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Verfahren und Vorrichtung zur Stofftrennung flüssiger Gemische durch teilweise Verdampfung
DieErfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Stofftrennung flüssiger Gemische durch teil- weise Verdampfung, bei dem die erforderliche Verdampfungswärme durch den im Gleichstrom mit dem zu trennenden Gemisch zugeführten Dampf gedeckt wird sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Neben den verschiedenen Destillationsverfahren zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen mit ver- schiedenen Dampfdrucken bzw. Gemischen auf Basis der Unlöslichkeit oder geringen Löslichkeit der Kom- ponenten, bei welchen Verfahren die Wärmezufuhr indirekt durch Heizflächen erfolgt, ist auch die De- stillation durch einen Hilfsstoff im Dampfzustand möglich. Da als Hilfsstoff hiefür insbesondere Wasser- dampf Verwendung findet, ist diese Art der Destillation als Wasserdampfdestillation bekanntgeworden.
Die Verdampfungswärme des zu verdampfenden Stoffes kann dabei sowohl durch den zugeführten Dampf als auch durch mittelbare Wärmeübertragung durch Heizflächen gedeckt werden.
Die Wasserdampfdestillation bietet verschiedene Vorteile. So wird die Betriebstemperatur durch den anteiligen Wasserdampfpartialdruck mehr oder weniger gesenkt, so dass die thermische Zersetzung, besonders von organischen Stoffen, weitgehend vermindert oder ganz und gar vermieden wird. Auch braucht bei der Abtreibung kleiner Mengen eines niedrigsiedenden Stoffes nicht die Gesamtmenge auf die hohe Temperatur des hochsiedenden Stoffes erwärmt zu werden, da der niedrigsiedende Stoff partialdruckmä- ssig mit dem Wasserdampf übergeht.
Ein besonderer Vorteil ist bei der Wasserdampfdestillation darin zu sehen, dass auf Wärmeaustauschflächen ganz verzichtet werden kann, welche sehr oft zu Schädigungen der Produkte durch örtliche Überhitzungen und weiterhin zu einem Verkrusten der Wärmeaustauschflächen führen können. Auch ist Lei einer ausreichenden Wasserdampfverteilung in einer Flüssigkeitsschicht der Wärmeübergang nur von den Strömungsverhältnissen zwischen Dampfblase und Flüssigkeit abhängig, im Gegensatz zum allgemeinen Wärmedurchgang (mindestens zwei Wärmeübergänge und eine Wärmeleitung) einer Heizflächenwand.
Diesen Vorteilen der Wasserdampfdestillation stehen aber auch Nachteile durch den zusätzlichen Wärmebedarf des erforderlichen Wasserdampfes, die grösseren Rohrquerschnitte und die Kondensationsapparaturen gegenüber. Bei den bisher bekannten, absatzweise arbeitenden Wasserdampfdestillationen wird der Wasserdampf möglichst gut verteilt und in einem Behälter in das zu trennende Stoffgemisch durch eine Einblasevorrichtung eingeleitet. Die Grösse des Behälters für die Wasserdampfdestillation wird damit durch die Menge des zu trennenden Stoffgemisches bestimmt, wobei das zu trennende Stoffgemisch während der gesamten benötigten Zeit der Wasserdampfdestillation mindestens auf der Siedetemperatur des ProduktWasserdampfgemisches gehalten werden muss.
Ausserdem muss der Weg der aufsteigenden Blasen in der Flüssigkeitsschicht ausreichend gross sein, damit die für die Diffusion aus der Flüssigkeitsschicht in die Dampfblase erforderliche Zeit zur Verfügung steht, wobei weiterhin die für den Stoffaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche durch die Grösse der Dampfblasen festgelegt ist.
Ein derartiges Verfahren ist z. B. durch die brit. Patentschrift Nr. 798. 970 bekanntgeworden, gemäss welcher der Dampf von unten in einen Behälter eingeblasen wird, wobei die Mischung von Dampf und Flüssigkeit in einer vertikalen Röhre erfolgt, mit der das Destillationsgefäss verbunden ist ; die Destilla-
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tion erfolgt dann in Gefässen, in welchen der Dampf durch die Flüssigkeitsschicht nach oben steigen muss, womit die bereits geschilderten Nachteile verbunden sind.
Auch bei der bekannten kontinuierlichen Wasserdampfdestillation in Gegenstromkolonnen, bei denen oben das zu trennende Stoffgemisch und unten der Dampf einströmen, ist der Apparateaufwand wegen der verhältnismässig kleinen Dampfgeschwindigkeiten - um den Gegenstrom zu ermöglichen-beachtlich gross. Das durch die Kolonne fliessende Flüssigkeitsgemisch befindet sich während seiner Durchlaufzeit durch die Kolonne ebenfalls auf Siedetemperatur des Produkt-Wasserdampfgemisches.
