DE841440C - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung uebersaettigter Loesungen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorriditung zur Herstellung übersättigter Lösungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer übersättigten Lösung mit einem Sättigungsgrad einer festen Substanz in einem flüssigen Lösungsmittel, bei dem der Sättigungsgrad innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dauernden Aufrechterhaltung des beabsichtigten Sättigungsgrades, wenn die Substanz durch Kristallisation oder chemische Reaktion aus der Lösung geht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des obengenannten Verfahrens.
• Das Verfahren beruht hauptsächlich darauf, daß, da das spezifische Gewicht der Substanz in reinem Zustande höher als das des Lösungsmittels ist, eine Vergrößerung der Konzentration der Lösung eine Vergrößerung des spezifischen Gewichts der Lösung herbeiführt. Ein zusätzlicher Faktor ist, daß das spezifische Gewicht der Lösung wegen der Volumausdehnung sinkt, wenn die Temperatur ansteigt.
• Weiterhin beruht das Verfahren darauf, daß die Löslichkeit mit der Temperatur vergrößert wird.
• Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des Verfahrens wird im folgenden eine Anwendung des Verfahrens mit einer Salzlösung in Wasser zur Herstellung großer Einzelkristalle für piezoelektrische oder optische Zwecke beschrieben.
• Kristalle dieser Art werden mittels einer übersättigten Lösung der genannten Substanz hergestellt, wodurch Kristallkeime, die in die Lösung eingebracht werden, durch Kristallisation der Substanz anwachsen.
• Das Verfahren wird durch Betrachtung der Arbeitsweise einer Vorrichtung offenbar, die im Querschnitt in Fig. I dargestellt ist.
• Die Vorrichtung besteht aus einem Kessels, in welchem ein senkrechtes Kanal- oder Leitungssystem angeordnet ist. Der Kessel ist mit der erwähnten Flüssigkeit gefüllt.
• Der Hauptteil des Kessels besteht aus einem TeilA, in dem der beabsichtigte Prozeß, z. B. die Kristallisation, stattfinden kann. Dieser Teil wird im folgenden die Kristallisationskammer genannt. Sie wird außer durch den Boden und drei Seiten des Kessels I auf der einen Seite durch eine senkrechte Wand 2 begrenzt, die so eingesetzt ist, daß ein Durchgang zwischen dem unteren Rand der Wand und dem Boden des Kessels verbleibt. Die Wand endet oben in einem gewissen Abstand unter dem oberen Rand des Kessels, so daß eine Öffnung zwischen dem oberen Rand der Wand und der Flüssigkeitsoberfläche verbleibt. Parallel zu der Wand ist eine Platte 3 vorgesehen, die nach dem Innern der Kristallisationskammer in einem Abstand von der genannten Öffnung angeordnet ist, so daß ein kurzer senkrechter Kanal B gebildet wird, der sich nach unten in die Kristallisationskammer und nach oben in die Öffnung über der Wand 2 öffnet. In diesem Kanal ist eine Heizvorrichtung 4 untergebracht.
• Zwischen der Wand 2 und der Seite des Kessels ist eine Wand 5 angeordnet, die in ihrem oberen Teil nach der Seite des Kessels hin gebogen ist und mit derselben verbunden ist, so daß ein Hohlraum gebildet wird. Dieser Hohlraum ist an seinem oberen und unteren Teil mit Öffnungen versehen, durch welche ein Kühlmittel von der Einlaßöffnung G nach oben durch F und nach außen durch die obere Offnung H strömt. Die Wände 2 und 5 bilden einen senkrechten Kanal D, der unten mit der Kristalli ; sationskammer verbunden ist und sich oben zu einer Kammer C verbreitert, die im folgenden Lösungskammer genannt wird und die durch den Kanal B mit der Kristallisationskammer verbunden ist. Auf diese Weise ist ein geschlossenes Ringsystem gebildet.
