-
Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Stoffgemischendurch kontinuierliche
Gegenstromverteilung in Lösungsmitteln
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Trennung von Stoffgemischen durch kontinuierliche Gegenstromverteilung in Lösungsmitteln
verschiedenen spezifischen Gewichts.
-
Es sind Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen durch kontinuierliche
Gegenstromverteilung bekannt, bei denen z vei nicht oder nur beschränkt mischbare
Lösungsmittel, die verschiedene spezifische Gewichte aufweisen, im Gegenstrom miteinander
in Berührung gebracht wurden. Die Gegenstromverteilung wurde in einer geeigneten
Trennapparatur vorgenommen und das zu trennende Stoffgemisch einer zwischen den
Ein- und Austrittsstellen der Lösungsmittel gelegenen Stelle zugeführt. In Abhängigkeit
von den Verteilungskoeffizienten der zu trennenden Stoffe und von dem Verhältnis
der pro Zeiteinheit durchströmenden Lösungsmittelmengen wird das Gemisch in zwei
Fraktionen getrennt, die mit den beiden Lösungsmitteln die Trennapparatur verlassen.
-
In der Erdölindustrie hat man zur Trennung von aromatischen und aliphatischen
Kohlenwasserstoffen derartige Gegenstromverfahren mit selektiven Lösungsmitteln
benutzt. NATegen der großen Unterschiede der Verteilungskoeffizienten der zu trennenden
Stoffe wurden an diese Verfahren aber keine besonders hohen Anforderungen. bezüglich
der Größe der Trennschärfe gestellt.
-
Bei Verfahren, bei denen man eine größere Trennschärfe erreichen
wollte, wurden die Lösungsmittel im Gegenstrom mit Hilfe geeigneter Pumpen durch
eine größere. Zahl von Misch- und Abscheideräumen geführt. - Andere derartige Verfahren
arbeiten mit
Trennkolonnen, die mit einem Lösungsmittel gefüllt
sind, während das zweite Lösungsmittel durch das erste Lösungsmittel hindurchgeführt
wird, wobei man versuchte, die Gleichmäßigkeit des Durchganges durch abwechselnd
innerhalb der Kolonne angeordnete Rühr- und Abscheideräume oder durch Füllkörper
zu erreichen.
-
Auch wurden schon Verfahren zur Gegenstrombehandlung beschrieben,
bei denen die Lösungsmittel horizontal aneinander vorbeigeführt wurden, wobei sie
abwechselnd durch Mischräume, in denen sie durch Rühren in innige Berührung gebracht
wurden, und dann durch Abscheideräume geleitet wurden, in denen sie sich wieder
voneinander trennten.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen, bei
dem zwei in ihrem spezifischen Gewicht verschiedene Lösungsmittel, die ineinander
nicht oder nur teilweise löslich sind, horizontal im Gegenstrom in einer Trennungsvorrichtung
aneinander vorbeigeführt werden und das zu trennende Stoffgemisch in einer zwischen
den Ein- und Austrittsstellen der Lösungsmittel gelegenen Stelle der Vorrichtung
zugeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lösungsmittel längs einer
Zone, die ihre gesamte Berührungsfläche umfaßt, zwecks Beschleunigung der Einstellung
des Verteilungso gleichgewichts innig miteinander vermischt werden.
-
Die innige Vermischung der beiden Lösungsmittel erfolgt beispielsnveise
durch geeignete Rühranordnungen.
-
Zur Erhöhung der Trennwirkung ist es zweckmäßig, die Berührungszone
der beiden Lösungsmittel durch Trennwände, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der
Lösungsmittel angeordnet sind, in einzelne Mischräume zu unterteilen. Abweichend
von den bekannten Verfahren muß aber die Anordnung der Trennwände derart erfolgen,
daß dadurch nicht das innige Vermischen der Lösungsmittel längs ihrer gesamten Berührungsfläche
beeinträchtigt wird. Die Trennwände weisen oben und unten Durchlässe auf, wobei
in jedem Mischraum noch Leitbleche angeordnet sein können. Die Trennwände können
aber auch durchgehend sein, wobei dann über den Mischräumen je eine Abscheidevorrichtung
für das spezifisch schwerere und das spezifisch leichtere Lösungsmittel angeordnet
sind, die mit dem vorhergehenden bzxv. nachfolgenden Mischraum in Verbindung stehen.
