DE1905868A1

DE1905868A1 - Vorrichtung zur Gegenstromkristallisation

Info

Publication number: DE1905868A1
Application number: DE19691905868
Authority: DE
Inventors: Stuart Richmond; Exley David Wright
Original assignee: Newton Chambers and Co Ltd
Current assignee: Newton Chambers and Co Ltd
Priority date: 1968-02-07
Filing date: 1969-02-06
Publication date: 1969-09-11
Also published as: BE727991A; US3603103A; GB1207591A; SE339212B; CH500740A; FR2001481A1; NL6902008A

Description

ο . . „. 4000 Düsseldorf, den 5. Februar 1969

Patentanwälte Gecilienallee 76 Hl/Ka.

Dr. /ng. Eichenberg

Dipl.-fng.Saueriand
Dr. Ing. König

Unsere Akte 24 672

NEWTON, CHAMBERS & COMPANY LIMITED, Thorncliffe, Sheffield, Yorkshire, England

"Vorrichtung zur Gegenstromkristallisation"

Es ist bekannt, zwei oder mehrere Flüssigkeiten durch fraktionierte Destillation zu trennen₀ Diese Trennung basiert auf dem Gleichgewicht Flüssigkeit/Dampf in einer Destillationskolonne; hierbei handelt es sich um ein kontinuierlich arbeitendes Gegenstromverfahren.

Bis in die jüngste Zeit hinein gab es kein Verfahren zum kontinuierlichen Trennen eines Peststoffes und einer Flüssigkeit in einer einzigen Apparatur. Vfährend die Kristallisation ein diskontinuierliches Verfahren darstellte, wurde es mit der Einführung des Zonenschmelzens möglich, mit größerer Wirtschaftlichkeit im V/ege einer halbkontinuierlichen Trennung Feststoffe aus Flüssigkeiten auszukristallisieren» Es sind auch bereits kontinuierliche Verfahren zur fraktionierten Kristallisation beschrieben worden, die jedoch nicht sämtliche Vorteile des Gegenstromverfahrens aufwiesen

Ein Verfahren zur Gegenstromkristallisation unter Anwendung der Verfahrensprinzipien der fraktionierten Destillation in einer Kolonne wurde von Schildknecht

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. und-Vetter■in "Angewandte Chemie", Sept„ 1961, S. "bis 615 beschriebene .Dieses Verfahren bezog sich auf die Trennung eines Zweistoffgemisches, das bei jeder Konzentration im geschmolzenen und kristallinen Zustand mischbar ist, und bei dem das Einsatzprodukt aus den beiden Substanzen flüssigen Zustande etwa in das Zentrum einer Kolonne eingeführt wurde, deren eines Ende gekühlt und deren anderes Ende erhitzt wurde. Die sich im kälteren Teil der Kolonne bildenden Kristalle wandern in den wärmeren Teil der Kolonne«Während dieser Wanderungsbewegung werden die Kristalle durch die flüssigen Bestandteile des Aufgabegutes ausgewaschen. Die sich am wärmeren Ende der Säule sammelnden Kristalle v/erden eingeschmolzen und abgezogen, während, die andere Fraktion am kälteren Ende der Säule abgezogen wird.

Die Verfasser beschreiben in ihrem Aufsatz verschiedene Vorrichtungen, mit denen sie versuchten, eine Gegenstromkristallisation durchzuführen. Unter anderem beschrieben die Verfasser eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus einem äußeren, einen festen inneren Kern umgebenden Zylinder und einem Spiralförderer zwischen dem Kern und dem Zylinder besteht. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig,, 1 der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Hinblick auf die Kristallisation von Benzol aus einer Mischung mit nichtaromatischen lösungsmitteln beschrieben, obgleich die dargestellte Vorrichtung zum Trennen jeglicher kristallisierbarer Stoffe von ihren Lösungsmitteln benutzt werden kann_o

Die Kolonne besteht aus einem äußeren Zylinder 1 mit einem Innenkern 2, wobei sich im Zwischenraum zwischen dem Außenzylinder 1 und dem Kern eine Förderschnecke

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3 "befindet, die in den Zwischenraum genau eingepaßt ist und mittels eines Ritzels und Schneckenrades 9, 10 am Kopf der Kolonne angetrieben wird. Am Fuß der Kolonne befindet sich kein Lager für die Förderschnecke. Ein Kühler 4 umgibt den Kopf und ein Heizelement 5 den Fuß der Kolonne.

