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Verfahren und Vorrichtung zum Ausfällen eines leicht von der Mutterlauge
zu trennenden Niederschlages
Wenn man durch Einwirkung eines festen, flüssigen oder
gasförmigen Fällungsmittels auf eine Lösung einen Stoff ausfällt, erhält man oft
einen feinen und voluminösen, manchmal kolloidalen Niederschlag, der schwe!r vom
Lösungsmittel, in dem er sich gebildet hat, zu trennen ist.
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Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichzungen, mit deren Hilfe
sich bei Reaktionen dieser Art schnell dichte und körnige Niederschläge ergeben,
welche den großen Vorteil haben, leicht klärbar, waschbar und filtrierbar zu sein
und die gegebenenfalls leicht getrocknet und calciniert werden können.
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Erfindungsgemäß werden Lösung und Fällungsmittel in einem Reaktionsbehälter
gemischt; vorzugsweise kommt ein kontinuierliches Verfahren zur Anwendung, gegebenenfalls
kann jedoch der Mischvor;8gan,g auch stufenweise durchgeführt werden. In bei;den,
Fällen können Lösung und Fällungsmittel entweder langsam gleichieitig dem Reaktio;nsbehälter
zugeführt werden, oder man verfährt so, daß abwechselnd kleinere Teilmengen der
Lösung und des Fällungsmittels in den Reakt;ionsbehälter eingegeben werden. Lösung
und Fällungsmfttel stehen dabei mengenmäßig in einem Verhältnis zueinander, wie
es für die im Einzelfall ablaufende Reaktion am günstigsten ist.
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Während der Reaktion wird der Inhalt des Refaktionsbehälters durch
dauerndes Umrühren in Be wegung gehalten, damit der schon gebildete Niederschlag
in Suspension bleibt und slich nicht am Boden absetzt und damit Lösungsmittel, gelöster
Stoff und Fäilungsmittel dauernd gut durchmischt werden. Dadurch soll die Reaktion
unter höchst-
möglicher Verdünnung der Reaktionspartner ünd in Gegenwart
des bereits ausgefällten Niederschlages ablaufen.
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Falls das Mischverfahren stufenweise erfolgen soll, geht man z. B.
so vor, daß in der ersten Arbeitsstufe die hier zur Verarbeitung vorgesehenen Mengen
der Lösung und des Fällungsmittels entweder langsam gleichzeitig oder nacheinander
in miteinander abwechselnden Teilmengen in den mit einer Rührvorrichtung versehenen
Reaktionsbehälter eingeführt werden. Wenn am Ende der ersten Arbeitsstufe die für
diese vorgesehenen Mengen der Reaktionspartner ganz eingefüllt sind, erhält man
einen auffallend dichten und körnigen Niederschlag, wie die weiter unten angeführten
Beispiele zeigen.
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Die Korngröße kann dadurch weiter gesteigert werden, daß man die Fällung
der ersten Arbeitsstufe klären läßt, das Lösungsmittel ganz oder teilweise entfernt
und in der folgenden Arbeitsstufe mit frisch zugeführben Mengen der Lösung und des
Fällungsmittegls in Gegenwart des Ni.ederschlages aus der ersten Arbeitsstufe und
wieder unter dauerndem Umrühren eine weitere Fällung durchführt.
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Wenn notwendig, kann der beschriebene Vorgang so lange wiederholt
werden, bis das gewünschte Ergebnis, erzielt ifst.
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Man kann das Ergebnis dieser Vorgänge noch verbessern, indem man
die Lösung und das Fällungsmittel durch Zugeben einer passenden Menge einer inerten
Flüssigkeit oder des Lösungsmittels verdünnt. Zweckmäßig wird eine Erhöhung der
zu verarbeitenden Volumina dadurch vermieden, daß elin und dasselbe Verdünnungsvolumen
in jeder Ar-1?eitsstufe verwendet wird.
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Wenn das Fällungsmittel fest ist, wird es vorzugsweise in feinpulverisiertem
Zustand und in Suspension, wie z. B. bei Kalkmilch, in den Reaktionsbehälter gegeben.
