DE3246494C2 - - Google Patents

Description

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 un­ mittelbar Einfluß auf die Korngrößenverteilung des Kristallisats und damit auf die nachfolgenden Verar­ beitungsschritte 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 Newton'schen Abkühlungsgesetz) ist von J. W. Mullin und J. Nývlt, Chem. Engng. Sci. 26 (1971), S. 369/377 das Verfahren der programmierten Abkühlung zur Optimierung einer Kühlungskristallisation ent­ wickelt worden. Hierbei resultiert eine bestimmte Temperaturführung während der Abkühlung mit niedriger Kühlgeschwindigkeit am Anfang und hoher Kühlgeschwin­ digkeit am Ende. Besondere Schwierigkeiten von der praktischen Seite bereitet am Prozeßende die hohe Kühlgeschwindigkeit, die hohe Kondensationsleistungen bzw. große Wärmeaustauschflächen erfordert.

Der Abkühlungsverlauf wird durch komplizierte mathema­ tische Gleichungen beschrieben, in die je nach betrach­ tetem Fall u. a. die kinetischen Konstanten von Kristall­ wachstum 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. Nývlt vorge­ schlagenen Beziehungen die Kenntnis zahlreicher kristal­ lisationsspezifischer 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 Abküh­ lungsverlauf bei diskontinuierlichen Kühlungskristalli­ sationen festgelegt werden könnte.

Der optimale Abkühlungsverlauf sollte zu einem möglichst groben mittleren Korn und zu einer möglichst engen Korn­ größenverteilung führen, was sich beides vorteilhaft auf die nachfolgenden Verarbeitungsschritte Filtration und Trocknung auswirkt.

Es wurde nun überraschenderweise ein Verfahren zur dis­ kontinuierlichen 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. Un­ mittelbar danach wird die Temperatur erfindungsgemäß beispielsweise um 1 bis 5° C, vorzugsweise um 2 bis 3° C, 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, kon­ stant 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 diskonti­ nuierliche 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 Ver­ fahren voraussetzt, so zeigt sich, daß durch die er­ findungsgemäße 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 gefunde­ nen Restfeuchtegehalte liegen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nennenswert niedriger als bei dem konventio­ nellen 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-Rührwerks­ kristallisator mit einem Betriebsinhalt von 3,3 l durch­ geführt. Die volumenbezogene Rührleistung des einge­ setzten Kreuzbalkenrührers lag bei 0,64 W/l. Die An­ fangstemperatur (Löslichkeitstemperatur) war 70° C, die Endtemperatur war 40° C. Als Haltetemperatur wurde 68° C und als Haltezeit 1 h festgelegt. Die gesamte Abkühlzeit, einschließlich Haltezeit, betrug 4 h. Durch Siebanalyse wurde der mittlere Korndurchmesser des Kristallisats zu 850 µm bestimmt (RRSB-Verteilung). Der Gleichmäßig­ keitskoeffizient belief sich auf n = 9,0.

Mit dem konventionellen Verfahren, d. h. linearer Ab­ kühlung, wurde bei einer Abkühlzeit von 4 h ein Kristal­ lisat mit einem mittleren Korndurchmesser von 600 µm und einem Gleichmäßigkeitskoeffizienten von n = 7,0 er­ halten.

Claims (4)

1. Diskontinuierliches Verfahren zur Kristallisation einer Substanz aus einer homogenen Lösung durch Abkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lö­ sung auf eine unterhalb der Kristallisationstempera­ tur (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 Sus­ pension mit konstanter oder variabler Kühlge­ schwindigkeit auf die Endtemperatur abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Haltetemperatur im Bereich von 1 bis 5° C unterhalb von der Kristallisationstemperatur einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man eine Haltezeit von 0,5 bis 3 h einstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man nach Ablauf der Haltezeit die er­ haltene Suspension mit einer konstanten Kühlge­ schwindigkeit im Bereich von 1 bis 100 K/h auf die Endtemperatur abkühlt.