DE1769123B2 - Verfahren und vorrichtung zur stofftrennung aus einem fluessigen gemisch durch fraktionierte kristallisation - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur stofftrennung aus einem fluessigen gemisch durch fraktionierte kristallisationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stofftrennung aus einem flüssigen Gemisch durch fraktionierte
Kristallisation, bei welchem das flüssige Gemisch wiederholt in turbulenter Strömung über indirekt
gekühlte Kristallisierflächen geführt und die abgeschiedene Kristallschicht nach Erreichen einer bestimmten
Dicke abgeschmolzen wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend aus einem
Kristallisator mit Einrichtungen zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilmes, mindestens einer den Flüssigkeitsfil'm
tragenden Wand, öffnungen zum Einleiten und ablassen des Gemisches und Einrichtungen zur Temperaturänderung
der Wand, zur Durchführung der Kristallisation und des Abichmelzvorganges und zur Steuerung dieser
Vorgänge.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für die Kristallisation aus der Schmelze der abzutrennenden
Substanz als auch aus einer Lösung der abzutrennenden Substanz in einem Lösungsmittel anwendbar und eignet
sich für alle Substanzen, die sich auf einer festen, vorwiegend metallischen Oberfläche durch Wärmeabfuhr
von der Rückseite her (in Spezialfällcn durch Wärmezufuhr) auskristallisieren lassen.
Eine einzige nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung kann aus einem Stoffgemisch je
nach der angewendeten Schaltung entweder alle Stoffe entfernen, die sich bei der Kristallisation in der flüssigen
Phase anreichern (Verteilungskoeffizient K kleiner als 1), oder alle Stoffe, die sich im Kristallisat anreichern
(Verteilungskoeffizient K größer als 1). Die erste Stoffgruppe stellt bei der fraktionierten Kristallisation
den Normalfall dar. Das Verfahren wird normalerweise in dieser Schaltung zum Einsatz kommen. Sind
ausnahmsweise Stoffe aus beiden Gruppen zu entfernen, so können zwei Vorrichtungen des Verfahrens in
Serie geschaltet angewendet werden.
Die Produktionskapazität einer solchen Kristallisationsvorrichtung
wird nicht durch physikalische Gesetzmäßigkeiten begrenzt. Sie kann durch Vergrößerung
der Zahl der parallel geschalteten Kristallisationselemente beliebig vergrößert werden.
Es sind bereits Kristallisationsverfahren zur Trennung von Substanzen bekannt, bei denen die Schmelze
oder Lösung mit der abzutrennenden Substanz in einer mehr oder weniger turbulenten Strömung über gekühlte
Flächen geführt wird, an denen sie infolge der durch die gekühlte Fläche erfolgenden Wärmeentnahme kristallisiert
(US-PS 32 72 875, US-PS 28 26 045 und BE-PS 6 56 602). Es ist ferner auch bekannt, derartige
Schmelzen oder Lösungen durch gekühlte Rohre zu leiten, wobei in der Lösung selbst Kristalle der
abzutrennenden Substanz entstehen, die mit Hilfe von Filternutschen oder Zentrifugen von der Mutterlauge
abgetrennt werden (DT-PS 8 47 137, DT-PS 9 77 280). Dieses letztere Verfahren ist besonders aufwendig und
daher nicht wirtschaftlich, da zur Abtrennung des Kristallisates von der Mutterlauge besondere Vorrichtungen
vorgesehen werden müssen.
Bei allen diesen Verfahren handelt es sich um einstufige K.ristallisationsverfahren, also Verfahren, in
denen die aufzutrennende Schmelze oder Lösung nur einmal gereinigt wird. Es ist bekannt, eine derartige
Reinigung in identischen, nacheinander angeordneten Stationen zu wiederholen, um eine Verbesserung der
Reinigung zu erreichen (BE-PS 6 56 602). Besonders bei einer großen Anzahl von erforderlichen Reinigungsschritten ist dieses Verfahren ungeheuer aufwendig, da
für jeden Reinigungsschritt eine eigene Kristallisationsapparatur vorgesehen werden muß.
Es ist ferner auch ein Verfahren der vielstufigen fraktionierten Kristallisation nach folgendem Stofführungsschema
bekannt, das z. B. in fünf Stufen arbeitet:
Λ/ + L
M1 + L
M, + L
M4 + L
M5 + L
= C
1... 5 = Stufennummern
Z = Zufuhr des zu trennenden Stoffgemisches C = Kristallisat
M = Mutterlauge
L = Lösungsmittel
C ist die gewünschte reine Komponente. M ist konzentrierter an der oder den abzutrennenden
Substanzen als die zugeführte Menge Z
Wird aus der Schmelze kristallisie. t, so fällt das
Lösungsmittel L weg.
Das Verfahren ist auch schon derart vorgeschlagen und durchgeführt worden, daß die Zufuhr zu einer
mittleren Stufe, welche gleiche Konzentration aufweist, erfolgt. Bei dieser Arbeitsweise hat die Mutterlauge im
Falle eines eutektischen Systems eine besonders kleine Konzentration an der als Reinprodukt gewünschten
Komponente, bestenfalls die eutektische Konzentration. Liegt ein im ganzen Konzentrationsbereich feste
Lösungen bildendes Zweistoffgemisch vor, so kann auf diese Weise bei der Kristallisation aus der Schmelze bei
der ersten und letzten Stufe bei genügender Stufenzahl je die reine Substanz gewonnen werden.
