Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anstaukolonne für einen Wärme- und/oder Stoffaustausch zwischen einer flüssigen Phase und einer im Gegenstrom dazu strömenden gasförmigen Phase, wobei die Anstaukolonne mindestens zwei Sektionen mit einer ersten Schicht mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer geringen Durchsatzkapazität und einer darüber liegende zweite Schicht mit einer niedrigeren spezifischen Oberfläche und einer höheren Durchsatzkapazität aufweist.

Eine derartige Anstaukolonne ist aus der WO 2006/056419 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Anstaukolonne beschrieben, die aus geordneten, strukturier- ten Packungen für einen Wärme- und/oder Stoffaustausch besteht. Die Packungen sind in Schichten angeordnet sind, wobei mindestens eine Schicht der Kolonne eine größere Dichte und damit eine größere spezifische Oberfläche aufweist, als eine darüber liegende Schicht mit einer geringeren spezifische Oberfläche und damit einer geringeren Dichte. Bei den bekannten Anstaukolonnen sind die ein- zelnen Schichten also als geordnete Packungen ausgebildet, wobei jede einzelne Packungslage in einer definierten Geometrie in der Kolonne angeordnet ist. Zur Erreichung einer Stofftrennung wird die flüssige Phase am Kopf der Kolonne aufgegeben und rieselt über die Packungen der Schwerkraft folgend abwärts. Eine Gas- oder Dampfphase wird am Kolonnensumpf eingebracht und strömt entgegen der herabrieselnden flüssigen Phase aufwärts. Da die Gas- oder Dampfphase sowie die flüssige Phase in der Regel aus einem Stoffgemisch unterschiedlicher Konzentration bestehen, kommt es in Folge dieser Konzentrationsunterschiede zwischen den Phasen zu einem Stoff- und/oder Wärmeaustausch, wobei die strukturierten Packungen der Anstaukolonne eine hohe Kontaktoberfläche und einen turbulenten Kontakt zwischen den Phasen gewährleisten. Indem nun vorgesehen ist, dass eine Packungslage mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer geringen Durchsatzkapazität unter der darüber liegenden Packungslage mit einer niedrigen spezifischen Oberfläche und einer hohen Durchsatzkapazität angeordnet ist, wird erreicht, dass die herabrieselnde flüssige Phase durch die kinetische Energie der aufwärtsströmenden Gas- oder Dampfphase aufgestaut wird. Durch dieses Aufstauverhalten wird der Kontakt zwischen flüssiger Phase und gas- oder dampfförmiger Phase wie in einem Wirbelbett stark erhöht und damit der Stoff- und/oder Wärmeaustausch intensiviert. Bei der aus der vorgenannten Druckschrift bekannten Anstaukolonne wird dies dadurch erreicht, dass die Packungen der über der ersten Schicht größerer Dichte liegenden zweiten

Schicht so angeordnet werden, dass sie schräg liegende Strömungskanäle ausbilden, die in ihren unterem, an die erste Schicht größerer Dicke angrenzenden Bereich stärker vertikal ausgerichtet sind als Strömungskanäle die durch die Packungen der ersten Schicht ausgebildet sind, und dass die Strömungskanäle der Packungen der zweiten Schicht in ihren unteren Bereichen einen größeren Quer- schnitt aufweisen als im darüber liegenden Bereich und sich mit diesem größeren Querschnitt zu den Packungen der darunter liegenden ersten Schicht hin öffnen. Diese Packungslagen mit höhenveränderlichen Strömungskanalwinkeln sollen in Kombination mit Packungslagen enger Geometrie einen deutlich erweiterten Arbeitsbereich bieten, da es bei geringer Packungshöhe zu hohen Leistungen, zu einer optimal geführten Sprudelschicht und zu geringeren Druckverlusten kommen soll.

