NO126605B - - Google Patents

Description

Krysta11isas jonsapparat.

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for krystallisering av et i en oppslutningsvæske opplost, krystalliserbart produkt hvor oppslutningsvæsken bringes i direkte kontakt med en varmeutvekslingsvæske som er ublandbar med - og kjemisk inert overfor oppslutningsvæsken.

Apparatet anvendes spesielt, men ikke utelukkende, ved ut-vinning i form av kalsiumnitrat av den kalk som inneholdes i naturlig forekommende fosfater, etter oppslutning av disse med salpetersyre.

Som kjent er formålet med en slik oppslutning fremstilling av fosforsyre i form av opplbselige salter som kan assimileres av planter.

Fra væsken som fåes ved oppslutningen, er det hensikts-messig å fjerne kalsiumnitratet, og dette oppnåes ved avkjoling, hvorved kalsiumnitratet i form av dets tetrahydrat utfelles i krystallform.

Denne :avkjoling oppnåes ved at væsken som skal behandles, og som er anbragt i et krystallisasjonsapparat, underkastes indirekte varmeutveksling med et kjblemedium, eller ved at det i krystallisasjonsapparatet sirkuleres et kjolemedium som ikke er blandbart med nevnte væske og som ikke oppviser noen kjemisk reaktivitet overfor denne.

De hittil kjente krystallisasjonsapparater er beheftet med mange ulemper:..

For det fbrste taes de dannede krystaller vanligvis ut ved bunnen av krystallisasjonsapparatet, mens væsken som skal behandles, innfores i den ovre ende av dette. Folgelig har krystallene som taes ut, relativ lav temperatur, og de bringer med seg såvel den varmemengde som svarer til deres latente krystallisasjonsvarme, som varmemeng-den svarende til deres ytterligere nedkjoling. Resultatet blir derfor et stor varmetap.

Videre oppnåes ingen separasjon av krystallene etter stør-relse, og variasjonen i storrelsen av krystallene er derfor meget stor.

Dessuten er den maksimale krystalldiameter som det er mulig å oppnå, alltid relativt beskjeden. Grunnen hertil er at man i de for tiden anvendte krystallisasjonsapparater tillater krystallkimene å ut-vikles spontant og fritt. Denne spontane kimdannelse utarmer den be-handlede væske med hensyn på det opploste materiale og begrenser nød-vendigvis veksten av de storste krystaller, oppstått ved tidligere kimdannelse.

Sluttelig er det en ulempe at når de dannede krystaller ut-vikler seg i en væske hvis innhold av opplost materiale stadig avtar, vil apparaturen måtte være plasskrevende og utbyttet pr. tidsenhet lavt.

Målet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et krystallisasjonsapparat som gjor det mulig å avhjelpe disse mangler.

Krystallisasjonsapparatet ifolge oppfinnelsen er av den type som omfatter en vertikal krystallisasjonsbeholder i hvilken oppslutningsvæsken bringes i kontakt med en varmeutvekslingsvæske som ikke er blandbar med oppslutningsvæsken, og som er kjemisk inert overfor denne, idet varmeutvekslingsvæsken innfores i denne beholder ved en temperatur som er forskjellig fra temperaturen av nevnte væske, og krystallisasjonsapparatet utmerker seg ved at væsken som skal behandles, innfores ved den nedre ende av beholderen, mens den utarmede væske taes ut i den ovre del av beholderen, og ved at beholderen inne-holder minst én fluidiseringskasse anordnet over punktet for tilforsel av væsken som skal behandles, og via hvilken varmeutvekslingsvæsken tilfores.

Krystallisasjonsapparatet ifolge oppfinnelsen er karakterisert ved det i den karakteriserende del av krav 1 anforte.

Dette arrangement medfbrer en dobbel fordel.

På den ene side medfbrer fluidiseringsprosessen i seg selv en klassifisering av krystallene etter stbrrelse, idet bare de tilstrekkelig tunge krystaller vil synke ned mot burmen av'krystallisasjonsapparatet, dvs. de krystaller som har tilstrekkelig stor diameter, mens de finere krystaller bibeholdes i suspensjon i krystallisasjonsapparatet inntil de har nådd den riktige diameter.

På den annen side blir de utgående krystaller, som er kalde, vasket av den inngående væske, hvorved denne væske avkjbles av krystallene. Krystallene som taes ut, bringer således kun med seg den varmemengde som svarer til deres krystallisasjonsvarme, hvorved det oppnåes en betydelig besparelse av varmeenergi.

