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Der Gegenstand der Erfindung ist ein Kristallisator, wie er im Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 definiert worden ist.
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Ein Kristallisator gemäß der Erfindung ist in erster Linie für den Einsatz beim Auskristallisieren von Salzen der Borsäure, wie Borax, aus einer Lösung vorgesehen, wie sie im Primärkreis eines Atomkraftwerks verwendet wird, d. h. aus einem Gemisch, das oft borhaltiges Wasser ist. So werden die giftigen Salze aus der Lösung extrahiert und effizient endgelagert. Außerdem eignet sich ein Kristallisator gemäß der Erfindung auch für den Einsatz in vielen anderen Kristallisationslösungen.
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Eine Lösung, die Salze der Borsäure, wie Borax, enthält, kann nicht in die Natur abgelassen werden, da sie giftig ist. Es kann auch nicht Wasser oder eine andere Flüssigkeit vollständig aus der Lösung abdampfen gelassen werden, weil sich dabei mit dem Dampf auch Bor und/oder dessen Verbindungen in die Luft verflüchtigen würden.
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Bekanntlich existieren Lösungen, in denen die Lösung anfangs in einem Verdampfer konzentriert wird, wobei sich die Menge der borhaltigen Lösung reduziert, wonach der Abdampfrückstand, d. h. die wesentlich gesättigte Lösung, zum Beispiel in Beton gefestigt wird. Das Problem bei solchen Lösungen ist, dass viel Beton entsteht, der das giftige Salz / die giftigen Salze der Borsäure enthält, weshalb es äußerst teuer und auch sonst schwierig ist, ihn endzulagern.
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Der Zweck dieser Erfindung ist es, die oben erwähnten Missstände zu beheben sowie einen Kristallisator zu produzieren, der das Extrahieren der Salze der Borsäure, wie Borax, aus der Lösung einfach, preiswert und effizient ermöglicht. Ein weiterer Zweck ist die Produktion eines Kristallisators, mit dessen Hilfe aus einer Lösung im Primärkreis eines Atomkraftwerks, die das Salz / die Salze der Borsäure, wie Borax, enthält, einfach und rasch das giftige Salz / die giftigen Salze, wie Borax, auskristallisiert werden kann/können und das auskristallisierte Salz platzeffizient und preiswert endgelagert werden kann. Für einen Kristallisator gemäß der Erfindung ist kennzeichnend, was im Kennzeichenabschnitt des Schutzanspruchs 1 beschrieben wird. Für die anderen Anwendungsformen der Erfindung ist kennzeichnend, was in den anderen Schutzansprüchen beschrieben wird.
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Der Vorteil einer Lösung gemäß der Erfindung ist jener, dass das giftige Salz / die giftigen Salze der Borsäure, wie Borax, durch Kristallisation im Wesentlichen vollständig aus der Lösung entfernt werden kann/können, wobei die Menge des Stoffes, der endgelagert werden muss, deutlich kleiner ist, als bei den bekannten Lösungen, was auch die Kosten für die Endlagerung deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Wärmeübergangskoeffizient der zum Kristallisator gehörenden Kühlungslösung sehr gut ist, weshalb die Kühlung der Lösung äußerst effizient durchgeführt werden kann, wobei die Kristallisation effizient und rasch vonstatten geht. Ein Vorteil ist außerdem, dass ein Kristallisator gemäß der Erfindung klein ist und leicht transportiert werden kann. Noch ein Vorteil ist, dass der Kristallisator einfach und preiswert realisiert werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe eines Anwendungsbeispiels detaillierter beschrieben. Dabei wird auf die Zeichnungen anbei hingewiesen, auf denen
- von der Seite betrachtet und teilweise durchschnitten als vereinfachtes Prinzipbild eine Anwendungsform eines Kristallisators gemäß der Erfindung darstellt und
- von oben betrachtet und beim Deckel des Kristallisators durchschnitten als vereinfachtes Prinzipbild einen Kristallisator gemäß darstellt.
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In und wird eine Anwendungsform eines Kristallisators gemäß der Erfindung dargestellt. Der Kristallisator 1 wurde eingerichtet, um Salz oder Salze aus der Lösung 3 zu extrahieren, d. h. auszukristallisieren. Zum Kristallisator 1 gehört ein Tank 2, der dafür eingerichtet wurde, dass ihm eine Salz oder Salze enthaltende Lösung 3 zugeführt wird, die zuvor möglicherweise auf einen geeigneten Wert konzentriert, d. h. in einem separaten Verdampfer wesentlich gesättigt wurde. Die Lösung 3 ist also eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Gemisch aus Wasser und darin gelöstem Salz oder Salzen.