Das Substanzgemisch aus Benzol und nichtaromatischen Lösungsmitteln wird in der Kolonnenmitte bei 6 aufgegeben. Durch das Heizelement 5 entsteht ein Auftrieb des Substanzgemisches, so daß dieses zum Kopf der Kolonne wandert, wo es unter Ausscheidung der Kristalle abkühlt. Die Förderschnecke wird dabei so angetrieben, daß die Kristalle nach unten gefördert und dabei durch das aufsteigende Substanzgemisch ausgewaschen werden. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, werden die Kristalle am Fuß der Kolonne abgezogen, wo sie durch das Heizelement 5 eingeschmolzen und bei 7 als flüssiges Benzol abgezogen werden, während die nichtaromatischen Substanzen am Kopf der Säule bei 8 austreten»

Die Wirksamkeit der Gegenstromkristallisation hängt in starkem Maße von der Wanderungsgeschwindigkeit der Kristalle in der Kristallisationskolonne ab. Bei den herkömmlichen Kristallisationskolonnen werden die Kristalle mittels einer Förderschnecke zwischen dem äußeren Zylinder und dem Kern bewegt, die mit so geringer Toleranz in den Zwischenraum eingepaßt sein muß, daß sich zwischen den Schneckengängen und der Kolonnenwandung bei einem Schneckendurchmesser von 20 cm und einer Schneckenlän^e von 15 cm ein Spiel von weniger als 0,8 mm ergibt. Abgesehen von den Schwierigkeiten beim Herstellen einer Förderschnecke mit so geringer Toleranz ergibt sich im Betrieb zwangsläufig ein Rei-

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bur^verschleiß zwischen der Schnecke und den Wandungen, der in der Praxis zu einem Verschweißen der Oberflächen und damit zu Schaden an den Wandungen und der Förderschnecke führt. Es wurde nun festgestellt, daß d .e mit der Verwendung einer Förderschnecke verbundenen Schwierigkeiten verringert werden können, wenn cer herkömmliche Förderer aus Kern und Schnecke mindestens teilweise durch eine Förderschraube ersetzt wird. Dabei können der gesamte Kern und die ganze Förderschnecke durch eine Förderschraube ersetzt sein, die in lagern an beiden Kolonnenenden läuft und vom Kolonnenkopf oder -fuß her angetrieben wird. Andererseite besteht auch die Möglichkeit, in der Kühlzone eine Förderschnecke mit Kern zu verwenden. In diesem Falle werden die beiden Förderer durch eine Kupplung miteinander verbunden, so daß sich insgesamt über die Höhe der Kolonne gesehen, ein kontinuierlicher Förderer ergibt. Die Förderschnecke und die Förderschraube dürfen jedoch nicht miteinander verbunden sein, wenn sie so angeordnet sind, daß sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden. Weiterhin konnte festgestellt werden, daß die Transportgeschwindigkeit der Kristalle und der Mutterlauge in einer kontinuierlich arbeitenden Kristallisationskolonne in außerordentlich starkem Maße durch die Oberflächenbeschaffenheit des Förderern beeinflußt wird, je nachdem ob es sich dabei um eine Förderschnecke mit zentrischem Kern, eine Förderschraube oder eine Kombination beider Förderer handelt.

Die Erfindung basiert somit auch auf der Erkenntnis, daß mit besserer Oberflächenbeschaffenheit der Förderelemente auch die Wirksamkeit des Transportes steigt; so konnte durch Versuche nachgewiesen werden,

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daß eine Oberflächengüte von C.L.A. 63 oder mehr (gemäß British Standard 1134/1961) für einen ausreichenden Kristalltransport erforderlich ist.