-
Entsprechend den Verteilungskoeffizienten der zu trennenden Komponenten
in den beiden Lösungsmitteln werden die Strömungsgeschwindigkeiten derselben gewählt.
Sind die Unterschiede zwischen den Verteilungskoeffizieuten groß, dann kommt man
mit weniger Mischräumen aus, als wenn die Unterschiede nur sehr klein sind.
-
Gegenüber den bisher verwendeten, mit Pumpen arbeitenden Gegenstromverfahren
hat das vorliegende Verfahren den Vorteil, daß ohne Einsatz von Pumpen eine größere
Anzahl von Mischräumen verwendet werden kann. Infolge der längs der gesamten Berührungsfläche
der beiden aneinander vorbeiströmenden Lösungsmittel bewirkten innigen Vermischung
wird eine wesentlich größere Trennschärfe als bei den bekannten Verfahren erreicht.
Gegenüber Verfahren, die mit Treunkolonnen arbeiten, ist der Vorteil wesentlich,
daß in jedem Mischraum der Trennapparatur ein gleichmäßiges Strömungsverhältnis
der beiden Lösungsmittel gewährleistet ist. Dies ist eine für die Trennschärfe wesentliche
Voraussetzung.
-
Ronvektionsströmungen, die die Trennwirkung in Trennkolonnen herabsetzen,
können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auftreten.
-
Gegenüber den bekannten waagerechten Anordnungen hat das erfindungsgemäße
Verfahren den Vorteil, daß die Länge der Trennapparatur geringer gehalten werden
kann, da die bisher verwendeten und zwischen den Mischräumen angeordneten, für beide
Lösungsmittel gemeinsamen Abscheideräume wegfallen. Soweit Abscheideräume verwendet
werden, sind sie für jedes der beiden Lösungsmittel gesondert ober- und unterhalb
eines jeden Mischraumes angeordnet, wodurch gleichzeitig eine wirksamere Abscheidung
des in dem einen Lösungsmittel enthaltenen anderen Lösungsmittels erzielt werden
kann. Es wird auch eine einfachere Regulierbarkeit der Strömungsverhältnisse innerhalb
der Trennapparatur erreicht, denn es braucht lediglich der Zu- und Abfluß der Lösungsmittel
geregelt zu werden. Gegenüber den bisherigen Verfahren erzielt man dadurch entweder
einen größeren Durchsatz bei gleicher Zahl der Mischräume oder bei Venvendung einer
größeren Zahl von Mischräumen eine bessere Trennleistung.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle Stoffe getrennt werden,
deren Verteilungskoeffizieuten in zwei nicht oder beschränkt mischbaren Lösungsmitteln
sich merklich unterscheiden., Infolge der Anwendbarkeit einer größeren Zahl von
Mischräumen eignet sich das Verfahren auch zur Trennung von Stoffen, deren Verteilungskoeffizienten
sich nur mäßig voneinander unterscheiden.
-
Eine wesentliche Rolle spielt bei dem erfindung gemäßen Verfahren
auch das Mengenverhältnis der pro Zeiteinheit durch die Trennapparatur fließenden
Lösungsmittel. Je nach dessen Einstellung, insbesondere je nachdem; ob das Produkt
aus dem Mengenverhältnis der Lösungsmittel und dem Verteilungskoeffizienten eines
Stoffes größer oder kleiner als I ist, verläßt der Stoff die Vorrichtung mehr oder
weniger vollständig mit dem einen oder mit dem anderen Lösungsmittel.
