Vorrichtung, um zwei oder mehr Phasen in innige Berührung zu bringen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die es ermöglicht, zwei oder mehr Phasen in innige Berühnung miteinander zu bringen, z. B. zwei oder mehr miteinander nicht mischbare oder nur teilweise mischbare Flüssigkeiten, insbesondere zum Zwecke der Extraktion von Flüssigkeitsgemischen, z. B. von mineralischenoderbettenÖlen,wobeimansinoder mehrere selektiv wirkende Lösungsmittel verwendet, oder zur Durchführung chemischer Reaktionen, z. B. der Reaktionen zwischen Olefinen. und Schwefelsäure.
Die in Berührung zu bringenden Phasen sind in der Regel strömungsfähig, und es handelt sich ins- besondere um zwei Flüssigkeiten oder eine Flüssig- keit und ein Gas. Eine der Phasen kann jedoch auch aus einem fein verteilten festen material bestehen.
Aus dem britischen Patent Nr. 659 241 der An melderin ist eine Verdichtung bekannt, mittels deren zwei oder mehr flüssige Phasen in Berührung mit- einander gebracht werden können. Diese Vorrich- tung umfasst ein vorzugsweise aufrecht stehend ange ondnetes zylindrisches Gehäuse, das einen Rotor enthält, und die Innenwand des Gehäuses ist mit sich rechtwinklig zur Gehäuseachse erstreckenden ringförmigen Statoren versehen. Der Rotor besteht aus einer drehbaren Welle, die mit sich rechtwinklig zu ihrer Achse erstreckenden Scheiben versehen und in der Mitte zwischen den ringförmigen Statoren angeordnet ist.
Bei dieser Vorrichtung lassen sich Abtei- lungen oder Kammern unterscheiden, von denen jede durch zwei benachbarte Statorringe begrenzt wird.
Wenn man eine Vorrichtung nach dem genannten britischen Patent für ein grösseres Fassungsver- mögen bzw. eine höhere Leistung baut und daher grössere Rohrdurchmesser vorsieht, können sich bei zunehmenden Durchmessern gewisse Nachteile er , geben. Wenn man nämlich die Höbe der Kammern unverändert lässt, kann sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung verringern ; dies ist auf die unvollkommene Ausbildung der Wibel zurückzuführen, die in der Vorrichtung während des Betriebs erzeugt werden miussen. Dieser unerwünschten Wirkung kann man in einem erheblichen Ausmass dadurch entgegenwirken, dass man die Höhe der Kammern vergrössert.
Bei einer solchen Abänderung wird jedoch eine axiale Durchmischung der Phasen gefördert, woraus sich eine herabsetzung der Zahl der je Längeneinheit theoretisch'vorsehbaron Stufen ergibt.
Infolgedessen muss man der Vorrichtung, eine erheb- lich grössere Länge geben. Dies führt jedoch sowohl zu mechanischen als auch zu betriebsmässigen Schwie rigkeite. n, die auf die grössere Länge des Rotors und den grösseren Durchmesser der Rotorscheiben zurückzuführen sind, denn es muss eine erheblich grö ssere Masse. angetrieben werden, und hierdurch kön- nen unerw2nschte Shwingungen entstehen, so dass man kostspielige Spezialkonstrutktionen für den Antrieb, für die waagrechte und senkrechte Zentrierung des Rotors und zur Lagerung des Rotors benötigt.
Nunmehr wurde festgestellt, dass die erwähnten Schwierigkeiten nicht oder jedenfalls in einem erheb- lich geringeren Ausmass auftreten, wenn man die erfindungsgemässe Vorrichtung benutzt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Inbe- rührungbringen von zwei oder mehr Phasen in einem zylindrischenGehäuse,wobeidasGehäuseeinen.
Rotor enthält und die Innenwand des Gehäuses mit sich rechtwinklig zu seiner Achse erstreckendenring- förmigen Statoren versehen'ist, ist'dadurch gekenn- zeichnet, dass die wirksame Fläche des Rotors eine Zylinderfläche ist,'und d. ass ringfönmge Statoren vorhanden sind, die abwechselnd einen grösseren und einen kleineren Durchmesser haben und so angeordnet sind,dassdieStatorenvon'grösseremDurchmesser an der Gehäusewand anliegen oder im wesentlichen daran anliegen, während die Statoren von kleinerem Durchmesser zwischen sich und. der Gehäusewand einen Ringspalt freilassen.
