DE1667241A1

DE1667241A1 - Vorrichtung zur Erzielung von Wechselwirkungen von fliessfaehigen Stoffen an ausgedehnten festen Flaechen

Info

Publication number: DE1667241A1
Application number: DE19671667241
Authority: DE
Inventors: Sussman Martin Victor
Original assignee: Research Corp
Current assignee: Research Corp
Priority date: 1966-05-18
Filing date: 1967-05-13
Publication date: 1971-06-09
Also published as: US3503712A; GB1175736A; CH478588A

Description

Aktenzeichens Neuanmeldung

flranelderlnt Research Corporation, New York, V.St.*.

flnwaltsakte: 45 729 12. Mai I967

Vorrichtung zur Erzielung von Wechselwirkungen von

fließfähigen Stoffen an ausgedehnten festen Flächen

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzielung von physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkungen von fließfähigen stoffen an ausgedehnten festen Flächen. Derartige Wechselwirkungen können einerseits physikalischer Art sein, beispielsweise bei der Chromatografie, wobei die festen Flächen eine als Lösungsmittel dienende Substanz tragen können, andererseits aber auch chemischer Katur sein, wenn sich auf den festen FlMohen beispielsweise ein katalytisches Material oder ein Reaktionspartner befindet oder ein Produkt oder Reaktionspartner auf diesen unterschiedlich adsorbiert wird.

Zur Vereinfachung wird die Erfindung im Folgenden anhand von zur Durchführung chronatografisoher Trennungen geeigne-

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ter Vorrichtungen beschrieben.

Obgleich der Stand der Technik bei der Herstellung von chromatografiechen und Insbesondere gaschromatografisohen Trennvorrichtungen einen beachtlichen Stand erreicht hat und derartige Vorrichtungen in Betriebs- und Forschungslaboratorien mit erheblichem Nutzen als Analysengeräte verwendet werden, besitzen die herkömmlichen gasohromatografischen Trennvorrichtungen verschiedene erhebliche Nachteile, da sie nur sehr kleine Stoffmengen handhaben können und im allgemeinen nur intermittierend oder diskontinuierlich arbeiten·

Die herkömmlichen chromatografIschen Vorrichtungen bestehen im wesentlichen aus einem Rohr mit geringem Durchmesser, gewöhnlich einem Innendurchmesser von etwa 6 mn, welches mit einem felnteillgen, inerten Peststoff gefüllt ist, der mit einer dünnen Schicht eines als Lösungsmittel für die Bestandteile der zu analysierenden Mischung wirkenden, niohtflüohtigen Material Überzogen 1st. Zum Betrieb eines derartigen, als "ohromatografisohe Säule" bezeichneten gepaokten Rohres wird dessen oberem Ende eine sehr geringe Menge der zu analysierenden Mischung zugeführt und dann ein Strom aus Inertgas, gewöhnlioh Helium, Wasserstoff oder Stickstoff duroh die Säule geleitet. Das inerte Trägergas spült die Misohung duroh die Säule nach unten, wobei sich wegen der verschiedenen Affinitäten der elnzel-

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nen Mischungsbestandteile für die nichtflüchtigen X£sungs° mittelphase eine Trennung der Mischungsbestandteile ergibt. Die Verweil- oder Retentionszelt eines Mischungsbestandteiles in einer derartigen Säule hängt direkt von der Affinität des Bestandteiles für die Lösungamittelphase ab. So wird ein Bestandteil mit nur geringer Affinität für die Lösungsmittelphase rascher durch die Säule gespült, als ein Bestandteil mit erheblicher Affinität für die lösungsmittelphase. Durch Anordnung einer geeigneten Detektorvorrichtung am Säulenausgang kann man die Quantität und sogar die Identität der verschiedenen aus dem Säulenende austretenden Bestandteile ermitteln.

Pur schwierige Trennvorgänge sind sehr lange Säulen und entsprechend lange Zeiten zur Durchführung der Analyse erforderlich. Für einige Anwendungen liegt jedoch ein viel schwerer wiegender Nachteil darin, daß die bisherigen Vorrichtungen im wesentlichen analytische Instrumente sind, die sich für die Herstellung erheblicher Mengen an reinen Materialproben nicht sonderlich eignen, da sie nur mit sehr geringen Stoffmengen und darüber hinaus auch nur intermittierend arbeiten. Zur Herstellung von nennenswerten Mengen der reinen Mischungsbestandteile mit herkömmlichen chromatografischen Vorrichtungen 1st es erforderlich, die analytische Prozedur tausende von Malen zu wiederholen und dabei jedes Mal die winzige Menge der gewünschten Komponente zum Zeltpunkt ihres Austretens aus dem Kolonnenaus-

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gang aufzufangen*

Ss ist nun Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen zur Erzielung von physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkungen von fließfähigen Stoffen an ausgedehnten festen Flächen vorzuschlagen, welche die Nachteile der bisherigen chromatografIschen Vorrichtungen vermeiden und bei einfacher, kompakter und leicht zugänglicher Bauweise kontinuierlich oder intermittierend betrieben und zur Lösung analytischer oder präparatlver Aufgaben eingesetzt werden können und dabei eine größere Auflösung, eine kurze Trennzelt von unter einer Sekunde und eine hohe Trennkapezität aufweisen, große Materialmengen handhaben können und eine kontinuierliche und gleichzeitige Abtrennung verschiedener Komponenten ermöglichen sowie mit Vorteil zur Durchführung chemischer Reaktionen benutzt werden können.

