Rektifikationsverfahren
Es ist bekannt, dass sich die üblichen Füllkörperoder Bodenkolonen für die Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch Rektifikation nicht oder nur begrenzt einsetzen lassen, wenn mit sehr geringem Druckabfall gearbeitet werden muss. Seit man dies erkannt hat, sind verschiedene, sich für derartige Fälle besser eignende Verfahren und Einrichtungen vorgeschlagen worden.
Eine Gruppe dieser Vorschläge bezieht sich auf Einrichtungen, bei denen einer feststehenden und heizbaren Verdampfungsfläche, über die die Flüssigkeit in dünner Schicht geführt wird und dabei teilweise verdampft, eine gekühlte feststehende oder umlaufende Fläche gegenüberliegt, auf der die Brüden teilweise kondensieren, worauf das so entstandene Kondensat bei umlaufender Kühlfläche dem Flüssigkeitsfilm auf der Verdampfungsfläche in annähernd gleicher Höhe wieder zugeleitet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, so dass sich in Richtung auf die Entnahmestelle zu eine zunehmende Reinheit einerseits der Brüden und anderseits der Restflüssigkeit ergibt.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass nach diesem Prinzip arbeitende Einrichtungen sich für Gemische mit verhältnismässig grossem Fugazitätsunterschied der abzutrennenden Komponenten gut eignen, wogegen für Produkte mit geringerem Fugazitätsunterschied die temperaturmässige Beherrschung der Kondensationsfläche sehr schwierig und aufwendig ist.
Das gemäss der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Verfahren arbeitet ebenfalls nach dem Dünnschichtprinzip, jedoch unter Vermeidung der genannten Beschränkung. Es ist gekennzeichnet dadurch, dass der nach einer ersten Teilverdampfung der leichtflüchtigen Anteile in einer ersten Zone höherer Temperatur zurückbleibende Rest des Flüssigkeitsfilms durch eine anschliessende Zone tieferer Temperatur geführt wird, und dass der Film darauf in eine dritte Zone gelangt, in der er auf eine höhere Temperatur als in der ersten Zone gebracht wird, und dass die Brüden in entgegengesetzter Richtung zum Film bewegt werden, um die in den einzelnen relativ wärmeren Zonen mit den leichtflüchtigen Anteilen des Gemisches verdampften schwerflüchtigen Anteile in den Zonen relativ tieferer Temperaturen in den Film zurückzukondensieren,
wobei in Bewegungsrichtung der Flüssigkeit Zonen relativ höherer und tieferer Temperaturen abwechselnd einander folgen.
Die Erfindung besteht ebenfalls aus einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Behandlungskammer und Mitteln, um die Wände der Behandlungskammer zonenmässig auf unterschiedlichen Temperaturen zu halten, gekennzeichnet dadurch, dass die Wandungen der Behandlungskammer aus einer in sich geschlossenen Fläche besteht, wobei die genannten Mittel bestimmte Zonen dieser Fläche bilden und ausgebildet sind, um auf dem Weg der Flüssigkeit zur Entnahmestelle der Restflüssigkeit Zonen höherer und tieferer Temperaturen abwechselnd aufeinanderfolgen zu lassen.
In der Zeichnung sind verschiedene mögliche Ausführungsformen von nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitender Rektifikationsapparate dargegestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Rektifikationsanlage mit zusätzlichem Verdampfer und geeignetem Rektifikationsapparat, als Prinzipskizze,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen senkrecht stehenden Rektifikationsapparat, ohne zusätzlichen Verdampfer, unter Weglassung der Zusatzaggregate, ebenfalls als Prinzipskizze,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Rektifikationsapparat von Fig. 2.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt einen Dünnschichtbehandlungsapparat 1, der einen flachen, leicht geneigten Behälterboden 2, einen Deckel 3 und diese beiden verbindende Seitenwände aufweist. Quer zur Neigung des Behälterbodens sind zur Durchleitung von Heiz- oder Kühlmedien bestimmte Mäntel 8 und 9 angeordnet, die je mit einer Eingangs- und Ausgangsleitung 10, 11 versehen sind. Diese Leitungen führen zu nicht dargestellten Wärmeaufbereitungs- und Temperaturreguliervorrichtungen, wobei die Schaltungen so gewählt sind, dass jeder zweite der aufeinanderfolgenden Mäntel auf einer tieferen und die übrigen Mäntel auf einer höheren Temperatur gehalten werden.