Es sei bemerkt, dass ein rotor mit einer wirksamen Fläche in Form eines Zylinders vom konstruktiven Standpunkt aus einfach list ; einer der Gründe hierfür. besteht darin, dass man keine besonderen Massnahmen zu ergreifen braucht, um den Rotor gegenüber den Statoren zu zentrieren. Es ist zweckmässig, die Abstände zwischen benachbarten Stato- ren gleich gross oder im wesentlichen gleich gross zu machen.
Wagen der regelmässig gestaffelten Anordnung der Statoren, die abwechselnd einen sich längs des Rotors erstreckenden Kanal. und einen entlang der Ge- bäusewandverlaufendon Kanal freilassen, wird ein besonders. günstiger Strömungsverlauf der Phasen und eine hervorragende Massenübertragung erzielt ; wenn der Durchmesser des Gehäuses vergrössert wird, ist es nicht grundsätzlich erforderlich, die Höhe der Kammern zu vergrössern, denn bei dem erfindungsgemässen zylindrischen Rotor werden Wirbel erzeugt, und das Entstehen dieser Wirbel ist von den Abstän- den zwischen den Statoren praktisch unabhängig.
Bei gleicher Leistungsfähigkeit.undgleichemWirkungs- grad kann daher die Länge der erfindungsgemässen Vorrichtung insbesondere bai. grösseren Gehäuse- durchmessern kleiner sein als bai iden bis jetzt ge- bräuchlichen Vornichtungen.
Es sei bemerkt, dass man bei grösseren Durch- messern das Gehäuses den Abstand zwischen benach- barten Sbatoren im allgemeinen etwas grösser wählt.
Bei kleinen Durchmessern von weniger. als 50 cm liegen die Abstände zwischen den Statoren gewöhn- lichzwischen 3 und 5 om, während sie bei grösseren Durchmessern über 50 cm gewöhnlich 5 bis 20 cm betragen.
Der Flächeninhalt der Statoren von kleinerem Durchmesser ist vorzugsweise gleich oder im wesent- lichen gleich idem Flächeninhalt der Statoren von grösserem Durchmesser. um eine optimale Kombina tion von hoher Durchsatzleistung bezüglich der Phasen und einer intensiven Durchmischung zu erzielen, ist es in der Regel zweckmässig, dass der Flächeninhalt der Statoren gleich oder im wesentlichen gleich dem halben freien Durohtrittsquerschnitt des Gehäuses ist. Mit dem freien Durchtrittsquerschnitt ist hier derRingspaltbezeichnet,derdurchdieGehäusewand und die wirksame Fläche des Rotors abgegrenzt wird.
In allen Fällen, in denen der Durchmesser der kleinen Statoren kleiner ist als der Durchmesser der Öfssnung der grösseren Statoren, macht idie Anbrin- gung der Statoren keine Schwienigkeiten. Man kann z. B. alle Statoren von kleinerem Durchmesser an zwei oder mehr Stangen oder dergleichen so befe- stigen, dass man sie als Ganzes. in das zylindrische Gehäuse einbringen kann. Diese Statoren können in solchen Abständen verteilt sein, dass sie sich nach dem Einbau in das Gehäuse jeweils in der Mitte zwischen Statoren von grösserem Durchmesser befinden.
Ferner ist es möglich, alle Statoren, d. h. sowohl diejenigen von kleinem Durchmesser als auch diejenigen von grossem Durchmesser, durch Stangen oder andere Mittel so miteinander zu verbinden, dass man sie auch, in diesem Falle als vollständiges Aggre- gat in das Gehäuse einbauen. kann. Gegebenenfalls kpnnen die Verbindungsstangen stromlinienförmig profilier sein, um eine unerwünschte Turbulenz während des Betriebs zu vermeiden.
Die radialen n Abmessungen der statoren von klei nerem Durchmesser werden vorzugswemse so gewählt, dass nur ein enger Spalt zwischen Idem Rotor und dem Stator verbleilbt, dessen Breite vorzugsweise 0, 5 bis 2 % des Rotordurchmessers nicht überschreitet.
Der Rotor wird vorzugsweise als gleicbachsig mit dem Gehäuse angeordneter Zylinder'ausgebildet.