I henhold til en foretrukken utfbrelsesform benyttes der flere fluidiseringskasser anordnet over hverandre i krystallisasjonsbeholderen. Hyer fluidiseringskasse har et dekanteringsvolum for opp-samling av varmeutvekslingsvæsken og videreforsendelse av denne til den neste fluidiseringskasse, idet varmeutvekslingsvæsken sirkulerer fra den ene kasse til den annen, i motstrbm til væsken som skal behandles.

En slik fraksjonering i flere etasjer i krystallisasjonsbeholderen gjor det mulig å oppnå tilstrekkelig små temperaturdiffe-ranser mellom de to væsker i hver av etasjene til at krystallisasjons-betingelsene opprettholdes mellom likevektskurven for krystaller med uendelig stor overflate og kurven for spontan kimdannelse.

Derved forhindres enhver spontan massekimdannelse, og kry-stalliseringen skjer i stedet fortrinnsvis ved vekst av de allerede eksisterende krystaller.

For dette formål, og i overensstemmelse med et ytterligere trekke ved oppfinnelsen, er det over den bverste fluidiseringskassen'i krystallisasjonsbeholderen fortrinnsvis anordnet en oppdelingsinnretning, såsom en knuser, blander eller lignende. Dette gjor det mulig å oke under full kontroll, antallet av krystallene som skal tillates å vokse.

I henhold til ytterligere et karakteriserende trekk ved oppfinnelsen, som er valgfritt, men som fortrinnsvis benyttes, gies krystallisasjonsbeholderen et rektangulært horisontalt tverrsnitt, og det samme gjelder fluidiseringskassene, hvilke kasser er festet til beholderen langs minst tre av sidene, og er anordnet forskjøvet i forhold til hverandre i beholderens hoyderetning.

Som folge av denne fordeling av kassene vil den rute krystallene folger på sin vei mot den nedre del av krystallisasjonsbeholderen gå i siksak, hvilket er gunstig med hensyn til effektiviteten og kapasiteten av apparatet.

Trekkene og fordelene ved oppfinnelsen vil forovrig fremgå av den folgende beskrivelse med henvisninger til tegningen, som kun illustrerer eksempelvise utforelsesformer, og hvor: fig. 1 er en prinsippskisse av en utforelsesform av kry-stallisas jonsapparatet ifolge oppfinnelsen,

fig. 2 er et perspektivriss, delvis i snitt, av krystalli-sas jonsbeholderen i dette apparat, og

fig. 3 er et konsentrasjonsdiagram.

I henhold til den utforelsesform som er vist på disse fi-gurer, omfatter krystallisasjonsapparatet ifolge oppfinnelsen en vertikal krystallisasjonsbeholder .10, med rektangulær horisontalt tverrsnitt, som oppdeles av fluidiseringskasser 11A, 11B og 11C i vertikale etasjer A, B og C, idet etasje A er overste etasje.

Kassene 11A, 11B og 11C er alle like. Det dreier seg om firkantede kasser med parvis parallelle sidekanter, og som langs tre sider er festet til beholder 10's sider, og hvis lokk, henholdsvis 12A, 12B og 12C, .er gjennomhullede.

