DE1242564B

DE1242564B - Kontinuierliches Verfahren zum Zonenschmelzen eines schmelzbaren Gemisches aus einem Loesungsmittel und wenigstens einem darin geloesten Stoff

Info

Publication number: DE1242564B
Application number: DEW24745A
Authority: DE
Inventors: William Gardner Pfann
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1958-03-05
Filing date: 1958-12-24
Publication date: 1967-06-22
Also published as: US2926075A; GB906010A; NL112572C; BE575802A; CH399425A; NL234568A; FR1217759A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer: ■

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

BOId

Deutsche Kl.: 12c-2

W24745IVc/12c
24. Dezember 1958
22. Juni 1967
14. Dezember 1967

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Es ist bekannt, das Zonenschmelzen zum Umgruppieren der Bestandteile eines schmelzbaren Gemisches aus einem Lösungsmittel und einem oder mehreren darin gelösten Stoffen mit von 1 abweichenden Seigerungskoeffizienten einzusetzen, um s Material von gewünschter Zusammensetzung zu erzeugen. Das Zonenschmelzen kann bei Systemen aus Metallen und ihren Legierungen, bei Salzen und Salzlösungen organischer und anorganischer Art sowie allgemein bei Systemen Anwendung finden, die aus Lösungsmitteln und darin gelöstem Stoff bestehen und aus fester Phase in flüssige Phase bzw. umgekehrt übergeführt werden können. Besondere Bedeutung hat das Zonenschmelzen auf dem Gebiet der Raffination erlangt, und zwar vornehmlich zur Behandlung von Halbleiterstoffen, wie Silicium und Germanium, und von Salzen, wie Kaliumnitrat und Galliumtrichlorid.

Das grundlegende Zonenschmelzverfähren ist in der österreichischen Patentschrift 183 790 beschrie-' ben. Es besteht im Prinzip darin, daß eine Schmelzzone beispielsweise längs eines Festkörpers aus dem zu behandelnden Gemisch geführt wird. Hierbei scheidet sich das in der Zone geschmolzene Behandlungsgut in der ihr folgenden Erstarrungsfront ange- as reichert an gelösten Stoffen ab, deren Seigerungskoeffizient größer als 1 ist, und verarmt an gelösten Stoffen, deren Seigerungskoeffizient kleiner als 1 ist. Es handelt sich dabei noch um ein diskontinuierliches, ansatzweise arbeitendes Verfahren mit den allen ansatzweise arbeitenden Verfahren grundsätzlich anhaftenden bekannten Nachteilen. Bei einem kontinuierlichen Verfahren hat man demgegenüber die Möglichkeit, durch Anwendung einer langen Startperiode einen stetigen Zustand zu erreichen, von welchem aus alles nachfolgende Gemisch notwendigerweise unter den Bedingungen dieses stetigen Zustands behandelt wird, wobei die Entnahme von Produkten mit der gewünschten Zusammensetzung gleichzeitig mit der Einführung von Ausgangsgemisch erfolgt.

Eine kontinuierliche Betriebsweise, bei welcher die Relativbewegung zwischen Schmelzzone und schmelzbarem Gemisch durch einen Materialfluß von einer Aufgabestelle zu einer Entnahmestelle überlagert ist, ist in der franzöischen Patentschrift 1112171 beschrieben. Es war dabei die Schwierigkeit zu überwinden, die sich einerseits aus der Inkompressibilität der flüssigen und der festen Phase des Gemisches und andererseits aus dem Umstand ergibt, daß die feste Phase jeweils an der angrenzenden Führungs- oder Behälterfläche der Apparatur haftet. Nach der fran-Kontinuierliches Verfahren zum Zonenschmelzen eines schmelzbaren Gemisches aus einem
Lösungsmittel und wenigstens einem darin
s,·.·'östen Stoff

Patentiert für:

Western Electric Company, Inc.,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Dipl.-Ing. P. G. Blumbach
und Dipl.-Phys. Dr. W. Weser, Patentanwälte,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
William Gardner Pf ann,
Far Hills, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. März 1958 (719 216)

zösischen Patentschrift 1112 171 wird diese Schwierigkeit durch die Einführung von Lücken, z. B. in Gestalt von Luftblasen, behoben, welche sicherstellen, daß jeweils der Abschnitt des abschmelzenden Gemisches von der hierbei anfallenden Schmelze getrennt ist.

