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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Stoffaustauschvorgängen
durch Flüssigflüssig-Gegenstromextraktion, die vor allem in der erdölverarbeitenden,
erdölehemischen - und - chemischen Industrie Verwendung findet.
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Bekannt sind für diesen Zweck Extraktoren, die aus einem zylindrischen
stehenden Gehäuse mit einem darin eingebauten, waagerechte Scheiben aufweisenden
Läufer bestehen. Hier erfolgt das Vermischen der Flüssigkeiten im mittleren Gehäuseteil
durch den Umlauf der auf der Welle des Läufers befestigten Scheiben, während das
Absetzen der Flüssigkeiten unter den Ringen, die an der Innenwand des Gehäuses etwas
oberhalb der Scheiben befestigt sind, stattfindet. Bei einer derartigen Anordnung
wird jedoch die Energie, die den Flüssigkeiten zugeführt wird, unzweckmäßig verbraucht,
weil das Vermischen der Flüssigkeiten in der Zone niedriger Geschwindigkeiten im
mittleren Gehäuseteil zwischen den Scheiben und Ringen, das Absetzen dagegen in
der Zone maximaler Geschwindigkeiten an den Gehäusewänden unter den Ringen erfolgt.
Hierdurch wird das Zusammenfließen der Tropfen der leichteren Flüssigkeit verhindert
und demnach der Wirkungsgrad des Stoffaustausches herabgemindert.
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Bekannt ist ferner eine zur Flüssig-flüssig-Extraktion dienende Vorrichtung,
die aus einem aufrecht stehenden Rohr mit einer darin angeordneten Welle besteht,
wobei axial im Abstand und rechtwinklig zur Welle Schleuderscheiben, die in der
Nähe der Welle stets Öffnungen aufweisen, angeordnet sind und die Spalte zwischen
der Rohrwand und den aufeinanderfolgenden Schleuderscheiben abwechselnd größer oder
kleiner und die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Scheiben auch unterschiedlich
sein können. Bei einer derartigen Vorrichtung ist eine Aufteilung des Extraktionsraumes
in Vermischungs-und Absetzzonen nicht möglich. Das der Reinigung unterliegende Destillat
strömt in der Extraktionszone von den unteren zu den oberen Stufen durch die Scheibenöffnungen,
wogegen das Extraktionsmittel nur an den Rohrwänden entlangströmt. Daher befindet
sich an letzteren im wesentlichen eine große Vermischungszone, während das Absetzen
in den oberen und unteren Zonen erfolgt. Beim Vermischen müssen sich demzufolge
aus der kontinuierlichen Phase und den Tropfen der dispersen Phase zwei ringförmig
sich drehende Wirbel ausbilden, so daß unter diesen hydrodynamischen Bedingungen
- das Vermischen zugleich mit dem Absetzen stattfinden muß.
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Bekannt ist auch ein aus einem zylindrischen Körper mit über die
ganze Innenwandlänge verteilten, festsitzenden Ringen (Statoren) bestehender Extrator,
bei welchem sich das Phasenvermischen mit Hilfe einer zwingend großen Zahl sich
drehender Wellen mit daran befestigten Scheiben vollzieht. Hier liegt die Absetzzone
im Gebiet der größten Umfangsgeschwindigkeit, während sich das Vermischen in der
Zone der geringsten Umfangsgeschwindigkeit vollzieht; derartige hydrodynamische
Bedingungen sind selbstredend unvorteilhaft.
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Schließlich ist ein aus einem senkrechten zylindrischen Körper bestehender
Extraktor bekannt, an deren Welle halb runde, halb elliptische Scheiben angeordnet
sind. Beim Drehen der Welle erfolgt eine Zerteilung der einen Phase in Tröpfchen
und deren Berührung mit der unbeweglichen zweiten Phase.
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Unter diesen hydrodynamischen Bedingungen ist eine Extraktion nur
in solchen Systemen durchführbar, deren Entmischungsgeschwindigkeit äußerst hoch
ist, d. h., das Zusammenfließen der Tropfen muß praktisch augenblicklich erfolgen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht
in der Beseitigung der erwähnten Nachteile durch Entwicklung eines Extraktors, der
bei verhältnismäßig geringem Kraftaufwand einen guten Kontakt zwischen den Flüssigkeiten
und einen wirksamen. Stoffaustausch gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung, bestehend
aus einem zylindrischen, stehenden Gehäuse mit einer Schleuderelemente tragenden
Welle, wobei die Spalte zwischen den Rändern der aufeinanderfolgenden Schleuderelemente
und der Gehäusewand und die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Schleuderelementen
abwechselnd größer und kleiner sind, sowie mit Ein-Auslässen für schwere und leichte
Phase, erfindungsgemäß für die die kleineren Spalte bildenden Schleuderelemente
Ringe und für die die größeren Spalte bildenden Schleuderelemente Scheiben vorgesehen
sind.
