DE4212444A1 - Verfahren zur fluessigkeitsentfernung durch verdampfung unter vermindertem druck gekennzeichnet durch zufuhr von frischgas in den trocknungsraum unter erhalt definierter begasungsbedingungen - Google Patents

Description

Verfahren zur Flüssigkeitsentfernung durch Verdampfung unter vermindertem Druck gekennzeichnet durch Zufuhr von Frischgas in den Trocknungsraum unter Erhalt definierter Begasungsbedingungen (Gaszusammensetzung, Gasvolumen/Zelteinheit, Druck, Temperatur, zeitlich abgestufte Vakuumeinwirkung).

Stand der Technik

Ausgehend vom Verfahren der Vakuumdestillation und -sublimation werden Flüssigkeiten dadurch verdampft, daß man den einwirkenden Druck soweit erniedrigt, daß der Dampfdruck der Flüssigkeit dem äußeren Druck entspricht. Dadurch verdampft die Flüssigkeit weit unterhalb ihrer Siedetemperatur bei Normaldruck (Wärmeverlust führt zur Abkühlung und Erstarrung bei entsprechender Wärmeisolierung: Gefriertrocknung). Dabei bildet sich über der Flüssigkeit auch im Vakuum eine Zone, die entsprechend dem thermodynamischen Verdampfungsgleichgewicht bei konstantem Druck und konstanter Temperatur gesättigten Dampf enthält. Die Zusammensetzung dieses Sättigungsdampfes ist bei konstantem Druck lediglich eine Funktion der Temperatur (Gleichung von Clausius-Clapeyron: d In p= Δ Hv/R·d(1/T) mit p : Sättigungsdampfdruck, DHv : molare Verdampfungsenthalpie, R : allg. Gaskonstante und T : absolute Temperatur; in dieser Form nur für Reinstoffsysteme gültig: aber auch für Mischphasen gelten entsprechend erweiterte Zusammenhänge; vgl. auch Moore, w. j., Hummel, D.: Physikalische Chemie 3. Aufl., S. 250 ff.).

Bei den bislang üblichen Vakuumtrocknungen wird dieses Sättigungsverdampfungsgleichgewicht lediglich durch Abdiffusion von Dampfmolekülen in den Anschlußstutzen der Vakuumpumpe gestört.. Dadurch kommt letztlich die Trocknung zustande. Die Vakuumpumpe "pumpt" nicht die verdampfenden Moleküle ab; sie sorgt lediglich für einen verminderten, aber konstanten Enddruck, bei dem sich das oben beschriebene Verdampfungsgleichgewicht ausbildet.

Schon bei der Vakuumdestillation kennt man das Problem des Siedeverzugs; bei den Vakuumtrocknungsverfahren begegnet man Verlusten durch Verspritzen: indem man die zu trocknenden Proben während der Trocknung in rotierenden Probenhaltern (Zentrifugen) beläßt. Durch die Zentrifugalkraft soll das Verspritzen der Lösungen vermieden werden.

Um den im Vakuum geringeren Wärmetransport zu den Proben zu verbessern, wird der Trockenraum impulsweise belüftet; daraus resultiert eine größere Wärmeübertragung.

Kritik

• 1) Durch das Anlegen des Vakuums wird zwar prinzipiell der Verdampfungsprozeß beschleunigt, aber nach Ausbildung eines thermodynamischen Gleichgewichtszustandes zwischen Flüssigkeit und Gasphase im Trocknungsraum werden Lösungsmittelmoleküle nur durch Diffusion abtransportiert; Folge ist ein zeitlich aufwendiger Trocknungsprozeß.
• 2) Die einzige Anpassungsmöglichkeit der derzeitigen Trocknungssysteme an das Trocknungsproblem besteht in einer Gasballastzufuhr in die Vakuumpumpe hinter der Trocknungsstelle und damit Verringerung des wirksamen Vakuums an der Probe.
• 3) Eine impulsweise Belüftung des Trocknungsraumes birgt folgende Nachteile:
  • a) Ausbildung unkontrollierter Turbulenzen,
  • b) undefinierte Wärmeübertragung zu den Proben,
  • c) Schädigung luftempfindlicher Probenbestandteile.

Problem:

Dem Patentanspruch liegt das Problem zugrunde, den Trocknungsprozeß zeitlich und qualitativ zu optimieren unter maximalem Schutz der Proben vor Verlusten (u. a. wichtig für analytische Verfahren besonders im Mikrobereich).