Dieses kontinuierliche »Zonenlückenschmelzen« befriedigt jedoch auch noch nicht ganz. Insbesondere erschweren die Bildung und Aufrechterhaltung der Lücken die Verfahrensdurchführung. Es besteht außerdem die Gefahr, daß das gasförmige oder flüssige Medium, welches die Lücken füllt, von dem schmelzflüssigen Gemisch mehr oder weniger aufgenommen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet ohne Lücken und vermeidet daher diese Nachteile. Wie beim Zonenlückenschmelzen werden die Schmelzzonen durch das Gemisch aus einem Lösungsmittel und wenigstens einem darin gelösten Stoff, dessen Seigerungskoeffizient von 1 abweicht, in Bahnen von deren einem Ende zu deren anderem Ende geführt, wobei ein Teil einer schmelzflüssigen, an gelöstem Stoff angereicherten oder verarmten Fraktion des' schmelzbaren Gemisches an jedem Ende jeder Bahn jeweils dann entnommen wird, wenn sich die Schmelzzone dort befindet, und wobei gleichzeitig je-

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weile nach Maßgabe der Entnahme neues zu behandelndes Gemisch zugeführt wird. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, daß man eine Mehrzahl solcher Bahnen, parallel geschaltet, ausschließlich zur Seigerung und die sich entsprechenden Enden der Seigerungsbahnen, untereinander verbunden, als Materialtransportwege benutzt, welchen derart gegebenen Wegen, entsprechend einer Entnahme von behandeltem Gut auf ihrer einen Seite, zu behandelndes Gut auf ihrer anderen Seite zugeführt wird.

Die Seigerung kann dabei selbstverständlich von untergeordneten physikalischen Vorgängen begleitet sein, z. B. von einem unbedeutenden Materialtransport, der bekanntlich auf unterschiedlicher Größe der Dichte des Materials in flüssiger Phase und des Materials in fester Phase beruht.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Zonenreinigers für zwei Produkte, teilweise im Schnitt,

F i g. 2 ein Schema einer Zonenreinigung mit acht Seigerungsbahnen,

F i g. 3 die Konzentration an in Produkt und Abfall bei gleichgerichteter Führung der. Material-Ströme in den Transportwegen Gelöstem in Abhängigkeit von der Anzahl der Seigerungsbahnen,

F i g. 4 eine der F i g. 3 ähnliche Darstellung bei entgegengerichteter Führung der Materialströme in den Transportwegen,

F i g. 5 ein Schema einer Zonenreinigung bei gleichgerichteter Führung der Materialströme und unterschiedlicher Länge der Seigerungsbahnen,

F i g. 6 ein der F i g. 5 entsprechendes Schema bei entgegengerichteter Führung der Materialströme,

F i g. 7 ein Schema einer Zonenreinigung bei gleichgerichteter Führung der Materialströme urid unterschiedlicher Länge der ringförmigen Seigerungsbahnen,

F i g, 8 ein Schema einer Zonenreinigung unter Gewinnung von drei Produkten bei gleichgerichteter Führung der Materialströme, bei der Zonenreinigung gemäß F i g. 8 die Konzentration an Gelöstem an verschiedenen Stellen der letzten Seigerungsbahn,

Fig. 10 einen senkrechten Schnitt durch ein Kopfende eines gioßräumigen Zonenreinigers mit Eintauchheizelementen.

In der Zeichnung bedeutet:

Z = die Richtung der Schmelzzonenbewegung, S = die Richtung des Materialtransports,
F = die Richtung der Gemischeinführung,
F = die Richtung der Produktentnahme.

Die in F i g. 1 dargestellte Apparatur besteht aus einem Behälter 1 mit abnehmbarem Deckel 2. Der Behälter kann, je nach Schmelzpunkt und chemischer Reaktionsfähigkeit des zu behandelnden Systems, aus feuerfestem Material, wie Quarz, Glas, Graphit oder metallischem Material gefertigt sein und ist mit Anschlüssen 3, 4, 5 und 6 und Teilungswänden 7 ausgestattet. An jedem Ende der Wände 7 ist eine Öffnung 8 bzw. 9 vorgesehen. Eine eng anliegende Heizung 10, die mit einem Widerstandsheizelement versehen sein kann und längs des Behälters 1 beweglich angeordnet ist, wird zur Erzeugung und Bewegung von Schmelzzonen 11 innerhalb der Seigerungsbahnen, im übrigen jedoch in fester Phase 13 befindlichen Materials 12 benutzt. Der Reiniger ist durch die Wände 7 in acht Seigerungsbahnen unterteilt. Bei der Bewegung der Heizung 10 in der Pfeilrichtung Z wandern die Schmelzzonen aus der gezeigten Stellung zu den Öffnungen 9.

