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Vorrichtung zur Gewinnung großer und gleichmäßiger Kristalle Beim
Auskristallisieren fester Stoffe aus ihren Lösungen ist es meist erwünscht, die
Kristalle in möglichst gleichmäßiger Größe und in körniger Form zu erhalten. Wenn
eine salzhaltigeFlüssigkeit durchVerdampfen unter vermindertem Druck unter Zuhilfenahme
von Vakuum abgekühlt wird, so bildet sich bei wesentlicher Unterschreitung des Sättigungspunktes
der Lösung eine sehr feinkörnige Kristallabscheidung In einem kleinen Temperaturbereich
unterhalb des Sättigungspunktes herrscht ein metastabiler Zustand, in welchem ein
Kristallwachstum erfolgt. Der Temperaturbereich dieses metastabilen Zustandes ist
keine einheitliche Größe. Er wird im allgemeinen um so größer, je höher das Molekulargewicht
der gelösten Substanz ist. Durch Verunreinigungen der Lösung, die eine vermehrte
und vorzeitige Kristallkeimbildung auslösen, wird der metastabile Bereich wesentlich
verkleinert.
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Wenn daher aus einer im Vakuum abzukühlenden Lösung ein möglichst
gleichmäßig grobkörniges Pro dukt auskristallisieren soll, ist dafür zu sorgen,
daß genügend Kristalle, die als Impfkristalle wirken, sich in der Lösung in gleichmäßiger
Verteilung in Schwebe befinden, daß aber außerdem die Keimbildungsgeschwindigkeit
gering bleibt, damit die vorhandenen Kristalle und Kristallkeime bis zu der gewünschten
Korngröße wachsen können.
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Für die Konstruktion von Vakuum-Kristallisierapparaten ergibt sich
daraus, daß die Lösung zweckmäßig stufenweise abgekühlt wird, wobei in jeder Stufe
die Temperaturerniedrigung beispielsweise 3 oder 40 C beträgt. Die ausgeschiedenen
Kristalle werden größer und einheitlicher, wenn die Abkühlung je Stufe nur auf etwa
10 C bemessen wird. Bei hintereinandergeschalteten Vakuumstufen wird dann aber eine
Vielzahl von Verdampfern erforderlich, wodurch sehr hohe Anlagekosten entstehen.
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Es sind Vakuum-Kristallisationsapparate bekannt, in denen Kristalle
dadurch gezüchtet werden können, daß eine große Flüssigkeitsmenge mittels einer
Pumpe umgewälzt wird und nur eine geringe Kühlung im Vakuum stattfindet, so daß
noch keine Kristalle ausfallen, sondern eine geringe Übersättigung eintritt.
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Die so übersättigte Lösung oder ein Teil derselben wird danach durch
eine meist außerhalb des eigentlichen Kühlapparates angeordnete Schicht bereits
gebildeter Kristalle geführt, in welcher unter Aufhebung der Übersättigung die vorhandenen
neu gebildeten Kristalle wachsen.
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Auch Verdampfer mit außenliegendem Heizsystem sind schon für das
Auskristallisieren von Salzen aus Lösungen verwendet worden. Aus dem mit konischem
Boden ausgestatteten Verdampfer wurde das ausgeschiedene Salz durch eine Schleuse
in eine Zentrifuge
abgezogen, in der vom Salz mitgeführte Lösung abgeschleudert wurde.
Unterhalb eines im zylindrischen Teil des Verdampfers vorgesehenen, kegelig gestalteten
und mit seinem oberen Rand ringsum mit der Zylinderwand verbundenen Einbaues wurde
aus dem Verdampfer abgekühlte Lösung ständig entnommen und in den Heizkörper geleitet.
Aus diesem kehrte sie wiedererwärmt durch eine Leitung zurück, die dicht oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels in den Verdampfer mündete. Die im Verdampfer entstehenden
Brüden wurden in einem Kondensator niedergeschlagen. Diese Verdampfer sind für eine
Kristallzüchtung nicht geeignet, und es enthält das aus der Zentrifuge kommende
Salz noch sehr viel Feuchtigkeit.
