DE1275994B - Kontinuierliches Zonenschmelzverfahren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche Kl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOIj

BOId

12C-2

12 g-17/16

P 12 75 994.3-43 (W 25239)

19. März 1959

29. August 1968

Das Hauptpatent bezieht sich auf ein kontinuierlichesVerfahren zum Zonenschmelzen eines schmelzbaren Gemisches aus einem Lösungsmittel und wenigstens einem darin gelösten Stoff, dessen Seigerungskoeffizient von Eins 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 jedes 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 wird.

Die Besonderheit des Hauptpatents 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.

Es ist bekannt, das Zonenschmelzen zum Umgruppieren der Bestandteile eines schmelzbaren Gemisches aus einem Lösungsmittel und einem oder mehreren darin gelösten Stoffen mit von Eins abweichenden Seigerungskoeffizienten einzusetzen, um 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. Das grundlegende Zonenschmelzverfahren ist in der österreichischen Patentschrift 183 790 beschrieben. 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 angereichert angelösten Stoffen ab, deren Seigerungskoeffizient größer als Eins ist, und verarmt an gelösten Stoffen, deren Seigerungskoeffizient kleiner als Eins ist. Dieser Seigerungskoeffizient ist dabei in bekannter Weise definiert als Erhältnis der Konzentration des Gelösten in der festen Phase zur Konzentration des Gelösten in der flüssigen Phase.

Kontinuierliches Zonenschmelzverfahren

Zusatz zum Patent: 1242 564

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

William Gardner Pfann, Far Hills, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. April 1958 (730 458)

Die Wirkungsweise des Verfahrens nach dem Hauptpatent ist kurz die folgende: Entsprechend dem Obigen bewirken die die parallelgeschalteten Seigerungsbahnen durchlaufenden Zonen, daß das Gelöste je nach dem Wert des Seigerungskoeffizienten entweder in Zonenlaufrichtung oder entgegengesetzt dazu transportiert wird. Es wird also das Gelöste aus dem einen Ende an die Seigerungsbahnen und quer verlaufend zu diesem angeschlossenen Materialtransportweg in den anderen Endes angeschlossenen Materialtransportweg übergeführt. Des weiteren wird jedesmal, wenn die Schmelzzonen in einen der beiden Materialtransportwege einlaufen, in diesem eine (durch geeignete Mittel koordiniert eingeleitete) Materialverschiebung erzeugt derart, daß das endständige Material jeder Seigerungsbahn ganz oder teilweise durch das endständige Material der benachbarten Seigerungsbahn ersetzt wird. Durch diesen quer zu den Seigerungsbahnen in den Materialtransportwegen verlaufenden Materialfluß (im folgenden kurz Querfluß genannt) wird also jede folgende Seigerungsbahn nicht mit frischem Material, sondern mit in der vorausgeltenden Seigerungsbahn bereits behandeltem Material für den nächsten Zonendurchlauf beschickt. Ersichtlich bildet sich daher mit der Zeit auch längs jedes Materialtransportweges ein Konzentrations-

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gradient des Gelösten aus. Es verbleibt demnach nur Obwohl dieser Vorteil am stärksten bei totalem

noch, den Materialtransportwegen entsprechend einer Rückfluß, also im Partiebetrieb, in Erscheinung tritt, Entnahme von behandeltem Material auf ihrer einen ist er auch bei durchlaufendem Betrieb vorhanden, Seite zu behandelndes Material auf ihrer anderen und zwar um so stärker, je höher das Rückfluß-Seite zuzuführen. 5 verhältnis gewählt ist. Man braucht daher nicht auf Der hierbei im stationären Betrieb erzielbare Trenn- die bekannten Vorzüge des Durchlaufbetriebs gegengrad hängt von der theoretischen Endverteilung ab, über dem Partiebetrieb zu verzichten, zu denen die die auf einer gegebenen Seigerungsbahnlänge zu- leichte Umstellbarkeit auf automatischen Betrieb gelassen werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es nach Erreichen des stationären Zustande gehören, daher, diese Beschränkung aufzuheben und Trenn- _I0 ferner eine schnelle Gewinnung des Endproduktes grade zu erhalten, die erheblich größer als diejenigen sowie die Möglichkeit, ein Lösungsmittel mit hoher sind, welche mit dem Verfahren nach dem Haupt- Affinität für eine zwei- oder höherwertige, bestimmte patent oder irgendeinem anderen Zonenschmelz- Komponente zur Verbesserung der Trennung hinverfahren oder einem mit normaler Erstarrung arbei- zuzufügen.

tenden Verfahren bei vergleichbarer Raffinationsfläche i₅ Im Falle des Durchlaufbetriebs kann das erfinerzielbar sind. dungsgemäße Verfahren auch zweistufig durchge-

Gemäß der Erfindung ist dies dadurch gelöst, daß führt werden. Die hierfür erforderliche Anlage entzumindest ein Teil des von jedem Materialtransport- hält dann eine (Produkt-) Anreicherungsstufe und weg entnommenen Guts über den jeweils anderen eine Säuberungsstufe (im Sinne einer Abfallanreicheder Materialtransportwege wieder in Umlauf zurück- 20 rungsstufe), wobei die Frischmaterialzufuhr zwischen gebracht wird. den beiden Stufen, erfolgt und Produkt und Abfall

Nach der Erfindung wird also das Verfahren nach aus je einer Stufe entnommen werden. Dabei kann dem Hauptpatent dahingehend ergänzt, daß mit es im Einzelfall durchaus zweckmäßig sein, nur eine einer über die Materialtransportwege erfolgenden einzelne Stufe zu betreiben. Dies hängt vom Ver-Rückflußführung gearbeitet wird. 25 teilungskoeffizienten des zu behandelnden Materials

Mit Rückfluß zu arbeiten, ist auf dem Gebiet der ab, dem gewünschten Ausstoß und anderen, dem Destillation allgemein bekannt (vgl. beispielsweise Fachmann wohlbekannten Gesichtspunkten, die USA.-Patentschrift 2 750 262). Der Rückfluß Unabhängig, ob das Verfahren im Partie- oder

dient dabei hauptsächlich dazu, den Destillations- Durchlaufbetrieb durchgeführt wird, wird für den prozeß kontinuierlich zu gestalten, und zwar durch 30 oben beschriebenen Rückfluß des Materials gesorgt. Erzeugen eines Gleichgewichtszustandes bei ver- Wie bei der fraktionierten Destillation bestimmt schieden hohen Konzentrationen des Gelösten in auch hier die Materialmenge im Rückflußstrom, einer Reihe Behälter. Zur Aufrechterhaltung dieses geteilt durch die Gesamtmenge im Querflußstrom, Gleichgewichtszustands muß, wenn reines Material das Rückflußverhältnis für die betrachtete Stelle der entfernt wird, auch angereichertes Material entfernt 35 Anlage. Die Leichtigkeit, mit der das Rückflußwerden. Es sei jedoch bemerkt, daß bereits das Ver- verhältnis und andere Parameter, die das Verhältnis fahren nach dem Hauptpatent ein kontinuierlich des Querflusses zum Zonenvolumen, verändert werden arbeitendes ist und daß die einzelnen Seigerungs- können, führen zu einer breiten Anpassungsfähigkeit, bahnen zugleich Rückflußfunktion übernehmen, näm- Da, wie aus den einleitenden Ausführungen ersichtlich dann, wenn das endständige Material jeder 40 lieh ist, im Effekt nur die der Schmelzzone in jeder Seigerungsbahn nicht vollständig, sondern nur teil- Seigerungsbahn nachlaufende Erstarrungsfront für weise durch das endständige Material der daneben- alle Ausführungsformen des Verfahrens wesentlich liegenden Seigerungsbahn über die Materialtransport- ist, ist es gleichgültig, wo sich die voreilende Schmelzwege im Querfluß ersetzt wird. Es ist nun ausschließ- front der Zone befindet. Man kann daher auch (in Hch dieser derart erzeugte Rückfluß, der dem inner- 45 kinematischer Umkehr des ganzen) eine feste Zone halb des in einer Destillationskolonne verlaufenden durch die dann geschmolzen gehaltene Seigerungs-Rückfluß äquivalent wäre. Folglich bestand auch bahn hindurchführen. Diese Alternative hat gewisse keine Veranlassung, einen weiteren Rückfluß.vor- Ähnlichkeit mit den mit normaler Erstarrung von zusehen.· -einer Seite aus arbeitenden Verfahren.

