Die Erfindung betrifft einen Kolonnen-Stoffaustauschapparat. Solche Apparate dienen zur Durchführung von Stoffaustauschprozessen oder heterogenen chemischen Reaktionen, die durch Stoffaustausch limitiert sind.
Bekannt ist ein Kolonnen-Stoffaustauschapparat, der einen Füllkörper enthält, der quer zum Gehäuse übereinander angeordnete Scheiben aufweist, die mit Öffnungen und mit zu den Scheiben geneigten Leitschaufeln versehen sind, ferner mit Antriebsmitteln zur Erzeugung hin und her gehender Bewegungen in Arbeitsmedien sowie mit Stutzen zur Zuleitung und Ableitung von Arbeitsmedien.
Bei diesem bekannten Apparat sind die Horizontalscheiben mit auf konzentrischen Kreisen befindlichen Öffnungen versehen. Angrenzend an die Öffnungen sind beiderseits der Scheibe parallel zueinander und zur Scheibenebene geneigt liegende Schaufeln vorhanden, mittels denen die Arbeitsmedien geleitet werden.
Der bekannte Apparat ist mit einem Pulsator verbunden, der eine hin und her gehende Bewegung der Arbeitsmedien gegenüber den Scheiben erzeugt. Der bekannte Apparat weist ebenfalls Zu- und Ableitungsstutzen für Arbeitsmedien auf.
Bei der Impulsgabe durch den Pulsator strömen die Arbeitsmedien durch die Öffnungen der Scheiben und erfahren durch die Leitschaufeln eine kreisende Bewegung um die Längsachse des Apparates, wobei die kreisenden Bewegungsrichtungen der Arbeitsmedien in den durch zwei benachbarte Scheiben gebildeten benachbarten Sektionen einander entgegengesetzt sind. Als Ergebnis der Wechselwirkung der kreisenden Bewegungen der Arbeitsmedien und deren Bewegung längs des Apparates findet in jeder der übereinander liegenden Sektionen eine schraubenförmige Bewegung der Arbeitsmedien statt, die die Wechseleinwirkung von verschiedenen Phasen aufeinander steigert.
Der bekannte Apparat besitzt jedoch ein verhältnismässig geringes Leistungsvermögen und ungenügende Wirksamkeit, wodurch sich die Notwendigkeit ergibt, Apparate mit grossen Abmessungen zu schaffen. Das Leistungsvermögen des bekannten Apparates ist auf die Grösse des lichten Gesamtquerschnitts der Scheibenöffnungen beschränkt. Durch die kreisende Bewegung der Arbeitsmedien tritt in den Räumen zwischen benachbarten Scheiben unter dem Einfluss von Fliehkräften eine Phasentrennung auf, die sich auf die Arbeitsweise des Apparates nachteilig auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolonnen-Stoffaustauschapparat zu schaffen, mit dem die erwähnten Nachteile vermieden werden können. Die Scheiben des Füllkörpers sollen einen hinreichend grossen lichten Querschnitt aufweisen können und trotzdem soll der unerwünschte Effekt zentrifugaler Phasentrennung vermieden werden können. Dies würde gestatten, die Leistung und die Wirksamkeit des Apparates zu erhöhen, ohne dass dessen Abmessungen im Vergleich zu den bekannten Apparaten vergrössert werden muss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Teil des Randes jeder Scheibe in unmittelbarer Nähe der Wand des Apparategehäuses liegt und dass zwischen dem entgegengesetzten Randteil der Scheibe und der Wand des Gehäuses ein Spalt vorhanden ist, wobei die Spalte zwischen den Wänden des Gehäuses und je zweier benachbarter Scheiben an den diametral entgegengesetzten Randteilen der zwei Scheiben angeordnet sind.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Kolonnen-Stoffaustauschapparat im Teillängsschnitt,
Fig. 2, 3 und 4 Ausführungsvarianten von Füllkörperscheiben.