-
Bei Mehrstoffgemischen kann jede der gewonnenen Fraktionen durch
Wiederholung des Verfahrens mit einem anderen Durchflußverhältnis weiteraufgeteilt
werden.
-
Bei schwachen Säuren oder schwachen Basen können neben den Verteilungskoeffizienten
auch Unterschiede der Dissoziationskonstanten maßgeblich zur Trennung beitragen.
Durch Verteilung der zu trennenden Substanzen zwischen einem organischen Lösungsmittel
und einer Pufferlösung voil bestimmtem pl-Wert läßt sich erreichen, daß Unterschiede
in den Produkten von Verteilungskoeffizienten und Dissoziationskonstanten eine Trennung
ermöglichen.
-
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht im wesentlichen aus einer horizontal angeordneten, in einzelne Mischräume
unterteilten Kammer, die Ein- und Ausfiußöffnungen
für das spezifisch
leichtere und das spezifisch schwerere Lösungsmittel aufweist. In der Berührungszone
der beiden Lösungsmittel ist eine durchgehende Welle angeordnet, die mit Rührern
für jede Mischzelle versehen ist. Außerdem ist zwischen den Ein- und Auslaßöffnungen
für die Lösungsmittel eine Zufuhröffnung für das zu trennende Stoffgemisch vorhanden.
-
Zwei beispielsweise erfindungsgemäße Vorrichtungen sind in den Fig.
I und 2 der Zeichnungen näher erläutert.
-
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist die Trennkammer 1 durch Querwände
2 in einzelne Mischräume 3 unterteilt. Entlang der Berührungsfläche des spezifisch
leichteren und des spezifisch schwereren Lösungsmittels ist die Welle 4 angeordnet,
die mit den Rührflügeln 5 versehen ist. Die Anzahl dieser Rührflügel entspricht
der Anzahl der vorhandenen Mischräume. Das spezifisch leichtere Lösungsmittel tritt
durch die Zufluß öffnung 6 in den oberen Teil der Trennapparatur ein und verläßt
dieselbe durch die Austrittsöffnung 7. Das spezifisch schwerere Lösungsmittel wird
über die Eintrittsöffnung 8 und die Austrittsöffnung g durch den unteren Teil der
Trennapparatur geführt. Das zu trennende Stoffgemisch fließt über die Zufuhröffnung
IO in die Trennkammer ein. Jeder Mischraum 3 steht mit zwei Abscheideräumen II,
die über ihm angeordnet sind, und zwei Abscheideräumen I2, die unter ihm angeordnet
sind, in Verbindung. In dem oberen Teil der Trennapparatur tritt die aus den beiden
Lösungsmitteln beim Durchrühren. entstehende Emulsion aus dem Mischraum 3 über die
LeitungI3 in den Abscheideraum II. Hier wird das spezifisch schwerere Lösungsmittel
abgetrennt und über die Leitung 14 in den Mischraum 3 zurückgeleitet, während das
spezifisch leichtere Lösungsmittel über die Leitung 15 dem darauffolgenden Mischraum
zugeführt wird. In dem unteren Teil der Trennapparatur wird die aus den beiden Lösungsmitteln
entstehende Emulsion aus dem Mischraum 3 über die Leitung6 in den Abscheideraum
I2 geleitet. Hier wird das spezifisch leichtere Lösungsmittel abgetrennt und über
die Leitung 17 in den Mischraum 3 zurückgeführt. Das spezifisch schwerere Lösungsmittel
geht über die Leitung in in den nachfolgenden Mischraum.
-
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 sind die Abscheideräume in die Mischräume
einbezogen. Die in der Kammer I angeordneten Trennwände 19 weisen oben und unten
Durchlässe auf, durch welche die Lösungsmittel in den jeweils anschließenden Mischraum
übertreten können. Durch den Einbau von Leitblechen 20 wird die Rückführung der
beiden Lösungsmittel in den Bereich der Rührvorrichtung bewirkt.
