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Verfahren zum Trennen von verdampfbaren Flüssigkeitsgemischen organischer
oder anorganisch-organischer Zusammensetzung Es sind verschiedene Verfahren zum
Trennen von Flüssigkeitsgemischen ohne Anwendung von chemischen Umsetzungen bekannt.
Am meisten eingesetzt wird die Destillation, d. h. das Überführen des Flüssigkeitsgemisches
in die Dampfphase mit darauffolgendem Kondensieren des Dampfes. In bekannter Weise
erfolgt dabei eine mehr oder weniger vollständige Trennung des Gemisches in die
einzelnen Bestandteile entsprechend deren Siedepunkten. Liegen die Siedepunkte jedoch
nahe beieinander oder bilden die Gemische azeotrope Gemische, so erfolgt bei der
Destillation nur eine unvollkommene Trennung in die Bestandteile.
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Ein zweites bekanntes Verfahren zum Trennen von Flüssigkeitsgemischen
in die Bestandteile liegt im Ausfrieren vor, bei dem das Gemisch durch Abkühlen
teilweise zum Erstarren gebracht wird, so daß der Schmelzpunkt eines Bestandteils
unterschritten wird und dieser sich im festen Zustand ausscheidet. Bilden die Bestandteile
jedoch Mischkristalle, so versagt dieses Verfahren oftmals, weil die sich abscheidenden
festen Anteile mehr oder weniger große Mengen der oder des anderen Bestandteils
enthalten.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch Zusatz einer mit dem Gemisch
nicht mischbaren Flüssigkeit in bekannter Weise einen oder mehrere Bestandteile
herauszulösen. Bei dieser Flüssig-Flüssig-Extraktion erfolgt aber nach dem Nemstschen
Verteilungssatz niemals eine vollständige Trennung, und nur selten haben die Verteilungskoeffizienten
solche Werte, daß dieses Verfahren auf technisch brauchbare Art durchgeführt werden
kann.
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In verschiedenen Fällen lassen sich einzelne Bestandteile eines Flüssigkeitsgemisches
durch Zusatz weiterer flüssiger oder fester Stoffe auf bekannte Art in mehrere Phasen
aufteilen. Dies bringt jedoch meist dadurch Nachteile mit sich, daß eine Phase oder
auch mehrere mit einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen versetzt werden
und dann eine oder mehrere weitere Trennungen anzuschließen sind.
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Außer den bisher zum Trennen von Flüssigkeitsgemischen ohne Anwendung
von chemischen Umsetzungen aufgezählten Verfahren ist es möglich, auf bekannte Weise
einen oder mehrere Bestandteile eines flüssigkeitsgemisches an festen Körpern zu
adsorbieren und anschließend zu desorbieren. Bei verschiedenen Adsorptionskoeffizienten
erfolgt dann eine Trennung des Gemisches in seine Bestandteile. Hierdurch lassen
sich nur relativ geringe Stoffmengen trennen, so daß dieses Verfahren in technischem
Maßstab nur selten eingesetzt werden kann.
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Eine ähnliche bekannte Methode zum Trennen von
Flüssigkeitsgemischen
in die Bestandteile besteht darin, das Flüssigkeitsgemisch in die Dampfphase überzuführen
und den Dampf durch Adsorption und anschließende Desorption einer Trennung zu unterziehen.
Auch hierdurch lassen sich nur verhältnismäßig geringe Stoffmengen trennen.
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Zusätzlich zu den voranstehend beschriebenen Verfahren zum Trennen
von Flüssigkeitsgemischen sind weitere Möglichkeiten durch die Anwendung der verschiedenen
Arten der Diffusion gegeben.
