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"Nristallissationsapparat zur fortlaufenden Herstellung gleichmäßiger
Körner" Die Erfindung betrifft einen Kristallisationspparat zur stetigen Bildung
gleichmäßiger kristalliner Körner bei hoher Kapazität und besonders hinsichtlich
des Profiles des Kristallinat : ionsapparaten, das die Hauptrolle bei der. Betrieb
des Apparptsystems bildet.
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Es ist bei der Kristallisations-Serienherstellung bekannt, zunächst
in eineh Krstallisationsapprat,-Flüssigkeit zu fiellten und dann zu evanorieren
oder zu kühlen, um den rad der Sättigung zu steigern, damit die Kern-Kërner größer
wahcsen, die im Kristallisstionss parat gebildet werden oder die Saatkörner,
die
von außen eingesetzt werden. PUr die fortlaufende Bildung der Kristallisation ist
erforderlich, daß mit dem Kristallisationsapparat ein Zirkulationssystem von muterflüssigkeit
eingerichtet wird, eine Grube, ein Entleerer, Zufuhr, Kondensator und anderer daurz
gehörige Einheiten.
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Der Erfinder hat eine Reihe von Versuchen und Analysen durchg mit
den Feststellungsergebnis, dali Bauart und Einrichtung dieser Einheiten des Apparatsystems
auf die Kristallisation der Körner wesentlicner Einfluß haben und besonders dan
Profil oder 2orm des Kristalliastionspaparates eine fiauptv ! irkung nicht nur hirsichtlich
der Ausbeute sondern auch der Größe der Kristallkörner zeigen, die in dem Anparat
hergestellt werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß der Kristal-lbildner ein Profil aufweist,
dessen Seitenwandung im vertikalen Aufriß aus e ; ner Anzahl von geraden annähernd
hyperbolischen Abschnitten besteht, wobei die senkrecvhte Mittelleinie des Aufrisses
als die vertikale Axe der Hyperbel dient und der Druchmesser an der Spitze des Xristallbildners
als horizontale Axe der iiyperbel, so da. sich Kristallkörner gleichmaßiger Größe
fortlaufend ergeben.
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Die beiliegende Zeichnung ziegt schematisch Ausführungsbeiö SDiele
der erfirdungsgemäßen Einrichtung. mit eine Einrichtung zur Stetig-Hedtelltung von
Glaubersalzkristallen,
deren Lösbarkeit in einer abnehmenden Funktion zur Temper2tur steht.
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Fig. 2 ist ein Diagramm theoretischer Profiel und eines praktischen
Profils der Seitenwand des Kristallisationsapparates.
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Fig. 3 ist die Darstellung eines Kristallisationsapparates im Aurfiß,
wobei die Löslichkeit der Kristallkörner eine steigende Funktior. der Temperatur
zeigt.
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Fig. 4 teineAbwandlungderFi.?.
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Fig. 5 zeigt in vergröß rten Kaßstab, geschnitten den Kornstuermesanmis
am Eals des Kristallisationsa : partes.
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Fig. 6 stellt eine Abwanlung der aurt nach Fig. 1 dar, und Fig. 7
ein weiteres in der Praxis angewandert Freifl des r. richtallisations parates
PUr
den Betrieb des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kristallisationsapparates
wird zunächst hydratisiertesGlaubersalz in einem Tank oder Behälter 1 aufgelöst
und sodann durch einen Filter 2 geleitet. Das Filtrat gelangt dann mit Hilfe einer
Smpe 3 und Rohrleitungen 4, 4'zu einem Erhitzer 5. Um die Konzentration in einem
Verdampfer 6 zu steigern wird die erhitzte Flüssigkeit teilweise verdampft.
