Extraktionsapparatur
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Extraktionsapparatur, die geeignet ist für Extraktionen in flüssigen Systemen nach dem Gegenstromprinzip unter Verwendung eines einzigen Extrak tionsiösungsmittels für die einfache Extraktion oder von zwei verschiedenen Extraktionslösungsmitteln für die fraktionierte Verteilung.
Es ist üblich, Substanzen zu extrahieren oder zu trennen, indem man zwei miteinander praktisch nicht mischbare Lösungen im Gegenstrom zueinander durch einen Turm oder eine Kolonne leitet und dadurch miteinander in Berührung bringt.
In den dieses Arbeitsgebiet betreffenden Publikationen wird grosses Gewicht auf eine intensive Bewegung und Durchmischung der Flüssigkeiten gelegt.
Diese Bewegung wird gewöhnlich mittels einer Vielzahl von rasch rotierenden Flügeln oder Schaufeln herbeigeführt. Zur Verstärkung der Zerteilung der Flüssigkeiten werden auch Geräte mit Strahlwirkung empfohlen.
Gewöhnlich werden die Kolonnen mit Schikanen ausgerüstet, die bewirken, dass die Flüssigkeiten einen langen und weitläufigen Weg zurücklegen müssen. Diese Schikanen bilden auch Ruhezonen, in welchen sich die Flüssigkeitstropfen auf ihrem Weg zwischen den Bewegungszonen vereinigen und zusammenfliessen können. Füllkörper, wie z. B.
Drahtnetze, Stahlwolle und dergleichen, werden ebenfalls häufig verwendet, um die Vereinigung und das Zusammenfliessen der Flüssigkeitstropfen zu fördern. Diese Hilfsmittel bewirken jedoch eine Ausdehnung der Verweilzeit der Flüssigkeiten in der Kolonne, eine Begrenzung des Flüssigkeitsdurchsatzes und somit eine Reduktion der Leistungsfähigkeit der Kolonne.
Mit der vorliegenden Erfindung wird nun bezweckt, eine verbesserte Extraktionsapparatur von einfacher Bauart hervorzubringen, die ein hohes Extraktionsvermögen und einen hohen Flüssigkeitsdurchsatz aufweist.
Die erfindungsgemässe Extraktionsapparatur ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine vertikal angeordnete, langgezogene Kolonne, Einlässe und Auslässe zum Einführen und Ableiten von Flüssigkeiten, eine in der Kolonne vertikal und zentral gelagerte, auf und ab bewegliche Stange, eine Mehrzahl von auf dieser Stange montierten, durchbrochenen, horizontalen Bewegungsscheiben, von denen jede sich praktisch über den ganzen inneren Querschnitt der Kolonne erstreckt und eine Mehrzahl von im Verhältnis zur Fläche der Scheibe grossen Öffnungen aufweist, die zusammen 45-65 o/o die- ser Fläche ausmachen, und einen Antriebsmechanismus für die Auf- und Abbewegung der Stange aufweist.
Die Extraktionsapparatur gemäss der Erfindung weist daher im Gegensatz zu bekannten Apparaturen keine Schikanen, Füllkörper oder andere die Strömung der Flü, ssigkeiten behindernde Organe auf. Die Flüssigkeiten werden durch die auf und ab bewegten, gitterartig ausgebildeten Scheiben in turbulenter Bewegung gehalten. Obschon der der Strömung der Flüssigkeiten entgegengesetzte Widerstand sehr reduziert ist, kommt entgegen allen Erwartungen eine wirksame Berührung zwischen den Flüssigkeiten zustande. Dadurch, dass die Flüssigkeiten praktisch unbehindert durch die Kolonne strömen, wird ein hoher Durchsatz erzielt.
Die neue Extraktionsapparatur, die ein kontinuierliches Durchströmen der Flüssigkeiten ermöglicht, wodurch der Stufeneffekt vermindert wird, eignet sich besonders gut für die Behandlung viskoser Flüssigkeiten. Überdies ist in dieser Apparatur die Höhe einer theoretischen Stufe für ein gegebenes Extrak tionssystem und für einen gegebenen Abstand der Bewegungsscheiben vom Durchmesser der Kolonne unabhängig.
