DE2004375B2 - Kolonne zur trennung oder reinigung eines stoffgemisches durch kristallisieren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kolonne zur Trennung oder Reinigung eines Stoffgemisches durch Kristallisieren, die an ihrem einen Ende eine Kühl- und an ihrem anderen Ende eine Heizeinrichtung aufweist und die durch Querwände in mehrere Mischräume unterteilt ist, wobei die Querwände Durchtritte aufweisen, durch die eine Kolbenstange geführt ist, die eine Anzahl der Querwände gleiche Anzahl Platten aufweist, und wobei eine Fördereinrichtung für den Transport der Phasen von einem Mischraum zum anderen vorgesehen ist.

Wegen des Phasengleichgewichtes zwischen den beiden Phasen reichert sich die Komponente mit dem niedrigeren Schmelzpunkt am einen Ende und diejenige mit dem höheren Schmelzpunkt am anderen Ende an.

Bekanntlich bietet die Kolonnenkristallisation für allgemeine Trennungs- und Reinigungsverfahren gegenüber der Destillation bzw. Rektifikation mehrere Vorteile. So können einerseits in vielen Fällen höhere Trennfaktoren erzielt werden, da der Kristallisationszustand von höchster Ordnung ist. Weiterhin kann die Trennung durch Kristallisation mit einem relativ geringen Energiebedarf bei verhältnismäßig niedriger Temperatur erfolgen, was außerdem von wesentlicher Bedeutung ist, wenn StolTgemische getrennt werden sollen, die in einem höheren Temperaturbereich thermisch unstabil sind.

Es ist eine Kolonne zur kontinuierlichen Trennung von Stoffgemischen durch rektifizierende, vielstufige Kristallisation im Gegenstrom von Kristallen und Schmelze durch StoiTaustausch zwischen der festen und der flüssigen Phase bekannt, wobei die Kolonne Mischräume aufweist mit stationär angeordneten Siebböden als Trennwände.

Mit Hilfe einer Pulsationsvorrichtung soll hierbei der Kolonneninhalt in axialer Richtung auf und ab bewegt und hierdurch der Stoffaustausch zwischen der festen und der flüssigen Phase verbessert werden. Jedoch hat diese Vorrichtung auf die Förderung der kristallisierten Phase durch die Kolonne keinen Einfluß.

Ziel der Erfindung ist es demgegenüber, auch dann einen einwandfreien Transport der beiden Phasen zu ermöglichen, wenn zum Beispiel bei senkrechter Aufstellung der Kolonne die kristallisierte Phase ein kleineres spezifisches Gewicht als die flüssige Phase besitzt bzw. wenn die flüssige Phase eine relativ große Zähigkeit aufweist oder die Längsachse der Kolonne horizontal gerichtet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fördereinrichtung aus einer an sich bekannten, mit einem der beiden Endbereiche der Kolonne in Verbindung stehenden Pulsationsvorrichtung besteht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Pulsatiunsvorrichtung kann darin bestehen, daß diese einen über eine Stange angetriebenen Kolben aufweist. Der Stange kann beispielsweise über einen Nockenantrieb eine Hin- und Herbewegung in einem auf den Rhythmus der öffnungs- und Schließbewegung der für Kristalle undurchlässigen Platten abgestimmten Rhythmus erteilt werden.

Die Pulsationsvorrichtung kann auch darin bestehen, daß an Stelle eines Kolbens ein Faltenbalg verwendet wird.

Weitere Ausführungsbeispiele von Pulsationsvorrichtungen im Zusammenhang mit ihrer Anwendung auf eine Kristallisationskolonne werden ebenfalls an späterer Stelle an Hand von Zeichnungen erläutert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Ausfühningsform einer Kristallisationskolonne für die Trennung eines Gemisches, während in

F i g. 2 ein Teilausschnitt einer solchen Kolonne mit zusätzlichen in einzelnen Mischräumen angeordneten Rührvorrichtungen und in

F i g. 3 ebenfalls eine Teilansicht einer solchen Kolonne mit einer zusätzlichen Einrichtung für die Durchwirbelung des Phasengemisches im Stoffaustauschteil der Kolonne dargestellt ist;

F i g. 4, 5 a und 5 b zeigen in Teildarstellungen verschiedene, gegenüber F i g. 1 abgewandelte Ausführungsformen für die Durchtritte;

F i g. 6 und 7 zeigen Beispiele für Antriebsvorrichtungen für die Durchtritte und die Pulsationsvorrichtung, und

F i g. 8 bis 11 zeigen schließlich verschiedene Ausführungsformen für die Pulsationsvorrichtung.

