(Teilen) Einführung in die Leistungsmerkmale und Eigenschaften von strukturierten Füllstoffen für die Lufttrennung

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Geordnete Füllstoffe weisen Vorteile wie eine große Oberflächenfläche, eine regelmäßige Struktur, einen hohen Porenanteil, einen hohen Durchfluss, einen geringen Druckabfall sowie eine große Betriebsflexibilität auf. Mit zunehmendem Durchmesser der Füllertürme wird der Optimierung der Füllermorphologie, die Entwicklung von Füllstoffen in verschiedenen Größen und Materialien mit hoher Effizienz, niedrigem Druckverlust und hohem Durchfluss, die optimale Abstimmung zwischen den Füllstoffen und den anderen Komponenten des Turms sowie die Untersuchung der Flüssigkeitsströmung und -verteilung im Füllschichtbereich immer mehr beachtet. Die in den 1960er Jahren entwickelten Gitterwellenfüllstoffe sowie Plattenwellenfüllstoffe sind derzeit die am weitesten verbreiteten geordneten Füllstoffe. Für moderne, geordnete Füllstoffe sollte man in erster Linie das Unternehmen Sulzer in Betracht ziehen. In den 1960er Jahren entwickelte das Unternehmen Wellenföller aus Metallgeweben. Im Jahr 1977 wurden anschließend die Mellapak-Föller in Plattenform eingeführt. Im Jahr 1994 wurde schließlich ein neuentworfener, mehrkanaliger Optiflow-Föller entwickelt. Damit zeigte sich, dass die Forschung und Entwicklung von geordneten Föllern weiterhin andauert. Die von der japanischen Mitsubishi Corporation hergestellten Mc-pak-Füllstoffe basieren größtenteils auf den Mellapak-Füllstoffen. In den letzten Jahren wurden die Füllstoffe Rombopak der Schweizer Firma KUHNI sowie die Füllstoffe Raschig-Superpak der deutschen Firma RASCHIG erfolgreich entwickelt und eingesetzt. Unser Land begann in den 1960er Jahren mit systematischen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an geordneten Füllstoffen und hat bereits ein relativ vollständiges Forschungs- und Produktionsystem aufgebaut. Die Tianjin-Universität und die britische Aston-Universität haben gemeinsam ein pulsierend reguliertes Füllmaterial entwickelt, das UnaPak genannt wird ； Die Tsinghua-Universität und das Shanghai Research Institute of Chemical Industry haben jeweils wellenförmige Füllstoffe für Walzplatten entwickelt ； Die Sinopec Luoyang Engineering Company hat das LH-Typ-Geordnetepflaster entwickelt. Dabei hat das Nationale Ingenieurforschungszentrum für Destillationstechnologie der Tianjin-Universität auf der Grundlage effizienter Füllmaterialien ein neues, hochwirksames Wellenfüllmaterial entwickelt – das bidirektionale Wellenfüllmaterial. Dieser Füllstoff weist eine große Massentransport-Oberfläche auf, die Gas- und Flüssigkeitsströme sind optimal gestaltet, die Querdiffusionsfähigkeit ist hoch. Zudem übertrifft er die metallenen Wellenfüllstoffe in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegen Verstopfungen, Steifigkeit, Druckabfall sowie Durchflusskapazität deutlich. In den letzten Jahren hat mit dem raschen Wachstum von Branchen wie der Feinchemie, der Petrochemie und der Düngemittelindustrie die Forschung an verschiedenen neuen Typen von Füllstoffen für Türme an Bedeutung gewonnen. Die Entwicklung und industrielle Anwendung effizienter Füllstoffe hat gezeigt, dass strukturierte Füllstoffe, insbesondere wellenförmige Füllstoffe, deutliche Vorteile aufweisen und bei der Ersetzung herkömmlicher Füllstoffe sowie bei technischen Modernisierungen von Plattenkolonnen besonders wirksam sind. Die Entwicklung neuer Füllstoffe sowie ihre großtechnische industrielle Anwendung sind derzeit eine bedeutende Leistung in der internationalen Forschung und Anwendung von Kolonnen. 1. Der Druckabfall bei geordneten Füllstoffen ist deutlich geringer. Da bei geordneten Füllstoffen die Gas- und Flüssigkeitsphasen in Form einer Membran in Kontakt kommen, unterscheidet sich dies vom Blasenkontakt der Phasen in Torenkolonnen. Daher beträgt der Druckabfall in Füllstoffkolonnen nur 1/4 bis 1/6 des Wertes in Torenkolonnen. Wenn der Betriebswiderstand in der Kolonne mit geordneten Füllstoffen bei 3,5–4,2 kPa liegt und der Betriebsdruck am Boden nur bei 35–45 kPa beträgt, wird in der unteren Kolonne in der Regel weiterhin eine Siebplattenkolonne verwendet. Der Betriebswiderstand bleibt dabei unverändert. Daher sinkt der Betriebsdruck in der unteren Kolonne um 0,05–0,06 MPa – in der Regel auf 0,44–0,48 MPa. Dadurch kann die Drehleistung des Luftkompressors um 5–7 % verringert werden. 