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Bei gasförmigen Fällungsmitteln ist es zweckmäßig, von vornherein
ein genügend großes Flüssigkeitsvolumen im Reaktionsbehälter zu haben, damit ein
kräftiges Durchbiasen sichergestellt ist.
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Zu diesem Zweck bringt man vor Beginn der Rec aktion die erforderliche
Flüssigkeitsmenge in Form einer inerten Flüssigkeit oder des Lösungsmittels in den
Reaktionsbehälter und beginnt erst dann mit dem Zuführen derReaktionspartner. Gegebenenfalls
kann dieses Verfahren auch bei nicht gasförmigen Fällungsmitteln zur Anwendung kommen;
die Reaktion läuft dann von vornherein unter hoher Verdünnung der Reaktionspartner
ab, außerdem wird das Durchrühren erleichtert.
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Bei kontinuierlichem Mischverfabren werden die in einem für die vorgesehene
Reaktion passenden Verhältnits stehenden Mengen der Lösung und des Fällungsmittels
vorzugsweise gleichzeitig in eine Anzahl von Reaktionsbehältern eingeleitet, die
so angeordnet sind, daß jeder Reakbionsbehälter sich in den folgenden entleert.
Man hat dabei die gleiche Wirkung wie bei dem beschriebenen, stufenweise durchgeführten
Mischverfahren; die einem Behälter frisch zugeführten Reaktionspartner reagieren
dort unter dauerndem Umrühren und in Gegenwart der aus dem vorhergehenden Behälter
einströmenden Reaktionsprodukte.
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Bei gasförmigen Fällungsmitteln besteht die Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens z. B. aus einer Anzahl von mit Rührern versehenen Behältern, die'
so angeordnet sind, daß jeder Behälter von allen Reaktionspro dukten aller vorhergebenden
Behälter durchströmt wird; jeder Behälter wird außerdem gleichzeitig mit Lösung
und Fällungsmittel gespeist, wobei deren Einströmgeschwindigkeiten so èìnreguliert
sind, daß in jedem Behälter die Reaktion beendet ist, bevor sein Inhalt in den nächsten
Behälter fließt. Gegebenenfalls kann man auch hier die Korngröße dadurch höher treiben,
daß man aus dem letzten Behälter den dort gebildeten Niederschlag entnimmt und ihn
wieder dem ersten Behälter so lange zuführt, bis im Endbehälter die gewünschte Korngröße
erreicht ist.
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Gemäß der Erfindung ausgefällte Niederschläge haben eine wesentlich
höhere Klärungsgeschwin digkeit als die üblichen Ausfällungen. Im folgenden wird
das Verfahren unter - übrigens gleichen Umständen mit den bisher üblichen verglichen.
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A. Beispiel eines normalen kristallinischen Niederschlages Betrachtet
wurde die durch Einwirkung einer Natriumsulfatlösung auf eine Chlorbariumlösung
hervorgerufene Ausfällung von Bariumsulfat. Nach dem Abklären erhält man den Niederschlag
als eine Milch mit einem gewissen Wassergehalt. Das Gesamtvolumen beider Lösungen
betrug vor der Reaktion I000 1.
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I. Wenn man die beiden Lösungen schnell miteinander vermischt, hat
die nach dem Abklären aufgefangene Milch ein Volumen von 22 1 und die Dichte I,149'5.
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2. Wenn man eine der beiden Lösungen langsam in die andere einführt,
erhält man 201 Milch mit einer Dichte von 1,175. Die Verbesserung im Verhältnis
zum vorhergehenden Fall ist also kaum wahrnehmbar.
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3. Wenn man dagegen entsprechend der Erfindung in das mit einem Rührwerk
versehene Reaktionsgefäß langsam die beiden Lösungen in ungefähr stöchiometrischen
Verhältnissen einlaufen läßt und ständig rührt, bis die gesamte Reaktion erfolgt
ist, so erhält man ein Milchvolumen von 61 mit einer Dichte von I,5e84.
