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Verfahren und Vorrichtung zur fraktionierten Destillation.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, durch das ein Gemisch verschiedener Flüssigkeiten in einem einzigen Destillationsvorgang in zwei oder mehrere Fraktionen von vorher genau bestimmbarer Zusammensetzung getrennt werden soll. Das neue Destillierverfahren ermöglicht es, die eine oder auch beide Komponenten eines binären Gemisches oder eine der Komponenten eines komplexeren Gemisches, in einem einzigen Destillationsvorgang in praktisch reinem Zustande zu erhalten. Ferner umfasst die Erfindung noch einen Apparat zur Ausübung des neuen Verfahrens.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht eine vollkommenere Trennung als es bisher allgemein möglich war in einem einzigen Destillationsvorgang dadurch, dass die Kondensation des Dampfen in einer Reihe von Kühlzonen stattfindet, von denen jede einzelne eine bestimmte, künstlich konstant erhaltene Temperatur hat, und deren Temperaturgefälle nach bestimmten
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Es ist früher schon mehrfach vorgeschlagen worden, mittels Kühlzonen, deren Temperatur konstant gehalten wurde, zu Fraktionen von vorher bestimmbarer Zusammensetzung zu gelangen.
Es wurde ferner bereits früher von Brown ein Verfahren vorgeschlagen, durch das mittels einer
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a) Ist das eingeführte Gemisch flüssig, so muss die konstante Zoneutemperatur zwischen dem Siedepunkte des Gemischs und der Temperatur liegen, bei der ein Dampfgemisch von der Zusammensetzung des Gemischs sich zu verflüssigen beginnt. b) Ist das eingeführte Gemisch dampfförmig, so muss, in der gleichen Weise, wie unter a), die konstante Temperatur zwischen der Temperatur, bei der es sich zu verflüssigen beginnt, und der Siedetemperatur eines fliissigen Gemischs von der gleichen Zusammensetzung liegen.
2. Wird in eine Zone, deren Temperatur in den vorstehend erwähnten Grenzen konstant @ gehalten wird, ein flüssiges Gemisch eingeführt, so zerfällt dieses Gemisch in eine Flüssigkeit und einen Dampf, und zwar hängt die Zusammensetzung des austretenden Dampfes von der Zonentemperatur und auch von der Zusammensetzung des eingeführten Gemischs ab (ist also nicht konstant), während die Zusammensetzung der austretenden Flüssigkeit lediglich von der Zonpntemperatur abhängt (also konstant ist). Die austretende Flüssigkeit hat die Zusammen- setzung des Gemisches, dessen Siedepunkt mit der Temperatur der Zone übereinstimmt.
Während also Brown, wie vorher erwähnt, eine ähnliche Gesetzmässigkeit für Dampf bekannt war. stellte der Erfinder eine solche für flüssige Gemische fest.
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Dampf oder von Flüssigkeit in eine Zone eingeführte Gemisch soll stets eine solche Zusammen- setzung haben, dass es in der Zone in eine flüssige und eine dampfförmige Phase zerlegt wird.
Wird diese Bedingung erfüllt. so ist der vorstehend erwähnte Fehler der älteren Verfahren ver- mieden, und es wird aus der Zone ein Dampf oder ein Kondensat erhalten, dessen Zusammensetzung, im Falle eines binären Gemisches, während des ganzen Destillationsvorganges konstant und verschieden von der Zusammensetzung des ursprünglich eingeführten Gemisches bleibt.
Diese Bedingung wird nun durch folgende Anordnung eingehalten : Es werden mehrere Zonen konstanter Temperatur übereinander angeordnet und so miteinander verbunden, dass Jedes. mal der Dampf aus einer Zone in die nächste, höherliegende tritt und das Kodensat aus einer Zone in die nächste, tieferliegende zurückfliesst. Die Temperaturen der Zonen werden so gegeneinander abgestuft, dass die Temperatur einer jeden Zone niedriger ist, als die der vorangehenden tieferliegenden, 80 dass der aus der letzteren übertretende gesättigte Dampf kondensiert wird, dass sie aber höher ist, als der Siedepunkt eines Gemisches von der gleichen prozentualen Zusammensetzung dieses Dampfes, so dass also die Kondensation nicht vollständig sein kann.
