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Kristallisierapparat und Verfahren zur Kristallisation Das Hauptpatent
... (Patentanmeldung P 24 42 934.3) betrifft einen Kristallisierapparat für die
kontinuierliche Kristallisation von kristallisierbaren gelösten Stoffen~ aus einer
Lösungadieser Stoffe in einem Lösungsmittel, das wesentlich flüchtiger ist als Wasser,
bei einer wesentlich über dem Siedepunkt des Lösungsmittels bei Normaldruck liegenden
Temperatur, wobeidle Kristallisation durch Kühlen der Lösung erfolgt und der Kristallisierapparat
versehen ist mit einem ein kristallisierbares System enthaltenden Gefäß mit normalem
effektivem Flüssigkeitsstand, einem Austritt für den Abzug eines Breistroms aus
dem Kristallisationssystem und einem Eintritt für die Einführung eines gemischten
Stroms in das Kristallisationssystem unter dem normalen effektiven Flüssigkeitsstand,
einer Leitung für einen Umlaufstroni und einer mit dem Breiaustritt und dem Eintritt
für den gemischten Strom kombinierten Pumpe, die einen Brei strom durch den Breiaustritt.
mit hoher Geschwindigkeit abzieht und wenigstens einen wesentlichen Teil des Breis
als Umlaufstrom in das Kristallisationssystem durch den Eintritt für den gemischten
Strom zurü#ckftIhrt, einem Kühler, der aas Rristalli8ationssystem undXoder den Emlaufstiom
kühlt,
einer Austragvorrichtung zur Entfernung eines Breistroms aus dem Krista-llisationssystem
und/oder dem Umlaufstrom und einem Bauteil zur Einführung eines aus der Lösung bestehenden
Einsatzstroms in den Umlaufstrom, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Ausschaltung
einer übermässig starken Bildung feiner Kristalle Mittel vorhanden sind, die den
hydrostatischen Druck des Umlaufstroms an der Stelle, an der die Bauteile 34, 36)
die Lösung in die Leitung (32) des Umlaufstroms und in die Pumpe (30) einführen,
wenigstens ebenso hoch halten wie die Differenz zwischen dem Dampfdruck des Lösungsmittels
bei der Temperatur des Umlaufstroms und dem Dampfdruck des Lösungsmittels bei der
Temperatur des an dieser Stelle ankommenden Umlaufstroms, sowie ein Verfahren zur
Kristallisation von kristallisierbaren gelösten Stoffen aus einer Lösung dieser
Stoffe in einem Lösungsmittel, das wesentlich flüchtiger ist als Wasser, bei einer
wesentlich über dem Siedepunkt der Lösung bei Normaldruck liegenden Temperatur durch
Kühlen der Lösung, wobei man aus einem Kristallisationssystem oder -körper einen
Umlaufstrom abzieht und wieder in das Kristallisationssystem zurückführt, einen
aus der Lösung bestehenden Einsatzstrom der eine wesentlich höhere Temperatur hat
als der Umlaufstrom, in den Umlaufstrom einführt und einen Austragstrom aus dem
Kristallisationssystem und/oder dem Umlaufstrom abzi#eht, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man eine über mässige Bildung feiner Kristalle weitgehend ausschaltet,
indem man den hydrostatischen Druck des Umlaufstroms an der Stelle, an der er sich
mit dem Einsatzstrom vereinigt, wenigstens ebenso hoch hält wie die Differenz zwischen
dem Dampfdruck des Lösungsmittels bei der Temperatur des Einsatzstroms und dem Dampfdruck
des Lösungsmittels bei dei Temperatur des an dieser Stelle ankommenden Umlaufstroms.
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Die Kristallisation ist bekanntlich der Ubergang von kristallisierbarem
Material aus dem gelösten, geschmolzenen, flüssigen oder gasförmigen Zustand in
einen
kristallinen festen Zustand. Die Erfindung ist auf den Übergang von kristallisierbarem
Material aus dem gelösten Zustand in einen kristallinen festen Zustand oder, mit
anderen Worten, auf die Lösungskristallisation gerichtet.