Die Kristallisationskolonne gemäß F i g. 1 besieht aus einem zylindrischen, vertikal angeordneten Rohr!, das durch steuerbare Durchtritte2a,Ib in einzelne Mischrttume 3 unterteilt ist und das an seinem unteren Ende eine Entlüftungsöffnung 1 α aufweist,

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß eine derartige Kolonne auch horizontal oder gegebenenfalls um einen Winkel gegen die Vertikale geneigt angeordnet sein kann. xo

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die steuerbaren Durchtritte stationär in der Kolonne angeordnete Ventilsitze la und dazu bewegliche Ventilkörper 2 b auf, die beispielsweise als Filterplatten ausgeführt sind und flüssigkeitsdurchlässig, jedoch im wesentlichen undurchlässig für die Kristalle sind. Zur Steuerung der Ventilkörper ist mit ihnen eine die Kolonne durchsetzende, hohl ausgebildete Stange 4 verbunden, die Auflagescheiben 4 a für die Vontilkörpcr aufweist. Die hohle Stange 4 wird von einer Kolbenstange S durchsetzt, die an ihrem unteren Ende mit einem Verdrängerkolben 6 einer PuI-sationsvorrichtung verbunden ist und an ihrem oberen Ende mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Antriebsvorrichtung im Eingriff steht.

Am oberen Ende der Kolonne ist ein Kühler 7 angebracht, dessen Oberfläche von einem Kratzer 9, der auf der die Stange 4 umschließenden Welle 8 befestigt ist, ständig von Kristallen befreit wird. Der Kühler wird je nach dem Schmelzpunkt einer Kornponente bzw. dem Schmelzpunkt eines eutektischen Gemisches des zu trennenden bzw. des zu reinigenden Stoffgemisches von einem entsprechenden Kühlmittel, gegebenenfalls Kühlwasser, durchströmt. Es ist grundsätzlich auch möglich, den Kühler außerhalb der Kolonne anzuordnen, das Kopfprodukt aus der Kolonne in den Kühler einzuleiten und auszukristallisieren und die Kristalle wieder in die Kolonne zurückzufordern.

Im unteren Endbereich, d. h. unterhalb des untersten Öffnungsorgans, ist eine Heizvorrichtung 10 angeordnet, die von einem Heizmittel, beispielsweise Dampf, betrieben sein kann.

Um ein Anbacken von Kristallen an den als steuerbare Durchtritte ausgebildeten Querwänden mindestens weitgehend zu verhindern, kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Elemente dieser Einrichtungen zu heizen. Zum Beispiel kann im Ausführungsbeispiel durch die Antriebswelle 4 der Ventilkörper 2 b ein elektrischer Strom durchgeschickt werden, oder gegebenenfalls entfernt man die Wärmeisolierung der Kolonne im Beteich gefährdeter öffnungsorgane, wenn die Temperaturen in der Kolonne wesentlich unter der Umgebungstemperatur liegen.

Die Kolonne wird folgendermaßen betrieben.

Durch eine Leitung 11 wird zu trennendes bzw. zu reinigendes Stoffgemisch, z. B. ein Kohlenwasserstoffgemisch, in die Kolonne eingespeist. Hierbei kann das Stoffgemisch flüssig oder unter Umständen schon teilweise auskristallisiert sein.