Ebenso muss die Temperaturabstufung der Zonen eine solche sein, dass eine jede tieferliegende Zone wärmer ist als die nächste höherliegende, so dass das aus der letzteren zurückfliessende Kondensat teilweise verdampft wird, dass ihre Temperatur aber unterhalb der Sättigungstemperatur eines Dampfes liegt, der mit dem Kondensat gleiche prozentuale Zusammensetzung hat, so dass also die Wiederverdampfung nicht vollständig sein kann. Werden diese Bedingungen eingehalten, so entströmt der obersten, kühlsten Zone ein Dampf, dessen Sättigungstemperatur der Temperatur dieser Zone entspricht, dessen Zusammensetzung daher, im Falle binärer Gemische, ebenfalls während der ganzen Destillation konstant ist. Dieser Dampf wird dann in einem Kühler kondensiert.
Andererseits verbleibt als Rückstand am Ende der Destillation eine Flüssigkeit, deren Zusammensetzung von der Temperatur der untersten, wärmsten Zone abhängt.
Auf diese Weise wird das Ausgangsgemisch in einem einzigen Destilliervorgang in zwei Fraktionen getrennt, deren Zusammensetzung lediglich von den Temperaturen der beiden äussersten Zonen abhängig ist. Entsprechen die Temperaturen der letzteren den Siedepunkten der beiden Komponenten eines binären Ausgangsgemischs, so werden die letzteren in praktisch reinem Zustande isoliert.
Die richtige Abstufung der Zonentemperaturen zueinander könnte durch Versuche ermittelt werden, jedoch ist es zweckmässiger, dieselben auf graphischem Wege mit Hilfe eines Diagramms zu bestimmen, wie es in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Ordinaten stellen Temperaturen dar. A ist der Siedepunkt des höher siedenden und B der Siedepunkt des tiefer siedenden Bestandteils des Ausgangsgemisches. Die einzelnen Punkte der Abszisse C D stellen die sämtlichen zwischen diesen beiden Substanzen möglichen Mischungsverhältnisse dar, z. B. der Punkt E ein Gemisch, in dem die beiden Substanzen im Verhältnis der Strecken C E und D E vertreten sind. Ermittelt man nun für eine Anzahl verschiedener Mischungen die Siedetemperaturen und trägt diese in das Diagramm ein, so wird eine dieselben verbindende Linie etwa die Form der Kurve AXB haben.
Ermittelt man ferner für eine Anzahl verschiedener Temperaturen die prozentuale Zu- sammensetzung der Dämpfe, die von den bei diesen Temperaturen siedenden Gemischen ab- gegeben werden, so findet man, dass diese im allgemeinen von der Zusammensetzung der bei den
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ein und verbindet. sie durch eine Linie, so erhält man eine Kurve AYB.
In diesem Diagramm stellt jede wagerechte Linie eine bestimmte Temperatur dar. Projiziert man den Schnittpunkt einer solchen Temperaturlinie mit der Kurve AXB auf der Abszisse, so gibt das Verhältnis, in dem letztere durch die Projektion geteilt wird, das Mischungsverhältnis eines Gemisches, das bei der durch die wagerechte Linie dargestellten Temperatur siedet. In gleicherweise findet man durch Projektion desSchnittpunktes derWagerecbten mit der Kurve A YB die Zusammensetzung des bei der betreffenden Temperatur gesättigten Dampfes.
Mit Hilfe eines solchen Diagramms lässt sich nun das Temperaturgefille der Zonen, das zur Einhaltung der Grundbedingungen bestehen muss, sowie auch die Anzahl der Zonen, die zur Ausführung einer Trennung eines bestimmten Gemisches erforderlich ist, leicht bestimmen.
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Zonen wiederum die Temperaturen der benachbarten Zonen bestimmen
In der Praxis gestaltet sich die Bestimmung der Zonentemperatuten mit Hilfe des Diagramms folgendermassen :
Angenommen, es sei ein Gemisch aus Schwefelkohlenstoff und Kohlenstoff-
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Endprodukte nahezu reines Kohlentsofttetracblorid und ein 000, Schwefelkohlenstoff enthaltendes Gemisch erhalten werden, dann würde der Punkt A den Siedepunkt des Kohlenstofftetrachlorids, der bei 760 hegt, und Punkt B den bei 460 liegenden Siedepunkt des Schwefelkohlenstoffs darstellen.
