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Verfahren zur Zerlegung von Flüssigkeitsgemischen durch Destillation
und Dekantation
Es ist bekannt, die Trennung von Flüssigkeiten, die miteinander multiple,
in der flüssigen Phase inhomogene Gemische mit ausgezeichnetem Siedepunkt bilden,
in der Weise vorzunehmen, daß z. E. aus einem Gemisch zweier derartiger Flüssigkeiten,
die mit A und B bezeichnet seien, B dadurch getrennt wird, daß das binäre Gemisch
AB in einer Trennsäule abdestilliert, kondensiert und von den sich bildenden zwei
Schichten die an B reichere entfernt wird, während die an B ärmere in die Trennsäule
zurückgelangt.
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Auf diese Weise läßt sich z. B. ein Gemisch von n-Butanol und Wasser
trennen.
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-Es ist ferner bekannt, die Trennung von Flüssigkeiten, die miteinander
multiple, in der flüssigen Phase homogene Gemische mit ausgezeichnetem Siedepunkt
bilden, in der Weise vorzunehmen, daß z. B. einem Gemisch zweier derartiger Flüssigkeiten,
die mit A und B bezeichnet seien, zum Zweck der Abtrennung von B eine dritte Flüssigkeit
C, die mit A und B ein ternäres, in der flüssigen Phase inhomogenes Gemisch ABC
mit ausgezeichnetem Siedepunkt bildet, zugesetzt, in einer Trennsäule das ternäre
Gemisch ABC abdestilliert, kondensiert und von den sich bildenden zwei Schichten
die an B reichere entfernt wird, während die an B ärmere in die Trennsäule zurückgelangt.
Auf diese Weise läßt sich z. B. ein Gemisch von Äthanol und Wasser durch Zusatz
eines sogenannten Entwässerungsmittels,
z.B. Benzol, Benzin-Benzol,
Trichloräthylen, entwässern.
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Diese bekannten Verfahren zur Trennung von Flüssigkeiten durch azeotrope
Destillation sind nur dann anwendbar, wenn die multiplen Flüssigkeitsgemische mit
ausgezeichnetem Siedepunkt in der flüssigen Phase inhomogene Gemische ergeben, also
die Zusammensetzung dieser Gemische außerhalb der Löslichkeitsgrenze bzw. innerhalb
der Mischungslücke liegt, da nur dann eine Schichtentrennung eintritt, die die Abtrennung
der an einer Flüssigkeit reicheren Schicht ermöglicht.
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Das vorliegende Verfahren erweitert die Anwendung dieser physikalischen
Gegebenheiten für die Trennung von Flüssigkeiten auch auf solche Flüssigkeitsgemische,
die multiple, in der flüssigen Phase homogene Gemische mit ausgezeichnetem Siedepunkt
bilden. Nach der Erfindung erfolgt die Zerlegung in der Weise, daß ein oder mehrere
derartige Gemische mit einem oder mehreren Gemischen, die multiple, in der flüssigen
Phase homogene oder inhomogene Gemische bilden, in solchen Mengenverhältnissen miteinander
dampfförmig oder flüssig vermischt werden, daß sich ein multiples, in der flüssigen
Phase inhomogenes Gesamtgemisch ergibt, aus dem durch Dekantation die an einer oder
mehreren Flüssigkeiten angereicherte Schicht abgetrennt und die andere Schicht in
die Destillationsvorrichtung zurückgeführt wird, während das im unteren Teil der
Destillationsvorrichtung sich ansammelnde, aus nur zwei Stoffen bestehende Flüssigkeitsgemisch
durch einfache Destillation in seine Bestandteile zerlegt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dem oben beschriebenen bekannten
Verfahren der Abtrennung mittels Hilfslösungsmittel überlegen. Bei Anwendung eines
Hilfslösungsmittels ist der Wärmebedarf gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren
wesentlich höher. Gleichzeitig erfordert die Einführung einer neuen Komponente einen
erhöhten Aufwand an Apparaturen bei der technischen Durchführung. Die Abtrennung
des Hilfslösungsmittels von den anderen Stoffen ist immer dann schwierig, wenn es
sich um die Herstellung von Stoffen handelt, an deren Reinheit erhöhte Anforderungen
gestellt werden. So läßt sich z. B. das als Hilfsmittel angewandte Benzol aus Alkohol
nur mittels Aktivkohle restlos entfernen. Alle diese Nachteile werden durch das
neue Verfahren vermieden, so daß neben der Neuartigkeit auch ein wesentlicher technischer
Fortschritt erzielt wird.