D*urch die Erfindung wird nun der überraschende 50 Der Einfachheit halber sind in der Beschreibung Effekt erhalten, daß der Trenngrad stärker von der die Ausdrücke »Produkt« und »Abfall« benutzt, ob-Länge der Materialtransportwege als von der Länge wohl zu berücksichtigen ist, daß das eine oder das der Seigerungsbahnen abhängt. Letztere können daher andere oder auch beide die jeweils gewünschte Zuim Gegensatz zu bisher sehr kurz ausgebildet sein, sammensetzung haben können und demgemäß als und es werden weit höhere Trenngrade als bisher 55 Produkt betrachtet werden können. Es kann auch erreicht, wenn man Raffinationsanlagen vergleich- sein, daß als Ergebnis nicht eine Trennung von barer Abmessungen zugrunde legt. Wegen der erfin- ursprünglich vorhandenen Komponenten angestrebt dungsgemäßen, über die Materialtransportwege erfol- wird, sondern daß eine Hinzufügung eines oder genden Rückflußführung wird die Grenzverteilung mehrerer anderer Materialien zum Ausgangsmaterial zwischen frischem Material und Produkt, die bei 60 erfolgt, beispielsweise zu dem Zweck, die Kennwerte bestimmter Seigerungsbahnlänge die Wirksamkeit des Ausgangsmaterials zu ändern. Hierher gehören des Verfahrens begrenzt, als Grenze aufgehoben. das Einführen von Störstellenmaterial in einen HaIb-Aus diesem Grunde können die mit dem Verfahren leiter oder das Einführen von Zusätzen, die eine nach der Erfindung erzielbaren Trenngrade, die in chemische Reaktion hervorrufen, womit sich eine erster Linie vom Rückflußverhältnis und von der 65 Produktzusammensetzung ergibt, die vom Ausgangs-Querflußmenge abhängen, mehrmals so groß sein material verschieden ist. Wo ein solches Material wie die nach anderen Verfahren bei gleicher Anlage- als Produkt gefordert ist, kann das Verfahren zugröße erreichbaren. sätzlich so gesteuert werden, daß gleichzeitig aus

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dem Produkt eine unerwünschte Verunreinigung Schmelzzone in Position 10 ist, auch eine Schmelzentfernt wird. zone in Position 9 ist, also im Bereich sowohl der

Die Beschreibung erfolgt ferner in der Weise ver- Durchlässe 7 als auch der Durchlässe 8, die in ihrer

einfacht, daß das in Betracht stehende Gelöste einen Gesamtheit die beiden quer zu den Seigerungsbahnen

Seigerungskoeffizienten kleiner als 1 hat und daß 5 verlaufenden Materialtransportwege bilden, gleich-

das gewünschte Endprodukt das gereinigte Lösungs- zeitig geschmolzenes Material vorhanden ist. Wie

mittel sein soll. noch beschrieben wird, kann das Material in Position

Allgemein aber ist es lediglich erforderlich, daß 10 während des ganzen Verfahrens geschmolzen

der oder die gelösten Stoffe einen Seigerungskoeffi- bleiben, da die Trennung nur an der den Schmelz-

zienten k ungleich 1 haben. Ob dieser Seigerungs- 10 zonen jeweils folgenden Erstarrungsfront vor sich

koeffizient kleiner oder größer als 1 ist oder ob er geht. Eine Rohrleitung 13 od. dgl. ermöglicht einen

hauptsächlich oder teilweise auf die Hinzufügung übertritt von flüssigem Material aus der Zone 10

von Lösungsmittel, das ursprünglich im zu behan- in die Zone 9 über die öffnungen 2 und 5. Eine

delnden Material nicht vorhanden war, oder sogar ähnliche Rohrleitung 14 von öffnung 3 zu öffnung 4

auf ein Reaktionsprodukt zurückzuführen ist, ist nur 15 vervollständigt den Kreislauf. Der Materialfluß wird

für den Konstrukteur der Anlage interessant. von einer Pumpe 15 in Gang gehalten, wobei die

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren Menge des zwischen den Zonen 9 und 10 umströmen-

unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; den Materials durch ein Ventil 16 gesteuert wird. Die

es zeigt Zuführung von Frischmaterial erfolgt während der

F i g. 1 eine schematische Ansicht auf eine Quer- 20 Anlaufzeit über das Ventil 17, die Rohrleitung 18

fiuß-Raffinationsanlage mit Rückfluß für Partiebetrieb, und die öffnung 2. Im Betrieb ist das Ventil 17 ge-

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Schrägansicht schlossen. Man öffnet es nur wieder, um das behan-

einer Anlage gemäß Fig. 1, delte Material am Ende des Partiebetriebs zu ent-

F i g. 3 eine schematische Aufsicht auf eine ein- nehmen,

zelne Seigerungsbahn, 25 Im Betriebszustand, wenn der Behälter 1 mit Be-

Fig. 4 ein Diagramm, das die relative Konzen- handlungsgut 11 gefüllt ist und die S,chmelzzonen 9

tration des gelösten Stoffs in der η-ten Seigerungs- und 10 sich über alle Seigerungsbahnen 12 erstrecken,

bahn am Anfang und am Ende einer einzelnen Er- wird ein Bruchteil / des je Seigerungsbahn vor-

starrungsfrontbewegung in Abhängigkeit von der handenen Zonenvolumens durch die Durchlässe 7

Weglänge darstellt, 30 nach rechts transportiert und durch die Durchlässe 8

F i g. 5 eine schematische Aufsicht auf eine Quer- nach links. Die Zone 9 durchquert dann das Material

fiuß-Raffinerie mit Rückfluß im Dauerbetriebszustand, 11 in Richtung auf Position 10 hin, also längs der

F i g. 6 eine schematische Ansicht einer Anreiche- Seigerungsbahnen. Wird die Position 10 erreicht,

rungsstufe für Durchlaufbetrieb, wird eine neue Zone 9 erzeugt, und der Zyklus

F i g. 7 eine schematische Ansicht einer Säube- 35 wiederholt sich. Der Sinn der jede Seigerungsbahn 12

rungsstufe für Durchlaufbetrieb, durchlaufenden Zonen ist, Gelöstes vom Produkt-

F i g. 8 eine schematische Ansicht einer zwei- strom im unteren Teil der Raffinationsanlage zu entstufigen Raffinationsanlage, fernen und dieses Material in den Abfallstrom zum

F i g. 9 eine schematische Ansicht einer abge- oberen Teil zu transportieren. Der quer zur Zonen-

wandelten Ausführung nach F i g. 8, 40 laufrichtung erfolgende Materialtransport durch die

Fig. 10 eine teilweise geschnittene Schrägansicht Durchlässe 7 und 8 in entgegengesetzten Richtungen

einer zweistufigen Anlage für Durchlaufbetrieb ent- führt zu einer Anreicherung des gelösten Stoffs auf

sprechend Fig. 9, der linken Seite und zu einer Anreicherung des

Fig. HA bis HD Längsschnitte durch eine ein- gereinigten Lösungsmittels auf der rechten Seite,

zelne Seigerungsbahn zur Erläuterung des Verfahrens- 45 Obwohl bei dem dargestellten Verfahren zwei

ablaufs, Schmelzzonen benutzt werden, so daß Produkt- und

Fig. 12A bis 12D Längsschnitte durch eine ein- Abfallströme gleichzeitig fließen können, kann das

zelne Seigerungsbahn. zur Erläuterung eines alter- gleiche Verfahren auch mit einer einzelnen Schmelz-

nativen Verfahrensablaufs. zone in allen Seigerungsbahnen durchgeführt werden.