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Kohlenstofftetrachlorid und 90% Schwefelkohlenstoff, zu dem man zu gelangen wünscht, dar gestellt. Dies muss die Zusammensetzung des Dampfes sein, der durch die oberste, kälteste Zone unkondensiert hindurchgeht. Die Temperatur dieser Zone ist bestimmt durch eine durch den Schnittpunkt Y0' der Ordinate mit der Kurve AYB gelegte Wagerechte.
Diese trifft die Kurve A. X B im Punkte XO'. Legt man durch diesen Punkt wieder eine Ordinate, so gibt diese annähernd die Zusammensetzung des Kondensats der erwähnten Zone an. In der vorher beschriebenen Weise findet man, dass die höchste Temperatur, die die zweite Zone haben dürfte, durch die Linie X''-Y'' gegeben ist. In der Praxis wählt man die Temperatur dieser Zone etwa m der
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stand erhalten. Die genauen Angaben über eine derartige praktisch ausgeführte Trennung sind in dem unten stehenden Beispiel 1 angeführt.
Bei Gemischen, deren Siedepunktakurve ein Maximum oder ein Minimum besitzt, test bekanntlich eine vollständige Trennung durch Destillation aus thermodynamischen Gründen nicht möglich. Man kann das neue Verfahren jedoch auch bei solchen Gemischen anwenden, und zwar muss man, wenn man die Temperaturen der Kühlzonen aus dem Diagramm ermitteln will. dieser durch eine durch das Maximum bzw. Minimum der Siedepunktskurve gelegte Ordinate in zwei Teile teilen.
Die eine oder die andere Seite des Diagramms dient dann m der vorbeschnebenen Weise zur Bestimmung der Temperaturzonen, und als Endprodukt dieses Destilliervorganges können die durch die beiden äussersten Ordinaten der betreffenden Diagrammhälfte dargestellten Flüssigkeiten erhalten werden, also einerseits die eine Komponente des Gemisches in praktisch remem Zustande, andererseits das durch die Trennungslinie dargestellte Gemisch. Diese Vorgänge sind in den Beispielen II und XI am Schlusse der Beschreibung näher erläutert.
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Zylinder zurückfliesst und hier wieder in eine Flüssigkeit und einen Dampf getrennt wird.
Die Dämpfe a118 einem jeden Zylinder treten durch das Rohr 18 in den nächst höheren Zylinder und werden hier ebenfalls in Dampf und Kondensat zerlegt. Aus dem obersten Zylinder 90 tritt ein
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Temperatur des Zylinders 13 abhängig ist.
Beispiele.
Zur Erläuterung des Vorganges sind in den Fig. 2 a und 3 verschiedene nach dem Verfahren ausgeführte Destillationsvorgänge dargestellt. Dieselben wurden mit einem Apparat nach Art
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Zylinder gewonnene Kondensat wurde in elf Fraktionen aufgefangen, von denen die erste etwas Wasser und die letzte Verunreinigungen enthielt. Das Gewicht dieser beiden Fraktionen betrug 43 bz\\'. 22 g. Die neun dazwischenliegenden Fraktionen wogen zusammen 398 9 und enthielten
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vielmehr innerhalb der Fehlergrenze konstant. Der Rückstand im Destillierkessel 10 enthielt ungefähr 96% Kohlenstofftetrachlorid, während theoretisch 99% zu erwarten gewesen wären.
Die Differenz ist offenbar darauf zurückzuführen, dass eine geringe Menge des Kondensats aus den Zylindern in den Destillierkessel zurückgelaufen war.
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von 752 mm Quecksilber vorgenommen. Es wurden acht Fraktionen aufgefangen, von denen die erste etwas Wasser und die letzte. die 4 g wog, einige Verunreinigungen enthielt. Die sechs
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praktisch rein erhalten.
