DE1301918B - Chromatographische Trennsaeule - Google Patents

Description

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Das Patent 1 221 036 betrifft eine mit Trennmittel Konzentrationsfronten, wodurch der Trenneffekt der gefüllte und mit Umlenkelementen ausgestattete chro- Säule teilweise oder ganz aufgehoben wird, matographische Trennsäule, bei welcher die Umlenk- Gemäß Erfindung sind demgegenüber in der chro-

elemente so geformt und angeordnet sind, daß das matographischen Säule gruppenweise Umlenkele-Flüssigkeits- oder Gasgemisch abwechselnd aus der S mente in der Weise angeordnet, daß der Stoffstrom Richtung der Säulenachse zur Mitte der Säule und nach dem »Bündeln« durch ein ringförmiges Umnach außen hin strömt. Insbesondere sind in dieser lenkelement einen kurzen freien Mischraum passiert Trennsäule im Abstand voneinander senkrecht zur und anschließend durch ein »bremsendes« Umlenk-Säulenachse Umlenkelemente mit einer oder mehre- element, an dem ein gewisser Druckabfall eintritt, ren Durchtrittsöffnungen angeordnet, wobei auf ein io über den ganzen Querschnitt der Säulenpackung zuim Bereich der Säulenmitte für das strömende Me- rück verteilt wird. Durch das Bündeln des Materialdium durchlässiges Element jeweils ein anderes folgt, stromes wird der schneller wandernde Materialstrom dessen Durchtrittsöffnungen mit denen des ersten aus dem Wandbereich der Säule in die Mitte gezwunsenkrecht nicht fluchten. So können beispielsweise in gen und damit die Ausbildung einer gewölbten Front der Trennsäule abwechselnd flache Ringe und kreis- 15 verhindert; gleichzeitig findet eine radiale Durchförmige Scheiben angeordnet sein, um die radiale mischung und Ausgleichung statt, die in dem folgen-Durchmischung des Stromflusses beim Durchströmen den kurzen freien Mischraum verstärkt wird, ohne der gepackten chromatographischen Säule zu erhö- daß eine Vermischung der bereits gebildeten Konzenhen. Dabei hat sich gezeigt, daß derartige Umlenk- trationsfronten eintritt. Das letzte Element jeder elemente dem durch die Trennsäule strömenden Ge- 20 Gruppe von Umlenkelementen sorgt für eine gleichmisch zusätzlich eine zur Säulenachse senkrechte mäßige Rückverteilung des Stoffstromes über den Strömungskomponente aufzwingen, wodurch die gesamten Säulenquerschnitt, wodurch eine Auskeh-Trennwirkung einer solchen Säule mit verhältnis- lung des Trennmittels im mittleren Bereich der Säule mäßig großem Durchmesser im Vergleich zu einer sicher verhindert wird.

Trennsäule ohne diese Umlenkelemente ganz erheb- 25 Der nicht mit Trennmittel gefüllte Raum zwischen lieh gesteigert wird. den Umlenkelementen hat die Form einer flachen

Mit der vorliegenden Erfindung wird nun eine Scheibe; er darf jedoch in Säulenrichtung nicht so Weiterbildung und Verbesserung der chromatogra- lang sein und darf nicht ein so großes Volumen phischen Trennsäule gemäß Hauptpatent vorgeschla- haben, daß sich die einzelnen Bestandteile des in der gen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß in an 30 vorhergehenden Trennmittelzone bereits aufgetrennsich bekannter Weise Gruppen von mehreren, vor- ten Stoffgemisches, d. h. die sich in Säulenrichtung zugsweise zwei oder drei Umlenkelementen in der fortbewegenden Konzentrationsfronten, in dem Säule vorgesehen sind, die jedoch jeweils in geringem Mischraum wieder miteinander vermengen. Ein zu Abstand voneinander angeordnet sind, daß der freie großes Volumen und eine zu große Länge des Misch-Raum zwischen den Elementen nicht mit Trennmittel 35 raumes machen die gesamte oder zumindest einen gefüllt ist und innerhalb jeder Gruppe jeweils Um- Teil der in der vorhergehenden Trennzone erreichten lenkelemente aufeinanderfolgen, deren Aus- und Auftrennung wieder zunichte. Die optimale Größe Eintrittsöffnungen in Richtung der Säulenachse nicht des Mischraumes hängt von der Säule, den Betriebsmiteinander fluchten und das in Strömungsrichtung bedingungen und dem aufzutrennenden Stoffgemisch letzte Umlenkelement jeder Gruppe Durchtrittsöff- 40 ab. Bei einer Säule mit 10 cm Durchmesser haben nungen außerhalb des Bereiches der Säulenachse auf- sich z. B. axiale Abstände von etwa 1,5 bis 3 mm weist. bewährt.

