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Vorrichtung zur Reaktion eines Gases mit einem wässerigen System unter Bildung einer festen kristallinen Phase
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in welcher eine Reaktion eines Gases mit einem wässerigen System unter Bildung einer festen kristallinen Phase ausgeführt werden kann. Diese Vorrichtung kann beispielsweise zur Fällung von Natriumbikarbonat beim Ammoniak-Soda-Verfahren dienen.
Die Versuche wurden in Hinblick auf das Ammoniak-Soda-Verfahren durchgeführt, und die vorliegende Beschreibung verwendet die Bezeichnungen und die Terminologie dieses Verfahrens, jedoch ist anzunehmen, dass das Prinzip der Erfindung auf einen weiteren Bereich anwendbar ist, z. B. auch auf die Absorption von Schwefeldioxyd in alkalischen Lösungen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist für ein Kristallisationsverfahren geeignet und besteht aus einer Anzahl miteinander verbundener Behälter, die aufeinander in Form einer Kolonne angeordnet sind.
Drei wesentliche Prinzipien der erfindungsgemässen Vorrichtung bestehen darin, dass das reagierende Gas auch das Rühren des wässerigen Systems bewirkt und diesem System den gewünschten Grad an Bewegung verleiht ; dass praktisch die gesamte feste Phase die ganze Zeit hindurch in Form einer Suspension vorliegt und sich nicht als Ablagerung absetzt ; und dass die Apparatur so konstruiert ist, dass sie für ein gewünschtes Verhältnis von Feststoff zu Flüssigkeit in dem Brei, der von einem Behälter zum nächstniederen fliesst, geeignet ist.
Diese letztgenannte Forderung ist in den Karbonisiertürmen des Ammoniak-Soda-Verfahrens, wie sie allgemein in Verwendung stehen, nicht realisierbar, da die Bauweise der Passetten zwischen den Abteilungen der sogenannten Solvay-Türme des Ammoniak-Soda-Verfahrens nur geringe oder gar keine Schwankungen des Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnisses gestattet.
Das wesentliche Ziel der Erfindung besteht darin, eine Apparatur zu schaffen, welche so gebaut werden kann, dass eine gewünschte Bewegung der Feststoffe relativ zu der Flüssigkeit beim Kristallisationsverfahren erreicht und damit insbesondere beim Ammoniak-Soda-Verfahren innerhalb der Türme, in welchen das Natriumbikarbonat ausgefällt wird, durch Reaktion zwischen Kohlendioxyd und wässerigen ammoniakhaltigen Lösungen von Natriumchlorid eine höhere Konzentration an Feststoffen in den Turmflüssigkeiten als bis jetzt möglich war, erzielt wird, und dass ein optimaler Fluss und eine optimale Zirkulation des Natriumbikarbonatbreies, insbesondere in jenen Bereichen, wo sie eine Abkühlung erleiden, gewährleistet ist.
In der vorliegenden Beschreibung wird unter der Bezeichnung "Brei" eine Suspension von Feststoffen in eirer wässerigen Phase verstanden.
Dieses Ziel wird erreicht, indem man die Passette, die bei den bekannten Karbonisiertürmen des Ammoniak-Soda-Verfahrens eine Abteilung von der nächsten trennen, durch Platten mit Perforierungen ersetzt, durch welche das aufsteigende Gas hindurchtritt und welche ausserdem Leitungen aufweisen, durch welche der Brei nach abwärts fliesst. Der Gasstrom und der Strom des Breies zwischen den Abteilungen ist somit im Gegensatz zu dem System bei den bekannten Karbonisiertürmen des AmmoniakSoda-Verfahrens. bei welchen der Gas- und der Breistrom im allgemeinen entlang des gleichen Weges entgegenfliessen, getrennt.
Die Erfindung betrifft daher eine Vorrichtung zur Reaktion eines Gases mit einem wässerigem System
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unter Bildung einer festen kristallinen Phase, welche gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von Abteilungen, die aufeinander in Form einer Kolonne angeordnet sind, wobei die aneinandergrenzenden Abteilungen durch Trennwände in der Form der Platten getrennt sind, die mit einer Vielzahl von Löchern für den Durchgang der Gasphase aus einer Abteilung in die nächsthöhere perforiert sind, wobei jede Platte ausserdem zumindest eine Leitung trägt, in welcher der Durchgang des Kristallbreies von einer Abteilung in die nächsttiefere auf Grund der Schwerkraft erfolgen kann und welche so angeordnet ist, dass der durch eine Leitung in eine Abteilung eintretende Brei nicht direkt in eine Leitung fallen kann,
die den Brei aus der gleichen Abteilung hinausführt, und gekennzeichnet durch Öffnungen, die in der aus Abteilungen gebildeten Kolonne angeordnet sind und zur Einführung des Gases und der wässerigen Phase in jene und zur Entfernung des Kristallbleies und der Abfallgase aus jener dienen.
