DE2848041C2 - Rektifizierkolonne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rektifizierkolonne mit einem an ihrem oberen Ende, vorzugsweise koaxial zu ihrer Längsachse unmittelbar oberhalb des Sammelbodens angeordneten luftgekühlten Dämpfe-Kondensator für das Kopfprodukt gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einer Anlage mit einer solchen Rektifizierkolonrie stehen die in der Kolonne aufsteigenden Dämpfe des zu trennenden Mehrstoffgemisches mit dem im Dämpfe-Kondensator gebildeten Kondensat in einem intensiven Stoff- und Wärmeaustausch. Damit die Phasengrenzflächen für den Austausch möglichst groß sind, weist die Rektifi/.ierkolonnc innenseilig Füllkörper oder Roden, sogenannte Rektifizierboden, auf.

Bei einer bekannten Rektifizierkoionne gemäß dem Gattungsbegriff weist tier Dample-Kondcnsator einen Mantel 11 uf, dessen unteres, haubenartig erweitertes linde auf die Kolonne aufgesetzt ist. Innerhalb des Kondensaiorniantels erstrecken sich herkömmliche Wanne-

tauscherrohre, durch welche innenseitig Außenluft durchgeführt wird, während die Wärmetauscherrohre außenseitig von aufsteigenden Dämpfen beaufschlagt sind.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, die bekannie Rektifizierkolonnc gemäß dem Oberbegriff von Anspruch I so weiter zu bilden, daß ihr Dämpfe-Kondensator einerseits kostengünstig sowohl in der Erstellung als auch bei seinem Betrieb ist und andererseits betriebssicher arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung unter Anwendung der in das Kennzeichen von Anspruch 1 einbezogenen Mittel gelöst.

Bei den als Wärmerohren ausgebildeten Wärmetauscherrohren handelt es sich jeweils um einen statischen Wärmetauscher, der unabhängig von jedem äußeren mechanischen oder elektrischen Antrieb ist und ohne bewegliche Teile arbeitet, womit er in seiner Lebensdauer lediglich von der Korrosionsfestigkeif der verwendeten Materialien abhängig ist. Der Wärmetransport zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist schon von daher unter geringem Aufwand ermöglicht.

Zum Wärmetransport wird bei diesem statischen Wärmetauscher ein hintereinandergeschalteter Verdampf ungs- und Kondensationsvorgang benutzt. Hierzu wird jedes einzelne Wärmerohr bei seiner Fertigung teilweise mit einem Arbeitsmedium gefüllt und innenseitig mit einer kapillaren Auskleidung versehen. Als Arbeitsmedium eignen sich alle Flüssigkeiten, deren Dampfdruckkurven in einem Temperaturbereich liegen, der für den vorgesehenen Wärmeaustausch infrage kommt. Eine bevorzugte Anwendung erlangen Freone, wie sie u. a. auch als Arbeitsmedium in Kältekreisläufen eingesetzt werden.

Nach der Befüllung der Wärmerohre ist in jedem von ihnen Phasen-Gleichgewicht zwischen dem flüssigen Arbeitsmedium sowie dem oberhalb der Flüssigkeit sich innenseitig ausbildenden Dampf eingestellt. Werden nun während des Betriebes der erfindungsgemäßen Rektifizierkolonne die innerhalb des Kolonnenkopfes erstreckten Rohrabschnitte außenseitig von den zu behandelnden Dämpfen beaufschlagt, so verdampft in jedem dieser Rohrabschnitte innenseitig ein Teil des mit seinem Dampf in Gleichgewicht stehenden flüssigen Arbeitsmediums innerhalb seiner Kapillaren. Der innenseitig zusätzlich entstehende Dampf strömt innerhalb der Wärmerohre zu ihren gegenüberliegenden Erden, die ihrerseits außen von der zwangsbewegten Kühlluft beaufschlagt werden. Hierbei kondensiert der unter der Wärmezufuhr von seilen der außenseitig zu behandelnden Dämpfe innenseitig entstandene Dampf im Bereich der gegenüberliegenden Rohrabschnitte der Wärmerohre unter Abgabe der vorher im Bereich der u.ideren Rohrenden aufgenommenen Verdampfungswärme. Die Rückführung des innenseitig gebildeten Kondensats in den Bereich dieser anderen Enden der Wärmerohre erfolgt durch die Kapillarwirkung sowie gegebenenfalls durch die Wirkung der Schwerkraft. Damit ist der interne Kreislauf Verdampfung-Kondensation und umgekehrt geschlossen.

