DE2752856C2

DE2752856C2 - Verfahren zur kontinuierlichen Kristallisation aus einer Lösung

Info

Publication number: DE2752856C2
Application number: DE2752856A
Authority: DE
Inventors: Tore Bernhard Dipl.-Ing. Lilleström Müller
Original assignee: Institutt for Atomenergi
Current assignee: Institutt for Atomenergi
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-11-26
Publication date: 1984-09-27
Also published as: NO140226C; NO140226B; DE2752856A1; CA1096295A; NO761805L; HU181401B

Description

Die Erfindung hetriflt ein Verfahren zur kontinuierlichen Kristallisation aus einer Lösung, wie es sich aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ergibt.

In einer ganzen Reihe von Industriezweigen werden Mehrstufen-Kristallisatoren oder Kristallisiereinrichtungen zur kontinuierlichen Kristallisation verwendet, so unter anderem bei der Ausfällung von Aluminiumhydroxid zur Herstellung von Aluminiumoxid. Ein moderner Kristallisator zur Ausfällung von Al(OH)₃ nach dem sog. Bayer-Verfahren besitzt gewöhnlich zehn oder mehr hintereinandergeschaltete Behälter. Kristalle und Restflüssigkeit strömen von einem Behälter zum nächsten, ohne daß Krislalle irgendwie aussortiert werden. Der den letzten Behälter verlassende Strom wird klassifiziert. Die grobkörnige Kristallfraktion bildei das Kristallprodukt, während eine Suspension der feineren Kristalle dem ersten Behälter wieder zugeführt wird, um einerseits Keime fur die Kristallisation im ersten Behälter zu liefern und andererseits die Teilchengröße im Kristallprodukt zu vergrößern. Die Ausfällung in den Behältern wird dadurch erzielt, daß die Flüssigkeit unter fortlaufender Kühlung der hintereinandergeschalteu-n Behälter übersättigt gehalten wird. Bei diesem bekannten Verfahren ist nachteilig, daß die Trennung im Anschluß an 4en letzen Behälter kompliziert und kostenaufwendig ist, das Kristallprodukt nicht die erwünschte gleichmäßige Teilchengröße besitzt, was bei der weiteren Behandlung des Produktes zu Schwierigkeiten führen kann, und die Anlagen ^genüber Instabilitätserscheinungen des Verfahrens empfindlich ist. Andere bekannte Ausführungen von Kristallisiereinrichtungen wirken zumindest teilweise diesen Nachteilen entgegen.

So ist aus der US-PS 3607113 ein kontinuierlich arbeitender Mehrstufen-Kristallisator für Aluminiumhydroxid bekannt. Die einzelnen Stufen sind hier hintereinandergeschaltet, so daß ein Flüssigkeitsstrom, welcher lediglich feine Kristalle enthält, von einer Stufe zur nächsten weitergeleitet wird. Der Abfluß aus der letzten Stufe wird in einen Trennbehälter geleitet, welcher zwei Auslässe besitzt. Aus dem ersten Auslaß fließt kristallßi-e Flüssigkeit zwecks weiterer Behandlung, während aus dem zweiten Auslaß Kristalle und etwas Flüssigkeit herausfließen. Letztere wird wieder der ersten Stufe zugeleitet. Zusätzlich wird der Inhalt einer jeden Stufe periodisch durch einen Zyklon oder einen anderen Separator in Umlauf gebracht. Hier werden die grobkörnigeren Teilchen ausgeschieden, während der Reststrom in die Stufe zurückgeleitet wird. Dabei wird jeweils nur eine Stufe auf Umlauf geschaltet, wobei damit begonnen wird, wenn die Kristalle 50 Vol.-% der Suspension bilden. Dieses Kon struktionsprinzip sieht jedoch weder einen Gegenstrom noch einen Gleichstrom für die gröberen feineren Teilchen vor. Die feineren Kristalle werden nicht vollkommen aus dem Produkt ausgeschieden, da ein Zyklon nicht alle feinen Kristalle von den groben trennen kann. Das Verfahren ist außerdem nur teilweise kontinuierlich. Auch ist nichts darüber ausgesagt, ob Instabilitäten im Verfahren aufgefangen werden können, und falls dies möglich so sein sollte, auf welche Art und Weise.

