CH629112A5 - Evaporative crystalliser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Eindampfkristallisator zur Erzeugung grobkörniger Kristalle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie dessen Verwendung.

Gebräuchlicherweise wird beim Eindampfen von Lösungen, insbesondere wässriger, anorganische Salze enthaltender Lösungen mit Umwälzkristallisatoren gearbeitet. Die einzudampfende Lösung wird einem Verdampfer zugeführt. Die im Verdampfer befindliche konzentrierte Lauge wird unter Zwischenschaltung einer Umwälzpumpe zwischen dem Verdampfer und einem aussenliegenden Heizkörper umgewälzt.

Der Zwangsumlauf wird dabei so eingestellt, dass die umgewälzte Lösung im Heizkörper um 2 bis 3°C erwärmt wird. Die aufgeheizte Lösung wird anschliessend in den Verdampferraum des Verdampfers rückgeführt, entspannt und abgekühlt. Der dabei entstehende Lösungsmitteldampf, in der Regel Wasserdampf, wird über Kopf aus dem Verdampfer abgezogen. Die Lösung selbst wird um den Betrag der abgezogenen Brüden konzentriert. Wenn die Konzentration des im Lösungsmittel gelösten Feststoffes die Sättigungsgrenze erreicht hat, kristallisiert der Feststoff beim Abkühlen der umgewälzten Lösung im Verdampfer aus.

Insbesondere beim Einengen und Auskristallisieren anorganischer Salze aus wässrigen Lösungen, aber auch bei anderen Lösungssystemen, tritt dabei häufig das Problem auf, dass die ausfallenden Kristalle zu fein sind. Um eine be-5 stimmte vorgegebene Korngrösse erreichen zu können, muss in der im Verdampfer umgewälzten Mutterlauge eine ausreichende Anzahl von Impfkristallen vorhanden sein. Im Fall wässriger anorganischer Salzlösungen werden zur Erzielung einer möglichst grobkörnigen Kristallabscheidung mit der io Lauge im Verdampfer Impfkristalle in einer Konzentration von etwa 400 bis 600 g/1 umgewälzt. Eine Impfkristallkonzentration dieser Grössenordnung ist erforderlich, reicht aber auch aus, um in üblichen wässrigen Salzlösungen eine überschüssige Kristallkeimbildung und ein feinkristallines i5 Ausfallen der gelösten Salze aus den übersättigten Lösungen zu unterdrücken.

Ein sicheres und rasches Auskristallisieren der gelösten Substanzen, hier der gelösten Salze, ist ausserdem erforderlich, um die bei der Rückführung in den Verdampfer und 20 Abkühlung übersättigte Lösung vor dem Wiedereintritt in den Heizkörper ausreichend zu entsättigen. Gelangt die umgewälzte Lauge übersättigt in den Heizkörper zurück, so besteht die Gefahr der Inkrustierung der Registerrohre und eines verhältnismässig schnellen Zusetzens der Rohrleitungen. 25 Für die meisten wässrigen Salzlösungen hat sich dabei eine Impfkristallkonzentration in der umgewälzten Lauge in der Grössenordnung von 400 bis 600 g/1 als erforderlich erwiesen, wenn nicht zur Erzielung ausreichend grober Kristalle untragbar lange Verweilzeiten im Verdampfer in Kauf 30 genommen werden sollen.

In zahlreichen Anwendungsfallen, insbesondere beim Einengen von Lösungen mehrerer Feststoffe, speziell mehrerer Salze, tritt jedoch das Problem auf, dass diese Lösungen nur bis zu einer vorgegebenen Konzentration einge-35 dampft werden sollen oder dürfen, wobei bei dieser vorgegebenen Konzentration einerseits zwar schon Kristalle ausgeschieden werden, anderseits aber eine Impfkristallkonzentration in der erforderlichen Grössenordnung nicht ohne weiteres aufrechtzuerhalten ist. In diesen Fällen wird die erforder-40 liehe Impfkristallkonzentration daher in der Weise eingestellt und aufrechterhalten, dass aus dem Verdampfer ständig feststofffreie Mutterlauge abgezogen wird.

