DE1804060B2

DE1804060B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Be schleumgung der Trennung der Phasengeiu sehe bei der Flussig Flussig Extraktion

Info

Publication number: DE1804060B2
Application number: DE19681804060
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl Ing 6000 Frankfurt Groß Hans Werner Dr 6079 Buchschlag Schwedler
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1968-10-19
Filing date: 1968-10-19
Publication date: 1971-02-18
Also published as: IL33083A0; DE1804060A1; NL6914390A; SE348115B; RO55318A; BE740467A; IL33083A; GB1224950A; FR2021060A1

Description

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Bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Mischer die polare Phase eine relativ hohe Leitfähigkeit hat und Abscheider wird die im Mischer erzeugte Di- oder das Phasengemisch einen hohen Anteil an stark spersion im Abscheider wieder getrennt. In einem polarer Phase enthält, leicht eine Phaseninversion System, das aus mehreren bintereinandergeschalteten eintritt, nach der die schwach polare Phase als Di-Extraktionsstufen besteht, wird der Durchsatz durch 5 spersionsphase in der stark polaren Kontinuitätsdie Trenngeschwindigkeit der Dispersion in den Ab- phase vorliegt. Bei Pbasengemischen, in denen die scheidem bestimmt. Niedrige Trenngeschwindigkeit stärker polare Komponente die Kontinuitätsphase erfordert große Abscheider und damit viel Lösungs- bildet, tritt zwischen der spannungsführenden Elekmittel für die Füllung des Extraktors. trode und Erde ein hoher Stromfluß auf, der eine

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Er- io weitere Emulgierung der Phasen ineinander bewirkt,

höhung der Trenngeschwradigkeit der Dispersion in also der Phasentrennung entgegenwirkt. Auch wenn

den Abscheidern einer Flüssig-Flüssig-Extraktion mit einem schwachen elektrischen Feld von nur

durch Einwirkung eines elektrischen Feldes. 1 Volt/cm gearbeitet wird, kann eine Inversion nicht

Es ist bekannt, die Trennung von Dispersionen sicher vermieden werden. In dem bekannten Verzweier flüssiger Phasen im elektrischen Feld bei der 15 fahren soll die Ausbildung der Inversion dadurch Rohölentsalzung und der Raffination von Ölen mit vermieden werden, daß die an die Elektroden anwässerigen Säuren oder Laugen anzuwenden. Das gelegte Spannung in kurzen etwa gleichen Zeitdabei zu trennende Phasengemisch enthält das Was- abständen abwechselnd aus- und eingeschaltet wird, ser oder die wässerige Lösung als dispergierte Phase. Diese Maßnahme kann jedoch, wie sich in vielen Sie soll nicht mehr als 10 bis 15 °/o der organischen, 20 Fällen gezeigt hat, das Eintreten der Inversion nur öligen Kontinuitätsphase ausmachen. Sonst können verzögern, aber nicht verhindern,
sich bei der angewandten hohen Spannung von über Es wurde nun gefunden, daß für die Trennung 1000 Volt selbst bei turbulenter Strömung im Ab- eines Phasengemisches nicht allein die Stärke des scheider Brücken der gut leitenden wässerigen Phase elektrischen Feldes maßgebend ist, sondern daß es zwischen den Elektroden bilden, in denen Strom- 25 in erster Linie auf die Menge der dem Phasengemisch flüsse mit Stromstärken weit über 20 Amp./m² Elek- mitgeteilten elektrischen Energie ankommt, die als trodenfläche auftreten können. Der Stromfluß zwi- Watt, das Produkt aus Spannung und Stromstärke, sehen den in die Dispersion getauchten Elektroden VA, gemessen wird. Die dem Phasengemisch mitzuliegt normal bei etwa 2 bis 20 mA je m² Elektroden- teilende elektrische Energie soll je m² Abscheiderfläclie. 30 fläche 0,5 bis 500VA, insbesondere 1 bis 100 VA

Es sind auch Verfahren zur Extraktion flüssiger betragen. Der für das jeweilige Phasengemisch gün-Gemische organischer Stoffe mit selektiven polaren stige Wert läßt sich in einem einfachen Vorversuch Lösungsmitteln bekannt, in denen sowohl die Pha- leicht ermitteln. Die Höhe der Spannung richtet sich senmischung als auch die Phasentrennung unter Ein- nach der Leitfähigkeit des zu trennenden Phasenwirkung elektrischer Felder erfolgen kann. Als 35 gemisches und dem Abstand zwischen spannungspolare Lösungsmittel sind dabei solche Flüssigkeiten führender Elektrode und der geerdeten Gegenzu verstehen, deren Dielektrizitätskonstante min- elektrode. Bei großer Leitfähigkeit des Phasendestens doppelt so groß ist wie diejenige der zu gemisches muß die Spannung niedriger sein als bei extrahierenden Flüssigkeit. kleiner Leitfähigkeit.

