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Vorrichtung zur Zerlegung flüssiger Mehrphasengemische in die reinen Phasen
In der chemischen Technik tritt häufig das Problem auf, ein flüssiges Zwei- oder Mehrphasengemisch in die reinen Phasen zu zerlegen. Dies gilt vor allem für Extraktionsprozesse, daneben aber auch für andere Verfahren, wie z. B. die Wasserdampfdestillation oder Synthesen, bei denen ein Zwei- oder Mehrphasengemisch als Zwischen- oder Endprodukt auftritt. Zur Trennung nichtmischbarer Flüssigkeiten sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die alle auf der Phasentrennung im natürlichen oder künstlichen Schwerefeld beruhen. Für eine ausreichende Phasentrennung ist in jedem Falle eine bestimmte Verweilzeit erforderlich, die vor allem vom Wichteverhältnis der Phasen, ihrer Viskosität, der Tropfengrösse und der Grenzflächenspannung abhängt.
Für ein gegebenes Flüssigkeitsgemisch ist daher bei vorgegebener Temperatur und gegebenen Schwerefeld die minimal erforderliche Verweilzeit in erster Linie durch die gewünschte Schärfe der Phasentrennung bestimmt. Um die Verweilzeit möglichst kurz und damit die Durchsatzleistung hoch halten zu können, bemüht man sich im allgemeinen, die Trennapparate so zu konstruieren, dass die Anforderungen an die Schärfe der Phasentrennung möglichst niedrig gehalten werden können, d. h. die Bildung einer Mittelschicht, in der beide Phasen gemischt sind, zuzulassen, so lange die Möglichkeit besteht, die reine schwere und die reine leichte Phase oberhalb bzw. unterhalb dieser Mittelschicht abziehen zu können. Ein solch bekannter Apparat ist schematisch und beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt.
Fig. l a ist ein horizontaler Querschnitt längs der Linie A-A der Fig. 1 b und 1 c und Fig. l b ist ein senkrechter Querschnitt längs der Linie B-B der Fig. 1 a und Fig. 1 c ein senkrechter Querschnitt längs der Linie C-C der Fig. 1 a und Fig. 1 b.
Das zu trennende Flüssigkeitsgemisch wird dem Abscheider 1 über den Stutzen 2 zugeführt und durchströmt diesen in Richtung der Pfeile. Dabei tritt eine Aufrahmung bzw. eine Absetzung der leichten und schweren Phase etwa entlang der gestrichelt eingezeichneten Phasengrenzfläche 4 und 5 ein. Oberhalb der Grenzfläche 4 ist nur die reine leichte und unterhalb der Grenzfläche 5 nur die reine schwere Phase vorhanden. Die reinen Phasen treten oberhalb und unterhalb des Trennbleches 6 in die Abzugskammer 7 ein, aus der sie über die Abnahmestutzen 8 und 9 abgezogen werden. Die Wirksamkeit dieser Vorrichtung ist selbstverständlich nur dann gegeben, wenn die Phasengrenzfläche 4 unterhalb der Oberkante und die Phasengrenzfläche 5 oberhalb der Unterkante des Trennbleches 6 bleibt. Das ist aber nur gewährleistet, wenn der Apparat mit nicht zu viel Phasengemisch beaufschlagt wird.
Seine maximale Durchsatzleistung ist daher begrenzt durch die Geschwindigkeit, mit der sich die Phasen so weit trennen, dass die Dicke der Mittelschicht einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt.
Um die Phasentrennung zu verbessern und damit die Durchsatzleistung zu erhöhen, ist es bereits bekannt, in den Trennraum Arn, cheidebleche 10 einzubauen, wie sie z. B. in den Fig. 2 a und 2 c dargestellt sind, die vor allem dazu dienen sollen, die Fallhöhe der Tropfen zu verkleinern. Dadurch kann tatsächlich eine gewisse Verbesserung der Phasentrennung erreicht werden, doch bleibt die damit erzielbare Vergrösserung der Durchsatzleistung in verhältnismässig bescheidenen Grenzen. Dies gilt besonders dann, wenn der Abscheider möglichst flach sein soll, wie es z. B. für kolonnenartig übereinander gebaute mehrstufige Mischer und Abscheider erwünscht ist.
In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, dass man eine weit stärkere Verbesserung des Trenneffektes, als sie durch Verringerung der Fallhöhe möglich ist, erreichen kann, wenn es gelingt, Voraus-
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setzungen für die schnelle Vergrösserung der Tropfen zu schaffen. Da die Tropfengrösse in dem zu trennenden Gemisch im allgemeinen vorgegeben ist, sei es durch den Dispersionsgrad, in dem das Gemisch anfällt, sei es deshalb, weil man vor der Phasentrennung eine möglichst kleine Tropfengrösse zum Verbessern des Stoffaustausches anstrebte, muss diese Tropfenvergrösserung erst im Abscheider selbst bewirkt werden.
Es ist ferner bekannt, dass diese Tropfenvergrösserung auf sehr einfache und verlässliche Weise dadurch erzielt werden kann, dass das zu trennende Gemisch an möglichst viel scharfen Kanten und Spitzen vorbeigeführt wird, wobei darauf Rücksicht zu nehmen ist, dass zwischen den scharfkantigen Körpern noch ein ausreichend freier Querschnitt für den Durchtritt der Flüssigkeit verbleibt.
