Verfahren zur Trennung der Komponenten eines Gemisches sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Zur Zerlegung von Stoffgemischen, die aus Gasen und/oder Flüssigkeiten sowie mitunter auch festen Komponenten bestehen, in ihre Komponenten oder zum Herauslösen einzelner Komponenten aus solchen Gemischen bedient man sich der Extraktions- oder Absorptionsverfahren. Je nachdem das zu zerlegende Gemisch aus Gasen, flüssigen und/oder festen Bestandteilen zusammengesetzt ist, verwendet man Lösungs- oder Absorptionsmittel, welche für die aus dem zusammengesetzten Gemisch zu extrahierenden Komponenten ein spezifisches Lösungs- oder Absorptionsvermögen besitzen. Diese Mittel sollen bei dem Vorgang im allgemeinen keine Umsetzung mit der zu extrahierenden Komponente eingehen.
Trotzdem kann auch eine solche chemische Umsetzung zwischen Mittel und zu gewinnendem Extrakt, je nach Beschaffenheit der beiden, eintreten oder sogar erwünscht sein.
Derartige Extraktionsprozesse können auch endotherm, durch Wärmezufuhr, oder exotherm unter Entwicklung von Reaktionswärme verlaufen. Bei den bekannten Extraktionsverfahren mit oder ohne begleitende Reaktion gilt als Voraussetzung eine innige Inkontaktbringung des Lösungsmittels mit der aus dem Gemisch zu extrahierenden Komponente. Diese Herstellung eines innigen Kontaktes erfolgt nach verschiedenen bekannten Methoden, z. B. durch Gegenstrom von Lösungs- oder Absorptionsmittel und Extraktionsgemisch in einem Rohr, einer Kolonne oder einem Turm.
Der Innenraum solcher Vorrichtungen kann in Abteilungen zerlegt sein, so dass Mittel und Extraktionsgut diese Abteilungen im Gegenstrom nacheinander durchlaufen, wobei die durch komplizierte Führung oder durch Verwirbelung des Mittels mit dem Gemisch eine möglichst grosse Kontaktfläche herbeigeführt wird. Bekannt sind z. B. auch die mit Glockenböden versehenen Türme und die mit Hohlkörpern, Raschigringen usw. gefüllten Kolonnen, in denen eine sehr weitgehende Zerteilung von Mittel und Gemisch vor sich geht und grosse Kontaktflächen gebildet werden.
Die bekannten Verfahren sind vielfach durch ungenügende Wirkung gekennzeichnet. Die sich in der Apparatur weitgehend überlassenen Mittel und Gemische strömen vielfach dem Weg des geringeren Widerstandes folgend durch das Labyrinth der Apparatur hindurch, ohne eine höchstmögliche Kontaktnahme miteinander zu erfahren. Um eine möglichst grosse Kontaktfläche herzustellen, sind vielfach sehr grosse Ausmasse solcher Kolonnen und Türme erforderlich, so dass die Höhe und die Herstellungskosten solcher Türme für die betreffenden Anlagen charkteristisch geworden sind.
Man hat der ungenügenden Wirksamkeit solcher Apparaturen teilweise abgeholfen durch den Einbau von rotierenden Organen oder den Anbau besonderer Pumpen an die Apparatur, durch welche Mittel und Gemisch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durcheinandergeführt werden und so schneller durch die Apparatur strömen und auch ein intensiverer Kontakt zwischen Mittel und Gemisch erzielt wird. Diese Lösung hat aber noch den Nachteil, dass die Verweilzeit und die Dauer der Kontaktnahme zwischen Mittel und Medium gekürzt werden, so dass die Wirkung teilweise wieder herabgesetzt wird.