Nachteilig an den bekannten Anstaukolonnen ist die Verwendung von strukturierten Packungen, da sie, insbesondere bei verschmutzenden Medien, leicht und rasch verunreinigen. Auch können derartige strukturierte Packungen in nachteiliger Art und Weise im Falle ihrer Verunreinigung nicht kurzfristig ausgetauscht werden, da diese strukturierten Packungen maßgenau angefertigt werden müssen und nicht als Lagerware zur Verfügung stehen. Ein weiterer Nachteil der Verwendung derartiger Packungen ist darin zu sehen, dass diese nur einen geringen Druckverlust erzeugen und somit zu einer inhomogenen Strömungsverteilung über den Kolonnenquerschnitt führen können. Außerdem sind sie aufwendig in der Anstaukolonne zu montieren, da die als Einbauelemente ausgeführten, geordneten Packungen in einer definierten Orientierung in die Anstaukolonne eingebaut werden müssen.

Die US 2,271 ,617 beschreibt eine Füllkörperschüttung, welche am oberen sowie am unteren Ende größere Füllkörper aufweist, als in einem den Hauptabschnitt der Kolonne ausbildenden Mittelteil. Durch die Verwendung von größeren Füllkör- pern mit höherer Durchsatzkapazität am oberen und/oder am unteren Ende der Schüttung soll ein vorzeitiges Fluten der Kolonne vermieden werden, welches darauf beruht, dass eine derartige Füllkörperschüttung oft entweder an ihrem oberen oder an ihrem unteren Ende an der Kapazitätsgrenze arbeitet, d. h., die Kolonne beginnt in diesem Abschnitt zuerst zu fluten. - A - Die DE 1444 368 beschreibt eine Stofftrennkolonne, die schachbrettartig aufgebaut ist. Die so ausgebildeten Schachbrett-Sektionen werden mit unterschiedlichem Füllkörper- oder Packungsgeometrien ausgestattet, so dass Sektionen mit unterschiedlichen Druckverlusten entstehen. Da die Gasströmung dem Weg des geringsten Druckverlustes folgt, wird eine zick-zack-artige Strömung der Gaspha- se erreicht und Anstau- oder Flutungszustände werden damit vermieden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anstaukolonne der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein vereinfachter Aufbau derselben gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeweils die erste Schicht der Sektionen der Anstaukolonne zur Ausbildung einer Anstauzone und somit einer Sprudelschicht durch schüttfähige erste Füllkörper mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer geringen Durchsatzkapazität und die zweite Schicht dieser Sektionen zur Ausbildung einer Abscheidezone für die flüssige Phase durch schüttfähige zweite Füllkörpern ausgebildet ist, welche gegenüber den ersten Füllkörpern der ersten Schicht eine geringere spezifische Oberfläche und eine höhere Durchsatzkapazität aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird in vorteilhafter Art und Weise eine vereinfachte Einbaubarkeit der Füllkörper in die erfindungsgemäße Anstaukolonne erreicht. Man ist nun nicht mehr - wie bei den bekannten Kolonnen - gezwungen, in einer technisch und zeitaufwendigen Art und Weise in die Kolonne geordnete Packungen in Form von Einbauelementen einzubauen. Vielmehr können die einzelnen Schichten der Anstaukolonne durch ein Einbringen entsprechender Füllkörper im Schüttverfahren hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von schüttfähigen Füllkörpern anstelle von geordneten Packungen besteht darin, dass diese einen größeren Druckverlust erzeugen, welcher zu einer homogeneren Verteilung der Gas- oder Dampfströmung über den Kolonnenquer- schnitt führt. Diese Homogenität der Gas- oder Dampfphase stabilisiert die Spru- delschicht in der Anstaulage, so dass in vorteilhafter Art und Weise das Anstauprinzip betriebssicher auch bei großen Kolonnendurchmessern eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von schüttfähigen Füllkörpern besteht darin, dass diese nicht so schnell verschmutzen wie handelsübliche geordnete Packungen. Füllkörper können auch in vorteilhafter Art und Weise zu Reinigungs- zwecken besser aus der Anstaukolonne entnommen werden und stehen als Lagerware zur Verfügung, so dass ein kurzfristiger Austausch leicht möglich ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Anstaukolonne mindestens ein Anstauelement angeordnet ist, welches einen durchlässigen Bo- den aufweist. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass hierdurch in besonders einfacher Art und Weise die einzelnen Sektionen der Anstaukolonne ausgebildet werden können.

