DE1667334C3 - Verfahren und Vorrichtung zur destlllativen Gewinnung einheitlicher chemischer Verbindungen aus flüssigen Mischungen oder Lösungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur destillativen Gewinnung einheitlicher chemischer Verbindungen aus 4^ flüssigen Mischungen oder Lösungen, wobei die zu destillierende Flüssigkeit auf der einen Seite einer porösen Verdampferwand zugeführt und das Konzentrat auf derselben Seite der Verdampferwand abgeleitet wird, und die auf der anderen Seite dieser Wand verdampfenden Anteile auf einer Kühlfläche in flüssiger Form kondensiert und abgeführt werden, wobei im Raum zwischen der Verdampferwand und der Kühlfläche ein so hoher Gasüberdruck aufrechterhalten wird, daß ein Hindurchtreten der zu destillierenden Flüssigkeit durch die poröse Wand vermieden wird.

Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um Mischungen verschiedener Flüssigkeiten aufzutrennen; die bekanntesten finden sich auf dem Gebiete der Destillation, der Rektifikation <>° und des Eindampfens.

Aus der US-PS 30 75 891 ist ein Verfahren zur Gewinnung einheitlicher flüssiger chemischer Verbindungen aus flüssigen Mischungen oder Lösungen, insbesondere ein Verfahren zur Destillation von Seewasser bekannt, bei dem die Mischung oder Lösung, welche die zu gewinnenden flüssigen Verbindungen enthalten, nach vorheriger Erwärmung mit der einen Seite einer flüssigkeitsundurchlässigen aber gasdurchlässigen Wand in Berührung gebracht wird. Die durch die Verdampferwand verdampfenden Anteile der Mischung oder Lösung werden durch eine niedriger als die Mischung oder Lösung temperierte Kühlfläche als Flüssigkeit niedergeschlagen und abgeführt. Ein besonderer Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß, verursacht durch Verunreinigungen der Flüssigkeit, die Hydrophobierung der Verdampferwand nachläßt und deren flüssigkeitssperrende Wirkung im Laufe der Zeit aufgehoben wird

Aus der US-PS 31 29 145 ist ebenfalls em Verfahren zur destillativen Gewinnung einheitlicher chemischer Verbindungen aus flüssigen Mischungen oder Lösungen, insbesondere für die Destillation von Seewasser zu entnehmen. Dabei wifd die zu destillierende Flüssigkeit in eine erste poröse Schicht oder Wand geführt. Aus dieser Schicht verdampft die Flüssigkeit und diffundiert durch einen unter Gasüberdruck stehenden Spalt und kondensiert in einer zweiten porösen Schicht, in deren Poren das Kühlmedium geführt ist. Bei einer solchen Anordnung sind zur Überwindung der Strömungswiderstände hohe Drücke erforderlich, so daß sich das Verfahren insbesondere dann nicht wirtschaftlich auswerten läßt, wenn der Anteil der zu destillierenden Komponente in der Flüssigkeit nur gering ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, preiswertes und störunanfälliges Verfahren zu finden, das die Abtrennung flüssiger chemischer Verbindungen im gewünschten Reinheitsgrad erlaubt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zu destillierende Flüssigkeit an der einen Seite der Verdampferwand vorbeigeführt wird und daß eine von der zu destillierenden Flüssigkeit benetzbare Verdampferwand verwendet wird.

Oft reicht dieses einstufige Verfahren nicht aus, um die einneitliche chemische Verbindung im gewünschten Reinheitsgrad zu erhalten. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt deshalb darin, daß die wieder kondensierten Anteile der flüssigen Mischung oder Lösung nach ihrer Wiedererwärmung einmal oder mehrmals an der porösen Wand vorbeigeleitet werden, wobei jedesmal die durch die poröse Wand verdampften Anteile kondensiert werden, bevor sie erneut in flüssiger Form mit der porösen Wand in Berührung gebracht werden.