Die für Partiebetrieb ausgelegte Querflußraffi- 50 Bei dieser Betriebsweise erfolgt zunächst ein Materialnationsanlage mit Rückfluß nach Fig. 1 weist einen transport in der Position 9. Das aus der öffnung3 geschlossenen Behälter 1 aus hitzebeständigem Ma- austretende Material wird, z. B. in der Pumpe 15, terial, wie Quarz, Glas, Aluminium, Graphit od. dgl., gespeichert und wird in die Anlage durch die öffauf, das je nach Schmelzpunkt und chemischen Eigen- nung 4 wieder eingeführt, wenn die Zone die Position schäften des speziell zu behandelnden Materials 55 10 erreicht hat. Die Raffinationsanlage, die nicht in ausgewählt ist. Der Behälter 1 ist mit öffnungen 2, ebener Form ausgeführt zu sein braucht, kann 3, 4 und 5 versehen und enthält Trennwände mit horizontal, vertikal oder in einem anderen Winkel Durchlässen 7 und 8 an beiden Enden. Weiter sind angeordnet werden. Produkt- und AbfaHstrom kön-(nicht dargestellt) Heizkörper in gutem Wärme- nen durch die Schwerkraft erzeugt oder unterstützt kontakt mit dem Behälter 1 vorgesehen, z. B. Wider- 60 werden, z. B. durch entsprechende Neigung der Anstands- oder Hochfrequenzheizer, die gegenüber dem lage in der entsprechenden Richtung. Je nach den Behälter 1 bewegt werden und längs der Durchlässe 7 chemischen Eigenschaften des Behandlungsgutes kann und 8 verlaufende Schmelzzonen 9 bzw. 10 erzeugen das System luftdicht abgeschlossen sein oder nicht, können. Die Schmelzzonen durchlaufen dann das Auch kann im Einzelfall ein Arbeiten unter Schutzgas Material 11, das in jedem der durch die Trenn- 65 angezeigt sein.

wände 6 gebildeten Seigerungsbahnen 12 enthalten F i g. 2 zeigt eine Raffinationsanlage für Partieist, ,von der Ausgangsposition 9 zur Endposition 10. betrieb entsprechend Fig. 1. Ein Behälter30 ist Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß, wenn eine mit einem Deckel 31 sowie mit Zwischenwänden 32

ausgestattet, die voneinander getrennte Seigerungsbahnen 33 bilden und mit öffnungen 34 und 35 zur Bildung der Materialtransportwege versehen sind. Schmelzzonen 36 und 37 werden von streifenförmigen Heizkörpern 38 und 39 erzeugt. Die Bewegung der Heizkörper in der dargestellten Pfeilrichtung ergibt eine entsprechende Wanderung der Zonen 36 und 37 durch das eingebrachte Material 40. Eine Pumpe 41 erzeugt den quer zur Zonenlaufrichtung stattfindenden Transport des geschmolzenen Materials durch die öffnungen 34, öffnung 42, Rohr 43, öffnung 44, öffnungen 35, Öffnung45, Rohr 46, Ventil 47 und zurück in den Behälter über die öffnung 48 entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Größe dieses querfließenden Materialtransportes wird vom Ventil 47, der Größe _r5 der öffnungen 34 und 35 und dem von der Pumpe 41 dauernd oder zeitweise erzeugten Druck gesteuert. Während der Vorbereitung wird das zu behandelnde Material durch das Rohr 49, das offene Ventil 50 und die öffnung 48 in die Anlage geleitet und das Ventil 50 dann geschlossen. Nach Beendigung des Verfahrens kann das Ventil 50 wieder geöffnet und das behandelte Material durch das Rohr 49 entnommen werden. Bei dieser Entnahme ist es zweckmäßig, denjenigen Teil des gesamten Materials innerhalb der Anlage geschmolzen zu halten, welcher dem zu entnehmenden Bruchteil entspricht, so daß die Abfallzusammensetzung, z. B. in den beiden ersten Seigerungsbahnen, von links herrscht, während die Produktzusammensetzung in den restlichen Seigerungsbahnen der Raffinerie vorherrscht.

In F i g. 3 ist die n-te Seigerungsbahn der Anlage nach Fig. 1 dargestellt. Diese mit 60 bezeichnete Bahn ist von den anliegenden Seigerungsbahnen C_w —

V =

Produktkonzentration im rechts austretenden Strom.

Abfallkonzentration im nach links austretenden Strom.
Reinigungsverhältnis.
Schmelzzonenlänge.

Die Gleichungen für den Ausgleichszustand in der Anlage für Partiebetrieb nach Fig. 1 sind folgende:

C = C

= G.

G =

f [Kf-I) + (1-/C)

_ _eB(L-I)

k = e^m -1

(5 a)

(5 b)

Zwei Bedingungen des Querflusses sollen im folgenden besprochen werden. Im ersten Fall ist / = 1, im zweiten Fall ist / kleiner als 1.

Wenn / = 1 ist, hat G den Wert k, wie aus Gleichung (4) folgt. Demnach ist das Reinigungsverhältnis G im Produkt- und Abfallstrom von Seigerungsbahn zu Seigerungsbahn gleich k. Eine Raffinationsanlage mit ΛΓ Seigerungsbahnen ergibt deshalb ein Verhältnis von γ — k^N.

Zur Beschreibung der Konzentrationen des ge-

durch Zwischenwände 61 und 62, die mit Öffnungen 35 lösten Stoffes in der flüssigen und in der festen Phase 63 und 64 versehen sind, getrennt und enthalten im in der η-ten Seigerungsbahn einer Partie-Raffinations

gezeigten Betriebszustand die feste Zone 65 und die Schmelzzonen 66 und 67.

Zur Definition der einzelnen Größen, die in den nachfolgenden Gleichungen erscheinen, sei auf Fig. 1 und 3 Bezug genommen:

N
/

Nummer der Seigerungsbahn.

Gesamtzahl der Seigerungsbahnen.

der Bruchteil des Schmelzzonenvolumens

C =

'P(n+D

L· —

anlage in verschiedenen Zeiten während des Umlaufes sei auf F i g. 4 Bezug genommen. Die Linie a, d, e repräsentiert die Konzentration in der festen Phase, wenn eine Zone der Länge / am Ende des Abschnittes angekommen ist. Diese Konzentration ist C_p(n+1).