Zu Beginn des Verfahrens wird die Kolonne mit dem Stoffgemisch gefüllt, bis zu einem Niveau oberhalb der Kühlvorrichtung 7. Sodann wird die Kühlvorrichtung in Betrieb gesetzt. Es bilden sich auf ihrer Oberfläche Kristalle. Diese Kristalle werden von der rotierenden Kratzvorrichtung 9 von der Wandung abgeschabt und im obersten Misch raum 3 mit Flüssigkeit in Kontakt gebracht, so daß ein Stoffaustausch zwischen der festen und der flüssigen Phase stattfindet.

Um einen möglichst guten Stoffaustausch zu erreichen, wird vorteilhaft die Verwirbelung der Phasen möglichst intensiv gestaltet. Mittel hierfür werden später angegeben.

Aus Kristallen und Flüssigkeit bestehendes Gemisch kann im Ausführungsbeispiel in der nachstehenden Weise von jeweils einem Mischraum in den benachbarten unteren Mischraum bzw. am unteren Ende der Kolonne in den Schmelzraum transportiert werden.

a) Zu Beginn eines Bewegungsablaufes befindet sich der Kolben 6 in seiner obersten Stellung. Die Ventilkörper 2 b sind in Schließstellung.

b) Nun öffnen die Ventilkörper 2 b, so daß sie sich je innerhalb eines Mischraumes 3 befinden. Um eine gute Durchmischung in den Mischräumen herbeizuführen, soll im Ausführungsbeispiel während der öflnungsstellung den Ventilkörpern eine Rotationsbewegung erteilt werden, wie dieses schematisch durch Pfeil V in F i g. 1 angegeben ist.

c) Nach einem Zeitintervall von z.B. 10 bis 20 s wird bei geöffneten, rotierenden Ventilkörpern der Kolben 6 nach unten bewegt, so daß im unteren Bereich der Kolonne ein Unterdruck entsteht und von Mischraum zu Mischraum ein Gemischvolumen entsprechend dem Verdrängervolumen des Kolbens transportiert wird. Vorteilhaft ist das Verdrängervolumen so bemessen, daß es mit dem Volumen eines Mischraumes übereinstimmt.

d) Die Ventilkörper werden wieder in Schließstellung gebracht.

e) Nun wird der Kolben 6 angehoben, und zwar um die gleiche Distanz, um die er vorher gesenkt wurde. Hierdurch entsteht ein Überdruck, und ein gleich großes Flüssigkeitsvolumen wie das abwärts transportierte, aus Kristallen und Flüssigkeit bestehende Gemischvolumen wird durch die nur für die Flüssigkeit durchlässigen öffnungen in den Ventilkörpern von der Schmelzzone in den untersten Mischraum bzw. von jedem Mischraum in den benachbarten oberen Mischraum verdrängt.

f) Nun werden die Ventilkörper 2 b wieder von den Ventilsitzen 2 α abgehoben, und der Bewegungsablauf der Öffnungsorgane und des Kolbens beginnt von neuem in der vorstehend geschilderten Weise.

Zum Beispiel kann ein gesamter Bewegungsablauf innerhalb einer Minute erfolgen. Jedoch wird man von Fall zu Fall auch davon abweichende Frequenzen wählen. Durch Ändern der Frequenz eines vorstehend geschilderten Bewegungsablaufes kann der Durchsatz durch eine Kolonne im gewünschten Maße beeinflußt werden.

Sobald die Kristalle, die auf ihrem Weg durch die Kolonne einen hohen Reinheitsgrad an einer Komponente gewonnen haben, im unteren Kolonnenteil angelangt sind, werden sie von der Heizung 10 geschmolzen. Eine Teilmenge der Schmelze strömt senkrecht zu den Kristallen nach oben, während eine andere Teilmenge durch eine Leitung 12, in der ein Durchflußregler 13 angeordnet ist, als Produkt entnommen werden kann.

