DE1794084B2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen gewinnen von kristallen aus einer schmelze oder loesung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gewinnen von Kristallen aus einer Schmelze oder Lösung durch indirekte Kühlung mit einer geschlossenen Rohrschleife mit. einer oder mehreren Kühlzonen, mit Schabeeinrichtungen in den Kühlzonen und mindestens einer Transporteinrichtung für den umlaufenden Kristallbrci.

In der chemischen Technik wird häufig die Aufgabe gestellt, eine aus einer kristallisierbaren Substanz bestehende Schmelze durch Abkühlen in den kristallinen Zustand zu überführen, wobei meist noch gefordert wird, daß die entstehenden Kristalle eine bestimmte, möglichst einheitliche Korngröße aufweisen sollen.

Kommt es auf die Korngröße sowie Korngrößenverteilung nicht an und liegt eine Schmelze vor, die beim Abkühlen mit Sicherheit ohne Rest in Feststoff übergeführt werden kann, so ist es in vielen Fällen wirtschaftlich am günstigsten, die AbkühJung der Schmelze mit Hilfe einer Kühlwalze durchzuführen. Zum fraktionierten Ausscheiden von Kristallen aus Mehrstoffsystemen sind Kühlwalzen jedoch nicht geeignet. Zur Lösung derartiger Aufgaben ist es bekannt, die zu verarbeitende Schmelze oder Lösung kontinuierlich durch einen Wärmeaustauscher zu

ίο führen, der beispielsweise die Gestalt eines Rohres haben kann, welches von außen gekühlt wird. Durch geeignete Vorrichtungen im Innern des Wärmeaustauschers ist dafür zu sorgen, daß die Kristalle, die sich vorwiegend an der Wand des Wärmeaustauschers absetzen, dort kontinuierlich entfernt und in axialer Richtung des Wärmeaustauschers weiter gefördert werden. Diese Vorrichtungen haben z. B. die Form einer Transportschnecke, deren Wendel bis an die innere Oberfläche des Wärmeaustauschers reichen. Besser geeignet zur Aufrechterhaltung eines guten Wärmeüberganges durch Entfernung der entstandenen Kristalle von der Kühlwand sind im allgemeinen in geeigneter Weise an einer umlaufenden Welle angebrachte Schaber, wobei die Welle mit den Schabern über die gesamte Länge des sogenannten Kratzkühlers geht. Wird die Schmelze bzw. die zu kristallisierende Lösung durch den Kühler im geraden Durchgang gefahren, sind im allgemeinen günstige Kristallisationsbedingungen, wie gleichmäßige Endtemperatur des Kristallbreis, gleichmäßige Feststoffkonzentration und ein Kristallisat mit einheitlicher Korngrößenverteilung, wie e^ für die nachfolgende Trennung des Kristallisates von der Mutterlauge erwünscht ist, nur sehr schwer zu erreichen.

Zur Erzielung eines möglichst einheitlichen und groben Kristallkorns bei der Kristallisation ist es erforderlich, daß ein guter Wärmetausch innerhalb des Kristallbreis gewährleistet ist. Weiterhin muß die zu kristallisierende Schmelze bzw. Lösung genügend Verweilzeit während der Kristallisation haben, und es muß bereits bei Beginn der Kristallisation eine genügend große Anzahl von Impfkristallen vorhanden sein. Es sind daher Verfahren bekannt, bei denen dafür gesorgt wird, daß der zu verarbeitende Stoff an den Eintrittsstellen in den Wärmeaustauscher in starkem Maße in Umfangsrichtung des Wärmeaustauschers umgewälzt wird. Hierdurch wird erreicht, daß das frisch in die Vorrichtung eingebrachte Gut aufs innigste mit den bereits in der Vorrichtung vorhandenen Kristallen vermischt wird. Es ist ferner bekannt, die Kristallisation in Kratzkühlern in der Weise durchzuführen, daß das die Kühlzone verlassende Kristallbreigemisch mit einer Transporteinrichtung, z. B. mit einer Pumpe, über eine geschlossene Rohrschleife mit einem kleineren Durchmesser als der der Kühlzone wieder zum Eingang des Kühlers zurückgeführt wird, wobei ein dem eingesetzten Frischprodukt entsprechender Anteil des Kristallbreis aus dem System ausgetragen wird. Das Frischprodukt wird hierbei in den umlaufenden Strom des Kristallbrcis eingespeist, so daß eine genügende Anzahl von Kristallkeimen gewährleistet ist (USA.-Palentschriften 2 032 201, 3 222 880).

