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Verfahren zur Trennung von Stoffen durch Verdampfung bei Unterdruck
Die Erfindung bezieht sch auf ein Verfahren zur Trennung von Stoffen, z. B. zum
Entfernen von Gasen aus Flüssigkeiten, wie Metallschmelzen.
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Zur Durchführung derartiger Verfahren wird bekanntlich in weitgehendem
Maße die sogenannte fraktionierte Destillation benutzt, indem die flüssige Lösung
der zu trennenden ,Stoffe so weit erwärmt wird, daß der Teildruck eines oder mehrerer
der Stoffe den Druck der umgebenden Atmosphäre übersteigt und der Stoff somit zum
Verdampfen kommt. Mitunter wird es erforderlich, durch Senkung des äußeren Druckes
die notwendige Erwärmungstemperatur herabzusetzen, sei es, daß die Anwendung höherer
Temperaturen zu große Schwierigkeiten hinsichtlich der Vorrichtung verursacht, etwa
wegen der Gefahr des Auftretens von unerwünschten Einwirkungen der zu trennenden
Stoffe mit den Baustoffen der einzelnen Geräte der Vorrichtung, oder daß die Maßnahmen
zur Erzielung der notwen-dügen Temperatur das aus wirtschaftlichen Gründen zulässige
Maß übersteigen. So werden z. B. Gase, die in Metallen gelöst sind, oder auch Metalle
höheren Dampfdruckes, die in anderen mit höherem Siedepunkt gelöst sind, durch eine
Vakuumbehandlung ausgetrieben, indem bei einer bestimmten Temperatur und Druck eine
in einem Raum eingeschlossene Gasmenge entspannt- wird. Die flüchtigen Bestandteile
können
alsdann zweckmäßig in einer gekühlten Vorlage verflüssigt
und auf diese Weise wiedergewonnen werden.
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Derartigen Trennungsverfahren haftet jedoch der Mangel an, daß sie
im allgemeinen reicht ununterbrochen betrieben werden können. Soweit unterbrechungslose
Verfahren bekanntgeworden sied, haben sie die Anwendung von Atmosphärendruck zur
Voraussetzung. Das Stoffgemisch wird dabei, falls erforderlich, erwärmt, bis der
zu beseitigende Stoff verdampft und alsdann gegebenenfalls aufgefangen werden kann.
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Es wunde nun gefunden, daß auch eine Trennung von Stoffen durch Verdampfung
bei Unterdruck ohne Unterbrechung des Verfahrens durchführbar ist. Erreicht ist
dies dadurch, daß mittels zusammenhängender Rohrleitungen in Verbindung mit einer
Absaugvorrichtung der Zutritt des, flüssigen Gemisches der Stoffe zu dem unter Unterdruck
stehenden Verdampfungsraum erfolgt und, ein Zurückfließen des Gemisches durch Eintauchen
-des einen freien Endes der Rohrleitung in das Bad des Gemisches verhindert wird,
während das Ausfließen des nicht flüchtigen Stoffes durch den abfallenden Teil der
Rohrleitung, der mit seinem freien Ende in das Bad des letzteren taucht, vermieden
ist. Die Höhe der Leitungsrohre hängt ab vom spezifischen Gewicht des Gemisches
bzw, des, in Lösung befindlichen Stoffes und dem Unterschied des Atmosphärendruckes
vom Druck im Verdampfungsraum. Die durch Destillation zu trennende Lösung oder das
Genwisch wird, wenn weitere Mengen nachgesetzt werden, von dem Atmosphärendruck
in den Verdampfungsraum hineingetrieben. Dort wird durch Destillation der Teil mit
dem höheren Dampfdruck abgetrennt, während der Teil mit niedrigerem Dampfdruck in
Form einer zweiten. Flüssdgkeitssäule abfließt: Um die Trennung in Fällen eines.
Siedeverzuges oder bei vergleichsweise geringen Unterschieden in den Dampfdrücken
der einzelnen Teile möglichst zu fördern, erscheint es dabei zweckmäßig, di-e noch
unvollständig getrennte Lösung im Verdampfungsraum in an sich bekannter Weise stufenweise
fallen zu lassen. Dabei wird das Auftreten der flüchtigen Teile durch. die Erschütterung
der fallenden tropfenden Lösung und durch Zerreißen der unter Umständen zu hoch
gespannten Oberfläche sowie durch Vergrößerung dieser Oberfläche gefördert.