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Lösungskristallisation findet nur statt, nachdem eine Lösung, die
aus dem kristallisierbaren Stoff (hier als Gelöstes bezeichnet) und einem Lösungsmittel
für das Gelöste besteht, übersättigt wird, d.h. mehr Gelöstes enthält als das Lösungsmittel
normalerweise bei der herrschenden Temperatur des Lösungsmittels zu lösen vermag.
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Auf die Übersättigung folgen Keimbildung und Kristallen wachstum.
Die Bildung von Kristallisationskeimen bzw.
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-kernen kann bewirkt werden, indem feine Kristalle des Gelösten oder
ein anderes kristallines Material dem Lösungsmittel zugesetzt werden, oder sie kann
spontan stattfinden. Kristallwachstum ist die Entwicklung von Kristallen aus den
Keimen oder Kernen. Es hängt davon ~ab, wie lange die Lösung übersättigt bleibt
und wie lange die Keime und Kerne und die wachsenden Kristalle mit der Lösung in
Berührung bleiben, während sie übersättigt ist.
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Ubersättigung der Lösung kann erreicht werden, indem die temperatur
der Lösung auf eine Teatperatur geändert wird, bei der das Gelöste im Lösungsmittel
weniger löslich ist (bei den meisten Ldsungsatitteln und Gelösten bedeutet dies
Kühlen der Lösung), das Lösungsmittel von der Lösung zur Xonzentrierung des Gelösten
abgedampft oder gleichzeitig die Lösungstealperatur geändert und das Lösungsmittel
abgedampft wird. Die Erfindung ist auf die Losungskristallisation gerichtet, bei
der die tJbersättigung wenigstens durch Kühlen der Lösung erreicht wird.
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Die Lösungskristallisation durch Kühlen wird als Chargenverfahren
oder als kontinuierliches Verfahren durchgeführt. Beim Chargenverfahren wird die
Lösung im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit oder mit Geschwindigkeiten gekühlt,
die so gewählt sind, daß die Lösung in den übersättigten Zustand gebracht und darin
gehalten wird, bis maximale Kristallisation erreicht ist, wodurch nach der Kristallkeimbildung
das gewünschte Ausmaß des Kristallwachstums erzielt wird. Beim kontinuierlichen
Verfahren wird das heisse konzentrierte Einsatzmaterial mit einem grossen Volumen
von im Kreislauf geführtem Brei bei der endgültigen Temperatur unter Bedingungen
gemischt, die zu einem geringen Anstieg der Temperatur und der Konzentration für
das umgewälzte Material führen. Die Übersättigung wird erreicht, indem dieses Gemisch
einem niedrigeren Dampfdruck in dem System ausgesetzt wird, wodurch das Gemisch
durch Abdampfen von Lösungsmittel gekühlt wird.
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Bei einem der bekannten kontinuierlichen Verfahren zur Kristallisation
durch Kühlen (zuweilen auch als Zwangsumwälzverfahren bezeichnet) werden ein System
(im vorliegenden Fall ein Kristallisationskörper oder -system), das kristallisiertes
Gelöstes und Mutterlauge (flüssiger Teil der Lösung nach dem Stattfinden der Kristallisation
des Gelösten) enthält, und ein mit hoher Geschwindigkeit zum und vom Kristallisationssystem
zirkulierender Strom ausgebildet. Der Kristallisationskörper oder das Kristallisationsystem
wird in kräftige Bewegung gebracht und in kräftiger Bewegung gehalten, und zwar
entweder auf mechanischem Wege oder, wie es üblich ist, auf hydraulischem Wege,
wobei man beispielsweise den umgewälzten Strom tangens tial in das Kristallisationssystem
einführt, ihn tangential daraus abzieht oder beides, wobei der Abzug in Richtung
der rotierenden Strömung im Kristallisationssystem erfolgt.
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Der Grad der Bewegung wird so gewählt, daß der Kristallisationskörper
ein Brei ist. Der Einsatzstrom aus heisser Lösung wird in den zirkulierenden Strom
eingeführt, während Brei als Austrittsstrom entweder aus dem Kristallisationssystem
oder
-körper oder aus dem umlaufenden Strom abgezogen wird. Bei einer Ausführungsforni
des Verfahrens wird der Umgebungsdruck des Kristallisationtsystems so gewählt, daß
Lösungsmittel vom Kristallisationssystem abt gedampft und hierdurch seine Temperatur
auf einen Wert unter der Temperatur des Einsatzstroms eingestellt und bei dieser
Temperatur gehalten wird. Die Durchflußgeschwindigkeit des umlaufenden Stroms ist
so hoch, daß der Einsatzstrom beim Eintritt in den umlaufenden Strom adiabatisch
auf die Temperatur des Kristallisationskörpers und des umlaufenden Stroms gekühlt
wird.
