ROLF MANTEUFEL
UITVINDINGSOCTROOI
INRICHTING VOOR DE VLOEISTOFVERDELING IN KOLOMMEN VOOR STOF-
EN WARMTEUITWISSELING
Bij kolommen met gelijk- en tegenstroom moeten de voor de uitwisseling bestemde fasen gelijkmatig over de kolom-sektie verdeeld worden. Terwijl dit in de gasfase geen bijzondere moeilijkheden veroorzaakt, is echter de gelijkmatige toebedeling van vloeistof enk el door bijzondere inrichtingen mogelijk.
Zo werden voor de verschillende kolom-konstrukties differente vloeistofverdelers ontwikkeld. Bij onregelmatig geplaatste vullichamen volstonden aanvankelijk eenvoudige sproeiers met gaatjes, sproeischijven of met rotatie-sproeiers. Voor het industrieel gebruik kiest men meer en meer verdeel-bodems met gaten (gaatjesof zeefbodem) of spleten (overlaten of overlooptuiten) alsook sproeiers en in uitzonderlijke gevallen rotatie-verstuivers.
Niettegenstaande deze vloeistofverdelers in konstruktie verschillen, werken zij alle - met uitzondering van de op verstuiving gebaseerde systemen - volgens hetzelfde fysisch principe van de vrije val van aflopende vloeistoffen (theorema van Torricelli
<EMI ID=1.1>
vloeistof-opstuwingshoogte betrekkelijk grote afloopsnelheden, waardoor het aantal afloopplaatsen bi j de betreffende kleine vloeistofhoeveelheden in stof- en warmteuitwiss eling-kolommen niet zeer hoog mag zijn. Een bezwarende faktor is bovendien het feit, dat door de horizontale vloeistofstroming over de verdeelbodems onvermijdelijk verschillen in de opstuwingshoogten ontstaan, die tot van elkaar afwijkende afloopsnelheden aan de verschillende afloopplaatsen leiden, wat op zijn beurt differente deelstromen tot gevolg heeft. Om deze reden kunnen de op de gravitatiewet baserende vloeistof verdelers slechts bij grote opstuwingshoogten gebruikt worden, aangezien hier een afwijken in de opstuwingshoogte zich minder doet voelen.
Deze voorwaarde betekent echter anderzijds, dat de gelijkmatigheid van de verdeling van de vloeistof over de kolom-sektie minder goed is, aangezien voor deze gelijkmatigheid juist een groot aantal afloopplaatsen vereist is. Men trachtte derhalve met sproeiers en rotatie-verstuivers andere wegen der vloeistofverdeling in stof- en warmteuitwisselingkolommen te bewandelen. Deze verdelers hebben weliswaar het voordeel, dat de gehele kolom-sektie besproeid wordt, er ontstaan echter ongelijkmatige regendichtheden over de kolom-sektie door
de zich bij de verstuiving vormende druppels van verschillende grootte en de daarvan afhankelijke van elkaar verschillende vluchtbanen, alsook door de nadelige nevelvorming bij de fijne verstuiving. Bovendien moeten de te verstuiven vloeistoffen onder een bepaalde overdruk staan respektive is er bijkomende aandrijfkracht vereist, waardoor de sproeiers en rotatie-verstuivers slechts een beperkt toepassingsgebied hebben.
Bij een vergelijk van de verschillende vloeistofverdeelsystemen stelt men vast, dat de aanvankelijk genoemde, naar het principe der gravitatie werkende vloeistofverdelers bij voldoend grote vloeistofhoeveelheden gelijkmatiger werken dan andere systemen. Ten einde ze ook bij kleine vloeistofhoeveelheden te kunnen gebruiken, zoals dit bij vele andere gevallen op het gebied van stof- en warmteuitwisseling in kolommen vereist is, moeten de afloopopeningen overeenkomstig kleiner worden.
Het is echter bekend, dat de gaten of spleten van vloeistofverdelers anderzijds niet te klein mogen zijn wegens het gevaar van verontreiniging. Ook is het zo, dat bij kleine openingen met scherpe kanten onregelmatigheden bij de vervaardiging een grotere invloed hebben en tot diverse contracties van de vloeistofstralen leiden, waardoor dan sterk van elkaar afwijkende deelstromen ontstaan.
Bijzonder nadelig is bovendien het betrekkelijk enge werkingsgebied van de gaatjes- en zeefbodemverdelers, omdat de opstuwingshoogten boven de afloopgaten met het kwadraat van de gevraagde vloeistofdoorstroming moeten variëren.
