NL1012380C2 - Werkwijze en inrichting voor het kristalliseren van vloeistoffen. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het kristalliseren van vloeistoffen.

De aanvrage heeft betrekking op een inrichting voor het kristalliseren van een vloeistof uit een oplossing, een mengsel van vloeistoffen of een suspensie, omvattende: 5 - een nucleatiezone voor het vormen van kiemkristallen, met een toevoerleiding voor het toevoeren van moederloog aan de nucleatiezone, - een rijpingszone in fhndumverbinding met de nucleatiezone voor het doen groeien van de kiemkristallen, en - een scheidingsinrichting verbonden met een afvoer van de rijpingszone voor het 10 scheiden van kristallen en moederloog, waarbij de nucleatiezone een vaccuümkristallisatie-inrichting omvat.

Een dergelijke inrichting, voor het vriesconcentreren van waterhoudende stoffen zoals vruchtensap, bier, thee of koffie is bekend uit Amerikaanse octrooiaanvrage nr. 4,459,144 ten name van aanvraagster. Hierbij wordt de waterhoudende vloeistof 15 toegevoerd aan een wandgeschraapte warmtewisselaar. De wandgeschraapte warmtewisselaar vormt een nucleatiezone, waarin kiemkristallen worden gevormd met een afmeting tussen 5 en 10 micrometer. Vanuit de wandgeschraapte warmtewisselaar worden de kiemkristallen overgebracht naar een groeizone in een afzonderlijk adiabatisch geroerd rijpingsvat waar de gemiddelde kristalgrootte toeneemt tot 20 ongeveer 300 micrometer. De ijsbrij uit het rijpingsvat wordt toegevoerd aan een scheidingsinrichting voor het afscheiden van de kristallen en de oplossing, welke in dit geval wordt gevormd door een waskolom. Via een filter in het rijpingsvat van de eerste trap wordt de oplossing gerecirculeerd over de bij het rijpingsvat behorende wandgeschraapte warmtewisselaar en deels toegevoerd naar de tweede trap van de 25 vriesconcentreerinrichting die wederom een wandgeschraapte warmtewisselaar als nucleatiezone en een rijpingsvat als groeizone omvat. De in het rijpingsvat van de tweede trap gevormde ijsbrij wordt toegevoerd naar het rijpingsvat van de eerste trap waarbij de ijsbrij zich in tegenstroom beweegt met de oplossing. De eindconcentratie van het uit de derde trap afgevoerde geconcentreerde product kan rond de 50 gew. % 30 opgeloste stof bedragen.

In de nucleatiezone ontstaan de kiemkristallen door in korte tijd warmte aan de vloeistof te onttrekken. Daarbij gaat een deel van de vloeistof in kristallen over. Hiertoe dient de verblijftijd van de vloeistof in de nucleatiezone kort te zijn en dienen 1012380 2 grote temperatuurverschillen tussen de geschraapte wand en de vloeistof te worden toegepast. De vloeistofinhoud van de nucleatiezone moet dus klein zijn. Ten gevolge van de lage wandtemperatuur ontstaan kristallen op de wand van de nucleatiezone, zodat deze met een hoge frequentie moet worden geschraapt.

5 Bij de bekende wandgeschraapte warmtewisselaars zijn de schrapers op een roterende as gemonteerd. De as zelf is als verdringer langs de warmtewisselende wand uitgevoerd met een nauwe spleet tussen de wand en de rotor, zodat het vloeistofvolume zo klein mogelijk is en een korte verblijftijd wordt verkregen. Voor warmtewisselende oppervlakken tot ca. 1 m2 zijn dergelijke warmtewisselaars op de markt verkrijgbaar. 10 Voor grotere installaties kunnen echter bijvoorbeeld 20 warmtewisselaars met ieder een oppervlak van 12 m2 nodig zijn. Door de geringe toleranties van de spleet van de roterende schraper en de hoge mate van maat- en vormnauwkeurigheid, alsmede de hoge eisen aan loop- en slijteigenschappen van de schrapers, zijn de wandgeschraapte warmtewisselaars zeer kostbaar. Tevens is de verkrijgbaarheid door het speciale 15 constructieproces en de nodige bewerkingen onzeker.