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Der Tank 2 setzt sich aus einem zylinderförmigen Oberteil 2a und einem kegelförmigen Unterteil 2b zusammen. Am Boden des Tanks 2, am unteren Teil des Unterteils 2a, befindet sich ein Behälter 4, in dem die aus der Lösung 3 auskristallisierten Kristalle gesammelt werden. Außerdem ist der Tank 2 an seinem Oberteil mit einem Deckel 5 verschlossen, der mit einer Füllöffnung 16 ausgestattet ist, über die die Lösung 3 in den Tank gefüllt wird. Die Füllöffnung 16 kann mit einem Deckel 16a verschlossen werden, wenn die gewünschte Menge der Lösung 3 in den Tank 2 eingefüllt worden ist. Der Kristallisator 1 ist also dafür vorgesehen, eine bestimmte Menge an Lösung 3 auf einmal zu behandeln. Die Wände des Tanks 2 sind preiswert aus einem geeigneten Metall, das gut Wärme leitet.
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Innen im Tank 2, in der Mitte des Tanks 2, wurde eine Vertikalachse 6 arrangiert, an der mit Hilfe der Schäfte 7a und 8a die Reinigungselemente 7 und 8, d. h. die Schaber befestigt wurden. Die Innenfläche des zylinderartigen Oberteils 2a des Tanks 2 wird von den beiden oberen bzw. ersten Reinigungselementen 7 gereinigt und die Innenfläche des kegelartigen Unterteils 2b des Tanks 2 wird von den beiden unteren bzw. zweiten Reinigungselementen 8 gereinigt. Die Schaber und deren Schäfte sind so bemessen, dass die Schaber die Innenfläche 11 des Tanks 2 berühren. Die Länge der ersten Reinigungselemente 7 entspricht im Wesentlichen der gesamten Höhe des Oberteils 2a des Tanks 2 und die Länge der zweiten Reinigungselemente 8 entspricht im Wesentlichen der Länge der Innenfläche des kegelartigen Unterteils 2b. Die Schäfte 7a und 8b wurden zudem mit Federelementen ausgestattet, die die Reinigungselemente 7 und 8 gegen die Innenfläche 11 des Tanks 2 drücken.
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Auf dem oberen Teil des Tanks 2 wurde ein Kraftelement 9 arrangiert, das mit der Vertikalachse 6 verbunden ist und die Vertikalachse 6 dreht, wobei die Schaber die Vertikalachse auf einer kreisförmigen Bahn umkreisen und die Innenfläche 11 des Tanks 2 während des Kristallisationvorgangs fortwährend reinigen. Das Kraftelement 9 ist preiswert zum Beispiel ein Elektromotor. Die Ränder der Reinigungselemente 7 und 8, die die Innenfläche 11 des Tanks 2 berühren, sind schaberartig, d. h. scharf, weshalb sie, wenn sie sich gegen die Innenfläche 11 des Tanks 2 drehen, die Innenfläche 11 bestmöglich reinigen. Die Reinigung der Innenfläche 11 des Tanks 2 ist wichtig, weil während des Kristallisationvorgangs auskristallisiertes Salz an der Innenfläche 11 des Tanks haften bleibt, was die Wärmeleitfähigkeit der Innenfläche 11 des Tanks 2 reduziert.
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Wenn die Lösung gesättigt ist, werden bestimmte Salze nicht mehr darin aufgelöst. Diese Löslichkeit hängt von der Temperatur ab, und zwar so, dass wenn die Temperatur der Lösung sinkt, die Löslichkeit kleiner wird, und umgekehrt. Deshalb ist der Tank 2 mit einem Kühlgerät 10 verbunden, das den Tank 2 und gleichzeitig die Lösung 3 in seinem Inneren kühlt. Die Kristallisation, also die Bildung von Salzkristallen aus einer gesättigten Lösung, ist eine chemische Reaktion, die Wärme freisetzt, was wiederum die Löslichkeit steigert und so die Kristallisation des Salzes verlangsamt. Deshalb ist das Kühlgerät 10 so eingerichtet, dass es die Lösung 3 während des Kristallisationvorgangs fortwährend kühlt.
