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Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Substanzen mit verschiedenen
Ver.dampfungsgeschwindigkeiten durch Destillation bei niedrigen Restgasdrucken
Es
sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Hochvakuumdestillation bekannt, bei
denen die Verdampferfläche und die Kondensationsfläche räumlich weit voneinander
getrennt und diese durch eine Leitung miteinander verbunden sind. Infolge des Strömungswiderstandes
in diesen Verbindungsleitungen ist jedoch l>ei diesen Verfahren die Destillationsgeschwindigkeit
begrenzt. Bedingt durch die geringe L>cstillationsgesc-hwindiigkeit ist aber
die Verweilzeit des zu destillierenden Gutes auf der Verdampferfläche sehr lang,
so daß. die Gefahr einer thermischen Zersetzung besteht.
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Es sind ferner Verfahren zur Hochvakuumdestillation bekannt, lei
denen sich die Verdampferfläche und die Kondensationsfläche mit kurzen Abständen
gegenüberstehen, wodurch eine hohe Destillationsgeschwindigkeit erreicht wird. Diese
Verfahren, die als Molekulardestillation oder Kurzwegdestillation bezeichnet werden,
haben jedoch den Nachteil, daß durch den kurzen Abstand zwischen der Verdampferfläche
und der Kondensationsfläche und die hierdurch bedingte Wärmestrahlung von der Verdampferfläche
zur Kondensationsfläche ein erheblicher Energieverlust auftritt und daß durch die
hohe Verdampfungsgeschwindigkeit zwar in den oberen Schichten des Flüssigkeitsfilms
eine starke Verarmung an der leicht verdampfbaren Komponente des zu verarbeitenden
Gemisches erfolgt, aber in den unteren Schichten noch die ursprüngliche Zusammen,
setzung des Gemisches erhalten bleibt und die Nachlieferung der leicht verdampfbaren
. Komponente an die Oberfläche nur
durch den langsamen Vorgang der
Diffusion erfolgt.
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Hierdurch ist also eine schlechte und außerdem unkontrollierbare Trennung
des zu verdampfenden Gutes bedingt. Ferner sind auch Verfahren bekannt, die eine
erhöhte Trenoung durch eine bessere Durchmischung des zu verarbeitenden Gutes auf
mechanischem Wege zu erreichen bzw. die Trennung durch wiederholte Destillation
zu verbessern suchen.
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Es wurde nun gefunden, daß die Nachteile der obengenanniten Verfahren
vermieden werden, wenn die Destillation von Gemischen mit verschiedenen Verdampfungsgeschwindigkeiten
der Komponenten ;bei so niedrigen Restgasdrucken der Permanentgase durchgeführt
wird, daß die freie Weglänge der Permanentgase allein Wobei Abwesenheit der Dämpfe
gleich oder größer ist als die Dimensionen des Destillationsgefäßes und hierbei
zur Erzeugung möglichst großer Destillationsgeschwindigkeiten der Dampfdruck bis
nahe an den thermischen Zersetzungspunkt heran hoch gehalten, der Abstand zwischen
Verdampfer- und Kondensationsfläche gegenüber der freien Weglänge der Dampfmoleküle
im Dampfraum groß gehalten und ferner die Vorkehrung getroffen wird, daß der Strömungsquerschnitt
so groß ist, daß die Transportgeschwindigkeit nicht wesentlich von der mittleren
thermischen Geschwindigkeit abweicht.
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Das neue Verfahren, das als Freiwegdestillation bezeichnet wenden
kann, wird an Hand der Zeichnung näher beschrieben, die schematisch einige Vorrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens darstellt.