In vielan Fällen kann die Umfangsfläche des Zylinders glatt sein. Gegebenenfalls kann man den Zylinder z. B. mit einer oder mehreren sich parallel zu seiner Achse'erstreckendenLeistenversehen.Indie- sem Falle wird bei gleicher Drehgeschwindigkeit eine erheblich grössere Dispersionswirkung erzielt.
Der Rotor kann fernerdurcheinedrehbare WElle gebildet weden, die mit eidner oder mehreren sich radial erstreokenden Platten bestückt ist, und Zwfar, derart, Idass bei der Drehung der Welle eine Zylinderfläche überstrichen wind.
Bei allen bis jetzt behandelten Rotoren ist die wirksame Fläche eine Zylinderfläche.
Der Rotordurchmesser beträgt gewöhnlcih 1/5 bis /a'desGehäusedurchmessers.Vorzugsweisewird jedoch ein Rotor verwendet, der nicht mehr als 1/. des Gehäuses, einnimmt. Der Grund hierfür besteht tarin, dan in diesjcm Falle ein grosser freier Druch sohmttsquerschnitt (im Gehäuse vorhanden ist und sich'dahereinehoheDurchsatzleistungerzielenlässt.
Der hohe Wirkungsgrad, der mit der erfindungsgemässern Vorrichtung z. B. bei Extrakbionsvorgängen erreicht werden kanin, ist wahrscheinlich dacauf zurückzuführen, dass die dispergierte Phase während ihres Transports von einer Kammer zur nächsten dazu neitgt, in Richtung. auf die Statoren zusammenzufliessen; da die Statoren in der radialen Richtung relativ breit sind, entstehen hierbei grössere Tropfen, die dann in der nächsten Kammer erneut zu kleineren Tropfen, dispergiertwerden.Bekanntlichistwährend der Dispersion einer Phase in eine andere und unmittelbar danach die Geschwindigkeit der Massen Übertragung besonders hoch.
In manchen Fällen lässt sic'dater der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Vorrichtung weiter dadurch erhöhen, dass man die Statoren. dort, wo die dispergierte Phase zum Zusammenfliessen neigt, mit einer Konstruktion und/ oder, einem Material versieht,'das dieses Zusammen- fliessen fördert. Natürlich daru, dites nicht zu einer Störung der gesamten Strömung der Flüssigkeit oder nur zu einer praktisch vernachlässigbar geringen Störung führen. Gaeignete Materialien, durch die das erwähnte usammenflielen gefördert wird, sind vorzugsweise faserförmige'Materialien wie Stahlwolle und künstliche. Fasern, z. B. Fasern aus Polypropylen,.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung kann man zwei oder mehr Phasen in innige Berüh- rung miteinander bringen, z. B. um Flüssigkeitsge- mische mit Hilfe selektiv wijikender Lösungsmittel zu extrahieren. Ein solcher extraktionsvorgang kann bei atmosphärischem Druck durchgeführt werden ; ein Beispiel hierfür ist die Extraktion von Schmieröl mit Furfural zum Zwecke des Entfernens aromti scher Vorbandudgen. Die Extraktion kann jedoch auch bei erhöhtem Druck erfolgen ; dies geschieht z. B. dann, wenn aromtische Verbindungen mit Hilfe von Schwefeldioxyd aus Kerosin entfernt wer- den.
Unter diesen Umständen kann der Rotor auf magnetischem Wege angetrieben werden, z. B. durch einen Motor mit einem'gekapselten Läufer, statt durch direkt wirkende mechanische Antriebsmittel.
Die Welle bann auch durch eine Turbine gadreht werden, die in das Gehäuse eingebaut ist und durch sine der zugeführten Phasen angetrieben wird. Im allgemeinen ist es jedoch zweckmässig, den Rotor einer mit Überdruck arbeitenden Vorrichtung direkt anzutreiben, z. B. mit Hilfe eines Elektromotors. Die Vorrichtung kann vorteilhaft benutzt werden, um chemische Reaktionen durchzuiübren, z. B. die Er zeug, von Isopropylalkohol aus Propen und Schwefelsäure.
