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Vorrichtung zur Durchführung von Extraktionen in flüssigen Systemen
Bei der Extraktion in flüssigen Systemen liegen zwei ineinander unlösliche flüssige
Phasen vor zwischen denen durch Diffusion ein Stoffaustausch erfolgt. Der zu extrahierende
Stoff wandert aus der als gebenden Phase in die als Extraktionsmittel dienende aufnehmende
Phase. Zweckmäßig werden dabei die beiden Phasen in einem Gegenstrom zueinander
geführt, der durch das unterschiedliche spezifische Gewicht der Flüssigkeiten hervorgerufen
wird.
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Von den Vorrichtungen zur Durchführung von Extraktionen in flüssigen
Systemen nach dem Gegenstromverfahren haben die mit Rührer ausgestatteten Kolonnen
steigende Bedeutung erhalten. Sie ergeben bei der Trennung flüssiger homogener Stoffgemische
mit Hilfe eines Extraktionsmittels bessere Werte als Füllkörperkolonnen, Extraktionsbatterien
u. dgl. Insbesondere haben sich Rührkolonnen bewährt, die abwechselnd Misch- und
Entmischungszonen enthalten, wie die Scheibelkolonnen (Patentschrift 2 493 265,
Chem. Eng. Progr., 44 {1948], S.681 und 771) und der Rotating-Disc-Contactor (Chem.
Eng. Progr., März 1955, 141).
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Bei diesen Vorrichtungen durchlaufen die im Austausch stehenden Flüssigkeiten
mehrmals die Vorgänge des Mischens und des Entmischens. Dabei findet der Stoffaustausch
durch Diffusion statt.
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Es wurde gefunden, daß mit Rührer versehene Vorrichtungen zur Durchführung
von Extraktionen durch Mischen und Entmischen flüssiger Systeme eine stark verbesserte
Wirkung aufweisen, wenn die Vorrichtungen mit konisch ausgebildeten, von den Rührern
3 zur Wand 1 verlaufenden, in der Nähe ihres größten Umfanges mit Durchlaßöffnungen
9 versehenen Trennwände 4 ausgerüstet sind. Durch die Trennwände 4 werden innere
und äußere Kammern 7 und 8 gebildet, in denen die Misch-, Austausch- und Trennvorgänge
stattfinden. Hierbei erfolgt die Trennung der Phasen im Geschwindigkeitsfeld der
Rührer und ist dadurch wesentlich wirksamer und sdhneller durchführbar, als dies
die bisherige Trennung der Phasen durch die Schwerkraft infolge des Dichteunterschiedes
zuläßt.
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Verschiedene Ausführungsformen von Extraktionsrührkolonnen nach der
Erfindung zeigen die Abt). 1 bis 3. Die Kolonnen bestehen aus einem zylindrischen
Rohr 1, in dessen Mitte sich eine rotierende Welle 2 befindet, die in Abständen
Rührer 3 mit radial angeordneten Schaufeln trägt. Durdh die konischen Trennwände
4, die durch Flansche 5 miteinander verbunden sind. werden äußere und innere Kammern
7 und 8 gebildet. Am größten Umfang besitzen dieTrennwände4 zahlreiche Öffnungen
bzw. Schlitze 9. die als Durchlaß für die Flüssigkeitsströme dienen.
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Bei der in Abb. 2 dargestellten Extraktionskolonne ist der Rührer
3 am äußeren Umfang mit einem Ab-
stand von etwa 1 bis 2 mm von einem feststehenden
Führungsring 10 umgeben, der mit mehreren horizontalen Führungsschlitzen 11 versehen
ist. Auf den Führungsringen 10 sind oben und unten Gegenringe 12 befestigt. Die
Führungsringe 10 werden von den Trennwänden 4 gehalten.
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Bei der Extraktionskolonne nach Abb. 3 ist tangential vom Rührerumfang
ausgehend, ein dünnes I,eitblech 13 im Abstand von 2 bis 3 mm zur Spirale gewickelt.
Die Spirale kann zur Befestigung z. B. in spiraligen Nuten 14 der konischen Trennwände
4 geführt werden. Bei dieser Vorrichtung werden die Trennwände 4 durch Distanzhülsen
15 und durchgehende Achsen 16 gehalten.
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Es können auch noch andere Vorrichtungen, die eine Trennung der spezifisch
sdhwereren von der leichteren Phase unter Stoffaustausch begünstigen, vorgesehen
werden. So kann man z. B. in den Kammern 7 und 8 Füllkörper von Art der Raschigringe
oder Packungen aus Drahtgewebe unterbringen.