Die Anzahl der Mäntel und deren Breite sowie deren Abstand richtet sich nach den zu lösenden Trennaufgaben. Die zonenweise Erwärmung kann auch durch andere Mittel (Widerstandsheizung oder dergleichen) erfolgen. Der Behälterboden ist so zu gestalten, dass er den zwischen Zonen verschiedener Temperatur entstehenden Spannungen infolge verschiedener Wärmedehnung standhält.
Das zu trennende Flüssigkeitsgemisch wird durch die Leitung 7 in den Bodenverdampfer 5 oder durch eine Leitung 21 in eine an verfahrensmässig geeigneter Stelle angebrachte Umlaufrinne 22 geleitet. Im letzteren Fall mischt er sich mit dem aus der tSberlauf- rinne 19 kommenden Rücklauf; es fliesst unter Wirkung der Schwerkraft in Form eines Films zum
Bodenverdampfer 5. Die dort befindliche Heizschlange 6 verdampft zufolge entsprechender Regulierung der Heizung einen Teil der Flüssigkeit. Die dabei entstehenden Brüden strömen durch das untere Brüdenrohr 18 in den Behälter 2, wo sie sich im Gegenstrom zum Flüssigkeitsfilm aufwärts bewegen.
Der Deckel 3 und die Seitenwände des Behälters 1 nehmen nach und nach die mittlere Temperatur der sie bestreichenden Brüden an und beeinflussen daher von diesem Zeitpunkt an die Brüdenzusammensetzung nicht mehr; gegebenenfalls können sie wärmeisoliert sein.
Die bis zum Kopfende des Behälters 1 gelangten im wesentlichen aus den leichtsiedenden Dämpfen be stehenden Brüden werden über das obere Brüdenrohr 4 dem Kühler 12 zugeleitet. Das hierauf in den Rücklaufteiler 12 gelangte Produkt wird in der Weise aufgeteilt, dass die nicht kondensierbaren Anteile über eine Vakuumpumpe 17 abgesaugt, das Destillat in der Vorlage 16 gesammelt und der Rücklauf über die bei 15 mündende Leitung 14 kontinuierlich in die Überlaufrinne 19 geleitet wird, von wo aus es unter Einfluss der Schwerkraft in Richtung des Bodenverdampfers 5 strömt.
Auf diesem Weg gelangen die den Flüssigkeitsfilm bildenden Teilchen abwechselnd in den Wirkungsbereich der eine unterschiedliche Temperatur haltenden Mäntel 8 und 9, wodurch sie durch wärmetauschende Berührung mit dem Behälterboden abwechselnd auf eine höhere und tiefere Temperatur gebracht werden.
Diese Temperaturen werden durch entsprechende Regulierung von Menge und Temperatur der den Mänteln 8 und 9 zugeführten Wärmeübertragungsmittel so gewählt, dass im Bereich der höheren Temperatur aus dem Flüssigkeitsgemisch bei dem herrschenden Druck und der jeweiligen Flüssigkeitszusam mensetzung vorwiegend die leichtsiedenden Anteile verdampfen und im Bereich der niedrigeren Temperatur vorwiegend die tiefersiedenden Anteile aus den am Flüssigkeitsfilm entlang strömenden Brüden kondensieren. Je nach den Umständen genügt eine Temperaturdifferenz von wenigen C, um dies zu erreichen.
