DE10103441B4

DE10103441B4 - Verfahren zur Synthese von lösemittelhaltigen Stoffgemischen

Info

Publication number: DE10103441B4
Application number: DE2001103441
Authority: DE
Inventors: Helmut Siegel; Hans Schaber; Peter Meneguz
Original assignee: Individual
Current assignee: Meneguz Peter Wangen Ch; Schaber Hans 79189 Bad Krozingen De; Siegel Helmut 79183 Waldkirch De
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: CH696231A5; DE10103441A1

Abstract

Verfahren zur Synthese von lösemittelhaltigen Stoffgemischen unter Anwendung eines Vakuum-Destillationsverfahrens, bei welchem das Stoffgemisch zum Abdestillieren bzw. Verdampfen des oder der im Stoffgemisch enthaltenen Lösemittels oder Lösemittel unter ein geregeltes Vakuum gesetzt sowie thermisch angeregt wird, wobei die Druckabsenkung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Vakuumdruckes stufenweise erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Stoffgemisch in einem ersten Verfahrensschritt auf eine vorbestimmte, nicht zu überschreitende Destillationstemperatur gebracht wird und,
daß in weiteren, zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritten der Systemdruck ausgehend von einem anfänglichen Umgebungsdruck iterativ in diskreten, vorbestimmten Zeitabschnitten in den Bereich des zur Destillationstemperatur gehörenden Siededruckes schrittweise abgesenkt wird und,
daß zwischen den einzelnen, aufeinanderfolgend geringer werdenden Druckniveaus der iterativen Druckabsenkung zeitlich vorbestimmte Erholungsphasen vorgesehen sind, in welchen unter Zuführung von Verdampfungsenergie das Druckniveau jeweils wieder auf das ursprüngliche Ausgangsniveau des Umgebungsdruckes oder zumindest annähernd auf dieses Ausgangsniveau ansteigt und,
daß während der Druckabsenkung dem Stoffgemisch Verdampfungsenergie zugeführt...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von lösemittelhaltigen Stoffgemischen unter Anwendung eines Vakuum-Destillationsverfahrens, bei welchem das Stoffgemisch zum Abdestillieren bzw. Verdampfen des oder der im Stoffgemisch enthaltenen Lösemittels oder Lösemittel unter ein geregeltes Vakuum gesetzt sowie thermisch angeregt wird, wobei die Druckabsenkung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Vakuumdruckes stufenweise erfolgt.
Zur Erfindung von neuen Verbindungen und Ermittlung von verfahrenstechnischen Parametern werden Verfahren sowie Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art verwendet. Das hauptsächliche Einsatzgebiet befindet sich in Industrielaboratorien der pharmazeutischen, chemischen sowie bio chemischen Industrie, wo solche Synthesen beispielsweise für Volumina von 0,5 bis 10 Liter durchgeführt werden. Dazu werden beispielsweise sogenannte Mehrhalskolben aus Glas oder anderen chemisch inerten Materialien wie Edelstahl beispielsweise mit dem Werkstoff 1.4571 oder fluorierten Kunststoffen wie PTFE, PFA verwendet.
Eine der gebräuchlichsten Apparaturen zur Synthese von lösemittelhaltigen Stoffgemischen ist beispielsweise der sogenannte Dreihalskolben, bei welchem mittig ein Rührwerk vorgesehen ist. Durch das Rührwerk wird das Stoffgemisch während des Synthesevorganges ständig durchmischt, so daß die von außen zugeführte Wärme gleichmäßig im Stoffgemisch verteilt wird und somit eine möglichst gute Verdampfung des Lösemittels stattfinden kann. Seitlich kann der Dreihalskolben mit einem Rückflußkühler und einem Tropftrichter ausgestattet sein, wodurch das verdampfte bzw. destillierte Lösemittel wieder kondensiert und in einem Auffangbehälter zurückgewonnen wird. Als Wärmequelle zum Einbringen der entsprechenden Verdampfungsenergie werden Flüssigkeitsbäder oder auch sogenannte Heizpilze verwendet. Um die Temperatur möglichst konstant auf einem vorbestimmten Wert zu halten, wird der Aufbau durch diverse Meßsonden vervollständigt.
Die Verdampfungstemperatur wird bei den meisten Synthesen durch das dort verwendete Lösemittel vorgegeben. Diese Temperatur ergibt sich aus dessen spezifischem Siedepunkt, auf dessen Siedepunkt-Niveau die Verdampfungstemperatur konstant zu halten ist. Desweiteren sind aber bei solchen lösemittelhaltigen Stoffgemischen auch entsprechende Inhaltsstoffe im Stoffgemisch enthalten, welche äußerst temperaturempfindlich sein können. Deshalb findet in der Regel die Verdampfung bei der Synthese von solchen lösemittelhaltigen Stoffgemischen bei einer erheblich niedrigeren Temperatur als der Siedetemperatur des Lösemittels bei gegebenem Außendruck von beispielsweise dem normalen Luftdruck in Höhe von 1050 mbar statt.
Bei den angesprochenen Synthesen ist ein Teilschritt des Syntheseablaufs das eben beschriebene Abdestillieren des Lösemittels, welches direkt aus der Apparatur erfolgt. Dabei werden beispielsweise auch sogenannte Rotationsverdampfer verwendet, wie diese beispielhaft aus dem Firmenkatalog der Firma IKA-Werke GmbH & Co. KG, 79219 Staufen, auf Seite 61 bekannt sind. Diese Rotationsverdampfer arbeiten mit Flüssigkeitsvolumen von etwa 1 bis 2 Litern. Um nun auch bei niedrigeren Siedetemperaturen als der durch die Inhaltsstoffe des Stoffgemisches vorgegebenen, maximal möglichen Temperaturen den Verdampfungsvorgang möglichst zu beschleunigen, wird eine sogenannte Vakuumverdampfung oder Vakuumdestillation durchgeführt. Bei dieser Vakuumverdampfung wird bei der durch das Stoffgemisch maximal erreichbaren Verdampfungstemperatur ein "Vakuum" angelegt, dessen Druck erheblich geringer sein kann als der Normaldruck der Umgebungsluft. Zum Anlegen eines solchen Vakuums werden sogenannte Vakuumcontroller verwendet, bei welchen in Verbindung mit Rotationsverdampfern in diesen ein geregeltes Vakuum erzeugt werden kann. Somit kann aufgrund dieses Vakuums auch bei niedrigerem Temperaturniveau eine möglichst rasche Verdampfung erfolgen, wobei das Vakuum vorzugsweise in einem Niveau gewählt wird, bei welchem wiederum das Lösemittel zu sieden beginnt.
Solche Rotationsverdampfer benötigen allerdings einen hohen Platzbedarf und verursachen auch hohe Kosten für Lösemittel und Chemikalien, so daß auch dementsprechend Entsorgungskosten in nicht unerheblichem Maße anfallen. Desweiteren ist bei der Verwendung von Rotationsverdampfern eine personalintensive Überwachung der mit diesen Rotationsverdampfern durchgeführten Synthesen notwendig, da unter anderem ständig überwacht werden muß, daß der Siedevorgang nicht zu einem "Überkochen" des Systems führt. Desweiteren belasten Dämpfe von Heizflüssigkeiten sowohl die Einrichtung als auch das Personal. Bei der Verwendung von Wasserstrahlpumpen zum Erzeugen des Vakuums bzw. zum Absaugen der Lösemitteldämpfe werden eine große Menge von teurem Brauchwasser und somit wertvolle Ressourcen vergeudet. Ein weiterer wirtschaftlicher Nachteil ergibt sich daraus, daß für jede einzelne Apparatur Meß- und Steuereinrichtungen bereitgestellt werden müssen, was wiederum zu hohen Kosten führt. Außerdem müssen solche Meß- und Steuereinrichtungen für jede Apparatur präzise eingestellt werden, so daß auch hierdurch einerseits der Aufwand erhöht wird und andererseits aber auch eine Abstimmung von mehreren gleichen Versuchen nicht stets unter den gleichen Bedingungen erfolgen kann. Desweiteren stellen die großen Lösemittelvolumina ein Sicherheitsrisiko dar, da die meisten Lösemittel brennbar sind, so daß die Brandgefahr in den Laboratorien nicht zu unterschätzen ist. Schließlich ist auch die Effektivität bei der Verwendung von Rotationsverdampfern mit lediglich einer chemischen oder biologischen Information pro Apparatur und Einsatz nur dürftig und nicht mehr als zeitgerecht anzusehen.
