Einbauelement für eine Stoff- und Wärmeaustausch¬ kolonne

Die Erfindung betrifft ein Einbauelement für eine Stoff- und Wärmeaustauschkolonne mit mindestens einer zi ck- zack- ör i en Lage aus aneinander angrenzenden und in zweierlei Vorzugsrichtungen geneigten Leitflächen, bei dem die Lage aυs Grυndelementen zusammengeset t ist, die sich oberhalb und unterhalb der Mittelebene der Lage erstrecken.

In Wärme- und Stof austauschkolonnen , insbesondere Rektifikationskolonnen und Absorptionskolonnen, wird eine von oben nach unten ablaufende Flüssigkeit in Kontakt mit einem aufsteigenden Gasstrom gebracht. Um einen intensiven Kontakt zwischen den beiden Strömen herzustellen, sind in der Kolonne Einbauele ente vorgesehen, die die Aufgabe haben, die Flüssigkeit möglichst gleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt zu verteilen.

Ein bekanntes Einbauelement (EP-OS 72 875) besteht aus mehreren Lagen, wobei jede Lage ein zick-zack-för iges zusammenhängendes Gebilde ist und aneinander angrenzende und miteinander verbundene Reihen von Leitflächen aufweist. Jede

zweite Leitfläche einer Leitflächenreihe ragt aus den Flankenebenen der Hacken heraus.

Allerdings müssen die Lagen eines derartigen Einbauelements aufgrund der relativ schmalen Verbindungsstege zwischen den einzelnen Leitflächen große Wandstärken besitzen, damit eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist. Große Wandstärken erhöhen jedoch die Herstellungskosten und das Gewicht und verringern den für den Stoff- und Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Kolonnenquerschnitt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Einbauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, das bei hoher Stabilität eine gleichmäßige Verteilung der herablaufenden Flüssigkeit und des aufsteigenden Gases über den Kolonnenquerschnitt gewährleistet und das preisgünstig hergestellt ist.

Diese Aufgabe wird er indungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Grυndelement mit drei ihm benachbarten Grundelementen verbunden ist, von denen eines dieselbe Vorzugsrichtung wie das Grundelement, die beiden anderen die andere Vorzugsrichtung aufweisen, und daß sowohl Grundelemente, die in Richtung des Kammverlaufs der Σick-Zack-Anorcnungen nebeneinander liegen jeweils unterschiedliche Vorzυgsrichtungen aufweisen.

Das erfindungsgemäße Einbauelement besitzt Grundelemen e, die vorspringende Dächer oder Klaffen mit zumindest einem freien Rand bilden bzw. aufweisen und die Flüssigkeit an ein benachbartes Grundelement abtropfen lassen, auf dem die Flüssigkeit eine andere Richtung erhält. Die Anordnung bewirkt eine Aufspaltung des herablaufenden Flüssigke tsstroms in Teilströme, die sich von Grundelement zu Grundelement teilen, teilweise wieder vermischen und Ihre Strömungsrichtung ändern. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit gleichmäßig über den Kolonnenquerschnitt verteilt und die erreichte Gleichverteilung auch über große Strömungswege hinweg aufrechterhalten. Durch die von Reihe zu Reihe versetzt übereinander angeordneten Grundelemente entsteht eine offene Struktur, die einen geringen Strö ungswidersτand besitzt. Durch die gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung können die Einbauelemente große Einbauhöhen aufweisen.

Eei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die Grundelemente zwischen 50 und 60°, vorzugsweise ca. 45 ^c gegenüber der Mittelebene der Lage geneigt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist die Lage parallel zur Achse der Kolonne angeordnet und sind die Kämme der Zi ck-Zack-Anordnung zwischen 30 und 90 ^c gegenüber der Achse geneigt.

Eine besondere günstige Art der Herstellung ergibt sich, wenn gemäß eine Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes die Lage spiralförmig gewickelt ist.

Die Lage ist vorzugsweise aus einem entsprechenden gestanzten _^ und gefalteten Band, insbesondere Elechband, gefertigt. Das

Band wird auf eine Wickelachse , die vorzugsweise mit der Kolonnenachsε zusammenfällt, aufgewickelt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist jedes Grundelement von sechs Kachbargrundelementen umgeben.

Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn senkrecht zum Kammverlauf nebeneinanderliegende Grundelemente um eine halbe Länge versetzt gegeneinander sind.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist jedes Grundelement von fünf Kachbargrundelementen umgeben.

Mit Vorteil weist zumindest ein Teil der Grundelemente ein von seiner Oberfläche vorspringendes Dach aυf.

Das Dach erstreckt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Er indungsgegenstandes über die gesamte Breite eines Grundelements .

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes das Dach in eine der beiden Vorzugsrichtungen weist.

Eei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besitzt das Dach eine rechteckige Grundfläche.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist senkrecht zum Kammverlauf abwechselnd jeweils eine Reihe von Grundelementen mit Dächern und eine Reihe von Grundelementen ohne Dächer vorgesehen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des

Erfindungsgegenstandes erstreckt sich das Dach über mehr als die halbe Länge eines Grundelements.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes erstreckt sich das Dach über weniger als die halbe Länge eines Grundelements und ist asymmetrisch auf dem Grundelement angeordnet.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbe spielen näher erläutert .