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Auf diese Weise enthält die Flüssigkeit ausreichende Kristallisationszellen
(Kernkörner), welche im Erhitzer 5 und Verdampfer 6 entstehen. Durch ein senkrechtes
Rohr 7 gelangt sie dann aus dem Verdampfer 6 nach Abwärts zum Boden eines Kristallbildners
8, wo sie wieder nach oben geleitet wird. Wenn die Flüssigkeit im Kristallbilier
8 nach oben steigt, werden die in ihr enthaltenen Kernkörner größer, sie wachsen.
Damit wörden die Kristallkorner schwerer und sinken entsprechend in den Bodenhals
des Kristallbildners nach unten ab, wo der Querschnitt desselben verringert ist
und daher die Aufwärtsgeschvrindigkeit der Flüssigkeit vergrößert.
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Für die Kristalle, welche gewachsen und ausreichend schwer sind, sinker.
weiter nach unten in ein Sammelgefäß, sumpf 9, entgeger der vergrößerten Aufwärtsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit ; diese Kristallkörner, welche sich im Sumpf 9 ansammeln, werden
aus diesem mit Rilfe einer Breipumpe 10 entleert, Die Flüssigkeit, welche nach oben
zur Spitze des Kristallbildner gelangt, besitzt jetzt eine ausreichend niedrige
Konzentration. bie wird wieder zum Erhitzer 5 mit Hilfe einer Rmpe 11 zur Rückzirkulation
gefördert.
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Während die Flüssigkeit dem Verdampfer 6 teilweise entnommen und in
Berührung mit Kühlluft in eine Behandlangssäule (Exposure) 13 gesprüht wird, wird
die Kühlluft durch einen Einlaß 14 zugeführt. Die Flüssigkeit wird weiterhin in
einem' Oberflächenkondensator 16 abgekuhlt, um die Loslichkeit ausreichend zu erneuern.
Schlie3lich wird sie in den Tank 1 zurückgeleitet, wo sie Klaubersalz löst und zur
weiteren Umwälzung startet.
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Soweit beschrieben dient das Arbeitssystem des Apparats zur fortlaufenden
Kristallisation hydratisierten Glaubersalzes in wasserfreie, gleichmäßig gestaltete
Kristalle. In dem Kristallbildner 8 wachsen die Orner oder Kristalle als Ergebnis
molekularen Übergangs aus der Flüssigkeitsphase in den festen Aggregatzustand durch
eine Energie, deren Wert die bifferez zwischen totaler, freier Energie ist, welche
an aer XristalloberS che aktiv ist und der total freien Energie aktiver Ionen in
der Lösung. Eine Analyse des Molikolaren Ubergangs aus dem flüssigen in den festen
Zustand erklärt die nachfolzende Relation : N# N.C-...................................(I)
worin bedeutet ; T Wachstumsrate der Kristalloberfläche Ci= Konzentration des Blüssigkeitsfilms
über die Kornoberflache C Durchschnittskonzentration der Flüssigkeit
In
der obigen Gleichung wird l/R und die konstante als ubergangsfaktor k ausgedruckt.
M wird ausgedrückt als das Gewicht der Substanz dW, übertragen von der Flüssigkeit
auf die Oberflächeneinheit des xristalls je Zeiteinheit dO. (C-Ci) wird ausgedrückt
als eine Konzentrationsdifferenz # C. Dann wird die Relation I in folgende Gleichung
gebracht : d\V=kAC............................(II) wo A = die Oberfläcenflächedesristalls
ist Das Gewicht W der übertragenen Substanz ist das Gewicht des gebildeten Kristalls.
Dies wird durch die folgende Beziehung dargestellt li @ = (##L3 .......................................
(III) wobei t = speziflsche Korndichte L = Hauptlinear Korndimensicn volumetrische
F'aktoren des Kornes dann dW/d# = 3 (### L2 dL/d# .......................... (IV)
Die Oberfläche des Kornes ist durch folgende Beziehung auszudrücken : A = #sL2 .........................................
(V) wobei #s = Elächenfaktoren sodenn kA#C = k#@L2#C ............................
(VI)
Von (II), (IV), (VI) : 3# #VL2 dL/d# = k#sL2#C...........................