In der Zeichnung zeigen beispielsweise:
Fig. 1 teilweise im Schnitt einen Aufriss einer erfindungsgemässen Extraktionsapparatur,
Fig. 2 eine Draufsicht einer bevorzugten Ausfüh rungsform der B ewegungs scheiben und
Fig. 3 eine Draufsicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Bewegungsscheiben.
Die Extraktionsapparatur weist eine in senkrechter Richtung auf und ab bewegliche, vertikale Stange auf, die zentral in einer langgezogenen Kolonne gelagert ist, die keine anderen, das Strömen der Flüssigkeiten behindernde Organe, wie z. B. Schikanen oder Füllkörper, aufweist. Die Stange ist in zweckentsprechenden Lagern, die am Kolonnenboden oder in dessen Nähe und an der Kolonnendecke oder in deren Nähe angeordnet sind, derart gelagert, dass sie sich nur in vertikaler Richtung bewegen kann.
Ein zur Erzeugung der Auf- und Abbewegung der Stange bestimmter Antriebsmechanismus ist ausserhalb der Kolonne mit der Stange verbunden. Der Antriebsmechanismus kann gegebenenfalls mit einer Vorrichtung zum Regulieren der Geschwindigkeit und der Amplitude der Auf- und Abbewegung ausgerüstet sein.
Auf der vertikalen Stange sind längs der Längsachse der Kolonne und senkrecht zu dieser Achse in Abständen mehrere gitterartig ausgebildete Scheiben montiert, die dazu bestimmt sind, den Flüssigkeiten eine Bewegung zu erteilen. Diese Scheiben bestehen aus dünnen Platten, in welchen grosse Öffnungen ein offenes Gitterwerk bilden. Die gitterartig ausgebildeten horizontalen Scheiben erstrecken sich praktisch über den ganzen Querschnitt der Kolonne und weisen eine Form auf, die im grossen und ganzen der Form des inneren Querschnitts der Kolonne entspricht. Die Fläche der Scheiben ist jedoch etwas kleiner als der innere Querschnitt der Kolonne, so dass die Scheiben an ihrem Umfang die innere Mantelfl'äche der Kolonne nicht berühren und zwischen den Umfangsrändern der Scheiben und der Innenfläche der Kolonne Flüssigkeit hindurchströmen kann.
Die Öffnungen in den Scheiben weisen eine solche Grösse auf, dass sie 45-650/0 des Flächeninhaltes der Scheiben ausmachen. Vorzugsweise ist der grössere Teil, d. h. mehr als 500/0, der Fläche der Scheiben offen, so dass nur ein kleiner Teil der Scheiben aus festem Material besteht. Es ist wichtig, dass die Scheiben verhältnismässig grosse Öffnungen statt eine grosse Zahl kleiner Öffnungen aufweisen.
Das Vorhandensein grosser Öffnungen in den Scheiben und das Fehlen einer Berührung zwischen den Scheiben und der Kolonnenwand haben zur Folge, dass sich unter den Scheiben keine Flüssigkeitstropfen ansammeln und dadurch der Strömung der Flüssigkeiten wenig Widerstand entgegengesetzt wird, ohne dass das Extraktionsvermögen der Kolonne einen Verlust erleidet. Die den Scheiben durch die Stange verliehene Auf- und Abbewegung bewirkt eine Zerteilung der als disperse Phase durch die Kolonne fliessenden Flüssigkeit in Tropfen.
Die Bewegungsscheiben können aus einem beliebigen, in konstruktiver Hinsicht zweckentsprechenden Material, wie z. B. Metallen, Kunststoffen usw., bestehen. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Bewegungsscheiben ein Gitterwerk aus Streckmetall auf, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Scheiben können auch speichenradartig ausgebildet sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
Die letztere Ausführungsform eignet sich besonders zum Ausstanzen aus Kunsttoffplatten. Zwichen dem Umfang der Scheiben und der Innenwandfläche der Kolonne ist keine Packung oder Dichtung vorhanden. Wenn jedoch Metallscheiben in einer Glaskolonne verwendet werden, so kann es zweckmässig sein, einige der Scheiben an auseinanderliegenden Stellen ihres Umfanges mit Gleitflächen, z. B. aus Kunststoff, zu versehen, um bei irgendwelchen Störungen eine Berührung zwischen dem Metall und dem Glas zu verhindern. Der Abstand zwischen den auf der Stange montierten Scheiben kann ver ändert und einem gegebenen Extraktionssystem angepasst werden.
