Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Trennung von Stoffgemischen sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Kolonne.
Die Kristallisation hat allgemein verschiedene Vorteile gegenüber anderen Trenn- und Reinigungsverfahren. So können Stoffe im kristallinen Zustand von besonders hoher Reinheit erhalten werden. Die Kristallisation bietet auch die Möglichkeit, noch Stoffe zu trennen, die z. B. durch Destillation wegen ihrer nahe beieinanderliegenden Siedepunkte nicht mehr oder nur sehr schwierig zu trennen sind. Weitere Vorteile gegenüber der Destillation sind die tiefere Arbeitstempe.
ratur, was für thermisch wenig stabile Substanzen von Bedeutung ist, und der geringere Energiebedarf infolge der gegenüber den Verdampfungswärmen wesentlich tieferen Schmelzwärmen.
Die Kolonnenkristallisation ist ein der Kolonnendestillation analoges Verfahren, das kontinuierlich ausgeführt werden kann und ein sehr wirksames Trennverfahren darstellt.
Bei der Kolonnenkristallisation werden entlang eines Temperaturgradienten Kristalle und Schmelze im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt. Dabei werden die Kristalle am kühleren Ende der Kolonne durch eine Kühlvorrichtung erzeugt und zum wärmeren Ende der Kolonne transportiert, wo sie durch eine Heizung geschmolzen werden. Nach Wiederholung dieses Vorgangs trennen sich die höher- und die tieferschmelzende Komponente. Bei kontinuierlicher Fahrweise wird am wärmeren Ende der Kolonne ein Teil der höherschmelzenden Substanz und am kälteren Ende die tieferschmelzende Substanz abgenommen. Das Ausgangsprodukt wird an einem Punkt zwischen den beiden Abnahmestellen zugeführt.
Hauptprobleme bei der technischen Anwendung der Kolonnenkristallisation sind der einwandfreie und genügende Kristalltransport und damit eine genügend grosse Leistung, sowie die technisch-wirtschaftliche Realisierbarkeit der Kolonne.
Bei einem bekannten Laborverfahren wird der Kristalltransport mittels einer in einem Ringspalt sich drehenden Schraube (Schraubenfeder) bewerkstelligt (DAS 1 719468).
Da den Dimensionen einer Schraube Grenzen gesetzt sind, ist für eine Anwendung dieses Verfahrens im grossen Massstab der technische Aufwand sehr erheblich.
Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Kolonnenkristallisation sehr kleiner Substanzmengen werden die Kristalle durch einen in einem zylindrischen Gehäuse befindlichen schnell drehenden Gewindestab (Schnecke) transportiert. Hierbei werden in sehr kurzer Zeit Trennungen bzw.
Reinigungen erreicht. Der Effekt ist um so besser, je kleiner die Dimensionen der Kolonne sind (DAS 1 719467).
Von grösseren Schnecken ist bekannt, dass sie schnell verstopfen und nur schlecht Kristalle in einer Kristallisationskolonne fördern.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass Mehrfachschnecken, insbesondere Doppelschnecken, wie sie z. B.
bei Extrudern, in der Technik Anwendung finden, auch in grösseren Dimensionen ein sehr gutes Kristalltransportmittel für eine Kristallisationskolonne darstellen. Derartige Doppelschnecken bewirken einen zwangsmässigen Transport und einen gewissen Druck. Obwohl solche Schnecken normalerweise u. a. auch zum Mischen von verschiedenen Substanzen dienen, zeigt eine damit ausgerüstete Kristallisationskolonne unerwartet in sehr kurzer Zeit eine Trennwirkung. Dadurch werden die Verweilzeiten gering, und solche Kolonnen sind für eine technische Kolonnenkristallisation geeignet.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist demnach ein Verfahren zur kontinuierlichen Trennung von Stoffgemischen durch Kolonnenkristallisation in einer Kolonne, welche an einem Ende geheizt und am anderen Ende gekühlt wird, und welche einen Auslass am wärmeren Ende für die höherschmelzende Substanz und einen Auslass am kühleren Ende für die tieferschmelzende Substanz und einen Einlass für die Ausgangssubstanzen an einer Stelle zwischen den beiden Auslassen besitzt, und in welcher die feste Phase im Gegenstrom zur flüssigen Phase zum wärmeren Ende der Kolonne transportiert wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Transport der festen Phase durch mindestens zwei rotierende, zueinander parallel liegende massive Schnecken bewerkstelligt wird, deren Windungen durchgehend und kämmend angeordnet sind, und welche von einem Gehäuse eng umfasst sind.
Vorteilhaft enthält diese Kolonne nur zwei Schnecken.
