DE19852601C2 - Verfahren zur Flüssig-Flüssig-Extraktion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Flüssig-Flüssig-Extraktion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE-Z "Chemie Ingenieur Technik (69)", 1997, Seiten 812 bis 816 und 1108 bis 1113).

Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist ein wichtiges Trennverfahren der thermischen Verfahrenstechnik. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise eine in einer Flüssigkeit gelöste Substanz, aus ihrem Lösungsmittel durch eine andere Flüssigkeit extrahiert, die mit der ersten nicht oder nur geringfügig mischbar ist. Als "andere" Flüssigkeit wird beispielsweise Wasser verwendet. Dieses Verfahren wird beispielsweise zum Trennen von Naturstoffen, zur analytischen Trennung und in der Metallurgie zur Anreicherung von Metallen eingesetzt. Ebenso wie viele andere Trennprozesse wird die Flüssig-Flüssig-Extraktion vorwiegend im Gegenstromverfahren betrieben. Die beiden Flüssigkeiten werden dazu in einer Extraktionskolonne - im folgenden kurz "Kolonne" genannt - zusammengebracht. Solche Kolonnen bestehen beispielsweise aus Füllkörperschüttungen, durch welche die Flüssigkeiten hindurchtreten können.

Um eine große Phasengrenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten und damit einen guten Stoffübergang der gelösten Substanz zu erreichen, wird eine derselben mittels eines Verteilers in der anderen Flüssigkeit in Form von Tropfen dispergiert. Solche Verteiler sind bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Rohr oder einem Rohrsystem, das am Umfang mit Bohrungen versehen ist, die von der zu dispergierenden Flüssigkeit durchströmt werden. Dabei entstehen in Abhängigkeit von der Durchströmungsgeschwindigkeit Tropfen in Form von Einzeltropfen oder Tropfenschwärmen. Der Tropfendurchmesser hängt vom Volumenstrom und vom Durchmesser der Bohrungen ab. Für einen guten Wirkungsgrad des Verfahrens sind ein möglichst gleichbleibender Tropfendurchmesser und eine möglichst gleichmäßige Tropfenverteilung über dem Querschnitt der Kolonne von wesentlicher Bedeutung.

Aus der NL-Z "Chemical Engineering and Processing (20)", 1986, Seiten 95 bis 102 ist ein nach dem Ausflußprinzip arbeitender Verteiler bekannt, bei dem die zu dispergierende Flüssigkeit unter Überdruck aus einer Bohrung ausströmt. Bei dieser Verteilerbauart ist die entstehende Tropfengröße direkt mit der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Bohrung und dadurch mit der Belastung verknüpft. Wegen der Kopplung von Belastung und Tropfengröße kann ein solcher Verteiler nur für einen bestimmten Belastungszustand ausgelegt werden. Die für einen Kolonnenbetrieb erforderliche Flexibilität ist außerdem nicht erreichbar.

Aus der eingangs erwähnten DE-Z "Chemie Ingenieur Technik (69)" ist es bekannt, zur Entkopplung von Tropfengröße und Kolonnenbelastung einen mehrstufigen Verteiler einzusetzen. Dabei wird der gesamte Volumenstrom der zu dispergierenden Flüssigkeit auf mehrere Stufen des Verteilers aufgeteilt, so daß je nach Gesamtbelastung der Kolonne jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Stufen in Betrieb ist. Auf diese Weise kann jede Stufe des Verteilers mit gleichbleibender Durchtrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Bohrungen betrieben werden. Es wird dabei eine bestimmte Tropfengrößenverteilung erzeugt. Bei diesem Verfahren ist eine gleichmäßige Aufteilung des Volumenstroms der Flüssigkeit auf die verschiedenen Stufen des Verteilers erforderlich. Durch zusätzliche Einbauten ergibt sich außerdem eine Verengung des freien Kolonnenquerschnitts. Die Größe der Tropfen und ihre Verteilung über dem Kolonnenquerschnitt sind abhängig vom Durchsatz und damit erheblichen Schwankungen ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Verfahren so weiterzubilden, daß eine vom Durchsatz unabhängige, gleichbleibende Tropfengröße erhalten wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dieses Verfahren ist für alle möglichen Einbauten zur Flüssig-Flüssig-Extraktion verwendbar, also für beliebige Verteiler und Kolonnen. Durch das Aufbringen der Impulse auf die zu dispergierende Flüssigkeit werden die Tropfenbildung am Verteiler und damit die Tropfengröße gesteuert. Es werden gleich große Tropfen mit einem engen Durchmesserspektrum, über einen weiten Belastungsbereich erzeugt, und zwar unabhängig vom Durchsatz. Die Tropfen haben dadurch weitestgehend die gleiche Aufstiegsgeschwindigkeit und damit die gleiche Verweilzeit in der Kolonne. Die Impulse können mechanisch oder elektrisch erzeugt werden. Sie können entweder außerhalb des Verteilers oder direkt im Verteiler auf die Flüssigkeit übertragen werden. So ergeben sich keine nachteiligen Wirkungen auf den Kolonnenbetrieb, da alle für die Impulserzeugung erforderlichen Bauteile außerhalb der Kolonne angebracht werden können. Die Belastung im Verteilerquerschnitt wird somit durch die Impulserzeugung nicht beeinflußt. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens ist hoch, da bei beliebiger Belastung eine gleichbleibende Tropfengröße und eine gleichmäßige Verteilung der Tropfen über dem Kolonnenquerschnitt sichergestellt sind.