Jedes Wärmetauscherrohr arbeitet für sich unabhängig von den übrigen Wärmelauscherrohren. Wird daher eines der Wärmetauscherrohre undicht, so daß das Arbeitsmedium aus ihm entweichen kann, arbeitet die Wärmetauschereinheit dennoch ohne wesentliche Leistung? minder'jng weiter, da alle übrigen Wärmetauscherrohre in Betrieb bleiben.

Der produktseitigc Druckabfall im Kolonneninneren während des Destillationsvorganges ist bei der Rektifizierkolonne gemäß der Erfindung so gering, daß sich damit Kondensationsvorgänge auch unter extremen Vakuumbedingungen durchführen lassen.
Es wi.-d vorgezogen, daß die Wärmetauscherrohre in Übereinstimmung mit Anspruch 2 in ihren innerhalb des Kolonnenkopfes erstreckten Rohrabschnitten als Glattrohre, in ihren außerhalb des Kolonnenkopfes erstreckten Rohrabschnitten als Rippenrohre mit z. B. außenseitig aufgezogenen Rippen ausgebildet sind. Hierdurch wird außen eine größere Wärmetauschfläche als innenseitig bereitgestellt, womit der Tatsache Rechnung getragen ist, daß der Wärmeübergang von den Wärmetauscherrohren zur Kühlluft schlechter ist als derjenige der innenseitig des Kolonnenkopfes zu behandelnden Dämpfe zu den Wärmetauscherrohren hin. Da das innerhalb des Kolonnenkopfes außenseitig der Wärmetauscherrohre gebildete Kondensat an den im Kolonnenkopf außenseitig als Glattrohr ausgebildeten Wärmetauscherrohren laminar abläuft und es sich gleichzeitig im Gleichgewichtszustand mit den übrigen, innerhalb der Kolonne strömenden Anteilen des zu trennenden Stoffgemisches befindet, ist auch eine Unterkühlung der Dämpfe des zu trennenden Stoffgemisches selbst bei starkem Absinken der Außentemperatur nicht zu befürchten. Darüber hinaus kann einer luftseitigen Temperaturabsenkung durch eine Drosselung der Kühlluftmenge Rechnung getragen werden.
Es lassen sich erheblich größere Wärmeleistungen je Längeneinheit eines Wärmetauscherrohres erzielen, wenn die Rückführung des im Inneren der Wärmetauscherrohre gebildeten Kondensats mit Schwerkraftunterstützung durchgeführt wird. Daher werden die innerhalb des Kolonnenkopfes verlaufenden Rohrabschnitte

J5 der Wärmetauscherrohre vertikal und ihre außerhalb des Kolonnenkopfes verlaufenden Rohrabschnitte im wesentlichen vertikal erstreckt, so wie es Anspruch 3 beinhaltet.

In die Ansprüche 4 bis 13 sind weitere, nach der Erfindung bevorzugte Merkmale einbezogen.

Wird die Destillation als Vakuumdestillation ausgeführt, wird es in Übereinstimmung mit Anspruch 9 vorgezogen, daß oberhalb eines Abzugsstutzens für das oberhalb des Sammelbodens anfallende Kondensat außen an der Seitenwand der Kolonne ein Austrittsstutzen mit außenseitig angeschlossener Vakuumquelle zum Abzug des Restdampf-lnertgas-Gemisches angesetzt ist.

Um den Innenraum des Kolonnenkopfes besser auszunutzen, wird es vorgezogen, daß die innerhalb bzw. außerhalb des Kolonnenkopfes erstreckten Rohrabschnitte der Wärmetauscherrohre gemäß Anspruch 11 durch jede gedachte Ebene quer zur Längsachse der Kolonne unter Bildung von mindestens zwei zueinander konzentrischen Kreislinien mit ihrem Mittelpunkt auf der Längsachse der Kolonne hindurchtreten. Infolge der vertikalen Erstreckung der innerhalb der Kolonne verlaufenden Rohrabschnitte der Wärmetauscherrohre schließen diese Rohrabschnitte in ihrer Gesamtheit einen zylinderförmigen Raum ein.