Die Betriebsweise der Einzelstufen kann sowohl kontinuierlich wie diskontinuierlich sein, wobei die
diskontinuierliche Durchführung der Einzelkristallisationen Vorteile bezüglich der Trennwirkung aufweist.
Aus theoretischen und experimentellen Untersuchungen ist bekanntgeworden, daß die effektive Trennwirkung
bei der Kristallisation vor allem durch die Kristallisationsgeschwindigkeit und durch die Diffusionsverhältnisse
in der stationären oder laminar strömenden Grenzschicht an der Phasengrenzfläche
bestimmt wird, wofür folgende Beziehung aufgestellt wurde:
k =
- A>
Ao = Bestmöglicher Verteilungskoeffizient bei sehr langsamer Züchtung eines Einkristalls.
k = Effektiver Verteilungskoeffizient bei endlicher KristallisationsgeschwindigKeit.
f = Kristallisationsgeschwindigkeit.
ö = Dicke der Diffusionsschicht.
D = Diffusionskonstante der abzutrennenden Substanz in der flüssigen Phase.
Diese Erkenntnis ist bisher derart ausgenützt worden, daß durch Förderung der natürlichen Konvektion oder
durch erzwungene Konvektion der Dicke (5 der Diffusionsschicht verkleinert und die Kristallisationsgeschwindigkeit
der vorliegenden Trennaufgabe angepaßt wurde.
Es ist weiterhin bekannt, daß bei der stufenweisen Kristallisation die Güte der in jeder Stufe notwendigen
Trennung von Kristallisat und Mutterlauge für die totale Trennwirkung der Einzelstufe von großer Bedeutung ist,
ίο wobei sich das Problem stellt, die zwischen den Kristallen eingeschlossene oder durch Kapillarkräfte
festgehaltene oder an der Oberfläche der Kristalle haftende Mutterlauge möglichst gut abzutrennen.
Es wurde schon festgestellt, daß bei sehr großer
Kristallisationsgeschwindigkeit in den Randschichten der Flüssigkeit an der Kristallfläche eine instabile
Unterkühlung auftreten kann, durch welche ein dendritisches, bezüglich Trennwirkung ungünstiges
Kristallwachstum entsteht, und es wurde vorgeschlagen, dies durch einen von der Flüssigkeitsseite her gegen die
Kristallflächen gerichteten stationären Wärmestrom mit dem damit verbundenen Temperaturgradienten zu
verhindern.
Es wurde auch vorgeschlagen, die Kristallisation an den gekühlten Wänden von Rohren durchzuführen, in
denen die flüssige Phase bei hoher Geschwindigkeit turbulent strömt, und auf diese Weise den effektiven
Verteilungskoeffizienten möglichst nahe an den bestmöglichen Wert zu bringen.
Es ist bei der Röhreneis-Erzeugung bekannt, das zu gefrierende Wasser in Rohren als Rieselfilm auf der
Innenseite des von der metallischen Innenwand aus wachsenden Hohlzylinders aus Eis aufzugeben, ohne
daß dabei eine Stofftrennung angestrebt wird. Die ganzen Eiszylinder werden am Schluß nach dem
Aufschmelzen einer dünnen Eisschicht an der Innenwand der Rohre unter der Wirkung der Schwerkraft in
den Eisbunker entfernt. Ebenfalls wurde schon vorgeschlagen, reine und besonders feinkörnige Salze auf der
Innenseite von vertikalen Rohren in einem Rieselfilm durch Verdampfung des Lösungsmittels aus der
Innenseite des Rieselfilms heraus zu erzeugen.
Schließlich ist auch bei der Züchtung von Einkristallen bekannt, größere Kristalle durch Herabsetzen der
Keimzahl derart zu erzeugen, daß sich die Temperatur-Zeitkurven an einzelnen Punkten des Kristallisationsraumes überschneiden (Temperaturwechselverfahren
zur Kristallzüchtung).
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem eine mehrstufige, fraktionierte Kristallisation in besonders wirtschaftlicher Betriebsweise durchgeführt werden kann, insbesondere auch in großtechnischem Maßstab.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem eine mehrstufige, fraktionierte Kristallisation in besonders wirtschaftlicher Betriebsweise durchgeführt werden kann, insbesondere auch in großtechnischem Maßstab.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fraktionierung in Zyklen
aus jeweils mehreren Stufen derart durchgeführt wird, daß als Schmelzflüssigkeit für die Kristalle aus der Stufe
N die Mutterlauge der Stufe N+1 des vorangegangenen
Zyklus verwendet und die Mutterlauge der Stufe N als Schmelzlösung für die Kristalle der Stufe /V— 1 des
nächsten Zyklus benutzt werden.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn man vor dem Abschmelzen der Kristalle die anhaftende
Mutterlauge durch Abspülen mit einer geringen Menge Ausgangslösung der Stufe N entfernt und das erhaltene
Flüssigkeitsgemisch der Stufe N des nächsten Zyklus zuführt.