An den oberen Kolonnenteil ist eine Leitung 14

zur Entnahme des Produktes mit dem niedrigeren bei werden über nicht im einzelnen bezeichnete Schmelzpunkt bzw. des aus einem eutektischen Ge- Zwischenglieder und einen Hebelarm 24 bzw. 25, misch bestehenden Produktes angeschlossen. Abrollräder 26 bzw. 27, Nockenscheiben 28 bzw. 29, Die Teildarstellung von F i g. 2 unterscheidet sich der Kolben der Pulsationsvorrichtung bzw. die Vengegenüber F i g. 1 darin, daß für eine gute Verwirbe- 5 tile im gewünschten Rhythmus bewegt,
lung des Gemisches in den Mischkammern 3 Rührer F i g. 8 bis 11 zeigen in schematischer Darstellung

20 angeordnet sind, deren Wellen flüssigkeitsdicht abgewandelte Ausführungsbeispiele für Pulsationsdurch die Kolonnenwand durchgeführt sind und von vorrichtungen, wie sie bei der Erfindung angewendet außen angetrieben werden. In diesem Fall kann eine werden können. So zeigt Fig. 8 an Stelle eines Rotationsbewegung der Ventilkörper 2 b entfallen. io Verdrängerkolbens einen z.B. aus Federblech be-

Eine andere Möglichkeit zur Erzielung eines guten stehenden Faltenbalg 30, der z. B. analog zu Fig. 1 Stoffaustausches in der Kolonne zeigt Fi g. 3. Hierbei von einer mit ihm verbundenen Stange 5 zusammensteht ein im Vergleich zu Kolben 6 kleinerer Kolben gedrückt oder expandiert werden kann.

21 mit der Kolonne in Verbindung, der dazu dient, F i g. 9 zeigt die Möglichkeit einer seitlichen Ander Transportbewegung des Kolonneninhaltes noch 15 Ordnung eines Verdrängerkolbens 31 im unteren Teil eine Oszillationsbewegung von höherer Frequenz und einer Kolonne, wobei in diesem Fall dem Kolben über kleinerer Amplitude zu überlagern. eine horizontale Kolbenstange 32 ein vorgegebener

Zum Beispiel kann das Volumenverhältnis von Bewegungsablauf aufgezwungen wird.

Kristallen zu Flüssigkeit in der Größenordnung von In Fig. 10 ist eine Pulsationsvorrichtung darge-

etwa 5 bis 60 pro Mischraum liegen. 20 stellt, die ein mit dem unteren Teil einer Kolonne 1

F i g. 4 zeigt schließlich einen Ausschnitt einer im kommunizierend in Verbindung stehendes Rohr 33

übrigen mit F i g. 1 übereinstimmenden Kolonne, wo- aufweist, dessen anderes Ende Anschlüsse für das

bei nur hiervon abweichend die Ventilsitze 22 α flüs- periodische Zu- bzw. Wegführen eines Verdrängungs-

sigkeitsdurchlässige Öffnungen aufweisen und die mittels, z. B. Stickstoff, in das bzw. aus dem Rohr 33

Ventilkörper massiv ausgebildet sind. Grundsätzlich 25 besitzt.