Die zwangsweise transportierenden Schnecken sind vorzugsweise ineinandergreifende, sogenannte kämmende Schnecken. Die Schnecken haben vorzugsweise gleiche Ausmasse. Sie können gleiche Steigungsrichtung haben und gleichsinnig drehen, oder sie haben entgegengesetzte Steigungsrichtung und haben dann auch eine gegensinnige Drehrichtung. Die Schnecken passen eng in ein entsprechendes Gehäuse. Die Steigung und die Gangtiefe der Schnecken können in weiten Grenzen variieren. Vorzugsweise wird die Steigung 50-200% und die Gangtiefe 5-30% vom Schneckendurchmesser betragen.
Auch ist es möglich, dass Steigung und/oder Gangtiefe variabel sind in dem Sinn, dass sie z. B. bei beiden Schnecken gleichzeitig in Transportrichtung abnehmen. Vorteilhaft sind sie jedoch auf der ganzen Schneckenlänge gleich. Die Drehzahl der Schnecken richtet sich nach ihrem Durchmesser und nach Trennproblem und kann 10-300 Umdrehungen/Minute betragen. Die Schnecken können hohl sein und zur Aufnahme zusätzlicher Heizung oder Kühlung dienen.
Lagerung und Antrieb der Schnecken kann in jeder technisch bekannten Art erfolgen.
Es ist ein Vorteil des Verfahrens, dass der Transport der Kristalle unabhängig vom Dichteunterschied der festen und flüssigen Phase erfolgt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass eine Kristallisationskolonne in jeder beliebigen Aufstellungslage betrieben werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll nun mit Hilfe der in Fig. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsform einer Kolonne erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kolonne. Im Gehäuse 1 befinden sich die im Lager 2 gelagerten Schnekkenwellen 3a und 3b, die mit einem nicht dargestellten Getriebe und Antriebsmotor verbunden sind. Das Kolonnengehäuse 1 ist von dem Heizmantel 4, dem Kühlmantel 5 und dem Temperiermantel 6 umgeben. Der Temperiermantel 6 kann auch in mehrere Sektionen unterteilt sein, um einen besseren Temperaturgradienten zu erreichen. Die Pumpe 7 fördert über Leitung 8 Ausgangsmaterial in die Kolonne.
Leitung 9 dient zur Abnahme der höherschmelzenden Komponente und Leitung 10 zur Abnahme der tieferschmelzenden Komponente. Durch Leitung 11 kann ein Teil der tieferschmelzenden Komponente über Leitung 8 und Pumpe 7 wieder in die Kolonne zurückgeführt werden.
Fig. 2 ist der Querschnitt A-A von Fig. 1. Die Figur zeigt die Form des Gehäuses 1 und des Temperiermantels 6 sowie die Lage der Schneckenwellen 3a und 3b.
Die folgende Beschreibung erläutert die Arbeitsweise der Kristallisationskolonne.
Vor ihrer Füllung wird die Kolonne mittels der Temperiermäntel auf die Schmelztemperatur des zu trennenden Substanzgemisches gebracht. Dann wird bei geschlossener Leitung 9 und bei laufenden Schnecken 3a und 3b die Kolonne über Leitung 8 und Pumpe 7 mit Ausgangssubstanz gefüllt. Die Ausgangssubstanz kann flüssig oder in Form eines Kristallbreies vorliegen. Mit Kühler 5 werden Kristalle erzeugt. Diese Kristalle sowie die eventuell mit der Ausgangssubstanz eingeführten Kristalle werden von den Schnecken zum anderen Ende der Kolonne gefördert und dort durch die Heizung 4 geschmolzen. Die Schmelze wird von den zwangsmässig nachgeförderten Kristallen verdrängt und fliesst im Gegenstrom zu den Kristallen zum kälteren Ende der Kolonne zurück.
Die Temperierung der Heizung 6 richtet sich nach der Drehzahl, da bei höheren Drehzahlen die entstehende Reibungswärme eventuell durch eine gewisse äussere Kühlung kompensiert werden muss. Nach kurzer Zeit ist die Kolonne im Gleichgewicht, und es kann bei stetiger Zuführung der Ausgangssubstanz ein Teil der höherschmelzenden Komponente über Leitung 9 und die tieferschmelzende Komponente über Leitung 10 entnommen werden. Als Beispiel wird Caprolactam, das mit 1000 ppm des Farbstoffes Sudanrot B verunreinigt ist, gemäss vorliegendem Verfahren von seiner Verunreinigung getrennt. Nach 5 Minuten langer Kolonnenkristallisation weist das Caprolactam am Auslass 9 nur noch einen Farbstoffgehalt von 20 ppm auf.
Die Messung und Regelung von Temperaturen und Produktströmen kann in jeder technisch bekannten Art erfolgen.