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Im Vergleich zur Chargenkristallisation hat die kontinuierliche Kristallisation
eine Reihe von Vorteilen. Wenn jedoch das vorstehend beschriebene kontinuierliche
Verfahren der Kristallisation durch Kühlen auf Lösungen angewandt wird, die Lösungsmittel
enthalten, die wesentlich flüchtiger sind als Wasser und bei Temperaturen gearbeitet
wird, die wesentlich höher sind als die Siedepunkte der Lösungsmittel in den Lösungen
bei Normaldruck, ergibt sich ein großer Nachteil. Die Austrittsströme enthalten
feine Kristalle in Konzentrationen, die für eine wirksame Abtrennung der Kristalle
aus der Mutterlauge zu hoch sind.
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Das Problem, das durch die Erfindung gelöst wird, besteht darin, wie
die Bildung von feinen Kristallen in solchen Fällen weitgehend ausgeschaltet werden
kann.
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Es wird angenommen, daß die übermässig starke Bildung von feinen Kristallen
in diesen Fällen daizuf zurückzuführen ist, daß Lösungsmittel unmittelbar vor der
Stelle, an der der Einsatzstrom in den wesentlich kühleren Umlaufstrom eintritt,
verdalllpft. Es wird angenemmen, daß schlagartige Verdampfung des Lösungsmittels
spontane Kristallkeimbildung bewirkt. Der Kühleffekt 1
des Umlaufstroms
auf den Einsatzstrom verursacht ebenfalls spontane Kristallkeimbildung. Aufgrund
der durch das Verdampfen des Lösungsmittels verursachten spontanen Kristallkeimbildung
ist nicht nur eine übermässig grosse Zahl von Keimen vorhanden , auf denen Kristalle
wachsen sondern die für das gristallwachstum verfügbare Menge des Gelösten ist auch
geringer. Das Ergebnis ist eine übermässig grosse Menge an feinen Kristallen. Der
Grund, weshalb das Abdampfen des Lösungsmittels stattfindet, liegt darin, daß der
Flüssigkeitsdruck oder die Flüssigkeitssäule an der Stelle der Einführung des Einsatzstroms
in den Umlaufstrom ungenügend ist, um Verilüchtigung des Losungsmittels im Linsatzstrom
zu verhindern, obwohl der Flüssigkeitsdruck oder die Flüssigkeitssäule genügt, Verflüchtigung!
des Lusungsmittels im kühleren Umlaufstrom zu verhindern.
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Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Bildung von reinen Kristallen
weitgehend ausgeschaltet, indem der Flüssigkeitsdruck oder die Flüssigkeitssäule
des Umlaufstroms an der Stelle der Einführung des Einsatzstroms auf einen Wert eingestellt
und bei einem Wert gehalten wird, der wenigstens ebenso gross und vorzug weise größer
ist als der Unterschied zwischen dem Dampf ~ druck des Lösungsmittels in dem eintretenden
Einsatzstrom und dem Dampfdruck des Lösungsmittels in dem an dieser Stelle ankommenden
Umlaufstrom. Der Dampfdruck des Lösungsmittels in einem Strom hängt von der Konzentration
der gelösten Stoffe in dem Strom und von der Temperatur dieses Stromes ab. Er kann
nach dem Fachmann bekannten Verfahren und Gleichungen bestimmt werden.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss
der Erfindung, insbesondere (jedoch ohne Begrenzung hierauf) bei Kühlung der Lösung
durch Kühlen des Kristallisationssystems oder -körpers oder
des
Umlaufstroms mit Hilfe von Kühlschlangen oder eines Wärmeaustauschers, wird der
erforderliche Flüssigkeitsdruck eingestellt und aufrecht erhalten, indem das Kristallisationssystem
unter einem Umgebungsdruck gehal ten wird, der dem Flüssigkeitsdruck entspricht.