Die Förderelemente werden üblicherweise aus weichem Stahl hergestellt und können im spanabhebend bearbeiteten Zustand verwendet werden. Verschiedene Substanzen, wie bei der Kolonnenkristallisation von Nahrungsmitteln können die Verwendung rostfreier Stähle, jedoch ebenfalls im spanabhebend bearbeiteten Zustand, erfordern. In zahlreichen Fällen ergibt sich eine so starke Korrosion, daß die Förderelemente mit Chrom plattiert sein sollten, wobei sie selbstverständlich die obenerwähnte Oberflächenbeschaffenheit besitzen müssen. Da jede Unregelmäßigkeit des Grundkörpers auch in der öhromschicht auftritt, müssen die Förderelemente spanabhebend bearbeitet und poliert werden, um eine Oberflächenrauhigkeit von O.L.A. 63 oder besser zu erreichen, ehe die Chromschicht aufgetragen wirdi vorzugsweise wird eine Diachromschicht aufgetragen, d.ho ein Chrom das sowohl abriebfest als auch korrosionsbeständig ist und ohne Zwischenschicht elektrolytisch aufgetragen werden kann.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Schraubenförderers beschrieben. Ein derartiger Förderer beispielsweise mit einer Länge von 84 om und einem Durchmesser von 5 cm läßt sich beispielsweise aus einem dickwandigen Zylinder aus weichem Stahl herausarbeiten, der seinerseits vorzugsweise durch Aufbohren eines Stabes hergestellt wird, um einen Hohlzylinder mit gleichmäßiger Bearbeitbarkeit herzustellen. Strangpreßrohre sind dagegen schwieriger zu bearbeiten, obgleich auch diese mit der gebotenen Sorgfalt ver-

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wendet werden können« Die gewünschte Oberflächengüte von GoL.Ao 63 oder besser läßt sich durch sorgfältiges Drehen oder weniger sorgfältiges Drehen oder !rasen mit anschließendem Schleifen erreichen. Schrauben mit Längen bis zu 15 cm und Durchmessern bis 20 cm lassen sich ebenso wie Schnecken aus geeigneten Hohlzylindern herstellen.

Der Förderer wird dann beispielsweise in Aceton entfettet und erhält eine gleichmäßig-glatte und matte Oberfläche, die unter der Bezeichnung "satinpoliert" bekannt ist, durch Schwabbeln mit einer gewebten Schwabbelscheibe, auf die ein Poliermittel aufgegeben wird, wie es beispielsweise unter der Handelsbezeichnung "Sateene" im Handel ist. Anschließend wird eine Oberflächenschicht aus Dlachrom mit einer Dicke von 0,03 mm etwa aufgetragen und der Förderer erneut mattpoliert. Alsdann ist der Förderer gebrauchsfertige Bin anderer Weg, eine Förderschnecke herzustellen besteht darin, diese aus Meehanlte-Eisen mit einer Toleranz von 0,13 mm zu gießen und sie anschließend bis auf die gewünschte Oberflächengüte zu bearbeiten sowie schließlich in der vorgeschriebenen Weise zu verchromen,,

Die Wirksamkeit der Trennung In einer Kirstallisationskolonne mit einer Förderschnecke hängt direkt von der Wirksamkeit beim Aufheizen und Abkühlen sowie beim Auswaschen der Kristalle ab. Hierbei sind eine Reihe von Variationen möglich, wobei das eine Ende der Kolonne von einem Kühler und das andere Ende von einem Heizmantel umgeben ist. !fach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen

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im Zentrum des Förderers gegenüber den sonst außen an der Kolonne "befindlichen Heiz— und Kühlvorrichtungen angeordnet. Besteht der Förderer teils aus einer Schraube und teils aus einer Schnecke, dann können die Heiz- und Kühlelemente sowohl in der Schraube als auch im Kern der Förderschnecke gegenüber den herkömmlichen Heiz— und Kühlelementen angeordnet sein. Auf diese Weise ist ein weitaus wirksameres Aufheizen und Abkühlen möglich· Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die spiralförmigen Förderleisten des Förderers selbst hohl ausgebildet sind und ein geeignetes Heiz— oder Kühlmittel durch ihr Inneres strömt. Für den Fall, daß eine mit einer Schraube verbundene Schnecke verwendet wird, können beide hohl und von demselben oder einem unterschiedlichen Medium durchströmt sein. Die Verwendung derartiger hohler Förderer besitzt den Vorteil, daß ein Kühlmittel durch die Förderschraube oder durch diese und die Förderschnecke strömen kann, das gleichzeitig zum Übertragen der Wärme entlang der Kolonne dient. So können, wenn die Kolonne einmal durch Kristalle verstopft ist, diese rasch durch einströmendes heißes Medium eingeschmolzen werden.

