Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren einer kristallisierbaren Substanz aus einer Flüssigkeit Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung einer kristallisierbaren Substanz von einer Flüssigkeit, wobei diese Substanz bei gewissen Temperaturen löslich und bei niedrigeren Temperatu ren unlöslich ist, und bei letzteren aus ihrer Lösung auskristallisiert. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Lösung unter Gegenstrom mit einem mit der Flüssigkeit unmischbaren Kühlmittel in Berührung ge bracht, das eine andere Dichte aufweist als die die abzutrennende Substanz enthaltende Lösung. Es wird dabei eine der Flüssigkeiten in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleicher Grösse eingeführt, die andere als kontinuierliche Phase.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Trennung der kristallisierten Substanz von der Mut terlauge in einer Zentrifuge, indem das Kühlmedium im Kreislauf durch die Zentrifuge geführt wird, um die abgetrennten Kristalle wegzuführen. Das Verfahren sieht einen gesteuerten Wärmeaustausch zwischen den zwei miteinander unmischbaren Flüssigkeiten verschie dener Dichte vor, wobei eine der Flüssigkeiten in den Boden der Säule in Form einer steigenden Schicht aus einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleicher Grösse und die andere Flüssigkeit als kontinuierliche Phase am Kopf der Säule eingeführt wird, oder umgekehrt.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Sub stanzen aus ihren Lösungen herauszukristallisieren, un ter anderem auch mit unmischbaren Kühlmitteln in Muffeltürmen. Wirksame Kühlung mit unmischbaren Kühlmitteln in Türmen setzt aber eine grosse Anzahl von Prallplatten voraus, um genügend Kontakt zwi schen Flüssigkeit und Kühlmittel zu gewährleisten. Es wurde gefunden, dass teilweise die Bleche mit nur 7,5 cm Abstand angebracht werden mussten, um einen genügenden Wärmeaustausch zu erhalten. Diese gefüll ten Türme haben auch noch andere Nachteile.
Sie sind relativ teuer, sehr gross und das auskristallisierte Gut zeigte die Tendenz, sich an den Prallplatten vorzeitig abzusetzen, welche dadurch nach nur kurzen Betriebs- zelten gründlich gereinigt werden müssen. Das bedingt die Ausserbetriebsetzung der Türme während längerer Zeit, und schliesslich wurde dieses Verfahren als tech nisch ungenügend fallen gelassen. Es wurde festgestellt, dass dieses vorzeitige Absetzen des kristallisierbaren Materials auf den Blechen weitgehend darauf zurück zuführen war, dass diese kälter waren als das mit ih nen in Kontakt kommende Material. Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, dass das auf der anderen Seite sich befindliche kalte, unmischbare Kühlmittel kälter war als die die zu kristallisierende Substanz ent haltende Beschickung.
Beim Kontakt der unmischba- ren Kühlmittel mit der Beschickung erhielt man auch oft eine Emulsion, die sehr schwer zu trennen war. Wird eine Mischung der zwei Phasen vorgenommen, oder eine Phase unter üblichen Bedingungen in eine zweite gesprüht, so erhält man eine breite Gausssche Tröpfchenverteilung. Die äusserst kleinen Tröpfchen weisen eine sehr langsame Absetzgeschwindigkeit auf. Einige sind genügend klein, um infolge Brownscher Be wegung permanent dispergiert zu bleiben, wodurch sich eine Verunreinigung des kristallfreien Produktes, der Beschickung oder des Kühlmittels ergibt.
Ein weiterer Nachteil der bisher angewendeten Verfahren der direk ten Kühlung liegt darin, dass es schwierig ist, gleich mässige gesteuerte Abkühlgeschwindigkeiten zu erhal ten, welche für ein richtiges Kristallwachstum erforder lich sind. Obwohl die durchschnittliche Kühlungsge schwindigkeit für ein gutes Kristallwachstum für ge wisse Stoffe etwa 1/i-1 C pro Minute beträgt, können weit höhere Kühlungsgeschwindigkeiten lokal auftreten infolge der für den Wärmeaustausch verfügbaren rela tiv kleinen Oberflächen sowie der grossen Mischstrek- ken, welche für diese Anlagen charakteristisch sind.