Diese längeren Verweilzeiten bei den Siedetemperaturen führen aber bei verschiedenen zu trennen- den Stoffgemischen wieder zu thermischen Zersetzungen oder auch zur Polymerisation, welchen Vorgän- gen nur durch weitere Senkung der Temperatur und damit weiterer Erniedrigung des Betriebsdruckes bei der bekannten Wasserdampfdestillation begegnet werden kann. Zum andern bedingen die Flüssigkeits- schichten bei der diskontinuierlichen Arbeitsweise in Behältern bzw. der Druckverlust des Dampfes bei der kontinuierlichen Arbeitsweise in Kolonnen bei der Wasserdampfdestillation unter gleichzeitiger Anwen- dung von Vakuum wieder eine erhöhte Betriebstemperatur durch das für die Strömung des Dampfes erfor- derliche Druckgefälle.
Bei der kontinuierlichen Arbeitsweise in Kolonnen mit Einbauten oder Füllkörpern kommt bei der
Abdampfung einer Komponente aus einer Suspension oder gegebenenfalls einer Lösung noch die Schwie- rigkeit hinzu, dass die Kolonne durch die Feststoffteilchen verstopft wird bzw. in periodischen Zeitabstän- den eine Reinigung der Kolonnen erforderlich ist.
Beim erfindungsgemässen Verfahren werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass das zu trennen- de Stoffgemisch mit der für die Abtreibung einer oder mehrerer Komponenten erforderlichen Dampfmenge einer Abtreibkolonne, z. B. einem vertikalen Abtreibrohr oben zugeführt wird und diese zusammen im
Gleichstrom durch das Abtreibrohr strömen.
Das zu trennende Stoffgemisch wird dabei möglichst fein im Dampf verteilt. Dies kann einmal dadurch'erreicht werden, dass das zu trennende Stoffgemisch in einer Düse durch den dem Abtreibrohr zu- strömenden Dampf zerstäubt wird. Zum andern kann auch das zu trennende Stoffgemisch durch den eigenen Flüssigkeitsdruck mittels einer Düse in den getrennt zuströmenden Dampf zerstäubt werden bzw. können auch die andern, allgemein bekannten Flüssigkeitsverteiler Verwendung finden. Die Arbeitsweise des Abtreibrohres ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass auf der Länge des Abtreibrohres verteilt in bestimmten Abständen Flüssigkeitsverteiler angeordnet sind, so dass die nicht von Dampfstrom mitgeführte, an der Wand herabfliessende Flüssigkeitsschicht von der Wand abgeleitet und wieder im turbulenten Dampfstrom verteilt wird.
Durch die vollständige Durchmischung der Phasen und der dabei auftretenden Turbulenz zwischen dem Dampf und den darin verteilten Flüssigkeitstropfen wird erreicht, dass sich das Gleichgewicht zwischen Dampf und dem zu trennenden Stoffgemisch schnell einstellen kann, d. h. dass der abzutreibende Teil des Stoffgemisches sich seinem durch Betriebstemperatur und Betriebsdruck bestimmten Partialdruck soweit wie möglich nähern kann und damit fast volle Sättigung erreicht wird.
Beim erfindungsgemässen Verfahren erfolgt die Abtreibung des leichter siedenden Teiles aus dem zu trennenden Stoffgemisch innerhalb weniger Sekunden, so dass sich selbst Substanzen, die sich leicht zersetzen oder auch zur Polymerisation neigen, nach dieser Verfahrensweise trennen lassen. Ebenfalls können Suspensionen oder gesättigte Lösungen nach diesem Verfahren teilweise verdampft werden, da im Abtreibrohr ausser den Flüssigkeitsverteilern keine Einbauten oder Füllkörper vorhanden sind, die eine Reinigung in kürzen Zeitabständen bedingen.
Um den Kondensatanfall des Treibdampfes zu verringern, kann wie bei der gewöhnlichen Wasserdampfdestillation beim erfindungsgemässen Verfahren auch mit überhitztem Dampf oder zusätzlicher indirekter Wärmezufuhr gearbeitet werden. Auch sonst weist dieses neue Verfahren alle bei der gebräuchlichen Wasserdampfdestillation geschilderten Vorteile auf.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend an Hand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispieles im Vergleich zu bekannten Trennmethoden weiter erläutert.
Bei der Herstellung von Methylmethacrylat aus Acetoncyanhydrin muss nach der Verseifung mit Wasser und der Veresterung mit Methanol aus dem anfallenden Gemisch das Methylmethacrylat abgedampft werden. Bereits bei der Veresterung zeigt sich eine gewisse Polymerisation des Monomeren trotz Inhibierung. Besondere Schwierigkeiten bereitet jedoch die Destillation des Methylmethacrylates aus dem Veresterungsgemisch, welches neben dem zu gewinnenden Methylmethacrylat unter anderem noch Schwefelsäure, Ammoniumbisulfat, Methacrylsäure, Wasser und Methanol enthält.