Beim kontinuierlichen Auskristallisieren in einer Kristallisationskolonne mit einem Schneckenförderer müssen die Heiz- und Kühlelemente genau aufeinander abgestimmt sein, um optimale Ergebnisse zu gewährleisten. So ergibt beispielsweise ein Kühlmittelüberschuß einen KirStallüberschuß im Vergleich zur Aufgabe an Förderflüssigkeit, so daß die Kolonne durch Kristalle blockiert werden kann. Um ein derartiges Verstopfen zu vermeiden, mindestens aber die Gefahr

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eines Verstopfens mit Kristallen zu verringern, kann die Förderschraube oder diese und die Förderschnecke elektrisch angetrieben und der Zufluß an Kühl- und Heizmittel in die Kolonne Ieistungsabhängig durch den Antriebsmotor gesteuert -werden» Wird die Kolonne so betrieben, daß die Kristallisationsgeschwindigkeit zu hoch ist, dann ergibt sich ein Kristallüberschuß in der Kolonne und die Drehung der Förderelemente wird schwieriger, so daß die Leistungsaufnahme entsprechend größer ist. Der Kühlmittelzufluß wird daher vorzugsweise im umgekehrten Verhältnis zur Leistungsaufnahme des Förderers gesteuert.

Die von der Mutterlauge und den Kristallen aufgenommene Lichtmenge ist unterschiedlich, so daß die vom Kolonneninhalt aufgenommene Lichtmenge ein Maß für den Kristallisationsgrad ist. Ein anderes Verfahren zur Steuerung des Kühl- und des Heizmediums besteht daher in der Anordnung eines über dem Querschnitt der Säule angeordneten Sichtglases und der Verwendung einer fotoelektrischen Zelle zur Überwachung des Lichtdurchganges, wobei die Ausgangsleistung der Steuerung des Kühl- und des Heizmediums dient.

Normalerweise ist die Kristallisationskolonne zylindrisch ausgebildet. Unter bestimmten Umständen kann sie jedoch auch etwas anders ausgebildet sein₀ So kann die Kristallisationskolonne konisch ausgebildet sein, wobei der größere Konusdurchmesser am kälteren Kolonnenende liegt„ Das Hauptproblem bei der kontinuierlichen Kristallisation besteht in der Wärmeabfuhr, d.ho im Kühlen der kristallisierten Lösung, so daß sich besondere Vorteile bei einer konischen Kolonne

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ergeben, weil bei dieser das Volumen des kälteren Kolonnenteils größer ist, während die Geometrie der tiefer liegenden Waschzonen "beibehalten wird. Unter bestimmten Umständen ist ea möglich, eine zwar zylindrische Kolonne zu verwenden, die jedoch aus mehreren Stufen besteht, um auf diese Weise ein bestimmtes Verhältnis der Heiz- und Kühlflächen zu erreichen

Mir die bisher beschriebenen Kolonnen wurde angenommen, daß die Kristalle ein größeres spezifisches Gewicht besitzen als die Mutterlauge. Aber selbst wenn das spezifische Gewicht der Kristalle geringer ist als das der Mutterlauge, erfordert das Verfahren einen Kristalltransport vom kälteren zum wärmeren Ende der Kolonne, so daß es vorteilhaft ist, das Heizelement am Kopf und das Kühlelement am Fuß anzuordnen, d.h. die Kolonne im Vergleich zu den bisherigen Beispielen umzukehren. Unter bestimmten Umständen kann zusätzlich auch eine thermische Trennung der Kristalle von der Mutterlauge erfolgen, wobei dann die Kolonne gegenüber der Vertikalen geneigt sein sollte. Herkömmliche Förderer besitzen mehrere Windungen auf ihrer länge, so daß die Förderwirkung sich verringert, wenn die Windungszahl geringer ist und der Konvektion eine immer größere Bedeutung zukommt. Wird nun ein Schrauben- oder ein Schrauben- und ein Schneckenförderer benutzt, dann ergeben sich mit einer geneigten Kolonne eine Reihe von Vorteilen»

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen»

2 eine Kristallisationskolonne mit einer Förderschraube,

Fig» 5 eine Kristallisationskolonne mit einer förderschraube und einer Förderschnecke.