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Der Erfindungsgedanke wird durch eine Anzahl Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Es sei zunächst .die Trennung von Stoffen aus einer Lösung betrachtet,
bei denen das Lösungsmittel bei Raumtemperatur oder auch bei erhöhten Temperaturen
flüssig ist, der gelöste Stoff dagegen bei Raumtemperatur oder unter normalen Verhältnissen
gasförmig auftritt, wie dies z. B. bei der Entgasung von Flüssigkeiten, oder von
geschmolzenen Metallen beobachtet werden kann.
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In der Fig. z ist ein Bad i der zu entgasenden Flüssigkeit mit einem
Bad 3 des entgasten Lösungsmittels durch Rohrleitungen 2 und 4 verbunden, die an.-ihrem
oberen Ende 5 nach außen hin gasdicht miteinander verbunden sind. Daselbst wird
mittels einer Rohrleitung 6, die zu einer Absaugvorrichtung führt der flüchtige
Stoff bei Druckerniedrigung abgezogen.
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Die Höhe der Rohre 2 und- ¢ über den Flüssigkeitsspiegeln ist vom
spezifischen Gewicht der gashaltigen und der entgasten Flüssigkeit irnd dem Unterschied
zwischen. dem atmosphärischen und dem Betriebsdruck der Vorrichtung abhängig. Sind
beide Bäder gefüllt und wird abgesaugt, so steigt aus beiden Bädern durch die Rohrleitungen
Flüssigkeit bis zurVerennigung der beiden Flüssigkeitssäulen hoch. Wird, in das
Bad i gashaltige Flüssigkeit zugegeben oder aus dem Bad 2 entgaste Flüssigkeit entnommen,
so wird' das Gleichgewicht gestört, und es läuft Flüssigkeit aus dem. Bad i durch
die Rohre 2 und 4 in das Bad 3 und wird dabei an der Stelle 5 entgast. Dieser Vorgang
kann ununterbrochen fortgeführt werden.
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Befindet sich die ganze Anlage in einem Ofen, so können Stoffe entgast
werden, .die an sich bei Raumtemperatur in festem Zustand vorliegen. Bei spielsweise
lassen sich, auf diesem Wege Metalle entgasen, wie Aluminium von dem, oft auftretenden
Wasserstoff befreien.
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Wird indem Bad i das Metall zuerst geschmolzen oder soll eine weitere
etwa reinigende Behandlung durch Seigeru.ng oder eine andere Beeinflussung der Zusammensetzung
vorgenommen wenden, so kann in einfacher Weise der Entgasungsvorgang durch Unterbrechung
der Absaugung erfolgen, bis die Flüssigkeit im Bad i für die Entgasung oder Weiterverwendung
nach der Entgasung vorbereitet ist. In diesem Fall kann man aber von einer Art Abheben
der Flüssigkeit mit Hilfe des Unterdruckes unter gleichzeitiger Entgasung sprechen.
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Die Fig. 2 gibt Auskunft über die Durchführung des Verfahrens, nach
welchem Aluminiumschmelzen entgast werden können. Die Durchführung des Verfahrens
kann bei Legierungen: des Aluminiums erfolgen, aber auch bei. anderen Metallen oder
Flüssigkeiten entweder bei Raumtemperatur oder bei höheren Temperaturen. Entsprechend
der Darstellung in Fig. -2 wird in einen Ofenraum 7, der in an sich bekannter Weise
durch Heizkörper 8 erwärmt wird, durch die Bedienungstür g Metall 10 eingebracht,
das beispielsweise durch Abstehenlassen von Oxydhäuten befreit sein kann. Eine Rohrleitung
i i ist in den beheizten Ofenraum 7 einbezogen. Der Entnahmesumpf 12 ist mit Metall
gefüllt, das zweckmäßig einer vorher schon gereinigtenChargeentstammt. WährenddesArbeitens
der Absaugvorrichtung steigt bei 13 Schmelze in den Schenkeln der. beiden Rohrleitungen
i i hoch und vereinigt sich im höchsten Punkt. Alsdann läuft die Schmelze in das
Bad 12 über und kann db@rt in bekannter Weise durch Ausschöpfen, Auskippen oder
zweckmäßig durch einfaches Überlaufenlassen in einer Gießrinne od. dgl. Gießform
oder auch. in: Gießtiegeln oder Gießkannen aufgefangen werden.
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Um die Entgasung vollkommen zu gestalten, kann die Temperatur während
des Entgasungsvorganges
möglichst niedrig gewählt werden. In diesem
Fall muß der Ofen so gebaut sein, daß die Schmelze durch die Rohrleitung aus der
heißeren Ofenzone in eine kältere fließt und dort entgast wird. Liegt die günstigste
Entgasungstemperatur unter der günstigsten Gießtemperatur, so muß die Schmelze auf
dem Weg von der Entgasungsstelle zum Gießsumpf 12 wieder erwärmt werden. Um dies
zu veranschaulichen, sind in der Fig.2 die Heizkörper 8 auch noch neben den Rohrleitungen
i i vorgesehen.