(VII) Von (VII) : k# #C dL/d# = .......................................... (VIII)
3##V In obiger Bezichnung kann ferner so ausgedrückt werden: dL/d# = k#C ......................................
(IX) k#s wobei K = (konstante) 3##v Aus (IX) wird zu folgender leichunp abgeleitet,
um ansuzeigen, daß das Wachsen eines Kristalline-Kornes in Ausdrücken linearer Dimensionen
in Proportion zur Länge der Zeit steht, w ähren welcher sie in der Metterflüssigkeit
flutet.
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L2 - L1 = K#C X # ............................... (X) Die obige Gleichung
besagt ferner, daß das Wachsen des Kristalline-Kornes in Grenzen des Volumens. in
Verhältnis zum Wachsen in dritter Potenz zur linearen Dimension steht, mit anderen
horten : W2 - W1#L23-L13................................... (XI) Das heißt, daß
ein größeres Saatkorn schneller wächst. Angenommen ein Saatkorn von 1 mm Druchmesser
wöchst 2 mm je Zeiteihheit
Q, dann ist sein volumetrisches Wachstum
v (23 - 13) = 7#v ein anderes Saatkorn von 2 mm Durchmesser ist einem Wachstum von
3 mm je Zeiteinheit 6 unterworfen, dann ist sein volumetrisches Wachsen #v(33 -
23) = 19 #v In einem Stadium, bei dem ein Kristallkorn bei gegebenem Flüssigkeitsstand
im Aufwärtsstrom der Flüssigkeit im Kristallbildner flutet, muB das Schwimmvermögen
des Kornes, gegeben durch di-e Aufwärtsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes,
gleich der Schwere des Kornes relativ zu dem der Flüssigkeit sein : v2/2g x L2 x
#1 x #2 = (#2 - #1) x L3 x #v ..... (XIII) worin : v = Aufwartsstromrate der Flüssigkeit
ist #1 = spezifische Dichte der Flüssigkeit Q2= spezifische Dichte des Kristalles
Dann v2/2g - L x K1 ............................. (XIII) K.=2"Plx(konstante) P1J
Das Stromungsverhältnis der Flüssigkeit stellt sich wie folgt dar: v = V/wx2 .......................................
(XIV) worin v = Flüssigkeitszufhr Volumen je Zeiteinheitslänge im Krsitallbildner
ist x = Radius desselben
Aus (XIII), (XIV) : 2V = L x K1 ........................................
(XV) 2g x4 Entsprechend (X), in einem Kristallbildner, der mit einer gegebenen Menge
übergesättihgter Mutterflüssigkeit gefüllt ist, wachst ein Kristalkorn stietig von
einer linearen Dimension L1 zu L2, während es von einervertikalen Relle Y1 mit Durohmesser
x2 nach y2 mit Durchmesser X1 des Xristallbildners (Fig. 1) sinkt. Dann kann die
folgende Relation aus (XV) abgeleitet werden : V2/g#2 (1/x14 - 1/x24) = K1 (L2 -
L1) .......... (XVI) Die obige Beziehung wird ferner so ausgedrUckt : (1/x14 - 1/x24)
= K2 (L2 - L1) ................. (XVII) wobei 2g#2 K2 = x K1 (Konstante) v2 Da (L2
- L1) im Verhältnis zur Länge der Zeit steht, während der das Kristallkorn stetig
von y. nach Y2 flutet und das bei gegebener Geschwindigkeit kann (L2 - L1) in Proportion
zu (y2-y,) gesetzt werden. Aus (XVII) kann daher das folgende Gleichungspaar abgeleitet
werden : y2 - y1 = 1/x14 - 1/x24 ........................ (XVIII) lim (y2 - y1)
= lim (1/x14 - 1/x24 ............. (XIX) y2#y1 x1#x2 aus (XIV), (XV) : y = 1/x4
........................................ (XX)
Die obige Gleichung
(XVI) entspricht einer Hypabel (a) in Fig. 2, die dem theoretischen Profil der Seitenwandung
des Kristallbildners 8 entspricht. Die Gleichung (XVI) wird unter der Voraussetzung
erhalten, daß das Kornwachstum in Grenzen linearer Dimension angemommen wird, der
Distanz Sedimentation proportional zu sein. Das volumetrische Kornwachstum und daher
in Gewichtsgrenzen steht, wird dann im Verhältnis der 3. Potenz zur linearen Dimension
eine lineare Dimension z. B. 2 mal multlpliziert das vervielfältigte Korngewicht
8 haben ; 3 mal wird 27 ergeben.