In der Regel ist es zweckmässig, in jenen Teilen der Kolonne, in welchen die Konzentration des oder der gelösten Stoffe klein ist, die Scheiben in kleineren Abständen aufeinanderfolgen zu lassen, und in jenen Teilen der Kolonne, in welchen die Konzentration des oder der gelösten Stoffe hoch ist, grössere Abstände zwischen den Scheiben einzuhalten.
Nachstehend wird eine bevorzugte Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Kolonne beschrieben.
Das schwere Lösungsmittel wird am oberen Ende der Kolonne 1 durch den Einlass 4 in die Kolonne eingeführt und, nachdem es die Kolonne von oben nach unten durchlaufen hat, durch den Ablass 7 abgeleitet. Das leichte Lösungsmittel wird durch den Einlass 6 am Boden der Kolonne eingeführt und, nachdem es die Kolonne im Gegenstrom bezüglich der schweren Flüssigkeit von unten nach oben durchlaufen hat, durch den Auslass 3 abgeleitet. Die zu extrahierende Lösung wird durch den zwischen den Einlässen 4 und 6, in der Regel ungefähr auf halber Höhe der Kolonne, angeordneten Einlass 5 eingeführt. Die Kolonne weist am oberen Ende und am unteren Ende Entmischungszonen 11 und 12 auf. Die Stange 8 ist vertikal im Zentrum der Kolonne angeordnet und ausserhalb der Kolonne mit einem Antriebsmechanismus 2 verbunden, beispielsweise mittels eines Gleitlagerblocks 16 und einer Kurbel 15.
Die Stange 8 ist in zweckentsprechenden Lagern 13 und 14 derart gelagert, dass sie in senkrechter Richtung arbeitet. Der Antriebsmechanismus 2 verleiht der Stange 8 eine Auf- und Abbewegung in senkrechter Richtung. Auf der Stange 8 sind, vorzugsweise in verschiedenen Abständen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, mittels Naben 10 Bewegungsscheiben 9 montiert. Zwei Ausführungsfor men dieser Scheiben sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Scheiben können, wenn gewünscht, verschiebbar montiert sein, so dass ihre Lage auf der Stange 8 verändert werden kann. Durch die mit der Stange auf und ab bewegten Scheiben werden die im Gegenstrom zueinander durch die Kolonne strömenden Flüssigkeiten derart in Bewegung versetzt, dass sich Tropfen der dispergierten Flüssigkeit bilden, die mit der kontinuierlichen Phase in innige Berührung treten.
Gemäss einer anderen bevorzugten Betriebsart der Kolonne 1 wird der Einlass 5 nicht t verwendet.
Die den oder die gelösten Stoffe enthaltende Flüssigkeit wird je nach den relativen spezifischen Gewichten der Flüssigkeiten entweder durch den Einlass 4 oder den Einlass 6 in die Kolonne eingeführt, während das selektiv wirkende Extraktionslösungsmittel am entgegengesetzten Ende der Kolonne eingeführt wird. Nach ihrem Durchgang durch die Kolonne werden die Flüssigkeiten durch die Auslässe 3 und 7 abgeleitet.
Die Abstände der Scheiben auf der Stange 8 sowie die Geschwindigkeit und die Amplitude der Auf- und Abbewegung richten sich nach den Eigenschaften des flüssigen Systems, wie z. B. der Grenzflächenspannung, der Dichteunterschiede usw., und können innerhalb eines ziemlich breiten Bereiches variiert werden. Die Scheiben können in Abständen von 2,5-15 cm auf der Stange montiert sein. Die Stange kann 10- bis 2000mal pro Minute, vorzugsweise 50- bis 1000mal pro Minute, auf und ab bewegt werden. Die Amplitude der Auf- und Abbewegung kann zwischen 0,16 cm und 5,1 cm schwanken und beträgt vorzugsweise etwa 1,3 cm. In der Regel wird die Geschwindigkeit der Auf- und Abbewegung auf einen Wert eingestellt, der um so kleiner ist, je grösser die Amplitude ist, und umgekehrt.