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Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung,
insbesondere (jedoch ohne Begrenzung darauf) bei Durchführung der Kühlung durch
Abdampfen des Lösungsmittels, wird das Kristallisationssystem über der Einführungsstelle
des Einsatzstroms in den Umlaufstrom in einer Höhe angeordnet, in der der erfindungsgemäss
erforderliche Flüssigkeitsdruck eingestellt und aufrecht erhalten wird.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung, insbesondere
dann, wenn durch Abdampfen des Lösungsmittels gekühlt wird (jedoch ohne Beschränkung
darauf), wird der Behälter, der das Kristallisationssystem enthält, über der Verbindungsstelle
der Leitung des Einsatzstroms mit der Leitung des Umlaufstroms in einer Höhe angeordnet,
bei der der erforderliche hydrostatische Druck unter normalen Betriebsbedingungen
erhalten wird.
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Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss
der Erfindung werden sowohl der Umgebungsdruck als auch die Höhe des Kristallisationssystems
oderj -körpers so gewählt, daß der erforderliche hydrostatische Druck an der Einführungsstelle
des Einsatzstroms eingestellt und aufrecht erhalten wird.
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In Fällen, in denen maximale Kristallisation gewünscht wird und die
Stelle der Einführung des Ein satz stroms am Boden oder in Bodennähe liegt, kann
die Höhe des Kristallisationssystems über dem Boden, die erforderlich ist, um wenigstens
einen wesentlichen Anteil des gewünschten
hydrostatischen Drucks
an der Einführungsstelle des Einsatzstroms auszubilden, zu gross sein, um praktisch
durchführbar zu sein. In diesen Fällen wird die Kristallisation gemäss der Erfindung
in zwei oder mehr Stufen durchgeführt. In der ersten Stufe wird das Kristallisationssystem
in einer praktischen fiöhe über der Einführungsstelle des Einsatzstroms in den Umlaufstrom
angeordnet, und der Kristallisationskörper und der Umlaufstrom werden auf eine Temperatur
gebracht und bei einer Temperatur gehalten, bei der der Dampfdruck des Lösungsmittels
im Umlaufstrom ebenso hoch, vorzugsweise höher ist als der Unterschied zwischen
dem Dampfdruck des Lösungsmittels in dem eintretenden Einsatzstrom und dem hydrostatischen
Druck des Umlaufstroms an dieser Stelle. Unter diesen Bedingungen findet nur teilweise
Kristallisation des Gelösten in der ersten Stufe statt. In der zweiten Stufe wird
der kristallisationskörper ineinerprak -tischen Höhes über der Einführungsstelle
des Einsatzstroms für die zweite Stufe, der der Austrittsstrom der ersten Stufe
ist, angeordnet, und der Kristallisationskörper und der Umlaufstrom werden auf die
Temperatur gebracht und dabei gehalten, bei der der Dampfdruck des Lösungswattels
in dem UiT#aufstr0in ebenso hoch und vorzugsweise höher ist als der Unterschied
zwischen dem Dampfdruck des Lösungsmittels in dem eintretenden Einsatzstrom der
zweiten Stufe und dem hydro-;1 statischen Druck des Uinlaufstroms der zweiten Stufe
an dieser Stelle. Unter diesen Bedingungen wird mehr Ge-Gelöstes kristallisiert.
Wenn nicht die gesamte gewünschte Menge des Gelösten in der zweiten Stufe kristallisiert
wird, kann man eine dritte Stufe oder weitere Stufen verwendens Um das gewünschte
maximale Ausmaß der Kristallisation zu erreichen.
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Die z.Zt. als beste angesehene Ausführungsform der Durch führung des
Verfahrens gemäss der Erfindung wird durch die Abbildung veranschaulicht, die schematisch
eine bevorzugte Ausführungsform eines zweistufigen, mit Verdampfungskühlung arbeitenden
Kristallisierapparats gemäss der Erfindung zeigt.
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Der in der Abbildung dargestellte Kristallisierapparat umfaßt eine
erste Kristallisationsstufe lo und eine zweite Kristallisationsstufe 12.
