DE4113453A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung von chemischen substanzen durch kristallisation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von chemischen Substanzen durch Kristallisation, bei dem die Substanzen zunächst geschmolzen und in geschmolzenem Zustand auf gekühlte Flächen zur Auskristallisation aufgebracht und dann einem Schwitzvorgang unterworfen werden, bei dem die noch verunreinigten, kristallinen Oberflächen angeschmolzen und der angeschmolzene Teil abgeführt wird, ehe die verbleibenden, gereinigten Substanzen gewonnen werden.

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art bekannt (CH-PS 5 01 421). Bei dem bekannten Verfahren wird ein Kristal­ lisator in Rohrform vorgesehen, wobei auf der Außenseite der Kristallisationsrohre ein Kühlmittel als Rieselfilm herabströmt, während auf der Innenseite aus der dort ebenfalls als Riesel­ film herabfließenden flüssigen Phase der zu trennenden Substan­ zen durch die Unterkühlung Kristallbildung einsetzt. Nach der Kristallbildung wird die Kühlung abgestellt und über die Kri­ stallisationsschicht eine Rieselströmung von leicht angewärmten Substanzen geführt. Dadurch werden die auf der Kristalloberflä­ che haftenden Reste an Mutterlauge abgewaschen und abgeschmol­ zen. Anschließend wird die gesamte Kristallschicht durch Wärme­ zufuhr abgeschmolzen, so daß die gereinigten Substanzen gewonnen werden.

Dieses Verfahren und die dazu benötigte Vorrichtung können nur im diskontinuierlichen Betrieb arbeiten. Der periodische Ab­ schmelzvorgang des zunächst durch Abkühlung gebildeten Kristal­ lisats erfordert einen hohen Energieaufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so aus­ zubilden, daß eine kontinuierliche Arbeitsweise bei geringem Energieaufwand ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die gekühlten Flächen kontinuierlich bewegt werden und von der Aufgabestelle der Substanzen aus erst eine Kühlzone zum Zweck der Auskristallisation der Substanzen und danach eine Erwärmungszone zum Erreichen des Schwitzvorgan­ ges durchlaufen, ehe die noch auf ihnen befindlichen Kristalle abgenommen werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden daher die auf bestimmten Flächenteilen gebildeten Kristalle mit den Flächen zusammen durch die entsprechenden Temperaturzonen befördert, so daß auf diese Weise ein kontinuierlicher Betrieb möglich wird.

Es ist nach den Unteransprüchen besonders zweckmäßig, wenn in der Kühlzone die Temperatur knapp unterhalb der Kristallisa­ tionstemperatur der Substanz gehalten wird. Es können sich da­ durch, wenn die Substanz einen genügend dünnen Flüssigkeitsfilm bildet, große Kristalle bilden. Hierdurch kann der Anteil der gebildeten Kristallschicht, der während der Schwitzphase aufge­ schmolzen werden muß, klein gehalten werden. Vorteilhaft ist es auch, die Temperatur in der Erwärmungszone nahe am Schmelzpunkt der Substanz zu halten und die Temperatur in der Erwärmungszone in der Bewegungsrichtung der Flächen stufenweise zu erhöhen.

Hierdurch kann langsam ein Temperaturgefälle zwischen der inne­ ren Kristallschicht, die an den Flächen haftet,und der an der Umgebung liegenden Oberfläche ausgebildet werden. Es wird da­ durch die Erzeugung eines linearen Temperaturgradienten möglich, der für den Diffusionsprozeß, der die eingeschlossene Mutter­ lauge sowie Verunreinigungen an die Oberfläche der Schicht transportiert, ursächlich ist. Vorteilhaft kann durch diese Maßnahme auch ein Abplatzen der gebildeten Kristallschicht von den Flächen vermieden werden.

Zur Durchführung des neuen Verfahrens eignet sich in ganz be­ sonders guter Weise ein um Umlenkrollen geführtes endloses, un­ durchlässiges Band aus gut wärmeleitendem Material, insbesonde­ re aus Stahl, zwischen dessen Umlenkrollen und den gegensinnig laufenden Trums in der Bandlaufrichtung nacheinander eine Kühl­ einrichtung und eine Heizeinrichtung für das Band angeordnet sind.

Nach den weiteren Unteransprüchen kann bei einer solchen Aus­ führungsform die Kühleinrichtung dem horizontalen Obertrum des Bandes und die Heizeinrichtung dem Untertrum zugeordnet sein. Der Innenraum des endlosen Bandes wird so ausgenutzt. Die Wär­ meübertragung durch ein verhältnismäßig dünnes Band, insbeson­ dere ein Stahlband, ist besonders gut, so daß auf diese Weise auch der erwünschte Wärmeübergang mit geringen Temperaturdiffe­ renzen feinfühlig durchgeführt werden kann.