Aus diesen genannten Gründen wurden in den letzten Jahren verschiedene Verdampfungsgeräte, sogenannte Konzentratoren entwickelt, mit denen Seriendestillationen durchgeführt werden können. Als Beispiel seien hier Produkte der Firma BÜCHI-Labortechnik AG in 9230 Flawil, Schweiz genannt, deren Produkte beispielsweise in deren Firmenkatalog mit der Bezeichnung "Syncore^® Analyst – der schnelle und kostengünstige Parallelverdampfer für die Rückstandsanalytik" aus dem Jahre 2000 bekannt geworden sind. Weitere Produkte, welche sich mit der Verdampfungstechnik beschäftigen, sind beispielsweise aus dem Firmenkatalog der Firma ZYMARK GmbH, 65510 Idstein bekannt. Als weiteres Beispiel sei auch der Firmenkatalog der Firma H+P Labortechnik GmbH, 85764 Oberschleißheim zu nennen, in welchem ein Produkt mit der Bezeichnung "Variomag" angegeben ist, bei welchem Rührvorrichtungen, Heiz- sowie Kühleinrichtungen vorgesehen sind und welches zur Mehrfachdestillation von lösemittelhaltigen Stoffgemischen dienen soll.
Bei einigen dieser Geräte ist nachteilig, daß dort das Lösemittel mittels eines regelbaren Gasstromes aus den Gefäßen herausgeblasen und somit verdunstet wird. Über ein entsprechendes Abluftgebläse erfolgt somit eine um weltbelastende Verdampfung, da die Lösemitteldämpfe ins Freie geleitet werden. Bei weiteren Vakuumverdampfern bestehen desweiteren Wärmeübertragungsmängel, insbesondere wenn mit metallischer Wärmeleitung "trocken" erwärmt wird. Damit ist gemeint, daß die Lösemittelgefäße, beispielsweise lediglich auf eine Heizplatte aufgestellt oder in einen metallischen Heizblock eingestellt werden und somit lediglich eine Erwärmung durch einen einfachen metallischen bzw. Metall-Glaskontakt erfolgt. Dabei ist die Wärmeübertragung relativ gering, so daß der Leistungsdurchsatz solcher Vorrichtungen und Verfahren entsprechend gering ist. Bei anderen Wärmetechniken, wie Infrarot-Strahler oder der Anwendung der Mikrowellentechnik ist teilweise ein relativ großer Regelaufwand zu betreiben, was wiederum zu hohen Kosten führt, oder diese Verfahren werden vom Anwender aufgrund teilweise nicht ermittelbarer Auswirkungen auf die zu synthetisierenden Produkte abgelehnt. Desweiteren benötigt sowohl die Ausblastechnik mit Gas als auch das Vakuumverdampfen äußerst viel Zeit, so daß diese Syntheseverfahren relativ aufwendig und teuer sind.
Desweiteren erweist sich bei der Vakuumdestillation schon seit langem das sogenannte "Anfahren" der Destillation als äußerst schwierig. So kann ein störungsfreies Anfahren nur mittels empirisch gewonnener Erfahrungswerte erfolgen. Der Grund für diese Probleme beim Anfahren der Destillation liegt in der Tatsache, daß Verbindungen beim Übergang von flüssigen in dem dampfförmigen Aggregatzustand eine mehr oder weniger große Volumenänderung, beispielsweise aus einem Mol einer Substanz werden 22,4 Liter Dampf, erfahren. D.h., daß bei einer schlagartigen Verdampfung eines Lösemittels eine zeitweilige schlagartige Volumenvergrößerung erfolgt, wodurch natürlich das angelegte Vakuum beeinflußt wird. Da ein Verdampfen des Lösemittels vorzugsweise im Bereich der aufgeheizten Wandungen des Lösemittelgefäßes erfolgt, strömt dieser erzeugte warme Dampf mit hoher Geschwindigkeit in solchen vakuumierten Apparaturen von dieser "heißen" Heizfläche zu kalten Kondensationsstellen, wie beispielsweise Gefäßbereiche, die nicht direkt von der Heizeinrichtung erwärmt werden. An diesen Kondensationsstellen kondensiert der Lösemitteldampf wieder, d.h., er geht unter Verminderung vom dampfförmigen in den flüssigen Aggregatzustand über. Durch diese Rückführung aus dem dampfförmigen in den flüssigen Aggregatzustand wiederum wird eine kurzfristige, zusätzliche Vakuumbildung bewirkt, die sich zu dem vorhandenen Vakuum addiert. Dies wiederum bewirkt stören de Siedeverzüge, da sich der zu überwindende Dampfdruck kurzzeitig stark verringert. Erst wenn sich der Verdampfungsvorgang und der Kondensationsvorgang im Gleichgewicht befinden, läuft die Destillation bzw. Vakuumdestillation im wesentlichen störungsfrei ab.
Um nun insbesondere die thermische Energie besser im lösemittelhaltigen Stoffgemisch zu verteilen und andererseits auch um eine möglichst große Verdampfungsoberfläche zu schaffen, wird bei den Rotationsverdampfern der Verdampferkolben in Rotation versetzt. Dies führt, wie bereits erwähnt, einerseits zu einer Oberflächenvergrößerung des zu verdampfenden Lösemittels und andererseits auch zu einer Art Kräuselung der Oberfläche, wodurch wiederum die Oberflächenspannung des Lösemittels herabgesetzt wird. Auch durch diese Verringerung der Oberflächenspannung, welche ebenfalls von den Dampfmolekülen beim Verdampfen überwunden werden muß, wird der Verdampfungsvorgang beschleunigt. Als weiterer Effekt ist eine verbesserte Wärmeübertragung von der Glaswand des Glasgefäßes auf das Lösemittel festzustellen, da dieses von der Glaswand während der Rotation des Verdampfungsgefäßes ständig mitgenommen und entlang der Wand wiederum zurück läuft, so daß eine verbesserte Wärmeaufnahme des Stoffgemisches festzustellen ist.
Desweiteren ist bei den bekannten Einrichtungen und Verfahren zur Vakuumdestillation auch zu beachten, daß beispielsweise die anschließende Kondensation des Lösemittels zu dessen Rückgewinnung nicht bei beliebig geringen Temperaturen erfolgen kann. Da durch die Verdampfung dem flüssigen Lösemittel jedoch Energie entzogen wird, kühlt sich dieses Lösemittel beim Verdampfungsvorgang ab, so daß je nach eingestelltem Vakuum bei entsprechender Abkühlung keine Verdampfung mehr erfolgen kann. Dies wiederum bewirkt, daß auch keine Kondensation mehr möglich ist. Da bei den meisten Stoffgemischen ein Nachregeln der Temperatur nicht erwünscht ist, um der Gefahr einer thermischen Zerstörung des immer konzentrierter werdenden Extraktes entgegenzuwirken, wird die Temperatur des Heizblockes auf einem festen Wert gehalten. Da die Differenz somit der Blocktemperatur dieses Heizblockes, beispielsweise von 40°C, zur Verdampfungstemperatur sehr klein ist, herrscht folglich auch nur ein geringes Temperaturgefälle, so daß auch nur ein langsames Nachführen der Temperatur und dementsprechend nur ein langsames Verdampfen erfolgen kann. Wird nun das Vakuum zum Beschleunigen des Verdampfungsvorganges weiter abgesenkt, so verdampft die Flüssigkeit bei äußerst tiefen Temperaturen. Diesen "kalten" Dampf zu kondensieren, ist nun mit herkömmlichen Kühlquellen wie Kühlwasser bei +8° bis +15°C nicht mehr möglich, da eine Kondensation eine Temperaturdifferenz von 25 bis 30 Kelvin zwischen Dampftemperatur und Kondensationstemperatur erfordert. Dementsprechend sind zur Kondensation derart kühl verdampfender Lösemittel Kühlsole von Kryostaten, mit welchen eine Kondensationstemperatur von ungefähr oder annähernd –20°C erreichbar ist, erforderlich, um eine Kondensation wirksam bewirken zu können.
Erfolgt andererseits die Kühlung nur ungenügend, so gelangt unkondensierter Dampf über die Vakuumpumpenauslässe in die Umgebung oder, bei Verwendung von Wasserstrahlpumpen, in das Abwasser. Gleichzeitig wird die zu destillierende Flüssigkeit noch mehr abgekühlt, was wiederum bewirkt, daß die Destillation gänzlich zum Stillstand kommt. Dies hat wiederum zur Folge, daß sich das Lösemittel nach und nach nur wieder geringfügig erwärmt und dementsprechend sukzessive langsam verdampft und aber bei dem inzwischen eingestellten, äußerst niedrigen Vakuum als kalter, nicht kondensationsfähiger Dampf vorliegt.