Zur Durchführung dieses Verfahrens sind Kristallisatoren stehender Bauart mit Zwangsumlauf bekannt, bei denën 45 zentral im zylindrischen Verdampfer ein zylindrischer Mantel angeordnet ist, der zur Wandung des Verdampfers einen Ringraum abgrenzt. Über diesen Ringraum wird die überstehende Lauge langsam und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit nach oben abgezogen. Die Strömungsge-50 schwindigkeit der abgezogenen Lauge ist dabei so gering bemessen, dass die in der Lösung dispergierten Feinkristallan-teile entgegen der Strömungsrichtung der abgezogenen Mutterlauge zum Boden des Verdampfers absinken.

Nachteilig bei diesem gebräuchlichen Kristallisator ist, 55 dass in dem zwischen Einbaukörper und Verdampfermantel gebildeten Ringraum keine gleichmässige Strömung der abzuziehenden Lauge erhältlich ist. Mit Querkomponenten erhöhter Geschwindigkeit strömt die Lauge stets der Stelle zu, an der sie abgezogen wird. Dadurch treten lokal überhöhte 6o Strömungsgeschwindigkeiten und Verwirbelungen auf, die einem Absetzen der dispergierten feinen Kristalle und Kri-stallite entgegenwirken. Im Falle der Einengung und Auskristallisation anorganischer Salze aus wässrigen Lösungen führt die auf diese Weise abgezogene Lauge noch dispergier-65 te Kristalle mit einer Korngrösse im Bereich von etwa 0,05 mm in grosser Menge mit.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfungskristallisa-

tor mit Zwangsumwälzung der eingangs genannten Art zu schaffen, der ein praktisch feststofffreies Abziehen der Mutterlauge ermöglicht. «Praktisch feststofffrei» heisst dabei, dass die Korngrösse der unvermeidbar mitgeführten dispergierten Feinstkristallite so klein wie möglich gehalten werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kristallisator der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der erfindungsge-mäss die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist.

Die Erfindung schafft also einen Kristallisator, dessen Verdampfer zum Abziehen einer impfkristallfreien Mutterlauge zentral ein sich trichterförmig öffnendes Abzugsrohr aufweist. Dabei ist die Einlauföffnung des Absaugtrichters so gross bemessen, dass die auf den Querschnitt bezogene lineare Strömungsgeschwindigkeit der mit vorgegebenem Volumenstrom abgezogenen Mutterlauge so gering ist, dass sie kleiner als die Sinkgeschwindigkeit auch der Feinstkristalle unter den gegebenen Betriebsbedingungen ist. Der Trichter ist vorzugsweise so bemessen, dass die Geschwindigkeit der abgezogenen Lauge auch in einer bestimmten Höhe über der horizontalen Einlaufebene noch kleiner als die Sinkgeschwindigkeit der feinstkristallinen in der Lauge dispergierten Feststoffteilchen ist.

Die Form des Absaugtrichters ist vorzugsweise im wesentlichen kreiskegelförmig ausgebildet. Im Detail kann seine Ausbildung, insbesondere sein Axialschnitt, aber auch von der strengen Kreiskegelform abweichen. Mantelflächen mit im wesentlichen glockenförmigem, parabolischem oder auch hyperbolischem Verlauf sind für viele Zwecke vorteilhaft.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Absaugtrichter vorzugsweise schwingfahig oder vibrationsfahig aufgehängt und/oder ausgebildet. Der Trichter soll also in der Lage sein, in der Anlage auftretende Schwingungen und Vibrationen aller Art, insbesondere auch Strömungsverwirbe-lungen, aufzunehmen. Durch die Aufnahme solcher Vibrationen am Trichter und durch den Trichter wird verhindert, dass seine Aussenseite verkrustet. Versuche haben gezeigt, dass bei einer Ausbildung des Absaugtrichters aus Metall bereits eine elastische Aufhängung des Trichters, beispielsweise an Gummikonstruktionen, ausreicht, um dem Trichter aus der Lauge so viel kinetische Energie aufzuprägen, dass eine Verkrustung der Trichteraussenseite wirksam verhindert werden kann. Als ausserordentlich wirkungsvoll hat sich auch die Ausbildung des gesamten Trichters aus Gummi erwiesen. Bei Ausbildung des Trichters aus Gummi kann selbstverständlich ebenfalls eine elastische Aufhängung vorgesehen sein, jedoch ist dies in den meisten Fällen nicht erforderlich.

