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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von drucklosen Destillationen
Das
Trennen von Flüssigkeitsgemischen durch Rektifikation erfolgt bisher in Kolonnen
mit nichtbeweglichen Einbauten (Glockenböden, Siebboden, festliegende FülIkörper).
Das gemeinsame Merkmal dieser Kolonnen ist das Auftreten eines Druckverlustes, der
bei manchen Destillationen, in der Hauptsache Vakuumdestillationen, nachteilig in
Erscheinung tritt.
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Es besteht also die Aufgabe, einerseits den Druckverlust innerhalb
der Kolonne möglichst weitgehend zu verringern und andererseits eine zusätzliche
Förderung der Dämpfe während des Destillationsvorganges zu erzeugen, mit dem Ziel,
eine vollständige Drucklosigkeit, gegebenenfalls Unterdruck, in der Kolonne zu erhalten.
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An eine Vorrichtung, die diese Merkmale aufweist, müssen folgende
Forderungen gestellt werden: I. Möglichst große freie Dampfquerschnitte zur Verringerung
des Strömungswiderstandes, 2. beliebig häufige Wiederholung des Austauschvorganges
im Gegenstrom oder Querstrom, 3. weitgehende Zerstäubung und wirbelnde Bewegung
der Flüssigkeit im Dampf oder Gas, 4. Verhinderung des Mitreißens von Flüssieitsteilchen
durch den Dampf von einem Boden zum anderen, 5. Vermeidung des Durchtropfens von
nicht aus getauschter Flüssigkeit auf den jeweils darunterliegenden Boden.
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Diese Forderungen werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an
einer zentral in der Kolonne angeordneten Welle Laufräder befestigt sind, die zwischen
feststehenden, nicht drehbaren Leitvorrichtungen angeordnet sind, wobei die Wirkungsweise
der letzteren darin besteht, daß die zerstäubte und an der Kolonnenwand verdichtete
Flüssigkeit wieder zentral auf das nächste darunterliegende Laufrad zurückgeführt
wird. Der eigentliche Austauschvorgang spielt sich dabei auf dem Laufrad im Querstrom
ab (nicht im Gegenstrom). Die Laufräder können erfindungsgemäß in der Weise ausgebildet
sein, daß sie auf der Oberseite als Zerstäuber der Flüssigkeit und damit als Austauscher,
auf ,der Unterseite als Abscheider von gegebenenfalls mitgerissener Flüssigkeit
und im ganzen als Fördervorrichtung für die Dämpfe. dienen. Außerdem besteht die
Möglichkeit, die vorhandenen Laufräder so auszubilden, daß' einzelne Gruppen nur
den Austausch und die Abscheidung bewirken, während andere Gruppen nur zum Fördern
des Dampfes dienen.
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Beispielsweise Ausführungsformen von Vorrichtungen gemäß der Erfindung,
die sowohl als Rektifizierkolonne als auch als Gaswäscher Verwendung finden können
und vorteilhaft als Turbodestillator bezeichnet werden, sind in den Abbildungen
dargestellt.
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Die Abb. I zeigt einen Schnitt durch eine Kolonne gemäß der Erfindung.
In dieser Kolonne ist in einem feststehenden Zylinder a eine vertikale Welle b angeordnet,
auf welcher schaufelförmig ausgebildete Laufräder c derart befestigt sind, daß sie
mit ihrer Oberkante etwas höher stehen als die jeweils zu einem Laufrad gehörenden
feststehenden Sammelringe d. In diesen Sammelringen d befinden sich, wie in Abb.
2 a dargestellt, zwei oder mehrere Öffnungen e, an denen Rücklaufrohre f angeschlossen
sind, welche in die feststehenden kreisförmigen, oben und unten offenen, vorzugsweise
zylindrischen Sammelleitungen g münden. An der rückwärtigen Seite ,der Öffnungen
e befinden sich Ablenkbleche k (vgl. Abb.2 b). Außerdem sind der Sammelring d und
die Sammelleitung g durch feststehende, rückwärts gebogene, senkrecht angeordnete
Leithleche i verbunden (Abb. 2 a und 2c), welche mit ihrer Ober- und Unterkante
bis dicht an die Laufräder c heranreichen und erfindungsgemäß zusätzlich auch gelocht
sein körinen. Die Laufräder sind entweder als nichtfördernde Zerstäubungsräder beispielsweise
in der in Abb. 3 a dargestellten- Form c1 mit halbkreisförmigen oder ähnlichen symmetrischen
Formen mit einem Horizontalsteg k in der Mitte jeder Schaufel aus gerüstet (vgl.
Abb. 3b), oder sie sind als Axialförderräder c2 nach Abb. 4 a beispielsweise in
Schaufelform gemäß der Abb. 4b ausgebildet, an deren verdichtetem Unterteil sich
schräge Abweisflächen m befinden. ~ Der Austauschvorgang geschieht fol-gendermaßen:
Die auf ein Laufrad c durch die Sammelleituntg g zentral aufgegebene Flüssigkeit
wird infolge der Zentrifugalkraft des schnell umlaufenden Laufrades c an allen Stellen
der Oberkante der Laufradschaufeln zerstäubt und in nahezu tangentialer Richtung
an die rückwärts gekrümmten Flächen der ,darüberliegenden - Leitbleche i geschleudert.