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Weiterhin ist es günstig, wenn man die Kristalle der reinsten Stufe einer weiteren Reinigung durch Destillation
oder durch teilweises Abschmelzen unterwirft und den dabei abgetrennten unreineren Teil als Schmelzflüssigkeit
für die reinste Stufe im nächsten Zyklus verwendet.
Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kristallisator mit Behältern
zur Aufnahme der Mutterlaugen der einzelnen Stufen verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kristallisator öffnungen zum
Einleiten und Ablassen der Waschflüssigkeit aufweist und daß Einrichtungen zur Aufnahme und zum
Einpumpen der Waschflüssigkeit in den Kristallisator vorgesehen sind.
Bei der Stofftrennung durch mehrstufige fraktionierte Kristallisation wird eine besonders wirtschaftliche
Betriebsweise dadurch erreicht, daß die einzelnen Kristallisationen in diskontinuierlicher Arbeitsweise
ohne Verwendung von mechanischen Hilfsmitteln, wie Kratzern, Schnecken usw. und ohne spezielle Vorrichtungen
für die Trennung der Kristalle von der Mutterlauge, wie Filter, Zentrifugen usw., bei einer
bestimmten Anordnung und Betriebsweise von Wärmeaustauschflächen derart durchgeführt werden, daß eine
nahe bei der physikalisch gegebenen bestmöglichen liegende Trennwirkung erreicht wird und daß bei
mehrstufiger Durchführung des Verfahrens die einzelnen Stufen in besonderer Weise kombiniert werden.
Es wurde gefunden, daß die Kristallisation an vertikalen, vorwiegend metallischen, von der Rückseite
her gekühlten oder in besonderen Flächen erwärmten Wänden aus der als Rieselfilm aufgegebenen flüssigen
Phase bereits bei viel kleinerem, auf die Breite der Wände bezogenem Flüssigkeitsstrom eine gute Trennwirkung
ergibt, als wenn die Flüssigkeit den ganzen Querschnitt des Flüssigkeitsleiters ausfüllt, z. B. in der
Form einer vollen Rohrströmung. Dies kann wie folgt erklärt werden: Bei gleichem, auf die Breite bezogenem
Flüssigkeitsstrom wird der Rieselfilm bereits turbulent, wenn die den vollen Querschnitt beanspruchende
Strömung noch eine Reynoldszahl von 1600 aufweist, d.h. noch laminar strömt. Während der turbulente
Rieselfilm eine auf die laminare Grenzschicht von wenigen Zehntel Millimeter Dicke beschränkte Diffusionsschicht
aufweist, liegt die Dicke der Diffusionsschicht bei der vollen laminaren Strömung in der
Größenordnung eines Zentimeters. Die bekannte Gleichung für den effektiven Verteilungskoeffizienten
ergibt bei der Rieselfilmströmung bei einer für ein technisches Verfahren notwendigen Kxistallisationsgetchwindigkeit
in der Größenordnung ein Zentimeter pro Stunde und bei einem Diffusionskoeffizienten in der
Flüssigen Phase von der Größenordnung 10-5cm2/sec
einen nahe beim bestmöglichen Wert liegenden Verteilungskoeffizienten, während dieser bei der vollen,
den ganzen Querschnitt des Flüssigkeitsleiters ausfüllenden Strömung nahezu 1 ist, d. h. keine nennenswerte
Trennung zeigt Soll in diesem Fall ebenfalls eine gute Trennung erzielt werden, so muß die Strömung eine
Ihohe Reynoldszahl aufweisen, was besonders bei viskosen organischen Flüssigkeiten große Mengenströime
und hohe Pumpleistung erfordert und damit eine wirtschaftliche Arbeitsweise verunmöglicht
Weiter wurde gefunden, daß bei Rieselfilmen bereits im laminaren Bereich dann eine gute Trennwirkung bei
der Kristallisation erreicht wird, wenn durch das Auftreten von Wellen im äußeren Bereich des Films
eine konvektive Durchmischung stattfindet. Auch hier beträgt dann die Dicke der Diffusionsschicht nur wenige
Zehntel Millimeter, und die T/ennwirkung ist entsprechend gut. Bei dieser Betriebsweise sind die umzuwendenden
Mengen und die Pumpleistung besonders günstig.
Die vertikalen gekühlten oder in besonderen Fällen erwärmten Wände des Kristailisators werden bei einer
ίο bevorzugten Anordnung in der Form einer beliebigen
Anzahl vertikaler, parallel geschalteter Rohre ausgeführt, wobei die zu kristallisierende Flüssigkeit auf der
Innenseite der Rohre oben durch eine Verteilvorrichtung als Rieselfilm aufgegeben wird, während sich im
Mantelraum auf der Außenseite der Rohre das Kühlmittel befindet. Unten am Kristallisator wird ein
Sammeltank für die flüssige Phase direkt angebaut.
