-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Trennung
von Mischungsbestandteilen unter Verwendung einer Trennkolonne.
-
Zur Anreicherung von Mischungsbestandteilen ist es unter anderem bereits
bekannt, die erforderliche Trennung in Rektifizierkolonnen, lonenaustauschersäulen,
Gaswäschern u. dgl. durchzuführen. Diesen Verfahren haftet aber gemeinsam der Nachteil
an, daß die Geschwindigkeit des dabei notwendigen Stoffaustausches im wesentlichen
von Diffusionsvorgängen bestimmt wird. Diese Diffusionsvorgänge erfolgen in fester
und flüssiger Phase sehr langsam und sind geschwindigkeitsbestimmend für den Stoffaustausch.
Der langsame Stoffaustausch macht wiederum häufig sehr ausgedehnte Trennanlagen
erforderlich. Demgemäß waren bisher zahlreiche, an sich wirkungsvolle Trenneffekte,
z. B. solche, die auf der Kristallisation beruhen, der Anwendung der kontinuierlichen
multiplikativen Arbeitsweise im Maßstabe des technischen Betriebes nicht zugänglich.
Entsprechendes gilt auch für Flüssig-Flüssig-Extraktionen.
-
Es ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Trennung von Mischungsbestandteilen
aus einer mindestens zweiphasigen Mischung bekannt, wobei die im mittleren Bereich
der Trennkolonne zugeführte Mischung unter Erhaltung mindestens zweier Phasen periodischen
Zustandsänderungen unterworfen wird, und die hierbei entstehenden Dichteunterschiede
der Phasen zum Transport der Mischungsbestandteile im Gegenstrom dienen.
-
Es ist auch bekannt, durch gelochte Kolben periodische Druckänderungen
zu erzeugen, vor allem einer innigen Durchmischung einer im Gegenstrom zu den Kristallen
sich bewegenden aufgeschmolzenen Phase, die das Abspülen der Mutterlauge von den
Kristallen erleichtern soll. Es handelt sich hier um
durch Kolben erzeugte
Druckschwankungen im geringen Ausmaß, die wiederum zum Zwecke des Phasentransportes
dienen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Trennung
von Mischungsbestandteilen aus einer mindestens zweiphasigen Mischung unter Verwendung
einer Trennkolonne, wobei die im mittleren Bereich der Trennkolonne zugeführte Mischung
unter Erhaltung mindestens zweier Phasen periodischen Zustandsänderungen unterworfen
wird und die hierbei entstehenden Dichteunterschiede der Phasen zum Transport der
anzureichernden Mischungsbestandteile im Gegenstrom dienen. Das Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß die periodischen Zustandsänderangen durch einheitlich innerhalb
der gesamten Trennkolonne ausgeführte Druck- und/oder Temperaturschwankungen bewirkt
wird.
-
Bei dem erfIndungsgemäßen Verfahren werden die Druckänderungen vorzugsweise
adiabatisch ausgeführt.
-
Bei diesem Verfahren erfolgen die Zustandsänderungen in einem solchen
Ausmaß, daß das Mengenverhältnis der Phasen den zeitlichen Schwankungen folgt, wobei
Vor- und Rücklauf im Trennraum den Schwankungen so angepaßt sind, daß die Dichteunterschiede
der Phasen zum Transport der anzureichernden Mischungsbestandteile ausgenutzt werden.
