DE971236C - Verfahren zur Abtrennung von mindestens einer Komponente aus Gas-, Dampf- oder Fluessigkeitsgemischen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 31. DEZEMBER 1958

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von mindestens einer Komponente aus einer aus Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsgemischen, welche auch feste Stoffe enthalten können, bestehenden Phase mit Hilfe einer Absorptions- bzw. Extraktionsflüssigkeit als anderer Phase, wobei derartige Gemische und die Absorptions- bzw. Extraktionsflüssigkeit im Gegenstrom zueinander geführt und in Teilströmen durch parallele Kanäle geleitet werden; ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit parallelen, im wesentlichen senkrechten, unter sich gleichen Kanälen, in denen sowohl das Gemisch als auch die Abtrennflüssigkeit in getrennten Teilströmen geführt und im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht sind.

Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen dieser Art läßt man eine gasförmige Phase in unregelmäßiger Strömung, nämlich in Form von Blasen oder unter Einlage von Füllkörpern oder systematisch sich auf der ganzen Länge erweiternden und wieder ver- ao engenden Einbauten, durch die abwärts strömende Flüssigkeit hindurch oder an ihr vorbei nach oben steigen. Die Gasblasen bahnen sich dabei infolge des geringen spezifischen Gewichtes des Gases im Vergleich zu der Flüssigkeit irgendeinen sich zufällig ergebenden, as unregelmäßigen Weg durch die Flüssigkeit hindurch, wie er in ähnlicher Weise auch durch Füllkörper oder Einbauten entsteht.

Demgegenüber besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß das Gemisch und die Absorptions-

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bzw. Extraktionsflüssigkeit in jedem Teilstrom einen ununterbrochenen Strom bilden und die Absorptionsbzw. Extraktionsflüssigkeit am Ende eines jeden Teilstromes so zugeführt wird, daß sie nur entlang der Innenfläche der Kanäle fließt und das Gemisch auf der ganzen Länge der Kanäle umschließt. In weiterer Erfindung sind bei der zugehörigen Vorrichtung am oberen Ende jedes Kanals eine mit ihrem unteren Ende nach der Kanalinnenwandung hin gebogene Kapillare ίο oder ein Ringspalt zur Zuführung der spezifisch schwereren Phase und getrennt davon eine weitere Öffnung zur Abführung der spezifisch leichteren Phase angebracht, während das untere Ende jedes Kanals entweder schräg abgeschnitten oder mit einer in den Kanal hineinragenden, zur Zuführung der spezifisch leichteren Phase benutzten Kapillare versehen ist, die in den Kanal derart hineinragt, daß zwischen ihr und dem Kanalende eine ringförmige, zur Abführung der spezifisch schwereren Phase verwendete Öffnung frei gelassen ist.

Bei dem neuen Verfahren und der Vorrichtung sind die Teilströme beider Phasen auf dem ganzen Austauschweg ununterbrochen, und die eine Phase wird von der anderen überall gleichmäßig umschlossen, so daß sich — im Gegensatz zu den erwähnten bekannten Verfahren und Vorrichtungen — in Längsrichtung der Kanäle keine der Phasen durchmischt, sondern beide Phasen während des Stoffaustausches vollkommen ruhig strömen. Die Gasphase findet auf ihrem Aufwärtsweg auch keinen Widerstand durch die abwärts strömende Flüssigkeitsphase. Es läßt sich dann höhere Austauschstufenzahl je Längeneinheit erzielen. Besonders bei Wahl enger Kanäle ist in der Vorrichtung wegen des dünnen Flüssigkeitsfilms in jedem Zeitpunkt insgesamt nur sehr wenig Substanz enthalten. Die Stufenzahlen können dadurch weiter erhöht werden. Eine Unterbrechung oder das Zerreißen des durch eine schwerere, abwärts fließende Phase gebildeten Flüssigkeitsfilms durch eine aufsteigende, leichtere Flüssigkeitsphase läßt sich etwa dadurch vermeiden, daß die Kanalinnenwandungen einen Überzug erhalten, welcher von der der Wand entlang strömenden Flüssigkeit vollkommen, von der dieser Flüssigkeit entgegen strömenden Flüssigkeit jedoch nicht benetzt wird, oder daß der Kanal selbst aus einem Material besteht, das sich hinsichtlich der Benetzung durch die beiden in Betracht kommenden Flüssigkeitsphasen so verhält.

