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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Eindampfkristallisator zur Erzeugung
grobkörniger Kristalle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie
dessen Verwendung.
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Gebräuchlicherweise wird beim Eindampfen von Lösungen, insbesondere
wässriger, anorganische Salze enthaltender Lösungen mit Umwälzkristallisatoren gearbeitet.
Die einzudampfende Lösung wird einem Verdampfer zugeführt. Die im Verdampfer befindliche
konzentrierte Lauge wird unter Zwischenschaltung einer Umwälzpumpe zwischen dem
Verdampfer und einem aussenliegenden Heizkörper umgewälzt.
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Der Zwangsumlauf wird dabei so eingestellt, dass die umgewälzte Lösung
im Heizkörper um 2 bis 3 0C erwärmt wird.
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Die aufgeheizte Lösung wird anschliessend in den Verdampferraum des
Verdampfers rückgeführt, entspannt und abgekühlt. Der dabei entstehende Lösungsmitteldampf,
in der Regel Wasserdampf, wird über Kopf aus dem Verdampfer abgezogen. Die Lösung
selbst wird um den Betrag der abgezogenen Brüden konzentriert. Wenn die Konzentration
des im Lösungsmittel gelösten Feststoffes die Sättigungsgrenze erreicht hat, kristallisiert
der Feststoff beim Abkühlen der umgewälzten Lösung im Verdampfer aus.
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Insbesondere beim Einengen und Auskristallisieren anorganischer Salze
aus wässrigen Lösungen, aber auch bei anderen Lösungssystemen, tritt dabei häufig
das Problem auf, dass die ausfallenden Kristalle zu fein sind. Um eine bestimmte
vorgegebene Korngrösse erreichen zu können, muss in der im Verdampfer umgewälzten
Mutterlauge eine ausreichende Anzahl von Impfkristallen vorhanden sein. Im
Fall
wässriger anorganischer Salzlösungen werden zur Erzielung einer möglichst grobkörnigen
Kristallabscheidung mit der Lauge im Verdampfer Impfkristalle in einer Konzentration
von etwa 400 bis 600 g/l umgewälzt. Eine Impfkristallkonzentration dieser Grössenordnung
ist erforderlich, reicht aber auch aus, um in üblichen wässrigen Salzlösungen eine
überschüssige Kristallkeimbildung und ein feinkristallines Ausfallen der gelösten
Salze aus den übersättigten Lösungen zu unterdrücken.
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Ein sicheres und rasches Auskristallisieren der gelösten Substanzen,
hier der gelösten Salze, ist ausserdem erforderlich, um die bei der Rückführung
in den Verdampfer und Abkühlung übersättigte Lösung vor dem Wiedereintritt in den
Heizkörper ausreichend zu entsättigen. Gelangt die umgewälzte Lauge übersättigt
in den Heizkörper zurück, so besteht die Gefahr der Inkrustierung der Registerrohre
und eines verhältnismässig schnellen Zusetzens der Rohrleitungen.
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Für die meisten wässrigen Salzlösungen hat sich dabei eine Impfkristallkonzentration
in der umgewälzten Lauge in der Grössenordnung von 400 bis 600 g/l als erforderlich
erwiesen, wenn nicht zur Erzielung ausreichend grober Kristalle untragbar lange
Verweilzeiten im Verdampfer in Kauf genommen werden sollen.
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In zahlreichen Anwendungsfällen, insbesondere beim Einengen von Lösungen
mehrerer Feststoffe, speziell mehrerer Salze, tritt jedoch das Problem auf, dass
diese Lösungen nur bis zu einer vorgegebenen Konzentration eingedampft werden sollen
oder dürfen, wobei bei dieser vorgegebenen Konzentration einerseits zwar schon Kristalle
ausgeschieden werden, andererseits aber eine Impfkristallkonzentration
in
der erforderlichen Grössenordnung nicht ohne weiteres aufrechtzuerhalten ist. In
diesen Fällen wird die erforderliche Impfkristallkonzentration daher in der Weise
eingestellt und aufrechterhalten, dass aus dem Verdampfer ständig feststofffreie
Mutterlauge abgezogen wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens sind Kristallisatoren stehender
Bauart mit Zwangsumlauf bekannt, bei denen zentral im zylindrischen Verdampfer ein
zylindrischer Mantel angeordnet ist, der zur Wandung des Verdampfers einen Ringraum
abgrenzt. Uber diesen Ringraum wird die überstehende Lauge langsam und mit geringer
Strömungsgeschwindigkeit nach oben abgezogen. Die Strömungsgeschwindigkeit der abgezogenen
Lauge ist dabei so gering bemessen, dass die in der Lösung dispergierten Feinkristallanteile
entgegen der Strömungsrichtung der abgezogenen Mutterlauge zum Boden des Verdampfers
absinken.