Die erfindungsgemäß anzuwendenden Schwankungen der physikalischen Zustandsgrößen
beziehen sich vor allem auf zeitliche Schwankungen des Druckes und/ oder der Temperatur
bzw. der hiervon abhängigen Konzentration. Ein Vorteil der Erfindung ist die erreichbare
Vergrößerung von Trennwirkungen (im Bereich der sogenannten »theoretischen
Böden«) in Trennapparaten. Bei den bisher bekannten Verfahren erfolgt nämlich die
Multiplikation der einzelnen Trennschritte dadurch, daß eine in zwei Phasen vorliegende
Mischung im Gegenstrom eine Reihe von stationären Zuständen durchläuft. Nachteilig
ist hierbei aber unter anderem, daß die miteinander in Berührung tretenden Phasen
nahezu im physikalisch-chemischen Gleichgewicht stehen und deshalb die den Trennvorgang
bedingenden Unterschiede zwischen den Aktivitäten der Komponenten in den beiden
Phasen klein bleiben. Die Erfindung gestattet es hingegen, durch periodischen Wechsel
der Betriebsbedingungen innerhalb des ganzen Trennraumes größere Abweichungen von
Gleichgewichtsbedingungen zu realisieren und hierdurch den Trennvorgang im Bereich
jedes einzelnen der theoretischen Böden des Trennraumes mehrfach zu wiederholen,
wobei die kontinuierliche Betriebsweise des Trennapparates beibehalten wird. Der
periodische Wechsel der Betriebsbedingungen führt zu Schwankungen des Phasenverhältnisses,
die eine verhältnismäßig nur geringe Entwertung der Energie bedingen.
-
überraschend und sehr vorteilhaft ist bei Anwendung der Erfindung
ferner, daß die dem kontinuierlichen Trennprozeß überlagerten zeitlichen Schwankungen
die Betriebsbedingungen nicht nur nicht stören, sondern sie sogar automatisch optimalen
Trennwirkungen anpassen. Der den bekannten stationären Verfahren gegenüber erfindungsgemäß
bestehende Vorteil höherer Umsätze pro Zeiteinheit beruht unter anderem darauf,
daß an jedem Ort des Trennraumes durch die zeitlichen periodischen Schwankungen
der Betriebsbedingungen kurzzeitig weit größere Abweichungen von den Gleichgewichtsbedingungen
auftreten, als es bei der stationären Verfahrensweise der Fall ist. Durch das Verfahren
gemäß der Erfindung wird im ganzen Trennraum ein periodischer Aufbau und Abbau der
vorhandenen Phasen herbeigeführt, wodurch der Stoffaustausch sehr beschleunigt wird.
-
Die Phasenverhältnisse sind aus dem Diagr der F i g. 1 zu entnehmen.
-
Gegeben ist eine Mischung von der Gesamtkonzentration xo bei der Temperatur
t, und dem Druck pl in Form der Phasen 1 und H. Die Konzentration einer Komponente
der Mischung in der Phase I habe den Wert yl, ihre Konzentration in der Phase II
habe den Wert xi. Wird nun z. B. durch eine adiabatische Druckänderung die Mischung
in das Gebiet des höheren Druckes p. und der sich automatisch entsprechend
einstellenden höheren Temperatur t. , gebracht, so bleibt, gemäß den unter
diesen Bedingungen anders gelagerten Phasengleichgewichten, die Phase II in ihrem
Existenzgebiet. Die Phase 1 jedoch spaltet eine gewisse Menge der Phase II
von der Konzentration x2 ab, wobei ihre eigene Konzentration von y, auf den größeren
Wert y. steigt. Werden nun die Bedingungen p, und t, genügend schnell
wieder annähernd hergestellt, so bleibt eine kleinere, aber angereicherte Menge
der Phase, I von der Zusammensetzung y2
zurück, welche durch den Gegenstrom
fortgeführt wird, während die in ihrer Menge vermehrte Phase II von der Zusammensetzung
zwischen x, und x. bei der Temperatur t, und dem Druck pl erneut die Phase
1
mit der Zusammensetzung y, abspaltet, wobei sich ihre Zusammensetzung wieder
dem Wert x, nähert.
Das Mengenverhältnis der Phasen hat sich bei
diesem Vorgang geändert.
-
Von derartigen Zyklen, die aus theoretischen Gründen als Phasenzyklen
zweiter Ordnung zu bezeichnen wären, gibt es im vorliegenden Beispiel vier verschiedene
Fälle, die entsprechend der obigen Beschreibung abzuleiten sind. Der als Beispiel
beschriebene Zyklus bliebe nur dann wirkungslos, wenn die beiden Phasen während
desselben stets im Gleichgewicht verharren würden, d. h., wenn die periodischen
Zyklen so langsam ablaufen würden, daß sich alle Konzentrationsdifferenzen innerhalb
der einzelnen Phasen ausgleichen, was indessen bei normalen Betriebsbedingungen
(im Falle des Beispiels für die Phase II) nicht der Fall ist.