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Zur ersten Kristallisationsstufe gehört ein Kristallisationsgefäß
14, das einen Kristallisationskcrper 16 bei einem Umgebungsdruck, der über Normaldruck
liegt, enthält. Das Gefäß hat eine gewölbte Haube mit einem Austritt für Lösungsmitteldämpfe,
der mit einer Dämpfeaustrittsleitung 18 verbunden ist, in die ein Mengen-und Behälterdruckregelventil
20 eingesetzt ist. Die Dämpfeaustrittsleitung 16 führt zu einem Kühler 22.
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Kondensierte Dämpfe werden aus dem Kühler 22 durch eine Kondensatleitung
24 ausgetragen, die in diesem Fall zu einem Eintritt im Kristallisationsgefäß 14
führt. Das Gefäß 14 ist mit einem Austritt versehen, durch den ein Brei strom tangential
vom Bodenbereich des Kristallisationssystems 16 abgezogen wird. Es ist ferner mit
einem Eintritt für einen gemischten Strom versehen, durch den ein Strom tangential
in Richtung der rotierenden Strömung oder Wirbelbewegung des Kristallisationssystems
16 in den oberen Teil des Kristallisationssystems, jedoch in den Bereich der dynamischen
Oberfläche des Kristallisationssystems 16 unter normalen Betriebsbedingungen eingeführt
wird. In Kombination mit dem Austritt und dem Eintritt des gemischten Stroms im
Kristallisationsgefäß 14 sind Leitungen für den#mlaufstrom und eine Pumpe angeordnet.
Diese Bauteile bestehen aus einer Leitung
26 für den Abzug von
Kristallisationsbrei, einer Pumpe 30 und einer Rückleitung 32. Die Breiatzugsleitung
26 führt von der Austrittsstelle des Breis im Kristallisationsgefäß 14 zur Saugseite
der Pumpe 30, während die Rückleitung 32 von der Druckseite der Pumpe nach oben
zum Eintritt des gemischten Stroms im Gefäß 14 führt.
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Mit der Rückleitung 32 ist eine Einsatzstromleitung 34 mit einem Mengenregel-und
Absperrventil 36 verbunden.
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Die Stelle, an der die Einsatzstromleitung 34 auf die Rückleitung
32, d.h. auf die Einführungsstelle des Einsatzstroms trifft, liegt erfindungsgemäss
dort, wo unter normalen Betriebsbedingungen der hydrostatische Druck des gemischten
Stroms in der Rückleitung 32 wenigstens so hoch und vorzugsweise höher ist als der
Unterschied zwischen dem Dampfdruck des Lösungsmittels in dem eintretenden Einsatzstrom
und dem Dampfdruck des Lösungsmittel in dem Umlaufstrom an dieser Stelle. Bei der
dargestellten Ausführungsform wird dieser hydrostatische Druck erhalten, indem das
Kristallisiergefäß 14 so angeordnetrd, daß der effektive Flüssigkeitsstand (durchschnittlicher
Stand der dynamischen Oberseite des Kristallisationssystems 16) im Gefäß unter normalen
Betriebsbedingungen in der Höhe H über der Einführungsstelle des Einsatzstroms liegt.
In dieser Höhe hat eine Säule des Gemisches aus Einsatzstromlösung und umlaufendem
Breistrom am Boden diesen hydrostatischen Druck.
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Als Folge hiervon weist die Rückleitung 32 einen nach oben verlaufenden
Abschnitt 38 von der Einführungastelle des Ensatz.qtroms bls zu der HaadE auf# inder
der gemischt Einsatzstrom und der U-mlaufstro# in das Kristall siergefäß 14 eingeführt
werden. Dieser Zweig der Leitung kann als hydrostatischer Schenkel angesehen werden.
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Brei wird aus der ersten Kristallisationsstufe 10 mit einer Austragleitung
40 abgezogen, die von der Breiabzugsleitung 26 zurzweiten Kristallisationsstufe
12
führt. In die Austragleitung 40 der ersten Stufe ist ein Mengenr#gel-
und Absperrventil 42 eingesetzt.