Eine weitere vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine und vorzugsweise die erste Schicht mindestens einer Sektion der Anstaukolonne reaktive Füllkörper aufweist. Der erhöhte Flüssigkeitsinhalt der ausgebildeten Sprudelschicht in der betreffenden Schicht gewährleistet eine hinreichende Aufenthaltszeit der flüssigen Phase für einen reaktiven Stoffumsatz mit den reaktiven Füllkörper, wobei der unmittelbare Kontakt der Flüssigkeit zu den reaktiven Füllkörpern und die hohe Turbulenz in der Sprudelschicht den Stoffumsatz fördern.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der zweiten Schicht mindestens einer Sektion der Anstaukolonne mindestens ein Ablauf- schacht vorgesehen ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass die herabrieselnde Flüssigkeitsströmung diese zweite Schicht besser passieren kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Ablaufschacht mit einer Ablauftasse versehen ist. Durch diese erfindungsge- mäße Maßnahme wird in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass das in die Ablauftasse eintauchende untere Ende des Ablaufschachts durch den Flüssigkeitsstand in der Ablauftasse sicherer verschlossen wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran- Sprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen: Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer

Anstaukolonne,

Figur 2: eine Draufsicht auf die Anstaukolonne der Figur 1 , Figur 3: eine Ansicht eines Einbauelements der Anstaukolonne aus der Richtung III der Figur 2, und

Figur 4: eine Ansicht des Einbauelements aus der Richtung IV der Figur 2. In Figur 1 ist nun schematisch und auszugsweise eine allgemein mit 1 bezeichnete Anstaukolonne dargestellt, welche drei Sektionen 2a-2c aufweist, wobei jede Sektion aus einer ersten Schicht 3a von schüttfähigen ersten Füllkörpern 4 und einer zweiten Schicht 3b von schüttfähigen zweiten Füllkörpern 5 besteht. Dem Fachmann ist aus der nachfolgenden Beschreibung leicht ersichtlich, dass die hier gezeigte Anzahl von drei Sektionen 2a-2c der Anstaukolonne 1 nur einen exemplarischen Charakter besitzt und der einfachen Beschreibung halber gewählt wurde. In der Praxis verwendete Anstaukolonnen 1 weisen vielmehr eine Vielzahl von wie vorstehend beschrieben aufgebauten Sektionen 2a-2c auf. Jedoch reicht die in Figur 1 dargestellte Anzahl von drei Sektionen 2a-2c aus, um den Aufbau und die Funktionsweise der Anstaukolonne 1 zu beschreiben. Die erste Schicht 3a einer jeden Sektion 2a-2c der Anstaukolonne 1 wird durch die ersten Füllkörper 4 ausgebildet, die eine hohe spezifische Oberfläche und daher eine geringe Durchsatzkapazität aufweisen. Die zweite Schicht 3b einer jeden Sektion 2a - 2c wird durch die zweiten Füllkörper 5 ausgebildet, welche gegen- über den ersten Füllkörpern 4 eine geringere spezifische Oberfläche und damit eine höhere Durchsatzkapazität haben. Die Füllkörper 4 und 5 werden zur Ausbildung der Schichten 3a, 3b jeweils durch ein Schüttverfahren in die Anstaukolonne 1 unorientiert eingebracht. Am Kolonnenkopf 1a der Anstaukolonne 1 wird in bekannter Art und Weise eine flüssige Phase aufgegeben, welche durch die Wirkung der Schwerkraft nach unten strömt. Am Kolonnensumpf 1 b wird eine Gas- oder Dampfphase eingebracht, welche entgegen der Richtung der flüssigen Phase nach oben strömt. Die Füllkörper 4 der ersten Schichten 3a der einzelnen Sektionen 2a-2c bilden aufgrund ihrer geringen Durchsatzkapazität und der hohen kinetischen Energie der darin strömenden Gas- oder Dampfphase eine Anstauzone für die flüssige Phase aus, so dass die flüssige Phase in den ersten Schichten 3a angestaut und diese Schichten 3a dabei geflutet werden. Diese resultiert in der Ausbildung einer Sprudelschicht in einer jeden Sektion 2a-2c, so dass sich ein intensiver Stoff- und/oder Wärmeaustausch ergibt. Diese Sprudelschicht reicht jeweils in die zweiten