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Hierbei wird das Stoffgemisch von einem festen Körper begrenzt, der
allgemein Diaphragma genannt wird und das nach den bisher üblichen Verfahren stets
Poren aufweist. Es hängt dabei weitgehend von der Porengröße des Trennungsmittels
ab und in ähnlicher Weise von der Art des Stoffgemisches, ob die Diffusion schnell
oder langsam verläuft und ob die Trennung mehr oder weniger vollkommen ist. Nach
den Fickschen Diffusionsgesetzen ist die Durchtrittsgeschwindigkeit durch ein Diaphragma
unter sonst gleichen Bedingungen bei kugelförmigen Molekülen deren Durchmesser proportional.
Dies bedeutet, daß kleinere Moleküle zwar schneller das Diaphragma durchdringen,
größere aber doch auch hindurchzuwandern vermögen. Es kommt auf diese Art also niemals
zu einer theoretisch vollkommenen Trennung, sondern lediglich zu einer Anreicherung.
Durch Verwendung eines besonders dicken Diaphragmas oder durch mehrmaliges Wiederholen
der Diffusion kann trotzdem eine weitgehende Trennung erreicht werden.
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In der Praxis wird dies in einigen Fällen angewandt.
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Verschiedentlich besteht die Möglichkeit, die Größe der Poren des
Diaphragmas so zu wählen, daß nur die Moleküle eines oder einiger Bestandteile klein
ge nug sind, um durch das Diaphragma zu wandern, während die Moleküle der übrigen
Bestandteile zu groß hierfür sind. Dieses Prinzip findet Anwendung bei der Dialyse,
mit deren Hilfe man z. B. kolloidale Lösungen von unerwünschten Begleitstoffen reinigt.
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Zur Durchführung des Dialyse genannten Trennungsverfahrens wird das
zu reinigende Gemisch von einem Diaphragma umschlossen, das im vorliegenden Fall
auch Dialysiermembran genannt wird, das seinerseits von einer Flüssigkeit umgeben
ist, die den aus dem Gemisch zu entfernenden Anteil zu lösen vermag. Es stellt sich
dann jeweils ein Gleichgewicht bezüglich derjenigen Bestandteile ein, die das Diaphragma
zu durchdringen vermögen, und zwar ein Gleichgewicht der Konzentrationen in dem
zu trennenden Gemisch und in der das Diaphragma umgebenden Flüssigkeit Diese letztere
wird hinreichend oft erneuert, um das Gleichgewicht ständig zu stören. Wenn es auch
nicht allgemein bekannt ist, die Dialyse auf die Trennung von Flüssigkeitsgemischen
anzuwenden, so ist das doch immerhin möglich. Es werden dafür verhältnismäßig lange
Zeiten beansprucht, die den technischen Einsatz dieses Verfahrens auf wenige Bereiche
be schränken.
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Es wurde auch vorgeschlagen, Dialysiermembranen unter Verwendung
von Kunststoffen herzustellen.
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Diese Membranen weisen notwendigerweise Poren auf. So ist z. B. in
der deutschen Patentschrift 827 197 ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Dialysiermembran
unter Verwendung von Kunststoff beschrieben, wobei man die Lösung eines Polyvinylharzes
zum Gel erstarren läßt und dieses Gel als Dialysiermembran verwendet. Die Permeabilität
dieser Membran kann nach dem gleichen Patent gesteigert werden durch Einlagern von
inerten Festkörpern.
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Ein Gel stellt bekanntlich eine erstarrtekolloidale Lösung dar und
ist somit ein Mehrstoffsystem, in dem beim Erstarren Poren entstehen können, wie
es in der genannten Patentschrift angestrebt wird.
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Eine andere Art der Anwendung der Diffusion zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen
besteht darin, sie zu verdampfen und den Dampf mittels Diffusion durch poröse Diaphragmen
zu trennen, etwa mit Diaphragmen aus Ton oder ähnlichen Stoffen. Wie oben schon
ausgeführt wurde, haftet diesem Verfahren jedoch der Nachteil an, daß entweder eine
unvollkommene Trennung erfolgt oder ungewöhnlich lange Trennungszeiten erforderlich
sind. Das Verfahren findet aus diesem Grunde praktisch keine Anwendung für solche
Flüssigkeitsgemische, deren Moleküle vergleichbare Größe haben.