Weitere Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung und den Ansprüchen. Es zeigt Fig. ι eine auf Grund von Absorption arbeitende Trennvorrichtung,

Fig. 2 eine auf Grund von Extraktion arbeitende abgewandelte Bauart einer Trennvorrichtung entsprechend der Erfindung.

Die mit 30 bezeichnete Vorrichtung nach Fig. 1 hat ein Bündel von Rohren 31, die gasdicht durch die Böden 32, 33 und 34 hindurchgeführt sind und die durch Zwischenboden 35 gestützt werden. Das untere Ende der Absorptionssäule 30 bildet der Sammelraum 36 mit dem Eintrittsstutzen 37 für das Gas oder den Dampf und der durch das Absperrventil 38 abschließbaren Ablaufleitung 39. Zwischen dem Sammelraum 36 und den Rohren 31 sind Siebboden vorgesehen, zwischen denen gegebenenfalls eine Füllkörperschicht 41 eingebracht ist und die zum gleichmäßigen Verteilen des Gasgemisches über alle Rohre 31 dient. Zwischen den Böden 33 und 34 ist der Entnahmeraum 42 vorgesehen, mit dem jedes der Rohre 31 mittels eines Austrittsstützens 43 verbunden ist. Nach Bedarf können den Stutzen 43 Kapillaren aufgesetzt werden. Das von der zu absorbierenden Komponente befreite Gas gelangt in den Entnahmeraum 42 und entströmt der Vorrichtung durch die Leitung 44 und wird einem Sammel- oder Verbrauchsort zugeführt oder auch nur ins Freie geleitet.

Die Absorptionsflüssigkeit tritt durch den Stutzen 45 in den Raum 46, wo sie durch den Niveauregler, den in der Höhe einstellbaren Überlauf 47 mit der Ablaufleitung 48, auf konstanter Höhe gehalten wird. Es kann dies beispielsweise auch ein Schwimmer sein, welcher das Ventil 49 je nach Bedarf mehr oder weniger aufmacht. Jedes Rohr 31 des Rohrbündels ist am oberen Ende mit der Kapillare 50 versehen, welche hakenförmig umgebogen ist, so daß die Eintrittsöffnung nach unten liegt. Die Rohre 31 sind im Boden 34 am oberen Ende durch eine in einer Vertiefung liegende Dichtung gegen den Raum 42 abgeschlossen.

Wenn es sich um den Austausch zwischen zwei Flüssigkeiten handelt, ist eine Vorrichtung nach Fig. 2 für eine solche Trennung erforderlich. Die Vorrichtung hat ebenfalls ein Rohrbündel aus Rohren 51, von denen nur eines gezeichnet ist, und sowohl unterhalb als auch oberhalb j e zwei gegeneinander abgedichtete Räume 52, 53, 54 und 55. Diese Räume sind mit Zu- und Abführstutzen 56, 57, 58 und 59 versehen. Vom Raum 52 zum Innern jedes Rohres 51 führt ein Rohr 60, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres 51. Das obere Ende der Rohre 60 kann düsenförmig ausgebildet sein. Ringspalte 61 verbinden das Innere jedes Rohres 51 mit dem Raum 54. Die Rohre 51 münden in den Raum 55. Die Leitung 58 verbindet das Gefäß 62 mit Extraktionsmittel mit dem Raum 54.