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Das Verfahren sei an Hand zweier Beispiele erläutert: Beispiel I
Es ist ein Gemisch von 20 °/0 sek.-Butanol, 40 01o sek.-Pentanol und 40% Wasser
in die drei Einzelbestandteile zu zerlegen. Die drei Stoffe bilden zwei binäre azeotrope
Gemische: sek.-Butanol-Wasser mit einem Siedepunkt von 87,5° und sek.-Pentanol-Wasser
mit einem Siedepunkt von wo,8". Weitere azeotrope Gemische zwischen den drei Komponenten
existieren nicht. Destilliert man nun das obige Gemisch in einer Kolonne, so erscheint
am Kopf der Kolonne das Gemisch mit dem niedrigsten Siedepunkt Sek.-Butanol-Wasser.
Seine Zusammensetzung beträgt 72,7 O/o sek.-Butanol, 27,3 0/1) Wasser und ist homogen.
Eine Abtrennung einer Komponente ist also nicht möglich.
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Nach dem Bekannten würde man zur Lösung der Aufgabe eine vierte Komponente,
z. 3. Benzol, zusetzen. Dabei erhält man am Kopf der Kolonne das ternäre azeotrope
Gemisch sek.-Butanol, Wasser, Benzol, das in der flüssigen Phase zwei Schichten
bildet, deren untere zum größten Teil aus Wasser besteht. Durch Dekantation läßt
sich also das Wasser abtrennen. Erfindungsgemäß ist aber der Benzolzusatz überflüssig.
Aus dem beigefügten Dreiecksdiagramm sind die Löslichkeitsverhältnisse des Systems
sek.-Butanol, sek.-Pentanol, Wasser in bekannter Weise zu entnehmen. Die Kurven
H-J und F-G grenzen das heterogene Gebiet von dem homogenen Gebiet ab. Das binäre
Gemisch sek.-Butanol-Wasser wird durch den Punkt E dargestellt und liegt demnach
im homogenen Gebiet. Das binäre azeotrope Gemisch sek.-Pentanol-Wasser entspricht
dem Punkt D und liegt im heterogenen Gebiet. Alle Mischungen der beiden einzelnen
binären Alkohol-Wasser- Gemische liegen auf der Linie E-D, die zum weitaus größten
Teil im heterogenen Gebiet verläuft (LD). Demnach bilden auch all diese Gemische
im kondensierten Zustand zwei Schichten, deren untere 80 bis 95 °/0 Wasser enthält.
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Am Kopf der Kolonne zieht man das binäre Gemisch sek.-Butanol-Wasser
und gleichzeitig aus einer unteren Zone der Kolonne das binäre Gemisch sek.-Pentanol-Wasser
ab. Diese beiden Gemische werden z. B. im Verhältnis I: 2 miteinander vermischt.
Die Vermischung kann dampfförmig geschehen, mit anschließender gemeinsamer Kondensation.
Es ist aber auch möglich, beide binäre Gemische erst zu kondensieren und die Kondensate
zu vermischen. Eine dritte Möglichkeit der Vermischung besteht darin, daß man in
bestimmter Höhe aus der Kolonne ein entsprechendes Gemisch der beiden Azeotropen
abzieht und dieses Gemisch kondensiert. Das in allen diesen Fällen aus zwei Schichten
bestehende Kondensat wird dekantiert. Die untere Schicht enthält die Hauptmenge
des Wassers. Damit ist eine der drei Komponenten abgetrennt. Die obere Schicht wird
in die Kolonne zurückgegeben. Aus dem Unterteil der Kolonne kann das Gemisch der
beiden wasserfreien Alkohole abgezogen werden. Deren Trennung bereitet nunmehr keine
Schwierigkeit und läßt sich durch einfache Destillation durchführen. Die Aufgabe
der Trennung dreier Flüssigkeiten ist somit gelöst.