Es wurden zwei weitere Anordnungen gefunden, die sich ebenfalls für die Kristallisation bei einem
technischen Verfahren eignen. Die Kristallisation kann im Außenraum eines aus dünnen parallelen Rohren
bestehenden Wärmeaustauschers ausgeführt werden, wobei durch Schikanen eine starke Querströmung
erzwungen wird, oder an einem aus horizontalen Rohren bestehenden Rohrregister, wo die flüssige
Phase als Rieselfilm über die Rohre herunterfließt. In beiden Fällen wird bei der Querströmung um die Rohre
durch Turbulenz eine allgemeine Durchmischung erreicht, während die eigentliche Diffusionsschicht bei
jedem Rohr infolge der laminaren Anlaufströmung sehr dünn ist. Ähnliche Effekte können auch durch gekühlte
oder in besonderen Fällen erwärmte, in Strömungsrichtung versetzt angeordnete kurze Rippen erzeugt
werden.
Es wurde gefunden, daß die Trennwirkung bei der beschriebenen Kristallisation verbessert werden kann,
wenn der im Kreislauf geführten flüssigen Phase vor dem Eintritt in den Kristallisator periodisch kurzzeitig
Wärme zugeführt oder in besonderen Fällen Wärme entzogen wird. Durch diese Maßnahme wird eine
weitgehend ebene Kristallwachstumsfläche erzielt, dendritisches oder unregelmäßiges Wachstum der
Kristalle verhindert und damit der für die Trennwirkung schädliche Einfluß von Mutterlauge weitgehend vermieden.
Es wurde gefunden, daß eine mehrstufige diskontinuierliche Kristallisation besonders einfach in einer
einzigen Vorrichtung derart durchgeführt wird, daß die einzelnen Kristallisationen unter zyklischer Wiederholung,
beginnend mit der die abzutrennende unerwünschte Substanz oder Substanzen in höchster Konzentration
enthaltenden Stufe und fortlaufend bis zu der die gewünschte Substanz in reinster Form enthaltender
Stufe, ausgeführt werden. Die Investitionskosten einei solchen mehrstufigen Anlage sind bedeutend niedriger
als wenn die Kristallisation bei jeder Einzelstufe in eine: eigenen Vorrichtung erfolgt. Bei der angegebenei
Arbeitsweise ist es nicht notwendig, die Vorrichtun; einmal pro Zyklus zu reinigen. Voraussetzung dafür is
allerdings, daß sich die Vorrichtung nach dem öffnei der Ablaßventile vollständig von flüssiger Phasi
entleert Die geringen, an den Flächen haftende: Flüssigkeitsreste ergeben bei der Kristallisation in de
nächstreineren Stufe nur eine geringe Verunreinigunj während der Schritt von der »reinsten« Stufe zu
»unreinsten« am Ende des Zyklus keine Beeinträcht gung der Trennwirkung verursacht.
Zweckmäßig wird die Stofftrennung durch mehrstuf
Zweckmäßig wird die Stofftrennung durch mehrstuf
ge fraktionierte Kristallisation in einer einzigen Vorrichtung, die — in einen Flüssigkeitskreislauf
geschaltet — einen Kristallisator mit unten angebautem Sammeltank, einen Zwischentank für Waschflüssigkeit,
eine Umwälzpumpe und einen Heizer enthält sowie einen Zufuhrtank zu jeder Stufe, einen Zwischentank für
Mutterlauge und einen Zwischentank für Reinprodukte aufweist, welche über eine Zufuhrpumpe oder eine
Entleerungsleitung mit dem Flüssigkeitskreislauf in Verbindung gebracht werden können, derart ausgeführt, ι ο
daß das Verfahren mehrstufig zyklusweise abläuft, indem die einzelnen Stufen der Kristallisation nacheinander
in Richtung größerer Reinheit des gewünschten Verfahrensproduktes fortschreiten bis zum Erreichen
der gewünschten Reinheit, v/obei jede dieser Einzelkristallisationen aus der Kristallbildung in einem Kristallisator,
z. B. an vertikalen Wänden, über welche die zu kristallisierende Flüssigkeit in Form eines Rieselfilms
strömt, oder an den Außenflächen eines quer durchströmten Rohrregisters unter Wärmeabfuhr, in besonderen
Fällen Wärmezufuhr, durch die Wände des Kristallisators bei Betrieb des Flüssigkeitskreislaufes
und bei periodischer kurzzeitiger Wärmezufuhr, in besonderen Fällen Wärmeabfuhr, im Heizer, aus dem
Entleeren der Mutterlauge in den Zufuhrtank zur vorangehenden Stufe oder in den Zwischentank für
Mutterlauge, aus dem Waschen der Kristalloberfläche mit der im Zwischentank für Waschflüssigkeit gespeicherten
Teilmenge der zu Beginn der Kristallisation vorliegenden flüssigen Phase bei Betrieb des Flüssigkeitskreislaufes
und bei kurzzeitiger Wärmezufuhr, in besonderen Fällen Wärmeabfuhr, im Heizer, aus dem
Entleeren der Waschflüssigkeit in den Zufuhrtank zur gleichen Stufe, und aus dem Einpumpen der Flüssigkeit
des Zufuhrtanks zur nächsten Stufe oder des Zwischentanks für Reinprodukt in den Flüssigkeitskreislauf und
Auflösen des Kristallisates bei Betrieb des Flüssigkeitskreislaufes durch Wärmezufuhr, in besonderen Fällen
Wärmeabfuhr, im Heizer besteht.