Aus der DE-AS 11 07200 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, und zwar eine Mehrstufen-Kristallisation zur Herstellung von grobkörnigem Salz durch Vakuumkühlung. Bei diesem Verfahren wird mit einer Kristallisation im Gegenstrom gearbeitet, wobei Flüssigkeit und feinere Kristalle in entgegengesetzter Richtung zu den gröberen Kristallen transportiert werden. Der Gegenstrom wird dadurch erzielt, daß jede Stufe ein Klassifizierungsrohr besitzt. Der gesamte Flüssigkeitsstrom muß bei diesem Verfahren durch das Klassifizierungsrohr einer jeden Stufe nach oben hindurchströmen, wodurch der gesamte Durchfluß einer jeden einzelnen Stufe vorbestimmt wird und daher nicht zur Einstellung verwendet werden kann. Da die feineren Kristalle ebenfalls nicht der vorhergehenden Stufe als feine Kristalle wieder zugeführt werden können, ist es nicht möglich, eine bestimmte Verteilung der feinen Teilchen zwischen den Stufen zu erreichen. Infolgedessen ist es nicht möglich, ein Produkt zu erhalten, welches eine bestimmte gleichmäßige Körnung besitzt. Zwar ist es bei diesem Verfahren von Vorteil, feinere Kristalle von der Flüssigkeit zu trennen, welche von der letzten Stufe abgelassen wird, und dieselben dem Zufluß zur ersten Stufe beizumischen. Da das Fertigprodukt jedoch dieser Stufe entnommen wird, besteht die Möglichkeit, daß das Produkt ebenfalls feine Kristalle enthält.

Eine kontinuierliche mehrstufige Kristallisation ist auch aus der DE-PS 888090 bekannt. Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Konzentration von Eiskristallen. Die Vorrichtung besteht aus einer Anzahl von Stufen, wobei die gröberen Kristalle im Gegenstrom zur Lösung und den feinen Kristallen durchgeleitet werden. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Suspensionsstrom von jeder Stufe einer zu-Kcordnetcn Kkissifizicrungszentriruge oder einem anderen Separator zugeleitet wird, in v/elchem grobe Kristalle

der vorhergehenden Stufe zugeleitet werden, während Flüssigkeit und feine Kristalle wieder in die Stufe zurückgeführt werden, aus welcher sie kommen. Die kritische Abmessung der Kristalle kann während des Betriebes der Vorrichtung nicht eingestellt werden. Außerdem wird ein Flüssigkeitshauptstrom entsprechend dem Zufluß und den gemischten Kristallen von einer Stufe zur nächsten geleitet. Mit einer derartigen Vorrichtung wird verhindert, daß feine Kristalle dem Kristallprodukt folgen können. Bei diesem Verfahren ist es nur möglich, die Verweilzeit der groben Kristalle in jeder Stufe zu steuern, nicht jedoch die Verweilzeit der feinen Kristalle. Dieser bekannte Kristallisator arbeitet nach dem Prinzip, daß grobe Kristalle im Gegensatz zu feinen Teilchen relativ wenig Flüssigkeit mit sich führen. Die einzige Anforderung an die möglichst gleichmäßige Körnung des JCristallproduktes besteht darin, daß die Kristalle so groß wie möglich sein sollen.

Angesichts der vielfältigen Nachteile der bisher bekannten kontinuierlichen Kristallisationsverfahren hat* die Erfindung sich die Aufgabe gestellt, ein derartiges Verfahren zu verwirklichen, mittels welchem ein Kristallprodukt mit vorgegebener Teilchengröße herstellbar ist und in jeder einzelnen Stufe Kristalle mit einer bestimmten Oberflächengröße erzeugbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst, die durch die Maßnahmen der Patentansprüche 2 und 3 vorteilhaft weiter ausgebildet werden.

Im Vergleich mit bisher bekannten Verfahren zur kontinuierlichen Kristallisation in einer oder mehreren Stufen bietet das erfindungsgemäßc Verfahren folgende Vorteile:

A) Die Verweilzeit der Kristalle über einer Mindcstproduktgröße kann praktisch unbegrenzt für ein gegebenes Kristallisator-Volumen variiert werden. Für eine gegebene Produktionsrate läßt sich das Kristallisator-Volumen reduzieren.

B) Eine wesentlich gleichmäßigere Kristallgröße im Kristallprodukt wivd dadurch erhalten, daß

1. alle Kristalle mindestens eine susgewählte Mindestgröße aufweisen.