2. Die Regelmäßig angeordneten Füllstoffe sorgen für eine hohe Trennleistung. Je niedriger der Betriebsdruck im Turm ist, desto besser ist die Trennung von Sauerstoff, Stickstoff und Argon – insbesondere die Trennung von Sauerstoff und Argon. In der Regel kann die Ausbeute an Sauerstoff um 1% bis 3% gesteigert werden, während die Ausbeute an Argon um 5% bis 10% erhöht werden kann. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Ausbeute an Sauerstoff in den Sauerstoffscheidungsanlagen bereits über 99% liegt, während die Ausbeute an Argon über 80% beträgt. Die Extraktionsrate des Destillations Towers hängt in hohem Maße auch von der Menge an ausgedehnter Luft ab, die in den Tower eingeleitet wird. Insbesondere hat dies einen großen Einfluss auf die Extraktionsrate von Argon. Daher ist es entscheidend, die isentropische Effizienz der Turbinen sowie das Verdichtungsverhältnis der Verdichter ständig zu verbessern, um so die Extraktionsrate des Destillations Towers zu erhöhen. 3. Die Flüssigkeitsmenge in den geordneten Füllstoffen ist gering. In Treibhausanlagen mit geordneten Füllstoffen beträgt die Flüssigkeitsmenge in der Regel nur 1% bis 6% des Volumens der Anlage. In Treibhausanlagen mit Siebplatten hingegen liegt die Flüssigkeitsmenge bei 8% bis 10% des Volumens der Anlage. Eine geringe Flüssigkeitsmenge bedeutet, dass die Flüssigkeit nur kurze Zeit im Turm verweilt, der Betriebsdruckabfall gering ist, was eine Betrieb unter wechselnden Bedingungen erleichtert. Der Designbereich für regelmäßig gefüllte Kolonnen reicht von 40 % bis 120 %. Bei der Sauerstoffgewinnung in dem 12.000 m³/h fassenden Lufttrennungsgerät der fünften Stahlfabrik kann die Menge des erzeugten Sauerstoffs zwischen 9.000 und 14.000 mm³/h eingestellt werden. Der Betriebsbereich liegt dabei bei 75 % bis 117 %. 4. Die Porengröße des geordneten Füllstoffs ist groß – der Porenanteil beim geordneten Füllstoff beträgt mehr als 95 %. In Trennplattentürmen macht die Fläche der Öffnungen in den Platten 80 % der Querschnittsfläche des Turms aus, wobei der Anteil der geöffneten Flächen bei 8 % bis 12 % liegt. Das ist deutlich weniger als der Porenanteil in den Füllschichten. Bei derselben Last ist der Durchmesser des Treiberturms einer Füllerturm-Anlage kleiner als der eines Siebtrumans ； Im Allgemeinen beträgt ihre Querschnittsfläche nur etwa 70 % der einer Siebträgerkolonne. Für große Sauerstofferzeugungsanlagen ist eine kleinere Kolonne somit günstiger, da sie leichter transportiert werden kann. 5. Die Startzeit der Anlage wird erheblich verkürzt. Der Startvorgang der Sauerstofferzeugungsanlage erfolgt ohne Produktausstoß. Daher ist die Verkürzung der Startzeit eine Möglichkeit, den Energieverbrauch der Anlage zu senken. Die Startzeit bezeichnet die Zeit, die benötigt wird, um den Expander in Betrieb zu nehmen und Sauerstoff zu gewinnen. Durch den Einsatz von geordneten Füllmaterialien im Aufbereiterturm sinkt die Menge an Flüssigkeit, die während des normalen Destillationsprozesses vorhanden ist, erheblich. Dadurch wird die Startzeit der Anlage stark verkürzt. In der Regel beträgt die Startzeit nur noch 26–30 Stunden. 6. Der Sauerstoffgehalt im Argongehalt beträgt etwa 90 %. Um diesen Wert direkt auf 1–2×10-4 % zu senken, ist die Anwendung der Verdampfungskühlungsmethode erforderlich. Dabei werden etwa 180 Theoretische Plateaus in der Verdampfungstürme benötigt; bei Schichttürmen sind es etwa 300 Plateaus. Der Widerstand liegt dabei bei etwa 100 kPa. Offensichtlich kann das Rohargon somit nicht aus dem Turm abgeleitet werden. Für regelmäßige Füllmaterialien sind hingegen etwa 45 m Höhe erforderlich. Der Widerstand beträgt nur 14–16 kPa, wodurch eine vollständige Destillation von Argon möglich wird.