Weiter sind aus der DE 41 13 174 C2 und DE 37 18 791 C2 Verfahren zum Destillieren bzw. Trocknen von Flüssigkeiten bzw. Lösungsmitteln enthaltenden biologischen Proben (Stoffgemischen) bekannt, bei welchen ein geregeltes Vakuum verwenden wird. Dabei erfolgt eine Druckabsenkung schrittweise in bestimmten Zeitabschnitten bis zum Erreichen des Siededruckes der zu destillierenden Flüssigkeit.
Beim Verfahren nach der DE 41 13 174 C2 wird zu Beginn des Trocknungszyklus, d.h. zu Beginn der Destillation zunächst ein Vakuum angelegt und der Druck gesenkt. Diese Druckabsenkung wird durch Schließen einer Zweistellungsarmatur zeitweilig unterbrochen. Frühestens zu Beginn dieser Druckabsenkung bzw. mit zunehmender Druckabsenkung erfolgt eine Erwärmung zur Unterstützung der Destillation. Des Weiteren ist hier ein Kondensationsabscheider vorgesehen, in welchem das verdampfte Lösemittel kondensiert wird, wobei im Kondensationsabscheider eine Temperatur von etwa –40°C oder darunter eingehalten wird, da bei diesen Temperaturen die Dampfdrücke sehr niedrig sind. Bei diesem Verfahren sind solche niedrigen Temperaturen notwendig, um ein sogenanntes "Kryopumpen" zu ermöglichen. Durch diese äußerst niedrige Kondensationstemperatur besteht allerdings bei diversen Lösemitteln, wie beispielsweise Eisessig, Wasser, Benzol oder auch Dioxan, die Gefahr, daß diese Lösemittel zum Gefrieren neigen, so daß bei Auftreten eines solchen Phänomens sich die Kondensationseinrichtung zusetzt und der Destillationsprozeß unterbrochen werden muß.
Beim Verfahren nach der DE 37 18 791 C2 soll angenommen werden, daß sich eine Substanz X oberhalb 70°C zersetzt. Demzufolge darf bei der Destillation eine Siedetemperatur von 60°C unter keinen Umständen überschritten werden. Dies wiederum hat zur Folge, daß zur Vorbereitung des Destilliervorgangs die Badtemperatur eines Wasserbades an einer Heizeinrichtung auf maximal 60°C eingestellt wird, das durch dieses Wasserbad zu erwärmende Stoffgemisch selbst jedoch nur auf eine geringere Temperatur aufgeheizt wird. Die Temperatur wird dabei an einer ersten Sonde auf einem Gleichgewichtsniveau auf ca. 35°C gehalten, so dass auch hier relativ niedrige Siedetemperaturen eingestellt werden. Auch hier wird das Stoffgemisch erst nach dem Anlegen eines Vakuums auf diese nicht zu überschreitende Siedetemperatur gebracht, wobei ein Temperaturanstieg erst deutlich nach Beginn der Druckabsenkung erfolgt. Somit erfolgt auch hier eine Auskühlung des Stoffgemisches während der Destillation, das verlangsamt jedoch die komplette Destillation oder es erschwert auf Grund der niedrigen Temperatur eine nachträgliche Kondensation des verdampften Lösemittels erheblich.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei welchen die Bedingungen für eine Vakuumdestillation möglichst optimal sind und die oben aufgezeigten Nachteile möglichst vermieden oder zumindest vermindert sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Verfahrensanspruches 1 gelöst.
Gemäß des Verfahrensanspruches 1 wird das Stoffgemisch in einem ersten Verfahrensschritt auf eine vorbestimmte, nicht zu überschreitende Destillationstemperatur gebracht. In weiteren, zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritten wird der Systemdruck ausgehend von einem anfänglichen Umgebungsdruck iterativ in diskreten, vorbestimmten Zeitabschnitten in den Bereich des zur Destillationstemperatur gehörenden Siededruckes schrittweise abgesenkt. Weiter sind erfindungsgemäß zwischen den einzelnen, aufeinanderfolgend geringer werdenden Druckniveaus der iterativen Druckabsenkung zeitlich vorbestimmte Erholungsphasen vorgesehen sind, in welchen unter Zuführung von Verdampfungsenergie das Druckniveau jeweils wieder auf das ursprüngliche Ausgangsniveau des Umgebungsdruckes oder zumindest annähernd auf dieses Ausgangsniveau ansteigt wobei während der Druckabsenkung dem Stoffgemisch Verdampfungsenergie zugeführt wird.
Die Destillationstemperatur liegt dabei in der Regel weit unterhalb der normalen Siedetemperatur des zu verdampfenden entsprechenden Lösemittels bei Normaldruck von 1050 mbar. Das Temperaturniveau dieser Destillationstemperatur wird im wesentlichen durch die im Stoffgemisch befindlichen Substanzen bestimmt, welche beispielsweise nicht über eine Temperatur von 40°C erwärmt werden dürfen. Diese Temperaturgrenze ist dadurch bestimmt, daß diese Substanzen bei höheren Temperaturen zerstört werden würden. Eine Zerstörung dieser Substanzen würde folglich eine Verfälschung des Untersuchungsergebnisses der Vakuumdestillation ergeben. Erfindungsgemäß wird nach Erreichen der Destillationstemperatur von beispielsweise etwa 40°C für ein bestimmtes Lösemittel, beziehungsweise für ein bestimmtes Stoffgemisch, in weiteren Verfahrensschritten der Systemdruck ausgehend von einem anfänglichen Umgebungsdruck, der beispielsweise eben die genannten 1050 mbar beträgt, iterativ in diskreten, vorbestimmten Zeit abschnitten abgesenkt. Die iterative Absenkung in den genannten vorbestimmten, diskreten Zeitabschnitten erfolgt dabei bis etwa in den Bereich des zur Destillationstemperatur gehörenden Siededruckes. Während dieser schrittweisen Druckabsenkung wird dem Stoffgemisch erfindungsgemäß Verdampfungsenergie zugeführt.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren mit seiner iterativen Annäherung oder Erreichung des Siededruckes bei der zugehörigen Destillationstemperatur werden insbesondere Siedeverzüge vermieden, da das gesamte Stoffgemisch seinem idealen Siedezustand schrittweise angenähert wird. Durch diese schrittweise Annäherung und damit Verhinderung von Siedeverzügen wird eine erhebliche Beschleunigung der Vakuumdestillation erreicht.
Um eine Auskühlung des Stoffgemisches zu verhindern, was wiederum zu Siedeverzügen führen könnte oder auch eine nachträgliche Kondensation des Lösemittels erschweren würde, sind zwischen den einzelnen, aufeinanderfolgend geringer werdenden Druckniveaus der iterativen Druckabsenkung zeitlich vorbestimmte Erholungsphasen vorgesehen, in welchen unter Zuführung von Verdampfungsenergie das Druckniveau jeweils wieder auf das ursprüngliche Ausgangsniveau des Umgebungsdruckes oder zumindest annähernd auf dieses Ausgangsniveau ansteigt. Durch diese Erholungsphasen kann sich, da die dem Stoffgemisch entzogene Verdampfungsenergie mit steigendem Druckniveau geringer wird, das Stoffgemisch wieder erwärmen, bis die Ausgangstemperatur, d.h. die Destillationstemperatur beispielsweise von 40°C zumindest annähernd wieder erreicht ist. Durch diese Maßnahme wird sicher verhindert, daß bei der Vakuumverdampfung "unterkühlter" Lösemitteldampf auftritt, welcher im nachfolgenden Kondensationsschritt nur noch schwer kondensierbar wäre, wie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert wurde.
Gemäß Anspruch 2 sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gleichzeitig Destillationen unterschiedlicher Lösemittel oder unterschiedlicher Lösemittelgemische unterschiedlicher Stoffgemische in einer Apparatur durchführbar. Die Stoffgemische sind dabei jeweils in einem eigenen Aufnahmegefäß aufgenommen. Die Verfahrensschritte entsprechen dabei den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1, wobei sowohl die Destillationstemperatur als auch die einzelnen iterativ abzusenkenden Druckniveaus zunächst vom empfindlichsten Lösemittel bzw. Stoffgemisch mit entsprechenden Substanzen bestimmt wird. Dies bedeutet, daß zunächst die Destillationstemperatur für das empfindlich ste Stoffgemisch eingestellt wird. In den weiteren Verfahrensschritten wird für dieses Stoffgemisch iterativ das Druckniveau in zeitlich vorbestimmten Schritten abgesenkt, bis der Bereich des zur Destillationstemperatur gehörenden Siededruckniveaus zumindest annähernd erreicht ist. Erst wenn das erste Stoffgemisch bzw. dessen Lösemittel vollständig verdampft ist, wird mit den Daten des nächsten, weniger empfindlichen Stoffgemisches weiter destilliert. Auch hier ist zu bemerken, daß durch die iterative Druckannäherung an den zur Destillationstemperatur gehörenden Siededrucks ein Siedeverzug sicher ausgeschlossen ist.