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Die Ringe dienen zum Vermischen von Tropfen der leichteren Flüssigkeit
mit dem Strom der schwereren Flüssigkeit und zur Verhinderung von Längszirkulation
der Flüssigkeiten entlang der Gehäusewände; die Scheiben gewährleisten dagegen das
Sammeln der leichteren Flüssigkeit unter den Scheiben und nachfolgend die von diesen
Scheiben bewirkte Zerteilung dieser Flüssigkeit in Tropfen. Die Ringe werden zweckmäßigerweise
mittels mit der Welle starr verbundener Stützen an der Welle befestigt.
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Im Gegensatz zu den bekannten Extraktoren bildet sich im erfindungsgemäßen
Extraktor bei der Drehung der Welle eine größere Anzahl von abwechselnden Vermischungs-
und Absetzzonen, wodurch der Masseaustausch wesentlich verbessert wird. Das Absetzen
und das Zusammenfließen der Tropfen findet in der Zone geringer Geschwindigkeit
in der Gehäusemitte unter den sich drehenden Scheiben statt, wogegen das Vermischen
in einer Zone großer Geschwindigkeit an der Gehäusewand stattfindet. Die disperse
Phase sammelt sich auf jeder Stufe unter den sich drehenden Scheiben in Gehäusemitte
in Form eines konischen Trichters und unterliegt einer vollständigen oder zumindest
teilweisen Entmischung, bevor sie erneut dispergiert wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von Vermischerpaaren in Form sich
drehender Scheibe-Ring-Einheiten ist somit neu und aus der bekannten Kombination
Rotorscheibe - Statorring, die nur bei gänzlich andersartigen hydrodynamischen Verhältnissen
anwendbar ist, nicht zu folgern.
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Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Extraktors besteht darin,
daß an der Welle für das Vermischen flache, horizontale Ringe mit einem äußeren
Durchmesser, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses, sowie
massive horizontale Scheiben mit einem Durchmesser, der annähernd dem Innendurchmesser
der Ringe gleich ist, angeordnet sind. Somit ist das Grundelement der Konstruktion
die paarige Kombination von je einer Scheibe und einem Ring.
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Zonen der Durchmischung und Zonen des Absetzens sind räumlich voneinander
getrennt, wobei
sich die Durchmischungszone an der Gehäusewand im
Bereich der maximalen Umfangsgeschwindigkeiten der Phasen, die Absetzzone dagegen
in der Gehäusemitte befindet, wo die Phasenumfangsgeschwindigkeit am kleinsten ist.
Zufolge der Ringdrehung findet an der Gehäusewand eine innige Phasenvermischung
statt. Durch die Fliehkraft wird die schwerere Phase (in der Regel die kontinuierliche
Phase) gegen die Gehäusewand geschleudert, während die Tropfen der dispersen Phase
der Gehäusemitte zustreben und sich unter den in sich zusammenhängenden Scheiben
sammeln, wo auch ihr Zusammenfließen stattfindet.
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Die neue Vorrichtung gewährleistet daher die Ausbildung eines hydrodynamischen
Systems, das nur für den erfindungsgemäßen Extraktor charakteristisch ist und mit
dem ein Massenaustausch durch fortlaufende Überführung einer Flüssigkeit in den
Tropfenzustand und aus diesem in den kontinuierlichen Zustand, und zwar im Medium
einer zweiten, mit der ersten nicht oder nur teilweise mischbaren Flüssigkeit sowie
durch anschließendes stufenweises Inberührungbringen dieser beiden Flüssigkeiten
durchführbar ist.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Extraktors wird an Hand
der Zeichnung, auf welcher der Extraktor im Längsschnitt dargestellt ist, erläutert.
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Der Extraktor besteht aus dem senkrechten zylinderförmigen Gehäuse
1, das mit seinem unteren Teil auf den Stützring28, mittels der Zarge 29, gelagert
ist, und dem Läufer2, dessen Welle 3 mit den in ihrem mittleren Teil angebrachten
Scheiben 4 und Ringen 5 versehen ist. Die von der Welle 27 angetriebene Welle 3
ist in der oberen Stütze 15 und in der unteren Stütze 16 gelagert und infolge ihrer
erheblichen Länge aus mehreren Teilen, die miteinander mittels Muffen 19 verbunden
sind, ausgeführt.