• Der untere Teil eines Behälters E, der von dem Boden bis nach oben zu der Flüssigkeitsoberfläche perforiert ist, ist in der Lösungskammer C untergebracht, so daß die eine Seite des Behälters gegen den oberen Rand der Wand I stößt. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit gezwungen, durch den unteren Teil des Behälters E zu fließen, wenn sie sich von dem Kanal B durch C zu dem Kanal D bewegt. Der Behälter E ist mit der Substanz gefüllt, mit der die Flüssigkeit zu übersättigen ist.
• In der Lösungskammer unmittelbar unter dem Behälter E ist eine wärmeempfindliche Vorrichtung 6 (Kontaktthermometer) vorgesehen, durch welche die Wirkung der Heizvorrichtung 4 reguliert werden kann.
• Es sei angenommen, daß der Kristallisationskessel I bis zu einer geeigneten Höhe mit einer nahezu gesättigten Lösung der genannten Substanz gefüllt ist.
• In der Kristallisationskammer A herrscht die Temperatur To. Die Lösung in dem Kanal B wird nun durch die Heizvorrichtung auf die Temperatur T erwärmt, wodurch die Lösung nach oben steigt und in Berührung mit der Substanz in jenem Teil des Behälters E kommt, der sich in C befindet.
• Da die Lösung dann ungesättigt ist, wird eine bestimmte Salzmenge gelöst. Dieser Prozeß erfordert Wärme, und demgemäß wird die Lösung kühler, wenn sie durch E fließt, und die Temperatur wird auf- T2 herabgesetzt. Die Lösung verläßt bei dieser Temperatur und nahezu gesättigt C.
• Da die Lösung nun konzentrierter als in B und somit schwerer ist, sinkt sie durch den Kanal D abwärts, wodurch sie allmählich auf die Temperatur Wo durch das Kühlwasser in F, d. h. auf dieselbe Temperatur wie in dem Kristallisationskessel gekühlt wird. Die Lösung ist durch den Temperaturabfall T2-To zur Übersättigung gekommen und kehrt in diesem Zustand in die Kristallisationskammer A zurück, wo sie sich in einer horizontalen Schicht unter der ungesättigten Lösung ausbreitet.
• Die Zirkulation dauert jedoch in der gleichen Weise an, und ein dauernder Strom übersättigter Lösung fließt in den Kristallisationskessel. Dieser wird mehr und mehr mit übersättigter Lösung gefüllt, und die Grenzfläche zwischen der übersättigten und der ungesättigten Lösung verschiebt sich langsam nach oben.
• Zuletzt erreicht die übersättigte Lösung das Niveau, bei dem sie in den Kanal B nach oben zu fließen beginnt. Da sie dabei noch beinahe gesättigt ist, nachdem sie auf T1 erhitzt wird, und daher nur eine kleine Menge neuen Salzes gelöst wird, ist der Temperaturabfall auf dem Wege durch den Behälter unbeachtlich, und die Temperatur T2 in C steigt an.
• Die wärmeempfindliche Vorrichtung in C vermindert dadurch die Wirkung der Heizvorrichtung 4, T1 sinkt und das Gleichgewicht ist erreicht, wenn T1 = T2 ist.
• Dann hört die Zirkulation auf, und es wird nur so viel Wärme entwickelt, daß die Temperatur konstant gehalten wird.
• Der Sättigungsgrad ist der Temperaturdifferenz proportional, die zwischen der Lösungskammer und der Kristallisationskammer aufrechterhalten werden kann und die z. B. durch Verstellung der wärmeempfindlichen Vorrichtung auf verschiedene Werte von T2, wenn T0 konstant gehalten wird, geregelt werden kann.
• Wenn die Substanz in der Kristallisationskammer zur'Ausfällung gebracht wird, z. B. indem Kristallkeime hineingebracht werden, nimmt die Konzentration ab, wenn die Kristallisation stattfindet. Die auf diese Weise erhaltene leichtere Lösung steigt dann nach oben zur Flüssigkeitsoberfläche in dem Kristallisationskessel, fließt nach B und wird auf T erhitzt. Sie ist dann ungesättigt und Salz wird gelöst, der Temperaturabfall tritt ein, und die wärmeempfindliche Vorrichtung vergrößert die Wärmezufuhr.