Die besondere Schwierigkeit bei Säulen für die Durch die von den Umlenkelementen gebildeten

präparative Chromatographie liegt darin, daß sich Mischräume wird es möglich, bei einer Trennsäule eine gewölbte Gas- oder Flüssigkeitsfront ausbildet, 45 gemäß der Erfindung bei gleichem Querschnitt und weil das Stoffgemisch den Wandbereich der Säule gleicher Länge im Vergleich zur Säule gemäß Hauptschneller passiert als den mittleren Bereich. Man hat patent eine bessere Trennwirkung zu erhalten. Zur versucht, dem dadurch zu begegnen, daß man in die Erzielung der gleichen Trennwirkung bei gleichen Säule Umlenkelemente einsetzt, die in gewissen Ab- Betriebsbedingungen reicht andererseits eine kürzere ständen eine Verengung des Säulendurchmessers be- 50 Säule aus, da das Höhenäquivalent der theoretischen wirken und dadurch das Stoffgemisch in den mittleren Böden (HETP-Wert) niedriger ist. Bereich der Säule zwingen. Diese Versuche haben zu Die Umlenkelemente sind in der Trennsäule quer

keinem Erfolg geführt, was darauf zurückzuführen ist, zur Hauptströmungsrichtung in geringem Abstand daß im mittleren Bereich der Säule eine Auskehlung voneinander gruppenweise angeordnet, so daß die durch den Materialstrom eintritt. Es ist ferner be- 55 Trennsäule in eine Reihe von hintereinanderliegenden kann, Umlenkelemente gruppenweise in einer chro- Trennzonen aufgeteilt wird. Dabei soll die Kombimatographischen Säule anzuordnen, wobei jede nation von Umlenkelementen eine radiale DurchGruppe für das Stoffgemisch eine mittlere Eintritts- mischung und eine Querströmung des Materialstro- und eine mittlere Austrittsöffnung aufweist, die durch mes in der Packung der Säule bewirken. Eine Gruppe einen freien Mischkanal miteinander verbunden sind, 60 von Umlenkelementen gemäß Erfindung besteht demdessen Länge ein Mehrfaches des Säulendurchmes- gemäß aus einem ersten Umlenkelement, das eine sers beträgt. Diese vorbekannte Anordnung von Um- radiale Strömungsrichtung induziert, einem freien lenkelementen hat den gleichen Nachteil wie die Mischraum sowie einem weiteren Umlenkelement, bereits obenerwähnten einfachen ringförmigen Um- das den radial durchmischten Materialstrom in das lenkelemente, d. h., es tritt eine Auskehlung im mitt- 65 Trennmittelbett der Säule zurückverteilt. Das Umleren Bereich der Trennmittelpackung ein. Darüber lenkelement zur Bewirkung der radialen Durchhinaus beobachtet man bei Verwendung eines länge- mischung des Materialstromes in der Säule ist oberren freien Mischraumes eine starke Vermischung der halb des Umlenkelementes zur Zurückverteilung

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angeordnet. Vorzugsweise ist dieses Durchmischungs- Trennmittelpackung zurück. Das Durchmischungs-

element ringförmig bzw. scheibenförmig mit Mittel- element zusammen mit dem Mischraum zwischen den

öffnung ausgebildet. In diesem Fall wird das durch Elementen erlaubt das Durchmischen des Stoffge-

die Säule strömende Material gezwungen, zumindest misches sowie das ungehinderte Weiterströmen des

teilweise und bei einem ringförmigen Umlenkelement 5 radial gemischten Stoffgemisches zu den Durchtritts-

größtenteils senkrecht zur Hauptströmungsrichtung öffnungen des Rückverteilungselementes. Bei einer

an dem Umlenkelement entlang und dann durch die bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird

mittleren Durchtrittsöffnungen hindurch zu strömen. das radiale Vermischen durch ein ringförmiges EIe-

Ein solches scheibenförmiges Umlenkelement erlaubt ment und die Rückverteilung durch eine Siebplatte

demgemäß eine vollständig radiale Durchmischung io bewirkt.

