DE2740559C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Eindampfkristallisator zur Erzeugung grobkörniger Kristalle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie dessen Verwendung.

Gebräuchlicherweise wird beim Eindampfen von Lösungen, ins­ besondere 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 einen außen­ liegenden Heizkörper umgewälzt.

Der Zwangsumlauf wird dabei so eingestellt, daß die um­ gewälzte Lösung im Heizkörper um 2 bis 3°C erwärmt wird. Die aufgeheizte Lösung wird anschließend in den Ver­ dampferraum 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 ab­ gezogenen 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.

Insbesondere beim Einengen und Auskristallisieren anor­ ganischer 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 aus­ reichende 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 Kon­ zentration von 400 bis 600 g/l umgewälzt. Eine Impf­ kristallkonzentration dieser Größenordnung ist er­ forderlich, reicht aber auch aus, um in üblichen wäß­ rigen Salzlösungen eine überschüssige Kristallkeimbildung und ein feinkristallines Ausfallen der gelösten Salze aus den übersättigten Lösungen zu unterdrücken.

Ein sicheres und rasches Auskristallisieren der ge­ lösten Substanzen, hier der gelösten Salze, ist außer­ dem erforderlich, um die bei der Rückführung in den Verdampfer und Abkühlung übersättigte Lösung vor dem Wiedereintritt in den Heizkörper ausreichend zu ent­ sättigen. Gelangt die umgewälzte Lauge übersättigt in den Heizkörper zurück, so besteht die Gefahr der In­ krustierung der Registerrohre und eines verhältnismäßig schnellen Zusetzens der Rohrleitungen.

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 aus­ reichend grober Kristlle untragbar lange Verweilzeiten im Verdampfer in Kauf genommen werden sollen.

In zahlreichen Anwendungsfällen, insbesondere beim Ein­ engen von Lösungen mehrerer Feststoffe, speziell mehrerer Salze, tritt jedoch das Problem auf, daß diese Lö­ sungen 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 Impfkristall­ konzentration 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 feststoffreie Mutterlauge abgezogen wird.

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. Über diesen Ringraum wird die überstehende Lauge langsam und mit geringer Strömungs­ geschwindigkeit nach oben abgezogen. Die Strömungsge­ schwindigkeit der abgezogenen Lauge ist dabei so gering bemessen, daß die in der Lösung dispergierten Fein­ kristallanteile entgegen der Strömungsrichtung der abgezogenen Mutterlauge zum Boden des Verdampfers ab­ sinken.

Nachteilig bei diesem gebräuchlichen Kristallisator ist, daß in dem zwischen Einbaukörper und Verdampfer­ mantel gebildeten Ringraum keine gleichmäßige Strömung der abzuziehenden Lauge erhältlich ist. Mit Querkompo­ nenten 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 dis­ pergierten feinen Kristalle und Kristallite entgegen­ wirken. Im Falle der Einengung und Auskristallisation anorganischer Salze aus wäßrigen Lösungen führt die auf diese Weise gezogene Lauge noch dispergierte Kristalle mit einer Korngröße im Bereich von etwa 0,5 mm in großer Menge mit.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfinung die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfungskristallisator mit Zwangsumwälzung der eingangs genannten Art zu schaffen, der ein praktisch feststoffreies Abziehen der Mutterlauge ermöglicht. "Praktisch feststoffrei" heißt aber, daß die Korngröße der unvermeidbar mitgeführten disper­ gierten Feinstkristallite so klein wie möglich gehalten werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kristallisator der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der erfindungs­ gemäß die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale aufweist.

Die Erfindung schafft also eine Kristallisator, dessen Verdampfer zum Abziehen einer impfkristallfreien Mutter­ lauge zentral ein sich trichterförmig öffnendes Abzugs­ rohr aufweist. Dabei ist die Einlauföffnung des Absaug­ trichters so groß bemessen, daß die auf den Querschnitt bezogene lineare Strömungsgeschwindigkeit der mit vor­ gegebenem 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 be­ stimmten Höhe über der horizontalen Einlaufebene noch kleiner als die Sinkgeschwindigkeit der feinstkristallinen in der Lauge dispergierten Feststoffteilchen ist.