Diese lokal auftretenden Kühlungsgeschwindigkeiten verursachen die Bildung kleiner Kristalle, welche schwer abzutrennen sind. Bei Anlagen mit indirektem Wärmeaustausch, beispielsweise Schalen- und Rohr- wärmeaustauschern, besteht ein weiterer Nachteil in der relativ grossen Temperaturdifferenz zwischen den Kühl flächen und der abzukühlenden Beschickung. Eine Re duktion dieser Temperaturdifferenz ist aus zwei Grün den sehr erwünscht: Einerseits wird die Kristallbildung dadurch verbessert und zweitens vermindern sich die allgemeinen Kosten der Kühlstufe, da weniger Kälte benötigt und diese besser wieder gewonnen werden kann.
Für einen bestimmten Wärmeaustausch kann die Temperaturannäherung natürlich durch Erhöhen der dem Wärmeaustausch dienenden Oberfläche erfolgen. Indirekte Wärmeaustauscher sind im allgemeinen in dieser Hinsicht infolge mechanischer Grenzen be schränkt, und das Problem wird insbesondere akut, weil interne Leitungen leicht durch Kristallbildungen blok- kiert werden können.
Frühere Versuche, auskristallisierte Stoffe von den Lösungsmitteln abzutrennen, sind öfters fehlgeschlagen, weil ungleichmässige und kleine Kristalle in üblichen Wärmeaustausch- und Kühlapparaten gebildet wurden. Scheidetellerzentrifugen trennten diese Kristalle nicht wirksam genug, was auf deren langsame Absetzge schwindigkeiten in der Mutterlauge zurückzuführen ist. Ausserdem kleben manche kristallinen Stoffe an diesen Scheidetellern oder an den Oberflächen der Austritts öffnung und verursachen dadurch Verstopfungen.
Wenn, wie schon erwähnt, eine ummischbare Flüs sigkeit in eine andere gesprüht wird, erhält man Tröpf chen sehr verschiedener Grössen. Diese Tröpfchen ver schiedener Grösse steigen im Kühlmittel mit verschie dener Geschwindigkeit, wobei einige abgeschreckt, an dere im Turm suspendiert bleiben und wieder andere mit dem Kühlmittel weggeschwemmt werden. Diese Grössenverteilung wird bei höheren Durchsatzgeschwin digkeiten noch breiter, insbesondere auf Grund von Wirbelbildungen.
Ein Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung mit sehr grossen Zwischenflächen für gesteuerten Wärme austausch zwischen der zu behandelnden Beschickung und dem Kühlmittel, so dass eine minimale Temperatur annäherung zwischen dem Kühlmittel und der zu be handelnden Beschickung möglich wird. Weiterhin soll die Kühlung durch direkten Kontakt mit dem Kühl mittel erfolgen, was innere Leitungen unnötig macht, welche durch das kristallisierte Material leicht verstop fen. Die Vorrichtung soll einen verbesserten Sprüh kopf aufweisen, welcher Tröpfchen gleichmässigen Durchmessers produziert, weiche dann als dichtes Bett von Tröpfchen aufsteigen oder fallen.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfah ren zur Kristallisierung einer kristallisierbaren Substanz aus einer Flüssigkeit, in welcher diese Substanz bei ge wissen Temperaturen löslich und bei niedrigeren Tem peraturen unlöslich ist, wobei diese Substanz bei den niedrigeren Temperaturen aus ihrer Lösung kristalli siert, dadurch gekennzeichnet, dass die das kristallisier- bare Material enthaltende Flüssigkeit von ihrer Zufuhr temperatur auf die gewünschte Kristallisationstempera tur gekühlt wird und durch Inberührungbringen mit einem flüssigen, ummischbaren Kühlmittel im Gegen strom,
welches Kühlmittel eine andere Dichte aufweist als die die abzutrennende Substanz enthaltende Lö sung, und dass die Flüssigkeit, welche die zu kristalli sierende Substanz enthält, in Form einer dichten Di spersion von Tröpfchen gleichförmigen Durchmessers und das Kühlmittel als kontinuierliche Phase zugeführt werden. Bei der Durchführung der Erfindung wird eine kristallisierbares Material enthaltende Beschickung in eine Behandlungssäule ohne Prallplatten, Füllkörper oder dergleichen, bei einer über dem Gefrierpunkt des kristallisierbaren Materials liegenden Temperatur oben oder unten in Form eines dichten Sprays eingeführt.