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Man hat auch schon so gearbeitet, daß aus einem gemeinsamen Verdampfer
die im Gebiet der metastabilen Sättigung befindliche Lösung auf mehrere Kristallisatoren
verschiedener Größe verteilt wurde, aus denen sie wieder in den Verdampfer zurückgeleitet
wurde. Die Kristallzüchtung erfolgte dadurch, daß ein Gemisch von I,ösung und Kristallen
in jedem Kristallisator in kreisender turbulenter Bewegung gehalten wurde und daß
die Kristalle, wenn sie eine gewünschte Größe erreicht hatten, sich unter der Wirkung
der kreisenden Bewegung aus der Lösung abschieden. Sie gelangten dann in den nächst
größeren Kristallisator, in dem sie nach dem gleichen Prinzip weitergezüchtet wurden.
Aus dem größten Kristallisator wurden die Kristalle in der angestrebten Korngröße
abgezogen.
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Diese Umlaufverdampfer haben jedoch den Nachteil, daß die verhältnismäßig
großen Pumpen, die gegen das Vakuum arbeiten, verhältnismäßig teure Apparate sind.
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Die Erfindung bezieht sich auf Kristallisationsanlagen, die mit einer
Verdampferzone und einer Kristallisationszone und mit Mitteln ausgestattet sind,
durch
die die Lösung, aus der gleichmäßige und grobe Kristalle gewonnen werden sollen,
in Unilauf durch die Verdampferzone und die Kristallisation$iong jge halten, wird.
Dabei sind Zuführungen und Abführungen vorgesehex<, durch die die heiße Ausgangslösung
in die mit konischem Bõden verseliené Vorrichtung eingeführt und mittels denen die
abgekühlte Lösung die durch Selbstverdampfung entstehenden Brüden und die ausgeschiedenen
Kristalle aus dem Kristallisationsvorgang abgeleitet werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß im Verdampfergefäß trichterförmige
und etwa konzentrisch zum Verdampfergefäß angeordnete Einbauten vorgesehen sind.
Diese Einbauten sind mit Abstand von der Wandung des Verdampfergefäßes angeordnet.
Ferner besitzt die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine zur Kreislaufführung der
Lösung dienende Leitung, die vom Flüssigkeitsspiegel im Verdampfer außerhalb des
Verdampfers zuerst nach unten und dann nach oben geführt ist. wo sie nahe über den
Einbauten im Verdampfer mündet. Der tiefste Punkt der Leitung liegt um das 10- bis
20fache der Förderhöhe unter dem Flüssigkeitsspiegel im Verdampfer, und es ist unten
in der Leitung eine Luftzuführung angeordnet, so daß die Umwälzung der Lösung durch
die Leitung nach dem bekannten Prinzip des Mischlufthebers erfolgt.
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Durch die erfindungsgemäßen Einbauten im Verdampfer, die die in den
Verdampfer eingeführte Lösung auffangen, wird verhindert, daß durch Selbstverdampfung
versprühte Flüssigkeit an die Verdampferwandungen spritzen kann, wo derartige Spritzer
schnell zur Bildung großer Ansätze und zu ständigen Betriebsstörungen führen würden.
Gleichzeitig entsteht durch die erfindungsgemäß zuerst tief nach unten und dann
ansteigend geführte Kreislaufleitung für die Lösung der Vorteil, daß für die Umwälzung
der Lösung nur sehr wenig Luft verwendet wird, so daß die bei der Verdampfung entstehenden
Brüden für Heizzwecke ausgenutzt werden können oder, wenn die Verdampfung bei niedrigen
Temperaturen durchgeführt wird, in normalen Kondensatoren mit den üblichenEntlüfíungsvorrichtungenniedergeschlagen
werden können. Die Vereinigung von Verdampferzone und Kristallisationszone in einem
Gefäß mit konischem Boden ergibt dabei die Möglichkeit einer sehr guten Kristallzüchtung,
da die Flüssigkeit, die durch die Einbauten aus der Kreislaufführung bis in den
unteren Teil des Verdampfers geführt wird, im konischen Boden aufsteigend, das feine
Kristallkorn so lange in der Schwebe hält, bis es zu Kristallen ausgewachsen ist,
die sich gegen die Flüssigkeitsströmung zu Boden setzen können.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
und schematisch dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Verdampfer 1 mit
dem Brüdenabzug und Vakuumanschluß 10, einer Austragsvorrichtung 8 zur Entnahme
der gebildeten Kristalle, einem als Leitfläche wirkenden trichterförmigen Einbau
5, 6 und der Umwälzvorrichtung 2. Der Verdampfer 1 besteht aus einem zylindrischen
Oherteil und einem gegebenenfalls stufenweise konisch verjüngten Unterteil 3, der
in die Austragsschleuse 8 zur Entnahme der Kristalle mündet. Am oberen Ende ist
der Verdampfer durch einen vorzugsweise gewölbten Deckel 9 verschlossen, in welchem
der Anschlußstutzen 10 für die Vakuumerzeugung und die Brüdenabsaugung zweckmäßig
zentrisch vorgesehen ist.