2. die Größe der Kristalle ausgedrückt als Durchschnittsgewicht innerhalb weiter Grenzen ausgewählt werden kann und

3. die Streuung um die Durchschnittsgröße innerhalb spezieller Grenzen gewählt werden kann.

C) Der Verfahrensablauf kann stabil gemacht werden, ohne daß die gleichmäßige Teilchengröße des Kristall-Produktes wesentlich beeinflußt wird.

D) Besondere Separatoren zur Trennung von feinen und groben Kristallen sind überflüssig.

Grundsätzlich lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren alle kontinuierlichen Verfahren zur Kristallisation aus Lösungen durchführen. Dies gilt unabhängig davon, ob die Übersättigung durch Kühlung, Verdampfung, Aussalzung, chemische Reaktion oder eine Kombination dieser Maßnahmen herbeigeführt wird. Auch eine Kristallisation, welche bisher in einer einzigen Stufe durchgeführt wurde, läßt sich auf mehr als eine Weise dadurch verbessern, daß sie entsprechend dem erfindungsge./iäßen Verfahren durchgeführt wird, wobei allerdings ein größerer technischer und wirtschaftlicher Nutzen bei Kristallisationsverfahren erzielbar sein dürfte, welche in einer Anzahl von Stufen durchgeführt werden sollen. Ein Beispiel hierfür ist die Ausfällung von AL(OH)₃ nach dem sog. Bayer-Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid. Hier ist die Effektivität der Ausfällung von kristallisierbarem Stoff gering und das Kristallprodukt neigt dazu, zu fein zu sein.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kristalli.cation.sanlage, Fig. 2 im Detail die Verbindung der einzelnen Stufen des Kristallisators,

Fig. 3 im Detail die Anordnung für die Einspeisung der Mutterlauge und für die Abgabe des Kristallproduktes bei dem Kristallisator und

Fig. 4 in einem Diagramm die Verteilung der Kristallgröße auf Gewichtsbasis bei dem Produkt der besonderen Beispiele Al, A2, A3 und F3.

Fig. 1 zeigt eine Kristallisationsanlage bzw. ein Kristallisator mit drei Stufen 1, 2 und 3. Dabei isi die Verbindung zwischen den Stufen 2 und 3 unterbrochen, wodurch angedeutet werden soll, daß der Kristallisator auch mehr als drei Stufen aufweisen kann. Wie bereits erwähnt, ist die Art und Weise, auf weiche eine Übersättigung herbeigeführt wird, ohne jegliche Bedeutung. So kann die Übersättigung beispielsweise durch Kühlung erreicht werden. In der Figur sind allerdings keine Kühlaggregate eingezeichnet, doch läßt sich eine Kühlung beispielsweise dadurch erreichen, daß die einzelnen Stufen mit Kühlmitteln oder Kühlschlangen versehen werden, oder daß der Zustrom zu den jeweiligen Behältern in einem Wärmetauscher abgekühlt wird. Entsprechende Vorkehrungen können auch getroffen werden, um eventuelle Wärme zuzuführen, falls die Übersättigung durch Verdampfung erreicht werden soll.

Jede Stufe besitzt eine Anordnung für einen inneren Umlauf. In de/ Fig. 1 ist dies durch Druckluftpumpen 24, 25 bzw. 26 angedeutet. Die Druckluft wird durch eine Leitung zugeführt, deren Mündung unmittelbar unter der unteren öffnung des Rohres in der betreffenden Druckluftpumpe liegt. Alternativ kann der innere. Umlauf durch mechanische Rührwerke erreicht werden.

Jede Stufe besitzt eine Überluufleitung 4 bzw. 5 bzw. 6. Außerdem besitzt jede Stufe außer der ersten Stufe einen unteren Abfluß 7 bzw. 8. Ferner weisi jede Stufe eine Anordnung auf, um den Überlauf zu klassifizieren. «> Diese Klussifizierungscinrichtiingcn für die Überläufe sind in der Fig. I als Ringkammern 9 bzw. 10 bzw. Il dargestellt, doch können auQh andere Einrichlungcn, wie beispielsweise Hydrozyklone, verwendet werden. Die Abmessungen dieser Ringkammern bestimmen die Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit für eine gegebene volumetrische Steuerungsrate und bestimmen dadurch die Abmessung der Kristalle, welche der feinen Fraktion nicht folgen.