Het laatste is bij overlaten met spleten of bij overlooptuiten niet het geval, vooral dan niet, wanneer de spleten driehoekig
nl. naar boven toe uitlopend zijn. Hierdoor kunnen zij - in tegenstelling met de gaatjes- en zeefbodemverdelers - aan sterk variërende vloeistofdoorstromingen beter aangepast worden.
Bij kleine vloeistofdebieten hebben de vervaardigingstoleranties bij verdelers met tuiten of verdelers met kanalen, uitgerust met spleetvormige overlaten - op grond van de geringe overloophoogten evenals het door de vloeistoftoestroming optredende vloeistofverval, een sterkere uitwerking dan bij de gaatjes- of zeefbodemverdelers.
Zo komt het bij kleine vloeistofoverloophoogten aan de spleten
tot van elkaar verschillende afloophoeveelheden en gedeeltelijk zelfs tot het ophouden van de een of andere deelstroom. Verdelerbodems met overlaten hebben derhalve sterker van elkaar verschillende deelstroomhoeveelheden dan gaatjes- of zeefbodemverdelers. Anderzijds kan juist met kanaalverdelers met overlaten (in tegenstelling met de gaatjes- en zeefbodemverdelers met stoomtuiten alsook tuitverdelers met spleten) de gehele kolom-sektie gelijkmatiger bevochtigd worden en bovendien staat een grotere sektie voor de dampdoorstroming ter beschikking. De doorstromende damp heeft daarmee een klein drukverlies, waardoor de kanaalverdelers zowel voor vacuum-kolommen alsook voor kolommen met hoge dampdoorstroming het best geschikt zijn.
Wanneer men de voor- en nadelen van de verschillende verdeelsystemen afweegt, komt men tot de konklusie dat de kanaalverdelers met spleetvormige overlaten voor het industrieel gebruik het
best geschikt zijn, op voorwaarde echter, dat men de opgesomde nadelen zoveel mogelijk kan vermijden. Volgens de wetmatigheden van de vloeistofafloop (theorema van Torricelli), waarop alle vloeistofverdelers, ook de geprefereerde kanaalverdelers, baseren, kunnen zij zich enkel in de vorm van de aflopen en in de stabiliteit van de vloeistofopstuwingshoogten, die de debieten aan de verschillende aflopen bepalen, onderscheiden.
Men is tot de bevinding gekomen, dat een gelijkmatige vloeistoftoebedeling voor de stof- en warmteuitwisseling in kolommen met gelijk- en tegenstroom met een reeds bek ende vloeistofverdeelinrichting met meerdere overloopspleten mogelijk is, die daardoor gekenmerkt is, dat de doorloopopeningen door telkens twee in afstand tot elkaar geplaatste benen van een gebogen vloeistof-geleidingselement gevormd worden. Door de op deze wijze - in tegenstelling met de scherphoekige gaten of spleten - als sproeiers gevormde doorloopopeningen gebeurt een geleiding in de aflooprichting van de vloeistof over de overlaatranden, waardoor de bekende, min of meer grote contractie van de aflopende vloeistofstralen aan de scherpe hoeken voor een groot deel vermeden wordt.
Dit wordt bereikt door de aan de benen van de vloeistof-geleidingselementen werkende adhesie-krachten, d.w.z. door de hechting van de aanrakende deeltjes van de vloeistof aan het vaste lichaamsoppervlak. De adhesie-krachten aan het door de benen van het vloeistof-geleidingselement vergrote doorloop-oppervlak werken namelijk de oppervlaktespanning van de vloeistof tegen, waardoor zelfs bij zeer kleine afloophoeveelheden en van elkaar verschillende vloeistofopstuwingshoogten een gelijkmatige benutting van alle aflopen door een betere bevochtiging gegarandeerd is.
Daarbij kunnen doorsneden van de twee in afstand tot elkaar ge- plaatste benen zowel rond als vierkant zijn. De ronde uitvoering biedt echter - omwille van de daarbij ontstane konkave zijkanten van de doorloopopening - bij vloeistoffen die niet goed bevochti- gen meer voordelen. Ook het gevaar van verontreiniging is bij de gladde oppervlakken van de geleidingselementen geringer dan bij kleine scherphoekige gaten of spleten, bij dewelke door de con- tractie van de vloeistofstraal het bekende toegroeien van de doorstroomde gaten gebeurt.
De werkwijze van deze uitvinding verschilt met een vroeger gepatenteerde verdeelinrichting, die uit dicht naast elkaar liggende overloopelementen bestond, doordat - in plaats van een debiet te verkrijgen, dat uitsluitend geregeld wordt door de kapillaire krachten - in de nu uitgevonden inrichting de opgestuwde vloeistof afloopt door de op afstand aangebrachte benen van de geleidings- elementen.