Dementsprechend wird erflndungsgemäß eine Vorrichtung zur Erzielung von physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkungen von fließfähigen Stoffen an ausgedehnten festen FlSchen vorgeschlagen, welche gekennzeichnet 1st durch eine Mehrzahl von durch Abstandshaltevorrichtungen unter Bildung mindestens eines Kanals mit relativ zur Fläohengröße kleinem Flächenabstand, vorzugsweise zwischen 0,001 und 6,3 mm parallel gehaltenen, ausgedehnten» ebenen Flächenteilen, mit dem Kanal verbundene Einlaßvorriohtungen und von diesen entfernt angeordnete Kanalauslaövorrlch-

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tungen.

Zur Erzielung guter ohromatograflecher Trennleistungen kann der Flächenabstand zwischen den Flächenteilen zweokmäfiig zwischen etwa 0,001 und 0,25 mm liegen, während eine grobe Trennung oder wesentliche Anreicherung bereits mit einem Flächenabetand zwischen etwa 0,25 und 6,25 mm erreicht wird. Zur Durchführung chemischer Umsetzungen sind Flächenabstände gleicher Größenordnung geeignet.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausftihrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Ss zeigen«
Flg. 1 einen senkrechten Querschnitt durch eine Ausfüh-

rungsform der erfindungsgemä8en Vorrichtung, Flg. 2 eine sohematlsohe perspektivische Ansieht der

Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine längs der Linie 3-3 der Fig. 4 geschnittene Ansicht einer erflndungsgemäfi bevorzugten chromatograflechen Trennvorrichtung mit kontinuierlich rotierenden flachen Platten,

Flg. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3» Flg. 5 eine graphische Darstellung der mit einer Apparatur gemäft der Flg. 3 und 4 bei der Trennung einer Zweikomponentenmisohung bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 0, 0,5 und 1 U/seo. mit einem Silikonfett als Absorbens erzielten Ergebnisse,

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Pig. 6 einen senkrechten Sohnitt durch eine abgewandelte Aueführungeform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Mehrzahl von miteinander verbundenen, parallel durchströmten Trennzellen,

Pig. 7 eine geschnittene Teilansicht einer abgewandelten Einlaßvorrichtung für eine Vorrichtung gemäß der Pig. 3 und 4,

Fig. 8 eine geschnittene Ansicht durch eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung mit einer in Serie durchströmten Anordnung der Pläohentelle,

Flg. 9 ein Schnittbild längs der UnIe 9 ~ 9 der Pig· 8,

Pig.10 ein Schnittbild längs der Linie 10-10 der Fig. 8 und

Fig.11 eine scheroatische Darstellung der Verwendung der

erfindungsgemäßen Vorrichtung 2ur Informationsübertragung und- entschltlaeelung*

Xm allgemeinen 1st die Auflösung einer gaechromatografisehen 8KuIe umgekehrt proportional der einem theoretischen Boden äquivalenten Höhe. Je geringer die einem theoretischen Boden äquivalente Höhe ist, desto größer 1st die in einer Kolonne gegebener Länge erzielbare Trennung. Pie Auflösung einer ohromatografischen Kaplllarsäule ist daher sehr groß und theoretische und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß bei derartigen Säulen die einem theoretischen Boden äquivalente Böhe von der Größenordnung des Durchmesser der Kapillare let. Bs sind be*

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reits Kapillarsäulen mit einem Innendurobeeseer von etwa Cs038 mm mit einer einem theoretischen Boden Äquivalenten Höhe von nur etwa 0,1 mm konstruiert worden.

Derartige Kolonnen haben trotz ihrer großen Auflösung pro Längeneinheit den schwerwiegenden Nachteil, daß sie nur mit Mikromengen an Probesubstanz betrieben werden können. Darüber hinaus sind sie wegen der Schwierigkeiten zur Erzeugung eines gleichmäßigen Überzuges der W-sungsmlttelphase auf der Innenfläche einer Kapillare sehr geringen Durchmessers nur schwierig herzustellen.