Weiterhinkann man die Vorrichtung bei Prozessen verwenden, bei denen in den zugefuhrten Phasen feste Stoffe auftreten. Auf diese Weise kann man einen oder mehrere Bestandteile aus einem Gemisch durch Adsorption abtrennen ; das Gemisch bildet dann eine Phase, während die andere Phase durch ein fein verteiltes Adsorptionsmittel gebildet wird. Bin Beispiel für diese Verfahrensweise bildet die Trannumig von Benzol von einem Gemisch aus Css-Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Silica-Oel.
Bei lonenaustauschprozessen lässt sich die Vorrich- tung auf ähnliche Weise betreiben.
Die mit Hilfe der erfindunigsgemässen Vorrichtung in Berührung zu bringenden Phasen müssen sich hinsichtlich ihres spezifischen Gewichts etwas unter scheiden, wenn der Prozess im Gegenstrom durchge- führt wird. Die leichtere Phase wind am unteren Ende und die schwerere Phase am oberen Ende der Vorrichtung g zugeführt. Während des Berührungsvorgangs spielt sich eine Massenübertragung zwischen den Phasen. ab ; in manchen fällen, d. h. bei einer chemischen Reaktion, entstehen neue Stoffe. Eine der Phasen wird ständig in der kontinuierlichen Phase dispergiert, während die Berührung stattfindet ; daher tritt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung nicht die Frage auf, ob man einen Satz von hinter feinandergeschalteten Misch-und Albsetzkammern vorsehen muss.
Die Tropfen der dispergierten Phase fliessen wieder zusammen, und zwar entweder am oberen oder am-unteren Ende des Gehäuses, so dass sie eine kontinuierliche Masse bilden, was jeweils davon abhängt, ob die dispergierte Phase leichter oder schwerer ist als die kontinuierliche Phase. Dis- ses Zusammenfliessen kann jedoch auch vollständig oder im wesentlichen ausserhalb des Gehäuses in einem gesonderten Trenngefäss erfolgen.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, ein ortsfestes Gitter oder eine gelochte Platte oder dergleichen im oberen Teil des Gehäuses oberhalb des Einlasses für die schwere Phase und/oder im unteren Teil des Gehäuses unter- halb des Einlasses für die leichte Phase vorzusehen, um ein besseres Zusammenfliessan der dtispergierten Phase zu gewährleisten oder ein unerwünschtes Vermischen der zu dispergierenden Phase und der abzugebenden kontinuierlichen Phase zu verhindern.
In manchen Fällen besteht eine der Phasen aus einer Suspension eines festen Materials in einer Flüssigkeit. Dies ist z. B. der Fall, wenn eine Suspension aus Polypropylenteilchen in einem Kohlenwasserstoff ausgewaschen wird, um z. B. Katalysatorreste, Salzsäure und/oder Alkohole zu entfernen. diese Suspension kann durch eine Gegenstrombehandluing unter Verwendung von Wasser als Waschfliissigkeit gereinigt werden. Die reinigende Suspension wird dem unteren Teil, der Vorrichtungen zugeführt, während die Wasohflüssigkeit am oberen Enlde eingeleitet wird ; die gereinigte Suspension wird am Baden der Vorrichtung kontinuierlich abgezogen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann auch dazudienen,eineExtraktionmitzweiLösungsmit- teln durchzuführen. Hierbei wird das zu zerlegende Gemisch zwischen idem. unterenuuvd dem oberen Ende der Vorrichtung zugeführt. Die Extraktions- mittel werden am oberen bzw. unteren Ende bzw. in der Nähe dieser Enden eingeleitet. Ein Beispiel für eine solche Extraktion ist die Behandlung flüchtiger Öle mit Pentan und Alkohol.
Am unteren Ende des Gehäuses läuft der Rotor . gewöhnlieh in einem Lager oder er wird wenigstens durch aoin Lager in seiner Lage gebalten. Es kann vorkommen, dass das Lager von einem Medium umgeben ist, das korrodierend wirkt und/oder schlechte Schmiereigenscbaften besitzt, während eine der zugeführten Phasen diese Nachteile nicht aufweist. Unter diesen Umständen ist es zweckmässig, einen vorzugsweise kleinen Strom der nich korrodierend oder weniger stark korrodierend wirkenden Phase oder der Phase mit den besseren Schmiereigenscbaften abzuzweigen und diesen Ikleinen Strom über dfas Lager in die Vorrichtung einzulieten.