So vorteilhaft die bisher bekanntgewordenen Systeme in zahlreichen Fällen auch sein mögen, so hat sich bei ihrem praktischen Gebrauch doch immer wieder ergeben, daß die wirklich vollständige Be-

herrschung des Kristallisationsvorganges in ihnen die Schaber tragenden Welle angeordnet sind, vererhebliche Schwierigkeiten macht. Häufig kommt es wendet werden. Durch die erfindungsgemäße Anvor, daß die gesamte Vorrichtung zufriert. Auch er- Ordnung von Schabern und Fördereinrichtungen fordern die bekannten Vorrichtungen in der Regel wird eine zusätzliche Umlaufpumpe erspart. Weiterzusätzliche Pumpen zum Weiierfördem des fertig 5 hin wird hiermit die Anzahl der Stopfbuchsen für die durchkristallisierten Stoffes, die im besonderen Maße Abdichtung der beweglichen Teile auf ein Mindestder Gefahr des Zufrierens und der Verstopfung aus- maß beschränkt, was sich besonders vorteilhaft bei gesetzt sind. Schließlich gelingt es mit den bekannten der Kristallisation bei höheren Temperaturen und Vorrichtungen nur in einigen Fällen, ein weitgehend von aggressiven Substanzen auswirkt,
gleiches Kristallkorn zu erzielen, eine Schwierigkeit, io Es kann zweckmäßig sein, den ersten Teil des die um so größer wird, je größer der gewünschte Kristallisatorrohres nicht gekühlt, sondern adia-Korndurchmesser ist. batisch zu betreiben. Weiter wird vorgeschlagen, die

Bei diesem Stande der Technik bestand die Auf- Kühlzone des Kristallisierrohres gegenüber der Eingabe, eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ge- mündungsstelle der Zuführleitung in Strömungswinnen von Kristallen aus einer Schmelze oder 15 richtung des Gutes zu versetzen. Die Länge dieser Lösung durch indirekte Kühlung zu finden, bei der nicht gekühlten Zonen kann selbstverständlich den es einerseits weitgehend sicher ist, daP Verstopfungen zu verarbeitenden Produkten angepaßt werden. Sie der Apparatur vermieden werden, und weiche es beträgt im allgemeinen etwa 5 bis 25 % der gesamten andererseits gestattet, ein Kristallgut weitgehend Kühlrohrlänge. In Abhängigkeit von der Kristalligleichförmiger Zusammensetzung auch bei großem 20 sationsgeschwindigkeit kann es ferner zweckmäßig kristalldurchmesser zu erzeugen. sein, den letzten Teil des Kratzkühlcrs ebenfalls als

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- nicht gekühlte Zone auszubilden, um dem zu löst, daß die Rohrstücke (10) zwischen den Kühl- kristallisierenden Produkt noch ein Nachkristallizonen mindestens den gleichen Durchmesser wie die- sierer bis zur Einstellung des Kristallisationsgleichjenigen innerhalb der Kühlzonen aufweisen und daß 25 gewichtes zu ermöglichen. Die nicht gekühlten Vordie Einrichtungen zum Abschaben der Kristalle (2, und l.ndzonen können z. B. mit Hilfe von an die 12) von der Wand der Kühlzonen und zum Fördern Kühlzonen ausgebauten Rohrstücken in vorbestimmdes Kristallbreis (4, 13) auf einer gemeinsamen ter Länge geschaffen werden. Dabei kann der Durch-Welle (5, 14) angeordnet sind. Es ist von Vorteil, die messer dieser Zonen unterschiedlich von dem der Durchmesser der Wärmeaustauschrohre groß zu 30 Kühlzonen sein, er soll aber mindestens gleich dem machen, wodurch in Verbindung mit der stets der Kühlzonen sein. Diese Maßnahmen tragen zur kreisenden, sich bereits im Gleichgewichtszustand Vereinheitlichung des Kristallspektrums sowie zur befindenden Schmelze die Gefahr des Zufrierens Vergrößerung der entstehenden Kristalle bei. Um die sehr gerint, wird. Dabei wird das Gleichgewicht zwi- Vorrichtung gegebenenfalls unterschiedlichen Stoffen sehen Schmelze und Kristallen durch die Zuführung 3,^r> und Stoffsystemen anpassen zu können, kann es der verhältnismäßig geringen Menge an Frischgut vorteilhaft sein, daß das Kristallisierrohr zwischen nur wenig gestört. Es kann so die Strömungs- der Einmüdungsstelle der Zuführleitung und dem geschwindigkeit für den Kristallbrei wesentlich ge- Anfang der Kühlzone einen Flansch zum Zwischenringer gehalten werden, als sonst üblich, ohne daß schalten von Verlängerungsstücken wahlweiser Länge ein Absetzen der Kristalle von der verbleibenden 4° aufweist.