• Die Zirkulation beginnt und dauert an, solange eine ungesättigte Lösung nach der Erwärmung in B erhalten wird. Wenn größere Salzmengen ausfällen, wird die Differenz zwischen T1 und T2 größer werden und, da T2 konstant gehalten wird, steigt T1 an.
• Dies verursacht wiederum eine vergrößerte Losungsgeschwindigkeit. Die Vorrichtung sucht somit die Lösungsgeschwindigkeit so groß wie die Kristallisationsgeschwindigkeit zu halten, so daß der Sättigungsgrad konstant gehalten wird.
• Eine Weiterentwicklung der beschriebenen Vorrichtung besteht z. B. darin, daß eine Verlängerung des unteren Teils der Wand 2 nach oben gebogen ist und bis zu einem Abstand unter der Flüssigkeits- oberfläche reichen kann, wie es in Fig. II gezeigt ist.
• Infolge Verlängerung der Platte 3 nach unten gemäß der Darstellung verläuft der Kanal B zunächst von der Öffnung in der Kristallisationskammer senkrecht abwärts nach dem Boden (B,z, Fig. II) und dann luings der Wand 2 aufwärts zu der Lösungskammer (lxb, Fig. II).
• In jenem Teil Bb des Kanals ß, in dem die Lösung nach oben steigt, wird sie allmählich durch die Lösung, die von der Lösungskammer kommt und den Kanal D durchläuft, erhitzt, welch letztere auf diese Weise gekühlt wird Auf diese Weise wird das gegen die Zirkulationsrichtung wirkende Moment teilweise ausgeglichen, das davon herrührt, daß die Lösung in dem kanal D wärmer als in der Kristallisationskammer ist.
• Selbst sehr kleine Konzentrationsunterschiede sind somit ausreichend, die Zirkulation aufrechtzuerhalten.
• Diese Iatsache hat sich als von größter Wichtigkeit bei der Bildung von Kristallen mit Substanzen herausgestellt, die schwierig zu lösen sind.
• Infolge des Wärmeaustausches, der zwischen den Kanälen h> und D erreicht wird, wird der Bedarf nacll einer besonderen Kühlung geringer. Dieser Wärmeaustausch kann jedoch auch benutzt werden, um andere \'orteile zu erreichen. Dies ist in Fig. III gezeigt, in der der Kanal D derart abgeändert worden ist, daß er zunächst von der Lösungskammer E, Da, dann ansteigend, Db, und schließlich wieder nach nnten, Dc verläuft und der Wand zu dem Kanal Db folgt. Eine Heizvorrichtung ist in dem ansteigenden Teil des Kanals Db angeordnet. Der Kanalteil Db ist der wtirmste Teil des 111üssigkeitssystems. Da die Lösung bereits den Salzbehälter passiert hat, kann die Iemperatur so hoch gehalten werden, daß die Lösung ziemlich ungesättigt sein wird, wodurch etwa vorhandene Salzkörner, die aus dem Salzbehälter kommen, vollständig gelöst werden und eine homogene Lösung erzielt wird, Weiterhin kann der Lösung in dem Kanal Db so viel Wärme zugeführt werden, daß sie genügt, die Auflösungswärme zu kompensieren, wodurch keine Heiz'.orrichtung in B, angeordnet zu werden braucht. Die Zirkulation in dieser Vorrichtung wächst ziemlich stark.
• Fig. IV zeigt eine Vorrichtung zur Kristallbildung in größerem SIaßstabe. Die Lösungskammer ist hier in einem besonderen Kessel angeordnet und mit mehreren Kristalisationskesseln A verbunden. Dadurch, daß der Kanal Db durch die Außenwand des Lösungskessels begrenzt wird, kann die Heizvorrichtung 4 als Widerstandsdrahtspule ausgebildet sein, die um den Lösungskessel gewickelt ist und die nach außen durch einen tJiberzug 7 geeigneter Art wärmeisoliert ist.