Versucht man aus einem 3,8 Mol-Ansatz dasMethylmethacrylat mit der gewöhnlichen Wasserdampf-
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destillation aus einem noch zusätzlich indirekt beheizten Glaskolben abzutreiben, so ist dafür am Ende des Versuches eine Temperatur von 1400C bei einem Vakuum von 12 Torr und einer Versuchsdauer von 60 min erforderlich, um aus der sich bei etwa 1150C Sumpftemperatur bildenden Salzschmelze die letzten Ester- bzw. Säurereste abtreiben zu können. Oberhalb 1400C tritt Zersetzung ein. Bei dieser Art der Destillation werden etwa 16% des gebildeten Methylmethacrylates durch den Wasserdampf wieder verseift.
Ausserdem ist der auf diese vorstehend beschriebene Art gewonnene Rückstand braun bis schwarz gefärbt und enthält verhältnismässig viel Polymerisat.
Bei der Wasserdampfdestillation in einer Gegenstromkolonne von 26 mm lichtem Durchmesser und einer Kolonnenlänge von 900 m mit Raschigringen wurde die Menge entsprechend einem 3, 8 Mol-Ansatz ebenfalls in einer Zeit von 60 min tropfenweise auf den Kopf der Kolonne aufgegeben, während Wasserdampf bei 200 Torr entgegengeblasen wurde. Hiebei zeigte sich sogar eine Verseifung von ungefähr 21% des aufgegebenen Methylmethacrylates durch den im Gegenstrom mit dem zu trennenden Veresterungsgemisch geführten Wasserdampf.
Wurde dagegen nach dem erfindungsgemässen Verfahren gearbeitet, so konnte weder eine Verseifung durch den Wasserdampf noch Polymerisation im Abtreibrohr festgestellt werden. Im Hinblick auf die schonende Behandlung des Veresterungsgemisches trat auch keinerlei Verfärbung des Rückstandes auf.
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Länge von 3, 8 m und die Flüssigkeitsverteilerringe, welche für eine erneute Verteilung der an der Glasrohrwand herabfliessenden Flüssigkeit im turbulenten Dampfstrom sorgten, hatten einen Abstand von 300 mm. Nach der Flüssigkeitsabscheidung trat der Dampf mit einer Temperatur von 56 bis 59 C am unteren Teil des Abtreibrohres aus. Die Versuchsdauer betrug dabei nur 7 min bei einer Wasserdampfleistung von 2, 7 kg/h, wobei die eigentliche Verweilzeit des Dampfes im Abtreibrohr weniger als 1 sec war.
Ausserdem konnte bei den Versuchen ermittelt werden, dass kein Methylmethacrylat mehr im Rückstand verblieb. Mit dem Wasserdampf gingen neben dem Methylmethacrylat auch Methanol und Methacrylsäure über.
Eine Vorrichtung zur Stofftrennung gemäss der Erfindung ist an Hand eines Beispieles für die Verfahrensschaltung eines Abtreibrohres in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Das zu trennende flüssige Gemisch läuft bei 1 über einen Zulaufbehälter 2 oder auch direkt einem Flüssicheitsverteiler 3 am Kopf des Abtreibrohres 4 zu, wo es mit dem Abtreibdampf 5 gemischt wird.
Gemäss der Zeichnung erfolgt die Verteilung des flüssigen Gemisches im Flüssigkeitsverteiler 3 durch den zuströmenden Abtreibdampf 5. Es kann der Abtreibdampf 5 aber auch direkt in den Kopf des Abtreibrohres 4 geleitet werden, wenn für eine andere gute Flüssigkeitsvertellung gesorgt ist.
Die an der Wand des Abtreibrohres 4 herunterfliessende Flüssigkeit wird durch in bestimmten Abständen angebrachte Flüssigkeitsverteiler 6 im Dampfraum neu verteilt, wodurch für eine gute Mischung zwischen der flüssigen und dampfförmigen Phase gesorgt wird. Die Abstände und Abmessungen der Flüssigkeitsverteiler 6 und die Dampfgeschwindigkeit sind so gewählt, dass eine turbulente Strömung im Abtreibrohr 4 vorherrschend ist.
Im Abscheider 7 werden die Flüssigkeitstropfen aus dem Dampfgemisch abgeschieden ; während der flüssige Rückstand bzw. die Suspension bei Vorhandensein von Feststoffteilchen bei 8 entnommen wird, strömt das Dampfgemisch 9 einem Kondensator 10 zu, welcher sowohl indirekt als auch direkt gekühlt sein kann, wobei er im letztgenannten Falle als Einspritzkondensator arbeitet.
Das bei 11 anfallende flüssige Gemisch kann im Falle der Unlöslichkeit oder nur teilweisen Löslichkeit gegebenenfalls einem Schwerkraftabscheider 12 zugeführt werden, indem der für die Stofftrennung erforderliche Dampf in flüssiger Phase abgeschieden wird.
Erforderlichenfalls kann das Dampfgemisch 9 auch einer weiteren Verfahrensstufe, wie z. B. einer Rektifizierkolonne, Waschkolonne usw. zugeführt werden, da das erfindungsgemässe Abtreibrohr 4 die partielle Verdampfung und damit Stofftrennung sowohl flüssiger Gemische als auch Lösungen oder Suspensionen zur Aufgabe hat.
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