Mutterlauge erfolgt. Als vorteilhaft hat es sich er- Die erfindungsgemäße Konzeption gestattet es, wiesen, das Volumen der dem Kreislauf kontinuier- daß auch die den Kreislauf schließende Rückleitung lieh zugeführten Masse so zu dosieren, daß es etwa ein Kristallisierrohr ist, also ein rohrförmiger Wärme-''.K) bis V'2. vorzugsweise V10 bis ¹Zr, des in der austauscher mit Kühlmantel, der ähnlich gebaut ist gleichen Zeit im Kreislauf umlaufenden Volumens 45 wie der zuerst erwähnte. Falls es das Produkt erbeträgt. Wenn die Anteile an auskristallisierender fordert, können auch mehr als zwei Kristallisierrohrc Substanz im zugeführten Frischprodukt sehr hoch vorhanden sein, von denen jeweils das Austrittsende sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, der im des vorhergehenden Rohres mit dem Eintrittsende Kreislauf geführten Masse in Abhängigkeit von der des nachfolgenden Rohres und zur Schließung des Kristallkonzentration in bekannter Weise Ver- 50 Gutkrcislaufes das Austrittsende des letzten Rohres dünnungsmittel, vorzugsweise bereits von den mit dem Eintrittsende des ersten Rohres über eine Kristallen abgetrennte Mutterlauge, zuzusetzen. Von Rohrleitung großen Querschnitts verbunden ist. In Vorteil ist ferner, daß der Durchmesser des Kratz- diesem Fall muß es nicht unbedingt erforderlich sein, kühlers und damit das Verhältnis von Volumen zu jeder Schabeeinrichtung eine Fördereinrichtung zu-Kühlfläche des Kühlers jeweils der zu kristallisieren- 55 zuordnen.

den Substanz angepaßt werden kann. So erfordern Um eine genaue Dosierung der zugesetzten Fiisch-

z. B. langsam kristallisierende Substanzen eine ver- gutmenge sowie der entnommenen Fertiggutmenge

hültnismäßig große Vciwcilzeit, so daß in diesem zu bewirken, können in der Zuführleitung oder der

Fall ein möglichst hohes Verhältnis von Volumen zu Entnahmeleitung Mengenregler an sich bekannter

Kühlfläche angestrebt werden muß. 60 Bauart angeordnet werden. Für einen sicheren

Zum Transport des Kristallbreigemisches ist z. B. Betriebszustand des Kratzkühler und um die geeine um der Schaberwelle befindliche Schnecke ge- wünschte Ausbeute an Krislallisat zu erhalten, sind eignet. Die Schnecke braucht dabei nicht in einem die erforderliche Endtemperatur des Krislallbreis Stück über die gesamte Länge des Kratzkühlers an- und der Kristallbrcigehalt genau einzuhalten. Die geordnet zu sein, sondern kann auch in Einzel- G5 Bestimmung der Kristallbreikonzentration kann z. B. abschnitte unterteilt sein. Mit gleichem Erfolg kön- durch eine kontinuierliche Viskositätsmessung im nen auch propellerartige Einbauten, die in ent- umlaufenden Kristallbreistiom am Ausgang der, sprechendem Abstand über die gesamte Länge der Kühlers oder direkt durch die Leistungsaufnahme

des Motors erfolgen. Dies kann ζ. Β. so geschehen, daß im Stromkreis wenigstens eines der Antriebselektromotoren ein Stromstärke- oder Leistungsmesser angeordnet ist, der zur Anzeige der Gutzähigkeit dient und der mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Frischgutmenge bzw. der rückgeführten Mutterlauge, der Frischguttemperatur und/ oder der Kühlwassertemperatur und/oder der Kühlwassermenge verbunden ist. Diese Regelung ist möglich, da der Widerstand, den die sich drehende Förderschnecke in der Kristallmasse findet, um so größer ist, je höher der Feststolfanteil in ihr ist. Hiermit steigt aber auch die Stromaufnahme des Antriebsmotors, eine Größe, die leicht gemessen und zu Regelzwecken herangezogen werden kann.