Bei Beginn eines Umlaufs wird die erste Zonenlänge / geschmolzen, und ihre Flüssigkeit der Konin einer Seigerungsbahn, der weitertrans-45 zentration C^n+i) wird in die (n+l)-te Seigerungsportiert wird, wobei das Schmelzzonen- bahn transportiert. Sie wird ersetzt durch Flüssigkeit volumen einer Seigerungsbahn gleich 1 der Konzentration C_p(n) aus der (n-l)-ten Seigerungsgesetzt wird, so daß / das tatsächliche _{bahn Der} Wert von C_m ist %±ü. . Die Linie b, c, Volumen des transportierten Materials ^ρι κ

angibt. 50 d, e, h gibt die Konzentration des Lösungsmittels in

Konzentration des gelösten Stoffes in der Flüssigkeit und im festen Teil wieder, wenn die g/ccm. Zone sich zu bewegen anfängt. Die Linie a, d, e, f, g

Konzentration des gelösten Stoffes in der zeigt diese Konzentrationen, nachdem die Zone das Flüssigkeit, die an der Vorderseite der Ende der Seigerungsbahn erreicht hat. Dadurch wird Anlage in die «-te Seigerungsbahn eintritt. 55 im Effekt erreicht, daß der von der Fläche a, b, c, d Konzentration des gelösten Stoffes in der dargestellte Teil des gelösten Stoffes aus dem ProFlüssigkeit, die die n-te Seigerungsbahn duktstrom in den Abfallstrom übergeführt wurde auf der Vorderseite der Anlage, d. h. im (s. auch Fig. 1). Während der Abfallstrom-Verschie-Produktstrom, verläßt. bung wird das Gebiet/ f, g, k in die (n—l)-te Seige-

Konzentration des gelösten Stoffes im 60 rungsbahn (als CV_(n)) transportiert und durch die Abfallstrom, der die n-te Seigerungsbahn Fläche/ e, h, k (als C_M,_(n+u) ersetzt.

Die Zone wirkt also dadurch, daß innerhalb der Zone ein Ausgleich stattfindet, wie dies auch in »Principels of Zone Melting« von W. F. P f a η η (Trans. AIME, 194, 74 [1952]) beschrieben ist.

Man sieht, daß der beschriebene Umlauf einen Dauerzustand darstellt, vorausgesetzt, daß ein Verhältnis ic zwischen den Flüssigkeiten in aneinander-

auf der Rückseite der Anlage verläßt.
Konzentration des gelösten Stoffes in dem in die n-te Seigerungsbahn eintretenden Abfallstrom. . Seigerungskoeffizient.
Länge einer Seigerungsbahn in Zonenlaufrichtung.

grenzenden Seigerungsbahnen besteht. Diese Bedingung trifft zu, wenn / = 1 ist.

Aus F i g. 4 ist zu sehen, daß das Material zwischen der ersten und letzten Position der Zone nichts zum Verfahren beiträgt. Im Prinzip ist also nur eine Seigerungsbahn der doppelten Zonenlänge erforderlich. Wenn jedoch die beiden Endpositionen der Zone gleichzeitig geschmolzen sind, und normalerweise auch in praktischen Fällen, wenn nur eine Zone benutzt wird, ist es erforderlich, einen neutralen Teil von mindestens einer halben Zonenlänge zwischen beiden Endpunkten des Zonenweges zu gewährleisten, um eine Vermischung von Produkt- und Abfallstrom zu verringern.

Die im Zonenschmelzverfahren betriebene Anlage ergibt bei einem Wert / = 1 einen Reinigungsgrad, der etwa mit der Endverteilung verglichen werden kann, die sich beim üblichen partieweisen Zonenraffinationsbetrieb ergibt, wenn hierzu eine Vorrichtung gleicher Größe benutzt wird, deren in Zonenlängen gemessene Länge etwa gleich der Anzahl der Steigerungsbahnen N ist und. deren Zonenbreite etwa gleich der Seigerungsbahnlänge der Querflußanlage mit Rückfluß ist. Der erzielbare Trenngrad mit letzterer kann aber vergrößert werden, wenn nur ein Bruchteil / kleiner als eins weitertransportiert wird. Hierzu folgendes: Mit der Verkleinerung von / unter den Wert 1 wird erreicht, daß das Konzentrationsgefälle längs jeder Seigerungsbahn der Anlage vergrößert wird. Für sehr kleine Werte von / kann es wünschenswert sein, die Seigerungsbahnlänge zu vergrößern. Im allgemeinen wird das Trennverhältnis G nicht wesentlich von diesem Konzentrationsgefälle beeinflußt, wenn die Werte von f größer als ungefähr 0,1 sind und zwei bis drei Zonenlängen festes Material zwischen den beiden Zonen-Endpositionen vorhanden sind. Dies ist im folgenden Beispiel gezeigt.

Beispiel 1

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Es sei angenommen, daß k = 0,5 und die Zonenlänge / gleich 1 ist. Aus Gleichung (5 b) folgen B= +1,2 und e = 36,6. Ist die Anzahl der Zonenlängen gleich 4 in einer Seigerungsbahn der Länge L und ist / = 0,5, so ergibt sich nach Einsetzen in Gleichung (4):

0,5 (0,5 · 36,6) + (0,5)
0,5 (0,5-36,6)+ 36,6 (0,5)

= 0,32.

Dieselbe Rechnung für eine Seigerungsbahnlänge von L = 10 ergibt einen Wert f· = 8100, so daß sich G = 0,333 ergibt. Daraus geht hervor, daß / = 0,5 der Wert von G von der Seigerungsbahnlänge weitgehend unabhängig ist, wenn L gleich oder größer als 4 ist.

Die nachstehende Tabelle gibt die Verbesserung im Trennverhältnis zwischen einander angrenzenden Seigerungsbahnen wieder, die sich bei Verminderung des Wertes / ergeben. Es ist dabei die Annahme gemacht, daß die Seigerungsbahn ausreichend groß ist, so daß dieser Wert das Trennverhältnis G nicht wesentlich beeinflußt. Eine Seigerungsbahnlänge, die dieser Forderung genügt, liegt etwa bei fünf Zonenlängen.

/ 1.0 0,50 0.33 0,25 0,20 0,11
G 0.50 0.33 0.25 0.20 0.167 0.10

Gewisse der in einer Querflußanlage mit Rückfluß wesentlichen Konzentrationen sind in F i g. 5 gezeigt. Die dargestellte Anlage besteht aus einem Behälter 70, der in fünf Seigerungsbahnen 71 bis 75 durch Zwischenwände 76, die mit Öffnungen 77 und 78 versehen sind, unterteilt ist. Der geschlossene Umlaufweg ist durch die gestrichelten Linien 79 und

82 angedeutet, die die Öffnungen 80 und 81 bzw.

83 und 84 verbinden. Alle Seigerungsbahnen sind vier Zonenlängen lang. Die in der Figur gemachten Zahlenangaben bezeichnen die relative Konzentration in der Flüssigkeit am Anfang und am Ende jeder Seigerungsbahn gerade, nachdem die Zone das Ende der Seigerungsbahn erreicht hat. Der Bezugspunkt ist die Zonenposition, die der Öffnung 83 entspricht. Die Tatsache, daß die Konzentration in der ersten Zonenposition jedes Abschnittes mit der der letzten Zonenposition jedes folgenden Abschnitts übereinstimmt, gibt an, daß C_pM = C₁^₁₁) ist und daß zwischen C^_n+1) und C_p(n) das gleiche Verhältnis G besteht, und zwar ebenso wie längs einer betrachteten Seigerungsbahn zwischen C^_n+1), der mittleren Konzentration in der ersten Zonenlänge, und C_W(B), der Konzentration in der letzten Zonenlänge. Da G kleiner als k ist, unterscheiden sich die Endkonzentrationen in einer betrachteten Seigerungsbahn um mehr als das Verhältnis k.