Die Erfindung ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der bekannten Verfahrenstechnik, indem sie eine viel intensivere Kontaktnahme zwischen Mittel und Gemisch und einen bisher nicht erreichbaren Wirkungsgrad sowie die Verkleinerung der Kolonnen und eine bessere Wirtschaftlichkeit derselben zur Folge hat.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Extraktions- oder Absorptionsmittel in das zu trennende Gemisch eingeführt und dieses in einem Behandlungsraum einer periodischen Scher-, Schlag- und Prallwirkung unterworfen wird, worauf die Stoffe durch eine Vorrichtung dadurch getrennt werden, dass das oder die Ex traktions- bzw. Absorptionsmittel aus dem Behandlungsraum in abweichender Richtung von der des Gemischrestes abgeleitet werden.
Durch diese Behandlung wird eine ausserordentlich grosse Kontaktfläche zwischen Mittel und Gemisch geschaffen, und infolge der hohen Teilchenbeschleunigung in Zusammenwirkung mit einer sehr starken Turbulenz erfolgt eine viel grössere Zahl von Zusammenstössen zwischen den Teilchen des Mittels und des Gemisches in einer Zeiteinheit, z. B. einer Sekunde, so dass die verfahrensgemäss eintretende Zerkleinerung der Teilchen, die bis in den submikronen Bereich vorgetrieben werden kann, eine nach den bisherigen Verfahren nicht erreichbar schnelle Lösung, Koagulation oder - wenn erwünscht - auch gleichzeitige Reaktion zur Folge hat.
In den Patenten Schweiz Nr. 288154, USA Nr. 2 619 330, Schweiz Nur.311794, USANr.2789800 und der einschlägigen Literatur sind solche hochfrequente Dispergierung und Homogenisierung bewirkenden Vorrichtungen beschrieben, die als Beispiele herangezogen werden.
Weitere Beispiele von mehrstufigen Dispergier-, Homogenisier- und Kontaktvorrichtungen sind das Schweizer Patent Nr. 336249 und das USA Patent Nr. 2882149. Diese Vorrichtungen bearbeiten das oder die Medien kontinuierlich, während dasselbe die ersteren passiert, durch hochfrequente Scherung, Prallung, Reflexion und hochwirksame interpartikulare Reibung.
Allgemein sind für die Herbeiführung einer gro ssen Kontaktfläche und einer Intensivierung der Lösung zu extrahierender Komponenten aus Gemischen auch die als Stift-, Schlag- oder Scheibenmühlen bekannten Vorrichtungen brauchbar, wenngleich dieselben im allgemeinen nicht die hohe Wirksamkeit der in oben angeführten Patenten beschriebenen zustande bringen.
Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens bestimmte Einrichtung ist gekennzeichnet durch einen Behälter mit wenigstens einem Hohlraum, in welchem eine Vorrichtung zur periodischen Scherung, Prallung und intensiven Inkontaktbringung eingerichtet ist, wobei Zuleitungen für das Extraktionsoder Absorptionsmittel und für das Gemisch in die Einrichtung und Ableitungen aus der Einrichtung vorgesehen sind.
Die so aus einem Behälter und der in diesem eingebauten Dispergier- und Homogenisiervorrichtung bestehende Extraktionseinrichtung ist für den Einlass des zu extrahierenden Gemisches mit einem oder mehreren, vorzugsweise regelbaren Einlässen, sowie für die Abführung der verbleibenden Phasen mit vorzugsweise ebenfalls regelbarem Auslass an zweckentsprechenden Stellen versehen. Für die Durchführung des Extraktionsmittels durch die Vorrichtung sind Einund Auslässe, die ebenfalls vorzugsweise regelbar sind, an der Einrichtung so angeordnet, dass das Extraktionsmittel getrennt, eventuell im Gegenstrom mit dem Gemisch zusammenströmt, und dass das Extraktionsmittel mit dem Extrakt abweichend von der Richtung des Gemischrestes aus der Einrichtung ausströmt.
Das erfindungsgemässe Trennverfahren ist auf gasförmige-gasförmige, gasförmige-flüssige, gasförmig- feste, flüssige-flüssige und flüssige-feste Gemische anwendbar. Es kann chargenweise oder auch kontinuierlich durchgeführt werden. Die chargenweise Extraktion erfolgt z. B. so, dass das zu trennende Gemisch in einem vorzugsweise allseitig geschlossenen Behälter, in 'dem die Dispergier- und Homogenisiervorrichtung eingebaut ist, der Arbeit der letzteren unterworfen wird, während das Extraktionsmittel durch einen Einlass in den Behälter und durch die in demselben arbeitende Vorrichtung geführt wird und anschliessend wieder zusammen mit dem in ihm gelösten Extrakt durch einen besonderen Auslass aus der Einrichtung herausströmt.