Die Stufe 1 besitzt anstelle eines Abflusses an der untersten Stelle eine Schlämr.^äule 12 mit einem Flüssigkeitsverteiler 20, der ütur eine Leitung 21 mit einem Filter 13 verbunden ist. Für eine gegebene volumetrische Zuflußrate nach oben durch die Schlämmsäule wird der Durchmesser der Schlämmsäule durch dip annrhmhar/»

Mindest-Kristallgrößc im Fertigprodukt bestimmt. Das Filter 13 kann durch irgendeine andere Einrichtung ersetzt werden, welche sich zur Trennung von Festkörpern aus einer Flüssigkeit eignet, beispielsweise durch eine Zentrifuge. Das Kristallprodukt, welches aus dem Filtrat entfernt wird, ist durch den Pfeil 22 angedeutet, während das Bezugszeichen 23 eine Rückliiufleilung für das Filiral bezeichnet. Die zu kristallisierende Lösung wird durch eine Leitung 14 mit Abzweigleitungen 18 bzw. 19 zugeführt.

Der Überlauf von der letzten Stufe wird einem Separator 15 zugeleitet, welcher einen Überlaufkiistcn 16 für die verbrauchte Flüssigkeit und eine Rücklaufleitung 17 besitzt. Statt eines Absetzbehälters Tür die Trennung kann auch ein Hydrozyklon oder ein Filter verwendet werden.

Während des Betriebes wird der Kristallisator mit der zu kristallisierenden Flüssigkeit über die Leitung 14 ge-

speist, wobei der größere Teil dieser Flüssigkeit durch die Abzweigleitung 19 und den Flüssigkeitsverteiler 20 und die Schlämmsäule 12 in die Stufe 1 eingespeist wird. Zum Boden der Stufe 1 sinken Kristalle mit annehmbarer Größe als Kristallprodukt nach unten in die Schlämmsäule. Um in der Stufe 1 den Flüssigkeitszustand konstant zu halten, kann ein Teil des Zuflusses direkt durch die Abzweigleitung 18 in die Stufe 1 eingeleitet werden, ohne daß dadurch die Strömungsgeschwindigkeit in der Schlämmsäule 12 beeinträchtigt würde. Alle Stufen enthalten eine Misch-Suspension, welche sowohl grobe wie feine Kristalle enthält.

Der Hauptstrom verläßt jede Stufe durch die Überlaufleitungen 4 bzw. 5 bzw. 6. Bevor die Suspension jedoch die Überlaufleitung erreicht, muß sie durch die Ringkammer 9, 10 bzw. 11 hindurchfließen. In dieser Ringkammer wird die Suspension dadurch klassifiziert, daß sie mit einer gegebenen Geschwindigkeit durch die Kammer nach oben strömt. Die gröberen Kristalle verlassen die Stufe in einer Seitenströcnung d'.Tch eine Ahlaufleitiing 7 bzw. 8 bzw. durch die Schlämmsäule 12 für die Stufe 1, welche an der tiefsten Stelle der jeweiligen Stufe angeschlossen sind. An die Schlämmsäule 12 schließt sich der Flüssigkeitsverteiler 20 und die Leitung 21 zum Filter 13 an, wobei in letzterem das Kristallprodukt, welches die Anlage durch die Leitung 22 verläßt, von der sie begleitenden Flüssigkeit getrennt wird, welche durch die Rücklaufleitung 23 und die Abzweigleitung 19 wieder in die Stufe I zurückgeführt wird.

Von der ersten Stufe I zum Separator 15 läuft ein ständiger Strom von Flüssigkeit, welche feinere Kristalle enthält, während die gröberen Kristalle, welche in der Flüssigkeit suspendiert sind, lediglich in entgegengesetzter Richtung transportiert werden können.

Die verbrauchte Flüssigkeit verläßt die letzte Stufe durch den AuslüS 6, wird von den sie begleitenden Kristallen im Absetzbehälter oder Separator 15 getrennt und fließt als Abfall durch den Überlaufkasten 16 ab. Abgeschie-

JO dene Kristalle, welche mit Flüssigkeit vermischt sind, werden der letzten Stufe durch die Rücklaufleitung 17 wieder zugeleitet.

Die Ströme zwischen den einzelnen Stufen in den Leitungen 4, 5, 7 und 8 dienen einer Reihe von einander unabhängigen Zwecken: a) Sie sollen eine spezielle Klassifizierung des Überlaufes von einer jeden Stufe ergeben.

b) Sie sollen einen speziellen Rücklauf von jeder Stufe und dadurch spezielle Umlaufbedingungen schaffen, c) Sie sollen unter allen Umständen den Flüssigkeitsstand in den Stufenbehältern konstant halten.