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Da die oben unterstellte Basis für das Sornwachstum praktisch zu unbeweglich
scheint, ist eine andere zu wählen, wobei das Xornwachstum in Gewichtsgrenzen als
Proportion zur stetiger Distannz anderen Worten, das Wachsen der Xristalle in Grenzen
dritter Urdnung der linearen Dimension forlaufender Sedimentaltion angenommen wird.
Mit (L23 - L13) steht im Verhältnis zum Abstand der Sedimentation (y2 - y1). Oder
das Kornwachstum in Grenzen linearer Dimension steht im Verhpltnls zum'. Vachsen
in Kubikwurzel der Sedimentationsdistanz : der (xxi) Darausistabzuleiten(XVII):
/ 3#y2 - 3#y1 = 1/x14 - 1/x24 ..................... (XXII) lim (3#y2 - 3#y1) = lim
(1/x14 - 1/x24 .......... (XXIII) y2 # y1 x1 # x2 und y = 1/x12 ...................................
(XXIV)
Die obige Gleichung entspricht der Hypabel (b) in Fig. 2,
die ein anderes theoretisches Profil der Seitenwandung des Kristalbildeners 8 zeigt,
jedoch auf einer Grundlage, daß das Wacilstum des Kornes in Grenzen des Gewichtes
als Proportion der Distanz der Sedimentation angenommen wird. In einem Kristallbildner
mit der Profilierung nach der Kurve (b) sinkt jedes Kristallkorn in einem Verhältnis
zu seinen Gewicht stetig zunehmend nach unten und Kdrner gleichen Gewichtes werden
bei einer gegebenen vertikalen Lage fluten.
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Das Profil der Hypabel (a) ist'vom praktischen Gesichtspurkt aus nicht
annehmbar, weil das Kornwachstum zu erwarten ist mit (L2 - L1) in gerader Proportion
zu (y2 - y1) und der zristallbildner zu sehr einen Querschnittsmodul hat, um als
wirschafl tich und wirksam bei Fabrikation und Installation angesehen werden zu
kUnnen.
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Gut zu heißen ist jedoch das Profil (b) vom praktischen Standpunkt
aus, da das Kornwachstum mäßig genug ist (L2 - L1) im Verhältnis (3#y2 - 3#y1) zu
haben, d. h., dan Korngewicht im Verhältnis zur Sedimentationsdistanz zu haben und
der Kristallbildner besitzt einen geringen Sektionsmodul, was eine ökonomischere
und wirksamere Installation und Fabrikation geährleistet, Das Profil (b) der Hypabel
wird ferner noch mehr in ein Profil vereinfacht, das sich aus gerdadn Strekken (p)
zusammensetzt (gestrichelet Linie, ähnlich Hypabel (b) Fig. 2).-Jer in S^ig. 1 gezeigte
Kristallbildner besitzt das Profil der gerdaden Abschnitte (p), das ausreichend
ist.
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Das Profil der geraden Abschnitte (p) wird noch mehr in ein zusammengesetztes
Profil aus ein paar Zylindern vereinfacht ; einen tiefen und einen flache, der letzere
hat einen wesentlich größeren Durchmesser als der erstere Fig. 7. Versuche des Erfinders
bestätigten, daß eine Profilgebung nach Fig. 7 in der Praxis eberso ausreicht wie
die vererwahnten Profile.