Je nach der Konzentration, der Siedetemperatur und anderen Eigenschaften der zu gewinnenden chemisch reinen flüssigen Verbindung — die unter den bekannten Normalbedingungen übrigens auch als Gas oder feste Phase vorliegen kann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren unter abgeänderten Druck- und Temperaturbedingungen durchgeführt wird — kann es vorteilhaft sein, entweder die die einheitliche chemische Verbindung enthaltende flüssige Mischung oder Lösung im Kreislauf an der einen Seite der porösen Wand vorbeizuleiten oder aber die gesamte Flüssigkeitsmenge zu unterteilen und sie an mehreren porösen Wänden vorbeizuführen. Zwecks vorteilhaftester Lösung empfiehlt es sich, einen Kostenvergleich zwischen der Beschaffung zusätzlicher Kammern und der eines zusätzlichen Pumpsystems anzustellen.

Sollte die flüssige Lösung oder Mischung mehr als eine einheitliche chemische Verbindung enthalten, so empfiehlt es sich zum Zwecke der sauberen Isolierung auf jeden Fall, eine solche Flüssigkeit mit Hilfe der später beschriebenen Vorrichtung nach dem Prinzip der Kaskadenschaltung in einheitliche flüssige Verbindun-

gen zu scheiden. Derartige schon an sich bekannte Kaskadensysteme sind beispielsweise in der DT-PS 10 66 555 in A b b. 1 und in dem dazugehörigen Teil der Beschreibung wiedergegeben.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Vorrichtung enthält einen oder mehrere, mit Zu- und Ableitungen versehene Flüssigkeitsräume, die mit porösen Wandteilen versehen sind, denen mn Kühlflächen und Abflüssen versehene Räume gegenüberliegen, die ihrerseits über Zuleitungen mit einem Gasreservoir verbunden sind.

Typische Beispiele, in denen das erfindungsgemäße Verfahren und die für seine Durchführung geeignete Vorrichtung mit Erfolg anzuwenden sind, sind die weitgehende Auftrennung wäßriger Lösungen von Methanol und Äthanol, die Verseifung von Estern in Wasser oder organischen Lösungsmitteln zvecks Gleichgewichtsverschiebung unter Rückgewinning der Alkohole, die Entfernung bzw. Isolierung von Wasser während der Durchführung üblicher Wasserabspaltungsprozesse sowie die Konstanthaltung der Laugekonzentration bei den verschiedensten chemischen und auch elektrochemischen Prozessen.

In der Regel wird es sich um Systeme handeln, bei denen es erforderlich ist, zwei flüssige Stoffe voneinander zu trennen oder bei denen eine flüssige Komponente während einer chemischen bzw. elektrochemischen Reaktion stetig neu gebildet wird und zwecks optimaler Reaktionsführung auf vorgegebener Konzentration gehalten werden muß.

An Hand dieser letztgenannten Aufgabe sei nunmehr die für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung erläutert

Die erfindungsgemäße Anordnung von Verdampfer und Kühler Ji ganzheitlichen Bauteilen unter Verwendung von porösen Körpern wird schematisch durch Fig.! wiedergegeben. In einem gemeinsamen Gehäuse 1 sind poröse Wände 2 als Verdampferplatten paarweise jeweils so angeordnet, daß zwischen den porösen Platten 2 ein Flüssigkeitsraum 3 entsteht. Angrenzend an jede Platte befindet sich ein Kondensationsraum 4. Dieser wird durch eine Kühlfläche 5 unterteilt. Es ist statthaft, diese Fläche 5 flüssigkeitsdurchlässig auszubilden. Eine Umwälzung der Mischung oder Lösung kann durch die in die Flüssigkeitsräume führenden Kanäle 6 veranlaßt werden.