Die Ermittlung der notwendigen zeitlichen Absenkung sowie der einzelnen Druckstufen erfolgt erfindungsgemäß empirisch, was bedeutet, daß für jedes Stoffgemisch zunächst eine entsprechende Versuchsreihe durchgeführt wird, in welcher die günstigsten Zeitwerte und Druckniveaus für unterschiedliche Stoffgemische oder auch Stoffgemischkombinationen bestimmt werden. Nach dieser Ermittlung der ansprechenden Zeitwerte und Druckniveaus kann das erfindungsgemäße Verfahren vollautomatisch und ohne Aufsicht durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß zusätzlich zu der Verhinderung von Siedevorzügen auch eine völlig selbststän dig ablaufende Vakuumdestillation durchführbar ist. Dazu ist eine entsprechende Rechnersteuerung für die Versuchsdurchführung vorgesehen, welcher die entsprechenden Zeit- und auch Druckwerte vorgegeben werden können.
Zur weiteren Beschleunigung der Vakuumdestillation ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, daß das Stoffgemisch während des Vedampfungsvorganges in eine zumindest zeitweilig unkoordiniert schwingende Bewegung angeregt wird. Durch diese unkoordinierte Bewegung, wird ein ständiges Umwälzen und "Kräuseln" bzw. zeitweiliges "Überschwappen" des Stoffgemisches im Aufnahmegefäß erreicht, wodurch einerseits innerhalb des Stoffgemisches der Wärmetransport verbessert und andererseits die Oberfläche des Stoffgemisches für eine bessere Verdampfung vergrößert wird.
Gemäß Anspruch 4 kann vorgesehen sein, daß die schwingende Bewegung eine geradlinige Bewegungskomponente aufweist, welche von einer bogenförmigen Schwingbewegung überlagert ist. Eine solche Schwingbewegung kann beispielsweise durch eine Lagerung der Heizeinrichtung auf insgesamt vier Niederfrequenzlagern unterschiedlicher Steifigkeit sowie einem Exzenterantrieb erzeugt werden. Eines der Niederfrequenzlager ist dabei in seiner Schwingsteifigkeit merkbar härter ausgebildet ist als die anderen drei Niederfrequenzlager. Durch diese Ausgestaltung der Niederfrequenzlager wird einerseits eine geradlinige Schwingung durch den Exzenterantrieb bewirkt. Aufgrund der höheren Festigkeit des vierten Niederfrequenzlagers wird diese geradlinige Schwingbewegung von einer bogenförmigen "Drehbewegung" überlagert. Durch diese Überlagerung dieser beiden Bewegungsrichtungen wird ein in ein Aufnahmegefäß eingefülltes flüssiges Stoffgemisch in eine unregelmäßige Schüttelbewegung versetzt. Dabei "schwingt" das lösungsmittelhaltige Stoffgemisch zunächst etwa geradlinig hin- und her, so daß dessen Oberfläche im wesentlichen eine Wippbewegung ausführt. Nach einigen Schwinghüben jedoch geht diese geradlinige Wippbewegung in eine umlaufende, kreisende Wippbewegung über, wie dies beispielsweise bei Schwenken von Flüssigkeit in einem Schwenkbecher der Fall ist. In der Übergangsphase zwischen der geradlinigen Wippbewegung und der umlaufenden, rotatorischen Drehbewegung des Stoffgemisches tritt ein Kräuseln und eine Art Überschwappen des Stoffgemisches auf, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Verdampfungsgeschwindigkeit sowie eine Verbesserung des Wärmeflusses zwischen der Heizplatte und dem Stoffgemisch bewirkt wird. Um eine häufige Wiederholung dieser Übergangsphase zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Exzenterantrieb diskontinuierlich zu aktivieren. Das bedeutet letztendlich, daß der Exzenterantrieb ständig ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Ein- und Ausschaltzeiten von der Zeitspanne des Überganges von der geradlinigen Wippbewegung des Stoffgemisches in die umlaufende "Wippbewegung" bestimmt sind und entsprechend einzustellen sind.
Somit ist festzustellen, daß zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vakuumdestillation eines lösemittelhaltigen Stoffgemisches keinerlei Überwachungssensorik erforderlich ist. Die für die iterative Druckabsenkung erforderlichen Werte einerseits bezüglich der Zeitdauer dieser Druckabsenkung und andererseits über die Höhe der einzustellenden Druckniveaus wird empirisch ermittelt und in entsprechenden Tabellen tabellarisch festgehalten, so daß diese Werte jederzeit für die erfindungsgemäße nachfolgende Vakuumdestillation zur Verfügung stehen. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren äußerst wirtschaftlich einsetzbar.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Destillationseinheit vorgesehen sein, die mit einer Heizeinrichtung, einer Vakuumkammer, einer Vakuumpumpe und einer programmierbaren Recheneinheit zur zeitlichen Steuerung von Druck und Temperatur versehen ist. Zur möglichst einfachen Bestückung wird die Vakuumkammer aus einem auf einer Heizplatte abnehmbar montierten Heizblock mit einer abnehmbaren Abdeckglocke gebildet. Desweiteren ist der Heizblock zur Aufnahme von Aufnahmegefäßen mit Kavitäten versehen. Damit wird erreicht, daß das Aufnahmegefäß sicher aufgenommen wird und andererseits auch eine effiziente Energiezufuhr zum im Aufnahmegefäß befindlichen Stoffgemisch sichergestellt ist. Der Heizblock wird dabei über einen entsprechend steuerbaren Antrieb schwingend angetrieben.
Anhand der Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Druckdiagramm zur zeitlichen Druckführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei konstanter Destillationstemperatur;
2 den Temperaturverlauf in Abhängigkeit von den einzelnen Druckstufen aus 1 sowie den Verdampfungszeiträumen;
3 eine prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine als Rüttelplatte ausgebildete Heizeinrichtung;
4a ein Niederfrequenzlager in perspektivischer Explosionsdarstellung;
5 einen Vertikalschnitt V-V aus 6 der Heizeinrichtung aus 4 im zusammengebauten Zustand;
6 eine Draufsicht VI aus 5 auf die erfindungsgemäße Einrichtung;
7 die Heizeinrichtung aus den vorangegangenen 4 bis 6 mit aufgesetztem Heizblock sowie aufsetzbarer Glasglocke;
13 eine Frontansicht einer Vorrichtung zur Mehrfachdestillation;
14 eine Drucktabelle für eine iterative Druckabsenkung am Beispiel des Lösemittels Ethanol.
1 zeigt ein Druck-Zeitdiagramm, in welchem die iterative Druckabsenkung in zeitlich diskreten Schritten der erfindungsgemäßen Art beispielhaft dargestellt ist. Die in 1 dargestellte Druckführung ist nicht auf ein bestimmtes Stoffgemisch bezogen, sondern soll den erfin dungsgemäßen Verfahrensablauf prinzipiell verdeutlichen. Zu dieser Darstellung in 1 gehört das Zeit- Temperaturdiagramm aus 2, in welchem theoretisch die prinzipiellen Temperaturverläufe bei der Durchführung der iterativen Druckabsenkung aus 1 verdeutlicht sind. Auch diese sich zum Diagramm der 1 ergebenden Temperaturänderungen sind nicht auf ein konkretes Stoffgemisch bezogen, sondern sollen lediglich generell den bei der Durchführung des iterativen Verfahrens zu erwartenden Temperaturverlauf verdeutlichen.
So ist erkennbar, daß über einen Zeitraum von ca. 20 Minuten bei einem Umgebungsdruck von 1000 mbar die Temperatur eines beliebigen Stoffgemisches von der Umgebungstemperatur von 20°C entlang des Kurvenabschnittes a auf die Destillationstemperatur von 40°C gebracht wird. Bei dem hier fiktiv angenommenen Lösemittel soll der zu dieser Destillationstemperatur von 40°C gehörende Siededruck bei etwa 200 mbar liegen. Dieser Siededruck entspricht auch gleichzeitig etwa der letzten Druckstufe der iterativen Druckabsenkung, welche den zu erreichenden Minimaldruck darstellt.