Unterhalb des Untertrums kann eine Sammelwanne für die Schwitz­ flüssigkeit angeordnet sein und schließlich kann der Außenseite des Bandes ein Abschabemesser zugeordnet sein, das hinter der Erwärmeinrichtung sitzt und die bereits den Schwitzvorgang hin­ ter sich habende Kristallschicht vom Band abtrennt. Die Band­ länge kann entsprechend gewählt werden, um auf diese Weise ei­ nen kontinuierlichen Prozeß zu gewährleisten. Eine platzsparen­ de Version kann aber auch dadurch erreicht werden, daß das Ab­ schabemesser nicht ständig an der Bandoberfläche anliegt, son­ dern diskontinuierlich an diese anlegbar ist, so daß beispiels­ weise eine Kristallschicht durch mehrfaches Durchlaufen des Bandzyklusses gebildet werden kann, und dadurch in ihrer Dicke anwachsen kann, ehe sie vom Band gelöst wird.

Um die Schichtdicke der auszukristallisierenden Substanz je­ weils steuern und dem Kristallisiervorgang anpassen zu können, ist es möglich, dem Obertrum auch mehrere Aufgabeeinrichtungen zuzuordnen und den Zufluß der Substanzen durch diese Aufgabe­ einrichtungen steuerbar zu gestalten. Möglich ist es auch, die Aufgabevorrichtungen in der Bewegungsrichtung des Bandes und gegeneinander verschiebbar anzuordnen. Dadurch wird es möglich, das zu reinigende Substrat in flüssiger Form als ruhender dün­ ner Film in der geeigneten Dicke aufzubringen. Die Dicke des Substratfilmes kann mit fortschreitender Reinigung des Ausgangs­ gemisches dann, wenn mehrere Durchlaufzyklen für das Kristalli­ sats auf dem Band vorgesehen sind, geändert werden. Gleichzeitig ist es möglich, auch die Kühltemperatur und/oder die nachträg­ liche Erwärmungstemperatur den jeweiligen Erfordernissen anzu­ passen, so daß ein optimales Kristallwachstum und ein entspre­ chender Schwitzvorgang erreichbar sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, das im folgenden erläutert wird.

In der Zeichnung ist mit (1) ein Behälter gekennzeichnet, der mit der Lösung des zu reinigenden Gemisches von chemischen Sub­ stanzen gefüllt ist. Dieser Behälter (1) steht über eine Lei­ tung (9) mit einer Pumpe (2) mit zwei Einrichtungen (3 und 4) in Verbindung, die in noch zu erläuternder Weise dazu dienen, das geschmolzene und im flüssigen Zustand im Behälter (1) be­ findliche Gemisch abzugeben. Diese beiden Aufgabevorrichtungen (3 und 4) sind dem Obertrum (10a) eines endlosen Stahlbandes (10) zugeordnet, das um zwei Umlenkwalzen (11 und 12) geführt ist, von denen eine in bekannter Weise im Uhrzeigersinn ange­ trieben ist. Innerhalb des endlosen Bandes (10) ist eine der Innenseite des Obertrums (10a) zugewandte Kühleinrichtung (5) in der Form einer Sprühanlage vorgesehen, mit deren Hilfe Kühl­ flüssigkeit von einer definierten Temperatur von unten her an das Band (10) gesprüht werden kann, das auf diese Weise gekühlt wird. Solche Sprühanlagen zum Kühlen umlaufender Stahlbänder sind bekannt.

Dem Untertrum (10b) ist innerhalb der beiden umlaufenden Trums (10a, 10b) und zwischen den Umlenkwalzen (11 und 12) eine Heiz­ einrichtung (13) zugeordnet, die aus mehreren, hintereinander angeordneten Heizstrahlern (T₁′, T₂′ . . . bis T_n′) besteht, die von oben her das Untertrum (10b) beaufschlagen und so eine Er­ wärmung des Untertrums (10b) erreichen können. Unterhalb des Untertrums (10b) ist eine Sammelwanne (14) angebracht, von der aus eine Rücklaufleitung (15) zu einem Zwischensammelbehälter (6) führt, der wiederum über eine Leitung (16) mit der aus dem Behälter (1) kommenden Leitung (9), und zwar noch vor der Pumpe (2) in Verbindung steht. In die Leitung (16) ist ein Absperr­ ventil (17) eingesetzt; auch in die Leitung (9) ist ein Absperr­ ventil zwischen den beiden Aufgabevorrichtungen (3 und 4 ) ein­ gebaut. Das gesamte Endlosband (10) einschließlich der Aufgabe­ vorrichtungen (3, 4) und der Sammelwanne (14) sind von einem wärmeisolierenden Gehäuse (18) umgeben.