Wenn sich die Schmelzzonen 11 in der Stellung gemäß F i g. 1 befinden, wird Ausgangsmaterial durch den Einlaß 3 in Richtung F₁ eingeführt und eine entsprechende Fertigproduktmenge oder Abfallmenge F₁ durch den Auslaß 4 abgezogen. Die Öffnungen 8

ίο können Einwegventile sein, die einen Schmelzstrom nur in der gewünschten Richtung gestatten oder so eng bemessen sein, daß die Schmelze nur unter den durch die erzwungene Zugabe von Ausgangsmaterial durch den Einlaß 3 geschaffenen Bedingungen durchtreten kann. Wenn die Schmelzzonen 11 ihre den Öffnungen 9 entsprechende Endstellung erreichen, wird weiteres Ausgangsmaterial eingefüllt. Bei gleichgerichtetem Materialtransport erfolgt dieses Einfüllen in der Pfeilrichtung F₂ durch Einlaß 5, so daß bei 6

ao eine entsprechende Produktmenge F₂ anfällt. Bei entgegengerichtetem Materialtransport wird Ausgangsmaterial bei 6 eingeführt und Abfall oder Fertigprodukt P₂ bei 5 abgezogen. Die optimalen Mengen des an den Enden des Reinigers eingefüllten Ausgangsmaterials brauchen nicht gleich zu sein und stellen wichtige Regelgrößen dar, die in Verbindung mit anderen Faktoren die Zusammensetzung und die Strömungsgeschwindigkeit von Fertigprodukt bzw. Abfall bestimmen.

Die Hauptwirkung des Materialtransports im Sinn der F i g. 1 ist die Entfernung einer bestimmten Menge behandelten Materials aus der Schmelzzone 11 am Anfang oder Ende einer Seigerungsbahn in die entsprechende Schmelzzone der im Sinn der Pfeilrichtung S anschließenden Seigerungsbahn mit der Folge, daß ein Konzentrationsgradient in der Strömungsrichtung von dem Einlaß 3 zum Auslaß 4 erzeugt wird. Von Spezialbedingungen abgesehen, die noch erwähnt werden, entspricht die maximale Menge eingeführten Ausgangsmaterials oder abgezogenen Fertigproduktes oder Abfalls für jeden Transportweg an beiden Enden des Reinigers einem Zonenvolumen, da jede dieses Maximum überschreitende Zufuhr die Wirkung eines Kurzschlusses von zwei oder mehr Seigerungsbahnen hat.

Der Wirkungsgrad pro Seigerungsbahn ist wie bei anderen Zonenschmelzverfahren in gewissem Ausmaß vom Mischungsgrad, der während des Durchgangs durch eine Seigerungsbahn innerhalb der je-

weils folgenden Zone 11 besteht, abhängig. Wie die USA.-Patentschrift 2 739 088 erläutert, ist die Annäherung an den theoretischen Wert des Seigerungskoeffizienten um so enger, je vollständiger die Mischung innerhalb einer Schmelzzone ist. Selbstverständlich ergibt sich eine Rührwirkung aus natürlichen Konvektionsströmen, die durch mechanische Rührer, elektrische Induktionsströme und andere dem Fachmann bekannte Mittel erhöht werden kann.
Das in F i g. 1 gezeigte Materialniveau in dem Behälter 1 ist nur beispielhaft. Der Füllungsgrad wird durch praktische Umstände bestimmt, wie etwa den Prozentsatz der Volumenänderung zwischen flüssiger und fester Phase und die Höhe des Drucks, dem die Apparatur sicher widersteht.

Die maximale Größe des Behälters 1 wird ebenso wie die Grenzdimensionen der Schmelzzonen 11 hauptsächlich durch die Wärmedurchgangsbedingungen bestimmt. Die einseitige Heizung 10 nach F i g. 1

ist für verhältnismäßig niedrigschmelzende Stoffe bestens geeignet. Wenn derjenige Teil des Behälters 1, der den festen Zonen des Materials 13 entspricht, nicht beheizt wird, so ergibt sich bei hochschmelzenden Stoffen ein großer Temperaturgradient zwischen den geschmolzenen und den festen Materialzonen, mit der Folge, daß es schwierig ist, regelmäßige Schmelzzonen 11 aufrechtzuerhalten, die von unten bis oben flüssig sind. Materialien, die gut in der Apparatur nach F i g. 1 behandelt werden können, sind z. B. Blei und Naphthalin. Beispielhafte Abmessungen für die gezeigte Reinigerbatterie sind 30,5 · 30,5 cm in Länge und Breite und 7,6 cm in der Höhe. Ein geeigneter Behälterwerkstoff für diesen Fall ist rostfreier Stahl.