Der Kolonnen-Stoffaustauschapparat hat ein Gehäuse 1, einen oberen Absetzraum 2, einen unteren Absetzraum 3, einen Zuleitungsstutzen 4 und einen Ableitungsstutzen 5 für eine leichte Phase, sowie einen Zuleitungsstutzen 6 und einen Ableitungsstutzen 7 für eine schwere Phase sowie einen Stutzen 8, der an einen nicht dargestellten Verdichter zum Aufbauen des Arbeitsdrucks im Apparat angeschlossen ist.
Im Gehäuse 1 des Apparates befindet sich ein Füllkörper, der quer zum Gehäuse 1 übereinander angeordnete Scheiben 9 (Fig. 1, 2) oder Scheiben 9' (Fig. 3) oder Scheiben 9" (Fig. 4) aufweist.
Zum Erreichen von gegenseitigen hin und her gehenden Bewegungen eines Arbeitsmediums, z. B. eines Reaktionsmittels und der Scheiben 9 sind die letzteren an einer in Längsrichtung des Apparates verschiebbaren Stange 10 befestigt. Letztere ist in Führungsbuchsen 11 und 12 gelagert und im Gehäuse 1 mit einer Stopfbuchse 13 abgedichtet. Die Stange 10 steht mit einem Schwingungserzeuger in Verbindung, der mit einem Unwuchtantrieb 14 arbeitet und somit etwa Sinusschwingungen erzeugt.
Gegenseitige hin und her gehende Bewegungen in den Arbeitsmedien und der Scheiben 9 kann ebenfalls dae rcb erfolgen, dass die Arbeitsmedien mittels eines Pulsators in Pulsationsbewegung gebracht werden und somit geradlinige Impulse erzeugt. Im letzteren Fall sind die Füllkörperscheiben am Apparategehäuse befestigt (diese Ausführungsvariante des Apparates ist in der Zeichnung nicht dargestellt).
Zwischen einem Teil des Randes jeder Scheibe 9 und der Wand des Gehäuses 1 liegt ein Spalt 15. Die zwischen solchen Randteilen von je zwei benachbarten Scheiben 9 und den Wänden des Gehäuses 1 befindlichen Spalte 15 liegen einander entgegengesetzt, so dass die Bewegung der durch diese Spalte 15 strömenden Arbeitsmedien nach der Höhe des Apparates zickzackförmig ist. Zwecks Bildung der Spalte 15 kann von den Scheiben eine Sehne abgeschnitten werden, wie z. B.
bei den Scheiben 9 und 9" (Fig. 2, 4). Die Scheiben können aber auch einen kleineren Durchmesser als das Innere des Gehäuses 1 aufweisen und mit einem Randteil unmittelbar bei der Gehäusewand liegen, wie z. B. die Scheibe 9' nach Fig. 3.
Die Scheiben 9, 9' und 9" haben Öffnungen 16, an die geneigt zur Scheibenebene liegende Leitschaufeln 17 angrenzen.
Die Öffnungen 16 können z. B. eine rechteckige Form aufweisen. Die Leitschaufeln 17 dienen zur Richtungsgebung der Bewegung von Arbeitsmedien in den Räumen zwischen den benachbarten Scheiben.
Je nach der erforderlichen Fliessbewegung kontinuierlicher und disperser Phasen können die Leitschaufeln 17, wie Fig. 3 zeigt, nach einer Seite orientiert oder, wie aus Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, auf Kreisbahnen liegen.
Die Wirkungsweise des erläuterten Apparates ist wie folgt.
Die schwere Phase, die über den Stutzen 6 und die leichte Phase, die über den Stutzen 4 einläuft, fliessen im Apparat im Gegenstrom zueinander. Die durch den Unwuchtantrieb 14 erzeugte Schwingbewegung der Stange 10 wird auf die Scheiben 9 übertragen.
Durch das Vorhandensein der Scheiben 9, welche zwischen ihren Randteilen und dem Gehäuse 1 nach der Höhe der Kolonne abwechselnde Spalte 15 bilden, erfolgt die Bewegung einer kontinuierlichen Phase vorzugsweise durch die genannten Spalte 15 und hat in Längsrichtung des Apparates einen Zickzackverlauf. Dabei führt die kontinuierliche Phase in den Räumen (Sektionen) zwischen je nvei benachbarten Scheiben 9 eine Bewegung quer zum Gehäuse 1 aus.