Die erfindungsgemäßen chromatografisohen Trennvorrichtungen weisen die äußerst geringen Werte der chromatografie sehen Kapillarsäulen für die einem theoretischen Boden äquivalente Kühe auf, vermelden Jedooh die Schwierigkeiten der Herstellung einer gleichmäßigen LÖsungsaittelphase und die geringe Kapazität der Kapillar säulen und können darüber hinaus auch zu kontinuierlichen chroma togr afischen Trennungen benutzt werden.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungageefcflen chromatografisohen Trennvorrichtung besitzt einen zwischen den gegenüberliegenden Flächen von ausgedehnten ebenen Fläohentellen 14 und 16 liegenden Kanal 12 zur chroaatograf isohen Trennung. Die Fläohentelle 14 und 16 werden durch geeignete Dichtungen und/oder Ab-

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standshaltevorriehtungen 18 mit geregelter, sehr gleichmäßiger Dicke, vorzugsweise aus Kunststoff oder Metallfolie, in einem geringen Abstand parallel gehalten* Die Dicke der Dichtungen oder Abstand3haltevorrichtungen 18 bestimmt die Dicke des vom Gas durchströmten Kanals und damit die Auflösung oder die einem theoretischen Boden äquivalente Höhe der chromatografischen Trennvorrichtung 10. Dieser ?liichenab3tand oder Durchmesser des gasdurchströmten Kanals 12 (und dementsprechend die Stärke der Dichtungen oder Abstandshalter) liegt gewöhnlich zwischen 0,001 und 2,5 mm. Die die Seitenwände des chromatografischen Kanals 12 bildenden Flächen 20 und 22 der Flächenteile 14 und 16 sind mit einer für die zu trennende Mischung geeigneten Lösungsnd ttelphe.se beschichtet. Die flache Kombination aus Flächenteilen und Abstandshaltern wird durch geeignete Klammer-Verrichtungen zusammengehalten, welche die Flächenteile und die ^bstandshaltevorrichtungen in einer bestimmten, festen Stellung zueinander festle gin.

Da der chromatografIsche Kanal 12 durch Auseinandernehmen der Teile geöffnet werden kann, ist es im Gegensatz zu den herkömmlichen gepackten oder kapillaren chromatografisohen Säulen leicht möglich, Art, Zusammensetzung, Dicke und Verteilung der Lösungsmittelphase eingehend zu kontrollleren. Die leichte Zugänglichkeit des Inneren des chromatografiischen Kanals 12 stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar und gestattet beispielsweise das Aufbringen

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verschiedener Lösungsmittel auf jede der einander gegen* liberliegenden P Iac hen des ohromatograf Ischen Kanals 12. Erforderlichenfalls kann man auoh ein oder mehrere LtSsungS' mittel oder Lösungsmittelmlsohungen in Pom geregelter und reproduzierbarer Muster, beispielsweise paralleler Streifen aufbringen und die Dicke der Lösungsaittelsohicht kontrollleren. Palis der zwischen den flachen Platten liegende chronatograflsohe Kanal erschöpft oder verstopft sein sollte, kann er leioht und rasch geöffnet, gereinigt und regeneriert werden.

Wie die Plguren 1 und 2 zeigen, sind an den doppelten Einlaflvorrichtungen 26 Vorrichtungen 24 sur Zuführung von TrMgergas und gasförmigen Mischungen und an den Auelaßvorrichtungen 28 Ableitung-Vorrichtungen JO zum Abziehen der Oasbestandteile vorgesehen. Die beiden Binlalöffnungen 26 sind durch einen in Querrichtung verlaufenden Kanal 29 verbunden, welcher sur Ausbildung einer durch die Pfeile angedeuteten gleioheAIigen Gasströmung zwischen den PlKohen 20 und 22 der Platten 14 und 16 beitrügt.

Bs 1st von groier Bedeutung, dal der Kanal 12 ein· sehr grole Querabejessung und la Vergleioh su einer einzelnen Kaplllarstfule eine sehr viel gröter· Kapazität besitst, obgleich die eine» theoretischen Boden Äquivalente Höhe genauso gering oder noch geringer 1st, als die einer ein* seinen KapillaraauIe. Die Kapazität kann durch Verwendung

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einer geschichteten Anordnung von mehr als zwei Platten mit jeweils zwischen zwei benachbarten Platten liegenden Zwischenräumen und auf den Flächen der Platten aufgebrachten Lfjsungsraittelphasen weiter vergrößert werden.

Die Dicke der als Abstandshalter wirkenden Dichtungen 18 kann zwischen etwa. 0,001 und 6,25 ram, vorzugsweise zwischan 0,025 und 1,25 πιπί liegen. Der Querdurchmesser des Gas'canaXs ist im allgemeinen größer als seine Tiefe und beträgt vorzugsweise mehr als das Hundertfache der Dicke der Dichtungen 18. Der vom Gas durchströmte Kanal 12 wird durch die beschichteten Flächen der Platten 14 und 16 und die deren Abstand bestimmenden Dichtungen 18 begrenzt und muß einen Querschnitt mit gleichmäßiger Tiefe besitzen, so 3a3 sich hinreichend flache Querprofile der Gasgeschwindigkeit ergeben. Zur Er sie lung einer konstanten Querschnittstiefe des Kanals 12 werden die Flächen 20 und 22 der Plat* ten 14 und 16 sehr eben geschliffen. Die Platten können aus beliebigen geeigneten, dimensionsstabilen Materialien, vorzugsweise aus geschliffenem und poliertem Glas bestehen, das sich mit tragbaren Kosten auf Bruohteile einer Wellenlänge des Lichtes eben schleifen läßt.