F i g. 2 zeigt schematisch die Betriebsweise einer Apparatur gemäß F i g. 1 bei gleichsinnigem bzw. gegensinnigem Materialtransport. Das rechteckige Gefäß 20 ist durch Längswände 21 in acht Seigerungsbahnen 22 unterteilt, welche über Öffnungen 23 und 24 miteinander verbunden sind. Gleichgewichtszustand ist das in Behandlung befindliche Material auf die Seigerungsbahnen auf deren ganze Länge verteilt. Schmelzzonen 25 werden von einer nicht dargestellten Heizung erzeugt, die beispielsweise der Heizung 10 nach Fig. 1 entsprechen kann. Diese Schmelzzonen von der Länge / werden von der Anfangsstellung 25 A in Längsrichtung des Reinigers bis zur Endstellung 25B geführt. Es ist wesentlich für das Verfahren, daß ein zusammenhängender Strömungsweg oder eine andere Einrichtung zum Materialtransport quer über alle Seigerungsbahnen 22 in den beiden Schmelzzonenstellungen 25 A und 25 Z? besteht. Man erreicht dies besonders einfach durch Verwendung einer allen Seigerungsbahnen gemeinsamen Heizung.

In F i g. 2 tritt Rohmaterial in Richtung der Pfeile F bei 26 und 27 in den Reiniger ein, und zwar jeweils, wenn sich die Schmelzzonen in Stellung 25 Λ und 25 B befinden. Das behandelte Material wird in entsprechender zeitlicher Folge und in entsprechender Menge als Produkte P₁ und P₂ bei 28 bzw. 29 abgezogen.

Zur Vereinfachung erfolgt die nähere Erläuterung mit den Begriffen eines binären Systems Lösungsmittel—Gelöstes, in welchem das "Gelöste einen Seigerungskoeffizienten k < 1 besitzt. Es wird ferner angenommen, daß reines Lösungsmittel ρ das angestrebte Fertigprodukt P₁ ist und daß der mit gelöster Substanz angereicherte Anteil P₂ als Abfallprodukt w angesehen werden soll.

Während sich die beiden Materialströme, die bei 26 und 27 ihren Anfang nehmen, von links nach rechts, d. h. quer durch den Reiniger 20 bewegen, wandern die Schmelzzonen 25 in der Pfeilrichtung Z nach aufwärts; sie bewirken dadurch eine Beförderung von Verunreinigung aus dem unteren Strom 26-28 in den oberen Strom 27-29. Wenn die Zonen die Stellung 25 A einnehmen, wird ein Volumen Ausgangsmaterial durch den Einlaß 26 in die erste Seigerungsbahn eingeführt. Dadurch wird ein gleiches Volumen gezwungen, die nachfolgenden Seigerungsbahnen zu durchqueren und schließlich als Fertigprodukt P₁ durch den Auslaß 28 auszutreten. Die Zonenbewegung längs des Reinigers bildet die Konzentrationsänderungs-Charakteristik des Verfahrens. Wenn die Schmelzzone 25 die Stellung 25 B erreicht, wird Ausgangsmaterial in die* erste Seigerungsbahn durch Einlaß 27 eingeführt, wodurch ein Querstrom durch die Öffnungen 24 in den Teilungswänden 21 entsteht und schließlich ein gleiches Volumen an Produkt P₂ durch den Auslaß 29 austritt.

Wie bereits beschrieben, wird durch den Gebrauch enger öffnungen 23 und 24 im Verein mi' den Strömungsbedingungen während des Materialtransports oder auch durch den Gebrauch enger Rohrverbindungen oder Einwegventilen verhindert, daß eine Mi- schung des Inhalts der in der Transportrichtung aufeinanderfolgenden Schmelzzonen auftrifft. Das Verhältnis des von Zone zu Zone beförderten Volumens zum Gesamtvolumen einer Schmelzzone wird mit / bezeichnet. Das Verhältnis ist seinerseits gleich dem Verhältnis von Rohstoffvolumen zu Schmelzzonenvolumen, wenn mit konstantem Zonenvolumen gearbeitet wird. Das Verhältnis / kann sich zwischen einem sehr kleinen Wert und dem Wert 1 ändern und entspricht im allgemeinen diesem Maximalwert.

Unter bestimmten Umständen kann / den Wert 1 überschreiten, ohne daß ein Kurzschließen einer der Seigerungsbahnen eintritt.

Die Apparatur nach F i g. 2 kann für gegensinnigen Materialtransport eingerichtet sein. Es ist dazu nur erforderlich, die Richtung des Materialtransports an einem Ende des Reinigers umzukehren, z. B. am unteren Ende das Ausgangsmaterial bei 28 in der gestrichelten Pfeilrichtung F' einzuführen und das Produkt P₁ bei 26 zu entnehmen.