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In den Arbb. I r bis 3 ist dieVerdampferfläche mit I und die Kondensationsfläche
mit 2 bezeichnet. Diese beiden Flächen sind räumlich weit voneinander getrennt und
d in ihrer Stellung zueinander außerdem so angeordnet, daß die Verluste durch Wärmestrahlung
weitgehend herabgesetzt werden. DieVerdampferfläche I und die ihr gegenüberliegende
Fläche 3 werden durch Strahlungsheizkörper 4 oder andere Mittel, wie Induktionsheizung,
auf etwa gleiche Temperatur gebracht. Das zu verdampfende Gut kann unter Umständen
durch dielektrische Verluste aufgeheizt werden. Das zu destillierende Gut läuft
gemäß Abb. I aus dem Vorratsbehälter 5 zur Verdampferfläche und kann außer durch
die Verdampferfläche noch durch zusätzliche Mittel erhitzt werden. Jedoch kann das
zu destillierende Gut auch aus dickeren Schichten, wie z. B. aus Siedegefäßen, verdampft
werden und insbesondere dann, wenn es sich um thermisch beständige Stoffe handelt.
Das von der Verdampferfläche I abdampfende Gut tritt in den Dampfraum zwischen den
Flächen I, 2 und d 3 und wird an der Kondensationsfläche 2 niedergeschlagen. Hierbei
kann die Kondensationsfläche selbst den Außenmantel des Vakuumgefäßes bilden; besser
aber besteht sie aus einer Anordnung im Innern des Vakuumgefäßes derart, daß etwaige
Gasmoleküle die Kondensationsfläche durchdringen können, während die Dampfmoleküle
kondensieren.
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Das auf der Kondensationsfläche niedergeschlagene Gut kann in dem
Sammelbehälter 6 aufgefangen werden. Bei der Durchführung des Verfahrens wird der
Dampfdruck im m Raum 1, 2 und 3 so groß gehalten, daß der mittlere Abstand zwischen
den Flächen I und 2 ein Alehrfaches der freien Weglänge der Dampfmoleküle im Dampfraum
beträgt, wobei das Vakuum in der Anlage aber auf alle Fälle so hoch sein muß, daß
die mittlere freie Weglänge der fremden Gasmoleküle bei Abwesenheit des zu destilllierenden
Dampfes gleich oder größer als der Abstand d zwischen Verdampfer- und Kondensationsfläche
ist.
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Erfindungsgemäß wird dieses hohe Vakuum in dem eigentlichen Destillationsraum
dadurch erzielt und während des Betriebes aufrechterhalten, daß das zu destillierende
Gut nicht unmittelbar von Atmosphärendruck in den Dest illationsraum eingeleitet
wird, sondern vor dem Eintritt in den Destillationsraum eine oder mehrere Vorentgasungsstufen
durchläuft. Dabei sind die Vorentgasungsstufen an leistungsfähige Vakuumpumpen angeschlossen.
Es wird auf diese Weise erreicht, daß die in dem zu destillierenden Gut gelösten
fremden Gasmoleküle in den Vorentgasungsstufen abgepumpt werden und das zu destillierende
Gut bei seinem Eintritt in die Destillationsstufe weitgehend frei von fremden Gasmolekülen
ist. Auf diese Weise ist es möglich, in der eigentlichen Destillationsstufe den
zur Ausübung des Verfahrens erforderlichen niedrigen Partialdruck der fremden Gasmoleküle
aufrechtzuerhalten.
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Zur Beschleunigung der Gasabgabe des zu destillierenden Gutes in den
Vorentgasungsstufen kann das Gut vor oder bei dem Durchfluß durch die Vorentgasungsstufen
erwärmt werden. Zur Evakuierung der Vorentgasungsstufen dienen zum Teil mechanische
Pumpen. Zur Erzielung eines möglichst hohen Grades der Vorentgasung können aber
auch Diffusionspumpen in Anwendung gebracht werden.