Um zu verhindern, daß die Flüssigkeiten die poröse Wand durchströmen, wird im Bereich zwischen poröser Wandung und Kühlfläche ein Gasdruck eingehalten, der den Austritt der Flüssigkeit verhindert. Bewährt haben sich für die befriedigende Lösung dieser Aufgabe poröse Wände, die zum Abfangen von Druckschwankungen bei Gas und Flüssigkeit aus zwei Schichten unterschiedlicher Porendurchmesser aufgebaut sind, wobei die Flüssigkeit die feinporige Schicht erfüllt, während das Gas die gröberporige, möglichst dünne Schicht freihält

Die porösen Verdampferwände sind aus benetzbarem Material hergestellt oder mit einem Benetzung bewirkenden Mittel behandelt worden. Infolgedessen f>o muß die hydrostatische Druckdifferenz zwischen Flüssigkeits- und Kondensationsraum so gewählt werden, daß die Flüssigkeit nicht durch die Poren der Verdampferwand in Raum 4 eindringen kann. Dies erreicht man entweder dadurch, daß man die Kondensationsräume unter den entsprechenden Überdruck setzt oder in den Flüssigkeitsräumen 3 gegenüber den Räumen 4 einen Unterdruck erzeugt.

Wie F i g. 1 zeigt, tritt bei Anwendung eines Gasüberdrucks im Kondensationsraum zusätzlich zu den vorbeschriebenen Teilen noch eine Leitung 16, durch die Gas, z. B. Reaktionsgas aus einem Brennstoffelement, dessen wäßriger Elektrolyt aufkonzentriert werden soll, über ein Reduzierventil 9 zur Einstellung des Druckes herangeführt wird. Bei Gasüberdruck muß das Ausbringen des Kondensates druckkontrolliert erfolgen. Das Kondensat kann beispielsweise über einen Sarnmeikanal 10 in eine Ablaßvorrichtung 11 geleitet werden, in der wiederum ein poröser Körper 15 eine Trennung zwischen Gasdruckraum 12 und Flüssigkeitsraum 13 herbeiführt. Gelangt das Kondensat in den Gasdruckraum 12, so wird es durch den Gasdruck in den Flüssigkeitsraum 13 gepreßt, aus dem der Überschuß durch einen Ablauf 14 abfließen kann. Das Gas kann dank der Kapillarkraft der Flüssigkeit den feinporösen Körper 15 nicht durchströmen.

Um den Abtransport des Kondensates von den Kühlflächen zu beschleunigen, ist es zweckmäßig, diese ebenfalls als poröse Körper auszubilden. Hierdurch wird erreicht, daß die Ansammlung größerer Flüssigkeitsmengen auf den Kühlflächen vermieden und deren Wirksamkeit vergrößert wird. Das Kondensat wird in den porösen Körper und dann durch die eigene Schwere nach unten an die Abtropfstelle gezogen. Dabei muß gewährleistet sein, daß auch poröse Kühlflachen eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Eine mögliche Ausführungsform zeigt F i g. 2. Hier ist das Kondensationsblech 17 im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß F i g. 1 durchgehend beidseitig mit einem porösen Belag versehen, der innerhalb des Kondensationsraumes als Docht, z. B. Löschpapier oder Asbestmaterial, ausgebildet ist, innerhalb des Behälters, besonders aber auch auf den die Behälterwand überragenden Flächen zur besseren Wärmeabfuhr eine große Austauschfläche aufweist. Als Kühlfläche kann auch mit einem gut leitendem Metallnetz durchzogener Asbest verwendet werden, wobei man außerhalb des Behälters nur das Mietallnetz herauszuragen lassen braucht. Bei diesen Ausführungsformen kann ohne weiteres ein gasdichter, unter Umständen auch gasdrucksicherer Abschluß des Kondensationsraumes erreicht werden.

Eine Regelung der Flüssigkeitsausbringungsgeschwindigkeit ist besonders dann erforderlich, wenn eine Lösung, beispielsweise Alkalilauge, bei einer bestimmten Konzentration gehalten werden soll. Dies ist bei Kondensationsreaktionen und beim Betrieb von galvanischen Brennstoffelementen der Fall. Die Regelung kann dadurch erfolgen, daß man die Wärmeabfuhr bzw. die Kühlmittelzufuhr zu den Kühlflächen steuert. Dabei kann bei Brennstoffelementen der Wassergehalt des Elektrolyten über seine Konzentration oder über das im Elektrolytkreislauf vorhandene Gesamtvolumen kontrolliert werden. Zuviel auskondensierte Flüssigkeit wird in an sich bekannter Weise über poröse Scheiben mit geeignetem Kapillardruck in den Kreislauf zurückgeführt.