ist es auch möglich, sowohl die Ventilsitze als auch Schließlich zeigt Fig. 11 ein weiteres Beispiel für die Ventilkörper mindestens teilweise aus einem eine mit dem unteren Endbereich einer Kolonne 1 Material mit flüssigkeitsdurchlässigen öffnungen aus- verbundene Pulsationsvorrichtung. Diese Vorrichzuführen. tung weist eine Förderpumpe 36, z. B. eine Zahnradln F i g. 5 a und 5 b sind zwei zeitlich gegenein- 30 pumpe, und ein mit dieser in Verbindung stehendes ander verschobene Stellungen eines Durchtritts dar- Samrnel- bzw. Ausgleichsgefäß 37 auf. Zum Transgestellt. Der Durchtritt besteht hierbei aus einem port der in der Kolonne im Stoffaustausch stehenden scheibenförmigen Ventilsitz 23 a, der in der Mitte Phase wird periodisch nach einem vorgegebenen Beeinen kreisförmigen Ausschnitt aufweist, welcher wegungsablauf Flüssigkeit aus der Kolonne mit Hilfe gleichmäßig verteilte, mit dem Umfang des Aus- 35 der Pumpe 36 durch Leitungen 38 und 40 bei geschnittes verbundene, z. B. verschweißte Segmente öffneten Ventilen 39 und 41 in das Sammelgefäß 37 23 b aus einem Material mit flüssigkeitsdurchlässigen gefördert. Während dieses Zeitintervalls sind die Venöffnungen besitzt, z. B. ein Drahtgewebe. Weiterhin tile 42 und 44 und in den Leitungen 43 und 45 geweist dieser Durchtritt einen mit einer Antriebs- schlossen. Das Wegführen von Flüssigkeit aus der stange 4 verbundenen Ventilkörper 23 c auf, der aus 40 Kolonne bewirkt den Transport von Phasengemisch flüssigkeitsundurchlässigen Flügeln besteht, welche in von der Kühlzone zur Schmel/zone analog zur Abder Schließstellung des Öffnungsorgans die zwischen wärtsbcwcgung des Kolbens 6 in F i g. 1. Zur Verden z. B. aus Drahtgewebe bestehenden Segmenten drängung eines entsprechenden Flüssigkeitsvolumens des Ventilsitzes frei bleibenden Segmente abdecken innerhalb der Kolonne werden die Ventile 39 und 41 (vgl. F i g. 5 a). 45 geschlossen und die Ventile 42 und 44 geöffnet, se F i g. 5 b zeigt das Ventil in Öffnungsstellung, die daß nun Flüssigkeit aus dem Sammelbehälter 37 vor durch Drehung der Antriebsstange 4 um einen Winkel der Pumpe 36 durch die Leitungen 45 und 43 in der entsprechender Größe herbeigeführt worden ist. Der unteren Bereich der Kolonne gefördert wird. Die di< Bewegungsablauf zum Transport des Kolonneninhal- Pulsationsvorrichtung durchströmende Flüssigkei tes stimmt mit demjenigen von F i g. 1 überein. Im 50 kann unter Umständen nicht die gleiche wie die ii einen Fall führen die Ventilkörper eine translator!- der Kolonne sein. Selbstverständlich darf in diesen sehe Bewegung zum Schließen und öffnen aus, wäh- Fall das Verdrängermedium mit der flüssigen PhaS' rend im anderen Fall den Ventilkörpern, die selbst- der Kolonne nicht mischbar sein, verständlich auch mehr als zwei Flügel aufweisen Es sei noch erwähnt, daß die Erfindung sowohl au können, eine Rotationsbewegung erteilt wird. 55 kontinuierlichen Betrieb als auch auf Chargsnbetrie In F i g. 6 und 7 sind Beispiele für den Antrieb der einer Kristallisationskolonne angewendet werde Kolbenstange 5 bzw. Ventilstange 4 dargestellt. Hier- kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kolonne zur Trennung oder Reinigung eines Stoilgemisches durch Kristallisieren, die an ihrem S einen Ende eine Kühl- und an ihrem anderen Ende eine Heizeinrichtung aufweist und die durch Querwllnde in mehrere MischrUume unterteilt ist, wobei die Querwände Durchtritte aufweisen, durch die eine Kolbenstange geführt ist, die eine der Anzahl der Querwände gleiche Anzahl Platten aufweist, und wobei eine Fördereinrichtung für den Transport der Phasen von einem Mischraum zu anderen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung aus einer an sich bekannten, mit einem der beiden Endbereiche der Kolonne in Verbindung stehenden Pulsationsvorrichtung besteht.

2. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsationsvorrichtung einen über eine Stange (5,32) angetriebenen Kolben (6, 31) aufweist.

3. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsationsvorrichtung einen Faltenbalg (30) aufweist.

4. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsationsvorrichtung ein mit einem Endbereich der Kolonne (1) kommunizierend in Verbindung stehendes geschlossenes Rohrstück (33) mit Anschlüssen für das periodische Zu- bzw. Wegführen eines Verdrängungsmittels in das bzw. aus dem Rohr aufweist.

5. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsationsvorrichtung eine Förderpumpe und ein mit dieser in Verbindung stehendes Sammelgefäß aufweist, sowie Steuermittel zum periodischen Weg- bzw. Zuführen von Flüssigkeit aus der bzw. in die Kolonne.