Dabei können die beiden Temperaturen so gehalten werden, dass im Bereich der höheren Temperatur immer noch geringe Mengen der tiefersiedenden Anteile kondensieren, während gleichzeitig die höhersiedenden verdampfen und umgekehrt im Bereich der tieferen Temperatur eine geringe Menge der höchstsiedenden Anteile verdampft, während der grosse Anteil der tiefsiedenden kondensiert.
Das sich dieser Vorgang auf dem Weg des Flüssigkeitsfilms zum Bodenverdampfer 5 vielfach wiederholt, wobei sich die jeweilige Temperatur des Flüssigkeitsfilms nach Massgabe der eintretenden Konzentrationszunahme erhöht, resultiert eine wirksame Trennung der leicht- von den schwersiedenden Teilen des Flüssigkeitsgemisches. Die schwerflüchtigen Komponenten werden im Fall kontinuierlichen Betriebes durch den Überlauf 20 aus dem Bodenverdampfer 5 abgezogen.
In Fig. 2 ist mit 1 ein Rektifikationsapparat bezeichnet, der aus einem geraden, glatten Rohr 2, welche keine die Strömung störenden Einbauten aufweist, besteht. Das Rohr 2 ist in vier Abschnitte eingeteilt, welche äusserlich an vier Wärmeaustausch-Elementen 3a, b, c, d erkennbar sind. Das Rohr 2 besteht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit. Im Innern des Rohres ist in bekannter Art ein Rotor 4 angebracht, der von einer Riemenscheibe 5 angetrieben wird. Die Wärmeaustauschelemente 3 sind in zwei Gruppen angeordnet, von denen die erste mit 3a, 3c bezeichnete gekühlt, die zweite mit 3b, 3d bezeichnete geheizt wird und mit in der Zeichnung nicht dargestellten üblichen Mitteln zum Anschluss an Heizund Kühlmedien ausgerüstet sind. Das zu behandelnde Medium wird durch den Speisestutzen 6 zugeführt.
Die Endprodukte werden einerseits durch den Sumpfkonus 7 in einen nicht weiter dargestellten Sammelbehälter, anderseits durch den Brüdenabscheider 8 in einen nicht dargestellten, in bekannter Weise arbeitenden Kondensator geführt.
Die Dimensionen der Apparate richten sich nach den zu verarbeitenden Mengen unter Berücksichtigung der maximalen zulässigen Strömungsgeschwindigkeit.
Das beschriebene Verfahren soll anhand eines Beispiels in einem Apparat nach Fig. 2 noch näher erläutert werden. Der Apparat weist folgende Daten auf:
Innendurchmesser des Rohres 180 mm
Anzahl der Zonen 4
Länge einer Zone in Achsrichtung 450 mm
Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 10 m/S
Vakuum 2 Torr
Spaltbreite zwischen Rotorblatt und Wand etwa 1 mm
Es soll ein Fettsäuregemisch, bestehend aus 50 % Capryl- und 50% Capronsäure in ein Destillat und ein Sumpfprodukt von je 95 % Reinheit aufgetrennt werden. Diese Fettsäuren sind thermisch nicht sehr stabil und müssen deshalb unter schonendster Behandlung im Vakuum getrennt werden. Die aufzutrennende Menge beträgt 100 kg/h.
Temperaturentabelle:
Eintrittstemperatur des Gemisches 1050 C
Manteltemperatur 3b 1500 C
Siedetemperatur 3c 1100 C
Manteltemperatur 3 c 750 C
Siedetemperatur 3d 1200 C
Manteltemperatur 3d 1700 C
Kondensationstemperatur 3a 1000 C
Manteltemperatur 3a 500 C
Durch den Speisestutzen 6 wird das auf Siedetemperatur von 1050 C vorgeheizte, zu trennende Gemisch dem Behandlungsapparat zugeführt und in bekannter Weise durch den Rotor 4 auf der Behandlungsfläche über den ganzen Umfang verteilt. Das in einer Menge von 100 kg/h zugeführte Gemisch mischt sich sofort mit dem aus der obersten Kühlzone ablaufenden Kondensat, welches in einer Menge von 80 kg/h zufliesst und bewegt sich unter Wirkung der Schwerkraft im Behandlungsrohr als Film abwärts.