Der Eindampfkristallisator kann prinzipiell für jede beliebige Kristallisationsaufgabe eingesetzt werden, bei der eine Abscheidung grober Kristalle erforderlich ist. So lässt sich der Kristallisator beispielsweise auch zur grobkristallinen Abscheidung organischer Substanzen einsetzen, die sonst nur unter Inkaufnahme erheblicher Verweilzeiten kristallisierbar sind. Vorzugsweise wird der Kristallisator jedoch zum Abscheiden anorganischer Salze aus wässrigen Lösungen eingesetzt, und zwar speziell aus Lösungen mehrerer Salze. Mit besonderem Vorteil wird der Kristallisator der Erfindung zur Einengung und zum grobkristallinen Abscheiden von Natriumchlorid aus typischen Prozess- und Industrieabwässern eingesetzt, die in einer Konzentration von 5 bis 10 Gew.-% im Zulauf NaCl und CaCl2 enthalten.

Durch den zentralen trichterförmigen Abzug der Mutterlauge wird vor allem eine ungewöhnliche und vollkommen gleichmässige Abzugsströmungsgeschwindigkeit erzielt. Dies wiederum ist die Voraussetzung für ein sicheres und voll629 112

ständiges Absinken auch feinster in der Lauge dispergierter Impfkristallite.

So können beispielsweise bei der grobkristallinen Abscheidung von NaCl-Kristallen aus NaCl und CaCl2 enthaltenden wässrigen Lösungen im Produktionsanlagenmassstab mit Durchsätzen im Tonnenbereich bei einer Impfkristallkonzentration von 600 g/1 im Verdampfer Mutterlaugen mit einer Strömungsgeschwindigkeit in den Abzugsleitungen von etwa 0,5 bis 1,0 m/s abgezogen werden, die keine Kristalle mit einer Korngrösse von über 0,05 mm mehr mitführen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel des Kristallisators in schematischer Darstellung.

Der in der Figur in schematischer Darstellung gezeigte Verdampfungskristallisator ist ein Kristallisator mit Zwangsumlauf der Lauge. Der Kristallisator besteht aus dem Verdampfer 1, der Umwälzpumpe 2 und dem aussen-liegenden Heizregister 3. Das Heizregister 3 wird im Gegenstrom mit Prozessdampf beheizt, der am Einlassstutzen 4 aufgegeben wird. Das Register und die Umwälzmenge sind so aufeinander abgestimmt, dass die umgewälzte Lösung im Heizregister 3 um etwa 2 bis 3°C erwärmt wird. Die über Düsen in den Verdampferraum des Verdampfers 1 eingestrahlte und dort entspannte erwärmte Lauge wird dabei im Verdampfer um die gleiche Temperaturspanne wieder abgekühlt. Dabei wird der Lösung Wasserdampf entzogen, der über Kopf durch einen Brüdenstutzen 5 aus dem Verdampfer abgezogen wird.

Die einzudampfende Lösung, beispielsweise eine fünf- bis zehnprozentige wässrige Lösung von NaCl und CaCl2, wird über einen Zulaufstutzen 6 am Kopf des Verdampfers 1 in den Verdampfer aufgegeben. Diese Zulauflösung wird im Verdampfer konzentriert, im hier betrachteten Ausführungsbeispiel der wässrigen NaCl/CaCl2-Lösung beispielsweise auf eine Konzentration der Lösung von etwa 30 bis 40 Gew.-%. Dabei tritt ab einer Konzentration von etwa 20 Gew.-% eine ausserordentlich feinkristalline Abscheidung von NaCl-Kristallen ein. Um diese unerwünschte feinkristalline Abscheidung in eine grobkristalline Abscheidung zu überführen, muss in der Lauge im Verdampfer ständig eine Impfkristallkonzentration in der Grössenordnung von etwa 400 bis 600 g/1 aufrechterhalten werden. Um eine solche Konzentration in wirtschaftlich vertretbarer Weise aufrechterhalten zu können, wird aus dem Verdampfer 1 kontinuierlich impfkristallfreie Mutterlauge über einen Absaugtrichter 7 und eine Abzugsleitung 9 abgezogen, die am Kopf 8 des Trichters 7 in den Abzugstrichter mündet.