Ook is toepassing van wandgeschraapte warmtewisselaars op grotere schaal problematisch. Voor een rijpingsvat met een inhoud van 36 m3 kan een warmtewisselend oppervlak van 24 m2 in de nucleatiezone worden toegepast. Bij een circulatiestroom over de nucleatiezone en de rijpingszone van 72 m3/uur, (dat wil 20 zeggen dat per uur de inhoud van de zones twee maal over het warmtewisselend oppervlak wordt geleid) moet 36 ton filterkoek per uur opnieuw in suspensie worden gebracht bij toepassing van een filter in de rijpingszone. Een verblijftijd van 10 seconden in de warmtewisselaar betekent dat de warmtewisselaar een inhoud heeft van 200 liter. Dit houdt in dat een spleetbreedte van hoogstens 8 mm kan worden toegepast 25 op een totaal oppervlak van 24 m2. Indien het warmtewisselend oppervlak in de breedterichting wordt aangestroomd, moet langs de langsrichting alle gevormd ijs probleemloos worden afgevoerd door de spleet van 8 mm, waarin ook nog de schrapers zijn ondergebracht. Dit vormt een groot probleem bij het opschalen.

Een kristallisatie-inrichting volgens de aanhef van conclusie 1, waarbij HCN door 30 kristallisatie uit een waterige oplossing wordt afgescheiden, is bekend uit US 2,516,832. In de bekende inrichting wordt moederloog toegevoegd aan een vaccuümverdampingsvat waarvan de damp door middel van een condensatietank verbonden met een koeleenheid, wordt neergeslagen. Hierbij staat het condensatievat in 1012380 3 open verbinding met het vaccuümvat. In het open condensatiesysteem kunnen slechts in beperkte mate verlaagde temperaturen worden toegepast, zodat de effectiviteit van de condensatie relatief gering is en de overeenkomstig bereikte onderdrukken beperkt zijn. Voorts is de bekende inrichting met name geschikt voor het verkrijgen van een 5 opgeloste stof, met name HCN kristallen, uit de oplossing terwijl de onderhavige werkwijze met name is gericht op het concentreren van een oplossing waarbij het oplosmiddel door kristallisatie wordt verwijderd.

Het is daarom een doel van de onderhavige uitvinding te voorzien in een kristallisatieinrichting voor het scheiden en zuiveren van vloeistoffen uit een oplossing, 10 een mengsel van vloeistoffen of een suspensie, zoals bijvoorbeeld afvalwater, waarbij de nucleatiezone relatief eenvoudig is uitgevoerd, relatief goedkoop is, en op eenvoudige wijze kan worden opgeschaald. Het is tevens een doel van de uitvinding te voorzien in een vacuümkristallisatie-inrichting die in continubedrijf bij relatief lage drukken kan worden bedreven.

15 Hiertoe is de inrichting volgens onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat de vacuümkristallisatie-inrichting via een eerste afsluitbare dampafvoerleiding is verbonden met een eerste condensor en via een tweede afsluitbare dampafvoerleiding is verbonden met een tweede condensor. Gebleken is dat door middel van een vacuümkristallisator op eenvoudige wijze kiemkristallen kunnen worden gevormd voor 20 toevoer aan de rijpingszone. Met een op zich bekende vacuümkristallisator kunnen, bij verblijftijden en warmteonttrekking per tijdseenheid die overeenstemmen met die in een geschraapte warmtewisselaar, kiemkristallen met het gewenste afmetingsbereik tussen 3 en 10 micrometer worden verkregen. Tevens kunnen, indien in de moederloog onopgeloste delen aanwezig zijn, zoals bijvoorbeeld neergeslagen zouten, relatief hoge 25 ijspercentages worden behaald met de vacuümkristallisator, hetgeen met een geschraapte warmtewisselaar in verband met de kleine spleetdimensies niet realiseerbaar is.