Erzielbare Vorteile

• 1) Durch die Begasung des Trocknungsraumes bei laufender Vakuumpumpe findet ein kontinuierlicher Massentransport in die angeschlossene Kühlfalle statt; Gleichgewichte zwischen flüssiger und gasförmiger Phase werden fortlaufend gestört, es kann sich kein Sättigungsdampf über der zu entfernenden Flüssigkeit ausbilden. Daraus resultiert eine erhebliche Verringerung der Trocknungszeit.
• 2) Durch die Zufuhr von Gas beliebiger Zusammensetzung können die Proben optimal vor Gaseinwirkungen geschützt (Zufuhr von Inert - oder Schutzgas oder bewußt solchen ausgesetzt werden.
• 3) Durch genaue Anpassung der Trocknungsbedingungen (Gaszusammensetzung, Gasvolumen/Zeit, Druck, Temperatur, zeitlich abgestufte Vakuumeinwirkung) an die jeweilige Zusammensetzung der zu trocknenden Proben kann die Substanzgewinnung maximiert werden. Sonstige Regulationen des Vakuums (z. B. durch Modifikation der Vakuumpumpe) sind nicht ausgeschlossen.

Verfahren zur Flüssigkeitsentfernung durch Verdampfung unter vermindertem Druck gekennzeichnet durch Zufuhr von Frischgas in den Trocknungsraum unter Erhalt definierter Begasungsbedingungen (Gaszusammensetzung, Gasvolumen/Zeiteinheit, Druck, Temperatur, zeitlich abgestufte Vakuumeinwirkung).

Zeichnung

Das im Patentanspruch formulierte Prinzip ist nicht auf eine technische Realisierung und Anwendung beschränkt.

Claims (5)

1. Optimierung der Materialtrocknung unter Vakuum durch Ver­ meidung stationärer thermodynamischer Verdampfungsgleichgewichte gekennzeichnet durch Frischgaszufuhr in die Trocknungskammer unter Erhalt definierter Bedingungen bezüglich Gaszusammensetzung, Gasvolumen/Zeiteinheit, Druck, Temperatur, zeitlich und im Druckverlauf variabel abgestufter Vakuumeinwirkung. Unter Frischgas sind allgemein Reingase oder Gasgemische zu verstehen, in denen der Partialdampfdruck der zu verdampfenden Flüssigkeit unter dem bei den speziellen Trocknungsbedingungen (Druck, Temperatur) sich einstellenden Gleichgewichtspartialdruck liegen. Dies ist z. B. der Fall, wenn bei der Verdampfung von acetonitrilhaltigen Flüssigkeiten die Trocknung bei Raumtemperatur und einem Vakuum von 0,05 Pa unter Zufuhr von Reinststickstoff geführt wird; in diesem Gas besteht kein Partialdruck an Acetonitril. Die verwendete Vakuumpumpe muß bei geschlossener Frischgaszufuhr ein deutlich höheres Vakuum als der oben genannte Arbeitsdruck erzeugen; dadurch ist gewährleistet, daß zur Erreichung des Arbeitsdruckes eine ausreichende Menge Frischgas zugeführt werden kann, ohne das Vakuum zu weit zu verringern.

2. Schutz der zu trocknenden nichtflüchtigen Güter vor Substanzverlust durch Siedeverzug während der Vakuumeinwirkung durch variabel gestaltete Frischgaszufuhr in die Trockenkammer (Def. von Frischgas siehe Patent­ anspruch 1).

3. Schutz der zu trocknenden nichtflüchtigen Güter vor Einwirkung von Spurenbestandteilen in der Gasatmosphäre während der Trocknung durch Verdrängung derselben durch Zufuhr von Inertgas unter Aufrechterhaltung des Vakuums und definierter Begasungsbedingungen.

4. Verbesserung des Wärmetransportes durch Konvektion zu den Trocknungsgütern durch kontinuierliche Frischgaszufuhr definierter Temperatur unter Erhalt definierter Vakuum- und Begasungsbedingungen. Dadurch wird eine Abkühlung oder Erwärmung der Trockengüter während der Trocknung schnell und regelbar möglich.

5. Bewußtes Aussetzen des Trocknungsgutes gegenüber Wirkungen des zugeführten Frischgases (z. B. Oxidation, Reduktion, allgemeine chem. Reaktionen, Sterilisation) während des Trocknungsprozesses unter Erhalt definierter Vakuum- und Begasungsbediengungen.