• I) as Verfahren kann auch für andere Zwecke als für die Kristallbildung verwendet werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung und Aufrechterl1altung einer übersättigten Lösung einer festen Substanz in einem strömenden Lösungsmittel, z. B. Salz in Wasser, wenn die gelöste Substanz aus der Lösung durch Kristallisation oder chemische Reaktion ausfällt, wobei neue Substanz durch Auflösung ständig einen Teil des Systems zugeführt wird, dessen Temperatur höher als die der übrigen Teile des Systems gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung und die Zufuhr der festen Substanz in der oberen Oberflächenschicht der flüssigen Phase, wo die Lösung am leichtesten, d. h. am wenigsten konzentriert ist, durchgeführt wird, wobei der am wenigsten konzentrierte Teil der Lösung nach Erwärmung in Berührung mit der Substanz kommt, mit der die Lösung zu übersättigen ist, so daß die Substanz gelöst wird, und von wo aus die, Lösung, die durch Aufnahme der Substanz konzentrierter und demzufolge schwerer wird, nach unten zu den unteren Teilen des Flüssigkeitssystems während der Kühlung sinkt, wodurch neue ungesättigte Lösung aus der Oberflächenschicht abfließt, so daß der Auflösungsprozeß so lange andauert, wie irgendein Flüssigkeitsteil bei höherer Temperatur ungesättigt ist.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kristallisationskessel oder in dem Reaktionskessel (I) ein Kanal (D) angeordnet ist, der im wesentlichen senkrecht verläuft und oben und unten offen ist und der vorzugsweise mit größerer Querschnittsfläche im oberen Teil als im unteren Teil und in dem oberen Teil mit einem Behälter (E) für die feste Substanz versehen ist, der unten gelocht und oben offen ist, und daß dieser Kanal (D), im folgenden Hauptkanal genannt, in dem oberen Teil eine Seitenöffnung (-kanal) (B) nach der flüssigen Phase hin hat und in dem oberen Teil der Flüssigkeitsphase und nahe der Oberfläche der Flüssigkeit liegt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenöffnung als Kanal (Ba, Bb) ausgebildet ist, der zunächst nach unten verläuft, dann nach oben abbiegt und sich nahe der oberen Fläche der Flüssigkeitsphase öffnet.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung (4) außerhalb des oberen Teils des Hauptkanals (D) und vorzugsweise innerhalb des Seitenkanals (B) unter seiner Öffnung nach dem Hauptkanal hin oder jenem Teil des Seitenkanals angeordnet ist, der nach oben zu der Seitenöffnung des Hauptkanals ansteigt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennze chnet, daß der Seitenkanal (B) dem Hauptkanal (D) nach unten folgt und mit demselben eine Wand gemeisam von der Seitenöffnung zu jenem Punkt hat, wo der Seitenkanal nach oben abbiegt, so daß ein Wärmeaustausch nach dem Gegenstromprinzip zwischen der warmen Lösung in dem Hauptkanal (D), die aus dem Substanzbehälter (E) abflleßt und der Lösung des Seitenkanals, die aus der Flüssigkeitsoberfläche aufwärts nach der Seitenöffnung hin fließt, stattfindet, wodurch die erstere allmählich gekühlt und die letztere erwärmt wird.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal (D) aus dem Substanzbehälter zunächst nach unten verläuft und dann nach oben abbiegt und den Seitenkanal (B) in der Nähe seiner Öffnung zu dem Substanzbehälter trifft und danach dem Seitenkanal in seinem von dem Substanzbehälter (E) absteigenden Teil folgt, wobei der Hauptkanal eine gemeinsame Wand mit dem Seitenkanal bis zu einem Punkt hat, wo der Seitenkanal aufwärts abbiegt und weiterhin eine Heizvorrichtung (4) in dem ansteigenden Teil des Hauptkanals angeordnet ist, so daß die Lösung, die den Substanzbehälter durchlaufen hat, zunächst abwärts sinkt, dann während der Erwärmung nach oben ansteigt und schließlich unter Kühlung ab sinkt, wodurch die Lösung in dem Seitenkanal erwärmt wird und nach oben zu dem Substanz behälter steigt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine wärmeempfindliche Tor : richtung (6) in dem oberen Teil des Hauptkanals angeordnet ist, die mittels eines Relais die Wärme; erzeugung in der obenerwähnten Heizvorrichtung (4) regelt.