Aus der französischen Patentschrift 1490 034 ist 4° Es wurde ferner gefunden, daß auch schon vor ein Verfahren zur Erhöhung des Durchsatzes bei der der Bildung einer Inversion Störungen in der Ab-Flüssig-Flüssig-Extraktion von Gemischen organi- scheidung eintreten, wenn zuviel Energie angewenscher Verbindungen mit organischen Lösungsmitteln det wird. Die Leistung des Abscheiders wird dann nach dem Mischer-Abscheider-Prinzip bekannt. Dar- geringer, so daß die Durchsatzmenge des Abscheiin wird die Phasentrennung in den Abscheidern in 45 ders herabgesetzt werden muß, um eine saubere einem elektrischen Feld von 1 bis 60 Volt/cm, vor- Phasentrennung zu erreichen und ein Durchbrechen zugsweise 10 bis 30 Volt/cm, vorgenommen, das von Fremdphase in den Abläufen der reinen Phasen durch Anlegung einer Gleich- oder Wechselstrom- zu verhindern. Wird dagegen die Energiemenge verspannung von 10 bis 500 Volt, vorzugsweise 110 bis kleinert, so kann die Durchsatzmenge wieder erhöht 220 Volt, an Elektroden im Abscheider erzeugt wird. 50 werden.

Im Abscheider sind mehrere horizontale Elektroden, Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur von denen einzelne geerdet sein können, überein- Beschleunigung der Trennung der Phasengemische ander angeordnet. Eine Elektrode kann genügen, aus miteinander nicht oder nur wenig mischbaren wenn das Abscheidergehäuse als Gegenelektrode ge- organischen oder anorganischen Flüssigkeiten bei der erdet wird. Die Spannung an den Elektroden wird 55 Flüssig-Flüssig-Extraktion nach dem Mischer-Abperiodisch für kurze, etwa gleiche Zeitabstände von scheider-Prinzip durch Anlegen einer Spannung von 0,1 bis 2 Sekunden abwechselnd ein- und ausgeschal- 10 bis 500 Volt Gleichstrom oder Wechselstrom an tet. Das zu zerlegende Phasengemisch soll zu 20 bis in einem Abscheider angeordnete horizontale Elek-70 Volumprozent, zweckmäßig zu etwa 50 Volum- troden.

Prozent aus polarer Phase bestehen und wird vor 60 Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch ge-

Eintritt in den Abscheider so intensiv gemischt, daß kennzeichnet, daß die Elektroden mit einer Energie-

die polare Phase in der unpolaren dispergiert vor- menge von je 0,5 bis 500VA/qm Abscheiderfläche

liegt. Das hierfür geeignete Verhältnis beider Phasen beaufschlagt werden.

kann gegebenenfalls dadurch eingestellt werden, daß In einem Abscheider zur Ausführung des erfinein Teil der aus dem Abscheider entnommenen un- 65 dungsgemäßen Verfahrens beträgt der Elektrodenpolaren Phase im Kreislauf in den dem Abscheider durchmesser zweckmäßig 25 bis 90% des Abvoraufgehenden Mischer zurückgeführt wird. Scheiderquerschnittes. Die oberste stromführende

Es hat sich nun gezeigt, daß in Fällen, in denen Elektrode ist in einer Höhe angeordnet, die 50 bis

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9O°/o der Höhe beträgt, in der sich der Ablauf der ändern können, weil sich z.B. das Verhältnis von leichten Phase über dem Boden des Abscheiders be- stark polarer zu wenig polarer Flüssigkeit infolge findet. Der Abscheider kann mehrere Elektroden Durchsatzänderungen verschiebt, kann es vorteilhaft enthalten, an die verschieden hohe Spannungen an- sein, die Spannungsregelung in bekannter Weise gelegt werden. Dabei können das Abscheidergehäuse S automatisch vorzunehmen, wobei ein auf den gün- oder eine oder mehrere Elektroden geerdet sein. stigen Energiewert eingestellter Regler die Spannung Bei Beachtung dieser Zusammenhänge ist es nicht in Abhängigkeit von der jeweiligen Stromstärke vermehr notwendig, den Stromfluß zu pulsen, also kurz- ändert,
zeitig ein- und auszuschalten. Bei gegebener Spannung kann die günstige