Der rechten Umlenkwalze (12) ist ein Abschabemesser (7) zuge­ ordnet, das mit einer Rutsche (20) in Verbindung steht, die wiederum oberhalb eines Behälters (8) mündet, der später, was noch erläutert werden wird, zum Sammeln des gereinigten Kristal­ lisats dient.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der dargestellten Einrich­ tung beschrieben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt betrieben wird:

Durch die Pumpe (2) wird die im Behälter (1) zunächst befindli­ che Lösung je nach Öffnung des Ventils (19) entweder auf beide Aufgabevorrichtungen (3 und 4) oder nur auf die Aufgabevorrich­ tung (3) aufgegeben. Diese Aufgabevorrichtungen (3, 4) sind so ausgebildet, daß, beispielsweise mit Hilfe eines Austritts­ schlitzes, die flüssigen Substanzen aus dem Behälter (1) in ei­ ner dünnen filmartigen Schicht auf das sich im Sinn des Pfeiles (21) bewegende Band (10) bzw. auf dessen Obertrum (10a) aufge­ bracht werden. Das Band (10) kann, um einen solchen, auf der Bandoberfläche ruhenden dünnen Schichtfilm zu ermöglichen,seit­ lich mit mitlaufenden Stauleisten versehen sein, die ein Ab­ fließen der Substanzen nach den Seiten des Bandes verhindern. Solche mitlaufenden, elastischen Stauleisten sind bekannt.

Durch die Kühleinrichtung (5) wird die Unterseite des Obertrums (10a) mit dem Kühlmedium so beaufschlagt, daß die Temperatur in dem Flüssigkeitsfilm knapp unter der Kristallisationstemperatur des aus dem Gemisch abzuscheidenden Stoffes liegt. Die Dicke der Flüssigkeitsschicht (22), die Temperatur des Kühlmediums sowie die Transportgeschwindigkeit des Bandes (10) und der ge­ genseitige Abstand der Aufgabeeinrichtungen (3 und 4) bestimmt sich aus dem Wachstum der auf dem Band (10) abzuscheidenden Kristallschicht. Nach Verlassen der im Bereich des Obertrumes (10a) gebildeten Kühlzone wird das Band (10) mit der nunmehr auf der Oberseite anhaftenden Kristallschicht umgelenkt. Das Band (10) tritt nun mit seinem Untertrum (10b) in die soge­ nannte Schwitzzone ein. Durch die an der Innenseite des Unter­ trums (10b) angebrachten Strahler (T₁′, T₂′ usw.) wird nun eine stufenweise Erwärmung von einer Eintrittstemperatur der Kri­ stallschicht bis zu einer Austrittstemperatur erreicht, die so gewählt wird, daß sie nahe am Schmelzpunkt der abzuscheidenden Substanz liegt. Während des Durchlaufens dieser Schwitzphase scheidet sich aus der Kristallschicht eingeschlossene Mutter­ lauge und Verunreinigungen aus. Diese werden in der Sammelwanne (14) unter dem Untertrum (10b) aufgefangen. Die "Schwitzflüs­ sigkeit" wird aus der Sammelwanne (14) über die Leitung (15) in dem Zwischensammelbehälter (6) aufgefangen und dort gespei­ chert.

Wenn sich auf dem Band (10) nach einem oder auch nach mehreren vollständigen Umläufen des Bandes (10) eine bestimmte Dicke der Kristallschicht gebildet hat, wird das Abstreifmesser (7) an der Oberfläche des Bandes (10) im Bereich der Umlenkwalze (12) zugestellt, so daß die Kristallschicht abgeschabt wird und über die Rutsche (20) in den Behälter (8) gelangt. Dabei kann das Messer (7) der Umlenkwalze (12) jeweils nur so weit zugestellt werden, daß nur ein Teil der Kristallschicht abgeschabt wird, während sich darunter weiter eine Kristallschicht befindet, die dem Schwitzvorgang ausgesetzt wird. Ist daher die Schichtdicke einmal genügend angewachsen, dann kann das Messer (7) in einem bestimmten Abstand stehen bleiben, so daß kontinuierlich das Abschaben gereinigter Kristalle möglich ist. Es ist natürlich auch möglich, den Abschabevorgang vollständig bis zur Bandober­ fläche durchzuführen, so daß dann diskontinuierlich - ggf. nach mehreren Umläufen des Bandes (10) - erneut eine Kristallschicht aufgebaut werden muß.