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Bei einem Siedeverzug kann die Entgasungswirkung dadurch verbessert
werden, daß dlie Oberfläche der Schmelze vergrößert wird. Zweckdienlich werden in
diesem Fall mehrere Stufen in Form von Schalen übereinander angeordnet, so daß die
Schmelze einen längeren, Weg zurückzulegen hat. Es besteht ferner die Möglichkeit,
die Oberflächenspannung durch Zerreißen der Oberfläche wirkungs-Ios zu machen- So
ist es zweckmä&ig, eine an sich bekannte Anordnung entsprechend der Darstellung
nach Fig. 3 anzuwenden. Die infolge der Absaugung bei 15 durch das Steigrohr 14
angesaugte Flüssigkeit läuft über verschiedene Schalen 16 abwärts und gelangt schließlich
in. den Entnahmesumpf 17. Die Oberfläche der auf diese Weise bewegten Schmelze wird
dabei gegenüber der Anordnung nach den Fig. i und 2 erheblich vergrößert. Durch
das Zerreißen der Oberfläche wird die Bildung von Gasblasen und deren Austreten
erleichtert. Die Vergrößerung der Oberfläche und damit .die Verminderung der Oberflächenspannung
und/oder die Erschütterung der Flüssigkeit können auch nach anderen an, sich bekannten
Verfahren erfolgen.
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Liegen die Dampfdrücke .der zu trennenden Teile vergleichsweise dicht
nebeneinander, so gehen mit den gasförmiigenBestandteilen auch merkliche Mengen
von flüssigem Stoff über. Um in diesem Fall die Trennung zu verbessern, wird über
dem Zuflußrohr 18 der Fig. 4 ein weiterer Raum vorgesehen, der dem Verdampfungsraum
entspricht. In diesem Teil des Verdampfungsraumes sind weitere Schalen i9 aufgestellt.
Die Temperatur ist dabei zweckmäßig niedriger als diejenige im Ve.rdampfungsraum,
jedoch höher als die Verdampfungstemperatur der zu verflüchtigenden Bestandteile.
Das mstverdampfte Lösungsmittel verdichtet sich an der großen kälteren Oberfläche
und fließt dann in den Verdampfungsraum zurück.
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Bei dem gasförmigen Teil braucht es sich nun nicht nur um' Stoffe
@ zu handeln, die schon bei Raumtemperatur unter normalen Bedingungen gasförmig
sind, wie etwa Gase, die aus MetallschmeIzen, austreten.; es kommen vielmehr auch
solche Stoffe in Frage, die erst bei höheren Temperaturen. und bei dem angewendeten
niedrigen Druck unter der Saugwirkung zur Verdampfung kommen. So können beispielsweise
Alkalimetalle, Erdelkaltimetalle, Zink, Kadmium, Quecksilber, Magnesium, Blei oder
auch leichtflüchtige Verbindungen, wie etwa, Magrnessumsulfid, nach dein erfindungsgemäßen
Verfahren in ununterbrochener Anwendung aus Aluminiumschmelzen beseitigt werden.
Hier ist es wie auch in anderen Fällen besonders erwünscht, die gasförmigen Bestandteile
aus dem Verdampfungsraum ,nicht nur abzusaugen, sondern durch Verdichten wieder
zurückzugewinnen. Handelt es sich nur um einen einzigen Bestandteil, so. ist die
Anordnung verhältnismäßig einfach. Entsprechend der Darstellung nach Fig. 5 wird
der vom Verdampfungsraum 2o kommende Dampf in an sich bekannter Waise durch ein
Kondensationsgefäß 21 bei einer unter der Verdampfungstemperaturliegenden Temperatur
geleitet, wobei ein ausreichend langer Weg vorgeschrieben wird, um eine vollständige
Verdichtung herbeizuführen. Nach der Verflüssigung läuft der leicht flüssige Teil
durch eineRohrleitung 22 zurück, deren Höhe sich nach dem spezifischen Gewicht und
dem Unterschied zwischen Atmosphärendruck und dem Arbeitsdruck im Verdiampfungsraum
richtet, und gelangt in das Bad 23, aus dem es in an sich bekannter Weise entnommen
-wird.
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Bei mehreren, beispielsweise zwei dampfförmigen Stoffen, wie z. B.