Die Form des Absaugtrichters ist im wesentlichen kreis­ kegelförmig 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.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Absaug­ trichter vorzugsweise schwingfähig oder vibrationsfähig aufgehängt und/oder ausgebildet. Der Trichter soll also in der Lage sein, in der Analge auftretende Schwingungen und Vibrationen aller Art, insbesondere auch Strömungs­ verwirbelungen, 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 Absaug­ trichters aus Metall bereits eine elastische Aufhängung des Trichters, beispielsweise an Gummikonstruktionen, ausreicht, um dem Trichter aus der Lauge so viel ki­ netische Energie aufzuprägen, daß eine Verkrustung der Trichteraußenseite wirksam verhindert werden kann. Als außerordentlich wirkungsvoll hat sich auch die Ausbildung des gesamten Trichters aus Gummi erwiesen. Bei Ausbildung des Trichters aus Gummi kann selbst­ verständlich ebenfalls eine elastische Aufhängung vor­ gesehen sein, jedoch ist dies in den meisten Fällen nicht erforderlich.

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 Abscheidnung organischer Sub­ stanzen einsetzen, die sonst nur unter Inkaufnahme erheblicher Verweilzeiten kristallisierbar sind. Vorzugs­ weise 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 Industrie­ abwässern eingesetzt, die in einer Konzentration von 5 bis 10 Gew.-% im Zulauf NaCl und CaCl₂ enthalten.

Durch den zentralen trichterförmigen Abzug der Mutterlauge wird vor allem eine ungewöhnliche und vollkommen gleich­ mäßige Abzugsströmungsgeschwindigkeit erzielt. Dies wiederum ist die Voraussetzung für ein sicheres und vollständiges Absinken auch feinster in der Lauge dis­ pergierter Impfkristallite.

So können beispielsweise bei der grobkristallinen Ab­ scheidung von NaCl-Kristallen aus NaCl und CaCl₂ enthaltenden wäßrigen Lösungen im Produktionsanlagen­ maßstab mit Durchsätzen im Tonnenbereich bei einer Impfkristallkonzentration von 600 g/l im Verdampfer Mutterlaugen mit einer Strömungsgeschwindigkeit in den Abzugsleitungen von 0,5 bis 1,0 m/s abgezogen werden, die keine Kristalle mit einer Korngröße von über 0,05 mm mehr mitführen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Kristallisators in schematischer Darstellung.

Der in 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 auf­ gegeben wird. Das Register und die Umwälzpumpe sind so aufeinander abgestimmt, daß die umgewälzte Lösung im Heizregister 3 um 2 bis 3°C 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.

Die einzudampfende Lösung, beispielsweise eine fünf- bis zehnprozentige wäßrige Lösung von NaCl und CaCl₂, wird über einen Zulaufstutzen 6 am Kopf der Verdampfer 1 in den Verdampfer aufgegeben. Diese Zulauflösung wird im Verdampfer konzentriert, im hier betrachteten Aus­ führungsbeispiel der wäßrigen NaCl/CaCl₂-Lösung beispiels­ weise auf eine Konzentration der Lösung von 30 bis 40 Gew.-%. Dabei tritt ab eine Konzentration von etwa 20 Gew.-% eine außerordentlich feinkristalline Ab­ scheidung von NaCl-Kristallen ein. Um diese unerwünschte feinkristalline Abscheidung in eine grobkristalline Ab­ scheidung zu überführen, muß in der Lauge im Verdampfer ständig eine Impfkristallkonzentration in der Größen­ ordnung von 400 bis 600 g/l aufrechterhalten werden. Um eine solche Konzentration in wirtschaftlich vertret­ barer Weise aufrechterhalten zu können, wird aus dem Verdampfer 1 kontinuierlich impfkristallfreie Mutterlauge über einen Absaugtricher 7 und eine Abzugsleitung 9 abgezogen, die am Kopf 8 des Trichters 7 in den Abzugs­ trichter mündet.