Jede der den Kanal 12 begrenzenden Flächen der Platten wird mit einer Schloht aus ein oder mehreren geeigneten Lösungsmitteln beschichtet. Die Art des Lösungsmittels hängt von der zu analysierenden Mischung ab, jedoch wird

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vielfach eine dünne Schicht aus Di-ootylphthalat verwendet, öle auf die Platten aus einer verdünnten Lösung von 5 % Di-©2tylphthalat in Benzol niedergeschlagen wurde. Dabei bedeckt man die auseinandergenommenen Platten mit der 3 $igen Lösung und läßt das Benzol verdampfen, so dafl ein dünner iJberzug der gewünschten , nicht flucht igen Lösungsraittelphase zurückbleibt. Die Phthalatphase eignet 3:lch zur Abtrennung einer Vielzahl verschiedener dampfförmiger organischer Stoffe aus entsprechenden Dampfge-Mi30hon. So können beispielsweise Mischungen aus paraffinischen, olefinischen, aromatischen und substituierten aromatischen Verbindungen« chlorierten Kohlenwasserstoffen und ähnlichen Substanzen in ihre Einzelkomponenten zerlegt werden.

Hierzu kann eine chromatografische Platten- Trennvorrichtung gemäß der Figuren 1 und 2 mit zwei rechtwinkligen, etwa 230 mm langen, 10 mn breiten und 12,7 mm starken, bis auf eine halbe Wellenlänge des blauen Lichtes eben polierten Glasplatten 14 und 16 verwendet werden, deren Flächen 20 und 22 in der beschriebenen Welse mit einer Di-o ctylphthalat-Lösungsmittelpnase beschichtet sind und mittels einer 0,05 mm starken Dichtung 18 zwischen sich einen Kanal 12 für das Gas bilden. Die Vorrichtung wird «Sure! geeignete, nicht dargestellte Klammern fest zusammengehalten. Den Einlaßöffnungen 26 wird dabei durch Zuleitungsvorrichtungen 24 Trägergas und ein dampfförmiges Gemisch ,

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zugeführt und die aus den Auslaßöffnungen 28 austretenden Komponenten durch Ableitungsvorrichtungen 30 einer geeigneten Detektorvorrichtung zugeführt. Als Detektor können dabei beliebige, im Handel erhältliche Vorrichtungen verwendet werden, wie sie zur Anzeige der Zusammensetzung von bei der Gaschromatografie austretenden Gasen entwickelt wurden. Für diesen Zweck ist wegen seines raschen Ansprechen» Insbesondere ein Flammenlonisations-Detektor geeignet.

Zum Betrieb wird die gesamte Anordnung, einschließlich der Leitungen und der Klammervorriohtungen in einem Luftbad konstanter Temperatur gehalten» Zur Trennung von Mischungen aus Benzol und Toluol kann eine Badtemperatur von etwa 120 ⁰C Verwendung finden. Dabei wird den Einlaßöffnungen 26 ein Heliumstrom mit einer Geschwindigkeit von 1 ml pro Minute zugeführt. Dann wird in den Heliuastrom 0,1 ml einer Misohung aus Benzol und Toluol eingespritzt, wobei durch geeignete Vorrichtungen dafür gesorgt wird, daß diese Mischung unmittelbar nach ihrem Eintritt In den Heliumstrom verdampft* Derartige Vorrichtungen gehören zur Standardauerüstung herkömmlicher Oaschromatografiegeräte. Einige Sekunden nach dem anspritzen zeichnet die Aufzeichnungsvorrichtung des am Oasauslaß angeordneten Detektors den ersten Peak auf, welcher der mit der Injektion der Probes stets eingeführten kleinen Luftmenge entspricht. Kurz danach registriert die Aufzeichnungsvorriohtung einen Peak

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für Benzol und dann einen Peak für Toluol. Die Fläohe dieser Peaks ist dem Volumen des in den Trägergasstrom abgespritzten Benzols und Toluole proportional·