Der Aufbau, welcher alle diese drei Forderungen erfüllt, ergibt sich aus Fig. 1 und insbesondere aus Fig. 2. Letztere zeigt die Verbindungsleitungen zwischen den Stufen 1 und 2. Eine einstellbare Pumpe 27 in der unteren Leitung 8 sorgt für einen gesteuerten Rücklaufstrom von der Stufe 2 zur Stufe 1. Eine weitere einstellbare Pumpe 28

in der Überlaufleitung 4 sorgt für einen spezifischen Überlaufstrom von der Stufe 1. Dieser Überlauf wird in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der erste durch das Steuerventil 29 in die Stufe 2 fließt, während der zweite durch den Schieber bzw. das Ventil 30 in die Stufe I zurückfließt. Das Steuerventil wird durch einen nicht dargestellten Pegeldetektor in der Stufe 2 gesteuert. Dadurch werden Schwankungen in den Strömen in die Stufe 2 hinein oder aus der Stufe 2 heraus von dem das Steuerventil 29 durchfließenden Hauptstrom ausgeglichen. Die Pegelsteuerung hat infolgedessen nur eine vernachlässigbare Auswirkung auf den Kristalltransport zwischen den einzelnen Stufen.

Die Anordnung für den Zufluß der Mutterlauge und den Abfluß des Kristallproduktes aus der Stufe 1 ist im Detail aus Fig. 3 zu ersehen. Eine einstellbare Pumpe 33 in einer Rückströmleitung 31 ergibt einen gesteuerten Rückstrom aus einer Suspension, welche Kristallprodukte und frische Lösung enthält, von der Leitung 21 zurück in die Stufe 1. Durch einen Keilschieber 34 in der Leitung 21 wird der Hauptstrom der das Kristallprodukt enthaltenden Suspension in das Filter 13 geleitet, wobei dieser Keilschieber selbstverständlich auch durch irgend..η anderes Ventil oder einen anderen Schieber ersetzbar ist. Die einstellbare Pumpe 35 in der Abzweigleitung 19 ergibt eine gesteuerte volumetrische Zuflußrate von unten her durch die Schlämmsäule 12, wenn der Strom durch die Rückströmleitung 31 nicht verändert wird. Durch abgestimmte Betätigung der einstellbaren Pumpen 33 bzw. 35 lassen sich die Klassifizierung in der Schlämmsäule und der Hauptstrom des Kristallproduktes zum Filter unabhängig voneinander steuern.

Das Steuerventil 32 in der Abzweigleitung 18 für den Zufluß zur Stufe I läßt sich durch einen nicht dargestellten Pegeldetektor in der Stufe 1 steuern. Die Pegelsteuerung in der Stufe 1 kann daher durchgeführt werden, ohne daß die Klassifizierung des Kristallproduktes bzw. sein Ablauf zum Filter irgendwie beeinträchtigt wird.

Einige Zahlenbeispiele illustrieren das ertindungsgemäße Verfahren in Beziehung zu bisher bekanntentKristallisationsverfahren. Derartige Zahlenbeispiele müssen zwangsläufig auf wesentlichen Vereinfachungen beruhen, da die Verfahrensbedingungen durch nicht-lineare Differentialgleichungen beschrieben werden, welche numerisch gelöst werden müssen. Die nachfolgenden Berechnungen sind auf die Verteilung der Kristallgröße in jeder Stufe und im Kristallprodukt beschränkt. Die Lösungen sind analytisch und wurden mittels eines entsprechend pro grammierten Computers gefunden.

In erster Linie werden Kristallisatoren mit einem Rücklauf der Kristallsuspension in Betracht gezogen. Das Produkt enthält ausschließlich Kristalle mit einer Größe, welche über einer spezifischen Größe liegt. Die Größenverteilung im Produkt ist die gleiche wie die Größenverteilung in den Kristallen der Ablaufstufe, weiche das

Produkt bilden soll, mit Ausnahme eines konstanten Konzentrationsfaktors, d.h. Idealklassifizierung. Außerdem wurden folgende Bedingungen eingehalten:

a) stabiler Dauerzustand,

b) Übersättigung ohne Volumenänderung (z. B. durch Kühlung),

c) das Volumenverhältnis der Kristalle ist vernachlässigbar, 5

d) alle Kristallisatorstufen besitzen die gleiche, konstante Keimdichte,

e) das Gesamtvolumen ist für alle Kristallisatoren gleich,

f) die Gesamtmassenproduktion ist für alle Kristallisatoren gleich und gleichmäßig über alle Stufen verteilt und

g) öui feinste Kristallprodukt ist gleich der Bezugsgröße (siehe nachstehende Erläuterungen).