Die günstige Energiemenge ist nur wenig von der io Energiemenge auch durch Zwischenschalten eines Elektrodengröße abhängig, solange die Fläche der Kondensators oder besonders bei der Verwendung Elektroden 25 bis 95 % des Abscheiderquerschnittes von Gleichstrom auch eines Widerstandes eingestellt beträgt. Es ist zweckmäßig, die Elektroden nicht zu werden. Beim Arbeiten mit Wechselstrom kann die klein zu wählen, da sonst die Energieverteilung über günstige Energiemenge auch dadurch eingestellt werden Querschnitt des Abscheiders ungleichmäßig 15 den, daß die Elektroden mit einer elektrischen Isowird. Große Elektroden begünstigen die Inversions- Iierung überzogen werden. Hierzu eignen sich z. B. bildung, wenn die Energie über den optimalen Wert keramische Massen oder Kunststoffüberzüge z. B. aus steigt, während Elektroden mittlerer Größe auch bei Polytetrafluoräthylen. Je stärker die Isolierschicht leichter Überbelastung noch normal arbeiten. Vor- ist, desto niedriger wird die durchgehende Encrgieteilhaft ist eine Elektrodenfläche, die 35 bis 60 °/o des 20 menge. Zusätzlich kann die Spannung noch durch Abscheiderquerschnittes beträgt. Die Elektroden einen abgreifbaren Transformator reguliert werden, werden zweckmäßig horizontal und damit parallel Während es bisher schwierig war, flüssige Phasenzu den sich ausbildenden Phasengrenzflächen ein- gemische mit einer sehr stark polaren Phase, z. B. gebaut und können aus Lochblechen, mit Draht- Wasser oder wässerige Lösungen von Elektrolyten, geflecht bespannten Rahmen od. dgl. bestehen. Es 25 elektrostatisch zu trennen, weil hierbei sehr hohe können mehrere Elektroden übereinander angeord- Stromstärken auftreten, die zur Inversion führen, net werden, von denen eine oder mehrere geerdet können nun auch diese getrennt werden, wenn eine werden können. Es genügt aber auch eine einzige so niedrige Spannung an die Elektroden gelegt wird, Elektrode, der das geerdete Abscheidergehäuse als daß die günstige Energiemenge nicht überschritten Gegenelektrode dient, wobei aber auch eine geerdete 30 wird.
Elektrode zusätzlich verwendet werden kann. Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Ab-

Dic Einbauhöhe der Elektroden wird so gewählt bildung und die nachfolgenden Beispiele:
werden, daß möglichst keine spannungsführende In der Abbildung ist ein mit drei Elektroden verElektrode während des Betriebes in die zusammen- sehener Abscheider, der kastenförmige oder zylinhängende stärker polare Flüssigkeit eintaucht. Zweck- 35 drische Form haben kann, in vertikalem Schnitt mäßig wird die oberste Elektrode in einer Höhe an- dargestellt.

geordnet, die 50 bis 90<Vo, vorzugsweise 60 bis 85%, Das Gehäuse 1 des Abscheiders ist ein stehender

der Höhe zwischen dem Boden des Abscheiders und Zylinder. An seinem Mantel sind in mittlerer Höhe

dem Ablauf der oberen leichten Phase entspricht. der Zulauf 2 für das zu trennende Phasengemisch,

Werden mehrere Elektroden, z. B. drei, verwendet, 40 am oberen Rand der Ablauf 3 für die reine leichte so wird man zweckmäßig die mittlere erden und an Phase und am unteren Rand der Ablauf 4 für die die beiden anderen Elektroden verschieden hohe reine schwere Phase als Anschlußstutzen angeordnet. Spannungen anlegen. Dabei erhält die Elektrode, die Vor den Mündungen der Abläufe ist auf einer Sehne sich in der weniger polaren Phase befindet, eine im kreisförmigen Abscheiderquerschnitt ein Trennhöhere Spannung, die in der stärker polaren Phase 45 blech 5 eingebaut, das oben und unten je einen die niedrigere Spannung. Steigt der Spiegel der sich Schlitz 6, 7 für den Durchfluß der beiden reinen abtrennenden unteren Phase, die meist die stärker Phasen zu den Abläufen frei läßt. Im Abscheider polare ist, bis zur unteren Elektrode an, so wird sind die horizontalen Elektroden 8, 9,10 angeordnet diese geerdet, und die mittlere wird an die niedrige und mit den durch Isolatoren 11,12,13 im Mantel 1 Spannung geschaltet. Schließlich kann auch noch die 50 eingeführten Anschlüssen 14,15,16 verbunden. An mittlere Elektrode geerdet oder abgeschaltet werden, den Elektroden 8 und 10 kann z. B. eine Wechseiso daß dann nur noch die oberste Elektrode an Span- spannung angelegt werden, während die Elektrode 9 nung liegt. geerdet wird. In einer praktischen Ausführung des