Opgemerkt wordt dat een vacuümkristallisator op zich bekend is uit bijvoorbeeld GB-A-1,865,614. Een dergelijke vacuümkristallisator kan worden toegepast in de 30 inrichting volgens onderhavige uitvinding. De nucleatiezone en rijpingszone kunnen ieder in een afzonderlijk vat zijn gelegen. De scheidingsinrichting omvat bij voorkeur een waskolom, zoals bijvoorbeeld beschreven in NL-A-7 106 457.

1012380 4

De vacuümkristallisatieinrichting kan zijn gevormd door een enkel vat dat selectief kan worden verbonden met een tweetal ijscondensors. De eerste ijscondensor kan de waterdamp uit het nucleatievat verwijderen door dit tegen een koelspiraal te bevriezen. Na een vooraf bepaalde tijdsduur zal met behulp van stoom zich op het 5 koelorgaan gevormd ijs worden verwijderd, waarbij de eerste condensor van het nucleatievat wordt afgesloten, terwijl de tweede ijscondensor met het nucleatievat wordt verbonden. Het is echter eveneens mogelijk om twee nucleatievaten toe te passen, elk nucleatievat voorzien van een respectieve, bij voorkeur daarmee geïntegreerde ijscondensor. Hierdoor kan in continu bedrijf een relatief lage druk 10 worden bereikt.

In een uitvoeringsvorm is de nucleatiezone voorzien van een leiding voor toevoer van een verwarmingsmedium aan de nucleatiezone om te voorkomen dat zich ijskristallen op de wand van de nucleatiezone vormen. Het verwarmingsmedium kan warmte onttrekken aan de voeding of kan door de voeding zelf worden gevormd door 15 bijvoorbeeld een leidingstelsel voor de voeding langs de wand van het nucleatievat te leiden alvorens de voeding aan het voedingsvat toe te voeren.

Enkele uitvoeringsvormen van een inrichting en werkwijze volgens onderhavige uitvinding zullen nader worden toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening waarin: 20 -figuur 1 een inrichting volgens onderhavige uitvinding toont met een enkel nucleatievat en een tweetal ijscondensors, en -figuur 2 een alternatieve uitvoeringsvorm toont met een tweetal nucleatievaten, ieder voorzien van een respectieve, geïntegreerde ijscondensor.

Figuur 1 toont een inrichting 1 volgens onderhavige uitvinding met een 25 nucleatievat, dat wordt gevormd door een vacuümkristallisator 2, een rijpingsvat 3, een waskolom 4 en een tweetal ijscondensors 5,6. Via een toevoerleiding 7 wordt een vloeistof, zoals bijvoorbeeld afvalwater, vruchtensap of koffie, die dient te worden geconcentreerd, toegevoerd aan een houder 8. Van daaruit wordt de vloeistof via een toevoerleiding 9 en een afsluiter 10 aan de vacuümkristallisator 2 toegevoerd. De 30 vacuümkristallisator 2 staat via dampafvoerleiding 11, die zicht vertakt in leidingen 11' en 11", in verbinding met één van de ijscondensors 5 of 6. Wanneer de afsluiter 14 is geopend bevriest de ijscondensor 5 de daaraan toegevoerde damp tegen een koelspiraal 12. De niet gecondenseerde gassen worden via een vacuümpomp 13 uit de condensor 5 1012380 5 afgevoerd, bijvoorbeeld naar een verbrandingsoven of gecondenseerd en aan het eindproduct toegevoegd. Wanneer de koelspiraal 12 bedekt is met een ijslaag met voorafbepaalde dikte, wordt de afsluiter 14 gesloten en de afsluiter 15 van de condensor 6 geopend. Vervolgens wordt via een stoomtoevoerleiding 17 stoom in de 5 condensor 5 gebracht, zodat de tegen de koelspiraal 12 bevroren damp wordt gesmolten. Het condensaat en de smelt worden via een afvoerleiding 18 uit de condensor 5 afgevoerd, terwijl waterdamp bevriest tegen de koelspiraal van de condensor 6.

