Stoffaustauschverfahren zwischen zwei flüssigen Phasen Die Erfindung geht aus von einem Stoffaustauschverfahren zwischen zwei flüssigen Phasen über ein Austauschmedium in einer oder in einer Reihe von hintereinander ge- schalteten Trennstufen. Eine Trennstufe umfaßt jeweils zwei miteinander verbundene Kontaktkammern. In der ersten Kammer wird eine Abgeberphase mit dem Austausch- medium in Kontakt gebracht und in der zweiten Kammer wird das beladene Aus- tauschmedium mit einer Aufnehmerphase kontaktiert. Auf diese Weise wird ein Stoff von der Abgeberphase abgetrennt und in die Aufnehmerphase übertragen.

Stoffaustauschverfahren dieser Art können in chemischen, hydrometallurgischen, mikrobiologischen, und anderen Industriezweigen zur Trennung, Konzentrierung und Reinigung von Stoffen eingesetzt werden.

Einstufige Stoffaustauschverfahren zwischen zwei flüssigen Phasen über ein Aus- tauschmedium, bei denen ein System mit zwei Kammern benutzt wird, sind bekannt.

Beide Kammern werden dabei mit einem flüssigen Austauschmedium gefüllt, das die kontinuierliche Phase bildet. In jeder Kammer wird eine dispergierende Phase, die nicht löslich in dem Austauschmedium ist, als Tropfen durch das Austauschmedium hindurchgeleitet. Hierbei erfolgt in der einen Kammer der Übergang von Stoffen aus der einen dispergierten Phase, der Abgeberphase, in das Austauschmedium. Das Aus- tauschmedium wird in die andere Kammer gebracht. Dort wird die andere dispergierte Phase, die Aufnehmerphase, durch das Austauschmedium geleitet und der Stoff geht vom Austauschmedium auf die Aufnehmerphase über. Solche Verfahren werden z. B. in Journal"Theoretische Grundlagen der chemischen Technologie" (Moskau) 1984, B. 18 ; Nr. 6, S. 736-738 beschrieben.

Die beschriebenen einstufigen Stoffaustauchverfahren sind hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bei der Trennung verbesserungsbedürftig. Eine Verbesserung be- steht in der Erweiterung auf mehrstufige Prozesse.

Aus den Russischen Patentanmeldungen Nr. 95117738 und 95117767 vom 19.10.95 ist ein mehrstufiges Stoffaustauschverfahren zwischen zwei flüssigen Phasen über ein Austauschmedium in einer Reihe von hintereinander geschalteten Trennstufen be- kannt. Dabei umfaßt eine Trennstufe jeweils zwei mit einander verbundene Kontakt- kammern. Diese Kammern sind mit einem Austauschmedium gefüllt. Durch die Kammern werden die dispergierende Abgeber-bzw. Aufnehmerphase, die nicht lös- lich in dem kontinuierlichen Austauschmedium sind, als Tropfenschwärme hindurch- geführt. Das Austauschmedium kommt nacheinander in der ersten Kammer mit der Abgeberphase und in der zweiten Kammer mit der Aufnehmerphase in Kontakt. Hier- bei wird der abzutrennende Stoff aus der ersten in die zweite Kammer und aus der Abgeberphase in die Aufnehmerphase übertragen. Zur Verbesserung des Stoffaus- tausches werden mehrere solcher Trennstufen hintereinander geschaltet. Dieses Ver- fahren ist ein gekoppeltes Extraktions-Reextraktions-Verfahren. Das Austausch- medium ist ein Extraktionsmittel.

Auch dieses bekannte mehrstufige Stoffaustauschverfahren kann hinsichtlich seines Anwendungspotentials, zum Beispiel Erweiterung auf Prozesse zwischen Gas und Flüssigkeit oder Feststoff und Flüssigkeit, und der Leistungsfähigkeit bei der Trennung noch verbessert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine Modifikation der bekannten Stoffaustauschverfahrens weitere Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen. Diese umfassen Prozesse mit Austauschmedien in unterschiedlichen Aggregatzuständen und eine Kopplung von Absorptions-, Adsorptions-und Dersorptionsprozessen um die Trennwirksamkeit des Stoffaustausches zwischen zwei flüssigen Phasen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem oben beschriebenen einstufigen und mehr- stufigen Verfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich in der ersten Kammer einer Stufe die Abgeberphase und in der zweiten Kammer einer Stufe die Aufnehmer- phase befindet. Der Stoffaustausch erfolgt mit einem Austauschmedium, das erst in eine Kammer mit der Abgeberphase hinein verteilt wird und anschließend in eine Kammer mit der Aufnehmerphase.

Das Austauschmedium kann jeweils innerhalb derselben Stufe zwischen der ersten und zweiten Kammern zirkulieren.

Alternativ kann das Austauschmedium auch durch mehrere oder alle Trennstufe im Kreislauf geführt werden, wobei es aus der zweiten Kammer in einer Stufe der ersten Kammer in der nächsten Stufe zugeführt wird.

Die Abgeber-und Aufnehmerphase können im Gleich-oder im Gegenstrom durch eine Reihe der Trennstufen geführt werden.

Es war überraschend, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung der Trenn- wirksamkeit durch eine Steigerung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Austausch- mediums zwischen den Kammern in den Stufen bzw. durch mehrere Trennstufen hin- durch ermöglicht.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 ein Verfahrensschema für die Hintereinanderschaltung der Trennstufen mit einer Zirkulation des Austauschmediums innerhalb der Stufen und mit einer Gegenstromführung der flüssigen Phasen durch alle Trennstufen.