Mit dem Verfahren können Stoffe und Stoffgemische, die kristallisieren und unzersetzt schmelzen, gereinigt oder getrennt werden.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur kontinuierlichen Trennung von Stoffgemischen durch Kolonnenkristallisation in einer Kolonne, welche an einem Ende geheizt und am anderen Ende gekühlt wird, und welche einen Auslass am wärmeren Ende für die höherschmelzende Substanz und einen Auslass am kühleren Ende für die tieferschmelzende Substanz und einen Einlass für die Ausgangbsubstanzen an einer Stelle zwischen den beiden Auslässen besitzt, und in welcher die feste Phase im Gegenstrom zur flüssigen Phase zum wärmeren Ende der Kolonne transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport der festen Phase durch mindestens zwei rotierende, zueinander parallel liegende massive Schnecken bewerkstel ligt wird, deren Windungen durchgehend und kämmend ange- ordnet sind (Fig. 1) und welche von einem Gehäuse eng um fasst sind (Fig. 2).
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolonne nur zwei Schnecken enthält.
2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecken gleiche Stei gungsrichtung haben und sich gleichsinnig und mit gleicher
Geschwindigkeit drehen.
3. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecken entgegengesetzte
Steigungsrichtung haben und sich gegenläufig, aber mit gleischer Geschwindigkeit drehen.
4. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Steigung und/oder
Gangtiefe auf der ganzen Schneckenlänge gleich bleiben.
5. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Schnecken 50-200% des Schneckendurchmessers beträgt.
6. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gangtiefe 5-30% des Schneckendurchmessers beträgt.
PATENTANSPRUCH II
Kolonne zur Durchführung des Verfahrens gemäss Pa- tentanspruch I, welche an einem Ende geheizt und am anderen Ende gekühlt ist, und welche einen Auslass am wärmeren Ende für die höherschmelzende Substanz und einen Auslass am kühleren Ende für die tieferschmelzende Substanz und einen Einlass für die Ausgangssubstanzen an einer Stelle zwischen den beiden Auslässen besitzt und welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens zwei rotierende, zu einander parallel liegende massive Schnecken enthält, deren Windungen durchgehend und kämmend angeordnet sind (Fig. 1) und welche von einem Gehäuse eng umfasst sind (Fig. 2).
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The present invention relates to a process for the continuous separation of mixtures of substances and a column suitable for carrying out this process.
Crystallization generally has several advantages over other separation and purification processes. In this way, substances of particularly high purity can be obtained in the crystalline state. The crystallization also offers the possibility of still separating substances that, for. B. are no longer or only very difficult to separate by distillation because of their close boiling points. Further advantages over distillation are the lower working temperature.
temperature, which is important for substances that are not thermally stable, and the lower energy requirement due to the heat of fusion, which is much lower than the heat of vaporization.
Column crystallization is a process analogous to column distillation, which can be carried out continuously and is a very effective separation process.
In column crystallization, crystals and melt are led past each other in countercurrent along a temperature gradient. The crystals are generated at the cooler end of the column by a cooling device and transported to the warmer end of the column, where they are melted by a heater. After repeating this process, the higher and lower melting components separate. In the case of continuous operation, part of the higher-melting substance is taken off at the warmer end of the column and the lower-melting substance is taken off at the colder end. The starting product is fed in at a point between the two delivery points.
The main problems in the technical application of column crystallization are the proper and sufficient crystal transport and thus a sufficiently high performance, as well as the technical and economic feasibility of the column.
In a known laboratory process, the crystal is transported by means of a screw (helical spring) rotating in an annular gap (DAS 1 719468).
Since there are limits to the dimensions of a screw, the technical effort required to use this method on a large scale is very considerable.
In another known method for column crystallization of very small amounts of substance, the crystals are transported through a rapidly rotating threaded rod (screw) located in a cylindrical housing. In this way, separations or
Cleanings achieved. The smaller the dimensions of the column, the better the effect (DAS 1 719467).
It is known that larger snails clog up quickly and are difficult to convey crystals in a crystallization column.
It has now surprisingly been found that multiple screws, in particular twin screws, as they are, for. B.
in the case of extruders, which are used in technology, represent a very good means of crystal transport for a crystallization column even in larger dimensions. Such twin screws cause a forced transport and a certain pressure. Although such snails usually u. a. also serve to mix different substances, a crystallization column equipped with it unexpectedly shows a separating effect in a very short time. This makes the residence times short and such columns are suitable for industrial column crystallization.
The present invention accordingly provides a process for the continuous separation of mixtures of substances by column crystallization in a column which is heated at one end and cooled at the other end, and which has an outlet at the warmer end for the higher-melting substance and an outlet at the cooler end for the lower-melting substance Substance and an inlet for the starting substances at a point between the two outlets, and in which the solid phase is transported in countercurrent to the liquid phase to the warmer end of the column. This method is characterized in that the solid phase is transported by at least two rotating massive screws lying parallel to one another, the turns of which are arranged in a continuous and meshing manner and which are closely enclosed by a housing.