-
Im oberen Teil der Trennapparatur erfolgt in dem Abscheideraum 21
eine Scheidung der aus den beiden Lösungsmitteln entstehenden Emulsion. Das spezifisch
schwerere Lösungsmittel verbleibt in dem dazugehörigen Mischraum, während das spezifisch
leichtere Lösungsmittel durch den oberen Durchlaß der Trennwand 19 in den nachfolgenden
Mischraum fließt. In dem unteren Teil der Trennapparatur erfolgt die entsprechende
Trennung der aus den beiden Lösungsmitteln entstehenden Emulsion in den Abscheideräumen
22 in der Weise, daß das spezifisch leichtere Lösungsmittel in dem jeweiligen Mischraum
verbleibt, während das spezifisch schwerere Lösungsmittel durch die unteren Durchlässe
der Trennwände 19 in den anschließenden Mischraum übertritt.
-
Die Vorder- und Rückwände der erfindungsgemäßen Trennapparaturen
können aus einen durchsichtigen Material, z. B. Glas, bestehen, wodurch eine Beobachtung
der sich in der Apparatur abspielenden Vorgänge möglich ist.
-
Die Berührungsfläche zwischen den beiden Lösungsmitteln verläuft
praktisch horizontal, wenn die Lösungsmittel die Trennapparatur langsam durchströmen.
Bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten indessen treten infolge des in der Apparatur
vorhandenen Strömungswiderstandes Niveauunterschiede zwischen den einzelnen Mischräumen
auf, wie es schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Zum Ausgleich dieser Niveauunterschiede
wird die Trennapparatur zweckmäßig mit einer nicht dargestellten Kippvorrichtung
ausgestattet, die es gestattet, die vorhandenen Niveauunterschiede auszugleichen.
Dadurch wird die Berührungsfläche zwischen den beiden Lösungsmitteln wieder in allen
Mischräumen in den Bereich der Rührer gebracht.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur Befreiung von Flüssigkeiten
von darin gelösten Bestandteilen, z. B. zur Abtrennung von Alkaloiden aus Extrakten,
zur Abtrennung von Verunreinigungen aus Erdöldestillaten u. dgl., benutzt werden.
Zu diesem Zweck wird das eine der beiden Lösungsmittel durch die Flüssigkeit, aus
der man die darin enthaltenen Bestandteile abtrennen will, ersetzt. Man kann aber
auch der betreffenden Flüssigkeit noch ein Hilfslösungsmittel zusetzen. Die für
das zu trennende Stoffgemisch vorgesehene Zulauföffnung wird dann stillgelegt. Eine
derartige Arbeitsweise ist als Gegenstromextraktion mit einem selektiv wirkenden
Lösungsmittel zu betrachten.
-
Die Durchführung des vorstehenden Verfahrens,soll im folgenden an
Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
-
Beispiele I. Durch Verteilung zwischen Schwefelkohlenstoff und Methylalkohol
soll eine Mischung von Tristearin und Triolein getrennt werden. Die Trennung -wird
in einer Apparatur, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ausgeführt. Dieselbe enthält
elf Mischräume und weist ein Gesamtvolumen von etwa i6o ccm auf.
-
Die Zulaufgeschwindigkeft des Methanols beträgt 20 ccm pro Minute
und diejenige des Schwefelkohlenstoffs 2 ccm pro Minute. Dem mittelsten der vorhandenen
Mischräume wird ein Gemisch von gleichen Teilen Tristearin und Triolein in Chloroform
mit einer Geschwindigkeit von 0,2 ccm pro Minute zugeführt. Das die Apparatur verlassende
Methanol enthielt 97 °/0 des Trioleins und der Schwefelkohlenstoff 99 °/0 des Tristearins.