Fig. 2 ein Verfahrensschema für die Hintereinanderschaltung der Trennstufen mit einer Zirkulation des Austauschmediums innerhalb der Stufen und mit einer Gleichstronuührung der flüssigen Phasen durch alle Trennstufen.

Fig. 3 ein Verfahrensschema für die Hintereinanderschaltung der Trennstufen mit einer Zirkulation des Austauschmedium durch alle Stufen und mit Gegen- stromführung der flüssigen Phasen durch die Trennstufen

Fig. 4 ein Verfahrensschema für die Hintereinanderschaltung der Trennstufen mit einer Zirkulation des Austauschmedium durch alle Trennstufen und mit Gleichstromführung der flüssigen Phasen durch die Stufen.

Bei den Verfahren gemäß Fig. 1 und Fig. 3 sind die eine Trennstufe bildende erste und zweite Kammer in separaten Gehäusen untergebracht.

Bei den Verfahren gemäß Fig. 2 und Fig. 4 sind die eine Trennstufe bildende erste und zweite Kammern übereinander in einem Gehäuse angeordnet, und die Trennstufen sind in einem Gehäuse untergebracht.

Bei allen Verfahrensführungen werden die Kontaktkammern der Trennstufen mit den entsprechenden flüssigen Phasen gefüllt. Die jeweils erste Kammer 1 wird mit der Ab- geberphase gefüllt, die zweite Kammer 2 mit der Aufnehmerphase. Dann beginnt die Zirkulation des Austauschmediums zwischen den Kammern innerhalb der Trennstufen (Fig. 1 bis 2) oder durch eine Reihe von Trennstufen (Fig. 3 bis 4). Dabei wird ein ausreichender Kontakt zwischen dem Austauschmedium und der Abgeber-bzw. Ab- nehmerphase durch eine Verteilung des Austauschmediums in diesen Phasen innerhalb der Kammern 1 und 2 hergestellt. Diese Verteilung des Austauschmediums in den Phasenvolumina kann in Form von Tropfen, Blasen, Partikeln, wie in Fig. 2 dargestellt ist, oder aber auch in Form von Strahlen und Filmen, wie in Fig. 4 schematisch gezeigt ist, realisiert werden. Das Austauschmedium kann flüssig, gasförmig oder fest sein.

Die Abgeberpase wird über die Leitung 3 in die Kammer 1 der ersten Trennstufe zu- geführt und über die Leitung 4 aus der letzten Trennstufe abgeführt. Die Aufnehmer- phase wird über die Leitung 5 zugeführt und über die Leitung 6 abgeführt. Die Ab- geberphase wird über Verbindungsleitungen 7 von Stufe zu Stufe geleitet und die Aufnehmerphase wird über die Verbindungsleitungen 8 von Stufe zu Stufe geleitet.

Das Austauschmedium wird über die Verbindungsleitungen 9 zirkuliert.

Die Bewegung des Austauschmediums innerhalb der Kontaktkammern, das zu einem Abscheiden im oberen oder unteren Teil der Kammern führt, erfolgt durch die

Schwerkraft. Zwischen der Abgeber-und Aufnehmerphase und dem Austausch- medium besteht eine Dichtedifferenzen. In Abhängigkeit von dieser Dichtedifferenz sammelt sich das Austauschmedium bei Verteilung in die entsprechende flüssige Phase unten (Fig. 1, 4) oder oben (Fig. 2,3) in den Kammern 1 und 2 und bildet die Phasen- grenze 10. Das Austauschmedium wird in die flüssigen Phasen innerhalb der Kontakt- kammern 1 und 2 durch die Verteilungsvorrichtungen 11 verteilt. Abhängig von den physikalischen Eigenschaften des Austauschmediums können verschiedene Arten der Verteilung wie Tropfen, Blasen, Partikel oder Strahlen und Strähnen realisiert werden.

In der Kammer 1 erfolgt der Übergang des abzutrennenden Stoffes aus Abgeberphase in das Austauschmedium, und in der Kammer 2 geht der Stoff aus dem Austausch- medium in die Aufnehmerphase über. Auf diese Weise reichert sich die Abgeberphase beim Durchströmen der Kammern 1 ab, und die Aufnehmerphase reichert sich beim Durchströmen der Kammern 2 mit dem Stoff an.

Die Abgeber-und Aufhehmerphasen werden im Gleichstrom (Fig. 2,4) oder im Gegenstrom (Fig. 1, 3) zueinander durch die Trennstufen geführt. Die Gleichstrom- führung ist technisch einfacher auszuführen. Sie erreicht aber nur eine maximale Effektivität, wenn der abzutrennende Stoff sehr schnell mit der Aufnehmerphase bzw. einer in ihr enthaltenen Komponente reagiert.

Beim erfindungsgemäßen Stoffaustauschverfahren bilden die Abgeber-und die Auf- nehmerphase in den Kontaktkammern die kontinuierliche Phase und füllen den größten Teil der Kammern aus. Dadurch ist die Verweilzeit der beiden Phasen in den Kammern größer, als im Fall des bekannten Verfahrens, bei dem das Austausch- medium die Kammern weitesgehend ausfüllt. Die höhere Verweilzeit ist vorteilhaft, da der Stoffaustausch länger stattfindet und damit vollständiger ist. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn mit dem Stoffaustausch chemischen Umsetzungen gekoppelt sind, die nicht sehr schnell ablaufen.