Dabei kann die Förderung des Extraktionsmittels und des Extraktes durch Pumpen, durch Gefälle, durch Wichteunterschied, durch am Ausfluss wirkendes Vakuum oder anderswie erfolgen. Wenn das erfindungsgemässe Verfahren kontinuierlich erfolgen soll, bedient man sich dazu einer ein- oder mehrstufigen Durchlaufvorrichtung, wie sie z. B. im Schweizer Patent Nr. 336249 beschrieben ist. In einer solchen einstufigen oder mehrstufigen Vorrichtung strömt dann das Gemisch beispielsweise von oben nach unten durch die Vorrichtung, während das Extraktionsmittel in das Gemisch, vorzugsweise in der Nähe des oder im zentralen Teil der Dispergier- und Homogenisiervorrichtung eingeführt wird und aus der verbleibenden Gemischphase an geeigneter Stelle und durch zweckentsprechenden Auslass abgeführt wird.
Das Extraktionsmittel kann das Gemisch auch von unten nach oben oder in jeder anderen Richtung passieren.
Man kann sich vorteilhaft zur Beschleunigung und höheren Wirksamkeit der Extraktion mehrstufiger Vorrichtungen bedienen. Die zu diesem Zweck verwendete Vorrichtung, z. B. nach Schweizer Patent Nr. 336249, wird von dem zu trennenden Gemisch von oben nach unten durchströmt. Gleichzeitig wird mindestens in der obersten Arbeitsstufe das Extraktionsmittel mit dem Gemisch oder auch durch besonderen Einlass, der vorzugsweise regelbar ist, eingeführt. Das Gemisch, mit dem Extraktionsmittel grob vermischt, wird nun in der ersten, anschliessend in der zweiten und in den nächstfolgenden Arbeitsstufen der oben beschriebenen intensiven Bearbeitung unterworfen.
Die über jeder Arbeitsstufe vorgesehenen Zwischenböden, die trichterförmig, eben, gewölbt oder anders geformt sein können, sind mit wenigstens einer, vorzugsweise jedoch mehreren Durchbrechungen versehen, durch welche das Extraktionsmittel mit dem in ihm gelösten Extrakt hinaufströmt. Am oberen Ende der Vorrichtung tritt es dann durch einen dafür vorgesehenen Auslass aus der Vorrichtung zur weiteren Verarbeitung oder Verwendung heraus.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann auch eine der bekannten Kolonnen oder ein Turm mit Ringen oder Glockenböden sein, die durch Zwischenböden in nacheinanderfolgende Abteilungen getrennt sind und in denen wenigstens eine Abteilung eine der oben beschriebenen Vorrichtung zum Dispergieren und Homogenisieren des zu trennenden Gemisches mit dem Extraktionsmittel enthält.
Es ist selbstverständlich, dass das erfindungsgemässe Verfahren unter Verwendung der genannten Vorrichtungen auch auf ähnliche, auf dem vorgezeigten Wege durchführbare Stoffbehandlungen, z. B. während der Bearbeitung in der Dispergiervorrichtung eintretende chemische Umsetzungen zwischen den oder einzelnen der Komponenten, angewendet werden kann. Ebenso kann während der beschriebenen Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens z. B. eine Destillation stattfinden, welche zur Abführung der leichteren Phase, die in diesem Falle dampfförmig ist, auf demselben Wege ausgenutzt werden kann.
Die beschriebenen Vorgänge und Einzelheiten des Verfahrens können durch Wärmezufuhr oder durch Kühlung an zweckentsprechenden Stellen, z. B. vor oder nach der Dispergiervorrichtung, je nach Bedarf beeinflusst werden.