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Bei einer derartigen Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung
herrscht also in der Vorentgasungsstufe bzw. bei Verwendung mehrerer Vorentgasungsstufen
in der Vorentgasungsstufe, die als letzte vor dem Eintritt in die Destillationsstufe
von dem Destillationsgut durchlaufen wird, ein Totaldruck von fremden Gasen und
Dämpfen, der niedriger ist als der Totaldruck von fremden Gasen und Dämpfen in der
eigentlichen, Destillationsstufe. Die dem hohen Wert des Dampfdruckes entsprechende
Temperatur erlaubt eine hohe Verdampfungsgeschwindigkeit, d. h. eine große Verdampfungsleistung
je Flächeneinheit der Verdampfungsfläche, und gestattet es somit, bei der gegebenen
Verdampfungsleistung mit kleinen Verdampfungsflächen auszukommen, was erhebliche
technische Vorteile hat, z. B. kleine Energieverluste.
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Andererseits ergibt der durch die räumliche Anordnung der Flächen
1 und 2 bedingte geringe Strömungswiderstand einen schnellen Transport des Dampfes
von der Verdampferfläche I zur Kondensationsfläche 2 derart, daß die erreichte Destillationsgeschwindigkeit
der theoretischen maximalen Verdampfungsgeschwindigkeit ins Vakuum nahekommt.
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Bei dieser Anordnung würde der etwa mit mittlere thermischer Geschwindigkeit
sich bewegendeDampfstrom gleichzeitig die Rolle eines Treibdampfes für
Permanentgase
oder nicht kondensierbare Spaltprodukte übernehmen.
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Das vorstehend in seiner einfachstenAusführungsform beschriebene
erfindungsgemäße Verfahren kann durch zahlreiche Einzelmaßnahmen, die im folgenden
beschrieben werden, in seiner Wirksamkeit gesteigert werden, wobei die beschriebenen
Maßnahmen teilweise in Analogie zu Maßnahmen stehen, die bei dem an sich ungünstigeren
Verfahren der sog. Molekulardestillation bereits angewendet werden.
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Die Verdampfung kann, wie schon erwähnt, entweder aus einem stehenden
Sumpf zur Vermeidung von thermischen Zersetzungen aus einem Flüssigkeitsfilm erfolgen,
wobei das zu destillierende Gut nur kurze Zeit auf der Verdampferfläche verweilt.
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Eine bessere Trennung wird erhalten, wenn der Flüssigkeitsfilm auf
der Verdampferfläche möglichst dünn gehalten wird. Zu diesem Zweck kann man den
Zulauf auf die Verdampferfläche durch einen Spalt erfolgen lassen, der zur Erzielung
eines dünnen Films möglichst eng gehalten wird, beispielsweise 0,005 mm. Tritt bei
dem einmaligen überlauf des zu destillierenden Gutes über die Verdampferfläche möglicherweise
nur eine unvollständige Trennung der durch Destillation zu trennenden Komponenten
ein, so kann dasDestillationsgut nach dem Überlaufen über die Verdampferfläche I
in einer Rinne 7 gesammelt und beispielsweise durch die Pumpe 8 wieder in das Zulaufgefäß
5 zurückgeführt werden. Dieses Verfahren des wiederholtenUmlaufs über die Verdampferfläche
kann so lange fortgesetzt werden, bis sich die gewünschte Trennung der durch Destillation
zu trennenden Komponenten eingestellt hat, was z. 1J. durch Messung des Dampfdruckes
oder einer anderen physikalischen Größe in dem Raum zwischen Verdampferfläche I
und Kondensationsfläche 2 festgestellt werden kann. In diesem Falle ist es günstig,
das Verfahren des wiederholten Umlaufs jeweils nur mit einer bestimmten Menge des
zu trennenden Gutes auszufiihren, also diskontinuierlich, da dann die Trennung besonders
sauber ist. Doch ist auch ein kontinuierlicher Zulauf und eine dauernde Abnahme
an einer oder an mehreren Stellen im Rückstand oder Kondensat möglich. Für manche
Fälle erweist es sich als zweckmäßig, zur Verbesserung der zu erzielenden Trennung
mit fraktionierter Kondensation zu arbeiten.
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Zur Herabsetzung der Gefahr der thermischen Zersetzung ist es, wie
beschrieben, wünschenswert, daß das zu destillierende Gut nur möglichst kurze Zeit,
beispielsweise einige Zehntelsekunden, auf der Verdampferfläche verweilt. In Abb.
