DE3246494A1 - Diskontinuierliches verfahren zur kristallisation einer substanz aus einer homogenen loesung - Google Patents

Description

• Diskontinuierliches Verfahren zur Kristallisation einer
• Substanz aus einer homogenen Lösung Die Erfindung betrifft ein diskontinuierliches Verfahren zur korngrößen-optimalen Kristallisation einer Substanz aus einer homogenen Lösung durch Abkühlen.
• Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Abkühlung bei Kristallisationsprozessen durch konventionelle Kühlung über Kühlflächen oder durch Vakuumkühlung, wobei das Lösungsmittel adiabatisch verdampft wird. Das Problem der Kühlgeschwindigkeit spielt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle, weil die Einstellung einer Abkühlrate oder eines definierten Abkühlungsverlaufs unmittelbar Einfluß auf die Korngrößenverteilung des Kristallisats und damit auf die nachfolgenden Verarbeitungsschritte Flüssigkeitsabtrennung und Trocknung nimmt.
• Neben den seit langem bekannten Verfahren der linearen Abkühlung (d.h. konstante Kühlgeschwindigkeit) und der natürlichen Abkühlung (d.h. variable Kühlgeschwindigkeit nach dem Newtonschen Abkühlungsgesetz) ist von J.W Mullin und J. Ntvlt, Chem. Engng. Sci. 26 (1971), S. 369/377 das Verfahren der programmierten Abkühlung zur Optimierung einer Kühlungskristallisation entwickelt worden. Hierbei resultiert eine bestimmte Temperaturführung während der Abkühlung mit niedriger Kühlgeschwindigkeit am Anfang und hoher Kühlgeschwindigkeit am Ende. Besondere Schwierigkeiten von derpraktischen Seite bereitet am Prozeßende die hohe Kühlgeschwindigkeit, die hohe Kondensationsleistungen bzw. große Wärmeaustauschflächen erfordert.
• Der Abkühlungsverlauf wird durch komplizierte mathematische Gleichungen beschrieben, in die je nach betrachtetem Fall u.a. die kinetischen Konstanten von Kristallwachstum und Keimbildung eingehen. Die Herleitung der Gleichungen beruht auf einer Vielzahl von Annahmen und Voraussetzungen, deren Berechtigung für die Praxis nur zu einem geringen Teil einsichtig wird. Zudem erfordert die Anwendung der von J.W. Mullin und J. Ntvlt vorgeschlagenen Beziehungen die Kenntnis zahlreicher kristallisationsspezifischer Parameter, die nicht bekannt oder noch nicht mit hinreichender Genauigkeit meßbar sind.
• Von M. Ulrich, Chem.-Ing.-Tech. 51 (1979), S. 243, werden aufwendige trial- und error-Verfahren zur Bestimmung optimaler Abkühlkurven vorgestellt.
• Zusammenfassend ist also festzustellen, daß aus dem Stand der Technik bisher kein allgemein, einfach anwendbares Verfahren entnehmbar ist, mit dem ein optimaler Abkühlungsverlauf bei diskontinuierlichen Kühlungskristallisationen festgelegt werden könnte.
• Der optimale Abkühlungsverlauf sollte zu einem möglichst groben mittleren Korn und zu einer möglichst engen Korngrößenverteilung führen, was sich beides vorteilhaft auf die nachfolgenden Verarbeitungsschritte Filtration und Trocknung auswirkt.
• Es wurde nun überraschenderweise ein Verfahren zur diskontinuierlichen Kristallisation einer Substanz aus einer homogenen Lösung durch Abkühlung gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Lösung auf eine unterhalb der Kristallisationstemperatur (Löslichkeitstemperatur) liegende Temperatur (Haltetemperatur) abkühlt, man die Temperatur der so übersättigten Lösung, die bereits kleine Kristalle enthält, eine definierte Zeitspanne (Haltezeit) konstant hält, und man danach die Suspension mit konstanter oder variabler Kühlgeschwindigkeit auf die Endtemperatur abkühlt.
• Man kann erfindungsgemäß Kühlungskristallisationen aus einer homogenen Lösung im Laboratoriumsmaßstab oder im technischen Maßstab durchführen. Man verfährt dabei so, daß man zunächst die homogene kristallisationsbereite Lösung auf die Kristallisationstemperatur (Löslich- keitstemperatur) abkühlt. Bei dieser Temperatur können, falls erforderlich, Impfkristalle zugefügt werden. Unmittelbar danach wird die Temperatur erfindungsgemäß beispielsweise um 1 bis 50C, vorzugsweise um 2 bis 30C, abgesenkt.