Aus 1 ist erkennbar, daß in einem ersten Schritt nach 20 Minuten zunächst der Druck vom Umgebungsdruck des Kurvenabschnittes A von 1000 mbar auf eine erste Druckstufe von 800 mbar entlang des Kurvenabschnittes B abgesenkt wird und auf diesem Druckniveau etwa 5 Minuten bis zum Ablauf der 25. Minute gehalten wird (Kurvenabschnitt C). Aufgrund dieser Druckabsenkung setzt eine erhöhte Verdampfung des Lösemittels ein, so daß sich eine gewisse Temperaturabsenkung entlang des Kurvenabschnittes b ergibt, welche in 2 zwischen 20 Minuten und 25 Minuten beispielhaft von 40°C auf 25°C abnimmt. An dieser Stelle sei erwähnt, daß diese fiktive Temperaturerniedrigung in der Realität nicht derart groß sein muß, insbesondere nicht bei derart geringen Druckabsenkungen, wie bei diesem Beispiel angegeben.
Nach Erreichen der 25-Minuten-Grenze wird nun die Vakuumpumpe, welche in solchen Verfahren regelmäßig verwendet wird, abgeschaltet, so daß sich wiederum, wie aus 1 durch den Kurvenabschnitt D ersichtlich ist, zwischen 25 Minuten und 30 Minuten Laufzeit der Destillation eine Druckerhöhung von 800 mbar auf 1000 mbar ergibt. Dies liegt daran, daß auch während des Zeitraumes zwischen 25 und 30 Minuten weiterhin eine Verdampfung des Lösemittels auch bei abgeschalteter Vakuumpumpe stattfindet, wodurch sich der Druck wieder von den 800 mbar auf den Umgebungs druck von 1000 mbar erhöht. Während des Zeitraumes von 25 bis 30 Minuten wird dem Stoffgemisch weiterhin Verdampfungsenergie zugeführt, was auch natürlich in dem Zeitraum von 25 bis 30 Minuten geschieht. Durch diese weitere Zuführung von Verdampfungsenergie und andererseits durch die parallel laufende Druckerhöhung von 800 mbar auf 1000 mbar findet eine Erwärmung des Stoffgemisches entlang des Kurvenabschnittes c der 2 auf zumindest annähernd 40°C, also auf die Destillations-Temperatur, statt. Im nächsten Verfahrensschritt wird nach dem Ablauf von 30 Minuten der Druck, wie dies aus 1 ersichtlich ist, von den 1000 mbar entlang des Kurvenabschnittes E beispielhaft auf 600 mbar abgesenkt und auf diesem Niveau weitere 5 Minuten gehalten (Kurvenabschnitt F). Auch bei diesem Druckniveau von 600 mbar findet eine erhöhte Verdampfung des Lösemittels statt, so daß gemäß 2 wiederum eine Temperaturerniedrigung von 40°C auf beispielhaft 25°C erfolgt (Kurvenabschnitt d), obwohl dem Stoffgemisch Verdampfungsenergie über eine entsprechende Heizeinrichtung zugeführt wird. Nach Ablauf von 35 Minuten wird nun wiederum die Vakuumpumpe abgestellt, so daß aufgrund der weiteren Verdampfung des Lösemittels der Systemdruck von 600 mbar entlang des Kurvenabschnitts G wiederum auf 1000 mbar ansteigt. Auch hier ist die Er hohlungsphase beispielhaft mit 5 Minuten angegeben, was in der Realität bei konkreten Stoffgemischen anders sein kann.
Während dieser Erholungsphase zwischen der 35. und 40. Minute findet aufgrund des immer geringer werdenden Verdampfungsvorganges wiederum eine Temperaturerhöhung entlang des Kurvenabschnittes e von 25°C auf etwa 40°C statt, wie dies aus 2 ersichtlich ist. Ab der 40. Minute wird nun wiederum der Druck von 1000 mbar entlang des Kurvenabschnittes H auf 400 mbar abgesenkt und dort gehalten (Kurvenabschnitt I), was eine Erhöhung des Verdampfens des Lösemittels bewirkt. Gleichzeitig findet aufgrund der ständig entzogenen Verdampfungsenergie und der nur gering zuführbaren Verdampfungswärme wiederum eine Temperaturabsenkung entlang des Kurvenabschnittes f aus 2 von 40°C auf 25°C statt. Auch nun wird ab der 45. Minute wiederum die Vakuumpumpe abgeschaltet, so daß wiederum eine Druckerhöhung entlang des Kurvenabschnittes J von 400 mbar auf den Ausgangsdruck von 1000 mbar aufgrund des weiterhin verdampfenden Lösemittels erfolgt. Gleichzeitig nimmt auch die Temperatur des Stoffgemisches zwischen dem Zeitraum von 45 Minuten und 50 Minuten ent lang des Kurvenabschnittes g wiederum zu, da die Verdampfung mit zunehmenden Systemdruck ständig verringert wird.
Bei dem in den 1 und 2 beispielhaft dargestellten Verfahrensablauf findet ab der 55. Minute wiederum eine Absenkung des Systemdruckes von 1000 mbar auf 200 mbar, den bei 40°C theoretisch zu erreichenden Siededruck des fiktiv angenommenen Stoffgemisches, statt (Kurvenabschnitt K), wobei nun dieser Systemdruck bis zum Ende der Synthese bzw. Vakuumdestillation gehalten wird (Kurvenabschnitt L). Dabei findet ebenfalls wiederum eine Temperaturerniedrigung entlang des Kurvenabschnittes h aus 2 statt, welche beim vorliegenden Beispiel geringer dargestellt ist als die vorangegangenen Temperaturabfälle, da nunmehr ein Großteil des Lösemittels bereits verdampft ist und die restliche Verdampfung zwar noch einen größeren Zeitraum in Anspruch nimmt, jedoch die Energieabfuhr bzw. benötigte Verdampfungsenergie geringer wird. Nunmehr stellt sich beispielsweise bei einer Systemtemperatur von ca. 32,5°C und einem Systemdruck von 200 mbar ein Verdampfungsgleichgewicht ein, bei welchem über den gesamten Zeitraum bis zum vollständigen Verdampfen des Lösemittels kein weiterer Temperaturabfall zu beobachten ist und das Lösemittel des Stoffgemisches gleichmäßig siedet (Kurvenabschnitt i).
Es ist erkennbar, daß aufgrund der iterativen Annäherung des Systemdruckes vom Umgebungsdruck in mehreren Stufen bis auf den eigentlichen zur Destillations-Temperatur gehörenden Siededruck ein Siedeverzug weitgehend ausgeschlossen ist, da eine schlagartige Verdampfung und anschließende Kondensation des Lösemittels, wie sie bei den sonst üblichen Verfahren auftritt, ausgeschlossen ist. Denn bei den sonst üblichen Verfahren wird in der Regel zunächst der notwendige Siededruck, beim vorliegenden Beispiel wäre dies 200 mbar, eingestellt und anschließend die Temperatur auf 40°C erhöht. Mit Erreichen dieser Siedetemperatur treten die in der Beschreibungseinleitung bereits näher definierten Siedeverzüge auf, welche für einen gleichmäßigen Synthesevorgang schädlich sind.
Desweiteren ist erkennbar, daß aufgrund der iterativen Druckführung sowie der hier beispielhaft mit aufgeführten Erholungsphasen mit einem erneuten Druckanstieg zwischen den einzelnen Druckstufen eine Druckerholung und parallel dazu eine Temperaturerholung des Stoffgemisches bewirkt wird. Dies hat wiederum zur Folge, daß sich das Stoffgemisch nicht über die Maßen ab- oder auskühlen kann und somit beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise mit einer Kondensationstemperatur von –15°C das verdampfte Lösungsmittel auch sicher wieder kondensiert und zurückgewonnen werden kann. Es hat sich dabei herausgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Destillations- bzw. Synthetisierverfahren weit über 99% an Lösemittel wiedergewonnen werden kann.
Die unterschiedlichen Druckstufen sowie die Zeitdauern, in welchen einerseits diese Druckstufen gehalten werden oder auch die Dauer der Erholungsphasen, welche für unterschiedliche Lösemittel bzw. Stoffgemische auch unterschiedlich einzustellen sind, werden erfindungsgemäß empirisch ermittelt, so daß solche optimalen Verfahrensabläufe bezüglich der Druck- und Temperaturführung aus entsprechend vorab erstellten Tabellen entnommen werden können. Dabei wird deutlich, daß lediglich eine zeitliche Steuerung bezüglich Temperatur und Druck vorgesehen sein muß, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können. Dies hat wiederum eine äußerst geringe Anfälligkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Folge, wodurch wiederum ein unbeaufsichtigtes Destillieren von entsprechenden Stoffgemischen sicher durchführbar ist.