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An diesen lösen sich die Flüssigkeitsschleier in Rückwirbeln lauf
und verdichten sich durch den Aufprall wieder zu Flüssigkeitstropfen, welche infolge
der Schwerkraft an den Leitblechen i nach unten auf das Laufrad wieder herabfiießen
und hier erneut in Flüssigkeitsschleier zerteilt werden, so daß die Flüssigkeit
in stetem Wechsel zwischen Laufrad und Leitblechen i auf einem absichtlich länger
gestalteten Weg schließlich an die zylindrische Wand a der Kolonne gelangt, wo sie
auf den Sammelringen d in kreisender Bewegung weiterläuft. Von hier aus gelangt
sie mit Hilfe der Ablenkbleche h durch die Öffnungen e in die Rück-. laufrohre f
und durch diese in die zylindrische Sammelleitung g, von der aus sie wieder zentral
auf das darunterliegende Laufrad aufgegeben wird.
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Dieser Vorgang wiederholt sich stetig entsprechend der Anzahl der
Laufräder.
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Die dampf- oder gasförmige Phase bewegt sich im Kolonneninnern in
axialer Richtung von unten nach oben, wobei die Bewegungsenergie entweder durch
Differenzdruclç, wie z. B. bei der Schaufelform cr (Abb. 3 a), oder durch kinetische
Energie mittels axialer Förderung, wie z. B. durch die Schaufelräder der Form c2
(Abb. 4a), erzeugt wird.
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In letzterem Fall kann die Kolonne gegebenenfalls drucklos oder mit
Unterdruck arbeiten. Man kann die Drucklosiglceit bzw. einen Unterdruck in der Kolonne
auch dadurch erzeugen, daß ein zusätzliches, von den Laufrädern unabhängig axial
oder radial arbeitendes Gebläse unterhalb des Austauschsystems auf der gleichen
Welle b innerhalb des Zylinders a eingebaut wird.
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Wenn die Kolonne drucklos arbeitet, erfolgt der Destillationsvorgang
ohne Temperaturerhöhung in der Heizblase. Bei Unterdruck kann die Temperatur z.
B. bei Stoffen mit geringer Siedepunktserhöhung in der Heizblase sogar niedriger
sein als im Oberteil der Kolonne. Beide Fälle sind für temperaturempfindliche Stoffe
von besonderer Be -deutung. Sie erschließen neue Möglichkeiten der Destillation,
die bisher nicht durchführbar waren.
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Weisen die Leitbleche i Lochungen auf, so strömt ein Teil des Dampfes
und der in tangentialer Richtung zerstäubten Flüssigkeit durch die Löcher in den
nächstfolgenden Raum hinter den Leitblechen und erzeugt hier eine zusätzliche Durchwirbelung
von Flüssigkeit und Dampf, wobei aber die axiale Hauptströmungsrichtung der Dämpfe
überwiegt.
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Die zusätzliche Durchwirbelung von Dampf- und Flüssigkeitsteilchen
erhöht die Wirksamkeit des Austauschvorganges.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jeweils ein Laufrad c
mit dem dazugehörigen feststehenden Teil, bestehend aus Sammelring d, Rücklaufrohrenf,
Leitblechen i und zentraler Sammelleitung, als Boden im destilliertechnischen Sinn
aufgefaßt werden. Innerhalb dieses Systems erfolgt der Austausch.
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Dabei wird das Durchlaufen von Flüssigkeit durch ein Laufrad nach
unten durch die richtige, an sich belçannte Berechnung der Umdrehungszahl verhindert.
Es müssen die Zentrifugalkräfte, mit welchen die von der Mitte aus zentrifugal aufgegebenen
Flüssigkeitsteilellen, die sich über den gesamten Räderquerschnitt ausbreiten, bewegt
werden, an allen Stellen der Oberkante der Schaufeln des Laufrades beim Zerstäuben
größer sein als die Schwerliraft der Flüssigkeitsteilchen.
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In der gleichen Weise werden durch die Zentrifngalkräfte an den Unterkanten
der Schaufeln die durch die Dämpfe von unten nach oben mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen
in tangentialer Richtung abgewiesen und unterhalb des feststehenden Sammelringes
d wieder auf das darunterliegende Laufrad zurückgeschleudert, während die Dämpfe
durch das Laufrad ungehindert hindurchtreten können.
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Es findet demnach der Austausch in jedem der vorstehend als Boden
gekennzeichneten Austauschsysteme ohne Beeinflussung der darüber- oder darunterliegenden
Systeme statt. Damit ist eine der wesentlichen Ursachen für die Verschlechterung
des Austausches und damit des Verstärkungsgrades auch bei hohen Dampfgeschwindigkeiten
ausgeschaltet. Die Kolonnen können durch Ausnutzung hoher Belastung in ihren Abmessungen
kleiner gestaltet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der vorstehend beschriehenen erfindungsgemäßen
Bauweise ist in den Abb. 5, 6 a und 6b eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher
das ganze System horizontal liegt, wodurch erreicht wird, daß die bei der vertikal
angeordneten Vorrichtung für die rückläufige Bewegung der Flüssigkeit noch notwendige
Einwirkung der Schwerkraft ausgeschaltet wird. An den äußeren Kanten der auf der
Welle b sitzenden Laufräder c sind in den Räumen zwischen dem Zylinder a und den
Sammelringen d schraubenförmig gekrümmte Rückschaufeln n (im vergrößerten Maßstab
in Abt}. 6 b dargestellt) angeordnet, welche die Rücllaufhewegungen derFlü&sigkeit
in dem sonst unveränderten System übernehmen.