Door de condensors 5,6 wordt de druk in het nucleatievat 2 verlaagd tot bij 10 voorkeur tussen 10-4 en 7.10-3 bar. In het nucleatievat 2 vormen zich kiemkristallen met een afineting tussen 3 en 10 micrometer, die met een pomp 24 via een afvoerleiding 19 worden toegevoerd aan het rijpingsvat 3 om daar toe te nemen tot een afineting van enkele honderden micrometers. Vanuit het rijpingsvat 3 wordt via een afvoerleiding 20 kristalbrij toegevoerd aan de waskolom 4 van waaruit via leiding 21 15 water wordt afgescheiden en via leiding 22 geconcentreerde moederloog aan de houder 8 wordt toegevoerd. Via een filter 23 wordt moederloog uit rijpingsvat 3 afgevoerd en door toevoerleiding 26 en 9 gerecirculeerd over nucleatiezone 2. Geconcentreerd eindproduct wordt afgetapt via afvoerleiding 27.

De toevoerleiding 7, die uitmondt in de houder 8, omvat een leidingdeel 7' dat 20 zich spiraalvormig rondom het vat 2 uitstrekt. Op deze wijze wordt warmte aan de voeding onttrokken en wordt voorkomen dat de wand van het vat 2 een zodanige temperatuur bereikt dat zich daarop kristallen afzetten.

Figuur 2 toont een uitvoeringsvorm met een tweetal nucleatievaten 31,32 met geïntegreerde ijscondensor die met respectieve afvoerleidingen 33,34 zijn verbonden 25 met een rijpingsvat 35. De afVoerleidingen 33,34 zijn via een wisselklep 42, een gezamenlijke afvoerleiding 44 en een pomp 47 verbonden met het rijpingsvat 35, dat is verbonden met waskolom 51. Ieder nucleatievat 31,32 is voorzien van toevoerleiding 36', 37' met een respectieve afsluiter 36,37 voor verbinding van één van de nucleatievaten 31,32 met de toevoerleiding 38. De nucleatievaten 31,32 zijn via 30 leidingen 48 en 49 verbonden met een wisselklep 56 en met een pomp 50 voor afvoer van condensaat en de smelt van de koelspiralen 39,40.

Wanneer het nucleatievat 31 via afsluiter 36 is verbonden met de toevoerleiding 38, zal de afsluiter 37 gesloten zijn. De afsluiter 53 is geopend zodat het nucleatievat 31 1012380 6 is verbonden met de vacuümpomp 52 en op onderdruk wordt gebracht, terwijl de afsluiter 54 van het tweede nucleatievat 32 gesloten is. De afsluiter 45 van de stoomtoevoerleiding 46 is eveneens gesloten, terwijl de afsluiter 41 van de stoomtoevoerleiding 43 is geopend voor verwijdering van ijs van de koelspiraal 40 van 5 het vat 32. Wanneer de koelspiraal 40 is ontdooid en zich ijs heeft afgezet op de koelspiraal 39 van vat 31, kan afsluiter 36 worden gesloten en de afsluiter 37 worden geopend, waarna de koelspiraal 39 kan worden ontdooid en damp uit nucleatievat 32 kan worden verwijderd.

1012380

Claims (11)

1. Inrichting voor het kristalliseren van een vloeistof uit een oplossing, een mengsel van vloeistoffen of een suspensie, omvattende 5. een nucleatiezone (2,31,32)voor het vormen van kiemkristallen, met een toevoerleiding (9,26,36',37',38) voor het toevoeren van moederloog aan de nucleatiezone, een rijpingszone (3,35) in fluïdumverbinding met de nucleatiezone voor het doen groeien van de kiemkristallen, en 10. een scheidingsinrichting (4) verbonden met een afvoer (20) van de rijpingszone voor het scheiden van kristallen en moederloog, waarbij de nucleatiezone (2.31.32) een vacuümkristallisatie-inrichting omvat, met het kenmerk, dat de vacuumkristallisatie-inrichting via een eerste afsluitbare dampafvoerleiding (11’) is verbonden met een eerste condensor (5) en via een tweede afsluitbare 15 dampafvoerleiding (11") is verbonden met een tweede condensor (6).

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de nucleatiezone een nucleatievat omvat, dat met een afvoer (19,33,34) is verbonden met de in een rijpingsvat gelegen rijpingszone.