In der 14 ist beispielhaft eine solche empirisch ermittelte Drucktabelle für das Lösemittel Ethanol dargestellt. Die Ermittlung der Drucktabelle wurde dabei mit einer 96%-igen Lösung mit einem ursprünglichen Gesamtvolumen von 2.800 ml durchgeführt. Die Kondensationstemperatur zur Rückgewinnung des abdestillierten Lösemittels beträgt –15°C, während die Destillationstemperatur auf einen nicht zu überschreitenden Sollwert von 40°C eingestellt wurde. Der Ausgangs-Umgebungsdruck beträgt 1050 mbar. Es ist erkennbar, daß die iterativen Annäherungsschritte der Druckführung nicht in gleichmäßigen Druckstufen erfolgt, sondern von Verfahrensschritt zu Verfahrensschritt unterschiedlich ist. Auch die während einer Druckabsenkung erfolgende Temperaturabsenkung ist für die einzelnen Verfahrensschritte unterschiedlich ausgeprägt.
3 zeigt ein Prinzipdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorangegangenen Beschreibung zu den 1, 2 und 14.
Die Vorrichtung 1 besteht aus einer Destillationseinheit 2, welche mit mehreren Kavitäten 3 versehen ist, die jeweils zur Aufnahme eines Aufnahmegefäßes 4 in der Destil lationseinheit 2 versenkt angeordnet sind. Diese Aufnahmegefäße 4 dienen zur Aufnahme des zu destillierenden bzw. synthetisierenden Stoffgemisches und können dementsprechend annähernd spielfrei in die Kavitäten 3 der Destillationseinheit 2 eingestellt werden. Um nun die Aufnahmegefäße 4 unter ein geregeltes Vakuum setzen zu können, weist die Destillationseinheit 2 oberseitig eine Abdeckglocke 5 auf, welche dicht und abnehmbar aufgesetzt ist. Um in den von der Abdeckglocke 5 gebildeten Saugraum 85 ein geregeltes Vakuum einbringen zu können, ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine entsprechende Unterdruckleitung 6 zu einer mikroprozessorgesteuerten Vakuumpumpe 7 vorgesehen. Wie aus 3 ersichtlich ist, kann die Unterdruckleitung 6 auch mit einem elektromagnetisch gesteuertem Druckventil 8 versehen sein. Desweiteren steht die Vakuumpumpe 7 mit einem elektrischen Steuerschrank 9 in Verbindung, über welchen unter anderem das Druckventil 8 über eine entsprechende Steuerleitung 10 ansteuerbar ist. Eine weitere Steuerleitung 11 führt zur Vakuumpumpe 7, so daß diese über den elektrischen Steuerschrank 9 ebenfalls aktiviert und deaktiviert werden kann. weiterhin führt von der Vakuumpumpe 7 über ein weiteres elektromagnetisch ansteuerbares Druckventil 12 eine weitere Unterdruckleitung 13 zu einem Zwischenauffangbe hälter 14, welcher durch die Vakuumpumpe 7 ebenfalls unter das gleiche geregelte Vakuum gesetzt wird wie die Destillationseinheit 2 mit ihrer Abdeckglocke 5.
Von der Abdeckglocke 5 führt eine Saugleitung 15 über einen Kaskaden-Kondensator 16 und ein weiteres elektromagnetisch ansteuerbares Druckventil 17 einer Rücklaufleitung 86 zum Auffangbehälter 14. Der Kaskaden-Kondensator 16 ist zur Kondensation von Lösemitteldämpfen mit einer in 3 als Spirale angedeuteten Kühleinrichtung 18 versehen, welche über Versorgungsleitungen 89 und 90 mit einem entsprechenden Kühlaggregat 19 in Verbindung steht. Das Kühlaggregat 19 wird ebenfalls durch den elektrischen Steuerschrank 9 angesteuert, wozu die Steuerleitung 20 vorgesehen ist. Zum Sammeln des kondensierten Lösemittels ist an den Zwischenauffangbehälter 14 über ein entsprechendes, elektromagnetisch schaltbares Druckventil 21 sowie die Sammelleitung 91 ein Sammelbehälter 22 vorgesehen, welcher lösbar mit dem Druckventil 21 gekoppelt ist.
Zur Steuerung des gesamten Verfahrens ist die Vorrichtung 1 mit einem frei programmierbaren Industrie-PC 23 als Recheneinheit versehen. Dieser Industrie-PC 23 steht mit dem Steuerschrank 9 in Verbindung, wozu entsprechende Steuerleitungen 24 und 25 vorgesehen sind.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, führen drei Verbindungsleitungen 26, 27 und 28 vom Steuerschrank 9 zur Destillationseinheit 2. Die Destillationseinheit 2 weist einen Antriebsmotor 40 (4) auf, welcher dazu dient, den oberen als Heizblock 29 dienenden Aufnahmeteil der Destillationseinheit 2 in Schwingungen zu versetzen. Dieser motorische Antrieb 40 ist im unteren Gehäuse 30 der Destillationseinheit 2 angeordnet. Desweiteren ist in diesem Gehäuse 30 eine Schwingplatte vorgesehen, welche gleichzeitig als Heizplatte 48 (4) für den Heizblock 29 dient.
Mittels dieser in 3 beispielhaft dargestellten Einzelkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist das oben zu den 1, 2 und 14 beschriebene Verfahren zur Synthese von lösemittelhaltigen Stoffgemischen in einfachster Weise durchführbar.
Die ermittelten Druckstufen und Zeitstufen für die iterative Druckannäherung des Systemdruckes an den Siededruck bei vorgegebener Destillationstemperatur wird tabellenartig in den Industrie-PC 23 über dessen Tastatur 31 eingegeben. Diese Werte werden durch eine entsprechende im Industrie-PC 23 abgelegte Software aufbereitet und in entsprechende Steuerimpulse bzw. Steuersignale umgewandelt, welche andererseits wiederum über die Steuerleitungen 24 und 25 den elektrischen Schaltschrank 9 ansteuern. Über die Steuerleitung 11 sowie die Verbindungsleitungen 26, 27 und 28 wird nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren durch den Industrie-PC 23 gestartet. Dabei werden über den Industrie-PC 23 und die Steuerleitungen 24 und 25 dem Schaltschrank 9 entsprechende Steuersignale zugeführt, welche dieser in entsprechende Steuersignale zur Steuerung des Kühlaggregates 19 mit seinem Kaskaden-Kondensator 16 sowie der Vakuumpumpe 7 umsetzt. Desgleichen werden auch die entsprechenden Steuersignale über die Verbindungsleitungen 26, 27 und 28 an die Destillationseinheit 2 übermittelt. Die Verbindungsleitung 27 dient dabei zur Steuerung des Antriebsmotors, während die Verbindungsleitung 26 zur Ansteuerung der Heizeinrichtung im Gehäuse 30 vorgesehen ist. Desweiteren ist in diesem Gehäuse 30 noch ein Temperatursensor (in der Zeichnung nicht näher dargestellt) angeordnet, welcher die konkret vorliegende Temperatur im Heizblock 29 über die Verbindungsleitung 28 an den Steuerschrank 9 liefert, von welchem diese wiederum an den Industrie-PC 23 über die Verbindungsleitungen 24 und 25 zur Auswertung gelangt. Somit läßt sich in einfacher Weise die vorbestimmte Temperatur des Heizblockes 2 konstant halten sowie auch der Antrieb des Heizblockes 2 steuern, wie weiter unten zu 4 noch beschrieben wird. Zur Regulierung des Systemdruckes ist die Vakuumpumpe 7, wie bereits oben erwähnt, mit einem Mikroprozessor ausgestattet und weist einen integrierten Vakuumcontroller auf, über welchen diese Vakuumpumpe 7 selbständig den zu erreichenden Systemdruck innerhalb des vom Heizblock 2 sowie der Abdeckglocke 5 gebildeten Saugraumes 85 bzw. des gesamten Systems steuert.
Die in der Vorrichtung 1 vorgesehenen Druckventile 8, 12 sowie 17 und 21 sind im wesentlichen dazu vorgesehen, den eingestellten Systemdruck auch während des Entleerens des Zwischenauffangbehälters 14 in den Sammelbehälter 22 aufrechtzuerhalten. Dazu werden beispielsweise sämtliche Ventile 8, 12 und 17 zum Entleeren des Zwischenauffangbehälters 14 geschlossen, während das Druckventil 21 geöffnet wird. An dieser Stelle sei noch erwähnt, daß das Druckventil 12 über die Steuerleitung 32, das Druckventil 17 über die Steuerleitung 33 und das Druckventil 21 über die Steuerleitung 34 durch den Steuerschrank 9 entsprechend angesteuert werden. Somit läßt sich das zurückgewonnene kondensierte Lösemittel im wesentlichen ohne irgendwelche Druckverluste im Gesamtsystem aus dem Zwischenauffangbehälter 14 in den Sammelbehälter 22 überfüh ren und kann dementsprechend auch entsorgt werden, da dieser Sammelbehälter 22 abnehmbar mit dem Druckventil 21 gekoppelt ist.