Während des Ablaufens durch die Heizzone 3b verdampfen von den zugeführten 180 kg/h etwa 90 kg/h des Gemisches, und die Flüssigkeitskonzentration an siedenden Anteilen sinkt von den anfänglichen 50% auf etwa 35 %, wodurch die Siedetemperatur um 50 C ansteigt und sich die Menge auf 90 kg/h reduziert. Auf dem weiteren Weg abwärts wird das Gemisch über eine gekühlte Zone 3c geführt, in welcher aus den aufsteigenden Dämpfen etwa 80 kg/h kondensiert werden, so dass die Menge auf 170 kg/h ansteigt. Das gebildete Kondensat mischt sich mit Hilfe der Rückwirkung des Rotors sofort innig mit dem vorhandenen Flüssigkeitsfilm. Da vorwiegend die schwerer flüchtige Komponente kondensiert, ergibt sch in dieser Zone eine Anreicherung der Flüssigkeit an schwerer siedenden Anteilen auf 70 %, das heisst, es sind noch 30 % leichter flüchtige Anteile im Gemisch vorhanden.
Der nachfolgende letzte Abschnitt 3d ist wieder eine be heizte Zone, in welcher von den zulaufenden
170 kg/h 120 kg/h verdampft werden und eine
Sumpfmenge von 50 kg/h übrig bleibt.
Entsprechend dem grossen Eindampfverhältnis werden in diesem Abschnitt fast alle leichter flüchtigen Anteile ausgedampft. Dadurch enthält das ablaufende Sumpfprodukt, welches aus dem Sumpfkonus 7 in einen Auffangbehälter geleitet wird, nur noch 5 % an leicher flüchtigen Anteilen, was der geforderten Reinheit entspricht.
Die mittlere Verweilzeit der Flüssigkeit für die Zurücklegung des Weges vom Speisestutzen 6 zum Sumpfkonus 7 beträgt etwa eine Minute, was zusammen mit dem durch das hohe Vakuum von zwei Torr und dem verschwindend kleinen Druckabfall von weniger als zwei Torr bedingten niedrigen Behandlungstemperaturen eine sehr schonende Rektifikation des Produktes gewährleistet.
Die im untersten Abschnitt 3d gebildeten Brüden in einer Menge 120 kg/h verlassen die Heizzone mit einem Gehalt von 40 % an leicht flüchtigen Anteilen und steigen in den folgenden, gekühlten Teil 3c auf, wovon 80 kg/h kondensieren. Dies ergibt eine Anreicherung an leichter flüchtigen Anteilen in den Brüden auf etwa 70%. Beim weiteren Ansteigen durch den Behandlungsapparat kommen die Brüden, welche nur noch in einer Menge von 40 kg/h vorhanden sind, nun wieder durch eine Heizzone 3a, in welcher sie sich, unterstützt durch die Rührwirkung des Rotors, mit der oben erwähnten verdampften Menge von 90 kg/h vermischen. Die Konzentration an leicht flüchtigen Anteilen in den Brüden steigt in diesem Abschnitt auf 75 %.
Der oberste Abschnitt 3a wirkt als Dephlegmator, in dem die Brüdenmenge durch Kondensation der schwerflüchtigen Anteile von 130 auf 50 kg/h reduziert wird, wobei das Kondensat in einer Menge von 80 kg/h der frisch zugeführten Flüssigkeit beigemischt wird. Die den Behandlungsapparat verlassenden Brüden in einer Menge von 50 kg/h haben die geforderte Reinheit von 95 % und werden im Brüdenabscheider 8 von eventuell mitgerissenen Tröpfchen befreit und in einem Kondensator verflüssigt.