Bei der Erläuterung der F i g. 2 ist intermittierende Zufuhr von Ausgangsmaterial unterstellt worden, wobei Fertigprodukt und Abfall nur entnommen werden, wenn sich die Schmelzzonen mit.den Materialtransportbahnen decken. Die Darstellung gilt aber auch für eine alternative Verfahrensart, bei welcher das Gemisch in den Zonenstellungen 25 A und 25 B als dauernd geschmolzen betrachtet werden kann und demgemäß der Materialtransport kontinuierlich ist.

Nimmt man gleiche Volumenbewegung für beide Verfahrensarten — intermittierend oder kontinuierlich — an, so unterscheiden sich trotz kleiner zyklischer Änderungen in der Endkonzentration bei kontinuierlicher Arbeitsweise die Durchschnittskonzentrationen im Fertigprodukt und im Abfall nicht wesentlich.

Zum Verständnis der Umgruppierungswirkung des Verfahrens betrachten eine Reinigung mit intermittierendem gleichsinnigen Material transport nach F i g. 1 und 2 und ein binäres System, für welches k <C 1 ist. Mit C_n (_nl und C_{w (n)} seien die Konzentrationen des Gelösten im flüssigen Material bezeichnet, welches eine Seigerungsbahn η verläßt, wobei der Index ρ das Fertigprodukt und der Index w den Abfall bezeichnen. Der Reiniger soll eine Länge L

(s. F i g. 2) haben, die Zonenlänge sei I, und es soll eine sehr große Anzahl η von Seigerungsbahnen vorgesehen sein.

F i g. 3 zeigt die Diagramme der Konzentration C_p<n) und C_w,_m als Funktion von η für einen solchen Reiniger im Gleichgewichtszustand. (Der Abszissenwert w = 0 deutet an, daß die Quelle des Rohstoffs, dessen Zusammensetzung C₁- ist, als Null-Bahn betrachtet werden kann.) Die Kurven verlaufen symmetrisch zur Linie C, = konstant und nähern sich asymptotisch bestimmten Grenzen.

Die Endwerte von C₁, und C_w, nämlich C_;)(oo) bzw. C_w _(oc) lassen sich aus der Gleichung für die abschließende Konzentrationsänderung bei dem ansatzweisen

Zonenreinigen errechnen. Daß dies so ist, kann mit Hilfe von F i g. 3 wie folgt erläutert werden: Während die Ströme von Fertigprodukt und Abfall durch den Reiniger fließen, wird gelöste Substanz aus dem Fertigproduktstrom herausgenommen, durch den Reiniger befördert und im Abfallstrom abgelagert. Die derart je Arbeitsspiel beförderte Menge an gelöstem Stoff nimmt mit höher werdender Zahl η der Bahnen ab, weil der Konzentrationsgradient längs" einer gegebenen Bahn η zunimmt. Die positive Neigung der Kurve C_w(n) ist in einer gegebenen Bahn in t i g. 3 der Menge der längs dieser Bahn beförderten gelösten Substanz proportional. Wenn η groß wird, wird die Neigung gleich Null, was anzeigt, daß keine gelöste Substanz mehr von den Schmelzzonen längs des Reinigers befördert wird. Diese Bedingung (Neigung = Null) entspricht der Schlußverteilung längs der Bahn bei ansatzweiser Zonenreinigung.

Die allgemeine Form der Kurven von C₁₁ ₍₇₎₎ und C_w _(n) in Abhängigkeit von η für einen nach F i g. 2 betriebenen Reiniger mit in entgegengesetzter Richtung erfolgendem Materialtransport auf den beiden Transportwegen ist in F i g. 4 gezeigt. Die Anzahl η der Seigerungsbahnen ist groß genug, um den asymptotischen Verlauf der C_P(„ ,.-Kurve klarzustellen. Die C₁, _(n)-Kurve ist derjenigen nach F i g. 3 ähnlich, aber im Verlauf umgekehrt. Die C„,_(n)-Kurve verläuft nicht mehr symmetrisch, sondern parallel zur C₁, _{n)-Kurve und liegt in festem Abstand oberhalb der letzteren.

Bei in entgegengesetzter Richtung erfolgendem Materialtransport wird für einen großen Wert von η in der ersten Bahn (links in Fig. 4) eine absatzweisem Arbeiten entsprechende Schlußverteilung erreicht, die völlig unterhalb der C_rOrdinate liegt. Für /,, = f_w, d. h., wenn für Produkt C₁, und Abfall C_n, das Verhältnis zwischen von Zone zu Zone befördertem Volumen zum Gesamtvolumen einer Zone gleich ist, wird die Abfall-Konzentration C_w _(oo) am rechten Auslaßende des Reinigers um einen Betrag größer als Cf, der gleich dem ist, um den die Endprodukt-Konzentration Cp(O₀) am linken Auslaßende unterhalb C₁ liegt. Somit wird bei in entgegengesetzter Richtung erfolgendem Materialtransport eine größere Trennung erreicht, als es unter äquivalenten Bedingungen bei einem Miaterialtransport in gleicher Richtung dei Fall ist.