Terwijl de zogenoemde k apillaire verd elers op basis van de vereiste kleine kapillaire afmetingen in hun vloeistofdosering naar boven begrensd blijven en slechts geschikt zijn om zeer kleine vloeistof- hoeveelheden t e verdelen, b.v. in hoogvacuum, bereikt men met de verdelers met geleidingselementen, die volgens het principe van
de overlaten werken, een veelvoud van de vloeistofdebieten, die
in kapillaire verdelers mogelijk zijn. Ook vermijdt men het in- different werken bij kleinere aanzuighoogten tussen de dicht bij elkaar liggende overloopelementen, zoals het zich voordoet bij toenemende debieten, en bovendien zijn deze nieuwe verdeelsys- temen in vergelijking met kapillaire verdelers minder gevoelig voor vervuiling.
Bij vloeistofverdelers, die op basis van kapill aire krachten wer- ken, kunnen zich ook grote schommelingen voordoen in de partiële debieten door veranderingen in de stofwaarden van de vloeistof, zoals b.v. viskositeit en oppervlaktespanning. Wegens deze sterke schommelingen in de partiële debieten kunnen deze kapillaire ver- delers in de industriële praktijk enkel in verbinding gebruikt worden met daaropvolgende verdeelplaten met afloopneuzen.
De inrichting volgens de uitvinding wordt daarentegen direkt over de te bevochtigen kolomvulling geplaatst. Zoals duidelijk blijkt uit beeld A van figuur 1, zijn de beide benen 1 van de geleidingselementen 2 in de aan de onderkant verbrede spleet 3 zo geplaatst, dat tussen hen een smalle spleet 4 gevormd wordt. Spleet 3 zelf is breder dan spleet 4 en loopt tevens naar boven toe uit. Hierdoor wordt gegarandeerd, dat de vloeistofverdeler over een grotere debietsmarge beschikt.
Ter vermijding van een vloeistofverval bij het toestromen van de vloeistof naar de verschillende aflopen 5 zijn de geleidingselementen 2 op een voldoende hoogte boven de kanaalbodem 6 geplaatst. De geleidingselementen 2 zelf liggen met hun twee benen 1 aan beide kanten van de overlaatwanden 7 van de overloopkanalen 8
of zijn aan de daaraan geplaatste neuzen aangedrukt en zijn aan de buitenkant tot onder de kanaalbodem 6 doorgevoerd. De aflopende vloeistof wordt door de twee parallele benen 1 naar beneden gevoerd en loopt onder de overloopkanalen 8 van de geleidingselement en 2 af.
Naast de in acht te nemen kleine fabricage-toleranties en de nauwkeurige horizontale nivellering van de overloopkanalen 8 dient erop gelet, dat de aflopen 5 zo geplaatst zijn, dat de vloeistofopstuwingshoogten aan de verschillende aflopen 5 evenredig zijn. Dit is slechts mogelijk, wanneer de vloeistofspiegel door de naar de overloopkanalen 8 stromende vloeistof niet gestoord wordt. Ook mag er geen grote dwarsstroming tussen de verschillende aflopen 5 gebeuren, ten einde vloeistofverval
(vloeistofgradiénten) tussen de aflopen 5 te vermijden.
Om deze reden wordt de toestromende vloeistof in de toevoerkanalen 9, welke in de overloopkanalen 8 gemonteerd zijn, gevoerd
en vandaar uit naar de verschillende aflopen 5 aan de onderkant van de vloeistofspiegel geleid. Hierdoor wordt bereikt, dat de toeloopwegen tussen het toevoerkanaal 9 en elke afzonderli jke afloop 5 ongeveer gelijk lang zijn. Bovendien kunnen de door de stroming in de toevoerk analen 9 optredende vloeistofgradiënten gecompenseerd worden door verschillen in de grootte der doorloopgaten 10 in de toevoerkanalen 9. De toevoerkanalen 9 kunnen zowel rond alsook hoekig zijn of in de vorm van een buis uitgevoerd zijn, waarbij de doorloopgaten 10 in de onderste helft van de buis voorzien zijn. Alle overloopkanalen 8 worden over hun toevoerkanalen 9 door een gemeenschappelijk voorverdelingssysteem 11 (figuur 2) gevoed, waarbij de spleetvormige overlaten 12 van de toevoerkanalen 9 in hun breedte aangepast zijn aan het aantal der verschillende aflopen 5 van een overloopkanaal 8.
Het voorverdelingssysteem 11 kan ook in een gesloten uitvoering gebruikt worden en onder druk staan.