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Es hat sich nun gezeigt, daß manche Stoffgemische in der Dampfphase
ziemlich rasch und in einer Stufe weitgehend getrennt werden können, wenn man die
Eigenschaft von porenfreien homogenen Kunststoffen ausnutzt, mit bestimmten Flüssigkeiten
oder ihren Dämpfen feste Lösungen zu bilden. Hierbei findet eine Quellung der Kunststoffe
statt, die sich von der Oberfiäche nach innen zu fortsetzt in dem Maße, wie die
Flüssigkeit und/oder ihr Dampf in den Kunststoff hineindiffundiert. Erfolgt die
Diffusion nur von einer Seite der Kunststoffolie her und ist sie in ihrer ganzen
Dicke gequollen, so treten an der anderen Seite der Folie Anteile der Flüssigkeit
oder ihres Dampfes auch wieder aus. Diese Anteile können auf geeignete
Art gesammelt
werden. Die meisten Kunststoffe, wahrscheinlich alle, haben nun die Fähigkeit, nur
mit bestimmten Stoffen feste Lösungen zu bilden. Die Löslichkeit ist teilweise relativ
hoch und teilweise verschwindend niedrig. Demzufolge ist die Diffusion entsprechend
hoch oder entsprechend niedrig. Es ist hierdurch also möglich, durch Ausnutzung
der verschiedenen Löslichkeit der Bestandteile eines Flüssigkeitsgemisches eine
Trennung durchzuführen.
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Eine Vorrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet, ist beschrieben
(Fig. 1).
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Das Flüssigkeitsgemisch in einer Destillierblase 1 wird durch Wärmezufuhr
zum Sieden gebracht. Der Dampf steigt in einem Trennrohr 2 hoch und streicht hierbei
am Diaphragma 3 entlang. Der eine Bestandteil des Flüssigkeitsgemisches löst sich
im Diaphragma, das aus einer Kunststoffolie besteht, durchdringt es und wird an
einem es umgebenden Kühlmantel 4 mit Kühlwasserzulauf 5 und Kühlwasserablauf 6 in
bekannter Weise kondensiert. Das Kondensat sammelt sich an der inneren Wandung des
Kühlmantels 4 und fließt durch ein Rohr 11 ab.
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Die nicht das Diaphragma durchdringenden Anteile des Dampfgemisches
werden in einem Rückflußkühler 7 mit Kühlmantel 8, Kühlwasserzulauf 9 und -ablauf
10 kondensiert und tropfen oder fließen in die Destillierblase 1 zurück.
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Einige Beispiele für erfolgte Trennungen sind wiedergegeben.
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Beispiel 1 Anorganisch-organisches Gemisch.
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Diaphragma: Polyäthylen Ein Gemisch aus 958/o Diäthyläther und Solo
Wasser wurde der Trennung unterzogen. Die Temperatur blieb dabei praktisch konstant
bei etwa 340 C. Der Äther durchdrang die Kunststoffolie aus Polyäthylen, und das
Wasser reicherte sich im Rückstand an.
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Beispiel 2 Anorganisch-organisches Gemisch.
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Diaphragma: Polyamid Ein Gemisch aus 9O Methanol und 10t/o Wasser
wurde mit Hilfe einer Folie aus Polyamid ge trennt. Die Temperatur stieg von 64
bis nahe 1000 C.
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Das Methanol diffundierte durch die Folie, und Wasser reicherte sich
im Rückstand an.
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Beispiel 3 Organisches Gemisch.
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Diaphragma: Polyäthylen Ein Gemisch aus gleichen Teilen Aceton und
Chloroform wurde mit Hilfe einer Folie aus Polyäthylen der Trennung unterworfen.
