Verfahren und Mittel zum Konzentrieren von Flüssigkeitsgemischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Mittel zum Konzentrieren von flüssigkeitsgendschen, deren Komponenten verschiedene Siedepunkte auf dem Wege der Verdampfung besitzen. Das Verfahren und das Mittel sollen insbesondere für einen kontinuierlichen Betrieb zum Erzielen von besonders hohen Reinheiten der schwerer siedenden Komponente verwendet werden können, wobei die auszutreibenden Komponenten tiefere Siedepunkte aufweisen.
Es sind Verdampfer bekannt, bei denen die Aus dampfung der leichter siedenden Komponente mit und ohne Anwendung von Vakuum erfolgt. Um mit diesen Verdampfern höchste Reinheiten zu erzielen, muss entweder ein sehr hohes Vakuum angelegt werden oder die Eindampfung muss bei relativ hohen Temperaturen erfolgen. Da aber einerseits der Erzeugung eines sehr hohen Vakuums in der Technik ökonomisch Grenzen gesetzt sind und andererseits die Anwendung hoher Eindampftemperaturen durch die Temperaturbeständigkeit der Stoffe oftmals beschränkt wird, kann mit diesen Verdampfern in vielen Fällen entweder die gewünschte hohe Aufkonzentrierung nicht erreicht werden oder nur mit grossen Apparate- und Energieaufwand.
Weiterhin sind Verdampfer bekannt, bei denen die Eindampfung unter Zusatz eines nichtkondensierenden Gases in den Verdampfungsraum erfolgt, wodurch der Partialdruck der leichter siedenden Komponente und damit die Siedetemperatur herabgesetzt wird.
Um mit diesen Verdampfern besonders hohe Reinheiten zu erzielen, muss entweder die Flüssigkeit im Kreislauf wiederholt durch den Verdampfer geführt werden oder man muss sehr hohe Gasmengen zuführen.
Führt man die Flüssigkeit im Kreislauf durch den Verdampfer, so hat das zum Nachteil, dass der Apparat für ein Vielfaches der Aufgabemenge ausgelegt werden muss und dass die Flüssigkeit einer langen, unter Umständen schädigenden Temperatureinwirkung ausgesetzt ist. In diesem Falle ist ein grosser Apparat- und Energieaufwand notwendig.
Bei einem erhöhten Gaszusatz lassen sich aber auf Grund des Daltonschen Gesetzes nur dann hohe Reinheiten erzielen, wenn dieses Gasvolumen im Verhältnis zum entwickelten Dampfvolumen sehr gross ist. Da nun bei grossen Gehalten an leichter Siedenden das Dampfvolumen allein schon eine beachtliche Grösse erreicht, so wird es in diesem Fall technisch und ökonomisch unvertretbar, die zur Aufkonzentrierung erforderlichen Gasvolumins zuzuführen, so dass sich auch hier ein sehr grosser Apparate- und Energieaufwand ergibt.
Die Erfindung hat den Zweck, diese Nachteile aufzuheben und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und ein Mittel zur Ausführung des Verfahrens zu entwickeln, um eine hohe Aufkonzentrierung von Flüssigkeitsgemischen trotz grossen Gehalts an leichter Siedenden mit geringem Apparate- und Energieaufwand zu ermöglichen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe wie folgt gelöst: Ausgehend von der Tatsache, dass sich Flüssigkeitsgemische bei sehr hoher Konzentration im Bereich der Restlöslichkeit befinden, ist hier das erste Raoultsche Gesetz anzuwenden. Dieses Gesetz besagt, dass einem geforderten sehr geringen Molanteil des leichter Siedenden in der Lösung auch ein sehr geringer Teildruck der leichter siedenden Komponente im Dampfraum gegen überstehen muss. Die Rechnung nach dem Daltonschen Gesetz zeigt, dass für höchste Reinheiten der Lösung so geringe Dampfteildrücke der abzutreibenden Komponente erforderlich sind, dass diese mittels technischen Vakuumpumpen nicht mehr erreicht werden können.
Durch Zusatz von Gas in den Dampfraum lässt sich aber der Teildruck der leichter siedenden Komponente auch nur dann auf die erforderliche geringe Grösse bringen, wenn nur noch eine sehr kleine Menge des abzutreibenden Dampfes vorhanden ist.
Deshalb wird erfindungsgemäss das Flüssigkeitsgemisch im ersten Verfahrensschritt in einer Stufe oder mehreren Stufen eines Verdampfers vorkonzentriert und danach, im zweiten Verfahrensschritt, das dabei gewonnene Konzentrat einem Dünnschichtverdampfer zugelei tet, in dessen Verdampfungsraum ein nichtkondensierendes Gas eingeführt wird.