Durch den kontinuierlichen Abzug der impfkristallfreien Mutterlauge wird in der umgewälzten Lauge die Impfkristallkonzentration auch bei grösseren Zulaufströmen auf der erforderlichen Höhe gehalten.

Der Trichter 7 ist zentral im Verdampfer 1 angeordnet. Der Trichter 7 öffnet sich abwärts und verjüngt sich aufwärts. Die offene Eintrittsfläche des Trichters 7 liegt oberhalb des sich kegelförmig abwärts verjüngenden Kristallabscheidebereichs des Verdampfers 1. Das obere Ende 8 des Trichters 7, in das die Abzugsleitung 9 mündet, liegt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Lauge im Verdampfer 1. Ebenso liegt die vorzugsweise horizontal aus dem Verdampfer 1 herausgeführte Abzugsleitung 9 für die Mutterlauge, die am oberen Ende 8 des Kegels 7 in diesen mündet, unterhalb des Spiegels der Lauge im Verdampfer 1.

Die untere freie Laugeneinlauföffnung im Trichter 7 ist so gross bemessen, dass die lineare Strömungsgeschwindigkeit der einlaufenden Lauge bei vorgegebener Abzugsgë-schwindigkeit in der Abzugsleitung 9 kleiner ist als die Sinkgeschwindigkeit der Feinstkristalle unter Betriebsbedingun-

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gen. Vorzugsweise wird diese Geschwindigkeit von der strömenden Lauge im Trichter 7 erst oberhalb des unteren Drittels. insbesondere erst oberhalb der Hälfte der Höhe des Trichters, überschritten. Dadurch ist gewährleistet, dass auch die feinsten Kristalle nicht mit der abgezogenen Lauge mitgerissen werden, sondern im Verdampfer 1 frei absinken können.

Für das hier gewählte Beispiel der Abscheidung grobkristalliner NaCl-Kristalle aus wässrigen Lösungen, die NaCl und CaCl2 enthalten, wird der Einlaufquerschnitt im Trichter vorzugsweise so gewählt, dass noch Salzkristalle mit einem Korndurchmesser in der Grössenordnung von etwa 0,1 bis 0,05 mm nicht mehr mit der Mutterlauge ausgetragen werden können.

Um Verkrustungen auf dem Aussenmantel des Trichters 7 in jedem Fall zu vermeiden, ist der Trichter vorzugsweise nicht starr, sondern elastisch und vibrationsfähig aufgehängt und oder ausgebildet. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Trichter 7 aus einer Gummimischung mit einer ausserordentlich sorgfältig und glatt gearbeiteten äusseren Oberfläche. Durch die glatte und geschlossene Ausbildung der Oberfläche und die Aufnahme von Strömungsvibrationen ist eine Verkrustung der Aussenfläche des Trichters auch in hartnäckigen Fällen sicher auszu-schliessen. Die Elastizität der zur Herstellung des Trichters 7 verwendeten Gummimasse ist dabei so eingestellt, dass die im Inneren des Trichters strömende Lauge nicht mit zusätzlicher störender kinetischer Energie beaufschlagt wird.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Trichter 7 auch aus Metall hergestellt und an Gummihalterungen aufgehängt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines glatt mit Gummi beschichteten Metalltrichters bewährt.

Ein Absetzen der Kristalle auf dem Aussenmantel des

Trichters 7 wird auch durch die Strömung der im Verdampfer 1 abwärts strömenden Lauge verhindert.