An einer geeigneten Stelle des Gutkreislaufes, vorzugsweise an der vom Guteintrittsende in Richtung des Umlaufes möglichst entfernt liegenden Stelle, wird eine der Guteintrittsmenge entsprechende Menge des durchkristallisierten Produkts entnommen. Der dem Kühlsystem nachgeschalteten Trennungseinrichtung für Kristallisat von der Mutterlauge, z. B. einer Zentrifuge, wird der Kristallbrei mit einem Feststoffgehalt zugeführt, der durch die Betriebsbedingungen des Kristallisators festgelegt ist. Der Feststoffgehalt beträgt im allgemeinen nicht wesentlich mehr als 40 Gewichtsprozent. Besonders bei hohen Gehalten des Einsatzprodukts an kristallisierbarer Komponente muß daher ein erheblicher Teil der Mutterlauge nach der Abtrennung vom Kristallisat zur Einstellung des Kristallbreigehaltes wieder dem Kristallisator zugeführt werden. Hierdurch wird die Trenneinrichtung zusätzlich belastet, und da die rückgeführte Mutterlauge häufig zur Vermeidung von Verstopfungen der Rückführleitungen durch Auskristallisieren auf eine höhere Temperatur als die Kristallisationstemperatur erwärmt werden muß, ist im Kühlsystem eine zusätzliche Wärmeabführung erforderlich. Diese Nachteile können vermieden werden, wenn man im Ausgangsteil des Kühlsystems eine vorzugsweise konische Förderschnecke anbringt und diese mit einem perforierten Mantel umgibt, der für die Mutterlauge durchlässig ist. den Kristallen jedoch keinen Durchgang gewährt. Es gelingt so, beim Austrag des Kristallbreis aus dem Kühlsystem die Mutterlauge weitgehend von den Kristallen zu trenen. Die abgepreßte Mutterlauge kann direkt, gegebenenfalls auch mit Hilfe einer Pumpe, ohne wesentliche Veränderung der Temperatur ganz oder teilweise in den Kreislaufstrom des Kristallisators geführt werden. Hierbei kann gegebenenfalls die Preßschnecke für den Kristallbrei auf der gleichen Antriebswelle befestigt sein, die für den Transport des Kristallbreis durch den Kristallisator und für das Abschaben der Kristalle von der Kühlfläche verwendet wird. Das Kristallisat wird dann vom Ausgang der Schneckenpresse mit Hilfe von Transporteinrichtungen, am einfachsten mit einer Förderschnecke, der Trenneinrichtung, ζ. Β. einer Zentrifuge, zugeführt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung ist eine einfache Ausfühningsform der zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Vorrichtung schematisch im Längsschnitt dargestellt

Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus dem rohrförmigen Wärmeaustauscher 1, der von einem Kühlmantel 2 umgeben ist Im Innern des Wärmeaustauschers sind die Schaber 3 sowie die Förderschnecke 4 auf einer Welle 5 angeordnet, die von einem vorzugsweise regelbaren Elektromotor 6 in axiale Umdrehung versetzt wird. Das Guteintrittsende des rohrförmigen Wärmeaustauschers 1 befindet sich im dargestellten Beispiel bei 7. Dort mündet eine Zuführleitung 8 in die Vorrichtung ein, durch die Frischgut in dosierten Mengen zugegeben werden kann.

Das Gutaustrittsende 9 ist erfindungsgemäß über eine Leitung 10 großen Querschnitts mit dem Guteintrittsende 7 verbunden, so daß der erwähnte Kreislauf zustande kommen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich die Leitung 10 auf einem Teil ihrer Strecke ebenfalls als Wärmeaustauscher ausgebildet und trägt dort den kühlmantel 11, der in g'eicher Weise wirkt wie der zuvor erwähnte Kühlmantel 2. Auch im Innern der Leitung 10 sind Schabe- und Fördervorrichtungen 12 und 13 auf einer gemeinsamen Welle 14 angeordnet, die von einem Elektromotor 15 angetrieben wird.

Das Gutaustrittsende des gesamten Systems befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel bei 16. Es ist so ausgestaltet, daß dort das Rohr 10 zunächst mit unvermindertem Querschnitt ein Stück weitergeführt ist und dann in einen Raum 17 mit einem größeren Querschnitt als das Rohr Kl einmündet. In diesem Raum findet der Kristallbrei eine ausreichende Verweilzeit zum Nachreifen. Um ein Absitzen der Kristalle zu vermeiden und um Verstopfungen vorzubeugen, sind im Innern dieses Raumes Propeller 18 angeordnet, die auf der gleichen Welle 14 montiert sind wie die Schaber 12 und die Fördervorrichtung 13 und die auch vom gleichen Elektromotor 15 angetrieben werden. Das Gut tritt schließlich aus der Gutabführleitung 19 aus.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel läßt erkennen daß der Kühlmantel 2 gegenüber dem Guteintrittsende 7 in Strömungsrichtung des Gutes versetzt ist. Hierdurch entsteht eine ungekühlte Zone 20, in der durch das bei 8 einströmende Frischgut eine geringfügige Temperaturerhöhung eintritt.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Länge der ungekühiien Zone 20 5 bis 25 ⁰Zo der GehaiiH-länge des Wärmeaustauschers 1 ausmacht.