III. In die Destillierblase wurde ein Gemisch von 920 9 Schwefelkohlenstoff und 80 g Azeton, beide rein und trocken, eingefüllt. Die Temperaturen der Kühlzonen betrugen (Fig. 3, rechte Seite) : 4'n) 75 . 45# 45 , 45#15 , 44#65 , 43#75 , 42#65 , 41#15 . 39#85 , 38#95 , 38#55 . Der Atmosphärendruck war 784#9 mm Quecksilber. Es wurden acht Fraktionen aufgefangen, von denen die erste etwas verunreinigt war. Die übrigen sieben Fraktionen wogen zusammen 225 g und enthielten folgende Prozente an Schwefelkohlenstoff ; 1. 72#4%, 2. 72#2%, 3. 72#2%, 4. 72#2%, 5. 72#5%, 6. 72#15,
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Nachstehend ist das Verfahren angegeben, durch das mittels eines die Siedepunktskurve und die Kurve für die ungesättigten Dämpfe enthaltenden Diagramms die oben angegebenen Temperaturen für die zehn Temperaturzonen bei dem Beispiel der Trennung von Schwefel- kohlenstoff und Kohlenstofftetrachlorid erhalten wurde (Fig. 2 a). Da das Endprodukt mehr als 99% 10 Kohlenstofttetrachlorid enthalten sollte, wurde zunächst durch den Punkt, der einen Gehalt von 0*7% Schwefelkohlenstoff und einer Temperatur von 75'456 entspricht, eine wagerechte Linie gezogen (in der Figur punktiert).
Von dem Schnittpunkt dieser Linie mit der Kurve der gesättigten Dämpfe aus wurde eine senkrechte Linie bis zum Schnittpunkt mit der Siedepunktskurve gezogen und durch den letzteren Schnittpunkt eine zweite wagerechte Linie bis zum Schnittpunkt mit der Damp & urve gelegt. Diese wagerechte Linie ergibt die konstante Temperatur von 74*", auf der der erste (wärmste) Thermostat des Apparates gehalten werden muss. Von dem Schnittpunkt der wagerechten Linie mit der Dampfkurve aus wurde eine Senkrechte gefällt und alsdann eine wagerechte Linie gesucht, deren zwischen den beiden Kurven gelegenes Stück durch die Senkrechte im Verhältnis von 1 zu 5 geteilt wurde, wobei der kürzere Teil links und der längere Teil rechts von der Senkrechten lag.
Das Verhältnis von 1 zu 5 wurde gewählt, um in den dem Destillierkessel zunächst gelegenen Zonen eine möglichst grosse Kondensation des Dampfes zu erhalten, ohne aber dabei zu nahe an die Grenze heranzugehen, bei der der den ersten (wärmsten) Thermostaten verlassende Dampf in dem nächsten Thermostaten vollständig kondensiert wird. Die so gefundene wagerechte Linie entsprach einer Temperatur von 72'000, auf welcher Temperatur demnach der zweite Thermostat gehalten werden muss. Bei der Bestimmung der weiteren Temperaturen wurde für das Übereinandergreifen der wagerechten Linien das im allgemeinen vorteilhaftere Verhältnis von 1 zu 1 gewählt. Jede wagerechte Linie des Diagramms wird demnach durch eine von dem rechten Ende der vorhergehenden Wagerechten gestellte Senkrechte in diesem Verhältnis geteilt.
Bei dieser Anordnung wird in jedem der Thermostaten der eintretende Dampf ungefähr zur Hälfte kondensiert, während die andere Hälfte unkondensiert hindurchgeht.
Ein genaues Vergleichen der Figuren mit den vorstehenden Angaben zeigt allerdings, dass das vorstehend angegebene Teilungsverhältms der wagerechten Linie manchmal nicht genau
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punktskurve angebracht werden mussten, um die unter 760 mm bestimmten Siedepunkte auf den bei dem Versuch herrschenden Druck von 750 mm zu reduzieren.
PATENT ANSPRÜCHE : l. Verfahren zur fraktionierten Destillation, bei dem ein Gemisch der zu trennenden Körper in Form von Dampf oder Flüssigkeit in eine Zone konstant gehaltener Temperatur eingeführt wird, dadurch gekennzeiel net, dass die Temperatur der Zone zwischen dem Siedepunkt einer Flüssigkeit und der Sättigungstemperatur eines Dampfes von der Zusammensetzung des eingeführten Gemisches liegt.