Außer den Rohrboden 63 bis 66 sind noch Siebboden 67 im Raum 52 zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit auf alle Rohre 60 angeordnet.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 tritt das Gas- oder Dampfgemisch als eine Phase durch den Stutzen 37 in den Raum 36 und durchquert die Siebboden 40 und die Füllkörperschicht 41, so daß es sich gleichmäßig auf alle Rohre 31 des Rohrbündels verteilt und gemäß den ausgezogen gezeichneten Pfeilen nach oben strömt. An derer erseits wird über die Leitung 45 die Ab-Sorptionsflüssigkeit, die andere Phase, in den Raum 46 angeleitet; das Niveau wird durch den Überlauf 47, der verstellbar ist, eingestellt.

Durch die Kapillaren 50 tritt nun pro Zeiteinheit infolge des konstant gehaltenen Flüssigkeitsniveaus dne ganz bestimmte Menge Absorptionsflüssigkeit in jedes der Rohre 31 und verteilt sich längs der inneren Rohrwandung, so daß die Absorptionsflüssigkeit im Gegenstrom zum Gasgemisch geleitet wird.

Die Rohre 31 haben einen zu ihrer Länge kleinen Durchmesser. Dieses Verhältnis kann aber stark

variieren und sowohl z. B. ι: io als auch ι: io ooo betragen.

Auf der ganzen Länge der Rohre 31 findet nun ein Austausch zwischen dem Gasgemisch und der Ab-Sorptionsflüssigkeit statt, indem das zu absorbierende Gas oder der Dampf sich aus dem Gemisch ausscheidet und von der Flüssigkeit absorbiert wird. Je höher das Gas aufsteigt, desto ärmer wird es an der zu absorbierenden Komponente, und je tiefer unten sich die Absorptionsflüssigkeit befindet, desto reicher ist sie an dieser ausgeschiedenen Komponente. Der Restteil des Gemisches, der meist nur aus Gas oder Dampf bestehen wird, der von dem Absorptionsmittel praktisch nicht absorbiert wird, entweicht aus den Rohren 31 durch die Stutzen 43 in den Raum 42 und von dort über die Leitung 44 ins Freie an einen Sammel- oder an einen Verbrauchsort.

Die herabfließende Absorptionsflüssigkeit fließt unten aus den Rohren 31 aus, die schräg abgeschnitten sind, damit sich die Flüssigkeit an einer Stelle der Rohrwandung sammelt und das Bilden eines den Rohrquerschnitt ausfüllenden Flüssigkeitspfropfens am unteren Ende des Rohres verhindert, der den Eintritt von Gas unmöglich machen und das betreffende Rohr außer Wirkung setzen würde. Die mit der absorbierten Komponente gesättigte Flüssigkeit sammelt sich im Raum 36 und wird selbsttätig oder durch Handbedienung durch Öffnen des Ventils 38 in die Leitung 39 abgelassen. Die Leitung 68 mit dem Ventil 69 kann zum Entlüften des Raumes 46 dienen, oder es kann ein Druckgas zugeführt werden, um einen bestimmten Gasüberdruck im Raum 46 gegenüber dem Druck in den Rohren 31 einstellen und damit die durch die Kapillaren 50 abfließende Menge bei allen Rohren 31 genau gleich und in der Zeit unverändert halten zu können.

Soll die Absorption bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt werden, so kann die Trennvorrichtung 30 mit einem Heiz- oder einem Kühlmantel umgeben sein, der sich auf diese Temperatur einstellen läßt.