Schichten 3b der Sektionen 2a-2c hinein und wird in diesen aufgrund der darin befindlichen Füllkörper 5 mit einer hohen Durchsatzkapazität wieder aufgehoben, so dass die Füllkörper 5 eine Abscheidezone für die flüssige Phase ausbilden. Die Verwendung von Füllkörpern 4 bzw. 5 zur Ausbildung der Anstauzone bzw. der Abscheidezone der Anstaukolonne 1 besitzt den Vorteil, dass diese beiden vorgenannten Zonen einfach dadurch ausgebildet werden können, indem zur Ausbildung der ersten Schichten 3a und der zweiten Schicht 3b der einzelnen Sektionen 2a - 2c abwechselnd die ersten Füllkörper 4 und die zweiten Füllkörper 5 in die Anstaukolonne 1 geschüttet werden. Durch die Verwendung der Füllkör- per 4 und 5 zur Ausbildung der Schichten 3a, 3b einer jeden Sektion 2a-2c der Anstaukolonne 1 kann diese daher einfach hergestellt werden, da nun nicht mehr ein zeit- und montageaufwendiger Einbau von strukturierten, geordneten Packungen mit einer definierten Orientierung in die Anstaukolonne 1 erforderlich ist. Vielmehr können die einzelnen Schichten 3a, 3b durch ein einfaches Einschütten der Füllkörpern 4, 5 ausgebildet werden. Die Verwendung von Füllkörpern 4, 5 besitzt des weiteren den Vorteil, dass hierdurch ein größerer Druckverlust in den einzelnen Schichten 3a, 3b ausgebildet wird, welcher zu einer homogeneren Verteilung der gasförmigen Phase über den Kolonnenquerschnitt führt. Diese Homogenität dieser Phase stabilisiert die Sprudelschicht, so dass das Anstauprinzip betriebssicher auch bei großen Kolonnendurchmessern eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Füllkörper-Schüttungen besteht darin, dass, wenn verschmutzende Medien zum Einsatz kommen, die Füllkörper 4, 5 nicht so schnell verschmutzen wie die bis jetzt verwendeten strukturierten Packungen. Darüber hinaus können schüttfähige Füllkörper 4, 5 besser aus der An- staukolonne 1 zu Reinigungszwecken entnommen werden als strukturierte Packungen.

Es wird bevorzugt, dass zur Herstellung der ersten Schichten 3a bzw. der zweiten Schichten 3b jeweils Füllkörper der Anmelderin verwendet werden, die unter dem Handelsnamen„Raschig Super-Ring" bekannt sind. Vorzugsweise werden zur Ausbildung der ersten Schichten 3a Füllkörper 4 der Anmelderin verwendet, die eine spezifische Oberfläche von größer als 200 m ² /m ³ haben, während als Füllkörper 5 Füllkörper mit einer kleineren spezifischen Oberfläche als 200 m ² /m ³ verwendet werden. Bevorzugt wird insbesondere, dass das Verhältnis der spezifi- sehen Oberflächen der Füllkörper 4 der ersten Schichten 3a und derjenigen der Füllkörper 5 der zweiten Schichten 3b im Bereich von ca. 2,5 bis 5 liegt.