2 ist eine Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die Verdampferfläche
1 eine drehende Bewegung ausführt, wodurch das zu destillierende Gut zu den Rändern
geschleudert und seine Verweillzeit auf der Verdampferfläche herabgesetzt wird.
Die Verdampferfläche kann hierbei beliebige Formen haben und z. B. eine Scheibe,
ein Kegel, eine Kugelzone oder der Abschnitt eines anderen Rotationskörpers sein.
Hierbei ist es besonders günstig, eine sich nach außen vergrößernde Fläche zu nehmen,
da dann zwangsweise neue Moleküle in die Oberfläche des Films treten müssen.
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Auch hier kann das Verfahren gemäß der Erfindung so, durchgeführt
werden, daß die Verdampferfläche 1 und Kondensationsfläche 2 [I3egrenzungsflächen
ein und desselben Raumes darstellen. Dies ist aber nicht notwendig. Es sind auch
Anordnungen möglich, bei denen sich Verdampferfläche und Konr densationsfläche in
getrennten Räumen befinden, wenn nur die Verbindungsleitung zwischen diesen beiden
Räumen so weit gewählt wird, daß ihr Strömungswiderstand die Transportgeschwindigkeit
des Dampfes nicht wesentlich unter die mittlere thermische Geschwindigkeit herabsetzt.
In diesem Falle können die Verbindungsleitungen beispielsweise auch als Treibdüsen
einer Diffusions- oder Dampfstrahlpumpe ausgebildet werden, so daß bei mehrstufiger
Ausübung des Verfahrens, wie nachstehend noch beschrieben, jeweils eine Stufe zur
Evakuierung von sich selbst oder einer anderen Stufe von fremden Gasmolekülen arbeitet.
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Zur besseren Trennung des zu destillierenden Gutes kann n das Verfahren
der Erfindung in mehreren Stufen ausgeübt werden, wobei die einzelnen Stufen so
zueinander angeordnet sein müssen, daß die Dampfräume jeder Stufe, d. h. die Räume
zwischen den Flächen 1, 2 und 3 voneinander getrennt sind. Hierbei können die einzelnen
Danfpfräume übereinander oder nebeneinander angeordnet sein, wobei es auch möglich
ist, diese gesamte Anordnung in ein und demselben Vakuumraum unterzubringen. Der
Dampf aus dem Raum einer Stufe hat dabei keine Möglichkeit, in den Raum einer anderen
Stufe zu gelangen, da diese Räume entweder völlig gegeneinander abgeschlossen sind
oder aber derart voneinander getrennt sind, daß der Dampf aus einer Stufe erst die
Kondensationsfläche seiner Stufe passieren muß, wobei er als Flüssigkeit niedergeschlagen
würde, bevor er in den Dampfraum einer anderen Stufe gelangen könnte.