Bei Brennstoffelementen und -batterien, die mit relativ hoher Verlustleistung arbeiten und infolge guter Wärmeisolierung nur wenig Wärme an die Umgebung verlieren, kann stets die Betriebstemperatur so hoch gewählt werden, daß die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer- und Kühlflächen groß genug ist, um einen ausreichenden Dampfstrom zwischen beiden hervorzubringen. Das gleiche trifft auch für viele chemische Reaktionen zu. Bei anderen Systemen muß man den Verdampferwänden zusätzlich Wärme zuführen. In diesem

Falle wird man nur einen Teil der Flüssigkeit durch Kreislauf in Kontakt mit den porösen Verdampferflächen bringen, um nicht die gesamte Flüssigkeit erwärmen zu müssen. Dabei ist es zweckmäßig, daß man von der im Verdampfer aufkonzentrierten Mischung oder Lösung in Wärmeaustauschern einen Teil der vorher zugeführten Wärme auf die neu zum Verdampfer fließenden Anteile überträgt.

Besonders günstig ist es, wenn man die den Verdampferflächen zugeführte Wärme mit einer Wärmepumpe aus den Kühlflächen entzieht. Als Wärmepumpe kommt hierfür eine Anordnung in Betracht, wie man sie in Kühlanlagen verwendet. Jedoch ist das Arbeitsmittel hinsichtlich der Dampfdruckkurve dem Temperaturbereich der erfindungsgemäßen Anordnung anzupassen. Statt einer mechanischen Wärmepumpe kann auch ein Thermoelement in an sich bekannter Weise verwendet werden.

Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, die porösen Wände als Röhren auszugestalten oder die Wände 2c durch andere Formgebung mit einer großen äußeren Oberfläche zu versehen. Auch die Verringerung der Distanz zwischen Verdampfer- und Kühlfläche bringt großen Nutzen.

Zur näheren Erläuterung ist der Gegenstand der Erfindung im folgenden an Hand von Beispielen beschrieben:

Beispiel 1

Als Verdampfungs- und Kondensationsplatten werden zwei heißgepreßte Carbonylnickelplatten verwendet. Die Platten hatten eine Porosität von 60 Volumprozent, waren 0,8 mm dick und hatten eine geometrische Oberfläche von etwa 300 cm². Zu ihrer Herstellung wurde das Carbonylnickelpulver bei einer Temperatur von 450⁰C unter einem Druck von 0,3 t/cm² verdichtet. Der Porendurchmesser lag zwischen 1 und 10 μ. Die eine Seite der Kondensationsplatte wurde mit Polyamidpulver besprüht Die Verdampfungsplatte wurde gegenüber der mit Polyamid bedeckten Oberfläche der Kondensationsplatte angeordnet und beide Platten durch Anschmelzen des Polyamids miteinander vereinigt. Der Außenrand des Plattenpaketes wurde mit einem Film aus Epoxydharz überzogen. Auf beiden Seiten des Paketes wurden zwei entsprechend große Plexiglasscheiben unter Zwischenlegung eines Gummiringes angepreßt Anschließend wurde die gesamte Einheit mit aushärtendem Polyepoxydharz umgössen. Zwischen den beiden Plexiglasscheiben und der Verdampferplatte bzw. der Kondensationsplatte wurden Bohrungen angebracht, durch die der Elektrolyt bzw. die Kühlflüssigkeit strömen konnte. Eine weitere Zuführung versorgte den Raum zwischen den beiden Me tallplatten mit Wasserstoffgas, das unter einem Drucl von 0,1 bis 0,2 atü stand. Wenn Wasser mit einer Tem peratur von 6O⁰C durch die Elektrolytkammer in Kreislauf gepumpt und auf der anderen Seite der Kühl kammer mit Wasser von 25° C versorgt wurde, gelang ten in der Stunde 270 cm³ Wasser von der Verdampfer zur Kondensationsscheibe; bei Verwendung einei 6-normalen Kalilauge gelangten nur 120cm³/h an die Kondensationsplatte. Die Verwendung von konzen triertem Elektrolyten reduzierte den Wasserdampf druck erheblich. Das Kühlwasser und der Elektrolyi wurden dabei mit einer Geschwindigkeit von 50 l/h ge fördert.