Um nun eine Anstaukolonne 1 aus den Füllkörpern 4 und 5 aufzubauen, wird in die Anstaukolonne 1 ein erster Anstaueinsatz 10a eingebracht, der in den Figuren 3 und 4 dargestellt und weiter unten noch beschrieben wird. Dann werden die die erste Schicht 3a der ersten Sektion 2a ausbildenden Füllkörper 4 in die Anstaukolonne 1 geschüttet, bis die erste Schicht 3a der ersten Sektion 2a eine hinreichende Dicke aufweist. Dann werden zur Ausbildung der zweiten Schicht 3b der ersten Sektion 2a die zweiten Füllkörper 5 in die Anstaukolonne 1 geschüttet, bis eine hinreichend dicke zweite Schicht 3b ausgebildet ist. Die erste Sektion 2a der Anstaukolonne 1 ist somit fertig gestellt.

Die beschriebene Anordnung ermöglicht es auch in vorteilhafter Art und Weise, die Anstaukolonne 1 als reaktive Destillationskolonne auszubilden, indem in mindestens einer Schicht 3a, 3b mindestens einer Sektion 2a-2c reaktive Füllkörper vorgesehen werden. Vorzugsweise wird jeweils die erste Schicht 3a einer jeden Sektion 2a-2c mit reaktiven Füllkörpern 4 ausgestattet. Der erhöhte Flüssigkeitsinhalt der Sprudelschicht in den Schichten 3a gewährt eine hinreichende Aufenthaltszeit der flüssigen Phase für einen reaktiven Stoffumsatz mit den reaktiven Füllkörpern 4. Der unmittelbare Kontakt der flüssigen Phase zu den reaktiven Füllkörpern 4 und die hohe Turbulenz der Sprudelschicht fördern dabei in vorteilhafter Art und Weise den Stoffumsatz. Eine derartige Vorgangsweise besitzt gegenüber den bisher in reaktiven Destillationsprozessen verwendeten strukturierten Packungen den Vorteil, dass sich bei der Berieselung der Füllkörper 4 nicht - wie bei den bekannten strukturierten Packungen, zwischen denen als reaktiver Feststoff Gewebelagen eingebunden sind - ein Flüssigkeitsfilm ausbildet, welcher quasi-stationär die Füllkörper 4 umschließt.

Dann wird ein zweiter Anstaueinsatz 10b eingebracht und der Aufbau der ersten und der zweiten Schicht 3a und 3b der zweiten Sektion 2b erfolgt wie vorstehend beschrieben. Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, wird bevorzugt, dass die beiden Anstaueinsätze 10a und 10b über Distanzhalter 9 miteinander verbunden sind.

In der obigen Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Anstaueinsätze 10a, 10b parallel zueinander angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, diese in einem Winkel von bis zu 90° gegeneinander verdreht ausgerichtet in der Anstaukolonne 1 anzuordnen.

Die Ausbildung der Schichten 3a und 3b einer über der zweiten Sektion 2c liegenden dritten Sektion 2c erfolgt nun wiederum wie vorstehend beschrieben, nämlich, dass ein dritter Anstaueinsatz 10c in die Anstaukolonne 1 eingebracht und durch ein Einschütten der Füllkörper 4 und 5 die erste und die zweite Schicht 3a, 3b der dritten Sektion 2c ausgebildet wird. Die Ausbildung weiterer Sektionen erfolgt dann wie vorstehend beschrieben. Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zwischen den einzelnen Sektionen 2a-2c ein füllkörperfreier Zwischenraum 6 vorgesehen ist. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass die Aufhebung der Sprudelschicht infolge des besonders offenen Strömungsquerschnitts verbessert wird.