Die elektrostatische Abscheidung kann mit zylindrischen Abscheiders beträgt die Höhe 600 mm,

Wechsel- oder Gleichstrom betrieben werden. Im 55 der Durchmesser 2000 mm, die Abscheidemutz-

allgemeinen wird man Wechselstrom vorziehen, um fläche 2,7 m². Die Oberkante des Trennbleches 5 be-

elcktrolytische Korrosionen, die bei Verwendung von findet sich 570 mm über dem Abscheiderboden, der

Gleichstrom möglich sind, zu vermeiden. obere Schlitz 6 und der untere Schlitz 7 sind je

Zur Einstellung der günstigen Energiemenge wird 30 mm breit. Die obere Elektrode 8 liegt 470 mm, die Spannung nach Maßgabe der korrespondierenden 60 die mittlere Elektrode 9 liegt 310 mm und die untere

Stromstärke, die zwischen einigen Milliampere und Elektrode 10 liegt 150 mm über dem Gehäuseboden,

mehreren Ampere liegt, variiert. Dabei wird die Aus dem in den Abscheider eingeführten Phasen-Stromstärke gemessen, während die Spannung durch gemisch 17 (in der Abbildung weit schraffiert) Abgreifen an einem Transformator oder mittels trennt sich die schwere Phase 18 (in der Abbildung eines elektronischen Spannungsreglers verändert 65 eng schraffiert) nach unten ab und die leichtere

wird. Da sich die Schichthöhen der sich trennenden Phase 19 (in der Abbildung unschraffiert) nach Phasen und/oder die Leitfähigkeit des Phasen- oben. Durch den unteren Schlitz 7 des Trenngemisches während des Betriebes des Abscheiders bleches5 fließt die schwere Phase zum Austritts-

stutzen 4, durch den oberen Schlitz 6 die leichte Phase zum Stutzen 3. Um die Wirkung der elektrischen Felder zwischen den Elektroden zu untersuchen, wird durch den Abscheider so viel Phasengemisch je Zeiteinheit gepumpt, bis in den ablaufenden reinen Phasen bis zu 2 Volumprozent Fremdphase auftritt. Dann ist die Leistungsgrenze des Abscheiders erreicht. Die Belastung des Abscheiders wird als Kubikmeter Durchsatz schwerer Phase je Quadratmeter Abscheiderautzfläche und Stunde ausgedrückt, die zugeführte Energie als VA/m². Durch Änderung der Spannung an den Elektroden in Abhängigkeit vom Stromnuß kann die optimale Energieaufnahme in jedem Einzelfall einfach ermittelt werden.

Beispiel 1

In den Abscheider wird ein Phasengemisch, das als schwere Phase N-Methylpyrrolidon mit 13 Gewichtsprozent Wasser und als leichte Phase ein Gemisch ^zo von gleichen Teilen Toluol und Benzin enthält, eingeführt. Das Volumenverhältnis der beiden Phasen beträgt 1:1. An der oberen Elektrode ist eine Spannung von 320VoIt entsprechend einer Feldstärke von 20 Volt/cm, an der unteren eine Spannung von 100 Volt, entsprechend einer Feldstärke von 6,2 Volt/cm, angelegt. Die mittlere Elektrode ist geerdet. Es können bis zu 9Tm¹¹Zh Phasengemisch, also 48,5 m³/h schwere Phase getrennt werden. Die Belastung des Abscheiders beträgt also 18 m^s/tn²h an schwerer Phase. Ohne Einwirkung eines elektrischen Feldes beträgt die Belastbarkeit nur 7 m³/m²h an schwerer Phase. Folgende Stromstärken wurden bei den obengenannten Spannungen gemessen:

An der oberen Elektrode 28 mAmp. entsprechend einer Energieaufnahme von 9 VA im Gesamtquerschnitt, das sind 3,3 VA/m². An der unteren Elektrode 1,4 Amp. entsprechend einer Energieaufnahme von 140 VA im Gesamtquerschnitt oder 52 VA/m².