Von besonderem Vorteil ist das Verfahren daher gerade dann, wenn in der Kolonne strukturierte Packungen eingesetzt werden, die aus der oben erwähnten DE-Z "Chemie Ingenieur Technik (69)" grundsätzlich bekannt sind. Sie zeichnen sich durch eine hohe Belastbarkeit und durch eine nahezu belastungsunabhängige, hohe Trennleistung aus. Strukturierte Packungen bestehen aus einer sich wiederholenden geometrischen Struktur. Im Gegensatz zur regellosen Füllkörperschüttung haben sie einen geordneten Aufbau. Sie werden beispielsweise aus mehreren schräggefalteten gegeneinander versetzt angeordneten Edelstahl-Blechlamellen aufgebaut. Durch die strukturierten Packungen wird die Strömung der kontinuierlichen Flüssigkeit in der Kolonne kanalisiert. Die Gefahr einer Rückvermischung wird dadurch wesentlich vermindert. Weiterhin wird der Tropfenaufstieg durch Stoßvorgänge der Tropfen mit den Packungslamellen verlangsamt. Die Verweilzeit der Tropfen in der Kolonne wird dadurch erhöht. Die Vorteile der strukturierten Packungen werden durch das Verfahren nach der Erfindung voll und verbessert ausgenutzt.

In bevorzugter Ausführungsform wird die Frequenz der Impulse so eingestellt, daß der Faktor n gleich den Zahlenwerten 1,0 oder 2,0 ist.

Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 eine Anordnung zur Impulserzeugung.

Fig. 3 eine Einzelheit der Anordnung nach Fig. 2 in vergrößerter Darstellung.

Im folgenden wird die zu dispergierende Flüssigkeit, welche die zu extrahierende Substanz enthält, durchgehend als "erste Flüssigkeit F1" bezeichnet, während die andere Flüssigkeit durchgehend als "zweite Flüssigkeit F2" bezeichnet wird.

In Fig. 1 ist schematisch eine Kolonne 1 zur Flüssig-Flüssig-Extraktion dargestellt. Im unteren Bereich der Kolonne 1 ist ein aus mindestens einem Rohr mit Bohrungen bestehender Verteiler 2 angeordnet. Im mittleren Bereich der Kolonne 1 befindet sich eine vorzugsweise strukturierte Packung 3. Statt der strukturierten Packung 3 können grundsätzlich auch eine Füllkörperschüttung oder andere zum Stand der Technik gehörende Einbauten verwendet werden.

Die zu dispergierende erste Flüssigkeit F1 wird dem Verteiler 2 beispielsweise mittels einer Pumpe 4 zugeführt. Die aus dem Verteiler 2 durch die Bohrungen des Rohres austretenden Tropfen der ersten Flüssigkeit F1 gelangen in die Kolonne 1. Die erste Flüssigkeit F1 wird nach Durchtritt durch die Kolonne 1 bzw. die Packung 3 abgeleitet, was durch den Pfeil P1 angedeutet ist.