This column advantageously contains only two screws.
The forcibly conveying screws are preferably intermeshing, so-called meshing screws. The screws preferably have the same dimensions. They can have the same pitch direction and rotate in the same direction, or they have opposite pitch direction and then also have an opposite direction of rotation. The snails fit snugly into a corresponding housing. The pitch and the flight depth of the screws can vary within wide limits. The pitch will preferably be 50-200% and the flight depth 5-30% of the screw diameter.
It is also possible that the pitch and / or pitch are variable in the sense that they are e.g. B. decrease with both screws simultaneously in the transport direction. However, they are advantageously the same over the entire length of the screw. The speed of the screws depends on their diameter and the separation problem and can be 10-300 revolutions / minute. The screws can be hollow and serve to accommodate additional heating or cooling.
The screws can be supported and driven in any technically known manner.
It is an advantage of the process that the crystals are transported independently of the difference in density between the solid and liquid phases.
Another advantage of the process is that a crystallization column can be operated in any position.
The method according to the invention will now be explained with the aid of the embodiment of a column shown schematically in FIGS. 1 and 2 of the drawing.
1 shows a longitudinal section through a column. In the housing 1 there are the worm shafts 3a and 3b which are mounted in the bearing 2 and which are connected to a gear and drive motor, not shown. The column housing 1 is surrounded by the heating jacket 4, the cooling jacket 5 and the temperature control jacket 6. The temperature control jacket 6 can also be divided into several sections in order to achieve a better temperature gradient. The pump 7 conveys starting material into the column via line 8.
Line 9 is used to remove the higher-melting component and line 10 to remove the lower-melting component. Through line 11, part of the lower-melting component can be returned to the column via line 8 and pump 7.
Fig. 2 is the cross section A-A of Fig. 1. The figure shows the shape of the housing 1 and the tempering jacket 6 as well as the position of the screw shafts 3a and 3b.
The following description explains the operation of the crystallization column.
Before it is filled, the column is brought to the melting temperature of the substance mixture to be separated by means of the temperature control jackets. Then, with the line 9 closed and the screws 3a and 3b running, the column is filled with starting substance via line 8 and pump 7. The starting substance can be liquid or in the form of a crystal pulp. With the cooler 5 crystals are generated. These crystals as well as any crystals introduced with the starting substance are conveyed by the screws to the other end of the column and melted there by the heater 4. The melt is displaced by the forcibly replenished crystals and flows back to the colder end of the column in countercurrent to the crystals.
The temperature control of the heater 6 depends on the speed, since at higher speeds the frictional heat that occurs may have to be compensated for by a certain external cooling. After a short time, the column is in equilibrium, and part of the higher-melting component can be withdrawn via line 9 and the lower-melting component can be removed via line 10 if the starting substance is fed in continuously. As an example, caprolactam, which is contaminated with 1000 ppm of the dye Sudan Red B, is separated from its contamination according to the present method. After 5 minutes of crystallization in the column, the caprolactam at outlet 9 only has a dye content of 20 ppm.
The measurement and regulation of temperatures and product flows can take place in any technically known manner.
With this process, substances and mixtures of substances that crystallize and melt without decomposition can be cleaned or separated.
PATENT CLAIM 1
Process for the continuous separation of mixtures of substances by column crystallization in a column which is heated at one end and cooled at the other end, and which has an outlet at the warmer end for the higher-melting substance and an outlet at the cooler end for the lower-melting substance and an inlet for the Has starting substances at a point between the two outlets, and in which the solid phase is transported in countercurrent to the liquid phase to the warmer end of the column, characterized in that the transport of the solid phase is accomplished by at least two rotating, parallel massive screws whose turns are arranged in a continuous and meshing manner (FIG. 1) and which are closely encompassed by a housing (FIG. 2).
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that the column contains only two screws.
2. The method according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the screws have the same pitch direction and are in the same direction and with the same
Rotate speed.
3. The method according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the screws are opposite
Have direction of incline and rotate in opposite directions, but at the same speed.
4. The method according to claim I and subclaims
1 to 3, characterized in that slope and / or
The flight depth remains the same over the entire length of the screw.
5. The method according to claim I and dependent claims 1 to 4, characterized in that the pitch of the screws is 50-200% of the screw diameter.
6. The method according to claim I and subclaims
1 to 5, characterized in that the thread depth is 5-30% of the screw diameter.
PATENT CLAIM II
Column for carrying out the process according to claim I, which is heated at one end and cooled at the other end, and which has an outlet at the warmer end for the higher-melting substance and an outlet at the cooler end for the lower-melting substance and an inlet for the starting substances at a point between the two outlets and which is characterized in that it contains at least two rotating massive screws lying parallel to one another, the turns of which are arranged in a continuous and meshing manner (Fig. 1) and which are closely enclosed by a housing (Fig . 2).
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