Wie aus F i g. 3 hervorgeht, zeigt die Analyse der Gleichgewichts-Konzentrationsverteilung längs der verschiedenen Bahnen des Reinigers nach F i g. 2, daß in den Bahnen beträchtliche Längen bestehen, in denen der Konzentrationsgradient vernachlässigbar klein ist. Solche flachen Bereiche sind am längsten in der ersten Bahn und werden in dem Maße kürzer, wie η zunimmt. Diese Betrachtungen lassen die Vermeidung oder Verkürzung dieser Bereiche als zweckmäßig erscheinen, wodurch sich eine Verringerung der in Behandlung befindlichen Materialmenge und eine Einsparung an Apparaturkosten sowie eine Verbilligung des Betriebes .erzielen lassen. Die allgemeine Form eines solchen Reinigers mit verschieden großer Bahnlänge ist in F i g. 5 gezeigt.

F i g. 5 zeigt das Arbeitsschema eines Reinigers 50 mit gleichsinnigem Materialtransport und unterschiedlicher Länge der vorgesehenen acht Seigerungsbahnen 51, welche von Trennwänden 52 begrenzt sind. In ihren Endbereichen sind die Trennwände 52 mit Öffnungen 53 und 54 versehen. Sich entsprechende Schmelzzonen 55 werden gleichzeitig in den Seigerungsbahnen 51 durch eine Heizung 56 erzeugt, die um den Punkt 57 verschwenkbar ist, so daß sich für die Schmelzzonen 55 die Anfangs- und Endstellungen 55 A bzw. 55 B ergeben. Die Wirkung einer solchen apparativen Ausbildung besteht darin, daß die Geschwindigkeit der Schmelzzonenbewegung in den von links nach rechts aufeinanderfolgenden Seigerungsbahnen 51 zunimmt und daß die Länge

ίο der Seigerungsbahnen von rechts nach links kleiner wird. Das Ausgängsmaterial wird in den Pfeilrichtungen F bei 58 α und 58 b eingeführt. Die Produkte P₁ und P., werden bei 59a und 59b entnommen. Im übrigen ist diese Arbeitsweise die gleiche wie die Arbeitsweise nach Fig. 2.

F i g. 6 zeigt eine Arbeitsweise, die von derjenigen nach F i g. 5 dadurch abweicht, daß der Materialtransport in gegensinniger Richtung erfolgt. Die Einführung des Ausgangsmaterials erfolgt demgemäß auf entgegengesetzten Seiten des Reinigers 60 in Richtung der Pfeile F. In entsprechender Weise werden die Produkte F₁ und P., auf entgegengesetzten Seiten des Reinigers entnommen.
¹ Die Reinigung bei unterschiedlicher Länge der Seigerungsbahnen kann auch wie in F i g. 7 schematisch dargestellt, in einer Apparatur mit konzentrischen ringförmigen Seigerungsbahnen durchgeführt werden. Bei einer solchen Apparatur ergibt sich die Verminderung der Länge der Seigerungsbahnen in der gewünschten Richtung von selbst. Außerdem wird eine Verringerung des Wärmeverlustes erreicht, da die Schmelzmenge zu jeder Zeit konstant gehalten und von derselben Heizungsfläche erzeugt wird. Eine solche Apparatur wird zweckmäßig für die Behandlung höher schmelzender Stoffe verwendet.

Der Reiniger 70 der F i g. 7 enthält sieben Seige-. rungsbahnen 71 von konzentrisch ringförmiger Ausbildung, deren jede von den benachbarten Bahnen durch Trennwände 72 abgeteilt ist. In den Endbereichen der Wände 72 sind Öffnungen 73 und 74 vorgesehen, die den Materialtransport in den Pfeilrichtungen S ermöglichen. Die Schmelzzonen 75 innerhalb der Seigerungsbahnen 71 werden von einer im Uhrzeigersinn (Z) umlaufenden Heizung 76 erzeugt. Die Schmelzzonen wandern demgemäß bei jedem Umlauf der Heizung 76 von einer Anfangsstellung 75 A in eine Endstellung 75 B. Bei dem angedeuteten gleichsinnigen Materialtransport erfolgt die_ Einführung von Ausgangsmaterial bei 77 a und 77 b in der Pfeilrichtung F, während Fertigprodukt P₁ und Abfall P₂ bei 78« und 78 b entnommen werden. Der Reiniger nach F i g. 7 kann auf die Betriebsweise mit gegensinnigem Materialtransport umgestellt werden. Es ist dazu nur erforderlich, die Richtung der Einführung des Ausgangsmaterials und die Richtung der Materialentnahme an einem Ende der Seigerungsbahnen umzukehren.

