Auswahl und Dimensionierung von Kolonnenböden

Abb. 1 Schematischer Aufbau des Bodenprüfstandes a) Luftansaugrohr b) Messblende c) Ventilator d) Durchflussregulierung e) Luftkanal f) Vorraum g) Prüfzarge h) Absperrventil i) Wasserpumpe j) Regelventil k) Durchflussmesser

Abb. 2 Zweiflutiger Siebboden DN 2800

Abb. 3 Ventilboden DN 1600 mit A3-Käfigventil

Stoffaustauschböden werden abhängig von Trennaufgabe, Gemischeigenschaften und Werkstoffauswahl in unterschiedlichen Apparaten eingesetzt. Die richtige Auswahl des jeweiligen Bodentyps sowie eine exakte fluiddynamische Auslegung und Optimierung sind die Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz.

Kolonnenböden bieten gegenüber geordneten Packungen und Füllkörpern den Vorteil, dass sich bei Bedarf eine große Anzahl von Seitenabzügen und Zuläufen kostengünstig realisieren lassen. Bei Verschmutzungen und Verkrustungen ist der Einsatz von Böden sogar die einzige Möglichkeit, Anlagen mit hoher Standzeit und geringem Reinigungsaufwand zu bauen. Zur optimalen Auslegung von Bodenkolonnen ist die Kenntnis der Eigenschaften der Einbauten sehr wichtig. Besonders von Bedeutung ist die jeweils zulässige maximale und die minimale Belastungsgrenze für Dampf und Flüssigkeiten. Die hydraulische Prüfung auf dem Bodenprüfstand bildet dabei die Grundlage für Dimensionierung, Auslegung und numerische Berechnungen. Sowohl bei den hydraulischen Messungen als auch den numerischen Berechnungen steht hauptsächlich die genaue Ermittlung von drei Größen im Vordergrund: Druckabfall, Bodenstabilität (Durchregnen der Flüssigkeit) und Entrainment (Mitreißen von Flüssigkeitstropfen).

Im Bodenprüfstand der Kölner Schmidding-Werke wurden jahrelang unterschiedliche Böden mit Durchmessern zwischen 800 und 4000 mm untersucht. Die dort ermittelten, experimentellen Daten wurden systematisch sowohl mit der Software der Cetec GmbH als auch mit dem Programm TrayHeart ausgewertet. Um die Eigenschaften der einzelnen Bodentypen zu ermitteln, wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt: Trockener Druckverlust, nasser Druckverlust, Bodenstabilität, Entrainment, Flüssigkeitsführung, Bodenebenheit, Zu- und Ablaufwehrkonstruktion, Abdichtungen sowie Bodenbefestigungen und andere.

Nicht nur die Ermittlung von hydraulischen Kenngrößen des Bodens, sondern auch die Eignung des Bodentyps für unterschiedliche Stoffmedien stehen bei dem Bodenprüfstandtest im Vordergrund. Physikalische Eigenschaften wie Viskosität, Oberflächenspannung sowie Schaumeffekt und deren Einfluss auf die Konstruktion des Bodens werden getestet und für die Auslegung berücksichtigt.

Alle fluiddynamischen Berechnungen werden mit TrayHeart von WelChem Process Technology durchgeführt. Es bündelt alle verschiedenen ein-, zwei- und vierflutigen Bodentypen (Sieb, Ventil, Glocke), Dualflow, Füllkörper und Packungen unter einer Benutzeroberfläche. Es erlaubt damit einen schnellen Vergleich verschiedener Design-Varianten. Hervorzuheben ist neben der komfortablen Eingabe aller möglichen Geometriedetails (eingezogene Schächte, gezackte Wehre, Zulaufwehre, Beruhigungszonen, Rohrablaufschächte) auch die Berücksichtigung von fertigungstechnischen Aspekten (z. B. Verlustzonen durch Segmentstöße). Dies stellt sicher, dass der Anwender zu einer realisierbaren Lösung kommt.

Böden finden ihre Anwendung bei Destillation, Rektifikation, Extraktion, Reaktivdestillation sowie in Gaswäschern und Strippern. In der Praxis werden sehr oft Entscheidungen für die Auswahl und Anwendung eines Bodens nach vorhandener Erfahrung getroffen, was grundsätzlich und in vielen Fällen auch richtig ist. Ist aber diese Erfahrung nicht vorhanden oder nicht abrufbar, so können durch eine einfache systematische Fragestellung und ein Ausschlussverfahren die geeigneten Böden bestimmt werden. Dabei ist die Beachtung der Reihenfolge der Fragestellung das wichtigste Kriterium für die richtige Auswahl.

Dampf- und Flüssigkeits-Belastungsbereich (Minimum, Normal, Maximum)

Verschmutzung- und Verkrustungsgefahr

Max. Druckverlust über alle Einbauten

Auswahl des Bodentyps

Nach der Auswahl und Auslegung der Böden soll die Wirtschaftlichkeit der Böden ermittelt werden. Für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen werden die Anzahl der Böden, das Material der Einbauten und die Kolonne selbst berücksichtigt. Erst nachdem dieser Schritt durchgeführt ist, sollte eine endgültige Auswahl und Optimierung erfolgen.

Der Ventilboden ist wegen seines großen Anwendungsbereiches der gegenwärtig am häufigsten eingesetzte Stoffaustauschboden. Eine hohe Trennwirkung über einen sehr großen Belastungsbereich ist das Hauptmerkmal dieses Bodens. Verschiedene Ventiltypen mit unterschiedlichen Merkmalen erweitern den Einsatzbereich. Der Glockenboden zeichnet sich durch gute Trennwirksamkeit, niedrigen Druckverlust, sehr niedrige Flüssigkeitsbelastung, geringe Leckrate und vor allem guten Betrieb bei sehr unterschiedlichen Gas-Flüssigkeitsverhältnissen aus. Der Siebboden wird häufig bei nicht zu großen Belastungsschwankungen eingesetzt. Bei größeren Lochdurchmessern ist der Siebboden sehr resistent gegen Verschmutzung. Der Tunnelboden ist sehr gut für geringe Flüssigkeitsbelastungen geeignet und neigt kaum zur Verschmutzung.

Wegen ihrer Beständigkeit gegen Säuren, Laugen, Salzlösungen und andere Substanzen, bei denen der Einsatz von Metallwerkstoffen nicht möglich oder sehr kostenintensiv ist, werden Böden aus thermoplastischen Kunststoffen wie PVC (Polyvinylchlorid), PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und PTFE (Polytetrafluorethylen) verwendet.

Dr. A. H. Shadiakhy