Möglich wäre es auch, das Abschabemesser (7) der linken Umlenk­ walze (11) zuzuordnen, so daß die Kristallschicht zwischen "Schwitzzone" und der Aufgabezone abgeschabt wird. In diesem Fall könnte die gesamte Kristallschicht abgeschabt werden, wenn die Bandabmessungen entsprechend lang gewählt werden, um eine genügend dicke Kristallschicht schon bei einem Umlauf erzeugt zu haben.

In jedem Fall wird die Kristallschicht kontinuierlichen Schwitzzyklen ausgesetzt. Damit wird eine weitgehend glatte Oberfläche geschaffen, so daß Einschlüsse an Mutterlauge vermieden werden. Die Kristallschicht kann durch die Schwitz­ zyklen nahe an die Aufgabetemperatur der zu reinigenden Lösung erhitzt werden. Dadurch wird vermieden, daß beim Wiedereintritt des Bandes (mit oder ohne Kristallschicht) in den Aufgabebereich der Lösung eine zu schnelle Kristallisation stattfindet.

Durch die Ausnützung des Untertrums des endlosen Bandes wird eine kompakte Bauform möglich. Natürlich ist es auch möglich, den gleichen Effekt zu erreichen, wenn nur am Obertrum gearbei­ tet wird. In diesem Fall allerdings muß das Band entsprechend lang ausgebildet werden.

Die im Zwischenbehälter (6) aufgefangene Mutterlauge wird in den Ausgangsbehälter (1) zurückgepumpt und demselben Prozeß bei einer leicht abgesenkten Kühlmediumstemperatur unterworfen.

Die Temperaturen des Untertrums (10b) beim Vorbeilaufen an den verschiedenen Stahlern (T₁′, T₂′ . . .) kann entsprechend abge­ stuft werden, so daß es auch möglich ist, gegen Einschluß von Verunreinigungen oder Mutterlauge empfindliche Stoffgemische individuell zu behandeln.

Claims (16)

1. Verfahren zur Trennung von chemischen Substanzen durch Kristallisation, bei dem die Substanzen zunächst geschmolzen und in geschmolzenem Zustand auf gekühlte Flächen zur Auskri­ stallisation aufgebracht und dann einem Schwitzvorgang unter­ worfen werden, bei dem die noch verunreinigten, kristallinen Oberflächen angeschmolzen und der angeschmolzene Teil abgeführt wird, ehe die verbleibenden, gereinigten Substanzen gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Flächen kon­ tinuierlich bewegt werden und von der Aufgabestellung der Sub­ stanzen aus erst eine Kühlzone zum Zweck der Auskristallisation der Substanzen und danach eine Erwärmungszone zum Erreichen des Schwitzvorganges durchlaufen, ehe die noch auf ihnen befindli­ chen Kristalle abgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone die Temperatur knapp unterhalb der Kristallisa­ tionstemperatur der Substanz gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Erwärmungszone nahe am Schmelzpunkt der Substanz gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Erwärmungszone in Bewegungsrichtung der Flächen stufenweise erhöht wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch ein um Umlenkrollen (11, 12) ge­ führtes endloses, undurchlässiges Band (10) aus gut wärmelei­ tendem Material, zwischen dessen Umlenkrollen und den gegensin­ nig laufenden Trums (10a, 10b) in der Bandlaufrichtung (21) nacheinander eine Kühleinrichtung (5) und eine Heizeinrichtung (13) für das Band (10) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (5) dem horizontalen Obertrum (10a) des Bandes (10) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizeinrichtung (13) dem Untertrum (10b) zugeord­ net ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Untertrums (10b) eine Sammelwanne (14) für die Schwitzflüssigkeit vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeich­ net, daß auch das Untertrum (10b) horizontal verläuft.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Substanz versehenen Außenseite des Bandes (10) ein Abschabemesser (7) zur Abnahme der Kristal­ le zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschabemesser (7) wahlleise und diskontinuierlich an der Bandaußenseite anlegbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Obertrum (10a) mindestens eine über demselben liegende Aufgabeeinrichtung (3, 4) zum Aufbringen der geschmolzenen Sub­ stanzen in dünner Schichtform zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß der Substanzen durch die Aufgabeeinrichtungen (3, 4) steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Band (10) mit seitlichen Stauleisten in der Art von streifenförmigen Bewegungen versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabevorrichtungen (3, 4) in Bewegungsrichtung (21) des Bandes (10) und gegeneinander verschiebbar angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Band (10) einschließlich der Aufgabevorrichtungen (3, 4) von einem wärmeisolierten Gehäuse (18) ummantelt ist.