Die bisher erläuterten Beispiele beziehen sich auf die Behandlung binärer Systeme, wobei zwei Produkte erhalten werden. Das gleiche Verfahrensprinzip kann aber auch zur Trennung ternärer Systeme angewendet werden, beispielsweise für ein Gemisch aus einem Lösungsmittel und zwei darin gelösten Verunreinigungen, von denen die eine einen Seigerungskoeffizienten < 1 und die andere einen Seigerungskoeffizienten > 1 hat.

Diese Arbeitsweise bei gleichsinnigem Materialtransport ist in F i g. 8 gezeigt. Der Reiniger 80 hat

acht Seigerungsbahnen 81, die voneinander durch Trennwände 82 getrennt sind. Die Trennwände enthalten drei Serien von Öffnungen 83, 84 und 85 für die Bildung von drei Materialtransportwegen. Die mittels einer nicht gezeigten Heizung gebildeten Schmelzzonen 86 werden am Beginn der Seigerungsbahnen 81 in der Stellung 86^4 erzeugt und wandern bei der Aufwärtsbewegung der Heizvorrichtung in Pfeilrichtung Z durch Stellung 86 B in die Stellung 86C. In jeder der Stellungen 86 A, 86B und 86C wird Ausgangsmaterial in Richtung der Pfeile F₁, F₂ und F₃ eingeführt, während die mit F₁, F₂ und P₃ bezeichneten Fertigprodukte durch die Auslässe 87, 88 und 89 abgezogen werden.

Abweichend von Fig. 8 kann auch mit konzentrischen Seigerungsbahnen ähnlich F i g. 7 gearbeitet werden, die eng aneinander liegen, wobei es insbesondere möglich ist, die Einlasse in das Mittelfeld des Reinigers zu verlegen und die Produktauslässe am Umfang der Anordnung anzubringen.

F i g. 9 stellt angenähert die Kurven für den Ausstoß von drei Produkten einer Reinigung nach F i g. 8 dar, wobei als Koordinaten die Konzentration und der Abstand längs der letzten Seigerungsbahn, d. h. mit Bezug auf F i g. 8 der rechts liegenden Seigerungsbahn 81, gewählt sind. Der Einfachheit halber wird ein Ausgangsmaterial betrachtet, welches aus einem Lösungsmittel A, einer ersten Verunreinigung B mit k -< 1 und einer zweiten VerunreinigungC mit k > 1 besteht. Die Gesamt-Konzentration der beiden gelösten Substanzen B und C im Ausgangsmaterial wird durch die horizontale, mit C₁- bezeichnete ausgezogene Linie angegeben, die Konzentration der gelösten Substanz B längs der letzten Seigerungsbahn durch die ausgezogene mit C_B bezeichnete Kurve und die Konzentration der gelösten Substanz C längs der Seigerungsbahn durch die gestrichelte mit C_c bezeichnete Kurve. Die Konzentration der gelösten Substanz B ist am Ende der letzten Seigerungsbahn höher als ihre Konzentration an deren Anfang, während die Konzentration der gelösten Substanz C am Anfang der letzten Seigerungsbahn am größten, an ihrem Ende am kleinsten ist. Deswegen ist jedes Endprodukt, das den Reiniger verläßt, mit der einen oder anderen gelösten Substanz angereichert. Durch Abzug eines Produktes an einer Zwischenstelle längs der letzten Seigerungsbahn wird ein Produkt F₂ erhalten, das an beiden gelösten Substanzen B und C ärmer ist als das zugeführte Material. Der Abzug von Fertigerzeugnis an irgendeiner Stelle längs der letzten Seigerungsbahn zwischen den beiden Stellen, die dem Schnitt der Horizontalen C₁ mit den Kurven C_c und C₀ entsprechen, ergibt den Ausstoß eines Erzeugnisses, das im Vergleich zum zugeführten Material eine verringerte Gesamtmenge an den beiden gelösten Substanzen B und C enthält. Die in F i g. 9 angezeigte Stelle X₁ verkörpert einen Punkt, bei welchem der Abzug ein Fertigprodukt mit gleicher Konzentration an gelöster Substanz B und gelöster Substanz C ist. — Eine Anordnung der Seigerungsbahnen in Form konzentrischer Ringe ist für diesen Zweck besonders günstig, da sie eine Verringerung der Materialmenge in der Apparatur und eine Herabsetzung der Apparaturkosten ermöglicht, wie in Verbindung mit F i g. 5 bis 7 erläutert worden ist. -— Wenn auch F i g. 9 auf gleiche Konzentrationen der gelösten Substanzen B und C im zugeführten Material abgestellt ist, so ist dies kein Erfordernis. Es ist zu beachten, daß es nicht erforderlich ist, daß das Volumen der Materialströme immer gleich ist. Wo die gelösten Substanzen B und C nur in Spuren vorhanden sind, sind die Fließgeschwindigkeiten der Produkte F₁ und F₃ erwünschterweise klein im Vergleich zu der von P₂. Wo beispielsweise B und C in Mengen von 1 °/o oder weniger vorhanden sind, sind die Materialströme F, und F₃ im Tdealfall von der Größenordnung von ungefähr 2 °/o derjenigen von F₀. Es