Als Beispie! wird ein Stoffgemisch gewählt, bei dem im ganzen, bei der Trennung auftretenden Konzentrationsbereich
die Kristallisation bei Kühlung durch gewöhnliches Kühlwasser möglich ist. Es wird ein
Kristallisator mit vertikalen Rohren beschrieben.
In der Zeichnung ist eine zehnstufige Kristallisationanlage
als Beispiel dargestellt.
Die folgende Beschreibung umfaßt einen sich über alle Stufen erstreckenden Kristalüsationszyklus. Weitere
solche, gleicht unmittelbar aufeinanderfolgende Zyklen bilden den gesamten Verfahrensablauf.
Jeder Kristallisationszyklus beginnt beim normalen stationären Betrieb mit einer bei jeder Einzelstufe in
gleicher Weise durchgeführten Einzelkristallisation. Begonnen wird bei der das gewünschte Produkt in
kleinster Konzentration enthaltenden Stufe, und die Kristallisationen werden stufenweise bis zu der das
Reinprodukt liefernden Stufe fortgesetzt. Am Schluß des Kristallisationszyklus werden einige, nur einmal pro
Zyklus notwendig«; Operationen durchgeführt, worauf ein neuer Kristallisationszyklus beginnt
Die nachstehend für die Stufe N beschriebene Einzelkristallisatio:n wird, wie bereits erwähnt, bei allen
Stufennummern gleich durchgeführt:
Beginn: Die gesamte an der Kristallisation der Stufe N teilnehmende Substanz befindet sich als Flüssigkeit
im Kreislaufsystem und zirkuliert bei eingeschalteter Umwälzpumpe D und abgeschalteter Kühlung im
Kristallisator A sowie bei abgestellter Heizung im Heizer B vom Sammeltank des Kristallisators A über
die Umwälzpumpe D und den Heizer B in den Kopf des Kristallisators und von dort über die Kristallisatorflächen
zurück in den Sammeltank. Der Zwischentank für die Waschflüssigkeit E ist durch eine Teilmenge der
flüssigen Phase gefüllt und jetzt durch Ventile abgesperrt. Das Kühlmittel strömt vom Kühlmitteltank
/ über die Umwälzpumpe K in den Kreislaufkühler H und von dort über eine Entlastungsleitung wieder
zurück in den Kühlmitteltank /.
Kristallisation: Durch Schließen der Entlastungsleitung wird der Kühlmittelstrom zum Kristallisator A
geleitet. Das auf der Außenseite der Kristallisatorrohre als Rieselfilm herabströmende Kühlmittel erzeugt auf
der Innenwand aus der dort ebenfalls als Rieselfilm herabfließenden flüssigen, zu kristallisierenden Phase
durch starke Unterkühlung lokale Kristallisationszentren, die zu einem zusammenhängenden Film wachsen.
Nach Beginn der Kristallisation wird das Kühimittel im Bypass im den Kreislaufkühler H geführt, bis es sich auf
die für die Kristallisation normale Temperatur erwärmt hat. Nachher wird bei teilweisem Führen durch den
Kreislaufkühler H eine konstante Kristallisationsgeschwindigkeit geregelt. Während der Auslösung und
Durchführung der Kristallisation wird der umgepumpten flüssigen Phase im Heizer B periodisch während
kurzer Zeit Wärme zugeführt. Die jeweils kurzzeitig auf der wachsenden Kristallschicht herunterfließende warme
Flüssigkeit schmilzt vorstehende Kristalle bevorzugt ab und erzeugt dadurch eine zur Rohrfläche parallele
Kristallwachstumsfläche, wodurch Einschlüsse von Mutterlauge vermieden werden. Vor Ende der Kristallisation
wird das Kühlmittel durch öffnen der Entlastungsleitung wieder vom Kristallisator ferngehalten
und die Kristallisation mit der latenten Unterkühlung der Kristallschicht bis zum weitgehenden Temperaturausgleich
mit der flüssigen Phase zu Ende geführt.
Ablassen der Mutterlauge: Nach dem Abstellen der Umwälzpumpe D und dem öffnen der entsprechenden
Ventile wird die Mutterlauge aus dem Flüssigkeitskreislauf in den Zufuhrtank zur Stufe N-1 derart abgelassen,
daß der größte Teil der Mutterlauge von der Kristalloberfläche abfließen kann.
Waschen der Kristalloberfläche: Die im Zwischentank für Waschflüssigkeit befindliche Flüssigkeit von
den zu Beginn der Kristallisation vorliegenden Konzentration wird durch die Umwälzpumpe D über den
Heizer B im Kristallisator A als Rieselfilm aufgegeben. Durch Wärmezufuhr im Heizer B werden die auf der
Kristalloberfläche haftenden Reste an Mutterlauge abgewaschen und ein Teil der Kristalle abgeschmolzen.