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Die spezifisch schwerer Flüssigkeit (gestrichelter Pfeil) wird von
oben, die spezifisch leichtere Flüssigkeit (strichpunktierter Pfeil) von unten in
den Wirkungsbereich der Rührer hineingezogen. Diese sind zweckmäßig als schnell
laufendes Mischorgan mit radial angeordneten Schaufeln ausgebildet, das mit veränderlicher,
regelbarer Drehzahl betrieben werden kann.
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Die beiden Flüssigkeitsphasen werden von den Schaufeln des Rührers
erfaßt, vermischt und infolge der radialen Erstreckung der Schaufeln auf eine hohe
Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt. Mit dieser hohen Geschwindigkeit wird die Flüssigkeit
in die z. B. durch die Führungsringe 10 oder die Leitbleche 13 vorbestimmten Führungsbahnen
gedrückt und damit eine zu starke Durchmischung und die Gefahr der Emulgierung vermieden.
Die Führungsringe 10 bewirken
durch die horizontal angeordneten
Führungsschlitze 11 eine geschichtete Strömung mit geringer Öuerdurchmischung, während
die spiraligen Leitbleche 13 die Flüssigkeit nach dem tangentialen Austritt aus
den Rührern 3 in engen Bahnen führen. Beim Durchströmen dieser langen, sich stetig
erweiternden Kanäle geht der Stoffaustausch vor sich. Die spezifisch schwerere Flüssigkeit
strömt nach unten, während die leichtere Phase nach oben fließt. Der Entmischungsvorgang
wird durch die vom Rührer erzeugte Strömungsteilung vor der Kolonnenwand noch wirlssam
verstärkt.
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Die konischen Trennwände4 verhindern, daß die flüssigen Phasen beim
Durchgang durch die Kolonne gleich wieder oben oder unten von den aufeinanderfolgenden
Rührern angesaugt werden. Nur durch die in der Nähe des größten Durchmessers der
Trennwände 4 angebrachten Durchlaß öffnungen 9 können die flüssigen Phasen nach
der Trennung in die Rammern der nächsten Stufe gelangen. Die schwerere Phase wandert
also aus der äußeren Kammer 7 durch die Schlitze des unteren Trennbleches in die
innere Kammer 8. Hier trifft sie mit der leichteren Phase aus der nächsten Stufe
zusammen, wobei ein erneuter Stoffaustausch durch Diffusion infolge des Konzentrationsgefälles
stattfindet. Die Geschwindigkeit der Strömung ist in der Mitte der inneren Kammer
8 gering und erreicht in der Flächenmitte (in Höhe der Flanschverbindungen 5) den
Wert Null, da sich hier die Ansaugkräfte der gleich stark, aber entgegengesetzt
wirkenden Rührer aufheben. Nach dem Austausch der beiden Phasen wird ihre Trennung
im Geschwindigkeitsfeld des Rührers beschleunigt.
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Die Vorrichtungen nach der Erfindung zeichnen sich gegenüber den
bekannten Extraktionsrührkolonnen dadurch aus, daß die Flüssigkeitsphasen zwangläufig
geführt und den Vorgängen des Mischens, des Stoffaustausches durch Diffusion und
des Trennens unterworfen werden. Da jedes Flüssigkeitsteilchen in
gleicher Weise
an diesen Vorgängen beteiligt wird, ergibt sich eine definierte Verweilzeit, wobei
durch Führungshahnen ein intensiver Austausch zwischen den beiden Phasen bewirkt
wird. In den engen Ävindungsbahnen beispielsweise der Spirale nach Abb. 3 findet
neben der Austauschwirkung noch eine Miscllbewegung infolge der hohen Geschwindiglieit
statt, während in den weiten Windungen die Strömungsgesehwindigkeit verlangsamt
wird und eine Trennung der Phase begünstigt. DieTrennung der beiden Phasen erfolgt
nicht nur infolge des bestehenden Dichteunterschiedes, sondern wird in der äußeren
und inneren Kammer durch das Geschwindigkeitsfeld der Rührer beschleunigt.
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PATENTANSPROCHE: 1. Mit Rührern versehener Turm zur Durchführung
von Extraktionen durch Mischen und Entmischen flüssiger Systeme, dadurch gekennzeichnet,
daß in den einzelnen Abteilen konisch ausgebildete, von den Rührern (3) zur Wand
(1) verlaufende, in der Nähe ihres größten Umfanges mit Durchlaßöffnungen (9) versehene
Trennwände (4) vorgesehen sind.