So wurde bei dem aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 245. 551 bekannten Verfahren als Füllung für den Absetzraum eine Schüttung von Glasscherben vorgesehen. Nun wurde aber festgestellt, dass sich mit dieser Schüttung nicht die erfindungsgemässe Anzahl scharfer Kanten von 10 bis 25 cm je cm2 Oberfläche in den Absetzraum einbringen lässt, wenn in diesem noch ein genügend freier Raum vorhanden sein soll.
Dieser freie Raum soll 50 bis 99% des Gesamtraumes betragen. Es wäre zwar mit einer Glasscherbenschüttung an sich möglich, mindestens 1 cm scharfe Kanten je cm2 Oberfläche zu schaffen. Es müssten dann aber die Scherben so klein sein, dass ein freierRaum von mindestens 50% des Schüttvolumens nicht eingehalten werden kann. Wird umgekehrt ein genügend freier Raum gewünscht, müssten die Glasscherben so gross gehalten werden, dass nicht die nötige Anzahl scharfer Kanten erhalten wird.
Dies wird bei einer Vorrichtung zur Zerlegung flüssiger Mehrphasengemische in die reinen Phasen in einem natürlichen oder künstlichen Schwerefeld, die aus einem mit Einbauten versehenen Trennraum mit einer Zuleitung für das Mehrphasengemisch besteht und am anderen Ende mittels einer Trennwand von einer mit Ableitungen für die reinen Phasen versehenen Abzugskammer abgeteilt ist, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Einbauten aus scharfkantigen Metallspänen, Metallbändern oder Geflechten bestehen, deren Dimension in einer Richtung mindestens dreimal so gross ist wie in den anderen und die je cm2 Oberfläche 10-25 cm scharfe Kanten aufweisen.
Innerhalb dieser Bereiche sind die vorteilhaften Wirkungen der scharfen Kanten bereits erreicht, so dass eine wesentliche Überschreitung des Verhältnisses keine nennenswerte Verbesserung der Abscheidewirkung erbringt ; anderseits ist eine Füllung mit einem besonders hohen Verhältnis der scharfen Kanten zur Oberfläche nicht mehr so einfach herzustellen, insbesondere wenn eine wesentliche Verminderung des freien Querschnittes der Abscheidekammer vermieden werden soll. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Geweben aus scharfkantigen Bändern von etwa 0, 5 bis 2 mm Breite, wie sie z. B. zum Reinigen von Metallgegenständen verwendet werden.
Die Füllung des Trennraumes mit der gleichen Menge an runden Drähten oder Geweben aus solchen, bringt bei weitem nicht den gleichen Abscheidungseffekt. Der mit einer Füllung aus runden Drähten erreichte Abscheidungseffekt unterscheidet sich kaum von dem ohne Füllung erzielbaren.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht die Verwendung relativ schmaler Metallstreifen vor, die vorzugsweise ausserdem so eingeordnet werden können, dass diese gleichzeitig in bekannter Weise eine Verringerung der Fallhöhe bewirken, wie z. B. in Fig. 3 a bis 3 c dargestellt.
Für diese Ausführungsform der Erfindung müssen die Streifen so schmal sein, dass ihre Breite 2 cm und vorzugsweise 1 cm nicht übersteigt, um in den geforderten Bereich von mindestens 10 cm scharfer Kante je cm2 Oberfläche zu kommen.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert.
Beispiel :
Der Abscheideversuch wurde in dem in Fig. 1 dargestellten Apparat durchgeführt. Der Abscheider hatte einen Innendurchmesser von 800 mm, war 300 mm hoch und das Trennblech war in einem Abstand a = 120 mm vom Absaugstutzen entfernt angebracht. Als Testgemisch wurde ein Gemisch von 10 Vol.-% technischem Pentan, 40 Vol.-% Kokereibenzol mit einem Aromatengehalt von 90% und 50 Vol.-% Extraktionsmittel verwendet, das aus N-Methyl-Pyrrolidon mit einem Wassergehalt von 17% bestand.
Bei diesem Gemisch beträgt die Grenzflächenspannung 0, 1 dyn/cm, die Dichtedifferenz 0, 113 g/ml, die beiden Phasen wurden im Volumenverhältnis von 55 Teilen Extraktionsmittel (schwere Phase) zu 45 Teilen Kohlenwasserstoffgemisch (leichte Phase) angewendet. Als zulässige Mischschichthöhe wurde eine Höhe von 250 mm festgesetzt, da die Höhe des Trennbleches 260 mm betrug.
Ohne Füllung konnte diese Mischschichthöhe bis zu einer Flächenbelastung (durchgesetzte Gesamtmenge in m3/h bezogen auf Grundfläche des Abscheiders in m 2) von 9, 4 m 31m 2. h aufrechterhalten werden.
Bei Einbauten im Trennraum, gemäss Fig. 2, konnte diese Belastung auf 12, 2 m3/M2. h erhöht werden, was einer Belastungssteigerung von 30% entsprach. Diese Einbauten wurden durch eine Füllung von Metalldrehspänen ersetzt, die im Durchschnitt 50 mm lang und 3 mm breit waren und zum Teil spiralige Form hatten ; dabei war eine Erhöhung der Belastung auf 20, 8 m 3 Jm 2. h möglich, ohne die zulässige Mischschichthöhe zu überschreiten. Wurde statt der Metalldrehspäne eine Füllung handelsüblicher Topfreiniger, d. h. lockere Gewebe aus scharfkantigen Metallbändern mit 1-2 mm Breite verwendet, konnte die Belastung auf 22 m3Jm2. h gesteigert werden.