4 zeigt den detaillierten Aufbau des unteren Gehäuseteiles 30 der Destillationseinheit 2 aus 3. Die 5 und 6 zeigen desweiteren einen Schnitt durch bzw. eine Draufsicht auf dieses untere Gehäuseteil 30.
Aus 4 ist erkennbar, daß das Gehäuse 30 eine umlaufende, im wesentlichen zylindrisch ausgebildete Seitenwand 35 aufweist, welche außenseitig an einer Seite mit einem Montageblock 36 versehen ist. Dieser Montageblock 36 ist mit entsprechenden Montagegewinden 37, 38 und 39 versehen, über welche das Gehäuse 30 mit einem Gestellrahmen verbindbar ist, wie dieser beispielhaft aus 13 erkennbar ist.
Im Inneren des Gehäuses 30 ist ein Antriebsmotor 40 vorgesehen, welcher von dessen Antriebswelle 41 nach oben überragt wird. Auf die Antriebswelle 41 ist ein Exzenterrad 42 aufgesetzt, welches zur Drehachse 43 der Antriebswelle 41 um die Exzentrizität E von beispielsweise ca. 2 mm exzentrisch versetzt angeordnet ist. Desweiteren ist der Antriebsmotor 40 mittels Schraubverbindungen 44 und 45 auf dem Boden 46 des Gehäuses 30 feststehend montiert. Wie aus 5 und 6 ersichtlich ist, ist der Antriebsmotor 40 exzentrisch zur Längsmittelebene 47 des Gehäuses 30 angeordnet. Dabei steht der Antriebsmotor 40 über sein Exzenterrad 42 unter Vorspannung mit einer drehbar an einer schwingend gelagerten Heizplatte 48 gelagerten Exzenterabtastscheibe 49 in ständiger Wirkverbindung. Wie desweiteren aus den 4 bis 6 ersichtlich ist, sind zur schwingenden Lagerung der Heizplatte 48, welche kreisrund ausgebildet ist, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Niederfrequenzlager 50, 50/1, 50/2 und 51 vorgesehen. Der detaillierte Aufbau eines solchen Niederfrequenzlagers ist für das Niederfrequenzlager 50 in 4a näher dargestellt.
So weist dieses Niederfrequenzlager 50 einen etwa ringförmig ausgebildeten gummielastischen Dämpfungskörper 52 auf, in welchem zur Erhöhung der vertikalen Tragkraft ein formstabiler Tragzylinder 53 eingesetzt ist. Zur Montage dieses Niederfrequenzlagers 50 einerseits am Gehäuseboden 46 und andererseits unterseitig an der Heizplatte 48 weist das Niederfrequenzlager 50 unterseitig eine erste Montageplatte 54 und oberseitig eine zweite Montageplatte 55 auf, an welchen entsprechende Gewindestifte 56 und 57 vorgesehen sind. Diese Gewindestifte 56 und 57 greifen, wie insbesondere aus 5 ersichtlich ist, durch entsprechende Montagebohrungen 58, 59, 60 und 61 der Heizplatte 48 bzw. durch entsprechende Montagebohrungen 62, 63, 64 und 65 im Gehäuseboden 46 des Gehäuses 30 hindurch, so daß eine festsitzende Montage der Niederfrequenzlager 50, 50/1, 50/2 sowie 51 zwischen dem Gehäuseboden 46 und der Heizplatte 48 über entsprechende Befestigungsmuttern 66 und zugehörige U-Scheiben 67 durchführbar ist. Die Exzenterabtastscheibe 49 ist, wie insbesondere aus den 4 und 5 erkennbar ist, über eine Montageschraube 68 unterseitig drehbar an der Heizplatte 48 befestigt.
Um diese Exzenterabtastscheibe 49 im Betrieb in permanentem Kontakt mit dem Exzenterrad 42 zu halten, sind die Montagebohrungen 58 bis 61 der Heizplatte 48 in Richtung des Pfeiles 69 seitlich versetzt zu den unteren Montagebohrungen 62 bis 65 des Gehäusebodens 46 angeordnet, so daß eine permanente Vorspannung durch die Niederfrequenzlager 50, 50/1, 50/2 und 51 entsteht. Das Exzenterrad 42 wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den Antriebsmotor mit einer Drehzahl von etwa 60 bis 280 U/min. angetrieben, so daß die Heizplatte 48 ebenfalls mit der entsprechenden Antriebsfrequenz schwingend angetrieben wird.
Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eines der Niederfrequenzlager in seiner Schwingsteifigkeit merkbar härter ausgebildet ist als die anderen Niederfrequenzlager. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Niederfrequenzlager 51 erheblich härter ausgebildet als die anderen drei Niederfrequenzlager 50, 50/1 und 50/2. Durch diese Ausgestaltung der Niederfrequenzlager 50, 50/1, 50/2 sowie 51 wird eine geradlinige Schwingung, wie sie durch den Exzenterantrieb in Richtung des Doppelpfeiles 70 der 6 bewirkt wird, mit einer aufgrund der geringeren Nachgiebigkeit des Niederfrequenzlagers 51 bewirkten Drehbewegung, wie etwa durch den Pfeil 71 in 6 angedeutet ist, überlagert. Die Überlagerung dieser beiden Bewegungen bewirkt in einem in den 3 dargestellten Aufnahmegefäßen 4 eingefüllten flüssigen Stoffgemisch eine unregelmäßige "Schüttelbewegung". Dabei ist festzustellen, daß zu Beginn des Antriebes der Heizplatte 48 zusammen mit dem aufgesetzten Heizblock 29 das lösungsmittelhaltige Stoffgemisch zunächst etwa in Richtung des Doppelpfeiles 70 geradlinig hin- und her schwingt, so daß dessen Oberfläche im wesentlichen eine Wippbewegung aus führt. Nach einigen Schwinghüben jedoch geht diese geradlinige Wippbewegung in eine umlaufende, kreisende Wippbewegung über, wie dies beispielsweise beim Schwenken von Flüssigkeit in einem Schwenkbecher oder dergleichen zu beobachten ist. Genau in der Übergangsphase zwischen der geradlinigen Wippbewegung und der umlaufenden, rotatorischen "Wippbewegung" des Stoffgemisches tritt ein Kräuseln und eine Art Überschwappen des Stoffgemisches auf, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Verdampfungsgeschwindigkeit sowie eine Verbesserung des Wärmeflusses zwischen der Heizplatte 48 und dem in den Gefäßen 4 befindlichen Stoffgemisch bewirkt wird.
Dazu ist der Heizblock 29 über zwei Positionierungsstifte 72 und 73 feststehend mit der Heizplatte 48 gekoppelt. Zum Beheizen des Heizblockes 29 bzw. der Heizplatte 48 und somit des Stoffgemisches in den Aufnahmegefäßen 4 ist die Heizplatte 48 unterseitig mit einer Heizfolie 74 versehen, wie dies insbesondere aus den 4 und 5 ersichtlich ist. von dieser Heizfolie 74 führen entsprechende Versorgungsleitungen durch einen Versorgungskanal 75 des Montageblockes 36 aus dem Gehäuse 30 nach außen. In der Zeichnung sind lediglich die Versorgungsleitungen 27 des Antriebsmotors 40 näher dargestellt. Desweiteren ist im Bereich der Heizfolie 74 ebenfalls ein Temperatursensor vorgesehen, über welchen die Heiztemperatur der gesamten Heizfolie und somit der Heizplatte 48 und auch des Heizblockes 29 auf einen konstanten Wert einstellbar ist. Auch dieser Temperatursensor ist in den Zeichnungsfiguren nicht näher dargestellt, da er als Bauelement an sich in Verbindung mit Heizfolien 74 bekannt ist.
Durch den Versorgungskanal 75 führt ebenfalls die Verbindungsleitung 27 des Antriebsmotors 40 nach außen, wie dies insbesondere in 4 mit der Bezugsziffer 27 angegeben ist. Somit bildet die Destillationseinheit 2 aus den 3 und 4 bis 6 eine komplette Einheit, welche insbesondere in 7 in komplett montiertem Zustand dargestellt ist.
Wie aus 7 weiter ersichtlich ist, weist der Heizblock 29 der Destillationseinheit 2 insgesamt sieben Kavitäten 3 auf, welche zur Aufnahme einer entsprechenden Anzahl von Aufnahmegefäßen für die Destillation eines entsprechenden Stoffgemisches dienen, wie dies prinzipiell bereits in 3 dargestellt ist. Die obere Auflagefläche 76 des Heizblockes 29 weist eine umlaufende Ringdichtung 77 auf, auf welche die Abdeckglocke 5 mit ihrer unteren, umlaufenden Ringkante 78 dicht auf setzbar ist.