-
Für die praktische Ausführung der Erfindung im Falle der Behandlung
von Gemischen mit flüssigen und gasförmigen Phasen kann etwa folgendermaßen vorgegangen
werden.
-
In einem aufsteigenden Strom zweier Gase bewegen sich abwärts Flüssigkeitstropfen,
die beide Komponenten enthalten, wobei ein langsamer Austausch der flüchtigen Komponente
aus der Flüssigkeit gegen die schwerer flüchtige Komponente aus der Gasphase stattfindet.
Wird nun eine periodische Druckschwankung ausgeführt, so kondensiert sich in der
Kompressionsperiode eine bestimmte Dampfmenge, die beide Komponenten nicht im gleichen
Verhältnis enthält, wie sie in der Flüssigkeit vorliegt. Beim Wiederabnehmen des
Druckes kommt es nicht zur Wiederverdampfung einer entsprechenden Flüssigkeitsmenge,
da infolge des inzwischen eingetretenen Transportes des Tropfens und infolge der
in der Gasphase schnell ablaufenden Diffusion der Tropfen sich bereits in einer
anderen Umgebung befindet, die reicher an der schwerflüchtigen Komponente ist. Durch
den Zyklus wird der Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit längs einer bestimmten
Wegstrecke wesentlich beschleunigt.
-
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens treten ferner besonders
deutlich hervor, wenn Gemische behandelt werden, in denen Umsetzungen zwischen der
flüssigen und festen Phase zur Anreicherung einer Komponente der Mischung vorgenommen
werden sollen, z. B. bei der Aufbereitung von Meerwasser zu Süßwasser. Bei der Durchführung
dieses Verfahrens wird beispielsweise so vorgegangen, daß in einer Kolonne, in der
sich Eiskristalle aufwärts und Sole abwärts bewegen, Druckschwankungen ausgeführt
werden. Bei Zunahme des Druckes schmilzt eine gewisse Menge des noch salzhaltigen
Eises zu salzarmem Wasser. Dabei tritt, bedingt durch die benötigte Schmelzwärme
des Eises, eine entsprechende Abkühlung ein. Sinkt der Druck wieder, so entsteht
aus dieser salzarmen Lösung ein wesentlich salzärmeres Eis, das dem Strom der absteigenden
Sole entgegen in salzärmere Schichten aufsteigt. Die hierbei frei werdende Schmelzwärme
läßt die Temperatur wieder ansteigen. Beim nächsten Druckstoß schmilzt dieses salzärmere
Eis abermals, diesmal jedoch in salzärmerer Umgebung, und aus dieser erneut salzärmer
gewordenen Lösung entsteht bei der folgenden Entspannung ein noch reineres Eis.
Den Druckschwankungen folgt wegen des Verbrauchs bzw. des Freiwerdens der Schmelzwärme
des Eises die Temperatur im Trennraum entsprechend dem p-T-Diagramm des Wassers.
-
Die gleiche Wirkung läßt sich, mit umgekehrter Stromeinrichtung der
Phase, bei solchen Stoffen erzielen, bei welchen eine Drucksteigerung die Kristallisation
und eine Druckerniedrigung das Schmelzen herbeiführt.
-
Eine Anlage zur Durchführung der Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser
ist der schematischen F i g. 2 zu entnehmen.
-
In einer Kolonne 1 befinden sich Einbauten, z. B. gelochte
Böden oder räumlich vermaschte Siebe 2. An die Kolonne sind der Zulauf
3 für das aufzubereitende Meerwasser, der überlauf 4 für das gewonnene Süßwasser
und der Ablauf 5 für die ablaufende Sole angeschlossen. Die drei Leitungen
3, 4, 5 führen durch einen Wärmeaustauscher 6. In die Leitung
3
sind ein Kompressor 7, in die Leitungen 4 und 5 je
eine Entspannungseinrichtung
8 bzw. 9 eingesetzt. Ein Teil der in den Entspannungseinrichtungen
8, 9
anfallenden Energie wird in nicht näher veranschaulichter Weise auf den
Kompressor 7 übertragen und deckt einen Teil der benötigten Kompressorleistung.