Die seitliche Abwinkelung der Wärmetauscherrohre in ihrem unmittelbar außerhalb der Kolonne verlaufenden Längenbereich gemäß Anspruch 12 hat einen größeren gegenseitigen Abstand der außen erstreckten

b^r) Rohrabschnitte der Wärmetauscherrohre und damit eine vergrößerte Kühlwirkung von Seiten der Kühlluft, insbesondere Außenluft zur Folge.

Kinc crfindungsgemäß ausgebildete Rektifizierkolon-

ne hat im übrigen den wesentlichen Vorteil, daß ein zusätzliches Kondensatorgehäuse und außerdem eine gesonderte Tragkonstruktion für den Dämpfe-Kondensator entfällt.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Rektifizierkolonne erläuter. Es /cigt

Fig. 1 eine Rektifizierkolonne gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt und

F i g. 2 die Rektifizierkolonnc der F i g. 1 im Horizontalschnitt gemäß Linie 11-11 der Fi g. 1.

Die Rektifizierkolonne, von der in der Zeichnung lediglich ihr mit 1 bezeichneter Kolonnenkopf veranschaulicht ist, weist im Bereich des Kolonnenkopfcs 1 übereinanderliegend drei Böden 2a. 2b auf. nämlich zwei Glockenboden 2a und als obersten Boden einen Sammelboden 2b. Dabei besitzt der Sammelboden 2b die Form eines an die Kolonneninnenwand 3 unmittelbar angesetzten, innenseitig trichterförmig nach oben erstreckten Einbaus mit im Zentrum vertikal aufsteigenden Endbereichen 4.

Unmittelbar oberhalb des Sammelbodens 2b ist auf dem Kolonnenkopf 1 koaxial zur Längsachse L der Kolonne ein Dämpfe-Kondensator 5 mit Wärrnetauscherrohren 6 festgelegt, die mit Rohrabschnitten 6a innerhalb und mit Rohrabschnitten 6b außerhalb des Kolonnenkopfes 1 verlaufen. Die innerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitte 6a verlaufen vertikal, ihre außerhalb des Kolonnenkopfes 1 verlaufenden Rohrabschnitte 6b unter nach außen geneigter Schrägstellung gegenüber der Längsachse L der Kolonne.

Der mit 7 bezeichnete Innenraum des Kolonnenkopfes 1 ist oberseitig durch einen Rohrboden 8 verschlossen, durch welchen die Wärmetauscherrohre 6 gasdicht nach außen hindurchgeführt sind. Der Rohrboden 8 ist an der Kolonnenkopfwandung 9 über einen an ihr angesetzten, horizontal verlaufenden Flansch 10a mittels Schraubmitteln 11 festgelegt. Die Wärmetauscherrohre 6 sind mit dem Rohrboden 8 verschweißt.

Die innerhalb bzw. außerhalb des Kolonnenkopfes erstreckten Rohrabscnnitte 6a bzw. 6b der Wärmetauscherrohre 6 treten durch jede gedachte Ebene quer zur Längsachse L der Kolonne unter Bildung von zwei zueinander konzentrischen Kreislinien mit ihrem Mittelpunkt auf der Längsachse /. der Kolonne hindurch. Dabei besitzen die außerhalb des Kolonnenkopfes 1 gebildeten Kreislinien infolge seitlicher Abwinkelung der Wärmetauscherrohre 6 in ihrem unmittelbar außerhalb des Kolonnenkopfes 1 verlaufenden Längenbereich einen größeren Durchmesser als die entsprechenden, innerhalb des Kolcnnenkcpies 1 gebildeter! Kreislinien.