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungeform einer erfindungsgemäßen chromatografischen Trennvorrichtung zur kontinuierlichen Abtrennung und präparativen Gewinnung* Diese Trennvorrichtung 10' weist eine kreisförmige obere chromatograflsche Platte 14 * mit einer Einlaßöffnung 32 und eine kreisförmige untere chromatografisohe Platte 16* auf, welche zwischen sich einen chromatografischen Kanal 12* bilden, dessen Dicke durch die als Abstandshalter dienenden Dichtungen 18' bestimmt 1st. über den Platten let eine EInlaßplatte 34 mit einem axialen Kanal 36 angeordnet» weloher zur Zuführung des Trägergases und einer Dampfmlsohung zum chromatografIschen Kanal 12* dient. Diese gesamte Anordnung 1st durch Bolzen 38, welche durch die als Abstandshalter wirkenden Dichtungen 18' hindurohgeführt sind, auf einer Drehplatte 40 befestigt. Zwischen der rotierenden Außenwand des Kanals 36 und der Innenwand einer diese übergreifenden Kappe 42 liegt ein Dichtungsring oder Packungsmaterial 54 dicht an und verhindert einen Oasauetritt. Dl« sieh drehende Plattenanordnung wird an ihrem Umfang von einem feststehenden Auffangring 44 umgeben, welcher durch Dichtungen 56 an dem rotierenden Teil dicht anliegt. Die Kapp· 42 weist eine Zuleitung 46 für das Trägergas 48 und «in· feststehende Zufuhrleitung 50 für die Dampfmischung auf,

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welche durch die Kapillarspitze 52 der Zuleitung 50 dem Innenrand des durch die kreisförmigen Platten 14» und 16· gebildeten ringförmigen Kanals 12· zugeführt wird. Die gegenüberliegenden Plächen der Platten 14* und 16» sind in der beschriebenen Weise mit einem dünnen überzug aus einem geeigneten» nichtflüchtigen Lösungsmittel beschichtet. Derfeststehende Auffangring 44 ist in der in Pig. 4 dargestellten Weise durch Trennvorrichtungen 66, deren Spitzen als flexible Dichtungen an der äußeren Umfangsfläche der kreisförmigen chromatografischen Platten 14* und 16· anliegen, In eine Reihe von Auffangskammern, 60, 68 und 64 unterteilt.

In PIg. 4 ist die kontinuierliche chromatograf Ische Trennung einer aus zwei Komponenten A und B bestehenden Mischung dargestellt. Die gegenüberliegenden Plächen der Platten 14* und 16' tragen dabei eine zur Trennung dieser Komponenten geeignete Lösungsmittelphase. Vor der Einführung der Probe wird durch die Leitung 46 Trägergas eingeführt, Nachdem sich der Trägergasstrom stabilisiert hat, wird durch die Leitung 50 und die Kapillarspitze 52 kontinuierlich eine dampfförmige Mischung der Komponenten A und B in den chromatografie so hen Kanal· 12.' eingeführt· Wenn bei einem Auflendurchraesser der Platten 14* und 16* von etwa 56 cm und einem Durchmesser der öffnung 32 von etwa 5,6 οm unter den gegebenen Temperatur- und Lösungsmittel-Bedingungen die Verweilzeit im ohromatografischen Kanal 12* für die Komponente A 1 Sekunde

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und für die Komponente B 2,5 Sekunden beträgt, durchläuft die Komponente A im Kanal 12* eine spiralförmig gekrümmte Bahn 70 und die Komponente B eine abweichende spiralförmige Bahn 72, so daß die Komponente A kontinuierlich durch die Leitung 80 aus der Auffangkammer 64 und die Komponente B kontinuierlich durch die Leitung 82 aus der Auffangkaamer abgezogen werden können.

Die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der Figuren 5 und 4 ist in Flg. 5 an einem anderen Beispiel schematisch dargestellt, bei welchen die Trennung einer Mischung aus 50 % CH^ und 50 % C,Hg bei einer Trägergaszuführung von 2,5 ml /see. und einer Zuführung von 0,5 ml/sec der Mischung (d.h. einem Verhältnis Trägergas : Mischung von 5) und Drehgeschwindigkeiten von 0, 0,5 und 1 U/sec durchgeführt wurde. Wie das Diagramm zeigt, wird mit Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des chromatografisohen Kanals eine verbesserte Trennung der Komponenten erzielt.

Fig. 6 zeigt eine weitere bevorzugte AusfUhrungsform der Erfindung mit einer den Fig. 3 und 4 ähnlichen Vorrichtung 10ⁿ mit einer Mehrzahl von Übereinanderliegenden Kanälen 12" zwischen ringförmigen Platten 90, welche alt Ausnahme der nur einseitig geschliffenen ersten und letzten Platte auf beiden Fläohen sehr eben geschliffen sind und deren einander gegenüberliegende Flächen duroh geeignete Dichtungen der in den Figuren J und 4 dargestellten Art getrennt ge-