Av hensyn til reguleringen, som det vil bli gjort nærmere rede for nedenfor, er kassen 11A fortrinnsvis inndelt i to separate kammere 13A og 13A'- ved hjelp av en intern vegg 1<*>+A, og den er forsynt med flere tilforselsventiler 15A, som er anordnet horisontalt og for-grenet i parallell ut fra en felles tilfbrselsrbrledning 16A. ;Tilsvarende innretninger er anordnet for kasse 11B: kammere 13B, 13B"' adskilt fra hverandre med en vegg l^t-B, ventiler 15B, tilf br-selsrorledning 16B:, og likeledes for kasse 11C: kammere 13C, 13C adskilt fra hverandre med en vegg l^C, ventiler 15C, tilfbrselsrorled-ning 16C. ;Kassene 11A, 11B og 11C er anordnet forskjøvet i forhold til hverandre i beholder 10's hoyderetning, slik at sirkulasjonsveien fra en etasje i beholderen til den neste blir siksakformet. ;Over hver kasse 11A, 11B og 11C er det anordnet et volum, betegnet dekanteringsvolum, nemlig henholdsvis 20A, 20B og 20C, og hvert av disse dekanteringsvolum er forsynt - i den ovre del i det viste eksempel - med en avløpsrenne, henholdsvis 21A, 21B og 21C. ;Den enhet som dannes av en fluidiseringskasse, med tillig-gende dekanteringsvolum og sistnevnte avløpsrenne, utgjor en etasje av krystallisasjonsapparatet. ;Avløpsrenne 21A til etasje A er via en pumpe 22A forbundet med tilfbrselsrorledning 16B til fluidiseringskasse 11B horende til etasje B. På tilsvarende måte er avløpsrennen 21B i etasje B forbundet via en pumpe 22B med tilforselsrorledningen 16C til fluidiseringskasse 11G i etasje C. ;Tilforselsrorledningen 16A til fluidiseringskasse 11A i etasje A er forbundet med et tilforsels- og resirkuleringskar 25 via en varmeutveksler 26 og,en.pumpe 27- Dette tilforsels- og resirkuleringskar 25 er videre forbundet med avløpsrennen 21C i etasje C gjennom re-sirkuleringsrorledning 28. ;Den nedre ende av krystallisasjonsbeholder 10 er forsynt med et oppsamlingsrom 30, i hvilket det munner ut en tilforselskanal 31, og fra hvilket det utgår en utlbpskanal 32. ;Sistnevnte mater en separasjonsanordning 33? fra hvilken tilbakelbpsvæsken, som oppsamles i et kar ^, h, resirkuleres ved hjelp av en pumpe 35 og en kanal 36 til tilfbrselskanalen 31- ;Den ovre etasje A av krystallisasjonsbeholderen omfatter ;i tillegg til den ovenfor omtalte avløpsrenne 21A en annen avlospren-ne ^0, anordnet på den motsatte side av den førstnevnte og, i det viste eksempel, noe lavere enn avløpsrennen 21A. Fra denne avløpsrenne ho utgår en uttakskanal ^1. På innsiden av beholderen 10 kan det være anordnet deflektorer h2 for å isolere avlopsrennen ^-0. ;Det kan dessuten være anordnet sehull ^5 og en ekstra flu-idiseringsspreder h6 ved oppsamlingsrommet 30, hvilken spreder får tilførsel fra tilforselsrorledningen 16C, som betjener etasje C. Sluttelig er det ovre dekanteringsvolum 20A forsynt med en blander ;if8. ;Det ovenfor beskrevne krystallisasjonsapparat er anvendelig for krystallisering av et hvilket som helst materiale som er opplost i en væske. Apparatets funksjonering skal imidlertid som eksempel beskrives, for ekstraksjon av kalsiumsaltene fra en opplbsning av natur-fosfat erholdt ved oppslemning med salpetersyre. ;Denne opplbsning, som i det nedenstående er betegnet oppslutningsvæske, innfores således i krystallisasjonsbeholderen 10 gjennom kanalen 31, som munner ut i dennes nedre del. ;De nbdvendige frigorier for krystallisasjon av kalsiumsaltene, tilfores med en hjelpevæske, som ikke-er blandbar med oppslutningsvæsken, ikke har noen kjemisk reaktivitet overfor denne, og, i det illustrerte eksempel, er lettere enn denne. ;En slik væske, som i det folgende betegnes kjolevæske, kan ;f.eks. være "white spirit". ;En beholder av denne kjolevæske holdes i karet 25. Etter avkjoling i varmeutveksler 26 strbmmer kjolevæsken inn i krystallisasjonsbeholderen 10 via fluidiseringskasse 11A i krystallisasjonsbe-holderens etasje A. Etter dekantering oppsamles den av avlbpsrennen 21A, fra hvilken den ledes til fluidiseringskasse 11B i etasje B. Etter å være blitt oppsamlet på samme måte av avlbpsrenne 21B fores den påny inn i beholderen 10 gjennom fluidiseringskasse 11C i beholderens etasje C. Etter sluttelig å være blitt oppsamlet av avlbpsrenne 21C fores den tilbake til karet 25. ;Kjolevæsken sirkulerer således kontinuerlig ovenfra og ned ;i beholderen 10, fra etasje til etasje. ;Samtidig hermed sirkulerer oppslutningsvæsken kontinuerlig nedenfra og opp gjennom beholderen 10. ;Kjolevæsken overforer således "metodisk" sine frigorier til oppslutningsvæsken. Med uttrykket "frigorier" menes varmeenheter lik den negative form av "kalorier". Således tilfores et produkt "frigorier" om"dette skal avkjbles på samme måte som det tilfores "kalorier" om det skal oppvarmes. ;Oppslutningsvæsken utarmes på opplost materiale etter hvert som den stiger opp gjennom beholderen 10, hvorved den blir lettere. Dette passer harmonisk med sirkuleringen overfra og ned, som i henhold til oppfinnelsen er forutsatt for denne opplbsning, idet man derved unngår eventuell dannelse av ubnskede hvirvelstrbmmer som ville ;. forstyrre driften og nedsette apparatets effektivitet. ;På tilsvarende måte vil kjolevæsken bli lettere når den oppvarmes, hvilket letter dens oppstigning gjennom hvert av dekante-ringsvolumene. ;De dannede kalsiumnitratkrystaller, som holdes i fluidi-sert tilstand av kjolevæsken, vil synke langsomt ned gjennom beholderen samtidig som de vokser, og deretter nå den nedre del av beholderen 10, hvor de oppsamles i oppsamlingsrommet 30- Bare de krystaller som har tilstrekkelig stor diameter til at de kan overvinne fluidise-ringsvirkningen, vil nå dette oppsamlingsrom. ;Fra oppsamlingsrommet 30 fores krystallene til separasjonsinnretningen 33. ;Den utarmede opplbsning taes ut ved k- 0 gjennom rorledning ;<*>+l og kan fores til et annet anlegg (ikke vist) for ytterligere be-handling.