3. Inrichting voor het kristalliseren van een vloeistof uit een oplossing, 20 een mengsel van vloeistoffen of een suspensie, omvattende een nucleatiezone (2,31,32)voor het vormen van kiemkristallen, met een toevoerleiding (9,26,36',37',3 8) voor het toevoeren van moederloog aan de nucleatiezone, een rijpingszone (3,35) in fluïdumverbinding met de nucleatiezone voor het 25 doen groeien van de kiemkristallen, en een scheidingsinrichting (4) verbonden met een afvoer (20) van de rijpingszone voor het scheiden van kristallen en moederloog, waarbij de nucleatiezone (2.31.32) een vacuümkristallisatie-inrichting omvat, alsmede een nucleatievat dat met een afvoer (19,33,34) is verbonden met de in een rijpingsvat gelegen rijpingszone, met 30 het kenmerk, dat twee nucleatievaten (31,32) elk met een respectieve afsluitbare toevoerleiding (36',37') zijn verbonden met een toevoer (38) van moederloog en met een respectieve afvoer zijn verbonden met het rijpingsvat (35), waarbij elk nucleatievat is voorzien van een respectieve condensor (39,40). ή 0 1 2 3 8 0 δ

4. Inrichting volgens conclusie 1,2, of 3 , met het kenmerk, dat de condensor (5,6,39,40) een ijscondensor is met een condensorvat met daarin opgenomen een koelorgaan (12), een afsluitbare toevoerleiding (17,43,46) voor een verhittingsmedium, een met het condensorvat verbonden vacuümpomp (13,52) en een afvoerleiding 5 (18,48,49) voor afvoer van condensaat en gesmolten ijs uit het condensorvat.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de wand van de nucleatiezone (2) is voorzien van een leiding (7') voor toevoer van een verwarmingsmedium aan de nucleatiezone.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat een toevoerleiding (7) 10 van de voeding langs de wand van de nucleatiezone (2) wordt geleid of daar in warmtewisselend contact mee staat.

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de nucleatiezone (2,31,32) een zodanige afmeting heeft, dat de verblijftijd van de vloeistof in de nucleatiezone niet langer dan 100 s, bij voorkeur niet langer dan 50 s, bij grootste 15 voorkeur niet langer dan 30 s.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de scheidingsinrichting (4,51) een waskolom omvat.

9 Werkwijze voor het kristalliseren van een vloeistof uit een oplossing, een mengsel van vloeistoffen of een suspensie, omvattende 20 - toevoer van moederloog aan een nucleatiezone (2,31,32) voor het vormen van kiemkristallen, afvoer van de kiemkristallen uit de nucleatiezone aan een rijpingszone (3,35) voor het doen groeien van de kiemkristallen, en toevoer van de inhoud van de rijpingszone aan een waskolom (4,51), met 25 het kenmerk, dat de nucleatiezone wordt bedreven bij een druk van minder dan 7 10-3 bar, bij voorkeur tussen 10-4 bar en 10-7 bar.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de moederloog niet-opgeloste componenten omvat

11. Werkwijze volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat de 30 nucleatiezone twee nucleatievaten (31,32) omvat, die elk zijn voorzien van een respectieve ijscondensor (39,40), waarbij vanuit een eerste nucleatievat (31) een kristalbrij aan de rijpingszone (35) wordt toegevoerd en koelmiddel wordt toegevoerd aan de condensor (39) van het eerste nucleatievat terwijl geen toevoer van kristalbrij 1012380 van het tweede nucleatievat (32) aan het rijpingsvat (35) plaatsvindt, en waarbij een verwarmingsmedium wordt toegevoerd aan de condensor (40) van het tweede nucleatievat, waarna vervolgens kristalbrij vanuit het tweede nucleatievat (32) aan het rijpingsvat (35) wordt toegevoerd en koelmiddel wordt toegevoerd aan de condensor 5 (40) van het tweede nucleatievat, terwijl de toevoer van kristalbrij van het eerste nucleatievat (31) naar het rijpingsvat wordt onderbroken en een verwarmingsmedium wordt toegevoerd aan de condensor (39) van het eerste nucleatievat (31). 1012380