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Das Kühlgerät 10 umfasst ein rohrartiges erstes bzw. oberes Kühlelement 10a, das in Höhenrichtung um den Oberteil 2a des Tanks 2 herum in der Nähe des oberen Randes des Tanks 2 arrangiert wurde. Das Kühlelement 10a verfügt über Löcher, Düsen oder entsprechende Elemente, für die in Folge der Begriff Leitelement 19 verwendet wird. Über die Leitelemente 19 wird kaltes Wasser oder eine entsprechende Kühlflüssigkeit 15 auf die Außenfläche 12 des Tanks 2 gesprüht oder auf andere Weise dorthin geleitet. In das Kühlelement 10a wird mit geeignetem Druck eine Kühlflüssigkeit 15 geleitet, worauf die Kühlflüssigkeit 15 in dem rohrartigen Kühlelement 10a zirkuliert und über die Leitelemente 19 auf die Außenfläche 12 des Tanks 2 gesprüht wird. Die Kühlflüssigkeit 15, die auf die Außenfläche 12 am oberen Rand des Tanks 2 geleitet worden ist, fließt durch die Schwerkraft nach unten. Die Kühlflüssigkeit 15 ist wesentlich kälter als die Lösung 3 im Inneren des Tanks 2, weshalb die Wärme über die Oberflächen des Tanks 2 aus der Lösung 3 in die Kühlflüssigkeit 15 übertragen wird. Da auf die Außenfläche 12 des Tanks 2 fortwährend neue kalte Kühlflüssigkeit 15 geleitet wird, geht die Kühlung der Lösung 3 äußerst effizient vonstatten. Die Kühlflüssigkeit 15 fließt vorteilhaft zum Beispiel als Membran die Außenfläche 12 des Tanks 2 entlang nach unten.
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In diesem Anwendungsbeispiel gehört zu dem Kühlgerät 10 zusätzlich auch ein zweites rohrartiges Kühlelement 10b, das um den Tank 2 herum arrangiert wurde, in Höhenrichtung in der Nähe der Verbindungsstelle des Oberteils 2a und des Unterteils 2b des Tanks 2. Das zweite bzw. untere Kühlelement 10b umfasst entsprechende Löcher oder Düsen, also Leitelemente 19, wie das erste Kühlelement 10a. Über diese Leitelemente 19 wird kaltes Wasser oder eine entsprechende Kühlflüssigkeit 15 in den oberen Teil der Außenfläche des Unterteils 2b des Tanks geleitet.
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Rund um den Tank 2 herum wurde zudem eine Leitwand 17 arrangiert, so dass sich zwischen der Leitwand 17 und der Außenfläche 12 des Tanks 2 Platz für die Kühlflüssigkeit 15 bildet. Die Leitwand 17 ist dafür vorgesehen, das Hinabfließen der Kühlflüssigkeit 13 so zu steuern, dass die Kühlflüssigkeit 15 mit der Außenfläche 12 des Tanks 2 in Berührung bleibt, im Wesentlichen auf der gesamten Höhe der Außenfläche 12. Der obere Teil der Leitwand ist zylinderförmig und der untere Teil ist kegelförmig. Dieser kegelförmige Unterteil verhindert, dass sich die Kühlflüssigkeit von der Außenfläche des kegelartigen Unterteils 2b des Tanks 2 ablöst.
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Mit Hilfe des zweiten Kühlelements 10b wird für die gesamte Höhe des Tanks 2 möglichst kalte Kühlflüssigkeit 15 erhalten, wobei die Kühlung noch effizienter ist, als nur mit Hilfe des ersten Kühlelements 10a. Je effizienter die Kühlung der Lösung 3 ist, desto effizienter/schneller geht die Kristallisation des Salzes / der Salze der Borsäure vonstatten. Das obere Kühlelement 10a und das untere Kühlelement 10b sind durch ein Rohr 10c miteinander verbunden, wodurch das Kühlmittel 15 aus der gleichen Quelle in beide Kühlelemente geleitet werden kann. Im unteren Teil des Kristallisators 1 wurde zusätzlich ein Abflussrohr 18 arrangiert, über das die heruntergeflossene Kühlflüssigkeit 15 zum Beispiel in den Abwasserkanal geleitet wird.
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In diesem Anwendungsbeispiel wird die Kristallisation des Salzes / der Salze der Borsäure aus einer gesättigten Lösung dargestellt, was um so effizienter/schneller vonstattengeht, je effizienter die Lösung gekühlt wird. Ein Kristallisator gemäß der Erfindung kann jedoch auch für andere Kristallisationsanwendungen verwendet werden. Möglicherweise ist nicht in allen Fällen gewünscht, dass die Temperatur der Lösung möglichst niedrig ist, sondern sie soll zum Beispiel auf eine bestimmte Temperatur reguliert werden.
