Fakten immer zur Hand: Destillationsböden und Verpackungen

Jul 09, 2023

1. März 2020 | Von Scott Jenkins

Industrielle Destillationskolonnen verwenden entweder Böden oder Packungen, um den Dampf-Flüssigkeits-Kontakt bei der Trennung der Komponenten flüssiger Gemische bis zur gewünschten Reinheit zu fördern. Etwa die Hälfte der Kolonnen ist weltweit mit Böden ausgestattet, die andere Hälfte enthält Packungen. Diese einseitige Referenz untersucht die Unterschiede zwischen den beiden und die Prozesssituationen, die sich für das eine oder das andere eignen.

Wenn eine Flüssigkeitsmischung in einer industriellen Destillationskolonne erhitzt wird, konzentriert sich der erzeugte Dampf stärker auf das niedriger siedende (flüchtigere) Material, während die Flüssigkeit stärker auf das höher siedende Material konzentriert ist. Durch die Nutzung dieses Prinzips können Destillationskolonnen Komponenten von Gemischen trennen. Stapel von Metallböden, die horizontal über das Innere der Kolonne ausgerichtet sind, sollen die Flüssigkeit zurückhalten, während der aufsteigende Dampf nach oben strömt. Die Böden verfügen über Öffnungen, damit der Dampf nach oben durch die Kolonne strömen kann, sowie über Leitungen (Fallrohre), damit die kondensierte Flüssigkeit nach unten fließen kann (Abbildung). Die Schale ist so konzipiert, dass sie einen engen Kontakt zwischen dem nach oben strömenden Dampf und der nach unten strömenden Flüssigkeit fördert. Jeder Boden bewirkt einen Teil der Trennung, bevor Dampf und Flüssigkeit zum nächsten Boden in der Kolonne wandern, bis die gewünschten Konzentrationen (Reinheiten) erreicht sind. Zu den gängigen Bodentypen gehören Glockenböden, Ventilböden und Siebböden.

Anstelle eines Stapels einzelner Böden, die für den Dampf-Flüssigkeits-Kontakt sorgen, erleichtern Destillationskolonnen den Flüssigkeits-Dampf-Kontakt, indem sie das Innere der Kolonne mit Packungsmaterialien füllen, die eine große Oberfläche pro Volumeneinheit bieten. Während die flüssige Phase durch den Turm strömt, stehen Dampf und Flüssigkeit auf den Oberflächen der Metall-, Keramik- oder Kunststoffpackungen in ständigem Kontakt. Packungstürme gibt es im Allgemeinen in einer von zwei Formen: zufälliger Packung und strukturierter Packung. Zufallspackungen bestehen aus kleinen Einheiten von Formen mit großer Oberfläche, die in eine Säule geschüttet werden und sich absetzen können. Strukturierte Packungen bestehen aus gewellten Blechen aus perforiertem Metall, Kunststoff oder Drahtgeflecht und werden an Ort und Stelle befestigt. Strukturierte Packungen sind mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen konzipiert und sorgen für eine maximale Flüssigkeitsausbreitung. Gleichzeitig versuchen sie, den Strömungswiderstand gering zu halten. Sowohl Füllkörpertürme als auch strukturierte Füllkörpertürme erfordern Flüssigkeitsverteiler am oberen Ende der Kolonne und Packungsstützplatten am unteren Ende der Kolonne.

Bodenkolonnen und gepackte Kolonnen haben wesentliche Vor- und Nachteile, darunter die folgenden:

Druckverlust. Im Vergleich zu Böden besteht der größte Vorteil von Packungen in geringeren Druckverlusten. Dies gilt insbesondere für Kolonnen, die bei Drücken unterhalb des Atmosphärendrucks betrieben werden. Im Allgemeinen beträgt der Druckabfall über einem Bett aus strukturierter Packung etwa ein Sechstel des Druckabfalls über einem Stapel von Böden mit derselben Gesamthöhe.

Hoher Druck. Es gibt Situationen, in denen Packungen weniger geeignet sind, beispielsweise bei Hochdruckdestillationskolonnen, bei denen es auf reine Produkte ankommt. In den Fällen, in denen die volumetrischen Flüssigkeits-zu-Dampf-Verhältnisse hoch sind, funktionieren Böden in solchen Fällen besser und viel vorhersehbarer.

Verschmutzung. Verschmutzung ist für alle Säulentypen eine Herausforderung. Bei Tabletts können Teile verstopfen und die Fähigkeit verlieren, Flüssigkeit oder Dampf durchzulassen. Bei Packungen können Flüssigkeitsverteiler verstopfen, wodurch die Verteilung nicht mehr optimal ist. Strukturierte Packungen sind viel anfälliger für Verschmutzungen als Füllkörperpackungen, da die Metallbleche strukturierter Packungen eng beieinander liegen.

Überarbeitungen. Im Laufe der Zeit haben Zulieferunternehmen, die neue Schalen- und Verpackungsgeometrien entwickelten, die Leistung dieser Produkte verbessert. Neue Generationen von Böden, Füllkörpern und strukturierten Packungen haben es zeitweise ermöglicht, die Kolonnenleistung durch relativ einfache Umbauten der Kolonne erheblich zu verbessern. Wenn Tabletts Packungen ersetzen, liegt das meist daran, dass die Packungsleistung enttäuschend war. Beim Ersetzen von Böden durch Packungen wird in der Regel ein geringerer Druckabfall angestrebt.

1. Resetarits, M., ReBeau, T. und Thurber, T., Column Revamps: From Outside to Inside, Chem. Eng., April 2015, S. 38–47.

2. Costello, RC, Destillation Teil 1, Packed Towers vs. Tray Plate Towers, abgerufen im Januar 2020 unter: https://rccostello.com/wordpress/distillation/distillation-part-1-packed-towers-vs-tray-plate -Türme.