des gesamten durch die Säule strömenden Stoffge- Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfinmisches. Die Durchtrittsöffnung des Umlenkelemen- dung sollen die Zeichnungen dienen. Es zeigt
tes zur radialen Durchmischung soll nur eine geringe Fig. 1 eine Ansicht, zum Teil im Schnitt, einer axiale Länge aufweisen, um jede laminare Strömung Trennsäule gemäß Erfindung mit zwei nahe beieindes Gemisches durch die Durchtrittsöffnung zu ver- 15 ander angeordneten Umlenkelementen ohne Trennhindern. Flache, dünne, scheibenförmige Umlenkele- mittel zwischen den Elementen,
mente werden bevorzugt, da sie eine radiale Durch- Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch eine mischung des Stoffgemisches bewirken und nur eine Trennsäule ähnlich F i g. 1,

sehr geringe Verweilzeit in der Durchtrittsöffnung des F i g. 3 bis 8 vergrößerte Teilschnitte von anderen

Umlenkelementes gestatten. 20 Zusammenstellungen der Umlenkelemente,

Obgleich ein scheibenförmiges Umlenkelement zur Fig. 9 bis 12 Ansichten von verschiedenen Umradialen Durchmischung bevorzugt wird, weil es eine lenkelementen gemäß Erfindung,
vollständige Durchmischung des Stoffgemisches in Die chromatographische Säule der Fig. 1 besteht einer Durchtrittsöffnung ermöglicht, sind auch andere aus einer zylindrischen Säule 12 mit einem Einlaß 16 Umlenkelemente, wie z. B. Siebplatten mit einer An- 25 und einem Auslaß 18, wobei die Säule mit Trennzahl von Durchtrittsöffnungen, verwendbar. Eine material 14 für die chromatographische Auftrennung Siebplatte ermöglicht zwar nur eine begrenzte örtliche eines Stoffgemisches gefüllt ist. Als Trägersubstanz radiale Durchmischung, da der auf die Siebplatte können dabei z. B. Helium, Stickstoff, Argon, Wassertreffende Materialstrom nur eine geringe Entfernung stoff. Methan, Wasserdampf od. dgl. dienen. Das norin Querrichtung bis zum Erreichen der nächsten 30 malerweise verwendete Trennmaterial 14 besteht aus Durchtrittsöffnung zurücklegen muß. Zum Erreichen einem feinverteilten Feststoff mit einer flüssigen einer vollständigen radialen bzw. lateralen Durch- Phase an der Oberfläche. In dem Trennmittel 14 sind mischung des Stoffgemisches in einer Säule müssen in der gezeigten Trennsäule quer zur Hauptströdeshalb eine Anzahl von Siebplatten verwendet wer- mungsrichtung des Stoffgemisches und damit senkden, um zu erreichen, daß das an einer Seite der 35 recht zur Achse der Säule 12 in bestimmten AbSäule strömende Stoffgemisch die Säule quer passiert ständen jeweils zwei Umlenkelemente, nämlich ein und — zumindest theoretisch — diese an der gegen- ringförmiges Element 42 mit einer mittleren Durchüberliegenden Seite verläßt. Ein Siebplattenelement trittsöffnung 46 und eine Siebplatte 52 mit einer ist jedoch vielseitig, da es auch als Umlenkelement Vielzahl von über die ganze Fläche der Siebplatte zur Zurückverteilung des Stoffgemisches sowohl 40 verteilten Durchtrittsöffnungen 54 (vgl. Fig. 10) anoberhalb als auch unterhalb des Elementes zur radia- geordnet, wobei die beiden Elemente an ihrem Umlen Durchmischung eingesetzt werden kann. Die Ge- fang mit einer Dichtung versehen und dichtschließend samtquerschnittflache der Durchtrittsöffnungen der in die Säule eingepaßt sind; ein Filterelement 17 ober-Elemente für die radiale Durchmischung soll im Ver- halb des ringförmigen Elementes 42 verhindert das hältnis zu dem Gesamtströmungsquerschnitt der 45 Eindringen von Trennmaterial 14 in die Durchtritts-Säule klein sein, damit eine turbulente Querströmung öffnung 46 und den Mischraum zwischen den Umerzeugt und die Verweilzeit in den Durchtrittsöff- lenkelementen 42 und 52. Diese sind durch Abnungen klein wird und damit das Stoffgemisch prak- Standshalter od. dgl. (nicht gezeigt) axial in einem tisch beim Durchströmen der Durchtrittsöffnungen geringen Abstand voneinander gehalten. Das ringzusammengepreßt wird. Die Größe, die Art und die 50 förmige Element 42 bewirkt eine vollständige radiale Anzahl der verwendeten Durchtrittsöffnungen hängt Durchmischung des Stoffgemisches. während das unter anderem vom zulässigen Druckabfall in dem Rückverteilungselement 52 oder ein gleichwirkendes System ab. Element, wie z. B. eine Scheibe 40 mit geringerem