Ablassen der Waschflüssigkeit: Nach dem Abstellen der Umwälzpumpe D und dem öffnen der entsprechenden
Ventile wird die Waschflüssigkeit aus dem Flüssigkeitskreislauf in den Zufuhrtank zur Stufe N
abgelassen.
Abschmelzen des Kristallisates: Der Inhalt des Zufuhrtanks zur Stufe N+1 wird durch die Zufuhrpumpe
C in den Flüssigkeitskreislauf gepumpt Nach dem Einschalten der Umwälzpumpe D wird die Kristallschicht
durch Wärmezufuhr im Heizer B durch die warme Flüssigkeit des Rieselfilmes bis zur Rohrinnenwand
abgeschmolzen. Das Flüssigkeitsniveau im Sammeltank des Kristallisators steigt während des Abschmelzens
dauernd an. Sobald die Steiggeschwindigkeit gegen Null geht oder die Temperatur ansteigt, ist
das Abschmelzen beendet Während des ganzen Abschmelzvorganges sind die zwei Ventile zum
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Zwischentank für die Waschflüssigkeit geöffnet. Am Ende des Abschmelzens werden sie bei gefülltem Tank
geschlossen.
Ende: Es ist wieder der gleiche Zustand wie zu Beginn der Einzelkristallisation N erreicht. Es folgt unmittelbar
die Einzelkristallisation N+1.
Nach Beendigung aller Einzelkristallisationen werden am Ende des Kristallisationszyklus folgende Operationen
durchgeführt:
Entleeren des Mutterlaugetanks F. Der Inhalt wird vorteilhafterweise einer vorgeschalteten Reinigungsstufe
oder einer Destillation zur Aufarbeitung zugeführt.
Abstellen der Umwälzpumpe D. Entleeren des gesamten Inhalts des Flüssigkeitskreislaufes inklusive
Zwischentank für Waschflüssigkeit zuerst bis zum i.s Erreichen der Normalmarke in den Zufuhrtank zur
letzten Stufe und dann über den Zwischentank für das Reinprodukt G in den Reinprodukttank. Die beim
nächsten Kristallisationszyklus für das Auflösen des letzten Kristallisates benötigte Flüssigkeitsmenge wird
dabei automatisch im Zwischentank für Reinprodukt G gespeichert.
Einpumpen des Inhalts vom Zufuhrtank zu Stufe 1 durch die Zufuhrpumpe C in den Flüssigkeitskreislauf
bei geöffneten Ventilen zum Zwischentank für die Waschflüssigkeit £
Einschalten der Umwälzpumpe D und Schließen der Ventile zum Zwischentank für die Waschflüssigkeit E
Damit ist das Ende des Kristallisationszyklus erreicht. Der nächste Kristallisationszyklus kann unmittelbar mit \o
der ersten Einzelkristallisation beginnen.
Verfahrensvarianten
a) Bei tief liegendem Kristallisationspunkt der zu kristallisierenden Substanz muß die Kristallisationswärme
mittels einer Kälteanlage abgeführt werden. Dabei läßt sich zur Reduktion der Energiekosten folgende
Schaltung anwenden:
Der Kristallisator A wird entweder direkt durch das Medium der Kälteanlage gekühlt (Dampfentnahme aus
dem Mantelraum des Kristallisators) oder durch Einbau des Kältemittelverdampfers in den bereits beschriebenen
Kühlkreislauf. Die im Kondensator der Kälteanlage entstehende Wärme wird in einem Heizmitteltank
teilweise gespeichert und im Heizer B während der Kristallisation und während des Abschmelzens des
Kristallisates zu Heizzwecken ausgenützt. Die überschüssige Wärme (in der Größenordnung der Motorenenergie
der Kälteanlage) wird durch gewöhnliches Kühlwasser oder in extremen Fällen mittels einer
zweiten Kälteanlage abgeführt.
b) Bei einem wesentlich über 100'1C liegenden
KristalHsationspunkt der zu kristallisierenden Substanz kann die Kristallisationswärme im Kreislaufkühler H
oder im Kristallisator A durch Verdampfen des Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, abgeführt werden.
Der Dampf kann an anderen Orten zur Wärmeerzeugung verwendet werden.
c) Das Auslösen der Kristallisation durch spontane Keimbildung bei der Zufuhr des Kühlmittels besonders
tiefer Temperatur kann auch bei abgestellter Kreislaufpumpe D durchgeführt werden. Die spontane Kristallbildung
erfolgt dann in dem noch an der Wand haftenden, vom Aufschmelzen des vorangehenden
Kristallisates stammenden dünnen Flüssigkeitsfilm. Die Kristallisation erfolgt anschließend in normaler Weise,
nachdem das Kühlmittel auf die höhere, bei Kristallisationsbeginn normale Temperatur gebracht wurde.
Vorteile des Verfahrens:
Es kann sowohl aus einer Lösung wie aus einer Schmelze kristallisiert werden. Insbesondere die großtechnisch,
bisher als schwierig erachtete mehrstufige Kristallisation aus der Schmelze ist in einfacher Weise
durchführbar. Diese Arbeitsweise eignet sich besonders für die Endreinigung von Substanzen, die beim
Schmelzpunkt thermisch stabil sind, und kommt damit für eine große Gruppe von Stoffen in Frage.