Beispiel 2

Unter sonst gleichen Bedingungen wie im Beispie] 1 wurde im Phasengemisch der Anteil an schwerer Phase auf 60 «/0 erhöht. An den Elektroden wurden folgende elektrischen Werte gemessen:

Oben 320 Volt 95 mAmp. = 11 VA/m²

Unten 100 Volt 16 mAmp. ^ 600 VA/m²

50 trug 1,5 VA/m². Die Belastung des Abscheiders betrug 22 m^s/m²h an schwerer Phase. Bei 60% schwerer Phase stieg die Stromstärke auf 0,08 Amp. = 10 VA/m², die Belastung mußte auf 20m³/m²h an schwerer Phase gesenkt werden. Durch Senken der Spannung auf 250 Volt fiel die Stromstärke auf 0,06 Amp., so daß die Energieaufnahme 5,5 VA/m² betrug. Die Abscheiderbelastung konnte dadurch wieder auf 22m³/m²h erhöht werden.

Beispiel 4

Der Abscheider enthielt nur die obere Elektrode, das Einsatzprodukt hatte 50% schwere Phase. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Volt	Amp.	VA/m*	Belastung, m^:l/m^sh
320 255	0,028 0,022	3,3 2,1	16,5 18

Es trat Inversion ein, die bald den ganzen Abscheider füllte. Daraufhin wurde die Spannung an der unteren Elektrode auf 20 Volt (=1,3 Volt/cm) gesenkt. Der Abscheider arbeitete nun bei einer Belastung von 22m^s/m²h wieder einwandfrei, wobei die Stromstärke an der oberen Elektrode auf 0,08 Amp., an der unteren Elektrode auf 3,2 A und die Energieaufnahme auf 9,5 VA/m² bzw. 24 VA/m² zurückgingen.

Beispiel 3

Die Zusammensetzung des Phasengemisches war dieselbe wie im Beispiel 1. Der Abscheider enthielt jedoch nur die oberste Elektrode, der das geerdete Abscheidergehäuse als Gegenelektrode gegenüberstand.

Bei 320 Volt Spannung wurden eine Stromstärke von 0,013 Amp. gemessen. Die Energieaufnahme be-Durch Senkung der Spannung und der Energieaufnahme konnte die Belastung des Abscheiders also um 1,5 m^s/m²h erhöht werden. Nun wurde zwischen Stromquelle und Elektrode ein Kondensator von 0,3 Mikrofarad geschaltet. Die Eingangsspannung von 320 Volt vor dem Kondensator sank auf 185 Volt zwischen Kondensator und Elektrode gegen Erde. Die Energieaufnahme betrug bei einer Stromstärke von 0,024 Amp. 1,6 VA/m². Die Abschciderbelastung lag bei 18 m³/m²h.

Dies Beispiel zeigt, daß nur die Energiemenge für die optimale Abscheidung ausschlaggebend ist, wobei es gleichgültig ist, ob die optimale Spannung durch einen Transformator oder einen Kondensator geregelt wird.

Beispiel 5

In der Anordnung gemäß Beispiel 3 mit nur einer Elektrode am Abscheider und einem Phasengemisch aus je 50% schwerer und leichter Phase wurde die obere Elektrode mit einer 2 mm dicken Schicht von Polytetrafluoräthylen überzogen. Bei 220 Volt Wechselspannung und einer Energieaufnahme von 30 VA/m² wurde eine Abscheiderbelastung von 16m³/m²h erreicht.

Beispiel 6

Aus einer wässerigen Lösung, die 8% Milchsäure enthielt, sollte diese mit Butanol extrahiert werden. Ohne elektrostatische Abscheidung konnte der Abscheider bei 60 % schwerer Phase im Phasengemisch mit 11 m³/m²h schwerer Phase belastet werden.

Mit einer Elektrode im Abscheider und einer Spannung von 25VoIt konnte die Durchsatzmenge bei einer Energieaufnahme von 360 VA/m² auf 18 mVm²h erhöht werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beschleunigung der Trennung der Phasengemische aus miteinander nicht oder nur wenig mischbaren organischen oder anorganischen Flüssigkeiten bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion nach dem Mischer-Abscheider-Prinzip durch Anlegen einer Spannung von 10 bis 500 Volt Gleichstrom oder Wechselstrom an in einem Abscheider angeordnete horizontale Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß

die Elektroden mit einer Energiemenge von je 0,5 bis 500 VA/m² Abscheiderfläche beaufschlagt werden.

2. Abscheider zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodendurchmesser 25 bis 90 %> des Abscheiderquerschnittes beträgt.

3. Abscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste stromführende

Elektrode in einer Hohe angeordnet ist, die 50 bis 90Vo der Höhe beträgt, in der sich der Ablauf der leichten Phase über dem Boden des Abscheiders befindet.

4. Abscheider nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an mehrere Elektroden verschieden hohe Spannungen angelegt sind, wobei das Abscheidergehäuse oder eine oder mehrere Elektroden geerdet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109508/325