Durch die Kapillaren 50, die am Ende von jedem Trennrohr 31 aufgeschraubt sind, wird die Flüssigkeit deshalb auf alle Rohre gleichmäßig verteilt, weil sie als Drosselstellen wirksam sind, zu deren Überwindung eine gleichmäßige Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Raum 46 aufrechterhalten werden kann. Dies geht auch dann, wenn an Stelle der Flüssigkeitssäule ein konstanter Gasdruck im Raum 46 aufrechterhalten wird. Durch das Umbiegen der oberen Enden der Kapillaren 50 um i8o° mit der Eintrittsöffnung nach unten wird verhindert, daß sie durch schwebende, gröbere Verunreinigungen in der Absorptionsflüssigkeit verstopft werden könnten, da diese sich absetzen könnten. Am unteren Ende sind die Kapillaren 50 schwach gegen die Wandung der Rohre 31 so abgebogen, daß die Flüssigkeit nicht durch die Rohrweite abtropft, sondern längs der Wand fließt. Zweckmäßig ist dazu die Austrittsöffnung der Kapillaren 50 gegen die Wand gerichtet mit einem kleinen Zwischenspalt. Enthält das am unteren Ende der Säule sekundlich eintretende Gasvolumen Vg die zu absorbierende Komponente in der Konzentration c₀, so wird diese infolge der Absorption durch die herunterfließende Flüssigkeit (sekundlich einströmendes Flüssigkeitsvolumen Vf) beim Aufsteigen durch die Absorptions- röhren ständig erniedrigt und beträgt beim Austritt am oberen Ende noch c_e.

Der Verteilungskoeffizient (reziproke Löslichkeit) der Komponente zwischen Flüssigkeits- und Gasphase im Gleichgewichtszustand sei k. Er ist gegeben durch die Beziehung:

Konzentration im Gas

Konzentration in der Flüssigkeit

Cig

1 ⁷S

Die Löslichkeit _Ύ des Gases ist dann einfach gegeben

durch die Anzahl cm³ Gas vom oben herrschenden Partialdruck, die sich in 1 cm³ Absorptionsmittel auflösen. Die Größe —, also Konzentration an zu ab-

Ce

sorbierender Komponente beim Eintritt dividiert durch die entsprechende beim Austritt, ist ein Maß für die mit einer bestimmten Anordnung erreichte Trennung. Um die Trennung überhaupt verwirklichen zu

können, muß das Phasenstromverhältnis

= φ

größer sein, als das minimale Phasenstromverhältnis <p_min, wobei gilt:

c_e"

= k [τ

(Das so definierte Phasenstromverhältnis φ steht in Analogie zum Rücklaufverhältnis R bei der Destillation, nur daß hier das Volumen- und nicht das Mengenverhältnis von Rücklauf zu Entnahme auftritt.) Für eine bestimmte Trennung, charakterisiert durch

^ce„

muß bei einem Phasenstromverhältnis von ψ > <p_m{n die Betriebszahl (berechenbar aus den Säulendaten und Betriebsbedingungen)

2 D₁L

n_w =

ü-r*

größer gewählt werden als die effektiv erforderliche Zahl von Ausschüttelungen

log

nett =

log 1 +

Dabei liegt n_eff vorzugsweise zwischen

2D₁L

^± = nw und 0,1 nw-

ü-r²: f

Es bedeutet für die Berechnung von n_w

D₁ = Diffusionskonstante in der Gasphase (c · g ■ s), L = Röhrenlänge (cm),

= lichter Radius der Rohre (cm), ü = mittlere Geschwindigkeit des aufsteigenden Gases (cm see"¹),

dimensionsloser Faktor, wobei normalerweise gilt:

K / < io

f berücksichtigt die Diffusion in der flüssigen Phase und ist gegeben durch den Ausdruck

j _

D₁ φ

K₂ = Diffusionskonstante in der Flüssigkeit, s = Dicke der herabströmenden Flüssigkeitsschicht.

Dem Trennapparat 30 kann durch die Leitung 37 z. B. CO₂-haltige Luft zugeführt und in den Rohren 31 mit K₂CO₃-Lösung in Berührung gebracht werden, wobei eine chemische Bindung entsteht und die restliche Luft in die Umgebung entweicht. Es kann auch HCl-Gas mit H₂O in Kontakt gebracht oder Benzol aus Leuchtgas durch Paraffinöl absorbiert werden.

Beispiel

Absorption von Chlor aus Luft durch Wasser bei 20⁰C.

Chlorkonzentration beim Eintritt C₀ = io~² Mol/l. Zugelassene Endkonzentration (beim Austritt) c_e = ίο"⁶ Mol/l.