Das Umlenkelement zur Rückverteilung kann ein Durchmesser (Fig. 12), eine Scheibe48 mit Durchbeliebiges Element mit Durchtrittsöffnungen sein, 55 trittsöffnungen 50 im Randbereich (Fig. 9) oder ein durch die das radial durchmischte Stoffgemisch wie- anderes Umlenkelement den radial durchmischten der auf das Trennmittelbett der Säule verteilt wird. Materialstrom wieder abbremst und in die Säule Dies Umlenkelement kann eine flache Scheibe sein. zurückverteilt.

deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurch- Bei einer anderen Ausführungsform ist das ringmesser der Säule ist, so daß eine ringförmige Durch- 60 förmige Umlenkelement ein dünner scheibenförmiger trittsöffnung entsteht, ein scheibenförmiges Element flacher Ring oder auch ein trichterförmiges Element mit einer Anzahl von Durchtrittsöffnungen in ihrem 56 mit einer Durchtrittsöffnung 58 (Fig. 11).
Randbereich, eine Siebplatte, eine poröse Sinterplatte Gemäß einer weiteren Ausführungsform können od. ä. Diese Umlenkelemente bewirken im allgemei- verschiedene Kombinationen von Umlenkelementen nen ebenfalls eine gewisse radiale Durchmischung 65 verwendet werden. Insbesondere können verschiedene des Stromes, doch leiten sie in erster Linie das radial scheibenförmige Umlenkelemente und Siebplatten durchmischte Stoffgemisch einer Konzentrationsfront bzw. Sinterplatten zusammen mit ringförmigen Umgleichmäßig über den Säulenquerschnitt verteilt in die lenkelementen Verwendung finden. Die scheiben-

förmigen Umlenkelemente 40, 48, 52 od. ä. können sowohl oberhalb als auch unterhalb der Elemente für die radiale Durchmischung angeordnet werden. Die Fig. 3 bis 8 zeigen verschiedene bevorzugte Kombinationen, die das Auflösungsvermögen von chromatographischen Trennsäulen verhältnismäßig großen Durchmessers verbessern. Dabei ist der Strömungsweg des Stoffgemisches durch die Umlenkelemente schematisch durch Pfeile angedeutet. Eine besonders bevorzugte Kombination ist in F i g. 3 gezeigt. Die axiale Länge des freien Mischraumes ist zwischen den Elementen in den Zeichnungen im Verhältnis zum Säulendurchmesser jeweils stark vergrößert dargestellt.

Statt gelochter Siebplatten können auch poröse Sinterplatten aus einem dem Stoffgemisch gegenüber inerten Material verwendet werden, z. B. Glassinterplatten oder Metallsinterplatten. Wichtig ist dabei, daß die Durchlässigkeit der Platten ausreicht damit ein zu großer Druckabfall innerhalb der Trennsäule vermieden wird.

Die vorliegende Erfindung ist besonders wertvoll für chromatographische Trennsäulen mit verhältnismäßig großem innerem Durchmesser.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Chromatographische Trennsäule, die mit Trennmittel gefüllt und mit Umlenkelementen ausgestattet ist, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß das Flüssigkeits- oder Gasgemisch abwechselnd aus der Richtung der Säulenachse zur Mitte und nach außen hin strömt, nach Patent 1221036, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise Gruppen von mehreren, vorzugsweise zwei oder drei Umlenkelementen in der Säule vorgesehen sind, die jedoch jeweils in geringem Abstand voneinander angeordnet sind, daß der freie Raum zwischen den Elementen nicht mit Trennmittel gefüllt ist und innerhalb jeder Gruppe jeweils Umlenkelemente aufeinanderfolgen, deren Aus- und Eintrittsöffnungen in Richtung der Säulenachse nicht miteinander fluchten und das in Strömungsrichtung letzte Umlenkelement jeder Gruppe Durchtrittsöffnungen außerhalb des Bereiches der Säulenachse aufweist.

2. Trennsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkelement jeder Gruppe in an sich bekannter Weise als flacher Ring oder als trichterförmiges Element mit einer mittleren Durchtrittsöffnung und das letzte sowie gegebenenfalls ein weiteres Umlenkelement jeder Gruppe als gelochte Siebplatten oder poröse Sinterplatten aus inertem Material ausgebildet sind.

3. Trennsäule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Umlenkelemente als kreisförmige Scheiben ausgebildet sind, deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Säule ist.

4. Trennsäule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Umlenkelemente als kreisförmige Scheiben ausgebildet sind, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Säule entspricht und welche insbesondere in ihrem Randbereich Durchtrittsöffnungen aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen