DE69103822T2

DE69103822T2 - Pulsierende Kolonne mit Füllung in Körben.

Info

Publication number: DE69103822T2
Application number: DE69103822T
Authority: DE
Inventors: Alain Hanssens; Michel Morin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1991-06-19
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2011-06-20
Also published as: CA2044912A1; EP0462897B1; FR2663558B1; US5145577A; EP0462897A1; FR2663558A1; DE69103822D1

Description

Die Erfindung betrifft die Pulsationskolonnen zur Herstellung eines Austausches oder einer Extraktion zwischen einer festen Phase und einer flüssigen Phase, im allgemeinen in Gegenstromrichtung zirkulierend. Das Ergebnis der in den Pulsationskolonnen hergestellten intensiven Mischung ist der Austausch oder die Übertragung eines Produkts, wie etwa eines gelösten Stoffes, von einer Phase in die andere. So ist es möglich, Ionenaustauscher zu verwenden, um Bestandteile zu extrahieren, die in wäßrigen Lösungen vorhanden sind, vor allem in der Naßmetallurgie oder auf dem Nahrungsmittel Sektor.
Die Pulsationskolonnen umfassen im allgemeinen einen Oberteil, versehen mit einem Eingang der schweren bzw. schwerflüchtigen Phase, d.h. der festen Phase, und einem Ausgang der leichtflüchtigen bzw. leichten Phase, d.h. der flüssigen Phase. Der Austausch erfolgt im Laufe des jeweiligen Sinkens und Steigens der beiden Phasen in einem zylindrischen Mittelteil mit vertikaler Achse, versehen mit einer Ausstattung, die den Kontakt zwischen den beiden Phasen begünstigt. Ein Unterteil schließt den Mittelteil ab und umfaßt einen Eingang der leichten Phase und einen Ausgang der schweren Phase. Die Effizienz der Überführung eines Produkts wie eines gelösten Stoffes von einer Phase in die andere, hängt insbesondere ab von der Qualität des Kontakts zwischen den beteiligten Phasen. Die Kolonne ist folglich ausgestattet mit einer Pulsationsvorrichtung, die ermöglicht, eine kontinuierliche Hin- und Herbewegung des aus den beiden Phasen, der flüssigen und der festen, gebildeten Ganzen zu erzeugen.
Bei Betrieb der Pulsationskolonne sinkt die schwere Phase durch Schwerkraft und die leicht Phase steigt. Die Ausstattungen werden im allgemeinen gebildet durch perforierte Platten oder Schikanen, die temporäre Hindernisse bilden für die direkte Fließbewegung der beiden Phasen. Die Pulsierungen, die der Mischung mitgeteilt wurden, begünstigen den Konatakt zwischen den beiden Phasen.
Generell müssen die Fest-Flüssig-Extraktions- Kontaktzeiten lang sein, denn die Austauskinetik ist langsam. Es ist folglich erforderlich, die Pulsationskolonnen mit großer Höhe auszulegen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Die feste Phase, eingeführt am Kolonnenkopf, zirkuliert nämlich mittels Schwerkraft, indem sie, eins nach dem andern und zu schnell, die verschiedenen Hindernisse überwindet, die die Ausstattung des Inneren der Pulsationskolonne bilden.
Das Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen durch Veränderung des Austattungskonzepts der Fest- Flüssig-Pulsationskolonnen, um höhere Aufenthaltszeiten der festen Phase in der Pulsationskolonne gewährleisten zu können, wobei die für die Überführung des zu extrahierenden, gelösten Stoffes erforderlichen Schüttelbedingungen berücksichtigt werden.
Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung eine Austausch-Pulsationskolonne zwischen einer flüssigen Phase und einer festen Phase, umfassend:
- ein Kolonnengehäuse, in dessen Innerem eine Ausstattung angeordnet ist, die den Kontakt zwischen der flüssigen und der festen Phase begünstigt;
- Pulsationseinrichtungen des aus der flüssigen Phase und der festen Phase gebildeten Ganzen mittels einer ersten Pulsation von geringer Energie aber hoher Frequenz.
Erfindungsgemäß ist die Ausstattung ein Stapel mit abwechslungsweise horizontalen Körben und Kränzen, so daß die feste Phase nacheinander die Körbe füllt und durch die Kränze fließt in dem Maße, wie sie im Innern des Kolönnengehäuses nach unten sinkt. Um das Absinken der festen Phase zu steuern, sind Pulsationseinrichtungen vorgesehen, um Pulsationen mit hoher Energie aber niedriger Frequenz zu liefern, die ermöglichen, zu bestimmten Zeitpunkten die Elemente der festen Phase aus einem Korb zu entleeren, so daß sie in den darunter befindlichen Korb fallen.