Beispiel 2

Nach den im Beispiel 1 geschilderten Erfahrungen wurde ein Mehrkammer-Rekonzentrator aufgebaut. Die porösen Platten waren nur 03 mm dick und bestanden wie im Beispiel 1 aus Carbonylnickelpulver. Die Spaltbreite in der Diffusionskammer betrug 2 mm, während die porösen Platten eine Oberfläche von 150 cm² aufwiesen. Die Porosität betrug 40 Volumprozent. Insgesamt wurden 4 Rekonzentratoreinheiten zu einem Block zusammengebaut. Die Umpumpgeschwindigkeit des Elektrolyten belief sich auf 20 l/h. Wenn 6-normale Kalilauge von 60°C bei gleichzeitiger Verwendung von Kühlwasser mit 25°C dem Konzentrationsvorgang unterworfen wurde, erhielt man pro Stunde aus der Kalilauge 150 cm³ Wasser.

Beispiel 3

Nach Beispiel 1 wurde eine Rekonzentratorcinhci: hergestellt, bei der die beiden Metallplatten je 03 mm stark waren, während der Diffusionsspalt nur 1 mm betrug. Die Oberfläche der Platten belief sich auf 150 cm², wobei die Platten eine Porosität von 50 Volumprozen: aufwiesen. Wenn 30 l/h 6-normale Kalilauge bei 65° C an der Vordampferplatte vorbeigeleitet wurden, konnten bei einer Kühlwassertemperatur von 25°C 105 cm³ Wasser pro Stunde aus der Kalilauge abgetrennt werden.

Infolge der Einfachheit, mit der die Erfindung angewendet werden kann, ist sie besonders bedeutsam für das Abfangen gleichgewichtsstörender Komponenten, die bei der jeweiligen Reaktionstemperatur eine höhere Abdampfgeschwindigkeit als die anderen Reaktionspartner aufweisen sowie zur Konstanthaltung des pH-Wertes bei Reaktionen, die unter Wasserbildung ablaufen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur destillativen Gewinnung einheitlicher chemischer Verbindungen aus flüssigen Mischlingen oder Lösungen, v/obei die zu destillierende Flüssigkeit auf der einen Seite einer porösen Verdampferwand zugeführt und das Konzentrat auf derselben Seite der Verdampferwand abgeleitet wird, und die auf der anderen Seite dieser Wand ·° verdampfenden Anteile auf einer Kühlfläche in flüssiger Form kondensiert und abgeführt werden, wobei im Raum zwischen der Verdampferwand und der Kühlfläche ein so hoher Gasüberdruck aufrechterhalten wird, daß ein Hindurchtreten der zu ·5 destillierenden Flüssigkeit durch die poröse Wand vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu destillierende Flüssigkeit an der einen Seite der Verdampferwand vorbeigeführt wird und daß eine, von der zu destillierenden Flüssigkeit benetzbare Verdampferwand verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einmaliger Destillation das Kondensat wiederum an der Verdampferwand vorbeigeführt wird und erneut ein- oder mehrmals destilliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu destillierende Flüssigkeit im Kreislauf an der Verdampferwand vorbeigeführt wird. '

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen oder mehrere, mit Zu- und Ableitungen (6) versehene Flüssigkeitsräume (3) enthält, die mit porösen Wandteilen (2) versehen sind, denen mit Kühlflächen (5) und Abflüssen (6) versehene Räume (4) gegenüberliegen, die ihrerseits über Zuleitungen (16) mit einem Gasreservoir verbunden sind.

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