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Wie zuvor erwähnt, ist das Kraftelement 9 dafür vorgesehen, die Vertikalachse 6 zu drehen, wodurch die Reinigungselemente 7 und 8 die Innenfläche 11 des Tanks 2 während des Kristallisationvorgangs fortwährend reinigen. Die fortwährende Reinigung der Innenfläche 11 des Tanks 2 verhindert, dass das kristallisierte Salz haften bleibt und dass sich eine schädliche Membran oder eine entsprechende Schicht auf der Innenfläche 11 bildet. Wenn die Innenfläche 11 des Tanks 2 sauber ist, ist die Wärmeübertragung aus der Lösung über die Wand, also über die Oberflächen des Tanks 2, effizienter. Gleichzeitig vermischen die Reinigungselemente 7 und 8 sowie deren Schäfte 7a und 8a, wenn sie sich drehen, fortwährend die Lösung 3, was die Auskristallisation des Salzes / der Salze aus der Lösung fördert. Das kristallisierte Salz sinkt durch die Schwerkraft in den Behälter 4 auf dem Boden des Tanks 2. Zum Kristallisator 1 gehören außerdem eine Pumpe 13 und ein Abflussrohr 14, über das das kristallisierte Salz / die kristallisierten Salze mit Hilfe der Pumpe 13 aus dem Behälter 4 abgepumpt wird/werden.
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In wird der Kristallisator 1 von oben betrachtet und beim Deckel des Kristallisators durchschnitten als vereinfachtes Prinzipbild dargestellt. Der Klarheit wegen sind die oberen Reinigungselemente 7 und die unteren Reinigungselemente 8 in Hinblick auf einander auf einer anderen Linie gezeichnet worden, aber genauso gut könnten sie sich auch auf derselben Linie befinden. Die Reinigungselemente 7 und 8 sind über ihre Schäfte 7a und 8a jeweils mit ihrem eigenen Befestigungselement an der Vertikalachse 6 befestigt. Das in diesem Anwendungsbeispiel erwähnte Befestigungselement setzt sich aus zwei Metallplatten zusammen, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Vertikalachse 6 arrangiert wurden und die über Rillen verfügen, die dem Durchmesser der Achse entsprechen und die um die Vertikalachse herum arrangiert wurden, sowie über in Hinblick auf einander in die entgegengesetzten Richtungen zeigenden Flanschteile, die über Öffnungen für die Schäfte 7a und 8a verfügen. Die Flanschteile sind zueinander arrangiert und mit Hilfe von Bolzen und Muttern aneinander befestigt. Einer der Schäfte der Reinigungselemente ist in der Öffnung des Flanschteils der ersten Platte des Befestigungselements befestigt und der zweite in der Öffnung des zweiten Flanschteils des Befestigungselements. Die Befestigung geschieht zum Beispiel durch Schweißen.
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In der Abbildung ist auch das obere Kühlelement 10a zu sehen, das den Tank 2 umkreist und das mit mehreren Leitelementen 19 ausgestattet worden ist, über die Kühlflüssigkeit, wie kaltes Wasser, auf die Außenfläche 12 des Tanks 2 geleitet wird.
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Einem Experten der Branche ist klar, dass sich die Erfindung nicht nur auf das oben angeführte Beispiel beschränkt, sondern im Rahmen der unten angeführten Schutzansprüche variieren kann. Somit kann zum Beispiel die Struktur des Kristallisators von dem oben Angeführten abweichen. Zum Beispiel die Lösungen für Kühlung und Reinigung können ebenfalls von anderer Art sein als im oben dargestellten Anwendungsbeispiel. Wesentlich ist jedoch, dass die Lösung im Tank gekühlt und die Innenfläche des Tanks während des Kristallisationvorgangs fortwährend gereinigt wird, wodurch die Kristallisation so effizient wie möglich vonstatten geht.
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Einem Experten der Branche ist außerdem klar, dass die Reinigungselemente, also die Schaber, auch von anderer Art sein und durch eine andere Anzahl als vier vertreten sein können, als im oben dargestellten Anwendungsbeispiel.
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Außerdem ist einem Experten der Branche auch klar, dass die Kühlflüssigkeit nicht unbedingt direkt auf die Oberfläche des Tanks gesprüht werden muss, sondern die Kühlflüssigkeit kann direkt zwischen die Leitwand und die Außenfläche des Tanks geleitet werden.