Hierbei kann im ersten und/oder im zweiten Verfahrensschritt unter Vakuum verdampft werden. Das erfindungsgemässe Mittel zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein ein- oder mehrstufiger Verdampfer in Reihe mit einem Dünnschichtverdampfer geschaltet ist und letzterer eine Einrichtung, die die Zuführung eines nichtkondensierenden Gases in den Verdampfungsraum gestattet, besitzt.
Die Erfindung soll anhand der Konzentrierung eines Trikresylphosphat-Wassergemisches beispielsweise näher erläutert werden.
Das einzudampfende TKP-Wassergemisch, welches 16 Oio Wasser enthält, wird im ersten Verfahrensschritt in der ersten Stufe der zweistufigen Fallstromeindampfanlage bei einem Vakuum von 80 ovo auf eine Reinheit von 99,5 O/o aufkonzentriert. Anschliessend wird die Lösung im zweiten Verfahrensschritt in die letzte Stufe geleitet, die ebenfalls unter Vakuum arbeitet. Der Verdampfungsraum der letzten Stufe wird mit einem Belüftungsventil versehen, durch welches eine dosierte Luftmenge zuströmt. Mit kurzer Temperatureinwirkung und geringer Luftmenge kann man leicht erreichen, dass die TKP-Lösung nur noch einen Wassergehalt von 0,02 o/o enthält.
Method and means for concentrating liquid mixtures
The invention relates to a method and a means for concentrating liquid gases, the components of which have different boiling points due to evaporation. The method and the means should in particular be able to be used for continuous operation in order to achieve particularly high purities of the higher-boiling components, the components to be driven off having lower boiling points.
There are known evaporators in which the evaporation of the lower-boiling component takes place with and without the application of a vacuum. In order to achieve the highest purity with these evaporators, either a very high vacuum must be applied or the evaporation must take place at relatively high temperatures. However, since on the one hand there are economic limits to the generation of a very high vacuum in technology and, on the other hand, the use of high evaporation temperatures is often limited by the temperature resistance of the substances, these evaporators either cannot achieve the desired high concentration in many cases or only with large ones Apparatus and energy consumption.
Furthermore, evaporators are known in which the evaporation takes place with the addition of a non-condensing gas in the evaporation space, whereby the partial pressure of the lower-boiling component and thus the boiling temperature is reduced.
In order to achieve particularly high purities with these evaporators, either the liquid has to be circulated repeatedly through the evaporator or very large amounts of gas have to be supplied.
If the liquid is circulated through the evaporator, this has the disadvantage that the apparatus has to be designed for a multiple of the feed quantity and that the liquid is exposed to a long, potentially damaging temperature effect. In this case, a large amount of equipment and energy is necessary.
With an increased addition of gas, however, due to Dalton's law, high purities can only be achieved if this gas volume is very large in relation to the volume of vapor developed. Since the steam volume alone reaches a considerable size with high contents of low boiling substances, it is technically and economically unacceptable in this case to supply the gas volumes required for concentration, so that here too there is a very high expenditure on apparatus and energy.
The invention has the purpose of eliminating these disadvantages and has the object of developing a method and a means for carrying out the method in order to enable a high concentration of liquid mixtures despite the high content of low boiling substances with little equipment and energy expenditure.
According to the invention, this object is achieved as follows: Based on the fact that liquid mixtures are in the range of residual solubility at very high concentrations, Raoult's first law is to be applied here. This law states that a required very low molar proportion of the lower boiling point in the solution must also be countered by a very low partial pressure of the lower boiling component in the vapor space. The calculation according to Dalton's law shows that for the highest purity of the solution, so low partial steam pressures of the component to be driven off are required that they can no longer be achieved by means of technical vacuum pumps.
By adding gas to the vapor space, however, the partial pressure of the lower-boiling component can only be brought to the required low level if only a very small amount of the vapor to be driven off is still available.
Therefore, according to the invention, the liquid mixture is preconcentrated in one or more stages of an evaporator in the first process step and then, in the second process step, the concentrate obtained is fed to a thin-film evaporator, into whose evaporation chamber a non-condensing gas is introduced.
In this case, it is possible to evaporate under vacuum in the first and / or in the second process step. The means according to the invention for carrying out the method is characterized in that a single or multi-stage evaporator is connected in series with a thin film evaporator and the latter has a device which allows a non-condensing gas to be fed into the evaporation chamber.
The invention will be explained in more detail using the concentration of a tricresyl phosphate-water mixture, for example.
The TKP-water mixture to be evaporated, which contains 16% water, is concentrated in the first process step in the first stage of the two-stage falling stream evaporation system at a vacuum of 80% to a purity of 99.5%. In the second process step, the solution is then passed into the last stage, which also operates under vacuum. The evaporation chamber of the last stage is provided with a ventilation valve through which a metered amount of air flows in. With a short exposure to temperature and a small amount of air, you can easily achieve that the TKP solution only contains a water content of 0.02 o / o.