Mit dem Verteilungskoeffizient K = 0,36 ergab sich ein minimales Phasenstromverhältnis von y_min = 0,36; das wirklich eingestellte betrug φ = 0,5.

Bei einer effektiven Zahl von Ausschüttelungen von n_eff = 10,5 ergab sich eine Betriebszahl von ηψ = 27,5. Der Faktor / war / = 10.

Bei einem Eintritt von 700 cm³ Gas/sec und einem Flüssigkeitsstrom von 350 cm³ Wasser/sec wurde die Chlorkonzentration von c₀ = io~² auf c_e = io~⁶ Mol/l erniedrigt.

Um aus einem Flüssigkeitsgemisch eine bestimmte Komponente zu extrahieren, wird dieses Gemisch bei der Vorrichtung nach Fig. 2 entweder unten durch den Stutzen 56 oder oben aus dem Gefäß 62 durch den Stutzen 58 zugeführt. Die eine, spezifisch schwerere Flüssigkeit, die von oben den Rohren 51 zugeführt wird, fließt durch den Ringspalt 61 an der Wand jedes Rohres 51 entlang, und die andere steigt in der Mitte desselben durch die Rohre 60 hoch. Auch hier findet die Extraktion auf der ganzen Länge der Rohre 51 statt. Wenn die Extraktionsflüssigkeit oben zugeführt wird, fließt sie unten aus dem ringförmigen Spalt hinaus und wird über den Stutzen 57 abgeführt. Die in der Rohrmitte aufsteigende leichtere Flüssigkeit belädt sich unterwegs mit der zu extrahierenden Komponente und tritt in den Raum 55. Sämtliche den Boden 63 durchquerende Rohre 60 sind auf gleiche Länge abzuschneiden. Beim Zusammensetzen der Kolonne sollen sie sich zentrisch in die Rohre 51 einfügen.

Wenn die leichtere Flüssigkeitskomponente sich unterwegs in den Rohren 51 mit der zu extrahierenden Flüssigkeit belädt und in den Raum 55 eintritt, wird sie über die Leitung 59 dem Verbrauchs- oder einem weiteren Aufbereitungsort zugeführt. Es ist aber je nach dem spezifischen Gewicht des Flüssigkeitsgemisches mit der zu extrahierenden Komponente einerseits, des Extraktionsmittels anderseits ebenso gut möglich, das Lösungsmittel von oben nach unten und die Lösung von unten nach oben strömen zu lassen als umgekehrt.

Für die Berechnung der Trennung durch Extraktion gilt dasselbe wie bei der Absorption. Ist

C₁ II

der Verteilungskoeffizient der zu extrahierenden Komponente (1) in den flüssigen Phasen I und II, c₀ die Eintrittskonzentration (z. B. in Phase I), c_e die Austrittskonzentration in derselben Phase, so kann eine

Extraktion, charakterisiert durch den Wert von —, nur

erreicht werden, wenn das Phasenstromverhältnis

F II

Ψ =

größer ist als

V I

<Pmin = k I —

Die Betriebszahl n_w, in die bei Fig. 2 im Gegensatz zur Fig. ι Düsendaten, Durchmesser und Geschwindigkeit von erzeugten Tröpfchen oder Strahlen eingehen, wird wiederum:

n_w = ι —

\c_e

Beispiel

Bei der Extraktion von Phenol in Wasser durch Tetrachlorkohlenstoff fließt der Tetrachlorkohlenstoff (CCl₄) als extrahierende Phase II mit dem spezifischen Gewicht 1,59 von oben nach unten im Gegenstrom zur aufströmenden wässerigen Phenollösung als Phase I mit dem spezifischen Gewicht 1.