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Die zweite Kristallisationsstufe 12 weist ein zweites Kristallisiergefäß
44 auf, das ein Kristallisationssystem 46 bei einem unter Normaldruck liegenden
Umgebungsdruck enthält. Das Gefäß hat eine gewölbte Haube mit einem Austritt für
Lösungsmitteldämpfe, an den sich eine Dämpfeaustrittsgeitung 48 anschließt. Die
Leitung 48 führt zu einem Kühler 52. Das im Küher 52 gebildete Kondensat wird vom
Kühler durch eine Kondensatleitung 54 abgeführt, die bei dieser Ausführungsform
zu einem Eintritt im Kristallisiergefäß 44 führt. In Kombination mit. der Kondensatleitung
54 ist eine Vakuumleitung 55 torgesehen, die mit einem Vakuumregel- und Absperrventil
57 versehen ist und zu einer Vakuumquelle 59 führt.
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Das Kristallisiergefäß 44 ist mit einem Austritt, aus dem ein Breistrom
tangential aus dem Bodenbereich des Kristallisationskörpers 46 abgezogen wird, und
einem Eintritt für einen gemischten Strom versehen, durch den ein Strom tangential
in Richtung der rotierenden Stremung oder Wirbelbewegung des Kristallisationskörpers
46 unterhalb, jedoch im Bereich der dynamischen Oberfläche des Kristallisationskörpers
46 unter normalen Betriebsbedingungen eingeführt wird. In Kombination mit dem Austritt
und dem Eintritt des gemischten Stroms im Kristallisiergefäß 44 sind Leitungen für
den Umlaufstrom und eine Pumpe vorgesehen. Diese Bauteile bestehen aus einer Breiabzugsleitung
56, einer Pumpe 60 und einer Rückleitung 62. Die Breiabzugsleitung 56 verläuft vom
Breiaustritt im Kristallisiergefäß 44 nach unten zur Saugseite der Pumpe 60, während
die Rückleitung 62 von der Druckseite der Pumpe nach oben zum Eintritt des gemischten
Stroms im Gefäß 44 führte Mit der Rückleitung 62 ist die Austragleitung 40 der ersten
Stufe verbunden.
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Die Stelle, an der die Austragleitung 40 der ersten Stufe auf die
Rückleitung 62 trifft, d.h. die Stelle, an
der der Einsatzstrom
erfindungsgemäss in die zweite Stufe 12 eintritt, liegt dort, wo unter normalen
Betriebsbedingungen der hydrostatische Druck des gemischten Stroms in der Rückleitung
62 wenigstens so hoch und vorzugsweise höher ist als die Differenz zwischen dem
Dampfdruck des Lösungsmittels in dem eintretenden Austrittsstrom der ersten Stufe
und dem Dampfdruck des Lösungsmittels in dem Umlaufstrom an dieser Stelle. Bei der
dargestellten Ausführungsform wird dieser hydrostatische Druck erhalten, indem das
Kristallisiergefäß 44 so angeordnet wird, daß der effektive Flüssigkeitsstand (durchschnittlicher
Stand der dynamischen Oberseite des Kristallisationskörpers 46) im Gefäß unter normalen
Betriebsbedingungen sich in der Höhe H' über der Einführungsstelle des Einsatzstroms
befindet. In dieser Höhe hat eine Säule des Gemisches aus Austrittsbreistrom der
ersten Stufe und Umlaufbreistrom der zweiten Stufe am Boden diesen hydrostatischen
Druck. Als Ergebnis hat die Rückleitung 62 einen Zweig 68, der von der Einführungsstelle
des Austrittsstroms der ersten Stufe nach oben bis in die Höhe führt, in der das
Gemisch aus Austrittsstrom der ersten Stufe und Umlaufstrom der zweiten Stufe in
das Kristallisiergefäß 44 eingeführt wird. Dieser Zweig kann auch als hydrostatischer
Schenkel angesehen werden.
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Brei wird aus der zweigen Kristallisationsstufe 12 durch eine Austragleitung
70, in die ein 0lengenregel- und Absperrventil 72 eingesetzt ist, abgezogen. Diese
Leitung führt bei einigen Ausführungsformen zu einer oder mehreren zusätzlichen
Kristallisationsstufen. Bei der dargestellten Ausführungsforin führt sie jedoch
zur Xristallabscheidungsstufe 74r in der Kristalle und Mutterlauge getrennt werden.