Es ist möglich, die Zirkulation in den Abteilungen durch Einbau von Leitblechen zu unterstützen, welche das Gas auf vorbestimmten Wegen führen, jedoch wird dadurch kein besonderer Vorteil erzielt, vorausgesetzt, dass das Muster der Perforierungen in den Platten in geeigneter Weise gewählt wird. Die genannten Prinzipien können auch auf Abteilungen angewendet werden, die Kühlrohrbündel enthalten, und bei solchen Abteilungen ist es vorteilhaft, Leitbleche zu verwenden, um die Zirkulation des Kristallbreies zu regulieren, obwohl es möglich ist, auch ohne diese zu arbeiten.
Deshalb wird bei Anwendung der Erfindung auf das Ammoniak-Soda-Verfahren, bei welchem man bekanntlich den Brei aus den Natriumbikarbonatkristallen in den unteren Abschnitten der Karbonisiertrüme kühlt, bevorzugt, nicht nur die Abteilungen durch perforierte Platten zu trennen, sondern geeignete Leitblechsysteme in Abteilungen, die Kühlrohre enthalten, einzubauen.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, bei welcher mindestens eine der unteren Abteilungen mindestens ein Bündel aus gesperrt angeordneten Kühlrohren, über welche der Kristallbrei fliesst, enthält, wobei sich diese Rohre über die Breite der Abteilung erstrecken, und Leitbleche aufweist, die so angeordnet sind, dass sie die aufsteigende Gasphase, die aus der perforierten, in bezug auf das Bündel nächst tiefer gelegenen Platte ausströmt, hinauf durch den mittleren Teil des Bündels und dann hinunter durch seine äussere, an die Seiten der Abteilung angrenzenden Abschnitte und von da wieder hinauf zu den perforierten, in bezug auf das Bündel nächst höher gelegenen Platte führt.
Die Abteilungen sind geeigneterweise zylindrisch, obwohl sie auch rechtwinkelig sein oder andere Formen aufweisen können. Wenn es für die Karbonisierstufen des Ammoniak-Soda-Verfahrens notwendig ist, sind sie geeigneterweise 60, 7 cm-121, 9 cm tief und haben einen Durchmesser von 182,9 cm bis 274,3 cm und ein geeignetes Verhältnis zwischen den Abteilen mit Kühlrohren und jenen ohne Kühlrohre liegt in der Grössenordnung von 10 bis 15 Abteilungen ohne Rohre und 4 - 5 Abteilungen mit Rohren.
Die perforierten Platten können flach oder schalenförmig sein. Die Perforierungen können bekrönt oder gegebenenfalls zugespitzt sein und können Einsätze aus andern Materialien, z. B. Polyvinylchlorid, enthalten, um eine Abnutzung oder ein Abblättern zu verhindern oder herabzusetzen.
Die Leitungen, durch welche der Kristallbrei aus einer Abteilung in die nächsttiefere fliesst, befinden sich vorzugsweise angrenzend an die Seiten der Abteilung, da man in dieser Lage ein grösseres Verhältnis zu Feststoff zu Flüssigkeit im Kristallbrei erreichen kann, als wenn die Leitung wo anders gelegen ist, z. B. zentral in der Abteilung, obwohl sogar diese Anordnung den üblichen Passetten des Solvay-Turmes überlegen ist. Auch ist die Bewegung auf Grund des Gasstromes in dem wässerigen System in der Nähe der Seiten geringer, und es liegt dort eine niedrigere Gasblasenkonzentration vor und dies macht es möglich, die Wege des Gases und des Breistromes und das Feststoff-/Flüssigkeitsverhältnis leichter zu regulieren.