Die Anfangskonzentration c₀ von Phenol in Wasser betrug c₀ = 0,5 Mol/l. Mit dem Verteilungskoeffizient

7 C» Phenol ia Wasser /-

CphenolinCCl₄

ergab sich ein minimales Phasenstromverhältnis von <Pmin = ^x.63 für die Absorption auf 1 °/₀. Mit einem gewählten Phasenstromverhältnis von φ — 2 und der Betriebszahl nw — 17 betrug die Endkonzentration c_e in der wässerigen Phase noch 4 · 10 ~³ Mol/l. Bei einer Menge von 400 cm³ wässeriger Phenollösung pro Sekunde mußten in derselben Zeit 800 cm³ Tetrachlorkohlenstoff die Apparatur passieren.

Feste Stoffe können in geeignetem Verteilungsgrad durch eine Transportvorrichtung in den Flüssigkeitsteilströmen geführt werden. Durch dieselbe Anordnung kann aber auch ein in dem Gemisch enthaltener pulveriger Stoff durch die Extraktionsflüssigkeit extrahiert werden. Ferner kann die Extraktion eines Be-Standteiles des Gemisches durch das Extraktionsmittel die Folge bzw. Begleiterscheinung einer zwischen Extraktionsmittel und Gemischbestandteil stattfindenden chemischen Reaktion sein. Ein Beispiel hierfür bietet die Entfernung von Kohlensäure aus einem Gemisch durch wässerige NaOH-Lösungen oder die

Auswaschung einer gebundenen Säure durch basische Extraktionsmittel infolge Austauschreaktionen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Abtrennung von mindestens einer Komponente aus einer aus Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsgemischen, welche auch feste Stoffe enthalten können, bestehenden Phase mit Hilfe einer Absorptions- bzw. Extraktionsflüssigkeit als anderer Phase, wobei derartige Gemische und die Absorptions- bzw. Extraktionsflüssigkeit im Gegenstrom zueinander geführt und in Teilströmen durch parallele Kanäle geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch und die Absorptionsbzw. Extraktionsflüssigkeit in jedem Teilstrom einen ununterbrochenen Strom bilden und die Absorptions- bzw. Extraktionsfiüssigkeit am Ende eines jeden Teilstromes so zugeführt wird, daß sie nur entlang der Innenfläche der Kanäle fließt und das Gemisch auf der ganzen Länge der Kanäle umschließt.

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß zu den Teilströmen durch Kapillaren oder durch Rohre mit düsenförmigem, oberem Ende bei konstanter hydraulischer Druckhöhe zwecks gleichmäßiger Verteilung auf die Teilströme erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß zu den Teilströmen des Absorptions- bzw. Extraktionsmittels unter einem das Mittel belastenden, konstanten, pneumatischen Druck erfolgt.

4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit parallelen, im wesentlichen senkrechten, unter sich gleichen Kanälen, in denen sowohl das Gemisch als auch die Abtrennflüssigkeit in getrennten Teilströmen geführt und im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende jedes Kanals (31, 51) eine mit ihrem unteren Ende nach der Kanalinnenwandung hin gebogene Kapillare (50) oder ein Ringspalt (61) zur Zuführung der spezifisch schwereren Phase und getrennt davon eine weitere Öffnung (43) zur Abführung der spezifisch leichteren Phase angebracht sind, während das untere Ende jedes Kanals entweder schräg abgeschnitten oder mit einer in den Kanal hineinragenden, zur Zuführung der spezifisch leichteren Phase benutzten Kapillare (60) versehen ist, die in den Kanal derart hineinragt, daß zwischen ihr und dem Kanalende eine ringförmige, zur Abführung der spezifisch schwereren Phase verwendete Öffnung frei gelassen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 130151, 353 553, 694, 550 255» 645 545, 682 293, 7" 016;

G. Claude,»Air liquide, Oxygene, Azote, Gaz rares«, 2. Auflage, 1926, S. 351;

M. Cay, »Distillation et Rectification«, 1935, S. 227;

Arbeit von Kremser in »National Petroleum News«, 43, 1930, S. 43ff.;

Arbeit von Sauders und Brown in »Industrial and Engineering Chemistry« ν. Mai 1932, S. 519;

Nelson, »Petroleum Refinery Engineering«, 1941.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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