Durch den kontinuierlichen Abzug der impfkristallfreien Mutterlauge wird in der umgewälzten Lauge die Impf­ kristallkonzentration auch bei größeren Zulaufströmen auf der erforderlichen Höhe gehalten.

Der Trichter 7 ist zentral im Verdampfer 1 angeordnet. 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 der 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 Abzugs­ leitung 9 für die Mutterlauge, die am oberen Ende 8 des Kegels 7 in diesen mündet, unterhalb des Spiegels der Lauge im Verdampfer 1.

Die untere freie Laugeneinlauföffnung im Trichter 7 ist so groß gemessen, daß die lineare Strömungsge­ schwindigkeit 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.

Für das hier gewählte Beispiel der Abscheidung grob­ kristalliner NaCl-Kristalle aus wäßrigen Lösungen, die NaCl und CaCl₂ enthalten, wird der Einlaufquerschnitt im Trichter vorzugsweise so gewählt, daß noch Salz­ kristalle mit einem Korndurchmesser in der Größenordnung von 0,1 bis 0,05 mm nicht mehr mit der Mutterlauge ausgetragen werden können.

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 be­ schriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Trichter 7 aus einer Gummimischung mit einer außerordnetlich sorgfältig und glatt gearbeiteten äußeren Oberfläche. Durch die glatte und geschlossene Ausbildung der Ober­ fläche 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 ver­ wendeten Gummimasse ist dabei so eingestellt, daß die im Inneren des Trichters strömende Lauge nicht mit zu­ sätzlicher störender kinetischer Energie beaufschlagt wird.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Trichter 7 auch aus Metall hergestellt und an Gummihalterungen auf­ gehängt sein. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz eines glatt mit Gummi beschichteten Metalltrichters bewährt.

Ein Absetzen der Kristalle auf dem Außenmantel des Trichters 7 wird auch durch die Strömung der im Ver­ dampfer 1 abwärts strömenden Lauge verhindert.

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 Salzbrei­ pumpe 11, ausgetragen.

Bei Inbetriebnahme der Anlage wird diese zunächst mit der verdünnten über den Zulauf 6 zugeführten Lösung gefüllt. 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 Verdampfter 1 aufgegeben. Nach Überschreiten der Sättigungskonzentration des gelösten Stoffes oder der gelösten Stoffe in der umgewälzten Lauge treten die ersten Kristallkeime, Feinstkristalle und Impfkristalle auf. Nach Erreichen einer vorgegebenen Impfkristall­ konzentration von 400 bis 600 g/l in der umgewälzten Lauge wird über den Trichter 7 und die Abzugsleitung 9 impfkristallfreie Mutterlauge kontinuierlich abgezogen. Dadurch wird der Impfkristallkonzentration in der um­ gewälzten Lauge erhöht. Die bei weiterer Fortführung 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 Materialaustrag 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.

Claims (5)

1. Eindampfkristallisator zur Erzeugung grobkörniger Kristalle mit einem Verdampfer stehender Bauart, Laugenumwälzungen, Bodenaustrag für den Kristallbrei und zentralen Einbauten im Verdampfer zum Ab­ ziehen feststoffreier Mutterlauge, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Einbau die Form eines kreiskegel­ förmigen sich nach unten öffnenden Trichters (7) hat, dessen oberes Ende mit einer Leitung zum Abziehen der praktisch feststoffreien Lauge verbunden ist.

2. Kristallisator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlauföffnung des Trichters (7) oberhalb der Kristallabscheidungszone des Verdampfers (1) und das obere Ende (8) des Trichters (7), von dem die Abzugsleitung (9) abgeht, sowie die Abzugsleitung (9) selbst unterhalb des Spiegels der Lauge im Verdampfer angeordnet sind.

3. Kristallisator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter (7) vibrationsfähig aufgehängt und/oder ausgebildet ist.

4. Kristallisator nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Trichter (7) aus Gummi besteht.

5. Verwendung des Kristallisators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Abscheidung von NaCl-Kristallen aus wäss­ rigen NaCl und CaCl₂ enthaltenden Lösungen.