Als herkömmliche Kristallisatoren wurden lediglich ein- und zweistufige Anlagen in Betracht gezogen. io

Als Referenz für die Berechnungen wurde ein einstufiger herkömmlicher Kristallisator mit 20%igem Rücklauf der Zuflußrate ausgewählt. Als Bezugsgröße wurde die Größe ausgewählt, zu welcher ein Kristallkeim während der gesamten Verweilzeit der Flüssigkeit im betreffenden Kristallisator anwächst. Die Bezugsfläche ist die gesamte Kristalloberfläche in dem betreffenden Kristallisator.

Bei der Berechnung eines Kristallisators, wie er bei dem crfindungsgemäßen Verfahren verwendet wurde, is mußte die Entfernung des Kristallproduktes auf spezielle Weise dargestellt werden. Der Transport wird durch einen fiktiven Volumenstrom wiedergegeben, welcher mit der Größenverteilung des Kristallproduktes in der Abgäbest ufe multipliziert ist. Der Volumenstrom ist derart ausgewählt, daß das Kristullprodukt annähernd die gleiche Verweilzeit in beiden Stufen hat.

Die Klassifizierung im Hauptstrom der teilweise kristallisierten Suspension von der ersten Stufe wird als ideal :o angenommen.

Die Berechnungen wurden unter Zugrundelegung nachstehender Gleichungen durchgeführt:

X = LjL⁰ ^₁ = k„\ λ² J-(X)J/.

a/ = AJA⁰ Ι_ω = J X*f_p(X)dx\\ X³f_p(X)dX 30

wobei X_x durch folgende Gleichung bestimmt wird:

Die Symbole haben nachstehende Bedeutung:

45 A-, — Gesamtfläche der Kristalle in Stufe 1 in bezug auf Tankvolumen,

A⁰ — Bezugsoberfläche in bezug auf Tankvolumen,

C. V. — Streuungslcoeffizient,

F(X) — Besetzungsdichte mit dimensionsloser Kristallgröße als Parameter, *

f_p — Besetzungsdichte in Suspension mit Produktkristallen,

/ - Stufenzahl!,

k_a Flächenfaluor, 55

L charakteristische Krislalldimension (z. B. Durchmesser),

L⁰ Bezugsabmessung.

η Anzahl der Stufen im Kristallisator,

Y(X) Strömung der Kristallsuspension mit Besetzungsdichte f(X),

l?_f Zuflußströmung,

to normalisierte Gewichtsverteilung,

X_a durchschnittliche Kristallgröße, berechnet auf Gewichtsbasis. ⁶⁵

Das Ergebnis der Berechnungen zeigt nachstehende Tabelle 1. Fig. 4 zeigt die Kristallgrößen-Verteilung im Produkt für die Beispiele Al, A2, A3 und F3.

Die Beispiele Al, A2, A3 und Bl, B2 und B3 zeigen, daß mit dem gleichen Umlauf das erfindungsgemäße Verfahren eine um mehr als das dreilache größere Kristalloberflächc ergibt. F-ine größere Kristalloberfläche bedeutet eine geringe Wachstumsrate, d.h. eine geringere Übersättigung, d.h. eine höhere Wirksamkeit für die Ausfällung.

Beispiel A3 ergibt eine größere Durchschnittsgröße als die Beispiele At und Λ2. Beispiel K3 zeigt dagegen annähernd die gleiche Durchschnittsgrößc und den gleichen UnglcichhcitskocITi/.icntcn. d.h. Streuung, wie Λ2, während die KrisUilloberfläche nahezu um das Vierfache größer isl.

Wenn man vom Ausgangspunkt im Beispiel 3 ausgeht, zeigen die Beispiele C3 und D3, auf welche Weise die Durchschnittsgi-öJk des Produktes vermindert oder vergrößert werden kann, während die Streuung unverändert

to bleibt. Die Beispiele E3 und F3 zeigen, daß die Durchschnittsgröße unverändert eingehalten werden kann, während die Streuung unabhängig von der Durchschnittsgrößc spezifiziert ist. Die Grenzen für derartige Veränderungen werden durch Erhöhung der Stufenzahl im Kristallisator ausgedehnt.