Eine weitere, zweite Flüssigkeit F2 wird der Kolonne 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel im Gegenstrom zur ersten Flüssigkeit F1 aufgegeben. Sie verläßt die Kolonne 1 entsprechend dem eingezeichneten Pfeil P2. In Abweichung vom dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Strömungsführung auch umgekehrt erfolgen. Der Verteiler 2 ist dann oben in der Kolonne 1 angebracht, und die Tropfen der ersten Flüssigkeit F1 sinken durch die der Kolonne 1 dann unten zugeführte zweite Flüssigkeit F2. Diese Variante ist sinnvoll, wenn die zu dispergierende Flüssigkeit die schwerere ist.

Während der Durchführung des Verfahrens werden auf die Flüssigkeit F1 kontinuierlich Impulse aufgebracht. Dazu wird ein Impulserzeuger 5 verwendet. Der Impulsgeber 5 kann beliebig aufgebaut sein, also beispielsweise mechanisch oder elektrisch. Die Impulse werden der ersten Flüssigkeit F1 vor ihrem Eintritt in den Verteiler 2 oder auch im Verteiler 2 selbst aufgegeben, auf jeden Fall aber vor ihrem Austritt aus dem Verteiler 2. Die Frequenz f_P der Impulse ist ein ganzzahliges Vielfaches der Tropfenbildungsfrequenz f_T. Sie kann dabei mit Vorteil der Gleichung

f_P = n × f_T

genügen.

Der Faktor n ist dabei eine als Vielfaches wirkende ganze Zahl. In bevorzugter und praktisch anwendbarer Ausführungsform können für n die Zahlenwerte 1,0 oder 2,0 eingesetzt werden. Es können aber auch andere ganze Zahlen für n verwendet werden.

Die Tropfenbildungsfrequenz f_T liegt beispielsweise bei 40 bis 50 Tropfen pro Sekunde. Sie kann jeweils experimentell ermittelt oder auch berechnet werden. Wenn beispielsweise 45 Tropfen pro Bohrung und Sekunde vom Verteiler 2 abgelöst werden, dann werden die Impulse beispielsweise mit einer Frequenz f_P von 45 Hz (n = 1,0) auf die erste Flüssigkeit F1 gegeben.

In den Fig. 2 und 3 ist ein elektrischer Impulsgeber 5 als Ausführungsbeispiel dargestellt. Er ist an ein Rohr 6 des Verteilers 2 angeschlossen. Ein Pulsator 7 des Impulsgebers 5 wirkt auf eine Membran 8 ein, die beispielweise aus Polytetrafluorethylen besteht. Von der Membran 8 werden die Impulse mit einstellbarer Frequenz auf die im Rohr 6 befindliche erste Flüssigkeit F1 übertragen. Dazu wird der Impulsgeber 5 an einen Frequenzgenerator 9 angeschlossen. Durch die von demselben erzeugte Wechselspannung wird der Tauchanker 10 der Magnetspule 11 in Schwingungen versetzt. Er überträgt die Schwingungen auf die Membran 8 und damit auf die erste Flüssigkeit F1 im Rohr. Die Stärke der Impulse wird über die vom Frequenzgenerator 9 gelieferte elektrische Spannung gesteuert. Die Wirkung der Impulse auf die Tropfenbildung wird mit steigender Spannung stärker. Sie nimmt bei gleichbleibender Stärke mit steigender Gesamtlochfläche ab.

Claims (5)

1. Verfahren zur Flüssig-Flüssig-Extraktion von einer in einer ersten Flüssigkeit enthaltenen Substanz, bei welchem eine weitere, zweite Flüssigkeit, die mit der ersten Flüssigkeit nur geringfügig mischbar ist, und die erste Flüssigkeit durch eine Extraktionskolonne geleitet werden, und bei welchem eine der beiden Flüssigkeiten zu ihrer Dispergierung der Extraktionskolonne über einen Verteiler zugeführt wird, aus dem sie in Form von Tropfen mit einer von der Durchlaufgeschwindigkeit abhängigen Tropfenbildungsfrequenz austritt, welche danach die andere Flüssigkeit durchströmen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zu dispergierende Flüssigkeit vor ihrem Austritt aus dem Verteiler (2) Impulse mit einer Frequenz aufgebracht werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der Tropfenbildungsfrequenz ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extraktionskolonne (1) mit einer strukturierten Packung (3) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extraktionskolonne (1) mit einer Füllkörperschüttung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse im Verteiler (2) auf die zu dispergierende Flüssigkeit aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse auf die zu dispergierende Flüssigkeit vor deren Eintritt in den Verteiler (2) aufgebracht werden.