Hierbei zeigen :

Figur 1 Eine Teilansicht einer Lage eines erfindungsgem ßen Einbauele ents

Figur 2 eine Schnittdarstel lung einer Lage gemäß Figur 1

Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer Lage

Figur 4 eine Schnittdarstellung der Lage gemäß Figur 5

Figur 5 eine weitere Ausführungsform einer Lage

Figur 6 eine Schnittdarstellung der Lage gemäß Figur 5.

Figur 7 eine Kolonne mit einem erfindungsgemäßen Einbauelement .

In den Figuren sind für analoge Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.

Die Lage gemäß Figur 1 ist durch einen zick- ∑ack-förmigen Streifen gebildet, der vorzugsweise aus Elech besteht. Die Lage ist aus einer Vielzahl von gleich großen rechteckigen Grundelementen 1 aufgebaut, die in zweierlei Verzu srichtungen

geneigt sind. Das Grundelement 1 ist durch eine gestückelte Umrandung hervorgehoben. Die in der einen Vorzugsrichtung geneigte Grundelemente 1 sind schraffiert, die in der anderen Vorzugsrichτungen geneigten Grundelemente sind unschraffiert dargestellt. Die ∑ick-zack-förmige Lage weist Kämme auf, deren Lage durch Pfeile 2 gekennzeichnet ist. Entlang der Kämme weist die Lage in gleichmäßigen Abständen Einschnitte 5 auf. Von den beiden Enden der Einschnitte 3 und im rechten Winkel ∑u diesen führt jeweils ein weiterer Einschnitt 4, 5 senkrecht zum Kammverlauf bis zur Mitte zwischen zwei benachbarten Kämmen. Die Einschnitte 4, 5 weisen in entgegengesetzte Richtungen. Jedes Grυndelement 1 ist mit drei benachbarten Grundelementen 6, 7, 8 verbunden. Mit einem der benachbarten Grundelemente 7 ist das Grundelement 1 ∑wischen ∑wei Einschnitten 3 über den Kammverlauf hinweg verbunden. An seiner gegenüberliegenden Seite ist das Grundelement 1 mit den benachbarten Grundelementen 6, 8 verbunden, wobei das Grundelement 6 dieselbe Vorzugsrichtung wie das Grundelement 1 aufweist, während das Grundelement S, ebenso wie das Grundelement 7 in die andere Richtung weist. Diejenigen Grundelemente, die in Richtung des Kammverlaufs gesehen neben dem Grundelement 1 liegen, weisen jeweils eine andere Vor∑ugsrichtung als dieses auf.

Jeweils zwei Schnittkanten an einer Außenecke eines Grundelementes begrenzen Vorsprünge, die im folgenden als Dächer bezeichnet werden. Als Beispiele dafür seien die Grundelemente 30, 40 und 41 in Figur 1 aufgeführt: Beim schraffiert eingezeichneten Element 30 sind dies die Schnittkanten 3 und 5. Ein Dacher am Element 40 wird durch die Schnittkanten 3 und 4 begrenzt, eines am Element 4-1 durch die _^ Kanten 3 und 5.

Ein aus einer oder mehreren Lagen der beschriebenen Art zusammengesetztes Einbauelement wird derart in eine Wärme¬ oder Stoffaustauschkolonne eingebaut, daß zwischen der Kolonnenachse und der Richtung des Kammverlaufs ein Winkel zwischen 30 und 90°, vorzugsweise 50 bis 60° eingeschlossen ist. Die vorspringenden Dächer ermöglichen ein Abtropfen der in der Kolonne herablaufenden Flüssigkeit von einer Lage auf eine benachbarte Lage, d.h. einen Flüssigkeiτstransport quer zur Lage.

Wie der Schnittdarstellung gemäß Figur 2 zu entnehmen ist, ist die Vorzugsrichtung der Grundelemente jeweils um ca. 45 ^c gegenüber der Mittelebene 9 geneigt. Die Körperkanten der hinter der Schnittebene liegenden Grundelemen e sind übersichtlicheren Darstellung halber gestrichelt dargestellt.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lage. Die zick-∑ack-förmige Struktur mit dem durch die Pfeile 2 markierten Kammverlauf weist quer zum Kammverlauf Einschnitte 10 auf, deren Länge dem Abstand zweier benachbarter Kämme entspricht und die sich symmetrisch links und rechts eines jeden Kamms erstrecken. Der Abstand zweier benachbarter Einschnitte 10 entspricht der Länge eines Grundelements. Die Einschnitte 10 quer zu benachbarten Kämmen sind um die halbe Länge eines Grundelements gegeneinander versetzt. Die Ereite eines Grundelements 1 entspricht der halben Länge eines Einschnitts 10. Jedes Grundelement erstreckt sich zwischen dem Kamm und der Mittelebene 9 der Lage.

Jedes Grundelement 1 ist mit drei benachbarten Grundele enteπ 6, 7, 8 verbunden. Die Grundelemente sind in zweierlei Vorzugsrichtungen geneigt, wobei die Grundelemente, die in die eine Vorzugsrichtung zeigen, schraffiert, die Grundelemente, die in die andere Vorzugsrichtung zeigen, unschraffiert dargestellt sind.

