Flüssigkeitsstromes auf den Boden gerichtet

Fig. 10 stellt die gleichen Lenkungsbohrungen 6, jedoch mit dem Unterschied dar, daß die Brückenebene >5 mit der Grundbodenebene einen spitzen Winkel einschließt

F i g. 11 zeigt eine dreieckige Form der die Bohrungen 6 bildenden Brücke, bei der aber nur eine der drei Seiten durchgeschnitten ist und die zwei weiteren ■» durchgestanzt sind. Die zwangsführende Gasstromleitung aus der Bohrung wirkt sich wieder in Richtung des Flüssigkeitsstromes, aber schräg aufwärts zum Ablaufwehr aus.

F i g. 12 stellt eine rechteckige Form der die Bohrung »5 6 bildenden Brücke dar, die schon in Fig.4 abgebildet ist

F i g. 13 zeigt die gleiche rechteckige Brückenform

und die Bohrung 6 wie In PIf. 12, jedoch mit dem Unterschied, daß die Brücken- und Bodenebene einen spitzen Winkel miteinander bilden.

P i g. 14 zeigt die schon in F i f. 3 dtrgestellte Brücke.

Fig. 15 zeigt die Brücke rechtwinkliger Form, die eine Lenkungsbohrung β bildet, deren Ebene mit der Bodengrundebene gleichlaufend Ist und wovon zwei benachbarte Seiten durchgeschnitten und die zwei übrigen durchgestanzt sind. Die Zwangsführung wirkt sich so aus, daß der Strom zum Ablaufwehr in Richtung der Flüssigkeitsströmung führt Das aus beiden Bohrungen 6 ausströmende Gas strömt also nicht direkt in Stromrichtung der Flüssigkeit, sondern schrig zu dieser Stromrichtung.

Im nachstehenden Text sind die Wirkungsweise einzelner Arten der Bodenöffnungen und die Bewegung der Flüssigkeit bzw. des Schaumes auf dem Boden beschrieben. Die auf den Böden zu isüiende Flüssigkeit wird von Gas durchperlt, das durch beide Öffnungsarten, d. h. sowohl durch Begasungsöffnungen 5 als auch durch Lenkungsbohrungen β strömt, fließt als Schaum über den Boden zum Ablaufwehr 3 und fällt in den Ablaufschacht

Der Grundkontakt der Flüssigkeit und des Dampfes wird durch die Begasungsöffnungen 5 vermittelt, durch die der Gasstrom in der Horizontalebene ausströmt, wende*· sich nach oben und bildet eine bewegliche Schaumschicht, die sich auf dem Boden von On zu Ort umwälzt wobei sich die Schaumhöhe im gewissen Bereich ändert Diese bewegliche Schaumschicht wird durch die dynamische Wirkung des durch die Lenkungsbohrungen 6 strömenden Gases beeinflußt, aus denen der Gasstrom in waagerechter bzw. mäßig geneigter Richtung zur Horizontalebene ausströmt und Hefen eigentlich den Schaum zum Ablaufwehr, d. h. zum Ablauf von der Bodenflächt Bei geeigneter Wahl des Verhältnisses der Begasungsöffnungen und Lenkungsbohrungen kann man dadurch den hydraulischen Gradienten völlig beseitigen und bei großer Flüssigkeitsbeaufschlagung der Flüssigkeitsschicht so eine nötige waagerechte Geschwindigkeitskomponente erteilen, daß sie der benötigten horizontalen Schaumgeschwindigkeit auf dem Boden entspricht

Im Gegensatz zu bisher bekannten Gestaltungen, in denen die öffnungsebenen unter den Brücken senkrecht zur Stromrichtung der Flüssigkeit projektiert wurden, hat die vorliegende Gestaltung den Vorteil, daß die durch das Gas getriebene Flüssigkeit aus der Lenkungsbohrung auf die Brücke mit Begasungsöffnungen über die schiefe Oferfläche dieser Brücke und auf ihre obere Horizontaloberfläche hinaufsteigt und so über die Schicht des aus der öffnung unter dieser Begasungsbrücke strömenden Gases gelangt, durch diese Gasströme nach beiden Brückenseiten mitgerissen wird und auf den Boden zurücksinkt, wo sie aber immer auf den horizontalen Bodenteil aufprallt Diese Situation wiederholt sich bei allen weiteren und benachbarten Brücken. Dadurch werden die Höhe des Schaumes und seine Homogenität herabgesetzt, so daß die Schaumhöhe auf diesen Böden nicht so sehr schwankt.

Die Wahl des Anzahlverhältnisses der Brücken, die die Begasungsöffungen und Lenkungsbohrungen bilden, richtet sich nach den festgesetzten verfahrenstechnischen Bedingungen, und man muß daher das Verhältnis rechnungsmäßig bestimmen. Man kann aber allgemein sagen, daß, je höher die Flüssigkeitsbelastung ist, desto höher die Anzahl der die Lenkungsbohrungen bildenden Brücken sein soll. Dabei bestimmt man erfindungsge-

iiiiiLl das Verhältnis der Begasungsöffungen und Lenkungsbohrungen so. daß man in der ersten Hälfte bis zu zwei Drittelndes Bodens vom Einlauf aus eine niedrigere gicichbieibende Anzahl der Lenkungsbohrungen als im übrigen Teil des Bodens, d. h. näher zum Ablauf, ausbildet, wo man deren Anteil steigert, und zwar aus dem Gr,'.*(de, daß die Flüssigkeit am Stromanfang nicht so begast ist und nicht die nötige waagerechte

Geschwindigkeitskomponente besitzt, die sie zur Bewegung auf dem Boden, d. h. zur Überwindung der Bodenreibung benötigt. Durch diese Gestaltung erreicht man eine beschleunigte Flüssigkeitsbegasung und eine höhere Geschwindigkeit, wodurch auch ein Durchregnen, insbesondere bei niedrigeren Gasgeschwindigkeiten, verhindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Siebboden für Stoffaustauschkolonnen mit aus durchgestanzten Schlitzen gebildeten Begasungsöffnungen zwischen dem Flüssigkeitseinlauf und dem Ablauf und abwechselnd mit den Begasungsöffnungen neben- und hintereinander angeordneten, durch Brücken ausgebildeten Lenkungsöffnungen, wobei die Symmetrieebene der Brücken gleichlaufend mit der Richtung vom Einlauf zum Ablauf ist, und wobei das Anzahlverhältnis der Begasungsöffungen und Lenkungsbohrungen zum Ablauf zugunsten der Anzahl der Lenkungsöffnungen zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze der Begasungsöffungen (5) durch Brücken ausgebildet sind, deren Symmetrieebene gleichlaufend mit der Richtung vom Einlauf (4) zum Ablauf (3) ist, und daß das Anzahlveraältnis der Begasungsöffungen (5) und Lenkungsböhrungen (6) in der ersten Hälfte bis zu zwei Dritteln des Abstandes zwischen dem Einlauf (4) und dem Ablauf (3) konstant ist und im übrigen Teil der Bodenfläche bis zum Ablauf (3) das gegenseitige Verhältnis der Ötfnungszahl zugunsten der Anzahl der Lenkungsbohrungen (6) zunimmt.