Effektive thermische Trennung mit der Kurzwegdestillation

Schonender Umgang mit empfindlichen Stoffen

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Die Kurzwegdestillation ermöglicht eine besonders schonende destillative Trennung temperaturempfindlicher Stoffe. Und noch mehr: So lassen sich mit diesem Verfahren viele Substanzen trennen, die mit konventionellen thermischen Methoden nicht zu trennen sind. Welche technischen Kniffe die Kurzwegdestillation so wirkungsvoll machen, zeigt der nachfolgende Beitrag.

Der Autor: Gerhard Högl Vertriebsleitung, GIG Karasek

Herkömmliche Verdampfer, wie Fallfilmverdampfer und Zwangsumlaufverdampfer, werden überwiegend für die Trennung wässriger Substanzen oder für die Rückgewinnung von leichtflüchtigen Lösemitteln eingesetzt. Wärmeempfindliche Produkte wie pflanzliche oder tierische Öle, Harze, Polymere, Isocyanate sowie Milchsäure oder Vitamine würden sich bei solchen Verfahren zersetzen bzw. unerwünscht reagieren. Das kann zu Verfärbung, Geruchsentwicklung oder Geschmacksveränderung des Produktes führen, oder auch zu Krusten- und Belagsbildungen im Apparat.
Um diesen Zersetzungsvorgang zu vermeiden, wird das Produkt im Feinvakuum (zwischen 1 und 0,001 mbar) mit teilweise hoher Abdampfrate destilliert. Das heißt, solche sensiblen Stoffe müssen bei niedrigem Druck behandelt werden, um die thermische Belastung möglichst gering zu halten. Die Ausdampftemperatur entspricht exakt der Siedetemperatur bei dem gemessenen Druck, weil der Druckverlust der Dämpfe aufgrund optimierter Verdampfergeometrie vernachlässigbar ist. Manche Produkte neigen auch durch örtliche Spontanverdampfungen zum Spritzen. Dies kann überwiegend im oberen Bereich des Produkteintrittes auftreten. Effiziente interne Tropfenabscheider verhindern, dass Schwersieder zum Kondensator gelangen und so das Destillat verunreinigen.
Technisches Design
Ein Kurzwegverdampfer besteht aus einem zylindrischen Verdampfungsbereich mit konzentrisch angeordnetem Kondensator. Das zu destillierende Substanzgemisch wird von oben zugeführt und mit einem ausgeklügelten Aufgabesystem gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilt. Der Energieeintrag erfolgt über heißes Wasser, Dampf oder Thermoöl. Nach einer kurzen Strecke erreichen die so erzeugten Brüden die Kondensatoroberfläche. Die verflüssigten Brüden fließen über die Kondensatorrohre nach unten und werden als Destillat aus dem Apparat ausgetragen, während die nicht-kondensierbaren Leichtsieder in einer speziell gestalteten Kühlfalle angefroren und Inertgase über das Vakuumsystem abgesaugt werden. Aus diesem Grund wird dieser Vorgang als Kurzwegdestillation oder Molekulardestillation bezeichnet, weil der Weg der Brüden sehr kurz (lediglich wenige Zentimeter von der beheizten Wandung bis hin zu den Kondensatorrohren) ist.
Die nicht verdampfenden Komponenten des Stoffgemisches werden im unteren Bereich des zylindrischen Verdampfers gesammelt und ausgetragen. Durch eine zusätzliche, am Kondensator angebrachte Auffangschale ist es möglich, verschiedene Destillatfraktionen abzuziehen und somit unterschiedliche Produktqualitäten zu erhalten.
Wirtschaftlichkeit erhöht
Der einzige wirkliche Nachteil der Kurzwegdestillation sind die verhältnismäßig hohen Investitions- und Wartungskosten. Um diese zu minimieren, hat GIG Karasek das Prinzip des klassischen Plattenfallfilmverdampfers mit dem der Kurzwegdestillation nach dem Rotationsprinzip vereint. Die Weiterentwicklung basiert auf Verdampferplattenpaaren in lamellenartiger Anordnung, die abwechselnd beheizt und gekühlt sind. Auf diese Weise lassen sich große Verdampfungs- und Kondensationsflächen auf kleinstem Raum realisieren. Der Apparat ermöglicht es, mehrere 10 t/h Produkt unter Fein- oder Hochvakuumbedingungen in einem einzelnen Apparat zu destillieren. Das war bisher unter derart schonenden Bedingungen nicht möglich.
Das patentierte System besteht aus einem zylindrischen Gehäuse. Das Einsatzmaterial wird mithilfe eines Verteilersystems oben auf die Außenflächen der beheizten Verdampferplatten aufgegeben und fließt als dünner Film nach unten. Die leichtflüchtigen Komponenten aus dem Einsatzmaterial verdampfen und werden an den gekühlten Platten unmittelbar kondensiert. Die an den beheizten Platten produzierten Dämpfe werden in nur wenigen Zentimeter Entfernung an den gekühlten Flächen niedergeschlagen. Damit kann der Druck während der Destillation bis in den Hochvakuumbereich abgesenkt werden. Im unteren Bereich des Apparats werden Destillat und Rückstand getrennt aufgefangen und ausgeschleust. Nicht kondensierbare Gase werden über kurze Distanzen seitlich abgesaugt.
Biodieselerzeugung aus Tallöl
Ein schwedischer Konzern hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem er aus Tallöl Biodiesel gewinnen kann. Das Öl fällt in großen Mengen bei der Verarbeitung von Holz zu Zellstoff an. GIG Karasek wurde bereits bei den Vorstudien, die vor dem Bau der Anlage durchgeführt wurden, mit einbezogen. Das Produkt stellte hohe Anforderungen an die Werkstoffe aller mediumberührten Komponenten und an das Design der unterschiedlichen Verdampfertypen. Weitere neue Projekte im Großmaßstab stehen kurz vor der Realisierung.
Ausprobieren im Technikum
Mit den modernen Versuchsanlagen, unter anderm eine Kurzwegverdampfer- und eine Plattenmolekularverdampfer-Pilotanlage, ist das Technikum von GIG Karasek optimal ausgerüstet. Unterschiedlichste Abläufe und Verfahren können dort nachgebildet und optimiert werden, sodass der Anwender die auf seine Bedingungen abgestimmte und technisch optimale Lösung präsentiert bekommt. Optimaler Energieverbrauch und Ressourcenschonung sind dabei genauso wichtig, wie die Prozesssicherheit und die einfache Handhabung der Anlagen.
Der Versuchsprozess wird von den Spezialisten betreut und die Anlagenparameter optimiert. Vor Versuchsbeginn erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Kunden eine sorgfältige Planung, wonach das Verfahren im Labor- und/oder Pilotmaßstab simuliert wird. Dabei werden die für das Scale-up erforderlichen Daten ermittelt. Mit den in langjähriger Erfahrung entwickelten Methoden können Operationen durchgeführt werden, die den Scale-up-Faktor 2000 übersteigen. „Ein Versuch ist immer aufschlussreich und trägt dazu bei, unser Know-how zu erweitern“, erläutert Dr. Daniel Bethge, Forschungsleiter des F&E Entwicklungszentrums bei GIG Karasek. „Um komplexe Zusammenhänge zu erkennen, nutzen wir das Simulationsprogramm Chemcad. Durch die Vielzahl an Apparaten können wir unseren Kunden das optimale Trennverfahren anbieten.“, so Dr. Daniel Bethge abschließend.
Achema: Halle 4.0, Stand A68
prozesstechnik-online.de/cav0312423
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