Fig» 4 eine Kristallisationskolonne, deren Förderer teilweise aus einer Schraube und teils aus einer Schnecke besteht, die sowohl mit derselben als auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben werden können«

Bei der Kristallisationskolonne nach Figo 2 dreht sich die in der Kolonne 1 befindliche Fördersciiraube 11 in Lagern 12 und 13. Auf dem wellenartigen Ende des Förderers ist ein Schneckenrad 14 verkeilt, das in herkömmlicher Weise durch ein in eine Öffnung 15 der Kolonne 1 ragende Schnecke angetrieben wird. Der das Schneckenrad 14 enthaltende Seil der Kolonne 1 ist durch einen Deckel 16 und Dichtungspackungen 17 sowie einen Deckelflansch 18 gegenüber dem Arbeitsteil der Kolonne abgesperrt. Das in Fig. 1 dargestellte Heizelement ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig· 2 durch einen in die Förderschraube 11 hineinragenden Heizer 19 ersetzt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Kopf der Kolonne 1 von einem Kühler 4 umgeben. Der Förderer besteht aus einer Förderschraube 21, die in lagern 22 und 23 läuft und mittels eines Schneckenrades 24 in üblicher Weise angetrieben wird sowie einer an einem Flansch der Schraube bei 26 befestigten Förderschnecke 25. Die Schnecke dreht sich um einen feststehenden zentrischen Kern 27, der durch O-Ringe 28 gegen die Schraubenwelle abgedichtet ist.

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Auch "bei der Kristallisationskolonne nach Fig. 4 umgibt ein Kühler 4 den Kolonnenkopf«, Der Förderer "besteht aus zwei getrennten Teilen, nämlich aus einer in Lagern 32 und 33 laufenden Förderschraube 31» die über ein Schneckenrad 34 und eine Schnecke 38 angetrieben wird, sowie einer von einem Schneckenrad 36 und einer Schnecke 39 angetriebenen Förderschnecke 35· Die Förderschnecke 35 dreht sich um einen feststehenden zentrischen Kern 37 und kann mit gegenüber dem Schraubenförderer unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben werden«.

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Claims

NEWTON, CHAMBERS & COMPANY LIMITED, Thorncliffe, Sheffield, Yorkshire, England

Patentansprüche:

Vorrichtung z\ir G-egenstromkristallisation, im wesentlichen bestehend aus einem in einer Kristallisationskolonne mit einer Aufgabestelle für das Einsatzgut angeordneten Förderer, einem Heizelement am einen Ende der Kolonne und einem Kühlelement am anderen Kolonnenende sowie einem Abzug für das eine Trennprodukt am einen Ende der Kolonne und für das andere Trennprodukt am anderen Kolonnenende, dadurch gekennzeichnet , daß der Förderer aus einer Förderschnecke (25) mit zentrischem Kern (27),einer Förderschraube (11) oder teils aus einer Förderschraube (21, 31) und einer Förderschnecke (25, 35) mit zentrischem Kern (27, 37) besteht und die Oberfläche der Förderelemente eine Rauhigkeit von Ö.L.A.63oder besser besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Förderschnecke (25) mit zentrisehern Kern (27) in der Kühlzone (4) und einer mit dieser verbundenen Förderschraube (21) im übrigen Teil der Kolonne (1).
3» Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Förderschnecke (35) mit zentrischem Kern (37) in der Kühlzone (4) und eine Förderschraube (31) im übrigen Teil der Kolonne (1) mit jeweils selbständigem Intrieb (36,39; 34, 38).

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4· Vorrichtung nach, einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderelemente verchromt sindο
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz- und/oder Kühlelement (19) im Innern des Förderers (11) angeordnet sind.

β Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleisten hohl sind und ein zirkulierendes Heiz- oder Kühlmedium enthalten.

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