Gegebenenfalls kann ein System von Leitblechen vertikal über oder neben der oberen Öffnung einer Leitung angeordnet werden, um dort die Bewegung zu regulieren, jedoch ist ein hoher Grad an Bewegung über dem Bereich, der von den Perforierungen eingenommen wird, erwünscht, da unter solchen Bedingungen die Platten von Ablagerungen des Kristallbreies frei sind.
Die Leitung kann in der Form von nur einem Sturzrohr ausgebildet sein, d. h. dass seine obere Öffnung mit der oberen Fläche der perforierten Platte gleichebig ist, und nur in die unmittelbar unter der Platte befindliche Abteilung hineinragt. Sie kann auch, was oft günstig ist, in der Form eines Steigrohres und eines Sturzrohres vorliegen, d. h. dass sie nach oben in eine Abteilung und nach unten in die unmittelbar unterhalb befindliche Abteilung hineinragt.
Die Leitungen sind üblicherweise so angeordnet, dass ihre Längsachsen vertikal sind, sie können jedoch auch so angebracht sein, dass sich ihre Achsen in einem Winkel zur Vertikalen befinden. Wie sie auch immer angeordnet sind, so soll es in jedem Fall nicht möglich sein, dass der Brei aus einer Leitung
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in eine Abteilung austritt und direkt in die Öffnung einer Leitung fällt, die aus der gleichen Abteilung herausführt. Wenn er so fiele, würde er einer vollen Berührung mit der Gasphase entgehen. Es ist günstig, wenn sich eine Leitung in einer der zwei perforierten Platten befindet, die die Tiefe einer Abteilung so eingrenzen, dass sie 1/4 des Kreisweges, gemessen am Umfang, von der Lage einer Leitung in die andere Platte darstellt.
Bei den Karbonisierungsstufen des Ammoniak-Soda-Verfahrens arbeiten die Abteilungen wirksam, wenn etwa die Hälfte des Breies und die Länge der Leitungen so konstruiert sind, dass sie mit jener korrespondieren ; z. B. würde in einer Abteilung mit einer Tiefe von 121,9 cm ein Steigrohr seine Öffnung in einem Abstand von 45,7 bis 61,0 cm oberhalb der Ebene der perforierten Platte haben, welche jene trägt, und ein Sturzrohr würde eine Öffnung höchstens 61, 0 cm unterhalb der Platte haben, von welcher es herabhängt. Ein geeigneter Bereich für die inneren Durchmesser der Steigrohre oder Sturzrohre in Abteilungen, in welchen die Karbonisierstufen des Ammsniak-Soda-Prozesses durchgeführt werden, beträgt 22, 9-45, 7 cm.
Die Perforierungen können jede geeignete Form aufweisen, doch ist die Kreisform am geeignetsten. Sie können in verschiedenen Mustern angeordnet sein, jedoch erreicht man eine besondere befriedigende Gasabsorption und ein günstiges Rühren des Systems, indem man sie in den Abteilungen ohne Kühlrohre in konzentrischen Kreisen und in Abteilungen mit Kühlrohren in Reihen anordnet, wobei diese Reihen so angebracht werden, dass sie in der gleichen Richtung wie die Rohre laufen. Das Prinzip, das die Anordnung der Perforierungen und ihre Anzahl bestimmt, besteht darin, dass das durch jene hindurchtretende Gas ein entsprechendes Rühren des Systems zu der gleichen Zeit, in welcher seine Reaktion abläuft, bewirkt, wobei unter entsprechendem Rühren zu verstehen ist, dass die Bildung von Ablagerungen des Kristallbreies verhindert wird.
Die Perforierungen haben jeder geeigneterweise eine Querschnittsfläche von 4, 84 bis 45, 16 cm 2 ; bei beispielsweise kreisförmigem Querschnitt beträgt ihr Durchmesser etwa 25, 4 - 76, 2 mm ; ein oder zwei Perforierungen pro 9, 29 cm2 der Plattenfläche ist für die Karbonisierung beim Ammoniak-Soda-Verfahren eine geeignete Dichte. Es ist jedoch zu bedenken, dass diese Werte Schwankungen zulassen, und die optimale Wahl hängt von örtlichen Bedingungen, die durch die angegebenen Grundsätze beherrscht werden, und der Produktionsgeschwindigkeit ab, die vom Turm gefordert wird, da diese von Zeit zu Zeit schwanken.
Zu den Vorteilen, die bei Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung beim Ammoniak-SodaVerfahren erzielt werden, gehören verminderte Übersättigung und ein langsameres Kristallwachstum bei gegebener Grösse und ein langsameres Wachstum der Grösse oder eine kleinere Anzahl grösserer Kristalle.