Som det vil forståes, vil de utgående krystaller bli vasket i oppsamlingsrommet 30 med den tilstrommende oppslutningsvæske, til hvilken de avgir en vesentlig del av sine frigorier. Den andel av oppslutningsvæsken som de utgående krystaller trekker med seg, oppsamles ved 3^ etter at blandingen har passert separasjonsinnretningen 33) °g resirkuleres til oppsamlingsrommet 30.

Eventuelle sehull ^5 muliggjor kontroll av krystallisasjons forlopet, og ventilene 15A, 15B og 15C gjor det mulig å regulere flu-idiseringen av de dannede krystaller på beste måte. Blanderen ^-8 gjor det mulig å kontrollere antallet av krystaller som skal tillates å vokse, ved oppdeling av store krystaller.

I de ovenfor beskrevne eksempel har krystallisasjonsbeholderen 10 tre etasjer. Det vil imidlertid forståes at dette antall kunne være et annet. Antallet av etasjer velges fortrinnsvis slik at temperaturen av oppslutningsvæsken ikke blir svært meget forskjellig fra temperaturen av kjolevæsken, eller med andre ord slik at oppslutningsvæskens temperaturfall i hver etasje blir relativt liten.

Oppfyllelsen av disse betingelser, hvis berettigelse vil fremgå av det nedenstående, lettes på fordelaktig måte ved den "meto-diske" sirkulering av de to væsker i henhold til oppfinnelsen.

I praksis kan antallet etasjer bestemmes i hvert tilfelle ved( utprbvning av et forsoksanlegg, på lignende måte som beskrevet nedenfor under henvisning til det i fig. 3 viste krystallisasjonsdia-gram.

I dette diagram er temperaturen T avsatt langs abscissen, mens oppslutningsvæskens konsentrasjon C av det opploste materiale er avsatt langs ordinaten. Forsøksvirksomheten vil gå ut på å bestemme i det minste omtrentlig kurven C-^ for spontan kimdannelse og likevektskurven Cp for krystaller med uendelig overflate.

Dersom AT er oppslutningsvæskens totale temperaturfall i krystallisasjonsbeholderen, svarer AT til en bestemt utarming AC av oppslutningsvæsken med hensyn på det opploste materiale.

Krystallisasjonsbeholderen bor fortrinnsvis være inndelt

i etasjer A, B, C N, således at de tilsvarende temperaturfall ATA, ATg ATN for etasjene blir tilstrekkelig små til at de hol-der seg mellom kurvene og C^. Derved unngåes utidig spontan kimdannelse.

Likeledes er det fortrinnsvis ved forsok i et forsoksanlegg at man for hver gitt anvendelse bestemmer det passende volum av krystallisasjonsbeholderen. Dette volum bestemmes i avhengighet av tiden som medgår til den nodvendige vekst av middels store krystaller, når hensyn taes til de valgte fluidiseringsbetingelser.

Trappetrinnskurven som er vist på fig. 3? som gir uttrykk for temperaturendringen og konsentrasjonsendringen i hver etasje, er naturligvis ikke inntegnet på grunnlag av bestemte verdier, men er kun gitt som eksempel for å vise denne metode rent generelt. Det vil likeledes forståes at temperaturen og konsentrasjonen ikke endrer seg etter en trappetrinnskurve men på mer kontinuerlig måte.