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Nachteilig bei diesem gebräuchlichen Kristallisator ist, dass in dem
zwischen Einbaukörper und Verdampfermantel gebildeten Ringraum keine gleichmässige
Strömung der abzuziehenden Lauge erhältlich ist. Mit Querkomponenten erhöhter Geschwindigkeit
strömt die Lauge stets der Stelle zu, an der sie abgezogen wird. Dadurch treten
lokal überhöhte Strömungsgeschwindigkeiten und Verwirbelungen auf, die einem Absetzen
der dispergierten feinen Kristalle und Kristallite entgegenwirken. Im Falle der
Einengung und Auskristallisation anorganischer Salze aus wässrigen Lösungen führt
die auf diese Weise abgezogene Lauge noch dispergierte Kristalle mit einer Korngrösse
im Bereich von etwa 0,5 mm in grosser Menge mit.
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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Verdampfungskristallisator mit Zwangsumwälzung der eingangs genannten
Art zu schaffen, der ein praktisch feststofffreies Abziehen der Mutterlauge ermöglicht.
Praktisch feststofffrei" heisst dabei, dass die Korngrösse der unvermeidbar mitgeführten
dispergierten Feinstkristallite so klein wie möglich gehalten werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kristallisator der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäss die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale
aufweist.
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Die Erfindung schafft also einen Kristallisator, dessen Verdampfer
zum Abziehen einer impfkristallfreien Mutterlauge zentral ein sich trichterförmig
öffnendes Abzugsrohr aufweist. Dabei ist die Einlauföffnung des Absaugtrichters
so gross bemessen, dass die auf den Querschnitt bezogene lineare Strömungsgeschwindigkeit
der mit vorgegebenem Volumenstrom abgezogenen Mutterlauge so gering ist, dass sie
kleiner als die Sinkgeschwindigkeit auch der Feinstkristalle unter den gegebenen
Betriebsbedingungen ist. Der Trichter ist vorzugsweise so bemessen, dass die Geschwindigkeit
der abgezogenen Lauge auch in einer bestimmten Höhe über der horizontalen Einlaufebene
noch kleiner als die Sinkgeschwindigkeit der feinstkristallinen in der Lauge dispergierten
Feststoffteilchen ist.
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Die Form des Absaugtrichters ist im wesentlichen kreiskegelförmig
ausgebildet. Im Detail kann seine Ausbildung, insbesondere sein Axialschnitt, aber
auch von der strengen Kreiskegelform abweichen. Mantelflächen mit im wesentlichen
glockenförmigem, parabolischem oder auch hyperbolischem Verlauf sind für viele Zwecke
vorteilhaft.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Absaugtrichter vorzugsweise
schwingfähig oder vibrationsfähig aufgehängt und/oder ausgebildet. Der Trichter
soll also in der Lage sein, in der Anlage auftretende Schwingungen und Vibrationen
aller Art, insbesondere auch Strömungsverwirbelungen, aufzunehmen. Durch die Aufnahme
solcher Vibrationen am Trichter und durch den Trichter wird verhindert, dass seine
Aussenseite verkrustet. Versuche haben gezeigt, dass bei einer Ausbildung des Absaugtrichters
aus Metall bereits eine elastische Aufhängung des Trichters, beispielsweise an Gummikonstruktionen,
ausreicht, um dem Trichter aus der Lauge so viel kinetische Energie aufzuprägen,
dass eine Verkrustung der Trichteraussenseite wirksam verhindert werden kann.
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Als ausserordentlich wirkungsvoll hat sich auch die Ausbildung des
gesamten Trichters aus Gummi erwiesen.
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Bei Ausbildung des Trichters aus Gummi kann selbstverständlich ebenfalls
eine elastische Aufhängung vorgesehen sein, jedoch ist dies in den meisten Fällen
nicht erforderlich.
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Der Eindampfkristallisator kann prinzipiell für jede beliebige Kristallisationsaufgabe
eingesetzt werden, bei der eine Abscheidung grober Kristalle erforderlich ist. So
lässt sich der Kristallisator beispielsweise auch zur grobkristallinen Abscheidung
organischer Substanzen einsetzen, die sonst nur unter Inkaufnahme erheblicher Verweilzeiten
kristallisierbar sind. Vorzugsweise wird der Kristallisator jedoch zum Abscheiden
anorganischer Salze aus wässrigen Lösungen eingesetzt, und zwar speziell aus Lösungen
mehrerer Salze. Mit besonderem Vorteil wird der Kristallisator der Erfindung zur
Einengung und zum grobkristallinen Abscheiden von Natriumchlorid aus typischen Prozess-
und Industrieabwässern
eingesetzt, die in einer Konzentration von
5 bis 10 Gew.-% im Zulauf NaCl und CaCl2 enthalten.