Je mach den gegebenen Bedingungen kann man diesen Strom von der leichten oder der schweren Phase abzweigen.
Beim Exctrahieren von Schmieröl mit Furfural kann man z. B. einen Teil des die leichte Phase bil- denden, zu extrahiereaden Sohmieröls als Schmiermittel verwenden, da die den Extrakt enthaltende Phase, die das Lager umgibt, korrodierend wirkt.
Beim Entfernen von Asphalt aus Ölrückständen mit leichten paraffinischen Kohlenwasserstoffen kann man einen kleinen Teil des die schwere Phase bilden- den Öls dem Lager zuiführen, da diese Phase bessere Schmiereigenschaften besitzt als die asphalthaltige Phase im unteren Teil des Gehäuses.
Die Erindung wird im folgenden an Hand einer schematischen ZeichnungansinemAusführungsbei- spiel näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine Ausbildungsform einer erfindungsgemäEfen Vorrichtung mit einem aufrechtstehenden Gehäuse 1, das mit einer Leitung 2 zum Zuführen der im Gegenstrom zu behandelnden schwe reren Phase und einer Ledtung 3 zum Zuführen der leichteren Phase verseben ist. Jade dieser Leitungen kann über mehrere Zweigleitungen. an das Gehäuse angeschlossen sein. Femer weist das Gehäuse eine Leitung 4 zum Abziehen der leichten Phase und eine Abgabeleitung 5 für die schwäre Phase auf. Ein zylindrischer Rotor 6 ist in dem Gehäuse gleichachsig mit dem Gehäuse angeordnet.
Der Rotor wird am oberen Ende durch ein Lager 7 abgestützt und läuft . am unteren Ende in einem Lager 8.
An der Wand des Gehäuses sind mehrere Statoren 9 von grossem. Durchmesser befestigt. In der Mitte zwischen benachbarten Statoren 9 sind weitere Statoren 10 von kleinerem Durohmesser so angeord- net, dass zwischen dem Rotor 6 und den Statoren 10 nur ein enger Spalt 11 verbleibt.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird bezüg- lich eines Extpaktionsprozesses zum Entfernen aro- matischer Verbindungen ans Schmieröl mit Hilfe von Furfurtal beschrieben. Das hier die schwerere Phase bildende Furfural wird über die leitung 2 und das die leichte Phase bildende Schmieröl über die Leitung 3 zugeführt. Ein kleiner Teil des Schmierölstroms wird über eine Laitung 1. 2. abgezweigt und dem unterevn Lager 8 zugeführt, um es zu schmieren.
Zu diesem Zweck ist an der Rotorwelle ausserdem eine Haube 13 befestigt, die das Lager 8 umscliliesst.
Der abgazweigte Strom wird natürlich möglichst klein gehalten.
Bei dem Schmieröl handelt es sich ium die zu dispergierende Phase, die sich in Form von Tröpfchen nach oben durch das Gehäuse 1 bewegt. Die Tröpfchen des Schmieröls, aus idem die. aromatischen Verbindungen zum grössten Teil entfernt worden sind, sammeln sich nn oberen Teil der Säule und bilden eine kontinuierliche leichte Phase, die der Vorrichtung über die Leitung 4 entnommen wird. Die Trennfläche zwischen beiden Phasen befindet sich im oberen Teil des Gehäuses in Höhe der. gestrichelten Linie 14, und wird ddurch auf dieser Höhe gehalten, daB man die betreffenden Phasen in geeigneten Mengen je Zeiteinhedt zu-und abführt.
Zwischen der Einlaäöffnung 2 und der Trennfläche 14 ist ein weitmaschiges Gitter 15 angeord- net, das von einem Ring 16 getragen wird und daran befestigt ist. Dieses Gitter verhindert das Auftreten einer Turbulenz an der Trennfläche und fördert ds ungehinderte Zusammenfliessen der Tröpfchen. Eine ahnliche Kombination eines Gitters 17 mit einem Ring 18 ist zwischen Idem Einlass 3 und der Abgabe- leitung 5 vorgesehen, um ein einwandfreies Abführen der schweren Phase zu begünstigen. Das extrahierte, von aromatischen Verbindungen. befreite Schmieröl wird bei 4 abgezogen, während die Extraktphase (Furfural und aromatsiche Verbindungen) bei 5 aus der Vorrichtug abläuft.