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halten werden. Das Trägergas wird durch eine Einlaßvorrichtung 91 und die zu trennende Mischung durch eine Einlaßvorrichtung 92 mit einer langgestreckten Kapillar-Auslaßvorrichfcung 9^ zugeführt. Die getrennten Stoffe werden in einer relativ zu den rotierenden Platten feststehenden, ringförmigen Auffangvorrichtung 96 aufgefangen. Die Platten werden durch eine an einem Nabenteil 98 angeordnete Welle 100 angetrieben, die mit geeigneten, vorzugsweise einstellbaren Osschwindigkeits-Regelvorrichtungen verbunden ist. Die Arb3itsweis€i der Vorrichtung gemäß Fig. 6 entspricht vollständig der in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 gegebenen Beschreibung.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsforra der Oaszuleitung für erfindungsgemäße Vorrichtungen mit rotierenden Platten gemäß der Figuren 3 und 4. Die in Fig. 7 dargestellten Platten 102 und 104 werden durch geeignete, nicht dargestellte Dichtvorrichtungen in einem geeigneten Abstand gehalten und bilden zwischen sich einen ringförmigen Trennkanal 106. Durch eine Öffnung I08 in der oberen Platte 102 kann beispielsweise das Trägergas in den Kanal 106 eingeführt werden* Die gasförmige Probe wird durch eine Zuleitung 110 und ein Rohr 112 zugeführt, welches zu hinreichenden Flexibilität seines Austrittsendes 116 beispielsweise eine einfache Windung 114 aufweist* Das Ende des Zuführungsrohres trägt ein Kunststoff plättchen 118, welches mit der Oberfläche 120 der unteren Platte 104 und der Urofangsf lache der

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öffnung 1 08 In gleitender Berührung steht. Die Windung 114 £3wiihrlei3tet einen sicheren, gleitenden Kontakt zwischen der unteren Fläche des Kunststoffplättchens 118 und der Oberfläche der unteren Platte 104 und trägt dazu bei, daß die Probe direkt in den Kanal 106 eingeführt wird.

Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen eine abgewandelte Ausftührungsforin der Vorrichtung gemäß der Figuren 1 und 2 mit einer Mehrzahl von flachen Platten 150 , die mit Vorteil zur Vergrößerung der wirksamen Fläche und insbesondere der Länge cies flachen plattenchromatografIschen Kanals 12* der Pig. 1 und 2 dienen kann. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß beide Flächen optisch flacher Platten als aktive Oberflächen der chromatograflschen Vorrichtung benutzt werden* Dies stellt eine erhebliche Einsparung dar, da bei der Herstellung optischer Platten gewöhnlich beide Oberflächen parallel und plan geschliffen werden.

Die in den Flg. 8, 9 und 10 dargestellte Vorrichtung 130 besitzt eine Reihe von Platten 1J2 , 1^4, 1j6, 138 und 140, die durch an den Enden angeordnete Dlohtungsvorriohtungen 142 und 144 in einen Abstand parallel gehalten werden. Die In Fig. 10 dargestellte Dichtung 142 besteht aus vertikalen Streifen 14$ und 146 und zwei QuerStegen 148 und 150» Dl« andere Diohtung 144 enthält neben zwei vertikalen Streifen drei Queretege 152, 154 und I56. Die Quersttge 148 und 150 sowie 152, 154 und I56 sind relativ zueinander Jeweils

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versetzt angeordnet, so daß das in Pfeilrichtung 158 zugeführte fließfähige Material durch den Kanal I60, um das Ende 1 62 der Platte 134,durch den Kanal 164,um das Ende 166 der Platte 136, dann durch den Kanal I68, etc. fließt und an der Kante I70 in Pfeilrichtung 172 austritt. Die gesamte Anordnung wird durch zwei Paare voneinander jeweils gegenüberliegenden flachen Endplatten 174 und 176 bzw. 174* und 176¹ und geeignete, nicht gezeichnete Klammervorrichtungen in der dargestellten Stellung gehalten.

Die erflndungsgemSßen Vorrichtung sind jedoch nicht auf Verfahren zur Herstellung reiner Stoffe aus Stoffmischungen beschränkt, da die Schnelligkeit und Genauigkeit der nit Vorrichtungen gemäß der Figuren 3 und 4 erzielten Trennungen cie auch für andere Zwecke brauchbar machen. So ist beispielsweise in Fig. 11 die Anwendung der erfindungagemäßen, kontinuierlich arbeitenden, chromatografischen Vorrichtung zur Übertragung und Entschlüsselung von Informationen sohematlsoh dargestellt· Die Vorrichtung I80 besitzt ein nur schematisch angedeutetes Teil 182, welches einer Vorrichtung gemäß dem Teil 10' der Fig. 3 und 4 entspricht und Auffangjistationen A,B,C,D und E aufweist, die beispielsweise den Auffang/Sstatlonen 80 und 82 der Figuren 3 und 4 entsprechen. Die Information wird in Form einer flüssigen Mischung mit seitlich verschiedener Zusammensetzung zugeführt. Gemäß Flg. 11 enthält die Flüssigkeit die Komponenten A, B C, D und E und ein inertes Trägermaterial. Die Komponenten