Auf diese Weise ist es möglich, die Aufenthaltszeit eines bestimmten Quantums der festen Phase in einem Korb unter Kontrolle zu bringen und ebenso den Aufenthalt der festen Phase in der Pulsationskolonne zu regulieren.
Vorzugsweise wird der Stapel hergestellt mittels mehreren peripheren Säulen, die angeordnet sind im Innern des Kolonnengehäuses und in deren Mitte die Körbe und die Kränze gleitend angebracht sind.
Um die Körbe und die Kränze untereinander zu positionieren, verwendet man Abstandshülsen, um die Säulen.
Jeder Korb umfaßt vorzugsweise einen perforierten Boden. Jeder Kranz kann ein zentrales Loch enthalten, um die feste Phase in der Mitte des Behälters am Ausgang jedes Korbs zu kanalisieren. Die aus einem Korb austretende feste Phase fällt somit unvermeidlich in den direkt darunter befindlichen Korb.
Die vorliegende Erfindung und ihre verschiedenen Chararkteristika werden besser verstanden durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, bebildert durch Figuren, die jeweils darstellen:
- die Figur 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Pulsationskolonne, deren Funktionsweise schematisierend;
- die Figur 2 einen perspektivischen Teilschnitt der erfindungsgemäßen Pulsationskolonne, den Aufbau der Ausstattung detaillierend.
Die Pulsationskolonne der Figur 1 umfaßt hauptsächlich den Behälter 2 der Kolonne, mit vertikaler Achse 1, in dessen Innerem der Austausch stattfindet, überragt von einem oberen Dekanter 4 und ruhend auf einem unteren Dekanter 6.
Auf bekannte Weise umfaßt der obere Dekanter 4 einen oberen Eingang 8 der schweren Phase, im vorliegenden Fall der festen Phase. Er besitzt ebenfalls einen oberen Ausgang 10 der leichten Phase, im vorliegenden Fall der flüssigen Phase. Auf analoge Weise umfaßt der untere Dekanter einen unteren Ausgang 14 der festen Phase und einen unteren Eingang 12 der flüssigen Phase.
Pulsationseinrichtungen sind schematisiert durch einen Rohransatz 16, der in den unteren Teil des Behälters 2 mündet und verbunden ist mit einer ersten Druckluftquelle 18. Diese Pulsationseinrichtungen ermöglichen, in dem Behälter einen periodischen Druck auszuüben auf die Mischung der flüssigen Phase und der festen Phase, um ihnen eine Hin- und Herbewegung zu verleihen. Die Pulsation ist von geringer Energie aber von relativ hoher Frequenz, um eine Fluidisierung der festen Teilchen innerhalb der Flüssigkeit zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird die Ausstattung des Behälters 2 gebildet durch einen Stapel aus mehreren Körben 20 und, dazwischen eingefügt, Kränzen 22. Jeder Korb ist horizontal und nach oben offen. Über dem ersten Korb 20a befindet sich vorzugsweise ein erster Kranz 22A.
Jeder Kranz 22 (22A und 22B) ist durchdrungen von einem zentralen Loch 24 (24A, 24B). Die aus dem oberen Eingang 8 austretende feste Phase fließt folglich durch das erste Zentralloch 24A des ersten Kranzes 22A, wie die oberen Pfeile zeigen. Auf diese Weise beginnt die feste Phase den ersten Korb 20A zu füllen. Die feste Phase füllt nach und nach diesen Korb und ist dabei ständig der Pulsation mit schwacher Energie aber hoher Frequenz ausgesetzt. Der Austausch zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase ist infolgedessen wirksam während dieses Füllens.
Erfindungsgemäß verfügt die Pulsationskolonne über Pulsationseinrichtungen, die in der Lage sind, mit einstellbaren Perioden, eine Pulsation mit hoher Energie zu erzeugen. Diese zweiten Pulsationseinrichtungen werden symbolisiert durch eine zweite Druckluftquelle 26, verbunden mit dem Rohransatz 16. Somit wird, wenn der erste Korb 20A einmal gefüllt ist, ein starker Impuls geliefert durch die Pulsationseinrichtungen, im vorliegenden Fall die zweite Druckluftquelle 26, damit der Inhalt dieses Korbes 20A vollständig ausgestoßen wird, um außerhalb von diesem herunterzufallen. Jeder Korb 20 hat nämlich einen Außendurchmesser D1 kleiner als der Innendurchmesser D2 des Behälters 2. Das dann ausgestoßene feste Material wird durch den zweiten Kranz 22B geleitet. Nachdem sie das zweite Loch 24B durchquert hat, fällt die feste Phase durch Schwerkraft in den zweiten Korb 20B.