Die Beispiele G3 und H3 zeigen, aufweiche Weise die Gesamtoberfläche des Kristalls reduziert werden kann, ohne die Größenverteilung im Produkt auch nur irgendwie merkbar zu beeinflussen.

Die prozentuale Verminderung beträgt 19 bzw. 28. Die Extra-Verminderung im Beispiel H3 ergibt sich auf Kosten einer etwas größeren Streuung. Die Beispiele 13 und J 3 zeigen entsprechend eine Zunahme der Fläche von 60 bzw. 68%. Derartige Veränderungen in der Kristalloberfläche können die Keimbildung und dadurch die Stabilität im Kristallisator beeinflussen.

20

Tabelle la: Kristalloberfläche, Durchschnittsgrößc und Streuung bei verschiedenen
Kristallisatoren.

Type	Al	Herkömmlich	A2	B2
Bezeichnung	1	Bl	2	2
Anzahl der Stufen	20	I	20	50
Wiederumlaur(%)		50
Produktströmung (%)
Größter Kristall im Überlauf
Kristalloberfläche	1.0		0,64	0,56
in Stufe 1		0.86
Kristalloberfläche	—		1,11	0,96
in Stufe 2
Durchschnittliche	1,0		0,88	0,76
Oberfläche		0.86
Durchschnittsgröße	3,42		2,91	2,71
- 50 % Gewichtsbasis (I)	49,6	3,19	44.1	43,2
Streuungskoeffizient (%)	49,1

40

(Alle Größen oder Abmessungen und Oberflächen sind bezogen auf Bezugswerte)

(1) Erläuterung: (/.„.κ. ~ '-n.iw)/² ■ ^0.50· wobei 16 Gcw.-% der Kristalle größer sind als L₀₁₆.

Tabelle Ib: Kristalloberflächc, Durchschnittsgröße und Streuung bei verschiedenen Kristallisatoren.

	Type	A3	B3	C3	Erfind ungsgemäßer	E3	F3	Kristallisator	H3	13	J3	K3
50	Bezeichnung	2	2	2	D3	2	2	G3	2	2	2	2
	Anzahl der Stufen	20	50	500	2	43,5	103	2	25	20,5	17	150
	Wiederumlauf (%)	20	20	20	10	20	20'	19,5	30	10	10	20
	Produktströmung (%)				20			30
	Größter Kristall	1,0	1,0	0,84		0,01	4,0		0,5	1,5	1,5	0,7
55	im Überlauf				1,18			0,5
	Kristalloberfläche	4,02	4,93	4,94		4,69	3,74		2,88	7,97	7,68	6,46
	in Stufe 1				3,43			2,70
	Kristalloberfläche	2,49	1,30	1,22		0,97	3,51		1,83	2,44	3,24	0,52
60	in Stufe 2				4,25			2,53
	Durchschnittliche	3,25	3,11	3,08		2,83	3,63		2,35	5,21	5,46	3,49
	Oberfläche				3,84			2,62
	Durchschnittsgröße	4,53	3,63	3,70		4,54	4,53		4,52	4,54	4,53	2,88
	- 50 % Gewichtsbasis (1)	44,3	42,2	44,3	5,31	55,4	18,5	4,53	49,4	43,9	39,7	44,2
65	Streuungskoeffizient ( %)			44,3	44,7

(Alle Größen oder Abmessungen und Oberflächen sfetd bezogen auf Bezugswerte)

(1) Erläuterung: (L_n _lft - L_ow)j2 ■ L_ai0, wobei 16 Gew.-% der Kristalle größer sind als L_0-1

in eiiiem zweiten KaII wurden weitere Vergleichsversuche unter unterschiedlichen Verfahrensabläufen durchgeführt, deren Resultate sich aus; den nachstehenden Punkten 2 bzw. 3 ergeben.

2. Ausfällung von Aluminiumoxid beim sog. Bayer-Verfahren

Simulation kontinuierlicher Ausfällung unter unterschiedlichen Verfahrensabläufen, unter Zugrundelegung der ' Bedingungen für die Baton Rouge Alumina Plant der Kaiser Aluminium & Chemical Corp. (K. N*. Rces<:; W. H. Cundiff(1955) I. & E. C. Bd. 47, Nr. 9).

r, ■ ^l0

Basis:

Zufluß: Al₂O₃ :112 g// (Zufluß zur 1. Fällstufe)

Gewichtsverhältnis Al₂O₃/Na₂O =1,10

Temperatur = 72° C

Abfluß: Gewichtsverhältnis AI₂Oj/Na₂O = 0,56 15

(verbrauchte

Flüssigkeit) (nach der letzten vorhergehenden Stufe)
3 Fällstufcn. Die Resultate zeigt Tabelle 2.