Die Anlage arbeitet beispielsweise wie folgt: In der Kolonne befindet sich bereits
ein Gemisch von Eis und Salzlösung bei einer Temperatur von -4' C und demgemäß
Atmosphärendruck. In die Leitung 3 wird Meerwasser eingespeist und mittels
des Kompressors 7 auf den Betriebsdruck von z. B. 200 atü komprimiert. Der
Druck kann niedriger oder höher sein. Im Wärmeaustauscher 6 wird das Meerwasser
gleichzeitig z. B. auf -61 C abgekühlt.
-
Wird der Meerwasserzulauf 3 geöffnet, so steigt der Druck in
der Kolonne auf die erwähnten, z. B. 200 atü. Hierdurch wird das Eis in der Kolonne
zum Schmelzen gebracht, wobei gleichzeitig eine Ab-
kühlung um - 21
C eintritt. Da der Salzgehalt des Eises bekanntlich infolge anhaftender Schichten
und infolge von Einschlüssen 10 1/o des Salzgehaltes der Mutterlauge beträgt,
tritt eine Erniedrigung des Salzgehaltes der Lösung in der Schmelzzone im Verhältnis
von 10: 1 ein.
-
Wenn gewisse Mengen Eiskristalle, die sich infolge ihres Gewichtsauftriebes
unterhalb des nächsthöheren, eine Sperre für sie bildenden Bodens angesammelt haben,
geschmolzen sind, wird bei noch zulaufendem, komprimiertem Meerwasser ein Teil des
im oberen Abschnitt der Kolonne angesammelten leichteren Süßwassers durch den überlauf
4 hindurch herausgepreßt. Nach Abschalten des überlaufes 4 wird die Kolonne durch
öffnen des Ablaufs 5 entspannt, wobei der Druck in der Kolonne auf Atmosphärendruck
zurückgeht und gleichzeitig die Temperatur wieder auf - 41 C ansteigt.
Hierbei bildet sich auf jedem Boden eine gewisse Menge Eis, die bis zum nächsthöheren
Boden aufsteigt und von diesem angehalten wird. Der beschriebene Verfahrenszyklus
kann kontinuierlich wiederholt werden.
-
Die Temperatur des aus der Kolonne herausgepreßten Süßwassers beträgt
etwa -6' C, und das Wasser kommt etwa mit dieser Temperatur am Wärmeaustauscher
an. Die Temperatur der Sole im Leistungsstrang zwischen Kolonne 1 und Wärmeaustauscher
6 liegt zwischen - 6 und - 4' C; zu Beginn des beschriebenen
Arbeitsspieles beträgt sie etwa - 61 C, steigt während des Spieles an und
liegt am Ende des Spieles etwa bei - 41 C.
-
Das ohne weiteres verständliche, der Deutlichkeit halber schematisierte
Zustandsdiagramm gemäß der F i
g. 3, mit den Koordinaten Druck, Temperatur
und Zusammensetzung der Wasser-Kochsalz-Mischungen,
läßt den im
folgenden Zustands-- und Arbeitsschema gekennzeichneten Arbeitsablauf erkennen.
| Arbeitsschema |
| für die Abtrennung von Wasser aus Salzlösungen |
| Zustand |
| im Operation |
| Trennraum |
| pl, t, Zulauf und Schmelzen durch Druck |
| p2, t2 Zulauf und Überlauf |
| P21 t2 Ablauf, Erstarren und Rücklauf |
| pl, t, |
Die ablaufende Sole kann ihrerseits zur Gewinnung z. B. von Kochsalz, Magnesiumsalz,
Bromsalz und anderen in ihr enthaltenen Stoffen nutzbringend verwertet werden.