Zink und Magnesium, die bei der Verdampfungstemperatur des Stoffes mit dem niedrigsten
Dampfdruck von ihrem Lösungsmittel, beispielsweise. aus Aluminiumlegierungen, getrennt
und nicht als Gemisch, sondern einzeln zurückgewonnen werden sollen, wird der Dampf
durch eine vom Verdampfungsraum kommende Leitung geführt, in der eine zwischen der
Verdampfungstemperatur- der beiden Stoffe liegende Temperatur herrscht. Der Stoff
verdtichtet sich reit dem niedrigsten Dampfdruck und wird wiederum durch Rohrleitungen
26, 30 und 34 nach Art der Erfindung, die am unteren Ende durch je einen
Sumpf 27, 31 und 35 verschlossen sind, nach außen geleitet, während der Stoff mit
dem höheren Dampfdruck dämpfförmig jeweils einem weiteren Verdichtungsgefäß 25,
29 und 33 mit noch niedrigerer Temperatur zugeleitet wird, an das dtie Absaugvorrichtung
36 angeschlossen ist. Durch die Rohrleitung 24 tritt die Zink und- Magnesium enthaltende
Aluminiumlegierung in den Verdampfungsraum 25. Daselbst verdampfen Zink und. Magnesium,
während das Aluminium durch das Rohr 26 dem Sumpf 27 zur Entnahme zugeführt wird.
Die Dämpfe treten durch das Rohr 28 in den Verdichtungsraum 29, in dem das Magnesium
verflüssigt wird und von dort durch das Rohr 30 und den Sumpf 31 entnommen
werden kann. Das Zink tritt dampfförmig durch das Rohr 32 in den Verdichtungsraum
33 und nach der Verflüssigung des Dampfes durch das Rohr 34 in den Sumpf 35.
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Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn vorgereinigte
Lungen durch Verdampfung der leichtflüchtigen Bestandteile weiter gereinigt werden
sollen. Bekanntlich bereitet eine Filtration der Lösung, die der Reinigung vorangehen
soll, sehr häufig Schwierigkeiten. Im Falle einer Aluminiumlegierung z. B. ist ein
Filtrieren im allgemeinen infolge der hohen Oberflächenr spannung und der Oxydhäuüe
-nur unter Anwendung von Überdruck über oder Unterdruck unter dem Filter möglich.
Die sinngemäße Anwendung
des Verfahrens führt beispielsweise zu
einem solchen nach Fig. 7. In einem Bad 37 befindet sich eine Schmelze, die zunächst
durch Filtration von unlöslichen Bestandteilen,wiebeispielsweiseOxyden, oder hochschmelzenden
Kristallarten befreit werden soll. Sie tritt unter der Wirkung des Unterschiedes
zwischen dem Atmosphärendruck und dem Verdampfungsdruck in den weiteren Teil der
Anlage, nachdem sie vorher das Filter 38 durchlaufen hat, und gelangt in die Rohrleitung
39, durch die die vorgereinigte Schmelze in den unter Unterdruck stehenden Verdampfungsraum
gesaugt wird.
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Besteht die Vorreinigung in einem Seigerungsverfahren, so kann die
Entnahme des gereinigten Teiles. des Bades ebenfalls ohne Unterbrechung erfolgen.
Es ist dabei ein Mindestmaß an Badbewegung, -die die Seigerungswirkung beeinträchtigen
würde, nötig.
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Die Fig. 8 zeigt schematisch ein Beispiel für den Fall, daß die gereinigte
Schmelze qo, die den spezifisch schwereren Teil des Badinhaltes bildet und auf der
die leichteren Verunreinigungen 41 schwimmen; unter der Einwirkung des Unterschiedes
des Atmosphärendruckes gegenüber dem Verdampfungsdruck vom Boden des Seigerungsbades
in die Rohrleitung 42 abgezogen wird. Unter Umständen erscheint es zweckmäßig, einen
Teil der zu entfernenden Stoffe vor der Verdampfung mittels Unterdruck bei Atmosphärendruck
abzudampfen.
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Die in den Figuren dargestellten Vorrichtungen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich natürlich auch für andere metallische Schmelzen
als Aluminium vorteilhaft anwenden. Es ist ferner auch gleichgültig, ob durch die
Verdampfung Stoffe beseitigt werden, die ursprünglich im Lösungsmittel vorhanden
waren, oder ob sie erst inrZuge andererReinigwn:gsverfahren zugegeben werden. Diese
Stoffe können auch durch Verdichtung zurückgewonnen und dann dem ersten Reinigungsverfahren
wieder zugeführt Nverden.