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Durch den zentralen trichterförmigen Abzug der Mutterlauge wird vor
allem eine ungewöhnliche und vollkommen gleichmässige Abzugsströmungsgeschwindigkeit
erzielt. Dies wiederum ist die Voraussetzung für ein sicheres und vollständiges
Absinken auch feinster in der Lauge dispergierter Impfkristallite.
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So können beispielsweise bei der grobkristallinen Abscheidung von
NaCl-Kristallen aus NaCl und CaCl2 enthaltenden wässrigen Lösungen im Produktionsanlagenmaß
stab mit Durchsatzen im Tonnenbereich bei einer Impfkristallkonzentration von 600
g/l im Verdampfer Mutterlaugen mit einer Strömungsgeschwindigkeit in den Abzugsleitungen
von etwa 0,5 bis 1,0 m/s abgezogen werden, die keine Kristalle mit einer Korngrösse
von über 0,05 mm mehr mitführen.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Kristallisators
in schematischer Darstellung.
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Der in der Fig. 1 in schematischer Darstellung gezeigte Verdampfungskristallisator
ist ein Kristallisator mit Zwangsumlauf der Lauge. Der Kristallisator besteht aus
dem Verdampfer 1, der Umwälzpumpe 2 und dem aussenliegenden Heizregister 3. Das
Heizregister 3 wird im Gegenstrom mit Prozessdampf beheizt, der am Einlaßstutzen
4 aufgegeben
wird. Das Register und die Umwälzmenge sind so aufeinander
abgestimmt, dass die umgewälzte Lösung im Heizregister 3 um etwa 2 bis 3 0C erwärmt
wird. Die über Düsen in den Verdampferraum des Verdampfers 1 eingestrahlte und dort
entspannte erwärmte Lauge wird dabei im Verdampfer um die gleiche Temperaturspanne
wieder abgekühlt. Dabei wird der Lösung Wasserdampf entzogen, der über Kopf durch
einen Brüdenstutzen 5 aus dem Verdampfer abgezogen wird.
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Die einzudampfende Lösung, beispielsweise eine fünf- bis zehnprozentige
wässrige Lösung von NaCl und CaCl2, wird über einen Zulaufstutzen 6 am Kopf der
Verdampfers 1 in den Verdampfer aufgegeben. Diese Zulauf lösung wird im Verdampfer
konzentriert, im hier betrachteten Ausführungsbeispiel der wässrigen NaCl/CaCl2-Lösung
beispielsweise auf eine Konzentration der Lösung von etwa 30 bis 40 Gew.-%. Dabei
tritt ab einer Konzentration von etwa 20 Gew.-% eine ausserordentlich feinkristalline
Abscheidung von NaCl-Kristallen ein. Um diese unerwünschte feinkristalline Abscheidung
in eine grobkristalline Abscheidung zu überführen, muss in der Lauge im Verdampfer
ständig eine Impfkristallkonzentration in der Grössenordnung von etwa 400 bis 600
g/l aufrechterhalten werden.
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Um eine solche Konzentration in wirtschaftlich vertretbarer Weise
aufrechterhalten zu können, wird aus dem Verdampfer 1 kontinuierlich impfkristallfreie
Mutterlauge über einen Absaugtrichter 7 und eine Abzugsleitung 9 abgezogen, die
am Kopf 8 des Trichters 7 in den Abzugstrichter mündet.
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Durch den kontinuierlichen Abzug der impfkristallfreien Mutterlauge
wird in der umgewälzten Lauge die Impfkristallkonzentration auch bei grösseren Zulaufströmen
auf
der erforderlichen Höhe gehalten.
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Der Trichter 7 ist zentral im Verdampfer 1 angeordnet.
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Der Trichter 7 öffnet sich abwärts und verjüngt sich aufwärts. Die
offene Eintrittsfläche des Trichters 7 liegt oberhalb des sich kegelförmig abwärts
verjüngenden Kristallabscheidebereichs des Verdampfers 1. Das obere Ende 8 des Trichters
7, in das die Abzugsleitung 9 mündet, liegt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der
Lauge im Verdampfer 1. Ebenso liegt die vorzugsweise horizontal aus dem Verdampfer
1 herausgeführte Abzugsleitung 9 für die Mutterlauge, die am oberen Ende 8 des Kegels
7 in diesen mündet, unterhalb des Spiegels der Lauge im Verdampfer 1.