ίο ist auch zu beachten, daß die Position Z₁ der FI g. 9 nicht notwendigerweise mit der Mitte der letzten Seigerungsbahn zusammenfallen muß. Wenn sich beispielsweise die gelöste Substanz C leichter abtrennt als das Gelöste B, d. h. einen größeren Absolutwert von (1 — k) hat, liegt der Auslaß für F₂ erwünschterweise näher am C-reichen Ende des Reinigers, d. h. näher am Auslaß für F₃.

F i g. 10 zeigt einen der Materialtransportwege eines Reinigers 100, der sechs Seigerungsbahnen 101 von verhältnismäßig großem Volumen umfaßt. Die bewegliche Heizung 102 mit den Heizelementen 103, die in die Seigerungsbahnen eintauchen, erzeugt Schmelzzonen 104, die das feste in Behandlung befindliche Material durchqueren. Ein die Seigerungsbahnen kreuzender Materialstrom wird in der üblichen Weise durch Einführung von Ausgangsmaterial durch einen Einlaß 105 erzeugt und Fertigprodukt durch einen Auslaß 106 an dem entgegengesetzten Ende der Reinigerbatterie abgezogen. Eine versetzte Anordnung der Öffnungen 107 in den die Seigerungsbahnen begrenzenden Wäflden 108 verringert die Wahrscheinlichkeit eines Materialdurchgangs auf ungewollter Bahn während eines einzelnen Arbeitsspiels. Eine Trennung benachbarter Seigerungsbahnen kann auch in der Weise erfolgen, daß man zwischen den Seigerungsbahnen zusätzlich Bahnen aus dem in Behandlung befindlichen Material in festem Zustand aufrechterhält. Es ist außerdem möglich, die Schmelzzonen in aufeinanderfolgenden Seigerungsbahnen derart zu versetzen, daß zwischen ihnen keine Verbindung über Schmelze stattfinden kann und eine Schmelzmischung zwischen aufeinanderfolgenden Seigerungsbahnen vermieden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Kontinuierliches Verfahren zum Zonenschmelzen eines schmelzbaren Gemisches aus einem Lösungsmittel und wenigstens einem darin gelösten Stoff, dessen Seigerungskoeffizient von 1 abweicht, unter Schmelzzonenführung durch das Gemisch in Bahnen von deren einem Ende zu deren anderem Ende, wobei ein Teil einer schmelzflüssigen, an gelöstem Stoff angereicherten oder verarmten Fraktion des schmelzbaren Gemisches an jedem Ende jeder Bahn jeweils dann entnommen wird, wenn sich die Schmelzzone dort befindet, und wobei gleichzeitig jeweils nach Maßgabe der Entnahme neues zu behandelndes Gemisch zugeführt, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mehrzahl solcher Bahnen, parallel geschaltet, ausschließlich zur Seigerung und die sich entsprechenden Enden der Seigerungsbahnen, untereinander verbunden, als Materialtransportwege benutzt, welchen derart gegebenen Wegen, entsprechend einer Entnahme von behandeltem Gut auf ihrer einen Seite, zu behandelndes Gut auf ihrer anderen Seite zugeführt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch in den beiden Materialtransportwegen in entgegengesetzten Richtungen führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seigerungsbahnen während der Zonenschmelzung lediglich durch nicht geschmolzenes Behandlungsgut voneinander getrennt gehalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3 unter Anwendung von gleicher Fließrichtung in den Materialtransportwegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzonen durch in Richtung auf die Ent-

nahmestellen zunehmend lange Seigerungsbahnen mit dementsprechend zunehmenden Geschwindigkeiten geführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3 unter Anwendung von gegenläufiger Fließrichtung in den Materialtransportwegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzonen durch in Richtung auf eine der Entnahmestellen zunehmend lange Seigerungsbahnen mit dementsprechend zunehmenden Geschwindigkeiten geführt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 786170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 607/461 t. 67 Q Bundesdruckerei Berlin