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B. Beispiel eines normalen kolloidalen Niederschlages Betrachtet
wurde die Ausfällung von Magnesia durch Reaktion von Kalkwasser mit Meerwasser.
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Das Gesamtvolumen der beiden Lösungen betrug vor der Reaktion Ioool.
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I. Eine schnelle Durchmischung beider Lösungen ergab 5701 eines sehr
voluminösen und kolloidalen Niederschlages mit der Dichte 1,00076, d. h. der Niederschlag
enthält mehr als 99 ovo Wasser. Es ist bekannt, daß man die Dichte des Niederschlages
dadurch erhöhen kann, daß man den Niederschlag aus einem ersten Prozeß in einem
zweiten benutzt,
den Niederschlag des zweiten Prozesses in einem
dritten usw. Man benötigt aber dann eine große Anzahl von Prozessen, die hintereinander
durchgeführt werden, um am Ende einen dichten und körnigen Niederschlag zu erhalten.
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2. Wenn man eine der Lösungen langsam in die andere einbringt, erhält
man 2X65 1 eines Niederschlages mit der Dichte I,OOI5. Das Verhältnis ist zwar besser
als im Fall A, aber der Niederschlag ist doch noch kolloidal und hat einen hohen
Wasseranteil.
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3. Wenn man dagegen erfindungsgemäß vorgeht, d. h. die beiden Lösungen
unter Beachtung der bei der Reaktion vorliegenden stöchiometrischen Verhältnisse
und unter dauerndem Umrühren nach und nach langsam mischt, erhält man nur 4 1 eines
Niederschlages mit der Dichte I,I50. Man erhält also sofort einen Niederschlag,
von dem man sagen kann, daß er kaum noch kolloidal ist.
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In einem gewissen Maß kann die Korngröße des Niederschlages durch
Regeln der Einströmgeschwindigkeiten und der Mischlgeschwindigkeit beeinflußt werden.
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Natürlich kann man eine Steigerung der Korngröße des Niederschlages
erzielen, indem man ihn auf die bekannte, obenerwähnte Art behandelt. Es wird besondlers
vorteilhaft amin, sich für die weiteren Ausfällungen des Verfahrens zu bedienen,
bei dem die miteinander reagierenden Lösungen gleichzeitig langsam zusammengegeben
werden, so daß ein schnelleres Anwachsen der Korngröße der Anfangsfällung erzielt
wird. Eine Anfangsfällung mit der Dichte I,080 hatte nach drei Prozessen die Dichte
I,3, nach fünf Prozessen die Dichte I,420 und nach sieben Prozessen die Dichte 1,550.
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Betrachtet man die Fällung einer verdünnten Natrinmaluminatlösung
durch kaltes CO2, so ergibt sich erstens bei der üblichen Fällung ein Niederschlag
mit der Dichte 1,04, zweitens bei erfindungsgemäß,em Verfahren, also bei nach und
nach ablaufender Behandlung von Teilmengen der Lösung mittels C 2 in Gegenwart der
angesammelten und aufgerührten Reaktionsprodukte, ein Niederschlag mit der Dichte
1,235.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Arten durchgeführt
werden. Als Beispiel werden im folgenden ein Stufenverfahren und ein kontinuierliches
Verfahren unter Beschränkung auf die wesentlichen Erfindungsmerkmale beschrieben.
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A. Stufenverfahren In einen Behälter von geeignetem Fassuntgsvermögen,
der mit einer Rührvorrichtung versehen ist gibt man zunächst eine erste Teilmenge
der ersten Lösung, dann eine erste Teilmenge der zweiten Lösung, darauf die zweite
Teilmenge der ersten Lösung usw. Gegebenenfalls kann man auch durch zwei Zuführungen
die beiden Lösungen gleichzeitig dem Behälter zuführen, wobei sie mengenmäßig in
dem für die Reaktion günstigen Verhältnis stehen.