Eines der dem Grundelemenτ 1 benachbarten Grundelemente 7 ist neben diesem auf der anderen Seite des Kamms angeordnet und weist die andere Vorzugsrichtung als das Grundelement 1 auf. Die beiden anderen, mit dem Grυndele ent 1 verbundenen Grundelemente 6, 8 sind jeweils um eine halbe Länge eines Grυndelements gegenüber dem Grundelement 1 versetzt. Dabei w ^τ eist eines der Nachbargrundelemente 6 dieselbe Vorzugsrichtung wie das Grundelement 1, das andere Nachbargrundelement 8 die andere Vor∑υgsrichtung auf.

In jeder zweiten Reihe von Grundelementen, d.h. Grundelementen, die in Richtung des Ka mvεrlaufs gesehen nebeneinander liegen, ist jedes Grundelement (in der Figur sind dies u.a. die Grundelemente 7, 6, 8) mit drei Einschnitten 11, 12, 15 versehen. Der Einschnitt 12 erstreckt sich entlang des Ka verlaυfs über einen Teil der Längskante des Grundelements, die beiden Einschnitte 11, 15 erstrecken sich jeweils von einem Ende des Einschnitts 12 senkrecht zu diesem über die gesamte Breite des Grundelements. Die durch die Einschnitte 11, 12, 15 begrenzte Teilfläche des Grundelements ist aus der Vor∑ugsrichtung , die das Grundelement besitzt, herausgebogen und vorzugsweise in die andere der beiden Vorzugsrichtungen geneigt. Die beiden Vorzugsrichtungen sind mit Vorteil um jeweils 45 ^c gegen die Mittelebene 9 der Lage geneigt.

Die Lage ist derart in einer Kolonne angeordnet, daß zwischen den Kämmen und der Kolonnenachse ein Winkel zwischen 50 und S0° gebildet ist.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform einer Lage, bei der Grundelemente in gleicher Weise wie bei der Lage gemäß Figur 5 angeordnet sind. Im Unterschied hierzu sind jedoch die Einschnitte 11, 12, 15 nicht symmetrisch zur Mittellinie des Grundelements angeordnet und erstreckt sich der Schnitt 12 über weniger als die halbe Länge des Grundelements. Außerdem sind die Einschnitte 11, 12, 15 in jedem der Grundelemente, und nicht nur in jedem Grundelement jeder zweiten Reihe von Grundelementen angeordnet.

Die Einschnitte 12 sind entlang der Kämme der Lage vorgesehen, und zwar sind zwischen jeweils zwei Einschnitten 10 zwei mit Abstand zueinander angeordnete Schnitte 12 vorgesehen.

Von den beiden Enden jedes Einschnitts 12 führen rechtwinklig dazu in die gleiche Richtung weisende Einschnitte 11, 15, die sich bis zur Mitte zwischen zwei benachbarten Kämmen erstrecken. Die Einschnitte 11, 12, die jeweils zwei zwischen zwei Einschnitten 10 befindlichen Einschnitten 12 zugeordnet sind, erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen. Durch die Einschnitte 11, 12, 15 wird eine Teilfläche eines Grundelements begrenzt, die entlang der Linie, die sich zwischen den beiden freien Enden der Schnitte 11, 15 erstreckt, aus der durch das Grundelement definierten Ebene herausgebogen ist. Vorzugsweise sind die Teilflächen in die andere der beiden Vorzugsrichtungen als das Grundelement geneigt .

Die anhand der Figuren 1 bis 6 beschriebenen Lagen können sowohl einzeln als auch in Kombination mit weiteren Lagen als Einbauelemente für Stoff- und Wärmeaustauschkolonnen eingesetzt werden. Beispielsweise können mehrere Lagen parallel

zueinander sandwlchartig aufeinandergelegt zu einem Einbauelement zusammengefügt sein. Hierbei können entweder jeweils Lagen derselben Bauart oder auch Kombinationen von Lagen unterschiedlicher Bauart gebildet werden. Die Lagen können so au einandergefügt sein, daß ihre Kämme parallel zueinander gerichtet sind, oder daß die Kämme einzelner Lagen oder einzelner Gruppen von Lagen in unterschiedliche Richtungen weisen. Als Randbedingung ist zu beachten, daß zwischen der Richtung der Kämme und der Kolonnenachse ein Winkel zwischen 30 und 90° gebildet ist. Die Lagen können bei Bedarf anstatt mit glatter mit geriffelter Oberfläche versehen sein.

Bei einer in Figur 7 schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungs orm des Erfindungsgegenstandes ist eine Lage von ausreichender Länge spiralförmig aufgewickelt und das auf diese Weise gebildete Einbauelement 14 in eine Kolonne eingesetzt, wobei vorzugsweise die Wickelachse mit der Kolonnenachse 16 zusammenf llt. Auch hier ist zu berücksichtigen, daß die Kämme mit der Kolonnenachse einen Winkel zwischen 30 und 90° bilden.