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A, B, C, D und E werden dabei so gewählt, daß sie durch die Vorrichtung getrennt und beispielsweise in den Bereichen A, B, C, D und B am Umfang der Apparatur 182 aufgefangen oder "abgelesen¹* werden. Die zugeführte Information liegt in der zeitlich verschiedenen Zusammensetzung (184, 1 86, 188) der durch die Einlaßvorrichtungen zugeflihrten Mischung. Der in diesem Beispiel zugeftihrte Signalstrom enthält fünf Komponenten, jedoch hängt diese Anzahl nur von der Zahl der gleichzeitig trennbaren Komponenten ab, wobei Jede Komponente eine durch ihre Zusammensetzung verschlüsselte Information tragen kann.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen stellen ferner neuartige Reaktoren zur kontinuierlichen Durchführung von schwierigen chemischen Reaktionen dar, Insbesondere solchen Umsetzungen, bei welchen der Portgang der chemischen !Anwandlung bei Durchführung in einem herkömmlichen Reaktor durch das gebildete Reaktionsprodukt oder Desaktivlerung des Katalysators oder Weiterreagieren des Produktes zu unerwünschten Nebenprodukten begrenzt, verzögert oder zum Stilletand gebracht wird.

Bei chemischen Umsetzungen 1st daa Ausmaß der Umwandlung der Reaktionspartner In chemische Reaktionsprodukt· häufig durch die bekannten Öleichgewichteerscheinungen begrenzt. In dem Maße, in dem die Konzentration des Produktes im Reaktionsgefäß zunimmt, geht das Ausmaß der Umwandlung der

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Reaktionspartner zurück und hört schließlich ganz auf. Bei mit heterogener Katalyse, d.h. der Umsetzung von Dämpfen oder Flüssigkeiten auf Peststofflachen, durchgeführten chemischen Umsetzungen wird eine vollständige Umsetzung auch dadurch baeinträchtigt, daß das durch die Oberflächenreaktion gebildete Produkt so fest an der Oberfläche haftet« daß diese ihre katalytieche Wirksamkeit und ihrer Fähigkeit zur weiteren Förderung der Reaktion ganz oder teilweise verliert. Eine weitere Beschränkung der Vollständigkeit chemischer Reaktionen tritt ein» wenn sich aus de» erhaltenen Produkt durch Umsetzung mit den Reaktionspartnemunerwünschte Nebenprodukte bilden können.

Wenn man beispielsweise eine monomolekulare Reaktion betrachtet, bei welcher aus dem Ausgangematerial A das Produkt B entsteht, wird in einem mit dem Ausgangsmaterial A gefüllten Reaktor bei einer niedrigen Gleichgewiohtskonstante für die Umsetzung nur sehr wenig des Produktes B gebildet werden (die Gleichgewichtskonstante ist das Verhältnis der Konzentration von B zur Konzentration A zu den Zeitpunkt» bei dem keine weitere Reaktion eintritt). Wenn nan Jedoch das Produkt B entfernen kann» wird mehr Auegangstoff A in B umgewandelt und wenn man das Produkt B vollständig entfernen kann» wird das gesamte Ausgangsmaterial A in das Produkt B überführt.

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Sine ähnliche Situation besteht bei einer Umsetzung von beispielsweise dampf- oder gasförmigen Ausgangsstoffen A und B, welche in Gegenwart eines festen Katalysators au einem Reaktionsprodukt C reagieren. Wenn das Produkt die Oberfläche des Katalysators tiberzieht oder auf dieser stark adsorbiert wird, läuft die Reaktion nur so lange ab, bis genügend Reaktionsprodukt C gebildet ist« um die gesamte Katalysatorfläche zu bedecken. Zu diesem Zeltpunkt kommt die Reaktion zum Stillstand. Wenn die Umsetzung fortgeführt werden soll« mufl den Ausgangsstoffen A und B eine weitere frische Oberfläche dargeboten werden.

Analoge Schwierigkeiten bestehen« wenn bei einer Umsetzung der Ausgangsstoffe R und S zu den gewünschten Reaktionsprodukt P dieses leicht mit nicht umgesetztem Ausgangematerial S zu einem unerwünschten Nebenprodukt Q reagiert.

Derartige bei chemischen Umwandlungen auftretende Schwierigkeiten können bei Durchführung der Umsetzung in einen kontinulerlioh betriebenen Kanal-Reaktor dadurch vermieden werden, daß man die Reaktionspartner unmittelbar nach der Bildung des Reaktlonsproduktee von diesen wegspült* Wenn beispielsweise in einer Umsetzung der Ausgangsstoff ·.A und B zum Reaktionsprodukt C auf der Oberfläche eines Katalysators der Kanal auf den gegenüberliegenden PlKohen der Platten mit dem Katalysator beschichtet 1st oder zwischen den Platten ein poröser Katalysator geeigneter Art enthalten