Oppfinnelsen er anvendelig ikke bare ved ekstraksjon av kalsiumsalter opplost i en væske erholdt ved oppslutning av natur-fosfat med salpetersyre, men kan anvendes generelt ved krystallisering ved varmeutveksling, under oppvarmning eller avkjoling, av et hvilket som helst materiale opplost i et opplosningsmiddel. Dessuten kan blanderen ^8 eller annen oppdelingsinnretning istedenfor å være anordnet i dekanteringsvolumet over fluidiseringskasse 11A være anordnet i et hvilket som helst annet egnet volum eller sted hvor væsken strommer, f.eks. i en av forbindelseskanalene. Dessuten kan det i forbindelse med karet 25 være anordnet en innretning for rensning eller separasjon i den hensikt å fjerne medfort oppslutningsvæske, for derved å for-hindre krystallkimdannelse i varmeveksleren.

Claims (6)

1. Apparat for krystallisering av et i en oppslutningsvæske opplost, krystalliserbart produkt hvor oppslutningsvæsken bringes i direkte kontakt med en varmeutvekslingsvæske som er ublandbar med og kjemisk inert overfor oppslutningsvæsken, hvor apparatet omfatter en vertikal krystalliseringsbeholder med inn- og utlopskanaler for henholdsvis oppslutningsvæsken og det krystalliserte produkt, samt tilforsels- og utlopskanaler for varmeutvekslingsvæsken, karakterisert ved at krystalliseringsbeholderen (10) omfatter et flertall i bunn og sider lukkede fluidiseringskasser (11A, 11B, 11C) som har gjennomhullet lokk og som er forbundet med rbrledninger, (16A, 16B, 16C) for tilfbrsel av varmeutvekslingsvæske, at fluidiseringskassene er anordnet slik i beholderen at disse avdeler denne i et flertall etasjer (A, B, C) med et dekanteringsvolum (20A, 20B, 20C) over hver kasse og med en passasje mellom kassene og beholderens innervegger for oppslutningsvæsken og de i væsken eventuelle suspen-derte krystaller, og at hver etasje (A, B, C) omfatter i den ovre del av avlbpsrenne (21A, 21B, 21C) som via rørledningene (16A, 16B, 16C) er forbundet med en nedenfor rennen anordnet fluidiseringskasse slik at varmeutvekslingsvæsken kan bringes til å strbmme mot den neste til-støtende etasje og til den tilhørende rennen, og at beholderen omfatter et oppsamlingsrom (30) nedenfor den nederste fluidiseringskasse, i hvilken det munner ut en tilfbrselskanal (31) for oppslutningsvæske, og fra hvilket det utgår en utlbpskanal (32) for det krystalliserte produkt, og at det fra beholderens ovre del utgår en uttakskanal (^1) for utarmet oppslutningsvæske.

2. Krystallisasjonsapparat ifolge krav 1,karakterisert ved at det for sirkulasjon av varmeutvekslingsvæske omfatter rorledning (28) forbundet med det laveste dekanteringsvolum (20C) (via rennen 21C) og det øverste dekanteringsvolum (20A) (via fluidise-ringskammer 13A, 13A'.) for sirkulasjon av varmeutvekslingsvæske mellom disse, og en varmeveksler (26) gjennom hvilken rorledningen fores.

3. Krystallisasjonsapparat ifolge krav 1,karakterisert ved at fluidiseringskassene (11A, 11B, 11C) er anbragt forskjbvet i forhold til hverandre slik at disse bevirker en siksak-strbm av oppslutningsvæsken. k.

Krystallisasjonsapparat ifolge krav 1,karakterisert ved at de horisontale tverrprofiler av fluidiseringskassene (11A, 11B, 11C) og beholder (10) er rektangulære, og fluidiseringskassene er hovedsakelig like store og at hver av kassene er for bundet på minst tre av deres sider til beholderen.

5. Krystallisasjonsapparat ifolge krav 1,karakterisert ved at minst en av fluidiseringskassene (11A, 11B, 11C) er oppdelt i minst to kammere (13A, 13A' - 13B, 13B' - 13C, 13C) og at innfbring av varmeutvekslingsvæske i fluidiseringskassene skjer gjennom flere uavhengig innforende ror anordnet i parallell, idet hvert av innlopsrorene er utstyrt med regulerende ventiler (15A, 15B, 15C).

6. Krystallisasjonsapparat ifolge krav 1,karakterisert ved at det ytterligere omfatter blander (<*>f8) plassert over fluidiseringskasse (11A) i den overste etasje (A)*