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Folgendes Zahlenbeispiel gibt die Verhältnisse deutlich wieder: Einsatz:
20ovo sek.-Butanol 60 °/0 sek.-Pentanol 20 °/0 Wasser binäres Gemisch Butanol-Wasser
= 73 0/o: 27 0/ - - Pentanol-Wasser = 63 O/o: 37 Olo Butanol-Wasser: Pentanol-Wasser
= 1 : 2.
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In diesem Gemisch sind enthalten 24,4 °/0 Butanol, 4210010 Pentanol,
33,6 01o Wasser.
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Dieses Gemisch trennt sich, wie aus dem Diagramm abzulesen, in eine
obere Schicht und eine untere Schicht: 77 0in obere Schicht mit 3I,0°/o Butanol,
53,5 °/0 Pentanol, t5,5 °/0 Wasser; 23 °/0 untere Schicht mit 2,8 °/0 Butanol, 4,5
O/o Pentanol, 92,7 0/o Wasser.
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Beispiel 2 Bei der Veresterung von sek.-Butanol mit Buttersäure erhält
man ein Gemisch von sek.-Butylbutyrat, sek.-Butanol und Wasser. Man destilliert
dieses Gemisch an einer Kolonne und sieht am Kopf bei 87,in das in der flüssigen
Phase homogene ternäre azeotrope Gemisch aus 20/o sek.-Butylbutyrat, 72 jzol, sek.-Butanol
und 260/0 Wasser ab. Aus einem tieferen Teil der Kolonne sieht man gleichzeitig
das bei 95,2° siedende binäre azeotrope Gemisch aus 6o 01o sek.-Butylbutyrat und
40 °/0 Wasser ab. Die beiden Azeotropen mischt man nach Kondensation im Verhältnis
r: 1. Die hierbei entstehende obere Schicht gibt man nach Dekantation in die Kolonne
zurück.
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Die untere Schicht enthält 95,3 Olo Wasser. Dadurch ist das Gemisch
soweit an Wasser verarmt, daß sich im unteren Teil der Kolonne überschüssiger Ester
und Alkohol in wasserfreier Form anreichern und von dort durch einfache Destillation
voneinander getrennt werden können.
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Anstatt die abzutrennenden azeotrop siedenden Gemische an verschiedenen
Stellen einer Trennsäule abzuziehen und diese Gemische erst nach ihrem getrennten
Abzuge dampfförmig oder flüssig zu vermischen, kann der Abzug der azeotrop siedenden
Flüssigkeitsgemische auch in der Weise erfolgen, daß an der Abzugsstelle dieser
dampfförmigen oder flüssigen Gemische, z. B. aus einer Trennsäule, die einem bestimmten
Mischungsverhältnis dieser Gemische entsprechende Gemischsiedetemperatur innegehalten
wird.
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Die Vermischung der azeotrop siedenden Flüssigkeitsgemische kann
ferner in der Weise erfolgen, daß die abgetrennten, in der flüssigen Phase inhomogenen
azeotropen Gemische zunächst einer Schichtentrennung unterzogen und nur eine der
Schichten den anderen abgetrennten azeotropen Gemischen zur Bildung eines inhomogenen
Gesamtgemisches zugemischt werden.
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PATENTANSPROCHE: I. Verfahren zur Zerlegung von Flüssigkeitsgemischen
in ihre Bestandteile durch Destillation und Dekantation, dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Flüssigkeitsgemisch zwei oder mehrere azeotrop siedende Gemische in
solchen Mengenverhältnissen abgetrennt, gemeinsam oder für sich kondensiert und
miteinander vereinigt werden, daß das Kondensat sich in zwei Schichten trennt, von
welcher die an einer Flüssigkeitskomponente angereicherte Schicht abgezogen und
die andere Schicht in'die Destillationsvorrichtung zurückgeführt wird, während das
im unteren Teil derDestillationsvorrichtung sich ansammelnde nicht azeotrope Flüssigkeitsgemisch
durch einfache Destillation in seine Bestandteile zerlegt wird.