Es kann in großtechnischem Maßstab eine mit dem Zonenschmelzen vergleichbare Reinheit von Substanzen
erzeugt werden. Die gewählte Methode mit gerichteter Kristallisation ist bezüglich Trennwirkung
pro Einzeloperation dem Zonenschmelzen wesentlich überlegen.
Die Reinigung von Substanzen erfolgt im Gegensatz zu vielen Anwendungen des Zonenschmelzens bei
bester Ausbeute.
Da die allgemeine Vorrichtung im wesentlichen nur aus Behältern und Wärmeaustauschflächen aufgebaut
ist und die mehrstufige Durchführung des Verfahrens in einer einzigen Vorrichtung erfolgt, weist das Verfahren
besonders niedrige Investitionskosten auf. Da diese bei Stofftrennungen einen wesentlichen, in vielen Fällen
den Hauptteil der gesamten Trennkosten ausmachen, bietet die Anwendung des beschriebenen Verfahrens
besonders wirtschaftliche Vorteile.
Die Energiekosten bei der Durchführung des Verfahrens sind besser oder gleich denjenigen der
bekannten Verfahren. Die infolge des guten Trenneffektes der Einzelstufen sowie der optimalen diskontinuierlichen
Betriebsweise mehrerer Stufen vergleichsweise kleinen Energiekosten werden durch die erfindungsgemäß
während der Kristallbildung für die Beeinflussung der Kristalloberfläche benötigte Energie wieder etwas
vergrößert.
Das Verfahren kann durch Anwendung eines einfachen Steuerwerkes für den Normalbereich voll
automatisiert werden. Einen besonderen Vorteil bei der Steuerung bildet die Tatsache, daß bei der Kristallisation
aus einem Rieselfilm die Menge der bereits kristallisierten Substanz jederzeit aus dem Stand der
flüssigen Phase im Sammeitank des Kristallisators bestimmbar ist. Das gleiche gilt beim Aufschmelzen des
Kristallisates.
Da außer Pumpen und Ventilen keine mechanisch betätigten Elemente verwendet werden und da keine
Feststoffe mechanisch abgeschieden oder transprotiert werden, weist eine nach dem Verfahren arbeitende
Anlage eine hohe Betriebssicherheit auf.
Das Aufschmelzen des Kristallisates mit dem Inhalt des Zufuhrtanks zur neuen Stufe erfolgt bei bestem
Wärmeübergang aus dem Rieselfilm und benötigt deshalb nur sehr wenig Zeit. Das normalerweise
langsame Auflösen in einem Schmelztank wird vermie den.
Die aufeinanderfolgenden einzelnen Kristallisationer erfolgen beim erfindungsgemäßen Verfahrensablau
ohne Entleeren und Wiederauffüllen der Vorrichtung Durch diese Maßnahme wird bedeutend Zeit gespart
Da bei der periodischen Wärmezufuhr im Heize während der Kristallisation nicht alle Wärme sofort in
Rieselfilm an die Wand abgeführt wird, hat die gesamt« flüssige Phase eine etwas über der Kristallisationstem
peratur liegende mittlere Temperatur. Die unerwünsch te Keimbildung in der flüssigen Phase während de
Kristallisation wird dadurch unterdrückt.
O £Äft
Beispiel (Einstufige Kristallisation)
Als Ausgangsstoff für einen einstufigen Kristaüisationsvorgang
verwendet man 1200 g einer Schmelze aus technisch reinem Naphthalin, worin 1 g Methylviolett
zur Markierung gelöst wird. Eine 180 l/h fördernde Pumpe transprotiert die Schmelze aus einem Reservoir
zum oberen Ende eines vertikalen Metallrohres von 2 m Länge und 25 mm Innendurchmesser, wo sie auf die
Innenwand als Rieselfilm aufgegeben wird. Vom unteren Ende des Rohres fließt die Flüssigkeit wieder
zum Reservoir zurück. Die Außenseite des Rohres besteht aus einem Doppelmantel, der von einem
Thermostaten aus temperiert wird. Im Schmelzekreislauf ist ein Heizelement mit 330 Watt Leistung
eingebaut. Durch eine weitere elektrische Beheizung werden die Wärmeverluste des Kreislaufes kompensiert.
Zu Beginn der Kristallisation ist die Temperatur im Kreislauf und im Doppelmantel 88°C. Nun wird im
letzteren die Temperatur rasch auf 48°C gesenkt, dann während 2 Minuten kontinuierlich wieder auf 72°C
erhöht und anschließend während 4 Minuten auf diesem Wert belassen. Dann senkt man die Temperatur im
Doppelmantel während 14 Minuten bis zum Ende der Kristallisation auf 40°C. Die Temperatur der Schmelze
im Kreislauf senkt sich während der ersten 2 Minuten der Kristallisation auf 81°C und bleibt nachher konstant.
Während der ganzen Kristallisation wird das Heizelement jeweils während 20 Sekunden pro Minute mit
voller Leistung eingeschaltet.