Die Figuren 3 und 4 zeigen nun Anstaueinsätze 10a, 10b, die übrigen Anstaueinsätze der Anstaukolonne 1 sind vorzugsweise gleichartig aufgebaut. Jeder Anstaueinsatz 10a-10c weist ein umlaufendes Randelement 11 auf, dessen Außenkontur - wie am besten aus Figur 2 ersichtlich ist - derart auf die Innenkontur der Anstaukolonne 1 abgestimmt ist, dass die Anstaueinsätze 10a-10c leicht in die Anstaukolonne 1 eingebracht werden können und möglichst wenig Zwischenraum zwischen der Innenwand der Anstaukolonne 1 und der Außenwand des umlaufenden Randelements 11 ist, so dass zwischen der Innenwand der Anstaukolonne 1 und den Anstaueinsätzen 10a-10c möglichst wenig Gas und/oder Flüssigkeit durchtreten kann.

Ein Boden 12 der Anstaueinsätze 10a-10c wird durch ein Gitternetz ausgebildet, vorzugsweise durch ein Streckmetall, welches vorzugsweise mit dem Randelement 11 verschweißt ist. Durch diese Ausbildung des Bodens 11 ist gewährleistet, dass sich die Füllkörper 4 einer ersten Schicht 3a nicht mit den Füllkörpern 5 der zweiten Schicht 3b der darüber liegenden Sektion vermischen können.

Man erkennt in den Figuren 3 und 4 wiederum die Abstandshalter 9, durch welche die Anstaueinsätze 10a, 10b miteinander verbunden sind.

Wie wiederum aus den Figuren 1 und 2 erkennbar ist, weist die Anstaukolonne 1 mehrere Ablaufschächte 20a-20c auf, welche dazu dienen, dass die abwärtsströmende flüssige Phase jeweils die erste Schicht 3a der Sektionen 2a-2c leichter durchdringen kann. Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, ist beim beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass jede Sektion 2a-2c drei Ablaufschächte 20a-20c aufweist. Diese sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass zwar die flüssige Phase durch die Ablaufschächte 20a-20c ablaufen kann und dann auf die zweite Schicht 3b der darunter liegenden Sektion 2b bzw. 2a abtropft, dass aber möglichst wenig der aufwärtsströmenden gasförmigen Phase durch die Ablauf- Schächte 20a-20c hindurchtritt. Dies wird - wie am besten aus Figur 3 ersichtlich ist - dadurch erreicht, dass jeder Ablaufschacht 20 an seinem unteren Ende von einer Ablauftasse 21 umgeben ist, wobei das untere Ende des Ablaufschachts 20 in die Ablauftasse 21 eintaucht. Dies bewirkt, dass die Ablaufschächte 20, 20a- 20c durch die in die Ablauftasse 21 sich ansammelnde flüssige Phase verschlos- sen und damit gasdicht werden.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch die beschriebenen Maßnahmen eine Anstaukolonne 1 ausgebildet wird, die sich aufgrund der Verwendung von schüttfähigen Füllkörpern 4, 5 zum Aufbau der einzelnen Schichten 3a, 3b einer jeden Sektion 2a-2c durch ihre einfache Herstellbarkeit auszeichnet, In vorteilhafter Art und Weise können die einzelnen Schichten der Anstaukolonne 1 durch ein Einbringen der entsprechenden Füllkörper 4, 5 im Schüttverfahren hergestellt werden. Die Verwendung von Füllkörpern 4, 5 zum Aufbau der Schichten 3a, 3b besitzt des weiteren den Vorteil, dass hierdurch ein größerer Druckverlust er- zeugbar ist, welcher in vorteilhafter Art und Weise zu einer homogeneren Vertei- lung der gasförmigen Phase über den Querschnitt der Anstaukolonne 1 führt. Diese Homogenität der gasförmigen Phase stabilisiert die Sprudelschicht in der Anstaulage, so dass in vorteilhafter Art und Weise das Anstauprinzip betriebssicher auch bei großen Kolonnendurchmessern eingesetzt werden kann.