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In diesem Fall ist es vorteilhaft, die beiden Lösungeben an sich gegenüberliegenden
Seiten des Behälters einzuführen. Die EintrittsgeschwindibCkeiten der beiden Lösungen
richten sich danach, welche Korngröße man dem sich bei diesem ersten Arbeitsgang
bildenden Niederschlag geben will.
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Man führt unter ständigem Umrühren beide Lösungen so lange zu, bis
der Behälter gefüllt ist.
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Dann stellt man die Rührvorrichtung ab, läßt den Niederschlag sich
abse,tzen, entfernt das Lösung mittel und wiederholt in weiteren Arbeitsgängen das
beschriebene Verfahren in Anwesenheit der bis dahin schon ausgefällten Niederschläge.
Wenn die verlangte Korngröße erreichtl ist, entnimmt man den Niederschlag.
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B. Kontinuierliches Verfahren Eine Anzahl Behälter von zunehmender
Größe, von denen jeder mit einer Rührvorrichtung versehen ist, werden so angeordnet,
daß sich jeder Behälter in den nächstgrößeren entleeren kann. In jeden dieser Behälter
münden zwei Rohileitungen, durch dile die beiden Lösungen in einem für die Reaktion
günstigen Mengenveirhältuis zugeführt werden.
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D,ie Korngröße kann bei diesem Verfahren durch die Einströmgeschwindigkeit
der Lösungen und durch die Anzahl der Behälter beeinflußt werden.
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Aus dem letzten Behälter strömt fortwährend eine Mischung auis Lösungsmittel
und Niederschlag be stimmte Korngröße. Nachdem der Niederschlag durch ein geeignetes
Mittel, vorzugsweise durch Klären, vom Lösungsmittel getrennt ist, kann er als Anreger
in eine weitere Behälter reihe eingeführt werden. Gegebenenfalls genügt es auch,
nur eine Behälterreihe zu benutzen, wobei der aus dem letzten Behälfter entnommene
Niederschlag wieder in den ersten Behälter eingeführt wird. Dies wird so lange wiederholt,
bis der Niederschlag im letzten Behälter die gewünschten Eigenschaften hat; von
dtann an kann man mit der regelmäßigen Entnahme des Endniederschlages beginnen.
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Die Aufenthaltsdauer der Lösungsanteile in den einzelnen Behältern
kann so gewählt wlerden, daß die Reaktionsdauer in allen Behältern die gleiche ist.
In diesem Fall bildet das Fassungsvermögen der Behälter eine arithmetische Reihe.
Wenn man z. B. eine Lösungsmenge von 3000 cm3 in I Stunde verarbeiten will und bei
dreißig Behältern 1 Minute Reaktionsdauer pro Behälter vorsieht, so erhält man für
die einzelnen Behälter folgende Fassungsvermögen: Behälter Nr. I faßt 3000 = 5 m3
Flüssigkeit; 30.60 3 Behälter Nr. 2 faßt 5 m3 frische Flüssigkeit und 3 5 m3 Flüssigkeit
aus Behälter Nr. I, also zusammen om3 Flüssigkeit. Behälter Nr. 3 faßt 5 m3 frische
3 3 Flüssigkeit und I0 ms Flüssigkeit aus Behälter 3 Nr. 2, also zusammen 5 m3.
Behälter Nr. 30 faßt 3 5 m3 frische Flüssigkeit und T45 m3 Flüssigkeit aus 3 3 Behälter
Nr. 29, also zusammen 50 m3.
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Aus dem letzten Behälter strömen daher 50 m3 pro Minute = 3000 m8
pro Stunde.
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Es hat sich gezeigt, daß, wenn für den letzten Behälter die geeignete
Rührdauer I Minute ist, diese Rührdauer für die ersten Behälter viel zu groß ist
Man kann also für die ersten Behälter von einer kleineren Aufenthaltsdauer ausgehen.
Das durch die beste Rührzeit bestimmte Fassungsvermögen der Behälter schwankt je
nach Art der Reaktionspartner und ihrer Konzentration; es muß also durch Versuche
besltimmt werden.