-
2. Die Trennung eines Gemisches, das aus einem Teil Naphthalin und
einem Teil Tetralin besteht,
wird durch Verteilung zwischen Petroläther
und 95 %igem Methanol in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 bewirkt. Das Methanol wurde
mit einer Geschwindigkeit von 19 ccm pro Minute und der Petroläther mit einer solchen
von 10 ccm pro Minute zugeführt. Die zu trennende Mischung trat in den mittleren
Mischraum mit einer Geschwindigkeit von o, ccm pro Minute ein. Das die Trennapparatur
verlassende Methanol führte über 80 % des Naphthalins und der Petroläther über 8o
01o des Tetralins mit sich.
-
3. Zur Aufteilung eines Gemisches von Phenol und seiner Homologen
durch aufeinanderfolgende Verteilung zwischen Cyclohexan und verschiedenen Pufferlösungen
wird wie folgt verfahren: a) Zwecks Abtrennung des Phenols wird in eine Trennvorrichtung
gemäß Fig. I eine Pufferlösung vom p11 6 mit einer Geschwindigkeit von 9,5 ccm pro
Minute und Cyclohexan mit einer solchen von 20 ccm pro Minute zugeführt. Das zu
trennende Gemisch wird in dem mittelsten Mischraum mit einer Geschwindigkeit von
o,S' ccm pro Minute eingeleitet.
-
95 % des Phenols gehen in die Pufferlösung, während in dem Cyclohexan
95 % p- und m-Kresol und die übrigen homologen Phenole zu über 99 % enthalten sind.
b> Die Trennung des m- und p-Kresols von den übrigen homologen Phenolen wird
in der gleichen Apparatur vorgenommen. Eine Pufferiösung von einem p= 6 wird mit
einer Geschwindigkeit von 20 ccm pro Minute und Cyclohexan mit 9,5 ccm pro Minute
zugeführt. Der Zulauf des zu trennenden Gemisches erfolgt mit einer Geschwindigkeit
von o,6 cem pro Minute. Unter diesen Bedingungen gehen m- und p-Isresol zu etwa
90 01o in die Pufferlösung. Das o-Eresol findet sich zu etwa gleichen Teilen in
den beiden Lösungsmitteln. In dem Cyclohexan sind m- und p-Äthylphenol und 3, 5-Xylenol
zu 90% und die übrigen höheren Phenolhomologen zu über 99 0,0 enthalten. c) - Die
gleiche Vorrichtung wird auch zur Trennung verschiedener Xylenole und der Äthylphenole
verwendet. Pufferlösung vom pH = = 12 wird mit einer Geschwindigkeit von 13,5 ccm
pro Minute und Cyclohexan mit 20 ccm pro Minute in die Apparatur eingeleitet. Die
Zulaufgeschwindigkeit des zu trennenden Gemisches beträgt 0,8 ccm pro Minute. p-
und m-Äthylphenol und 3, s-X-çlenol gehen zu etwa go % in die Pufferlösung. In das
Cyclohexan gehen etwa vorhandene Kresole und etwa vorhandenes Phenol zu über 99
%, o-Äthylphenol, 2, 4-Xylenol und 2, 5-Xylenol zu etwa 90 % und 2, 6-Xylenol zu
über 99 %.
-
4. Zur Reindarstellung von Dekahydronaphthalin aus einem Dekahydronaphthalin-Tetrahydronaphthalin-Naphthalin-Gemisch
mit etwa 50 % Dekahydronaphthalingehalt durch Gegenstromextraktion wird eine Vorrichtung
gemäß Fig. 1 benutzt. Das zu trennende Gemisch w wird in einer Menge von 20 Petroläther
zugegeben und diese Mischung mit einer Geschwindigkeit von 5 ccm pro Minute durch
die Vorrichtung geleitet. Als zweites Lösungsmittel wird 95 %iges Methanol veiwendet,
das mit einer Geschwindigkeit von 20 ccm pro Minute durch die Vorrichtung fließt.
Mit dem Petroläther verläßt praktisch reines Dekahydronaphthalin die Vorrichtung.
In das Methanol geht ein Gemisch, das neben wenig Dekahydronaphthalin 92 % des Tetrahydronaphthalins
und über 99 % des Naphthalins enthält.