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Der Kristallisationsapparat nach der Erfindung arbeitet nicht nur
zufriedenstellend bei einem Objekt, dessen Löslichkeit eine abnehrende Funktion
der Temperatur ist, z. B. bei GHauber Salz, sonderr. auch bei einem Objekt, dessen
Haupteingeschaft die Loslichkeit einer steigenden Punition der Temperatur ist.
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Fig. 3 veranschulicht einen hierzu dienenden Apparat, der einfacher
gebaut ist als der fsir das erntere Objekt, also nach Fig. 1. In fig. 3 wird Flüssigkeit
niedriger Konzentration, welche zum obersten Teil des Kristallbildners 8 gelangt,
mit erhitzter übersättiger Flüssigkeit 4 40 vereinigt, die durch eine Leiung 41
wandert. Die vereinigte Flüssigkeit wird dann druch eine Pumpe 11 über eine Leitung
42 nach einm Verdampfer 6 geleitet. In diesem wird die Flüssigkeit zum Tei verdampft,
um den @rad der bersöttihgunhg in er Restflüssigkeit zu steigern, die durch deas
Vertizkalrohr 7 nach abwärts zum Boden des Kristallbildners 8 gelangt, Die Flüssigkeit
wird sodann im Kristallbildner 8 nach oben getrieben zum Wachse der Kern- oder Saatkörner,
die sie enthält, ähnlich wie dies ahnade des Beiniels nach Fig. 1 beschrieben
wurde.
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In Fig. 4 ist der Apparat mit einem Kühler 16 ausgerüstet ; anstelle
des Verdampfers 6 (Fig.3). Der Apparat ist dem nach Fig. 3 seiner Betätigung wie
seiner Funktion nach ahanlich.
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In Fig. 6 ist der Apparat mit dem Kristallbildner 8, dem Verdampfer
6, dem Erhitzer 5 anders als in Fig. 1 geschaltet ausgestattet. Die Konstruktion
ist einander ahnlich, auch in der Wirkung besonders dann, wenn im Kristallbildner
8 übersättigte Flässigkeit Anwendung findet.
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Die nachfolgende Tabelle vergleicht die Daten des Erfindungsgegenstandes
mit denen des bekannten 'Othello' Apparates.
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Fr'stallbildnerErfindungOthello Typ
| Flüssigkeitwasserfreieswasserfreies |
| Glauber oalz Glnuber 21z |
| Innere Kapzität 26. 5 m'33 m |
| Betriebstmepratur ca. 73°C ca. 75°C |
| Kornmenge 3380 kg/MrStd. 2060 kg/Std |
| Korngröße unter 30 verbvunden 2% -do- 1% |
| 3ci 2 60 " 92% -do- |
| fer 60 " 6% -do- 61% |
| Flüssigkeits- |
| 740 m3/Std. 500 m3/Std. |
| zirkulation |
| Überstättigung Einlaß 5.40 g/l -d- 6.25 g/l |
| Auslaß 0.82 g/l -do- 2.13 g/l |
| Dichteberbrauch je 4.58 g/l 4.12 g/l |
| de Tlauf |
. Aus dieser Tabelle ist zu ersehen, daß der erfindungsgemäße
Anparat einen groBeren 1'ristallertrag ausweist, etwa 64 o, während die innere Kapazität
ungefähr 20% im Vergleich mit dem konventionellen Otnello Typ abnimmt. Der Apparat
nach der Erfindung zeigt demgemäß eine Produktivitätssteigerung oder Kornertrag
je m von annähernd 80 im Verglich mit dem Othello Typ. Außerdem zeigen die Kristallkörner
eine größere Glichmäßigkiet der Form gegenüber- den Erzeugnissen des bekannter Apparats.