Da im Behandlungsrohr keinerlei die Strömung hemmende Einbauten vorhanden sind, darf die Brüdengeschwindigkeit sehr hohe Werte erreichen, ohne einen unzulässig hohen Druckabfall zu erzeugen. In diesem Beispiel beträgt die maximale Brüdengeschwindigkeit etwa 15 m/s, wobei aber ohne weiteres Werte bis zu 40 m/s zulässig sind. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten ist die mittlere Verweilzeit des Pro- duktes im Dampfraum ein Bruchteil einer Sekunde.
Die für die Trennung erforderliche Wärmemenge beträgt etwa 200 kcal pro kg zu trennendes Gemisch.
Somit liegt das eigentliche Einsatzgebiet des beschriebenen Verfahrens in dem Vakuumbereich, in welchem die konventionellen Kolonnen wie Füllkörper- oder Bodenkolonne wegen der grossen Verweilzeit und des grossen Druckabfalls praktisch nicht eingesetzt werden können.
Da die Brüden bei der Kondensation an einer Flüssigkeit ähnlicher Konzentration wie bei der vor angegangenen Verdampfung vorbeistreichen, ergibt sich je Flächeneinheit hierbei eine bessere Trenn wirkung als bei der Kondensation auf einer gekühl ten Apparatefläche.
Die Vorwärtsbewegung des Flüssigkeitsfilms in
Richtung auf die Stelle, an der die restliche Flüssig keit aus dem Behandlungsapparat abgeleitet wird, kann ausser durch Schwerkrafteinwirkung auch durch andere Krafteinwirkung erfolgen.
Besonders günstige Resultate ergeben sich, wenn Apparate verwendet werden, die ähnlich wie gewisse Typen des bekannten Dünnschichtverdampfers mit rotierendem Rührwerk gestaltet sind, da diese es ermöglichen, mittels ihrer durch Flügel, Wischer oder dergleichen gebildeten, beweglichen Behandlungsflächen, sowohl in der Flüssigkeit wie in den Brüden, eine starke Turbulenz innerhalb des ganzen Bereiches der Zonen unterschiedlicher Temperatur zu erzeugen, wodurch Wärmeübergang und Stoffaustausch wesentlich gesteigert werden können. Zur Temperatureinwirkung auf die zu behandelnde Flüssigkeit steht hierbei eine in sich geschlossene, stationäre, voll ausnützbare Behandlungsfläche zur Verfügung.
Das Verfahren kann in Verbindung mit den bekannten Schaltungen verwendet werden, als sowohl für Antriebs- wie für Verstärkungswirkung oder eine Kombination derselben, und kontinuierlich oder chargenweise arbeiten. Das zu behandelnde Medium kann in flüssiger oder dampfförmiger Phase zugeführt werden.
Die ringförmige Anordnung der Zonen unterschiedlicher Temperaturen ist nur eine beispielsweise Möglichkeit. Andere Anordnungen, z. B. dem Weg der Flüssigkeit nicht parallel laufende, schraubenlinienförmige Bänder, Taschen usw., sind ohne weiteres möglich.
Am Ende einzelner Zonen höherer oder tieferer Wandtemperatur können bei Bedarf auf der Innenseite der Behälterwand, über welche das zu behandelnde Flüssigkeitsgemisch fliesst, an sich bekannte Mittel zur kontrollierten Verlängerung der Verweilzeit der Flüssigkeit in der betreffenden Zone angebracht werden, wie z. B. absatzweise Verengerung oder konische Ausführung des Rohres bzw. einzelner Rohrabschnitte.
Dabei ist es zweckmässig, bei Rektifikationsapparaten der anhand der Fig. 2 beschriebenen Art die auf höherer und tieferer Temperatur zu haltenden Wandzonen derart zentral symmetrisch anzuordnen, dass die in der Wand entstehenden Wärmespannungen sich gegenseitig die Waage halten, so dass ein Verkrümmen des Rohres vermieden wird.