Die Temperatur fiel dabei von 63 auf 560 C. Das Chloroform durchwanderte die Folie,
und Aceton reicherte sich im Rückstand an.
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Beispiel 4 Organisches Gemisch.
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Diaphragma: Polyvinylchlorid Ein Gemisch aus gleichen Teilen Petroläther
(als aliphatischem Kohlenwasserstoff) und Benzol (als aromatischem Kohlenwasserstoff)
wurde mit Hilfe
einer Folie aus Polyvinylchlorid getrennt. Die Temperatur
blieb mit etwa 400 C praktisch konstant. Das Benzol diffundierte durch die Folie,
und Petroläther blieb als Rückstand.
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Die Menge des Flüssigkeitsbestandteils, die in der Zeiteinheit das
Diaphragma zu durchdringen vermag, hängt neben der Löslichkeit des Materials für
die Bestandteile des Gemisches auch von der Dicke der Folie ab. Geht man in der
Dicke bis zur unteren Grenze, so wird oftmals die notwendige mechanische Festigkeit
der Folie unterschritten. Eine Abhilfe ist dabei dadurch möglich, daß man die Folie
auf einem netzförmigen oder gitterförmigen Träger aus Metall oder Nichtmetall durch
Aufschweißen, Aufkleben oder ein anderes geeignetes Verfahren fixiert.
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Die Menge des in der Zeiteinheit das Diaphragma durchdringenden Flüssigkeitsbestandteils
hängt weiterhin von der Gesamtfläche der das Diaphragma bildenden Kunststoffolie
ab. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, das Diaphragma senkrecht zu falten (Fig.
2 im Querschnitt).
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Da die meisten Kunststoffe nur bis zu einer relativ niedrigen Temperatur
eine ausreichende Festigkeit aufweisen, die sie als brauchbar erscheinen lassen,
wird es oftmals notwendig sein, das vorgeschlagene Verfahren zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen
im Vakuum durchzuführen, um hierdurch in be kannter Weise den Siedepunkt zu erniedrigen.
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Eine hierfür geeignete Vorrichtung ist nachfolgend beschrieben (Fig.
3).
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Das Flüssigkeitsgemisch wird in einer Destillierblase 12 zum Verdampfen
gebracht, wobei das ge samte System evakuiert ist. Der eine Bestandteil des Dampfes
durchdringt im Trennrohr 13 das Diaphragma 14, kondensiert am Kühlmantel 15 mit
Kühlwasserzulauf 16 und -ablauf 17 und fließt durch einen Stutzen 22 in eine Vorlage
28.
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Die nicht getrennten Anteile des Dampfes werden in einem Kühler 23
mit Kühlmantel 24, Kühlwasserzulauf 25 und -ablauf 26 kondensiert und fließen in
eine Vorlage 27. Durch Öffnen eines Hahnes 32 am Boden dieser Vorlage kann bei einer
unvollkom-
menen Trennung des Flüssigkeitsgemisches in seine Bestandteile bei einmaliger
Destillation das Destillat durch ein Rohr 33 in die Destillierblase 12 zurückgelassen
werden. An zwei Stutzen 29 und 30 ist je eine Vakuumpumpe angeschlossen, deren Vakuum,
etwa durch Einlassen von Außenluft durch ein geeignetes Ventil, geregelt werden
kann. Das Einstellen des jeweils günstigen Vakuums kann hierbei durch ein an sich
bekanntes Differentialbarometer 31 mit elektrischer, pneumatischer, mechanischer
oder anderer Übertragung der Meßwerte auf Steuerorgane zum Einstellen des Vakuums
erfolgen. Das Vakuum ist dabei so einzuregeln, daß auf beiden Seiten des Diaphragmas
14 gleicher Druck oder auf der dem Flüssigkeitsgemisch zugekehrten Seite ein etwas
höherer Druck, gemessen in absoluten Einheiten, herrscht.