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Die Welle 3 weist zur Erzielung der Wellenspannung und Verhinderung
einer Vibration die obere Muffe 20 und die untere Muffe 21 sowie das obere Gelenk
22 und das untere Gelenk 23 zur leichteren Zentrierung der Welle 3 auf. Im mittleren
Teil der Welle 3 sind - ebenfalls zwecks Verhütung einer Vibration -Zwischenstützen
17 mit Rollen 18 vorgesehen.
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Das Gehäuse 1 besitzt im oberen Teil den Deckel 6 und im mittleren
Teil den Einlaßstutzen 7 zur Einführung der schwereren Flüssigkeit sowie den Einlaßstutzen
8 für die leichtere Flüssigkeit. Im unteren Teil des Gehäuses 1 befindet sich der
Stutzen 9 zur Ableitung der schwereren Flüssigkeit und der Stutzen 10 zur Einführung
von vorextrahiertem oder eines weiteren Lösungsmittels, welches den zu extrahierenden
Stoff nur begrenzt löst. Im Deckel 6 ist der Stutzen 11 zur Ableitung der leichteren
Flüssigkeit angebracht.
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Im oberen und unteren Teil des Gehäuses 1 sind an den Kragstützen
12, 12' die Gitter 13 und 14 zur Dämpfung der Drehbewegung der Flüssigkeiten befestigt.
Der Einwirkung der Drehbewegung der Welle 3 auf die Flüssigkeit in der oberen Absetzzone
wird durch den Mantel 24 vorgebeugt.
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Die Scheiben 4 sind auf der Welle in einem genügend großen Abstand
für das Durchfließen von Flüssigkeitsströmen zwischen den Ringen 5 an die Hülsen
25 angeschweißt, die auf die Welle 3 mit Hilfe von (nicht gezeigten) Keilen oder
Federn aufgesetzt sind. An den Hülsen 25 sind die Stützen 26, an deren freien Enden
die Ringe 5 angeschweißt sind, angeschweißt. Die Hülsen25 mit den an ihnen be-
festigen
Scheiben 4, Stützen 26 und Ringen 5 sind auf der Welle 3 in einem gewissen Abstand
voneinander befestigt. Für die Scheiben 4 und die Ringe 5 sind auch andere bekannte
Befestigungsarten anwendbar.
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Die Anzahl der Scheiben 4 und der Ringe 5, ihre gegenseitige Anordnung
und die räumlichen Verhältnisse im Gehäuse 1 werden in Abhängigkeit von den Eigenschaften
der umlaufenden Flüssigkeiten, der erforderlichen Leistung und der Wirksamkeit des
Stoffaustausches geregelt.
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Durch Flüssig-flüssig-Extraktion durchführbare Stoffaustauschvorgänge
werden im erfindungsgemäßen Extraktor folgendermaßen durchgeführt: In den oberen
Extraktorteil wird über den Stutzen 7 z. B. Diäthylenglykol, in den unteren Extraktorteil
über den Stutzen 8 z. B. ein aromatische Kohlenwasserstoffe~ enthaltendes Platformingbenzin
eingeführt. Das Diäthylenglykol senkt sich infolge seines höheren spezifischen Gewichts
nach unten, während Benzin entgegen dem Diäthylenglykolstrom hochsteigt. Das Diäthylenglykol
füllt den ganzen Innenraum des Gehäuses 1 unterhalb der Trenngrenze der Flüssigkeiten,
die sich etwas niedriger als das obere Gitter 13 einstellt, und stellt die kontinuierliche
Phase dar, während das Benzin die disperse Phase ist.
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Beim Umlaufen des Läufers 2 wird Diäthylenglykol als die schwerere
Phase infolge der Fliehkraft von den Scheiben 4 zu den Wänden des Gehäuses 1 geschleudert,
von den darunterliegenden Ringen 5 aufgefangen und gelangt danach auf die weiter
in Richtung des Flüssigkeitsstroms liegenden Scheiben 4.
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Der Benzinstrom wird dagegen als die leichtere Phase durch die schwere
Phase von den Wänden des Gehäuses 1 zum mittleren Teil verdrängt und sammelt sich
unter den Scheiben 4 in Form eines Kegels mit nach oben gerichtetem Trichter, kommt
dann unter den Scheiben 4 in Form von Strömen hervor, zerfällt in Tropfen und wird
zu den Wänden des Gehäuses 1 geschleudert. An diesen Wänden erfolgt dank Drehung
der Ringe 5 eine ausgiebige Vermischung der Benzintropfen mit dem Diäthylenglykolstrom.