Nach Beendigung der Kristallisation wird die flüssige Phase abgelassen und anschließend das Kristallisat
durch Erwärmen des Rohres abgeschmolzen. Es fallen 800 g eines Produktes mit einer Methylviolett-Konzentration
von einem Achtel der Ausgangskonzentration an, während die 400 g abgetrennte Flüssigkeit entsprechend
konzentrierter an Methylviolett waren. Während der ganzen Kristallisation besteht die umlaufende
Flüssigkeit aus einer rein flüssigen Phase.
Beispiel (Mehrstufige Kristallisation)
Mit dem gleichen Ausgangsstoff und in der gleichen Anlage wie in Beispiel 1 wird eine fünfstufige Kristallisation
durchgeführt, wobei die Kristal'isationsvorgänge der einzelnen Stufen wie in Beispiel 1 erfolgen.
Während des Anfahrens werden die Zufuhrtanks zu jeder Stufe mit 400 g Naphthalin mit einem der
jeweiligen Stufe entsprechenden Gehalt an Methylviolett beschickt. Anschließend beginnt die normale
Betriebsweise. Dabei wird jeder Kristallisationszyklus von der Stufe I wehster Farbstoffkonzentration (Stufe 1)
bis zur Stufe geringster Farbstoffkonzentration (Stufe 5) durchlaufen. Nach der Kristallisation in jeder Stufe
werden die verbleibenden 400 g Schmelze in den Zufuhrtank zur vorangehenden Stufe abgelassen. Dann
erfolgt die Zufuhr von 400 g Schmelze aus dem Zufuhrgefäß der nächstfolgenden Stufe. Die Schmelze
wird im Kreislauf umgepumpt und durch Wärmezufuhr im Heizelement das im Rohr befindliche Kristallisat
abgeschmolzen. Unmittelbar anschließend löst man die Kristallisation der nächsten Stufe durch Senken der
Temperatur im Doppelmantel in gleicher Weise wie in Beispiel 1 aus und führt sie auch analog durch.
Der Stufe 1 werden 100 g des abgeschmolzenen Kristallisates als verunreinigtes Endprodukt entnommen.
Die restlichen 300 g leitet man in den Zufuhrtank zurück in die Stufe 1 und ergänzt noch mit 500 g des
Ausgangsstoffes für den nächsten Kristallisationszyklus.
Nach der Kristallisation der Stufe 5 und dem Ablassen der Schmelze werden aus einem Reservoir
400 g geschmolzenes Endprodukt wieder der Stufe 5 zugeführt und damit das Kristallisat aufgeschmolzen
800 g dieser gemeinsamen Schmelze leitet man in das Reservoir für das Endprodukt, während die restlichen
400 g wieder in den Zufuhrtank der Stufe 5 zurückgeführt werden.
Nach mehreren derart durchgeführten Kristallisationszyklen werden in den einzelnen Stufen praktisch
stationäre Konzentrationen erreicht.
In den darauffolgenden Kristallisationszyklen kanr man jeweils 500 g Ausgangsstoff und 100 g Naphthalir
mit einem hohen Gehalt an Methylviolett und 400 g reines weißes Naphthalin auftrennen, wodurch sogai
der leichte Gelbstich des Naphthalinausgangsstoffei beseitigt wurde.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
2640
Claims (5)
1. Verfahren zur Stofftrennung aus einem flüssigen Gemisch durch fraktionierte Kristallisation,
bei welchem das flüssige Gemisch wiederholt in turbulenter Strömung über indirekt gekühlte Kristallisierflächen
geführt und die abgeschiedene Kxistallschicht nach Erreichen einer bestimmten
Dicke abgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fraktionierung in Zyklen aus jeweils mehreren Stufen derart durchgeführt wird,
daß als Schmelzflüssigkeit für die Kristalle aus der
Stufe (N) die Mutterlauge der Stufe (N+1) des vorangegangenen Zyklus verwendet und die Mutterlauge
der Stufe (N) als Schmelzlösung für die Kristalle der Stufe (N-1) des nächsten Zyklus
benutzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Abschmelzen der
Kristalle die anhaftende Mutterlauge durch Abspülen mit einer geringen Menge Ausgangslösung der
Stufe (N) entfernt und das erhaltene Flüssigkeitsgemisch der Stufe (N) des nächsten Zyklus zuführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kristalle der reinsten
Stufe einer weiteren Reinigung durch Destillation oder durch teilweises Abschmelzen unterwirft und
den dabei abgetrennten unreineren Teil als Schmelzflüssigkeit für die reinste Stufe im nächsten Zyklus
verwendet
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus einem
Kristallisator mit Einrichtungen zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilmes, mindestens einer den
Flüssigkeitsfilm tragenden Wand, öffnungen zum Einleiten und Ablassen des Gemisches und Einrichtungen
zur Temperaturänderung der Wand, zur Durchführung der Kristallisation und des Abschmelzvorganges
und zur Steuerung dieser Vorgänge, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallisator
mit Behältern zur Aufnahme der Mutterlaugen der einzelnen Stufen verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallisator öffnungen zum
Einleiten und Ablassen der Waschflüssigkeit aufweist und daß Einrichtungen zur Aufnahme und zum
Einpumpen der Waschflüssigkeit in den Kristallisator vorgesehen sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8235 | Patent refused |