Der Prozeß wird wiederholt, um im Rythmus von starken, von der zweiten Druckluftquelle 26 ausgehenden Pulsationen mittels Schwerkraft die feste Phase übergehen zu lassen von einem Korb in den anderen.
Man versteht, daß es möglich ist, den Rythmus des Absinkens der festen Phase zu regeln und folglich die Austauschzeit dieser festen Phase mit der flüssigen Phase in jedem Korb 20 zu kontrollieren. Während ihres Aufenthalts in dem Korb 20 wird die feste Phase konstant in Fluidisierungsbedingungen gehalten, die günstig sind für den Austausch von Material mit der flüssigen Phase. Die Größe der Pulsationen mit geringer Energie ist nicht ausreichend, die in jedem der Körbe angesammelte feste Phase zu entleeren.
Es ist möglich, die Geometrie und den Raumbedarf von jedem Korb 20 und von jedem Kranz 22 zu wählen. Es ist auch mögliche die Frequenz von jeder der beiden Pulsationsarten einzustellen. Die Stellung und die Befestigung der Körbe 20 und der Kränze 22 wird vorzugsweise mit Hilfe von Säulen 25 verwirklicht. Diese sind am Umfang des durch den Behälter 2 begrenzten Innenvolumens angeordnet. Die Körbe besitzen periphere Führungen 29, gebildet durch Überschiebrohre, die an die zylindrische Struktur der Körbe 20 geschweißt sind. Die Säulen 25 und die Führungen 29 sind Vertikalachsen 28 entsprechend ausgerichtet. Da die Stellung der Führungen 29 übereinstimmt mit der Stellung der Säulen 25 ist es möglich, einen Stapel aus Körben 20 zu bilden durch Aufreihen von Führungen 29 auf den Säulen 25.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführung sind drei Säulen 25 vorhanden, winkelmäßig versetzt um 120º um die Hauptachse 1 des Behälters 2 herum. Dies bildet nur ein Ausführungsbeispiel.
Die Montage der Kränze 22 erfolgt auf dieselbe Weise mit Hilfe der Säulen 25. Durchgänge 32 sind in den Kränzen 22 vorgesehen in örtlicher Übereinstimmung mit den Säulen 29, d.h. auf die Vertikalachsen 28 der Säulen 25 zentriert. Die Kränze 22 sind somit Teil des Stapels der Körbe 20.
Die höhenmäßige Beabstandung der Körbe 20 und der Kränze 22 wird hergestellt durch Distanzstücke 27. Diese können ebenfalls gebildet werden durch Überschiebrohre, die auf die Säulen 25 geschoben werden können. Die Ausstattung kann z.B. hergestellt werden durch sukzessives Aufeinanderstapeln von einem Distanzstück, einem Korb, einem Distanzstück, einem Kranz, einem Distanzstück, einem Korb, einem Distanzstück, einem Kranz, und so weiter.
Die Wahl der Beabstandung der die Ausstattung bildenden Körbe und Kränze und die Steuerung der Pulsationen ermöglicht, in der Kolonne unterschiedliche und einstellbare Werte für die Aufenthaltszeit der festen Phase im Innern des Behälters zu erhalten.
In Figur 2 wurde der Boden 21 des Korbes 20 partiell dargestellt, versehen mit Öffnungen 30. Vorzugsweise kann der Boden 21 jedes Korbs 20 hergestellt werden mittels einer perforierten Platte oder einem Metall- oder Kunststoffgewebe, das den Durchgang der flüssigen Phase erlaubt, jedoch die feste Phase im Innern des Korbs 20 zurückhält. Die Durchmesser der Öffnungen 30 sind folglich kleiner als der Großteil der festen Partikel, die die schwere Phase bilden.
Der Außendurchmesser eines Kranzes 22 entspricht vorzugsweise dem Innendurchmesser D2 des Behälters 2.
Dieses Ausstattungskonzept ist leicht adaptierbar an eine aus Ionenaustauscher oder jedem anderen zerteilten festen Körper bestehende feste Phase, spektrumkalibriert (calibré en spectre) und für eine flüssige Phase hinsichtlich der Naßinetallurgie oder den Nahrungsmittelaktivitäten.
Der Aufenhalt der festen Phase in der Pulsationskolonne für Extraktion ist beträchtlich erhöht in bezug auf die Verwendung einer Austattung bzw. Packung mit Schikanen (garnissage chicané). Diese Technik ist insbesondere interessant bei der Eluierung von Ionenaustauschern, wo die Übergangskinetiken im allgemeinen langsam sind.
Es ist somit möglich, Anlagen zu verwenden, deren Kolonnenhöhe üblicherweise sechs Meter nicht überschreitet.
Die Pulsationseinrichtungen wurden durch zwei unterschiedliche Druckluftquellen 18 und 26 dargestellt. Dies ist nur ein Ausführungsbeispiel, wobei eine gemischte, pneumatische oder mechanische Vorrichtung ebenfalls verwendet werden kann.