Den außerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitten 6b der Wärmetauscherrohre 6 ist ein auf das obere Kolonnenkopfende 10, insbesondere den Rohrboden 8, oberseitig aufgesetzter Luftverteilerkasten 11a zugeordnet Die Wände des Luftverteilerkastens lla sind einerseits durch eine unmittelbar oberhalb des oberen Kolonnenkopfendes 10 quer zur Längsachse L der Kolonne erstreckte ebene Unterwand 12, andererseits durch eine zur Unterwand 12 oberhalb der oberseitigen Enden der Wärmetauscherrohre 6 parallel erstreckte, im wesentlichen ebene Oberwand 13 gebildet. In der Oberwand 13 ist für die Zwangsbewegung der Außenluft entlang der außerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitte 6b der Wärmetauscherrohre 6 in einem Lüfterlaufring ein durch einen Elektromotor 15 angetriebener Lüster 14 in Form eines Axialventilators vorgesehen. Die außerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitte 6b werden durch den Lüfter 14 im Saugbetrieb in Richtung der Pfeile X beaufschlagt.

Die Wärmetauscherrohre 6 sind in ihren innerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitten 6a als Glattrohre, in ihren außerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitten 6b als Rippenrohre mit außenseitig aufgezogenen Rippen 16 ausgebildet. Innenscitig sind die Wärmetauscherrohre 6 als Wärmerohrc

ίο gestaltet, indem sie in nicht dargestellter Weise auf ihrer Innenseite ein Kapillarsystem aufweisen.

Bei Betrieb der Rektifizierkolonne wirken die innerhalb des Kolonnenkopfes 1 verlaufenden Rohrabschnittc 6a der Wärmetauscherrohre 6 als Verdampfer, ihre

r> diesen Rohrabschnitten 6a abgewendeten, außerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten Rohrabschnitte 6b als Kondensator.

Steigt das erhitzte, zu trennende Mehrstoffgemisch innerhalb der Rektifizierkolonne in Form von Dämpfen nach oben, so werden durch den Dämpfe-Kondensator 5 die höher siedenden Stoffe kondensiert. Und zwar nehmen die innerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten, außenseitig von den aufsteigenden Dämpfen beaufschlagten Rohrabschnitte 6a der Wärmetauscherrohre 6 von den Dämpfen unter deren Kondensation Wärme auf, während die außerhalb des Kolonnenkopfes 1 erstreckten oberen Rohrabschnitte 6b der Wärmetauscherrohre 6 bei der Beaufschlagung mit der zwangsbewegten Außenluft an diese Wärme abgeben, unter Kon-

Jd densierung des Arbeitsmediums der Wärmetauscherrohre 6 in deren Innerem.

Oberhalb des Sammelbodens 2b ist an der Kolonnenkopfwandung 9 außen ein Abzugsstutzen 17 für das oberhalb des Sammelbodens 2b außenseitig der Wärmetauscherrohre 6 anfallende Kondensat angesetzt, über welchen das Kondensat in Richtung des Pfeiles Y abgezogen wird. Am oberen Kolonnenkopfende 10 ist außenseitig oberhalb des Abzugsstutzens 17 an der Seitenwand außerdem ein Austrittsstutzen 18 zum Abzug des Restdampf-Inertgas-Gemisches angesetzt, dem in nicht dargestellter Weise außenseitig eine Vakuumpumpe nachgeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche;

1. Rektifizierkolonne mit einem an ihrem oberen Ende unmittelbar oberhalb des Sammelbodens angeordneten luftgekühlten Dämpfe-Kondensator für das Kopfprodukt, der mindestens ein Bündel aus über einen Teil ihrer Länge parallel nebeneinander erstreckten, mit den innerhalb der Kolonne aufsteigenden Dämpfen sowie mit Kühlluft in Wärmeaustausch stellbaren Wärmetauscherrohren umfaßt, wobei am Sammelboden ein Abzugsstutzen für das oberhalb des Sammelbodens anfallende Kondensat vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (6) als Wärmerohre ausgebildet sind, die mit ihren als Verdampfer wirkenden Rohrabschnitten (6a) innerhalb des Kolonnenkopfes (1) verlaufen, während ihre diesen Rohrabschnitten (6a) abgewendeten anderen, als Kondensator wirkenden Rohrabschnitte (6b) unter gasdichter Hindurchführung durch das obere Ende des Kolonnenkopfes (1) nach außen außerhalb der Kolonne erstreckt sind, wobei die außerhalb der Kolonne erstreckten Rohrabschnitte (6b) der Wärmetauscherrohre (6) außenseitig mit der Kühlluft beaufschlagbar sind.

2. Rektifizierkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (6) in ihren innerhalb des Kolonnenkopfes (1) verlaufenden Rohrabschnitten (6a) als Glattrohre, in ihren außerhalb des Kolonnenkopfes (1) verlaufenden Rohrabschnitten (6b) als Rippenrohre ausgebildet sind.

3. Rektifizierkolonne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Kolonnenkopfes (1) verlaufenden Rohrabschnittc (6a) und η die außerhalb verlaufenden Rohrabschnitte (6b) der Wärmetauscherrohre (6) des Kolonnenkopfes (1) vertikal erstreckt sind.

4. Rektifizierkolonne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Kolonnenkopfes (1) verlaufenden Rohrabschnittc (6a) der Wärmetauscherrohre (6) vertikal und ihre außerhalb des Kolonnenkopfes (1) verlaufenden Rohrabschnitte (6b)nach außen geneigt erstreckt sind.

5. Rektifizierkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (6) im Bereich eines von ihnen gasdicht durchsetzten Rohrbodens (8) nach außen hindurchgeführt sind.

6. Rektifizierkolonne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (8) am Kolonnenkopf (1) über einen an seinem oberen Ende (10) angesetzten, horizontal angeordneten Flansch (10a) festlegbar ist.

7. Rektifizierkolonne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (8) und der Kolonnenkopf (1) miteinander gasdicht verschweißt sind.

8. Rektifizierkolonne nach Anspruch b oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre bo (6) mit dem Rohrboden (8) verschweißt sind.

9. Rektifizierkolonne nach Anspruch 6 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (6) mit dem Rohrboden (8) lösbar verflanscht sind.

10. Rektifizierkolonne nach Anspruch 1 oder ei- ti^r> nem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Endbcreieh (10) der Kolonne oberhalb eines Ab/.ugsstut/.cns (17) für das oberhalb des Sammelbodens (2b) anfallende Kondensat ein Austrittsstutzen (18) mit außenseitig angeschlossener Vakuumquelle zum Abzug des Restdampf-Inertgas-Gemisches an den Kolonnenkopf (1) angesetzt ist.

11. Rektifizierkolonne nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den außerhalb des Kolonnenkopfes (1) erstreckten Rohrabschnitten (6b) der Wärmetauscherrohre (6) ein auf das obere Kolonnenkopfende (10) aufgesetzter Luftverteilerkasten (Wa) mit mindestens einem Lüfter (14) einschließlich Lüfterlaufring für die Zwangsbewegung der Kühlluft entlang der außerhalb des Kolonnenkopfes (1) erstreckten Rohrabschnitte (6b) der Wärmetauscherrohre (6) zugeordnet ist.

12. Rektifizierkoionne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb bzw. außerhalb des Kolonnenkopfes (1) erstreckten Rohrabschnilte (6a bzw. 6b) der Wärmetauscherrohre (6) durch jede gedachte Ebene quer zur Längsachse (L) der Kolonne unter Bildung von mindestens zwei zueinander konzentrischen Kreislinien mit ihrem Mittelpunkt auf der Längsachse (L) der Kolonne hindurchtreten.

13. Rektifizierkolonne nach Anspruch 3 oder 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb der Kolonne gebildeten Kreislinien unter seitlicher Abwinkelung der Wärmetauscherrohre (6) in ihrem unmittelbar außerhalb der Kolonne verlaufenden Längenbereich einen größeren Durchmesser als die entsprechenden, innerhalb der Kolonne gebildeten Kreislinien besitzen.

14. Rektifizierkolonne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Luftverteilerkastens (Wa) einerseits durch eine unmittelbar oberhalb des oberen Kolonnenkopfendes (10) quer zur Längsachse (L) der Kolonne erstreckte, im wesentlichen ebene Unterwand (12) sowie andererseits durch eine zur Unterwand (12) oberhalb der obcrscitigen Enden der Wärmetauscherrohre (6) etwa parallel erstreckte, im wesentlichen ebene Oberwand (13) gebildet sind, wobei der Lüfter (14) in der Oberwand (13) zentrisch als saugender Lüfter angeordnet ist.