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Vorteilhaft zentrisch innerhalb des Verdampfers ist die trichterförmige
Leitflache 5 angeordnet, deren
obere 0ífnung höher als der sich im Verdampfer einstellende
Flüssigkeitsspiegel liegt und an deren untere Öffnung sich das Rohr 6 anschließt,
welches sich bis in die Nähe der Austragsschleuse 8 erstreckt.
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Die Umwälzvorrichtung besteht aus dem im Haupt-~teil- V-förmig gebogenen
Rohr 2 dessen eines Ende seitlich abgebogen und durch die Verdampferwand geführt
ist. Die Mündung des im Verdampfer liegenden Rohrstückes 7 befindet sich unterhalb
des sich im Verdampfer einstellenden Flüssigkeitsspiegels.
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Das andere Ende ist in die Horizontale umgebogen und an die Verdampferwand
geführt, wo es an ein über der Mitte des trichterförmigen Einbaues 5 nach unten
mündendes Rohrstück 11 übergeht. Die Mündung 12 des Rohres 11 kann düsenförmig erweitert
sein.
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Am unteren Ende des längeren Schenkels des Wförmigen Rohres ist eine
drosselbare Lufteinführung4 vorgesehen. Sie kann beispielsweise so gestaltet werden,
daß der Rohrmantel auf einem Umfangskreis mit Löchern versehen ist und das Rohr
an dieser Stelle mit einem Mantel 1 umgeben wird, an welchem ein Rohranschluß mit
einem Drosselventil 14 angeordnet ist. Es kann auch ein Lufteinleitungsrohr im Mantel
des U-Rohres angeordnet und am äußeren Ende mit einem Drosselventil, am inneren
Ende mit einer oder mehreren Düsen versehen werden.
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Die Lufteinleitung kann jedoch auch mittels eines durch die Rohrwand
eingeführten, im Rohrinneren in Strömungsrichtung abgebogenen Rohres erfolgen. Dieses
Lufteinleitungsrohr wird am äußeren Rohr mit einem Drosselventil, am inneren Ende
mit einer Ausströmdüse versehen.
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Die zur Kristallisation zu bringende Lösung wird in den kürzeren
Schenkel des U-Rohres durch einen seitlichen Rohranschluß 15 zugeführt. Überschüssige
Mutterlauge wird aus dem Verdampfungskessel durch den seitlichen Anschluß 9, dessen
innere Mündung in der Nähe des Flüssigkeitsspiegels liegt, entnommen.
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Um die Aufrechterhaltung des Vakuums nicht zu erschweren und eine
Verdünnung der bei der Verdampfung entstehenden Brüden durch Luft möglichst einzuschränken,
soll die Menge der durch das Ventil 14 eintretenden Förderluft auf ein Minimum bemessen
werden.
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Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Länge der Förderleitung
im Vergleich zur Förderhöhe möglichst groß gemacht wird. Die Förderhöhe ist der
Abstand vom Flüssigkeitsspiegel bis zum höchsten Punkt der Förderleitung. Der Flüssigkeitsumlauf,
der durch eine gegebene Luftmenge erreichbar ist, wird um so besser, je tiefer der
Lufteintritt unter dem Flüssigkeitsspiegel liegt. Dieser Abstand ist in der Abbildung
mit lt bezeichnet. Erfindungsgemäß wird das Verhältnis h :H auf 1:10 bis 1:20 bemessen.