Claims

1. Pulsierende Austauschkolonne, welche mit einer flüssigen Phase und einer festen Phase arbeitet, umfassend

- einen Kolonnenkörper (2), in dessen Innerem sich ein Einbau befindet, um den Austausch zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase zu unterstützen, und

- Pulsationseinrichtungen (18) für die Gesamtheit der flüssigen Phase und der festen Phase mittels einer ersten Pulsation mit niedriger Energie, aber erhöhter Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau eine alternierende Aufschichtung von Körben (20, 20A, 20B) und horizontalen Kreisringen (22, 22A, 22B) ist, damit die feste Phase nacheinander die Körbe (20, 20A, 20B) füllt und in dem Mäße die Kreisringe (22, 22A, 22B) durchquert, wie sie im Inneren des Kolonnenkörpers (2) niedersteigt, wobei Pulsationseinrichtungen (26) Pulsationen mit hoher Energie, aber niedriger Frequenz erzeugen, die es gestatten, zu vorbestimmten Zeitpunkten die Bestandteile der festen Phase aus einem Korb (20A) abzuziehen, damit sie in den Korb fallen, der sich genau darunter (20B) befindet.

2. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Pfosten (25) umfaßt, die im Innern des Kolonnenkörpers (2) am Rande angebracht sind und inmitten von denen die Körbe (20, 20A, 20B) und die Kreisringe (22, 22A, 22B) verschiebbar befestigt sind.

3. Kolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Abstandsstücke (27) umfaßt, welche um die Pfosten (25) herum befestigt sind, um die Körbe (20, 20A, 20B) und die Kreisringe (22, 22A, 22B) in fester Stellung zueinander zu halten.

4. Kolonne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Korb (20, 20A, 20B) einen gelochten Boden (21) umfaßt.

5. Kolonne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreisring (22, 22A, 22B) eine zentrale Öffnung (24, 24A, 24B) umfaßt, um die feste Phase in der Mitte des Kolonnenkörpers (2) an den Ausgang jedes Korbes (20, 20A, 20B) zu leiten.