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Ein praktischer Verzicht an Gleichmäßigkeit ermöglicht es, mit dem
Erfindungsgegenstand über 200 fo je m3 Mehrertrag gegenüber bekannten Apparaturen
zu erzielen. Im Kristallbildner 8 wachsen die Kern-oder Saatkörner größer und schwerer,
da sie durch den Fliissigkeitsstrom nach aufwärts getragen werden, bis dann durch
ihr eigenes gesteigertes Gewicht ein Ziel geset. zt ist. Dann sinken die Kristalle
wieder nach und nach nach unten, wobei sie weiterhin größer werden und an Gewicht
zunehmen ; Lediglich die Körner ausreichender Größe und Gewichtes sinken in den
Sammelbehälter oder Sumpf 9 durch den Hals 81 des Kristallbildners 8 ab, entgegen
der Aufwärtsgeschwindigkeit der Flüssigkeit am Hals 81 maximal xxi, wo der Querschnitt
des Kristallbildners am kleinsten ist. Kristalle ausreichender gliechmäßiger Größe
werden, wie gesagt, im Sumpf 9 gesammelt und aus demselben durch den Ablaß 91 entfent.
Die Korngröße wird daher durch die Aufwärtsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die
bei 81 durch den Hals des Kristasllbildners fließt bestimmt.
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Da der Querschnitt des Halses 81 bei der Herstellung des hristallbildners
festgelegt ist, dient die Änderung des Umwälzvolumens der Flüssigkeit der Steuerung
der Korngröße. Diese Methode ist nicht zweckmäßig, weil sie dalrin tendiert, die
Flüssigkeitskonzentration an verschiedenen Stellen des Umlaufsystems aus dem Gleichgewicht
zu bringen und demzufolge die etzielte Korngröße zu stören, abgesehen von dem Zweck,
die Korngröße ohne auf Gleichmäßigkeit zu verzichten zu regin.
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Der erfindungsgemäße Kristallbildner ist mit einem T :'. ittel zur
Steuerung der Korngröße, frei ohne Vernachlässigung der Gleichmäßigkeit der Korngröße,
versehen. In Fig. 5 ist das senkrechte Rohr 7 mit einer Nabe 72 vershen, die auf
sein unteres ende aufgesteekt ist. Diese Nabe 72 ist mit einem kopfähnlichen, doppelkegligen
Glied 71 sie umfassend versehen. Die Nabe 72 ist am oberen Ende einer Stange 37
befestigt, deren unterers Ende als Gewindespindel 75 ausgebildet ist. Die Stange
73 tritt durch den Sumpf 9 und ihr zende 74 hat eine Mutter 76 unten an einem Arm
75, unterlialb vom Sumpf 9. Die Mutter 76 wird mittels eines handrades 77 von außen
verstellt, um Feil 71 zu verschieben und den Ringspalt S, zwischen dem sich verjungenden
Hals 81 und Teil 71 einzustellen.
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'An dem Kristallbildner 8, der mit den oben beschriebenen Kornregulierungsmitteln
versehen ist, steigt die Flüssigkeit, die das Vertikalrohr 7 von Verdampfer 6 nach
abwärts kommt, wendet sich an der unteren Öffnung der Nabe 71 nach oben und tritt
durch den Ringspalt S zwichen dem doppelkegligen Kopf 71 unmd dem sich
verjüngenden
Hals 81. Der Spalt S wird schmaler, wenn das Glied 71 durch verdrehen des Handrades
77 nach unten verschoben wird, wie die gestricheltenLinien in fig. 5 andeuten. Damit
steigt die Durchflußgeschwindigkeit durch Spalt S und es ergeben sich KristallegroßerenFormates
im Sumpf 9.
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Der Spalt S wird breiter, wenn Teil 71 nach oben verstellt wird ;
dann verringert sich die DurchfluBgeschwindigkeit durch Spalt S und demgemäß werden
Kristalle geringerer Größe im Sumpf 9 angesammelt, daher wird die Korngröße ohne
jede Störung des Gleichgewichtes der Bldssigkeitskonzentration oder Korngrößengleichmäßigkeit
geregelt.