Die Luft wird vor Eintritt in die Ringleitung vorteilhaft auf eine der Temperatur
der umgewälzten Flüssigkeit entsprechende Sättigungstemperatur gebracht.
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Die Mündung der Umwälzleitung wird so hoch über dem trichterförmigen
Einbau 5 angeordnet, daß sich die Flüssigkeit in der auf diesem Wege bestehenden
Verteilung um nur etwa 10 C abgekühlt.
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Durch den Trichter 5 und das anschließende Rohr 6 gelangt die Flüssigkeit
in den engsten Bereich des konischen Unterteiles 3 des Verdampfungskessels.
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Infolge der Saugwirkung am Beginn der Umwälzleitung 2 stellt sich
im Kessel außerhalb des trichterförmigen Einbaues 11 eine Aufwärtsströmung ein.
Die aus dem Rohr 6 austretende Flüssigkeit erfährt dadurch
eine
Umlenkung und steigt dann mit einer Geschwindigkeit aufwärts, die sich in dem Maße
verringert, wie der Querschnitt des konischen Kesselunterteiles 3 zunimmt.
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Bei der in der Nähe der unteren Öffnung des Rohr res 6 herrschenden
relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit setzen sich Kristalle, die eine Mindestkorngröße
erreicht haben, ab. Kleinere Kristalle werden von der Strömung mitgeführt und je
nach ihrer Größe in Bereichen größeren Querschnittes des Kesselunterteiles in der
Schwebe gehalten. Sie wachsen dort zu einer Korngröße an, die die Sedimentation
ermöglicht.
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Über dem Austrag 8 sammeln sich die sedimentierten Kristalle mit
gleichmäßiger gut und regelmäßig gewachsener Korngröße und bilden ein Kristallbett,
aus dem durch die Austragsvorrichtung kontinuierlich ein Anteil im Gemisch mit so
viel Mutterlauge, wie zum nachfolgenden Abtrennen der Kristalle in einer Zentrifuge
vorteilhaft ist, entnommen wird.
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In dem konischen Unterteil des Kessels bildet sich über dem Kristallbett
eine Sedimentationszone aus, welcher sich im zylindrischen Kesselteil eine Klärzone
anschließt. Die in die Umwälzleitung eintretende Lösung ist im allgemeinen klar
und praktisch frei von Kristallen.
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Die Sedimentationszone im Unterteil des Kessels kann, wie auch in
der Zeichnung dargestellt, mit einem anderen konisch verlaufenden Teil ausgebildet
werden als der unmittelbar an den zylindrischen Mantel anschließenden Teil. Wenn
man diesen konischen Unterteil schlanker ausbildet, hat man auf einem längeren Wege
langsamer abnehmende Geschwindigkeiten als bei einem nicht so steil verlaufenden
Konus. Die Folge davon ist, daß in dem schlanker ausgebildeten Unter teil die Kristalle
auf einer größeren Wegstrecke in Schwebe bleiben. Man hat also dadurch ein Mittel
in der Hand, die übersättigte Lauge länger oder kürzer auf die in Schwebe befindlichen
Kristalle einwirken zu lassen. Bei Salzlösungen, die zu keiner großen Übersättigung
neigen, kann man daher die Sedimentationszone klein halten, und bei Salzlösungen
mit großerÜbersättigung wird man diese Zone länger ausbilden.
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Da die Umwälzung jedoch ohne Stoßwirkungen und plötzliche Umlenkungen,
wie sie bei Verwendung von Umwälzpumpen stets eintreten, erfolgt, schadet es nichts,
wenn kleinere Kristalle mit in die Umwälzleitung gelangen.
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Um innerhalb der Vorrichtung Kristallablagerungen, die schließlich
zur Ausbildung turbulenter Strömungen führen, zu vermeiden, werden der trichterförmige
Einbau 5, 6, die Austragsschleuse 8 und das im Kessel liegende Rohrstück 7 der Umlaufleitung
2 aus Weichgummi hergestellt.