Danach werden die Benzintropfen vom Diäthylenglykol zum zentralen Teil des Gehäuses
1 hin verdrängt und sammeln sich unter der jeweils darüberliegenden Scheibe 4. Auf
diese Weise wiederholt sich die Benzinzerteilung in Tropfen und die darauffolgende
Vermischung derselben mit dem Diäthylenglykolstrom von einer unteren Scheibe 4 zum
Ring 5 und vom Ring 5 zur darüberliegenden Scheibe 4.
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Soweit in Extraktoren mit begrenzter Anzahl von Mischungsstufen keine
ausreichend hohe Konzentration des Endproduktes, d. h. des Extraktes, erzielbar
ist, wird zur Erreichung dieses Ziels in den unteren Teil des Gehäuses 1 über den
Stutzen 10 entweder ein Extrakt, der teilweise in den Extraktor zurückgeführt wird,
oder ein anderes Lösungsmittel, welches den zu extrahierenden Stoff nur begrenzt
löst, eingeleitet.
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Infolge des im Gehäuse 1 nach dem Gegenstromprinzip vor sich gehenden
Stoffaustausches löst das Diäthylenglykol den größeren Teil der im Benzin enthaltenen
aromatischen Kohlenwasserstoffe, durchfließt die untere Absetzzone unterhalb des
Gitters 14 und wird über den Stutzen 9 aus dem Gehäuse 1 abgeleitet. Das entaromatisierte
Benzin dagegen steigt hoch, durchfließt die obere Absetzzone oberhalb des
Gitters
13 und wird über den Stutzen 11 aus dem Gehäuse entfernt.
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Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Extraktors für Vorgänge, bei
denen das spezifische Gewicht des Lösungsmittels kleiner als das spezifische Gewicht
der den zu extrahierenden Stoff enthaltenden Lösung ist, kann man das Lösungsmittel
über den unteren Stutzen 8 und die Lösung über den oberen Stutzen 7 zuführen.
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Zulässig ist auch eine Ausführungsform, bei welcher die Trenngrenze
beider Flüssigkeiten sich im unteren Teil des Gehäuses 1, nämlich unterhalb des
Gitters 14 einstellt. Dabei stellt die Flüssigkeit, die über den unteren Stutzen
8 einströmt, die kontinuierliche Phase dar, während die Flüssigkeit, welche dem
Gehäuse über den oberen Stutzen 7 zuströmt, die disperse Phase ist.
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Der erfindungsgemäße Extraktor weist folgende Vorteile auf: Bei verhältnismäßig
geringem Energieaufwand wird im Gehäuse 1 dank der Drehung des Läufers 2 die Zerteilung
des Lösungsstroms in kleine Tropfen sowie deren ausgiebiges Vermischen mit dem Strom
des Lösungsmittels erzielt.
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Die Drehbewegung des Stroms der kontinuierlichen Phase, d. h. des
reinen Lösungsmittels und der Tropfen der Lösung, gewährleistet eine längere Berührungszeit
zwischen dem Lösungsmittel und der Lösung, und demnach nimmt auch der Übergang des
extrahierten Stoffes aus der Lösung in das Lösungsmittel zu.
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Infolge der Fliehkraft, die durch die Drehung des Läufers 2 entsteht,
werden günstige Bedingungen zum
Absetzen und Entmischen der Flüssigkeiten geschaffen,
da das Lösungsmittel als schwerere Flüssigkeit zu den Wänden des Gehäusesl geschleudert
wird, während die Lösung als die leichtere Flüssigkeit sich im zentralen Teil des
Gehäuses 1 unter den Scheiben 4 sammelt.
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Die angeführten Vorteile gewährleisten eine größere Leistung bei
hoher Wirksamkeit des Stoffaustausches.
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Beispielsweise beträgt für das System Diäthylenglykol - Platformingbenzin
die spezifische Leistung des Extraktors 70 m/m2/h, während die Wirksamkeit, ausgedrückt
in Metern der Gehäusehöhe, die einer theoretischen Mischungsstufe entspricht, 1,0
bis 1,2 m beträgt. Diese Werte sind bedeutend besser als diejenigen der zur Durchführung
gleichartiger Vorgänge zum Einsatz kommenden Extraktoren.