Die Konzentrationen des gelösten Stoffes in den festen Teilen zwischen den beiden Endpunkten des Zonenweges in einer Seigerungsbahn sind nicht angegeben, da sie sich während des Umlaufs nicht verändern.

Wenn t in Gleichung (4) groß gegenüber den anderen Werten ist, was normalerweise der Fall ist, dann ist G in guter Näherung durch den folgenden Ausdruck gegeben:

fkf 1 — fc

G = -τ- = 1 + -LJ?-. (4a)

J t\r Γ I^ ^ 1 t*ß C "J

Die Beziehung zwischen Cp, C_w und der mittleren Konzentration C₀ für eine Betriebsbedingung entsprechend/= 1, so daß G = k ist, wird wie folgt bestimmt: Entsprechend dieser Annahme ist die Beziehung C_P und der mittleren Ausgangskonzentration C₀ dadurch gegeben, daß die Mengen des gelösten Stoffes in den verschiedenen Seigerungsbahnen addiert werden. Unter Verwendung der bekannten Summenformel für geometrische Reihen ergibt sich

*~p — M) Tr '

— c k

~^N

wobei T die Zonenlänge pro Seigerungsbahn angibt.

Gleichung (6) ist exakt. Für / kleiner ais 1 kann k durch G ersetzt werden. Die solcherart substituierte Gleichung (6) ist eine brauchbare erste Näherung.

Fi g. 6 zeigt eine schematische Ansicht einer Produktanreicherungsstufe. Diese Stufe kann eine vollständige Anlage oder Teil einer zweistufigen Anlage sein. Es ist ein Behälter 90 vorgesehen, der in Seigerungsbahnen 91 durch Trennwände 92 aufgeteilt ist. Jede Trennwand hat eine Produktstromöffhung 93 und eine Abfallstromöffnung 94. Die (nicht dargestellte) Heizung erzeugt eine Schmelzzone oder Schmelzzonen entsprechend den dargestellten Zonenposi-

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tionen 95 und 96. Im Betrieb wird Ausgangsmaterial der Zusammensetzung C_f durch die öffnung 98 eingeleitet. Sind die Teile 95 und 96 geschmolzen, beginnt eine Materialverschiebung bei der öffnung 98 und läuft dann entgegen dem Uhrzeigersinn weiter durch die öffnungen 93 und die öffnung 99, von wo ein bestimmter Anteil Produkt 103 entnommen wird, während der Rest über das Rohr 100, die öffnung 101, die öffnung 94 aus der öffnung 102 ausfließt. Wenn die beschriebene Stufe als komplette Anlage arbeitet, wird eine gewisse Menge Abfallmaterial bei 102 entnommen und der Rest über ein nicht gezeigtes Rohr über die öffnung 98 wieder eingeführt. Ist die gezeigte Stufe ein Teil einer zweistufigen Anlage, so tritt das aus öffnung 102 austretende Material in eine Säuberungsstufe entweder direkt oder über eine noch zu beschreibende Mischstufe ein, zirkuliert durch die Säuberungsstufe, aus der dann Abfallmaterial in einer Menge entnommen wird, die kleiner als die Querflußmenge ist, und durchläuft mit dem übrigen Teil die Säuberungsstufe ganz, um dann über die öffnung 98 wieder in die Anreicherungsstufe einzutreten.

Gleichgültig, ob die Stufe nun als vollständige Raffinationsanlage oder als Teil einer zweistufigen Anlage arbeitet, ist der durch die öffnungen 93 laufende Teil gleich (p + /). Der bei 103 entnommene Teil ist dann p. Der übrige Teil / wird dann über die öffnung 101 in den Abfallstrom in die JV-te Seigerungsbahn wieder eingeführt, so daß die im Abfallstrom transportierte Menge / ist.

Die grundlegenden Gleichungen für die Anreicherungsstufe sind im folgenden angegeben. Dabei werden außer den bereits genannten die folgenden Symbole benutzt:

in guter Näherung erhalten. Dieser Ausdruck entspricht Gleichung (4a), nur daß / durch ρ + f, die im Produktstrom der Anreicherungsstufe transportierte Menge, ersetzt ist.

Da die in den beiden Strömen übertragenen Mengen ungleich sind, gilt Cp₀₀ = C_W(B) nicht mehr, da dieses nur bei vollständigem Rückfluß zutraf. Hierfür ist zu setzen:

P+f

woraus sich ergibt

^Cw(n) — —J «-pin)— /·

(10)

nil

(II)

Daraus ergibt sich das Reinigungsverhältnis a mit Gleichung (8) zu

und die Konzentration im Abfall ß' zu

' _ ^C'w _ f + P P _CN

C_F f f

(12)

(13)

Es soll erwähnt werden, daß durch Gleichung (9) eine Mindestgröße des Rückflusses gefordert wird. Diese Mindestgröße des Rückflusses tritt bei G_E — 1 auf, was eintritt, wenn

. _ P+f

Cp = Konzentration des zugeführten Materials,

die gleich C_p(I) ist;
Cn = Konzentration des Abfallmaterials, die

gleich C_w(1) ist.

In diesem Fall ist der transportierte Teil im Produktstrom größer. Das Verhältnis der Konzentrationen in benachbarten Seigerungsbahnen im Produktstrom ist deshalb:

Gp(sr+D _ _r ,„>

^CP(n)

wobei der Index E auf die Anreicherungsstufe Bezug nimmt.

Gp ist gegeben durch

Wird das Rückflußverhältnis als

G,

(9)

Der Ausdruck G_E ist nur eine Annäherung, da zu ihrem Erhalt angenommen wurde, daß

- w(n)

C_p(„) — Cp C_p(tt)

in guter Annäherung ist, wenn der gelöste Stoff nur in kleineren Mengen vorhanden ist.

Wie bei der Partie-Raffinationsanlage wird G,., wenn ι- in Gleichung (9) groß gegenüber den anderen Werten ist, durch die Gleichung

(P+J)

k(p+J)

^(9a) (14)

Tp-hr ^definiert>

folgt, daß die Mindestgröße des Rückstroms sehr klein gemacht werden kann, wenn ? sehr groß ist. Da ε exponentiell mit der Seigerungsbahnlänge L wächst, ergibt schon eine kleine Vergrößerung von L eine große Verkleinerung des Mindestrückflußverhältnisses.

Fi g. 7 zeigt eine Säuberungsstufe (im Sinne einer Abfallanreicherungsstufe), die wie die Stufe nach F i g. 6 allein oder in Verbindung mit einer komplementär wirkenden Stufe, in diesem Fall eine Produktanreicherungsstufe nach F i g. 6, arbeiten kann. Diese Stufe hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die Stufe nach Fi g. 6 und weist einen Behälter 110 auf, der durch Trennwände 112 in Seigerungsbahnen 111 unterteilt ist. Jede der Trennwände 112 hat öffnungen 113 und 114. Heizkörper (nicht dargestellt) erzeugen die entsprechenden Schmelzzonen in jedem der Seigerungsbahnen 111, nämlich die Zonen 115, die der Anfangsposition entsprechen, und die Zonen 116, die der Endposition entsprechen. Das Ausgangsmaterial, das ein Endmaterial der Vorrichtung nach F i g. 6 sein kann, tritt durch die öffnung 117 in die Säuberungsstufe, läuft durch die öffnungen 114 und verläßt die Stufe durch die öffnung 118. Hier wird ein bestimmter Teil des Materials 119 und das übrige Material wird in die Stufe über den Weg 120 und die öffnung 121 wieder eingeführt. Die nachfolgende Materialverschiebungergibt einen Transport von links nach rechts durch die öffnungen 113 und aus der öffnung 112 heraus. Das bei 122 herauskommende Material kann über eine noch zu

13 14

beschreibende Mischstufe, z.B. nach Fig. 6, über wände 133 mit öffnungen 134 und 135 unterteilt

eine der öffnung 98 entsprechende öffnung eingeleitet ist. Der Produktausgang liegt bei 136, aus dem der

werden. Der Zweck der Säuberungsstufe besteht Produktstrom 137 entnommen wird, wobei diese

darin, das gelöste Material zu konzentrieren, ehe öffnung 136 mit dem Eingang 138 über ein Rohr

es als Abfall entfernt wird. In den folgenden Gleichun- 5 139 od. dgl. verbunden ist. Material, das in die rechte

gen wird der im Abfallstrom, d. h. im Strom durch Stufe 130 durch die öffnung 138 eintritt, erzeugt

die öffnungen 114 transportierte Materialanteil mit eine Materialverschiebung durch die öffnungen 135

w + f (volumenmäßig) bezeichnet. Der im Produkt- und aus der öffnung 140 heraus. Den Abfallstrom

strom, d.h. durch die öifnungen 113 transportierte durch die öffnung 140 verlassendes Material wird

Materialanteil ist dementsprechend gleich /. Die io über die öffnung 142 in eine Mischkammer 141

Gleichungen für diese Stufen sind dann: eingeleitet. Hier wird eine bestimmte Menge Material

w zu einer bestimmten Menge / von aus der Anreiche-

i w — ι »(η) _ ./ ,J5J rungsstufe kommendem Material gemischt. Die Ge-

Cw — C_p(n) f+w samtmenge (/ + w) verläßt die Mischkammer 141

15 durch die öffnung 143 und wird in die Säuberungs-

Die einzelnen Seigerungsbahnen sind mit 1 bis N stufe 144 durch die öffnung 145 geleitet. Die Säube-

beziffert, wobei die Bezifferung am Abfallausgang rungsstufe 144 entspricht der nach Fig. 7 und

beginnt. besteht aus dem Behälter 145 und Zwischenwänden

Also 146, die je mit öffnungen 147 und 148 versehen

r — r (\\ (16) ²⁰ sind. Die durch die öffnung 145 eingeführte Material-

^w ~ ¹^ ' menge (/ + w) erzeugt eine Materialverschiebung

C_F = C₁₁₁(JV₊D (17) von rechts nach links durch die öffnungen 147

„, _ _r ,<_R> und einen Austritt des gleichen Volumens aus der

^Lp - ^cpw+i)' ^llöJ öffnung 149. Das bei 149 austretende Material

wobei JV die Anzahl der Seigerungsbahnen ist. Die 25 wird in Abfall (Menge w), der bei 150 entnommen Abfallkonzentration C_w ergibt sich aus wird, und in eine Menge / aufgeteilt, die über den

Weg 151 durch die öffnung 152 wieder in Umlauf

, _ C_w _ w + f g. gegeben wird, wodurch eine Materialverschiebung

^ ~ C^ ~ vv + J'Gs ^{von nn}ks nach rechts durch die öffnungen 148

30 und die öffnung 153 erzeugt und anschließend

Die Produktkonzentration C'_P ergibt sich aus diese Menge / über die öffnung 154 in die Mischkammer 141 geleitet wird. In der Mischkammer C f + w 141 wird das aus der Säuberungsstufe austretende

^a ~~ ~c7 ~ / + wG~5' Material der Menge / um eine Menge g des Zu-

35 führmaterials erhöht, wodurch eine Gesamtmenge

Das Verhältnis G_x ergibt sich aus der transpor- (p + /) die Mischkammer 141 durch die öffnung tierten Menge im Produktstrom und betrifft nur 155 verläßt und durch die öffnung 156 in die Andiesen Strom. · reicherungsstufe 130 eingeleitet wird. Durch die

öffnung 157 wird Zuführmaterial in der Menge

Q — _r_p("⁺¹>_ (21) 40 (p + w) pro Umlauf in die Mischkammer 141 ein-

C_Pn geleitet. Der Einfachheit halber sind in Fig. 8

Pumpen, Ventile, Heizkörper, Schmelzzonen u. dgl.

q_{s Ä} : . (22) nicht eingezeichnet.

1 .ι. ^ ~ ^ Da die Gesamtmenge des gelösten Stoffes gleich-

kf 45 bleiben muß, kann gezeigt werden, daß das Verhältnis der Ströme ρ und vv gegeben ist durch
Die Gleichung (22) beruht auf einer Annäherung,

wie diese bereits in Verbindung mit den Gleichungen P_ _ ß ~ 1

(4 a) und (9 a) besprochen wurde. Bei dieser Verein- vv 1 — a '

fachung ist angenommen, daß ε größer als die anderen 5°

Zahlenwerte ist, d. h. größer als jeder der Werte /, Wenn Produkt- und Abfallstrom wie beschrieben

vv oder k. Diese Annahme kann auch bei kleinen gesteuert werden, herrscht in der Mischkammer Transportmengen als genau betrachtet werden, wenn eine mittlere Konzentration C_F. Wie bei der Destildie Seigerungsbahnlängen ungefähr vier oder fünf lation und anderen Durchlaufverfahren ergibt diese Zonenlängen entsprechen. 55 Bedingung, durch die die innere Konzentration

Die Ausdrücke α bei der Säuberungsstufe und gleich der Konzentration im zugeführten Frisch-/f bei der Anreicherungsstufe werden zweckmäßiger- material an der Einleitstelle ist, den wirtschaftlichsten weise in den entsprechenden Gleichungen benutzt, Betrieb.

so daß diese Gleichungen mit jenen übereinstimmen, Die oben abgeleiteten Gleichungen betreffen den die für die zweistufige Raffinationsanlage nach Fi g. 8 60 stationären Betriebszustand. Faktoren, wie die zu gelten. verarbeitende Materialmenge und die Anlaufzeit,

■ Fig. 8 zeigt schematisch eine zweistufige Quer- können bei der Konstruktion einer Raffinationsflußzonenraffinationsanlage mit Rückfluß für Durch- anlage ebenfalls berücksichtigt werden. Unter diesen laufbetrieb. Die transportierten Mengen sowie Pro- Gesichtspunkten kann es wünschenswert sein, verdukt- und Abfallkonzentrationen stimmen mit denen ⁶5 änderliche Rückflußverhältnisse zu benutzen, wobei der F ig. 6 und 7 überein. Die rechts angebildete diese Verhältnisse mit wachsender Entfernung vom Anreicherungsstufe 130 weist einen Behälter 131 Einleitungspunkt reduziert werden. Es kann ebeniiuf, der in Seigerungsbahnen 132 durch Zwischen- falls wünschenswert sein, die Anreicherungsstufe in

15 16

eine Anzahl Abschnitte mit verschiedenen Quer- wird von der öffnung 197 über das Rohr 199 in die

schnitten und verschiedenen Rückflußverhältnissen öffnung 198 wieder eingeführt,

aufzuteilen. Solche Gesichtspunkte entsprechen den Bisher erfolgte die Erläuterung an Hand von

von anderen Durchlaufverfahren, wie Destillation, Erstarrungsfrontbewegungen, die durch Schmelzzonen

her bekannten. Solche Konstruktionseinzelheiten sind 5 erzeugt wurden. Eine Heizkörperanordnung, die eine

auch in der Literatur bereits besprochen, z.B. in solche Bewegung hervorruft, ist in Fig. HA bis

HD gezeigt. Hiernach werden die Heizkörper 210

of Modern Physics, 8 151 (1946) und _{fa dig der ünschten} Geschwindigkeit der

b) M. Benedict.Multistage Separation Processes, ~ ° . . , °. . _,. _t1 . . %. .