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Die untere freie Laugeneinlauföffnung im Trichter 7 ist so gross bemessen,
dass die lineare Strömungsgeschwindigkeit der einlaufenden Lauge bei vorgegebener
Abzugsgeschwindigkeit in der Abzugsleitung 9 kleiner ist als die Sinkgeschwindigkeit
der Feinstkristalle unter Betriebsbedingungen. Vorzugsweise wird diese Geschwindigkeit
von der strömenden Lauge im Trichter 7 erst oberhalb des unteren Drittels, insbesondere
erst oberhalb der Hälfte der Höhe des Trichters, überschritten. Dadurch ist gewährleistet,
dass auch die feinsten Kristalle nicht mit der abgezogenen Lauge mitgerissen werden,
sondern im Verdampfer 1 frei absinken können.
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Für das hier gewählte Beispiel der Abscheidung grobkristalliner NaCl-Kristalle
aus wässrigen Lösungen, die NaCl und CaCl2 enthalten, wird der Einlaufquerschnitt
im Trichter vorzugsweise so gewählt, dass noch Salzkristalle mit einem Korndurchmesser
in der Grössenordnung von etwa 0,1 bis 0,05 mm nicht mehr mit der Mutterlauge
ausgetragen
werden können.
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Um Verkrustungen auf dem Aussenmantel des Trichters 7 in jedem Fall
zu vermeiden, ist der Trichter vorzugsweise nicht starr, sondern elastisch und vibrationsfähig
aufgehängt und oder ausgebildet. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht
der Trichter 7 aus einer Gummimischung mit einer ausserordentlich sorgfältig und
glatt gearbeiteten äusseren Oberfläche.
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Durch die glatte und geschlossene Ausbildung der Oberfläche und die
Aufnahme von Strömungsvibrationen ist eine Verkrustung der Aussenfläche des Trichters
auch in hartnäckigen Fällen sicher auszuschliessen. Die Elastizität der zur Herstellung
des Trichters 7 verwendeten Gummimasse ist dabei so eingestellt, dass die im Inneren
des Trichters strömende Lauge nicht mit zusätzlicher störender kinetischer Energie
beaufschlagt wird.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Trichter 7 auch aus
Metall hergestellt und an Gummihalterungen aufgehängt sein. Als besonders vorteilhaft
hat sich der Einsatz eines glatt mit Gummi beschichteten Metalltrichters bewährt.
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Ein Absetzen der Kristalle auf dem Aussenmantel des Trichters 7 wird
auch durch die Strömung der im Verdampfer 1 abwärts strömenden Lauge verhindert.
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Die sich am Boden des Verdampfers 1 absetzenden groben Kristalle,
hier der NaCl-Kristalle, werden über einen am Boden des Verdampfers 1 angebrachten
Stutzen 10, zweckmässigerweise unter Zuhilfenahme einer Salzbreipumpe 11, ausgetragen.
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Bei Inbetriebnahme der Anlage wird diese zunächst mit der verdünnten
über den Zulauf 6 zugeführten Lösung gefüllt.
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Die verdünnte Lösung wird über die Pumpe 2 und das Heizregister 3
umgewälzt und aufgeheizt. Das dabei verdampfende Lösungsmittel wird über den Brüdenabzug
5 abgezogen. In der Menge, in der die Brüden abgezogen werden, wird weitere verdünnte
Lösung über den Zulauf 6 in den Verdampfer 1 aufgegeben. Nach Uberschreiten der
Sättigungskonzentration des gelösten Stoffes oder der gelösten Stoffe in der umgewälzten
Lauge treten die ersten Kristallkeine, Feinstkristalle und Impfkristalle auf. Nach
Erreichen einer vorgegebenen Impfkristallkonzentration von etwa 400 bis 600 g/l
in der umgewälzten Lauge wird über den Trichter 7 und die Abzugsleitung 9 impfkristallfreie
Mutterlauge kontinuierlich abgezogen.
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Dadurch wird die Irnpfkristallkonzentration in der umgewälzten Lauge
erhöht. Die bei weiterer Fortfflhrung des Verfahrens wachsenden Kristalle werden,
wenn sie die gewünschte Körnung erreicht haben, am Boden des Verdampfers 1 über
den Stutzen 10 und die Pumpe 11 abgezogen. Dies kann kontinuierlich oder absatzweise
erfolgen. Nach dem Einfahren der Verdampfung und der Kristallisation werden dann
der Lösungszulauf über den Stutzen 6 und der Materialsaustrag aus dem Verdampfer
1 über den Brüdenkanal 5, den Laugenabzugskanal 9 und den Kristallaustrag 10 so
aufeinander abgestimmt, dass sich im Kristallisator stationäre Betriebsbedingungen
einstellen.