Die sich am Boden des Verdampfers 1 absetzenden groben Kristalle, hier der NaCl-Kristalle, werden über einen am Boden des Verdampfers 1 angebrachten Stutzen 10, zweckmässigerweise unter Zuhilfenahme einer Salzbreipumpe 11, ausgetragen.

Bei Inbetriebnahme der Anlage wird diese zunächst mit der verdünnten, über den Zulauf 6 zugeführten Lösung gefüllt. Die verdünnte Lösung wird über die Pumpe 2 und das Heizregister 3 umgewälzt und aufgeheizt. Das dabei verdampfende Lösungsmittel wird über den Brüdenabzug 5 abgezogen. In der Menge, in der die Brüden abgezogen werden, wird weitere verdünnte Lösung über den Zulauf 6 in den Verdampfer 1 aufgegeben. Nach Überschreiten der Sättigungskonzentration des gelösten Stoffes oder der gelösten Stoffe in der umgewälzten Lauge treten die ersten Kristallkeime, Feinstkristalle und Impfkristalle auf. Nach Erreichen einer vorgegebenen Impfkristallkonzentration von etwa 400 bis 600 g/1 in der umgewälzten Lauge wird über den Trichter-7 und die Abzugsleitung 9 impfkristallfreie Mutterlauge kontinuierlich abgezogen. Dadurch wird die Impfkristallkonzentration in der umgewälzten Lauge erhöht. Die bei weiterer Fortführung des Verfahrens wachsenden Kristalle werden, wenn sie die gewünschte Körnung erreicht haben, am Boden des Verdampfers 1 über den Stutzen 10 und die Pumpe 11 abgezogen. Dies kann kontinuierlich oder absatzweise erfolgen. Nach dem Einfahren der Verdampfung und der Kristallisation werden dann der Lösungszulauf über den Stutzen 6 und der Materialaustrag aus dem Verdampfer 1 über den Brüdenkanal 5, den Laugenabzugskanal 9 und den Kristallaustrag 10 so aufeinander abgestimmt, dass sich im Kristallisator stationäre Betriebsbedingungen einstellen.

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1 Blatt Zeichnungen

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629 112 PATENTANSPRÜCHE

1. Eindampfkristallisator zur Erzeugung grobkörniger . Kristalle mit einem Verdampfer stehender Bauart, Laugenumwälzung, Bodenaustrag für den Kristallbrei und einem zentralen Einbau im Verdampfer zum Abziehen feststofffreier Mutterlauge, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Einbau die Form eines sich nach unten öffnenden Trichters (7) hat, dessen offene untere Eintrittsfläche so gross dimensioniert ist, dass die Einlaufgeschwindigkeit der Lauge in den Trichter bei dem vorgegebenen Massenstrom oder Volumenstrom des Laugenabzugs kleiner als die Absinkgeschwindig-keit der Feinkristalle ist, und an dessen oberem Ende die feststofffreie Lauge abgezogen werden kann.

2. Kristallisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlauföffnung des Trichters (7) oberhalb der Kristallabscheidungszone des Verdampfers (1) und das obere Ende (8) des Trichters (7), von dem die Abzugsleitung (9) abgeht, sowie die Abzugsleitung (9) selbst unterhalb des Spiegels der Lauge im Verdampfer angeordnet sind.

3. Kristallisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter (7) vibrationsfähig aufgehängt und/oder ausgebildet ist.

4. Kristallisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter (7) aus Gummi besteht.

5. Kristallisator nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Einbau die Form eines im wesentlichen kreiskegelförmigen Trichters (7) hat.

6. Verwendung des Kristallisators nach Anspruch 1 zur Abscheidung von NaCl-Kristallen aus wässrigen NaCl und CaCl2 enthaltenden Lösungen.

7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisator nach Anspruch 2 verwendet wird.

8. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisator nach Anspruch 3 verwendet wird.

9. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisator nach Anspruch 4 verwendet wird.

10. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisator nach Anspruch 5 verwendet wird.