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Im Betrieb des in der Abbildung dargestellten zweistuflgen KrssFa
lerappa es wird der Einsatz strom der
heissen Lösung bei einer
Temperatur, die wesentlich über der Siedetemperatur des darin enthaltenen Lösungsmittels
bei Normaldruck liegt, iurch die Einsatzstrom- j leitung 34 in die Rückleitung 32
der ersten Stufe eingeführt. Der Einsatzstrom wird hierbei schlagartig adia- 1 batisch
auf die herrschende Temperatur des durch die Rückleitung 32 fließenden Umlaufstroms
gekühlt. Aufgrund des hydrostatischen Drucks an der Stelle der Einführung des Einsatzstroms
in den Umlaufstrom findet keine schlagartige Verdampfung des Lösungsmittels im Einsatz
strom statt. Eine etwaige Kristallisationskeimbildung, die in dem gemischten Strom
stattfindet, der durch Vereinigung des Einsatzstroms mit dem Umlaufstrom gebildet
wird, ist eine Folge der Kühlung des Einsatzstroms. Die Bedingungen für das Kristallwachstum
sind somit maximal.
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Wenn der gemischte Strom in den Kristallisationskörper 16 eintritt,
findet Verdampfung von Lösungsmittel statt, wodurch Wärme aus dem Kristallisationssystem
16 abgeführt wird. Das Ausmaß der Verdampfung und somit die abgeführte Wärmemengetund
damit die.Temperatur des Kri- ! stallisationssystems 16) werden durch Regelung der
durch die Dämpfeaustrittsleitung 18 austretenden Menge der Lösungsmitteldämpfe und
damit des Innendrucks des Kristallisiergefäßes 14 geregelt. Durch Regelung des Drucks
in dieser Weise wird das Ausmaß der bösungsmittelverdampfung aus dem Kristallisationssystem
und damit die Temperatur des Kristallisationssystems geregelt. Brei wird aus dem
Kristallisationssystem durch die Breiabzugsleitung 26 in einer durch die Förderleistung
der Pumpe 30 und Regelung der Fördermenge der Pumpe 30 geregelten Menge abgezogen,
bei der der Umlaufstrom durch die Pumpe 30 und die Rückleitung 32 in einer solchen
Menge strömt, daß er im wesentlichen die Temperatur des; Kristallisationskörpers
16 hat und das durch den hydrostatischen Schenkel 38 nach oben fließende Gemisch
aus Einsatzstrom und Umlaufstrom im wesentlichen die gleiche Temperatur wie der
Kristallisationskörper 16 hat. Der
Kristallisationskörper 16 wird
auf eine Temperatur eingestellt und bei einer Temperatur gehalten, bei der der Dampfdruck
des Lösungsmittels bei der im Umlaufstrom herrschenden Temperatur wenigstens ebenso
hoch und vorzugsweise höher ist-als der Dampfdruck des Lösungsmittels in dem eintretenden
Einsatzstrom der Einsatzstromleitung 34 abzüglich des hydrostatischen Drucks am
Boden des hydrostatischen Schenkels 38.
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Ein Teil des aus dem Kristallisationssystem durch die Breiabzugsleitung
26 abgezogenen Breis wird durch die -I Breiaustragleitung 40 in die zweite Kristallisationsstufe
geführt. In dieser Stufe wird das Kristallisation: system 46 unter vermindertem
Druck gehalten. Durch Regelung der Größe des angelegten Vakuums mit llilfe des Ventils
57 in der Vakuumleitung werden der Druck des Kristailisattonssystems 46, das Ausmaß
der Abdampfung von Lösungsmittel aus dem Kristallisationssystem und damit die Temperatur
des Kristallisationssystems 46 geregelt. Der Brei wird aus dem Kristallisationssystem
46 über eine Breiabzugsleitung 56 in einer durch die Fördermenge der Pumpe und Regelung
der Drehzahl der Pumpe 60 eingestellten Menge abgezogen, bei der die Durchflußmenge
des Ulalaufstroms durch die Pumpe 60 und 1 die cklituny 62 und des durch den hydrostatischen
Schenkel 68 fließenden Gemisches aus Austrittsstrom der ersten Stufe und Umlaufstrom
der zweiten Stufe derart ist, daß sie im wesentlichen die gleiche Temperatur haben
wie das Kristallisationssystem 46. Die Temperatur des Kristallisationssystems 46
wird hierdurch auf einen Wert gebracht und bei einem Wert gehalten, bei dem der
Dampfdruck des Lösungsmittels in dem Umlaufstrom, der an der Einführungsstelle des
Austrittsstroms der ersten Stufe ankommt, wenigstens ebenso hoch und vorzugsweise
höher ist als der Dampfdruck des Lösungsmittels in dem Austrittsstrom der ersten
Stufe in der Leitung 40 abzüglich
des hydrostatischen Drucks am
Boden des hydrostatischen Schenkel 68.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Kristallisierapparat ist eine gewünschte
maximale Kristallisation des gelösten Stoffs aus dem ursprünglichen Einsatzstrom
bei minimaler Bildung feiner Kristalle erzielbar.