Die Bewegung einer dispersen Phase erfolgt im Apparat vorzugsweise durch die Öffnungen 16 der Scheiben 9.
Beim Schwingen der Scheiben 9 und damit der Arbeitsmedien finden Schläge der Arbeitsmedien gegen die Scheiben 9 statt, die ein intensives Brechen der dispersen Phase bewirken. Gleichzeitig verleihen die Leitschaufeln 17 der dispersen Phase eine Bewegung in einer zur Axialrichtung des Apparates quer liegenden Ebene, wobei die Bewegungsart durch die Orientierung der Leitschaufeln 17 gegeben ist. Die Leitschaufeln 17 jeweils benachbarter Scheiben 9 sind entgegengesetzt orientiert, so dass die Querbewegung der dispersen Phase in den beiden benachbarten Räumen zwischen den benachbarten Scheiben 9 in entgegengesetzten Richtungen erfolgt.
Die Orientierung der Leitschaufeln 17 und Öffnungen 16 in Richtung des Spaltes 15 nach Fig. 3 bewirkt, dass im Raum zwischen den benachbarten Scheiben 9 eine geradlinige Bewegung der dispersen Phase entsteht, die vorzugsweise durch die Öffnungen 16 in den Scheiben 9 strömt. Je nach den gegenseitigen Richtungen der Querbewegung der dispersen Phase und der Querbewegung einer kontinuierlichen Phase in den Räumen zwischen den Scheiben kann ein örtlicher Gleichstrom, Gegenstrom bzw. örtlicher Kreuzstrom der kontinuierlichen und dispersen Phase entstehen.
Bei der Orientierung der Leitschaufeln 17 auf Kreisbahnen (Fig. 2, 4) erfährt die disperse Phase in den Räumen zwischen den benachbarten Scheiben 9 bzw. 9" eine kreisende Laufrichtung, wie dies in Fig. 4 mit Pfeilen a gezeigt ist. Mit
Pfeilen b ist in Fig. 4 die Querbewegung einer kontinuierli chen Phase von einem Spalt 15 zum anderen in Richtung der Höhe des Apparates gezeigt. Als Ergebnis der Wechselwirkung von kreisender Bewegung der dispersen Phase und von geradliniger Bewegung der kontinuierlichen Phase ent steht im Zwischenraum der Scheiben eine zusammengesetzte
Bewegung, die bei der Scheibe 9" in der Hälfte A einen dem
Gleichstrom und in der Hälfte B einen dem Gegenstrom na hen Charakter hat. Bei einer derartigen Phasenbewegung ist der Einfluss von zentrifugaler Phasentrennung auf ein
Mindestmass herabgesetzt.
Die örtliche Gleichstrom-Fliessbewegung der zusammen wirkenden Phasen bewirkt die Förderung der Phasen durch den Apparat und bringt eine wesentliche Erhöhung dessen
Leistungsvermögen mit sich.
Die Gegenstrom- und Kreuzstrom-Bewegung der Phasen erhöht das Retentionsvermögen nach disperser Phase, bewirkt eine intensive Zerkleinerung und Vermischung der Phasen und einen intensiven Stoffaustausch. Obwohl die Fläche der Füllkörperscheiben 9, 9' oder 9" geringer als die lichte Querschnittsfläche des Gehäuses 1 ist, ist der Wirkungsgrad der Scheiben durch die Gegen- und Kreuzstrom-Bewegung grösser, als wenn die Scheiben den lichten Querschnitt des Gehäuses 1 ganz ausfüllen würden.
Die Möglichkeit, unterschiedliche Strömungsverhältnisse je nach der gestellten Aufgabe zu schaffen, erweitert beträchtlich den Anwendungsbereich des erläuterten Stoffaustauschapparates.