Trans A I Ch E 43 (2\ S 41 bis 60 Π 9471 ^{Zone ents}P^{richt Die m Fl}-S- ^11A gezeigte Situation

Irans. A. 1-Cn. to, 43 (2), t>. 41 bis 60 (1947). entspricht dem Zeitpunkt, in dem der beschriebene

Eine besondere Situation für die Querflußraffina- Querfluß zu Materialtransportzwecken erfolgt. Wenn tion mit Rückfluß ergibt sich, wenn / kleiner als 1 der Heizkörper 210 von links nach rechts bewegt ist. Entsprechend den bereits abgeleiteten Gleichun- 15 wird, ergeben sich die in Fig. HB und 11C gegen ist dann G kleiner als k, wenn k selbst kleiner zeigten Stadien. Wenn die Schmelzzone 212 das als 1 ist, so daß das Konzentrationsverhältnis G Ende der Bahn erreicht, werden die Heizkörper zwischen den gegenläufigen Strömen in einem Ab- schnell in die in Fig. 11D gezeigten Positionen schnitt kleiner als der Seigerungskoeffizient für die zurückgeführt, wobei sich die Schlußzonen 214 und beiden Phasen im Gleichgewicht ist. Die sich bewegen- 20 212 ergeben. Der Querfluß wird dann erzeugt und den Zonen transportieren den gelösten Stoff deshalb der Zyklus wiederholt.

gegen ein Konzentrationsgefälle und erzeugen damit Eine andere Möglichkeit, die Heizkörper zu be-

ein Konzentrationsverhältnis zwischen den gegen- treiben, besteht darin, den Heizkörper 211 immer

läufigen Strömungen in einem bestimmten Abstand, in der in Fig. 11A gezeigten Stellung zu belassen,

Has pröRpr ak ¹ ict ²5 ^den Heizkörper 210 dann langsam zu bewegen, bis

aas grouer ais _T isi. _er ^ _{dem Heizkörper 2}\\ zusammentrifft, sodann

F i g. 9 zeigt eine zweistufige Querflußraffinations- den Heizkörper 210 schnell in die Ausgangsstellung

anlage mit Rückfluß für Durchlaufbetrieb als Alter- zurückzubringen, den Querfluß zu erzeugen und

native zu der Anordnung nach Fig. 8. Hiernach den Zyklus zu wiederholen.

ist der Behälter 160 in Seigerungsbahnen 161 durch 30 Bei der in den Fig. 12A und 12D gezeigten Zwischenwände 162, die je mit öffnungen 163 und Methode wird zum Teil mit normaler Erstarrung 164 versehen sind, unterteilt. Eine Bahn 165, die statt mit Schmelzzonen gearbeitet. Hierzu werden schraffiert gezeichnete, wird durchgehend geschmol- zwei Heizkörper 220 und 221 benutzt, die etwa die zen gehalten. Sie wirkt ähnlich wie die Mischkammer gezeigte Form haben. In Fig. 12A ist das gesamte 141 nach Fig. 8 und trennt die Anreicherungsstufe 35 Material 222, das in der Seigerungsbahn 223 ent- 166 von der Säuberungsstufe 167. Die Frischmaterial- halten ist, geschmolzen. Eine gleichmäßige Bewegung zufuhr erfolgt in die Mischkammer 165 durch die des Heizkörpers 220 ergibt eine entsprechende BeÖffnung 168. Produkt und Abfall werden durch die wegung der Erstarrungsfront 224 durch die in den öffnungen 169 bzw. 170 entnommen. Die Ströme Fi g. 12B und 12C gezeigten Stellungen. InFi g. 12D 171 und 172 in der Anreicherungsstufe bzw. der 40 hat die Erstarrungsfront 224 ihre Endstellung er-Säuberungsstufe ergeben Rückflüsse von der öffnung reicht, und gleichzeitig wird nun ein Heizkörper 169 zur öffnung 173 bzw. von der öffnung 170 221 unter den Abschnitt 223 gebracht, so daß sich zur öffnung 174. Die weiteren Einzelheiten, wie eine zweite. Schmelzzone 225 ergibt. Zu diesem Pumpe, Schmelzzonen usw., sind nicht dargestellt. Zeitpunkt wird der beschriebene Querfluß erzeugt.

F i g. 10 ist eine Schrägansicht einer vollständig 45 Man sieht also, daß nach dieser Methode im Effekt geschlossenen zweistufigen Querflußraffinationsan- lediglich mit vertauschten Rollen gearbeitet wird, lage mit Rückfluß für Durchlaufbetrieb. Die gezeigte daß also eine feste Zone durch einen flüssigen Körper Vorrichtung arbeitet in der in Verbindung mit hindurchgeführt wird. Diese Methode kann alter-F i g. 8 und 9 beschriebenen Weise und besteht aus nativ zu der nach Fig. Π A bis 11 D benutzt werden, einem Behälter 180 mit einem Deckel 181 und Zwi- 50 Im allgemeinen wird aber die letztere bevorzugt, schenwänden 182, die mit öffnungen 183 und 184 da hier der Wärmebedarf geringer ist, besonders bei versehen sind und die Seigerungsbahnen 185 bilden. hochschmelzenden Materialien.
Streifenförmige Heizkörper 186 und 187 erzeugen In den folgenden Beispielen wird der Trenngrad die Schmelzzonen 188 und 189. Zwischen den Schmelz- und der Ausstoß berechnet, und zwar für eine Durchzonen liegen feste Zonen 190. Das Material in der 55 laufanreicherungsstufe (Beispiel 2), fur eine Durchlauf-Mischstufe 191 wird durch den Heizkörper 192 säuberungsstufe (Beispiel 3) und für eine zweistufige geschmolzen gehalten. Sind Heizkörper und Schmelz- Anlage (Beispiel 4).
zonen in den gezeigten Positionen, so wird von der

Pumpe 193 eine Materialverschiebung entgegen dem Beispiel 2
Uhrzeigersinn erzeugt und wird bei Zusatz einer 60

bestimmten Menge Frischmaterial durch das Rohr Gegeben sei eine Anreicherungsstufe wie nach

194 sowie bei einer in der zugeführten Menge gleichen- Fig. 6 mit N gleich vier Seigerungsbahnen der

den Gesamtentnahme von Produkt und Abfall durch Länge L gleich vier Zonenlängen /. Das Querfluß-

die Rohre 195 bzw. 196 aufrechterhalten. Nicht ent- volumen (/' + p) betrage 16,39 ecm im Produktstrom

nommenes Produkt wird über das Rohr 197 und 65 bei einem Produktvolumen von ρ = 8.195 ecm sowie

die Pumpe 193 wieder in Umlauf gegeben, wobei einem Rückflußvolumen /=8.195 ecm im Abfall-

das Rohr 197 die öffnungen 198 und 199 verbindet. strom; der Seigerungskoeffizient k sei 0.2. die Er-

Nicht durch das Rohr 196 entnommener Abfall starrungsfrontgeschwindigkeit r ungefähr 0.01 cm pro

17 18

Sekunde und die Zonenlänge / = 2,54 cm. Gesucht in der die Flüssigkeit von Seigerungsbahn zu Seige-

wird das Reinigungsverhältnis « = £, das An- rungsbahn weitertransportiert wird) ist die Durch-

^{6 b} C_F ' querungszeit ί der Erstarrungsfront, die gegeben ist

reicherungsverhältnis ß' = -^- und der Ausstoß an ^c

Produkt und Abfall. - e) t = — = „<_n._r = 750 see.