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Eine typische Anwendung dieses zweistufigen Kristallisationssystems
ist die Kristallisation von Dimethylterephthalat (DMT) aus Methanol. Die Löslichkeitswerte
für DMT in Methanol und die Dampfdrücke von Methanol bei verschiedenen Temperaturen
sind in der folgenden 1 Tabelle genannt.
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:51 Temp. Löslichkeit Dampfdruck von Methanol C g DMT/loo g mm Hg
abs. mm Methanol, abs.
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Lösung 40 2.1 255 4.4 50 3.5 400 6 9 #~ 60 5.7 620 10.7 70 9.8 940
16.2 80 16.0 1,350, 23.2 90 27.0 l,900- 32.7 100 44.0 2,600 44.8 110 70.0 3,550
61.1 x) Unter der Annahme einer konstanten Dichte des Xe.thanols von o,79 g/ml und
Vernachlässigung von Lösungseffekten.
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tagebungsdruck des Kristallisationssystems 46 28O mm Hg abs.
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Temperatur des Kristallisationssystems 46 42,oOC H' wenigstens 12,5
m (41,o Fuß) Unter diesen Bedingungen wird eine übermässig starke Bildung mn feinen
DMT-Kristallen weitgehend ausgeschaltet.
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Aus diesen Werten kann berechnet werden, daß für einen einstufigen
Kristallisierapparat gemdss der Erfindung mit einem Einsatzstrom, der aus einer
gesättigten Lösung von DMT in Methanol bei oo°C besteht, und mit einer Temperatur
des Kristallisationssystems ton 500C das Kristallisationssystem in einer solchen
Ildhe angeordnet werden muss, daß die Höhe des effektiven Flüssigkeitsstandes des
Kristallisationssystems unter normalen Bedingungen wenigstens etwa 37,9 m über der
Einführung I stelle des Einsatzstroms in den Umlaufstrom betragen muss. Bei einer
Temperatur des Kristallisationssystems von 420 muss die Höhe des effektiven Flüssigkeitsstandes
des Kristallisationssystems unter normalen Arbeitsbedingungen wenigstens (durch
Interpolation der vorstehenden Werte, die als LogarQthmus des Drucks in Abhängigkeit
vom reziproken Wert der absoluten Temperatur graphisch dargestellt sind) etwa 39,9
m über der Einführungsstelle des Einsatzstroms in den Umlaufstrom betragen. Die
Anordnung von Kristallisiergefäßen in Höhen, in denen die Kristallisationssysteme
diese normalen effektiven Höhen der Flüssigkeitsstände haben, im allgemeinen nicht
zweckmässig und durchführbar. Demzufolge wird unter diesen Bedingungen ein mehrstufiger
Kristallisierapparat bevorzugt.
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Für die Kristallisation einer gesättigten ethanollösung von Dimethylterephthalat
in dem in der Abbildung dargestellten zweistufigen, kontinuierlich arbeitenden Kristallisierapparat
sind die folgenden normalen Arbeitsbedingungen typisch: Temperatur des Einsatzstroms
34 1Oo°C Umgebungsdruck des Kristallisationssystems 16 . looo mm Hg abs.
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Temperaur des Kristallisationssystems 16 71,20C EI = wenigstens 27,5
m (9o,2 Fuß)