• Bei der so eingestellten Haltetemperatur wird die Temperatur erfindungsgemäß beispielsweise für eine Zeit im Bereich von 0,5 bis 3 h, vorzugsweise 1 bis 2 h, konstant gehalten. In dieser Zeit fallen die Kristalle aus und können ungestört wachsen.
• Nach Ablauf der Haltezeit wird die erhaltene Suspension im allgemeinen mit einer konstanten Kühlgeschwindigkeit, beispielsweise einer Kühlgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 100 K/h auf die gewünschte Endtemperatur abgekühlt.
• Das Temperaturprofil in Abhängigkeit von der Zeit kann jedoch auch anders gestaltet sein.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können diskontinuierliche Kühlungskristallisationen im Labormaßstab und im technischen Maßstab in einfacher Weise optimal durchgeführt werden. Wenn man aus Gründen der besseren Vergleichbarkeit eine konstante Gesamtabkühlzeit für ein konventionelles und für das erfindungsgemäße Verfahren voraussetzt, so zeigt sich, daß durch die erfindungsgemäße Einführung einer Haltezeit der mittlere Korndurchmesser substanzspezifisch und in Abhängigkeit von den Versuchsbedingungen beispielsweise zwischen 10 und 100 % erhöht werden kann. Gleichzeitig wird die Korngrößenverteilung enger.
• Durch diese beiden Phänomene - Vergrößerung des mittleren Produktkorns und Verengung der Korngrößenverteilung -gelingt es erfindungsgemäß, erhebliche Verbesserungen bei der Flüssigkeitsabtrennung zu erzielen. Die gefundenen Restfeuchtegehalte liegen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nennenswert niedriger als bei dem konventionellen Verfahren mit linearer Kühlgeschwindigkeit über den gesamten Prozeßverlauf. Ferner neigt das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Produkt wegen der erfolgten Kornvergröberung nach dem Trocknen nicht zum Stauben.
• Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie in irgendeiner Weise einzuschränken.
• Beispiel Die diskontinuierliche Vakuumkühlungskristallisation von Adipinsäure aus Wasser wurde in einem Labor-Rührwerkskristallisator mit einem Betriebsinhalt von 3,3 1 durchgeführt. Die volumenbezogene Rührleistung des eingesetzten Kreuzbalkenrührers lag bei 0,64 W/I. Die Anfangstemperatur (Löslichkeitstemperatur) war 70°C, die Endtemperatur war 400C. Als Haltetemperatur wurde 680C und als Haltezeit 1 h festgelegt. Die gesamte Abkühlzeit, einschließlich Haltezeit, betrug 4 h. Durch Siebanalyse wurde der mittlere Korndurchmesser des Kristallisats zu 850 ßm bestimmt (RRSB-Verteilung). Der Gleichmäßigkeitskoeffizient belief sich auf n = 9,0.
• Mit dem konventionellen Verfahren, d.h. linearer Abkühlung, wurde bei einer Abkühlzeit von 4 h ein Kristallisat mit einem mittleren Korndurchmesser von 600 ßm und einem Gleichmäßigkeitskoeffizienten von n = 7,0 erhalten.

Claims (4)

1. Patentansprüche r Diskontinuierliches Verfahren zur Kristallisation einer Substanz aus einer homogenen Lösung durch Abkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung auf eine unterhalb der Kristallisationstemperatur (Löslichkeitstemperatur) liegende Temperatur (Haltetemperatur) abkühlt, man die Temperatur der so übersättigten Lösung, die bereits kleine Kristalle enthält, eine definierte Zeitspanne (Haltezeit) konstant hält, und man danach die Suspension mit konstanter oder variabler Kühlgeschwindigkeit auf die Endtemperatur abkühlt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Haltetemperatur im Bereich von 1 bis 50C unterhalb von der Kristallisationstemperatur einstellt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Haltezeit von 0,5 bis 3 h einstellt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Ablauf der Haltezeit die erhaltene Suspension mit einer konstanten Kühlgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 100 K/h auf die Endtemperatur abkühlt.