Desweiteren ist aus 7 erkennbar, daß oberhalb des Montageblockes 36 des unteren Gehäuses 30 der Heizblock 29 mit einer Entlüftungsbohrung 79 versehen ist, welche innerhalb der Ringdichtung 77 in einen vom Heizblock 29 und der aufgesetzten Abdeckglocke 5 gebildeten Verdampfungsraum mit einer entsprechenden Absaugöffnung 80 mündet. Im radial äußeren Bereich ist diese Entlüftungsbohrung 79 mit einem entsprechenden Kupplungsstutzen 81 versehen, welcher über die in 3 dargestellte Unterdruckleitung 6 mit der Vakuumpumpe 7 in Verbindung steht. Desweiteren ist aus 7 erkennbar, daß die Abdeckglocke 5 mit einem weiteren Anschlußstutzen 82 versehen ist, an welchem die Saugleitung 15 aus 3 zum Absaugen von verdampftem Lösemittel dicht anschließbar ist. Somit kann der durch die Abdeckglocke 5 sowie den Heizblock 29 gebildete Verdunstungsraum einerseits über den Anschlußstutzen 82 und andererseits über den Kupplungsstutzen 81 "evakuiert" werden.
13 zeigt eine Gesamtanlage, welche für eine Mehrfachdestillation ausgebildet ist. So weist diese Anlage einerseits den Industrie-PC 23 auf, welcher über entsprechende Verbindungsleitungen, wie bereits zu 3 beschrieben (in 13 nicht erkennbar), sowohl mit der Vakuumpumpe 7, dem elektrischen Steuerschrank 9 sowie dem Kühlaggregat 19 in Verbindung steht. Die gesamte Anordnung ist in einem fahrbaren Traggestell 83 angeordnet und benötigt nur wenig mehr Platz als ein normaler PC-Arbeitsplatz. Dabei ist das Traggestell 83 über mehrere Rollen 84 auf dem Untergrund verfahrbar, so daß dessen Einsatzort beliebig innerhalb eines Labors verändert werden kann. Durch seine zentrale Stromversorgung werden die einzelnen Bestandteile wie Industrie-PC, Vakuumpumpe, Kühlaggregat und elektrischer Steuerschrank mit Energie versorgt.
Bei dieser Mehrfachdestillation können in den einzelnen Destillationseinheiten 2 mit ihren Abdeckglocken 5 mehrere Aufnahmegefäße 101 vorgesehen sein. Diese Aufnahmegefäße 101 sind während der Destillationsphase selbstverständlich geöffnet und ragen aus den Heizblöcken 29 zumindest teilweise in den vom jeweiligen Heizblock 29 und der Abdeckglocke 5 jeweils gebildeten Saugraum 85 hinein.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kupplungsstutzen 81 der Destillationseinheiten 2 über die gemeinsame Unterdruckleitung 6 mit der Vakuumpumpe 7 verbunden. Die Anschlußstutzen 82 sind ebenfalls über gemeinsame Saugleitungen 15/1 bzw. 15/2 mit zwei separaten Kaskaden- Kondensatoren 16/1 bzw. 16/2 verbunden. Durch diese Kaskaden-Kondensatoren 16/1 und 16/2 wird über die Saugleitungen 15/1 und 15/2 abgesaugter Lösemitteldampf kondensiert und gelangt im flüssigen Zustand am unteren Ende der beiden Kondensatoren 16/1 und 16/2 und entsprechende Rücklaufleitungen 86 und 87 zu dem in 13 ebenfalls erkennbaren Zwischenauffangbehälter 14. Zur Kühlung der beiden Kaskaden-Kondensatoren 16/1 und 16/2 sind gemeinsame Versorgungsleitungen 89 und 90 vorgesehen, über welche die Kaskaden-Kondensatoren 16/1 und 16/2 mit Kühlmittel vom Kühlaggregat 19 versorgt werden. Wie aus 13 weiter ersichtlich ist, sind die vier Destillationseinheiten 2 mit ihren Heizblöcken 29 über einen separaten, auf dem Traggestell 83 aufgesetzten Tragrahmen 88 feststehend angeordnet.
Desweiteren führt vom Zwischenauffangbehälter 14 eine Sammelleitung 91 in den Sammelbehälter 22, wobei der Sammelbehälter 22 über einen entsprechenden Schraubverschluß 92 mit der Sammelleitung 91 abnehmbar verbunden ist. Wie aus 13 weiter ersichtlich ist, steht der Zwischenauffangbehälter 14 über die Unterdruckleitung 13 mit der Vakuumpumpe 7 in Verbindung, so daß über diese Unterdruckleitung 13, den Zwischenauffangbehälter 14 und die beiden Rücklaufleitungen 86 und 87 durch die Kaskaden-Kondensatoren 16/1 und 16/2 hindurch ein Absaugen von verdampfendem Lösemittel aus den jeweiligen Saugräumen 85 unterhalb der jeweils zugehörigen Abdeckglocke 5 sichergestellt ist.
Für diese Vorrichtung aus 13, welche auch zur Mehrfachdestillation von verschiedenen Stoffgemischen mit unterschiedlichen Lösemitteln vorgesehen ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren in der weise anzuwenden, daß zunächst die Destillationstemperatur sowie die iterative Druckabsenkung bis zum Siededruck zunächst für das "empfindlichste" Stoffgemisch gewählt wird. Erst wenn dieses Stoffgemisch vollständig destilliert ist, wird das Verfahren für das nächste, weniger empfindliche Stoffgemisch fortgesetzt. Dabei ist stets zu beachten, daß die Destillationstemperatur stets durch die im empfindlichsten Stoffgemisch enthaltenen Extrakte bzw. Substanzen bestimmt wird, die auch während der Destillation der weiteren, weniger empfindlichen Stoffgemische nicht zerstört werden dürfen.
Die weitere Funktionsweise entspricht der Funktion des bereits zu 3 beschriebenen Verfahrens, so daß diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. In 13 sind der Übersichtlichkeit halber die Druckventile und Steuerleitungen nicht dargestellt.

Claims

Verfahren zur Synthese von lösemittelhaltigen Stoffgemischen unter Anwendung eines Vakuum-Destillationsverfahrens, bei welchem das Stoffgemisch zum Abdestillieren bzw. Verdampfen des oder der im Stoffgemisch enthaltenen Lösemittels oder Lösemittel unter ein geregeltes Vakuum gesetzt sowie thermisch angeregt wird, wobei die Druckabsenkung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Vakuumdruckes stufenweise erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffgemisch in einem ersten Verfahrensschritt auf eine vorbestimmte, nicht zu überschreitende Destillationstemperatur gebracht wird und, daß in weiteren, zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritten der Systemdruck ausgehend von einem anfänglichen Umgebungsdruck iterativ in diskreten, vorbestimmten Zeitabschnitten in den Bereich des zur Destillationstemperatur gehörenden Siededruckes schrittweise abgesenkt wird und, daß zwischen den einzelnen, aufeinanderfolgend geringer werdenden Druckniveaus der iterativen Druckabsenkung zeitlich vorbestimmte Erholungsphasen vorgesehen sind, in welchen unter Zuführung von Verdampfungsenergie das Druckniveau jeweils wieder auf das ursprüngliche Ausgangsniveau des Umgebungsdruckes oder zumindest annähernd auf dieses Ausgangsniveau ansteigt und, daß während der Druckabsenkung dem Stoffgemisch Verdampfungsenergie zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Destillation unterschiedlicher Lösemittel und unterschiedlicher Lösemittelgemische unterschiedlicher Stoffgemische in einer Apparatur, in welcher jedes der Stoffgemische in einem eigenen Gefäß aufgenommen wird, die Verfahrensschritte zur schrittweisen Verringerung des Druckniveaus nachein ander für jedes Stoffgemisch und jedes Lösemittel durchgeführt werden und auf jedes der Stoffgemische gleichzeitig einwirken, und daß das höchstzulässige Temperaturniveau durch das temperaturempfindlichste Stoffgemisch vorbestimmt wird, und daß mit den Verfahrensschritten für das Stoffgemisch begonnen wird, dessen Lösemittel oder Lösemittelgemisch den niedrigsten spezifischen Siedepunkt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffgemisch während des Verdampfungsvorganges in eine zumindest zeitweilig unkoordiniert schwingende Bewegung angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Bewegung eine geradlinige Bewegungskomponente aufweist, welche von einer bogenförmigen Schwingbewegung überlagert ist.