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1st, kann die Komponente A durch die Einlafivorrichtung der Fig. Z> und die Komponente B durch die Zuleitung 46 annteile des Trägergases in den Kanal eingeführt werden, der mit einer von der Reaktionsgeschwindigkeit und den Fließgeachwlndigkeiten der Reaktionspartner abhängigen Geschwindigkeit rotiert, so daß die Komponente A vor dem Erreichen des äußeren Umfange« des rotierenden Kanalreaktors vollständig umgesetzt 1st. Während das Reaktionsprodukt C gebildet wjrd, wird der Reaktionspartner A von dem mit dem jteaktionsprodukt C verunreinigten Bereich durch die Spülwirkung des als Trägergas wirkenden Reaktionspartners B auf eine frische Katalysatorfläche gespült· Das Reaktionsprodukt C wird durch den kontinuierlichen Strom des als Trägergas wirkenden Reaktionspartners B langsam von der Katalysatorfläche fortgewaschen und tritt in Mischung mit dem Reaktionspartner B unter relativ breiteaa Austrittswinkel aus.

Als Beispiel wurden in einen Kanalreaktor gemäß Flg. 3

2 Mol Aceton in Qegentart von Triäthylamin als organischer Base zu Diaoetonalkohol umgesetzt. Hierzu wurden die Flächen des Kanals zur Vergrößerung der Oberfläche nbere ic na geätzt, gewaschen und getrocknet. Nach dem Trocknen wurden die Platten mit einen Plattenabstand von 0,127 mm zusammengebaut und mit einer Geschwindigkeit von 1 U/sec in Drehung versetzt. Durch die Zuleitung 46 wurde flüssigen Aceton mit Raumtemperatur mit einer Oeschwindig-

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keit von 1 ml/sec durch den Einlaßumfang des Reaktors zugeführt und duroh den Kanal radial in allen Richtungen auswärts flicken gelassen. Durch die Zuleitung 52 wurde Triäthylamin mit einer Geschwindigkeit von 0,1 cnr/sec zugeführt. Der beim Kontakt des Acetone mit der Base gebildete Diacetonalkohol hat eine geringere Affinität zur Glasoberflache als das Triäthylamin und wird daher durch den Acetonstrom von der Base weggespült. Der gebildete Diacetonalkohol wird In Mischung mit dem als Trägermaterial dienenden Aceton über ei.nen Wirrkelbereich, bezogen auf den Zuführungspunkt dar Base von 30 bis 120 ° aufgefangen, während in einem Winkelbereich von 120 bis 160 ° Triäthylamin und Aceton anfallen. Das herkömmliche Gleichgewicht für die Reaktion von Aceton : Diacetonalkohol in Gegenwart eines homogenen Basenkatalysators liegt unter 1 % · Durch die in der erfindungsgemäSen Vorrichtung erfolgende Abtrennung und Rückführung des nicht umgesetzten Acetone wird eine vollständige Umwandlung des Acetone erzielt.

Außer den vorstehend beschriebenen, stationären oder rotierenden Vorrichtungen, kann das erfindungsgemäße Prinzip auch durch abgewandelte Vorrichtungen verwirklicht werden, bei welchen die den Kanal bildenden flachen Elemente relativ zu entweder stationären oder relativ hin- und herbewegten Einlaß- und Auslaßvorrlohtungen hin- und herbewegt werden. Der Fachmann kann dabei die erfindungsgemäßen Vorrichtungen je nach den Anforderungen des Einzelfalles

in zweokentaprecheixler Weise abwandeln. 109824/1430

Claims

Neuanmeldung

Research Corporation, New York, V.St.£.

729 12. Mai I967

Patentansprüche

- Vorrichtung zur Erzielung von physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkungen von fließfähigen Stoffen an ausgedehnten festen Flächen, gekennzeichnet durch eine Wehrzahl von durch Abstandshaltevorrichtungen (18) unter Bildung mindestens einas Kanals (12) mit relativ zur Flächengröße kleinem Flächenabstand, vorzugsweise zwischen 0,001 und 6,3 mm, parallel gehaltenen, ausgedehnten, ebenen Flächenteilen (14 16^mIt dem Kanal verbundene Einlaßvorrichtungen (26) und von diesen entfernt angeordnete Kanalauslaßvorrichtungen (28).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Kanälen (12P).

10«824/U30

IS

J5· Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zu einem in Serie erfolgenden Durchströmen der Kanäle (12*) führende Anordnung der Einlaß- und Auslaßvorrichtungen·

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zu einem parallelen Durchströmen der Kanäle (12·) führende Anordnung der Einlaß- und Auslaßvorrichtungen.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch relativ zu den Einlaß- und Auslaßvorrichtungen (42,44) beweglich, vorzugsweise drehbar angeordnete Flächenteile (14; 16· ).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch nahe der Drehachse der Flächenteile (14·, 16») angeordnete Einlaßvorrichtungen (42) und nahe dem Umfang der Flächenteile (14·, 16') angeordnete Auslaßvorriohtungen{44).

7· Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet» daß die Abstandehaitevorriohtungen (18) zur leich-. ten Zugängliohkeit der kanalbildenden Flächen lösbar angeordnet sind.

3t/k

109834/1430

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