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Abb. 3 zeigt eine mehrstufige Anordnung nach dem Verfahren der Erfindung,
wobei das zu destillierende Gut zwischen den Stufen A, B und C umläuft. Die Verdampferflächen
I der verschiedenen Stufen haben verschiedene Temperaturen, beispielsweise A die
niedrigste und C die höchste Temperatur. Der Umlauf erfolgt dann in der Weise, daß
das zu destillierende Gut nach dem ueberlauf über die Verdampferfläche 1 einer Stufe
jeweils dem Vorratsgefäß seiner eigenen Stufe oder einer auf höheren Temperaturen
befindlichen vorherigen Stufe zurückgeführt wird. So wird das iu destillierende
Gut nach Durchlaufen der Verdampferfläche der StufeA im Vorratsgefäß 10 der StufeB,
das zu destillierende Gut nach Durchlaufen der Vèrdampferfläche I der Stufe B dem
Vorratsgefäß I I der Stufe C und nach Durchlaufen der Verdampferfläche I der Stufe
C ebenfalls dem Vorratsgefäß 11 der Stufe C zugeführt. Andererseits wird das kondensierte
Gut nach Kondensation von der Kondensationsfläche 2 einer Stufe dem Vorratsgefäß
einer
auf niedrigerer Temperatur befindlichen Stufe oder dem Vorratsgefäß
derselben Stufe zugeführt. Beispielsweise wird das kondensierte Gut der Stufe A
dem Vorratsgefäß 5 derselben Stufe, das kondensierte Gut der Stufe B dem Vorratsgefäß
5 der Stufe A und das kondensierte Gut der Stufe C dem Vorratsgefäß 10 der Stufe
B zugeführt. Durch diesen Umlauf wird' eine weitgehende Trennung des ursprünglichen
Gemisches in einzelne Komponenten erreicht, wobei der Grad der erreichten Trennung
durch Messung des Dampfdruckes oder einer anderen physikalischen Größe in den Räumen
der einzelnen Stufen A, B und C kontrolliert werden kann. Das Verfahren kann je
nach der Zusammensetzung des ursprünglichen Gemisches entweder kontinuierlich unter
dauernder Zufuhr des Ausgangsgemisches bei einer der Stufen A, B oder C und dauernder
Entnahme an irgendeiner Stelle des Umlaufverfahrens durchgeführt werden. Zu möglichst
vollständiger Trennung wird es sich in diesen Fällen empfehlen, das Verfahren diskontinuierlich
durchzuführen und eine bestimmte gegebene Menge des zu trennenden Gemisches einmal
einer der Stufen A, B oder C zuzuführen und die Destillation so lange laufen zu
lassen, bis sich der gewünschte Trennungsgrad eingestellt hat.
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Vergleich der Destillationen
| Molekular- Freiweg- Normale |
| Kenngröße destillation destillation Destillation |
| I. Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur der |
| Verdampferfläche pv in Torr.................. 10-3 bis 10-2
10-2 bis 1 einige Torr |
| 2. Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur der |
| Kondensationsfläche po in Torr ................ I0-4 Io-2 #1/10 |
| 3. Druckdifferenz p, - p (Torr) .................... 10-3 bis
I0-2 I0-2 bis 1 einige Torr |
| 4. Abstand Verdampferfläche - Kondensations- |
| fläche d [cm] .................. ............ einige cm 30
bis 100 |
| 5. Freie Weglänge bei Druck Pv Torr ............ 1 #3#10-4
bis io-5 |
| ................ #1 #3#10-4 bis 10-5 #10-5 |
| Abstand d cm |
| 6. Durchsatz kg |
| #3 bis 30 30 bis 3000 je nach Rücklauf |
| Verdampferfläche h#m2] |
| 7. Schichtdicke, aus der verdampft wird [cm] sro-2 sIo-2 Sumpf |
| 1 Stunde |
| 8. Aufenthaltszeit auf der Verdampferfläche.......... Sekunden
bzw. Bruchteile davon |
| oder länger |
In der Tabelle sind nochmals die bekannten Verfahren der normalen Vakuumdestillation
und der Molekulardestillation einerseits, dem Verfahren gemäß der Erfindung (der
Freiwegdestillation) andererseits gegenübergestellt. Dabei wird bei der Freiwegdestillation
davon ausgegangen, daß das Verfahren gemäß der Erfindung mit einer rotierenden Verdampferfläche
ausgeübt wird. Wie die Tabelle zeigt, ist das Verfahren' gemäß der Erfindung gegenüber
der normalen Vakuumdestillation günstiger im Hinblick auf die Schichtdicke auf der
Verdampferfläche und auch im Hinblick auf die Aufenthaltszeit des Gutes auf der
Verdampferfläche.
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Dem Verfahren der Molekulardestillation ist das Verfahren gemäß der
Erfindung überlegen im Hinblick auf den Durchsatz je Flächeneinheit der Verdampferfläche.
Das Verfahren gemäß der Erfindung vermeidet also die Nachteile der beiden bisher
bekannten Verfahren und vereinigt in sich die Vorteile beider Verfahren.