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Durch den Anschluß 16 wird zeitweise oder kontinuierlich Mutterlauge
entnommen, um die Anreicherung von Begleitstoffen in der im Kreislauf geführten
Lösung zu vermeiden. Dieser entnommene Anteil kann, zweckmäßig nach einer Zwischenbehandlung
in einem Zyklonabscheider od. dgl., erneut in einer oder mehreren der erfindungsgemäßen
Kristallisationsvorrichtungen weiter konzentriert und zur Kristallisation gebracht
werden.
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Beispiel 1 Aus einer Natriumsulfatlösung mit 23 0/o Na2SO und 10O/o
H2S04 sollen 300gGlaubersalz je Lösung in grobkristalliner Form ausgeschieden werden.
Für die Kristallisation wurde die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung benutzt.
Die zu behaüdelnde
Lösung trat bei 15 mit 450 C ein, mischte sich beim Durchfluß
durch die Rohre 2 und 11 mit der durch 7 aus dem Behälter 1 abfließenden Kreislauflösung
und trat bei 12 mit einer Temperatur von 130 C aus. Die Lösung im Verdampfer hatte
eine Temperatur von 100 C. Das abgeschiedene Salz wurde aus dem Kristallisationsverdampfer
zusammen mit einem Teil der Lösung in eine Zentrifuge geleitet. Es verließ die Zentrifuge
mit nur noch 3 ovo Feuchtigkeit. Der Verdampfer wurde unter einem Vakuum von 6,5
Torr betrieben. Er leistete bei einem Durchmesser von 1,6 m und 2 m zyl.
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Höhe etwa 1000kg Glaubersalz/h. DieBrüden, die durch den Brüdenabzug
10 den Verdampfer verließen, hatten einen so geringen Luftgehalt, daß der Kondensator,
in dem die ;Brüden niedergeschlagen wurden, mit der normalen Entlüftung auskam und
zusätzliche Mittel für die Beseitigung der unten in die Leitung 11 eingeführten
Förderluft nicht erforderlich waren.
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Beispiel 2 Eine bei 950 C gesättigte Chlorkaliumlösung wurde auf
450 C in einem Kristallisierapparat gemäß der Erfindung abgekühlt. In einem Apparat
von 2,5 m Durchmesser wurden bei einem Laugendurchsatz voll 15 cbm etwa 1300 kg
Salz erhalten mit Korn von etwa 90°/o über 0,5 mm, etwa 5 bis 70/0 zwischen 0,2
und 0,5 mm, etwa 3 bis 5 ovo unter 0,2 mm.
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Das Salz befand sich im unteren Teil des Kristallisierapparates gemäß
der Erfindung in lockerem Zustand und ließ sich leicht und ohne Verstopfungen austragen.
Demgegenüber hatte ein in einer bekannten 24stufigen Vakuum-Kühlanlage erhaltenes
Kristallisatkorn von etwa 90/o über 0,5 mm, etwa 69°/o zwischen 0,2 und 0,5 mm,
etwa 220/0 unter 0,2 mm.
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PA'rENTA NSP P ÜCflE: 1. Vorrichtung zur Gewinnung großer und gleichmäßiger
Kristalle, bestehend aus einem Ge fäß mit einem konisch ausgebildeten unteren Teil,
einem Kristallauslaß, Einrichtungen zum Umwälzen der zu behandelnden Lösung durch
eine darin enthaltene Verdampfungs- und eine Kristallisationszone, mit Anschlüssen
zur getrennten Entnahme überschüssiger Lösung und zur Ableitung der Brüden, gekennzeichnet
durch trichterförmige und konzentrisch angeordnete Einbauten (5, 6) innerhalb des
Verdampfers (1), durch eine außerhalb des Verdampfers liegende, zur Kreislaufführung
dienende Leitung (2), die vom Verdampfer zuerst nach unten und dann nach oben gedrückt
ist, deren tiefster Punkt um das etwa Zehn- bis Zwanzigfache der Förderhöhe unter
dem Flüssigkeitsspiegel im Verdampfer liegt, die über dem Trichter (5) mündet und
einen Lufteinlaß (4) aufweist.