Simulierte Fällbäder:

Type A: Herkömmlicher Gleichstrom mit einer volumetrischen Rücklaufgeschwindigkeit von 10% der Zufluß-

geschwindigkeit.
Type B: Gegenstrom ohne Produkt-Klassifizierung oder innerem Kristallumlauf (vernachlässigbare Kristall- ₂s

mengen im Überlauf).
Type C: Gegenstrom im Produkt-Klassifizierung und innerem Kristallumlauf.

Tabelle 2

Type	A	B	C
Apparatur:
Volumenminderung (%)	-	68	82
Wärmewirtschaftlichkeit:
Temperatur der verbrauchten Flüssigkeil
(Grad Celsius)	58	64	65
Produkt:
Durchschnittl. Massengröße (μΐη)	72"»	105	55
Kleinstes Teilchen (μιη)	30	0	44
Durchschnittl. viereckige Abwertung
(dev.) (μπι)	19	43	10
Gew.-%-325 Maschen (44 μιη)	10	4,2	0
Oberfläche (m²/kg)⁽²⁾	38	28	47
(1) 50 Gew.-% von -200 Maschen (75 μιη).
(2) rein sphärische Teilchen.

3. Schnellfällung: so

Simulation eines künstlichen kontinuierlichen Fällverfahrens in unterschiedlichen Apparaturen. Übersättigung steigt auf 0,1 % oder weniger des Konzentrationsabfalls im Kristallisator.

'? Basis:

.:; Konzentration der eingespeisten Flüssigkeit: 50 g/l

:, Konzentration der ablaufenden Flüssigkeit: Ig//

;{ 3 Fällsturcn. Die Resultate zeigt Tabelle 3.

is Simulierte Fällbäder:

$ Type A: Einmaliger Durchlauf ohne Klassifizierung.

i| Type B: Herkömmlicher Gleichstrom mit 20 Vol.-%igem Rücklauf im Vergleich zur Zuflußmenge und Klassifi- 65

Jß zierung.

ψί. Type C: Gegenstrom ohne Produkt-Klassifizierung, ohne inneren Kristall-Umlauf.

Ist Type D: Gegenstrom mit Produkt-Klassifizierung und inneren Kristall-Umlauf.

50

60

27	Tabelle 3	Hierzu 4	52 856	B	C	D
Type
Apparatur:	A	0,6	-4,2	9,7
Volumeuminderung (%)
Produkt:	—	46	77	59
Durchschnittl. MassengröBe (μηι)		30	G	44
Kleinstes Teilchen (um)	75
Durchschnittl. viereckige Abwertung	0	14 .	31	5
(mean square dev.) (um)		55	13	0
Gew.-% - 325 Maschen	38	58	38	51
Oberfläche (m²/kg)⁰⁾	21
(1) rein sphärische Teilchen.	44	Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Kristallisation aus einer Lösung, wobei die Lösung einer ersten Stufe einer Kristallisationsstufenreihe mit Teilkristallisation in jeder Stufe zugeführt, die teilkristallisierte Lösung

(Suspension) aus jeder Stufe nach Abscheidung einer grobkristallinen Fraktion durch Klassifizieren der nächsten Stufe zugeführt (Hauptstrom), die die grobkristalline Fraktion enthaltende Suspension jeweils zur vorhergehenden Stufe ohne Klassifizieren zurückgeleitet (Rückstrom) und aus der ersten Stufe die Kristallprodukt-Suspension abgezogen und daraus das Kristallprodukt abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den jeweiligen Stufen ein TeU des Hauptstromes über einen Schieber oder ein Ventil dem Rückstrom

ίο zugeleitet, der Kristallprodukt-Suspension die Lösung im Gegenstrom zugeführt wild und daß die Suspension aus der letzten Stufe einem Separator zugeleitet wird, worin die restlichen Kristalle abgetrennt und als Suspension der letzten Stufe zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kristallprodukt-Suspension gesteuert der ersten Stufe wieder zugeleitet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Haupt- und Rückstrom gesteuert werden.