Auch der Kühlmantel 11 reicht nicht bis zum Austrittsende 16, sondern endet bereits etwas früher, so daß auch in diesem Teil der Vorrichtung eine ungekühlte Zone 21 entsteht. Diese Zone dient zum Nachkriätallisieren des Stoffes, bevor dieser bei Ii aus dem Kreislauf austritt

Das dargestellte Ausfuhrungsbeispiel stellt nui eine verhältnismäßig einfache Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, es zeigt aber die wesentlichen Merkmale derselben.

Beispiel

Zur Gewinnung von reinem p-Xylol wurde eine C₈-Aromatenfraktion mit einem Gehalt von 17 Gewichtsprozent p-Xylol in einer Vorrichtung der erfindungsgemäßen Bauart auf — 75° C abgekühlt. Dabei kristallisierten etwa 75% des p-Xylols aus. Dei Feststoffgehalt des Kristallbreis betrug etwa 15 Gewichtsprozent. Der Kristallbrei wurde zur Trennung der Kristalle von der Mutterlauge zentrifugiert und mit einem Teil der erhaltenen aufgeschmolzener Kristalle nachgewaschen, wobei die Mutterlauge zui erneuten Kristallisation in den Kratzkühler zurück·

geführt wurde. Das Kristallisat hatte einen Gehalt von 82 % p-Xylol. Es wurde nach dem Aufschmelzen in einem zweiten entsprechenden Kratzkühler kristallisiert. Die Kristallbrei-Temperatur betrug hierbei — 17,5° C. Bei dieser Temperatur enthielt die anfallende Mutterlauge etwa 40% p-Xylol. Das Kristallisat wurde über eine im Ausgangsteil dieses Kühlers angeordnete konische Schnecke entnommen. Hierdurch war es möglich, den Kristallanteil im umlaufenden Kristallbrei ohne Rückführung von Mutterlauge auf etwa 40 Gewichtsprozent zu halten, während der Feststoffgehalt am

Ausgang der Schnecke etwa 70 bis 75 Gewichtsprozent betrug.

Der aus der Schnecke ausgetragene Kiistallbrei wurde zentrifugiert. Die Kristalle wurden in üblichei Weise mit einem Teil der aufgeschmolzenen Kristalle gewaschen. Die Waschlauge wurde zur erneuter Kristallisation in den zweiten Kühler zurückgeführt während die Mutterlauge in den ersten Kühler eingeleitet wurde. Die so erhaltenen Kristalle hatter einen Gehalt von 99,6 °/o p-Xylol. Ihre Kristallgröße betrug durchschnittlich 0,4 mm mit nur sehr geringen Abweichungen nach oben und unten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109512/471

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Gewinnung von Kristallen aus einer Schmelze oder Lösung durch indirekte Kühlung mit einer geschlossenen Rohrschleife mit einer oder mehreren Kühlzonen, mit Schabeeinrichtungen in den Kühlzonen und mindestens einer Transporteinrichtung für den umlaufenden Kristallbrei, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (10) zwischen den Kühlzonen mindestens den gleichen Durchmesser wie diejenigen innerhalb der Kühlzonen aufweisen und daß die Einrichtungen zum Abschaben der Kristalle (3,12) von der Wand der Kühlzonen und zum Fördern des Kristallbreis (4, 13) auf einer gemeinsamen Welle (5,14) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor und/oder hinter einer Kühlzone eine nicht gekühlte Rohrstrecke (20, 21) von vorbestimmter Länge befindet.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht gekühlten Rohrstrecken (20,21) einen größeren Querschnitt besitzen als die Kühlzonen.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführleitung (8) oder in der Entnahmeleitung (19) Mengenregler angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeleitung (19) mit einer Schneckenpresse verbunden ist, deren Filtratsammelraum über eine oder mehrere Rückleitungen mit dem Wärmeaustauschersystem verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Wellen (5,14) mit einem Elektromotor als Antrieb gekuppelt ist, in dessen Stromkreis sich ein Stromstärke- oder Leistungsmesser befindet, der zur Anzeige der Gutzähigkeit dient und der mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Frischgutmenge, der Menge an rückgeführter Mutterlauge, der Frischguttemperatur und/oder der KühlwasEcrtemperatur und/oder der Kühlwassermenge verbunden ist.