Das Verhältnis G_E ist

a)G^E =

1 +

1-fc

2,54 +

= 0,2.

2(16,39)

k(p+f)
Das Reinigungsverhältnis ist

b) α = ^- = σ]? = 0,2⁴ = 0,0016.

ν 01016

Der Produktausstoß pro Zeiteinheit ist
_Λ PV 8,195

= 109- 10"⁴ccm/sec

750

= 48,34 ccm/Std.
Die Abfallmenge pro Zeiteinheit ist proportional zu

Das Anreicherungsverhältnis ß' ist

f + P P ^ _{= 2}.

= 0,5,

^P - C -

P+f
d. h. gleich dem Produktausstoß.

Der Durchfluß ρ an Produkt pro Umlauf ist bei einem Zonenquerschnitt von einem Quadratzentimeter

d) pV= 8,195 ecm,

wobei V das Zonenvolumen von 2,54 ecm ist. Die Umlaufzeit (unter Vernachlässigung der kurzen Zeit, B ei s ρ i e 1 3

Gegeben sei das gleiche Material wie im Beispiel 2 für eine Säuberungsstufe mit JV gleich zwei Seigerungsbahnen und den Parametern: /=8,195 ecm und (/ + w) = 9,834ecm. Gesucht werden a, ß' und der Abfall- und Produktausstoß

G- =

a) a =

1 +

1 — k

2,54 + 0,8

= 0,11

+ w

(0,2) (8,195)
9,834

8,195+ (9,834-8,195) (0,1 r²)

= 0,07

f + w

9,834

(9,834-8,195) (8,195) (0,11)²

= 5,7,

Mit der gleichen Abschnittslänge L und Zonenlänge wie im Beispiel 2 ergibt sich der Ausstoß pro Zeiteinheit

d) Produktausstoß = 29,326 ccm/Std.

Abfallausstoß = 5,865 ccm/Std.

Beispiel 4

Mit demselben Grundmaterial wie in den vorherigen Beispielen, den gleichen Verhältnissen α und β für die Ausgangsmaterialien und den gleichen Transportmengen /, ρ und iv wird das Verhältnis der Zonenvolumina, die in der Anreicherungs- und der Säuberungsstufe benutzt werden, gesucht. Dieses Verhältnis ist von der Beziehung gegeben:

_C)L· "-¹

wo ρ und w das relative Transportvolumen pro Umlauf angeben.
Deshalb

5,7-1

Das Verhältnis -~, in dem ρ und w als die transportierten Bruchteile nach den Beispielen 2 und 3 für Zonen gleicher Größe ausgedrückt sind, war -^- = qj = 5, was fast gleich dem erforderlichen Volumenverhältnis von 4,7 ist. Entsprechend muß der Querschnitt einer einzelnen Zone der Anreicherungsstufe

auf -—.τ seines Wertes verkleinert werden. Dies kann

einfach dadurch erfolgen, daß die Füllhöhe entsprechend verkleinert wird. Bei der technischen Durchführung ist es normalerweise ausreichend, in der Anreicherungs- und Säuberungsstufe gleiche Zonenvolumina zu benutzen.

Der Einfachheit halber wurde das Verfahren an Hand nur einer kleinen Anzahl Vorrichtungsgruppen und an Hand einer gelösten Substanz mit einem Seigerungskoeffizienten von kleiner als 1 beschrieben. Jedoch sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So können die Materialtransportströme, die nicht unter einem Winkel von 180^c zu verlaufen brauchen, durch andere Hilfsströme, z. B. durch Schwerkraft, erzeugt werden. Andere Arten des Querflusses sind ebenfalls geeignet und sind eventuell vorzuziehen, z. B. kann das Material über die Trennwände hinweg statt durch entsprechende Öffnungen fließen, oder das Material kann in festem Zustand statt in flüssigem transportiert werden. Je nach den Eigenschaften des zu behandelnden Materials braucht die Arbeitsebene nicht horizontal oder vertikal zu liegen und braucht

809 S98/483

auch nicht während eines Umlaufs festzuliegen. Der Transport von Seigerungsbahn zu Seigerungsbahn kann auch dadurch erfolgen, daß das Material aus jeweils einer Seigerungsbahn herausgenommen und in die folgende gebracht wird, wobei man von Bahn zu Bahn gegen die Transportrichtung fortschreitet. Andere Abänderungen können ebenfalls benutzt werden.

Zum Beispiel wurde die Anlage nach F i g. 8 so beschrieben, daß die Zufuhr nur an einer Stelle erfolgte und eine Mischkammer vorgesehen war. Eine andere Möglichkeit ist, Material an zwei Stellen zuzuführen, und zv/ar jeweils an einem Ende einer Zwischenstufe. Bevorzugt ist es, die Zufuhr an derjenigen Stelle erfolgen zu lassen, an welcher die Konzentration im Strom gleich der Konzentration im zugeführten Material ist.

Obwohl die Gleichungen für die Verfahrensalternative nach den Fig. 12A bis 12D nicht abgeleitet · sind, können die angegebenen Formeln als erste Näherung auch für diese Betriebsweise genommen werden.

Die Beschreibung ist nur vorwiegend auf feste Körper und Transport flüssiger Teile oder Flüssig-Fest-Grenzflächen abgestellt worden, es kann aber zumindest die Form, in der das zu behandelnde Material in die Anlage eingeführt wird, körnig oder irgendeine andere Form sein, die normalerweise nicht unter der Bezeichnung Körper verstanden wird.

Claims (9)

.30 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 wird, wobei man ferner eine Mehrzahl solcher Bahnen, parallel geschaltet, ausschließlich zur Seigerung und die sich entsprechenden Enden der Seigerungsbahnen, untereinander verbunden, als Materialtransportwege benutzt, weichen derart gegebenen Wegen, entsprechend einer Entnahme von behandeltem Gut auf ihrer einen Seite, zu behandelndes Gut auf ihrer anderen Seite zugeführt wird, nach Patent 1242 564, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des von jedem Materialtransportweg entnommenen Guts über den jeweils anderen der Materialtransportwege wieder in Umlauf zurückgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ganze, jeden Materialtransportweg verlassende Materialvolumen über den jeweils anderen der Materialtransportwege wieder in Umlauf zurückgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Guts als das fertigbehandelte Material am Ende zumindest eines der Materialtransportwege entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil des behandelten Guts vom zu den Anfängen der Seigerungsbahnen benachbarten Material transportweg entnommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Teil des behandelten Guts vom zu den Enden der Seigerungsbahnen benachbarten Materialtransportweg entnommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des behandelten Guts am Ende jedes der Transportwege entnommen wird, und zwar unter volumgleicher Zufuhr von zu behandelndem Gut in die Transportwege.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Gut in die Transportwege an einer Stelle eingeführt wird, die einer einzelnen Seigerungsbahn entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des zu behandelnden Guts an einem beide Transportwege verbindenden, geschmolzenen Bereich erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche Γ bis 8, bei dem die Transportwege flüssig sind und der Transport schubweise von Seigerungsbahn zu Seigerungsbahn erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest mit vier Seigerungsbahnen gearbeitet wird und daß die transportierte Materialmenge in jedem Transportweg kleiner ist als die an der entsprechenden Stelle jeder Seigerungsbahn vorhandene flüssige Materialmenge.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 769 673, 786 170,
171.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.

109 5M/413 S. 61 O Bundesdruckerei Berlin