Die geringere Übersättigung führt viel eher zu Kristallen von gleichen Ausmassen, die eine verminderte Neigung aufweisen, an ihren Enden bürstenförmiges oder baumförmiges Wachstum zu zeigen. Dies erleichtert ihre Abtrennung aus dem Brei.
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen näher erläutert, Fig. l stellt eine Kolonne dar, die aus einer Anzahl von Abteilungen besteht, welche durch Trennwände in Form von perforierten Platten unterteilt wird ; Fig. 2 zeigt eine Trennwand, die angrenzende Abteilungen voneinander trennt und Perforierungen aufweist, die in konzentrischen Kreisen angeordnet sind und eine Leitung mit einem kreisförmigen Querschnitt trägt ; Fig. 3 stellt eine Trennwand dar, die in parallelen Reihen angeordnete Perforierungen aufweist und eine Leitung mit einem elliptischen Querschnitt trägt.
In Fig. l sind die Abteilungen, die keine Kühlrohre enthalten, mit 1 - 11 bezeichnet, während die darunterliegenden vier tieferen Abteilungen 12 - 15 Kühlrohre aufweisen. Die mit"a"bezeichneten Räume enthalten die Kühlrohrbündel, die beispielsweise in Abteilung 12 mit 16 bezeichnet sind, ebenso wie in den andern Abteilungen 13-15. Die"b"-Räume enthalten die Leitbleche, die in Abteilung 12 mit 17 bezeichnet sind und die dazu dienen, die aufsteigende Gasphase, die aus der perforierten Platte 18 austritt, durch den mittleren Teil des KUhlrohrbündels hinauf und dann durch seinen äusseren Teil nach unten zu führen.
Fig. 3 zeigt die perforierte Platte 18 im Grundriss ; die Leitung, die sie trägt, wird sowohl in Fig. l als auch in Fig. 3 mit 19 angegeben.
Eine typische Abteilung, die keine Kühlrohre enthält, ist in Fig. 1-5 bezeichnet, die perforierte Platte, die ihren Boden bildet, ist mit 20, und jene, die ihr Dach bildet, mit 22 bezeichnet, Die Leitung zwischen den Abteilungen 5 und 4 ist mit 21 und jene zwischen 5 und 6 mit 23 beziffert.
Fig. 2 zeigt die perforierte Platte 20 und die Leitung 21 im Grundriss.
Mit 24 wird ein Eintrittsrohr für die Einleitung der wässerigen Phase in die Kolonne und mit 26 und 27 werden Öffnungen zum Einleiten der Gasphase bezeichnet, während 25 das Austrittsrohr für die Abfallgase und 28 den Auslass für die Kristallaufschlämmung aus der Kolonne darstellt. Bei Anwendung auf das Ammoniak-Soda-Verfahren wurde bei 24 teilweise karbonisierte ammoniakalische Natriumchlorid-Sole und bei 26 und 27 Kohlendioxyd eingeleitet und bei 28 eine Auf-
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schlämmung von Natriumbikarbonat-Kristallen abgenommen werden.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Reaktion eines Gases mit einem wässerigen System unter Bildung einer festen kristallinen Phase, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Abteilungen (1 - 15), die aufein- ander in Form einer Kolonne angeordnet sind, wobei die aneinandergrenzenden Abteilungen durch Trennwände in der Form von Platten (18,20, 22) getrennt sind, die mit einer Vielzahl von Löchern für den Durchgang der Gasphase aus einer Abteilung in die nächsthöhere perforiert sind, wobei jede Platte (18,20, 22) ausserdem zumindest eine Leitung (19, 21,23) trägt, in welcher der Durchgang des Kristallbreies von einer Abteilung in die nächsttiefere auf Grund der Schwerkraft erfolgen kann, und welche so angeordnet ist, dass der durch eine Leitung in eine Abteilung eintretende Brei nicht direkt in eine Leitung fallen kann,
die den Brei aus der gleichen Abteilung hinausführt, und durch Öffnungen (24,25, 26,27, 28), die in der aus Abteilungen gebildeten Kolonne angeordnet sind und zur Einführung des Gases (26,27) und der wässerigen Phase (24) in jene und zur Entfernung des Kristallbreies (28) und der Abfallgase (25) aus jener dienen.