Dieser dichte Spray wird mittels eines modifizierten Sprühkopfes erzeugt und besteht aus sehr eng gepack ten Tröpfchen gleichmässigen Durchmessers, welche dann in der Säule als Bett von Kügelchen steigen oder sinken. Eine kontinuierliche flüssige Kühlmittelphase wird an dem der Beschickungszufuhr entgegengesetzten Ende der Säule eingeführt und bewegt sich im Gegen strom gegen die Schicht aus Tröpfchen. Infolge der gleichmässigen Grösse der diese Schicht bildenden Tröpfchen bewegen diese sich gleichmässig in der Säule und werden dabei mit bestimmter Geschwindigkeit ge kühlt. Das Kühlmittel wird der Säule bei einer unter dem Gefrierpunkt des kristallisierbaren Materials lie genden Temperatur zugesetzt.
Bis das Tröpfchenbett das andere Ende der Säule erreicht hat, ist praktisch alles kristallisierbare Material in den Tröpfchen aus kristallisiert. Am anderen Ende des Turmes bilden die Kristalle und das Lösungsmittel eine Aufschlämmung, welche dann über einen ringförmigen Auslass dem Turm entnommen wird und entweder filtriert oder zen trifugiert werden kann, um die Kristalle von dem Lö sungsmittel zu trennen. Das warm gewordene Kühlmit tel wird dem Turm am entgegengesetzten Ende ent zogen und wieder auf seine Einlasstemperatur gekühlt. Dieses Verfahren unter Verwendung einer dichten Di spersion ist sehr wirksam zum Wärmeaustausch zwi schen zwei ummischbaren Flüssigkeiten. Durch Steue rung des Durchmessers der Tröpfchen, sowie der Vo lumenzusammensetzung der dispergierten Phase, d. h.
von Vol.% der Tröpfchen im Verhältnis zu Vol.% von Tröpfchen plus Kühlmittel werden die Wanderungsge schwindigkeit der Tröpfchen im Kühlmittel, Abküh lungsgeschwindigkeit der Tröpfchen im Turm und die Kristallisierungsgeschwindigkeit gesteuert.
Um vom Sprühkopf gleich grosse Kügelchen zu er halten, wurde eine ringförmige Prallwand an der Peri pherie des Sprühkopfes konstruiert, d. h. am äusseren Rand der gelochten Platte, welche dazu dient, um den stehenden Wirbel von den Plattenlöchern weg zum äusseren Rand der Lochplatte abzulenken. Die Löcher selber stehen über, damit ein Benetzen der Sprühkopf oberfläche vermieden wird. Durch dieses Vorgehen wurde unerwartet gefunden, dass die kritische Durch laufleistung für eine spezifische Geschwindigkeit, ober halb welcher nicht mehr gleichmässige Tröpfchen ent stehen, mit Hilfe der ringförmigen Prallwand um 80 bis 100 % gegenüber einer Vorrichtung ohne ringförmige Wand gesteigert werden konnte.
Das ist genügend über der für dichte Dispersionssysteme benötigten Durch flussgeschwindigkeit, so dass der Sprühkopfdurchmesser im allgemeinen unter dem Durchmesser der Säule sein kann.
Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfin dung werden an einer üblichen Scheidetellerzentrifuge bestimmte Modifikationen angebracht, welche ermögli chen, die Zentrifuge zur Abtrennung von kristallisier barem Material zu verwenden, ohne dass die Scheide teller, der Zentrifugenkorb und der Auslass beschichtet oder verstopft werden.
In Verbindung mit dieser ver besserten Zentrifuge wurde ein Verfahren entwickelt, worin das ummischbare Kühlmittel als getrennter ring- förmiger Strom in die Zentrifuge eingeführt wird, um das schwerere kristallisierbare Material mitzureissen und die Lage der Grenzschicht zwischen dem kristalli sierten Material und der Mutterlauge in der Zentrifuge zu kontrollieren. Das Kühlmittel ist auch der Beschik- kung der Zentrifuge beigegeben, was einen Flüssigkeits strom bewirkt, auf welchem die Kristalle schwimmen und von dem sie in der Zentrifuge getrennt werden.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung wer den Erdöle von Wachs befreit, indem das warme, wachshaltige Öl im Gegenstrom mit einem kalten un- mischbaren Kühlmittel versetzt wird. Bei dieser An wendung wird das Öl in Form einer dichten Dispersion wachshaltiger Öltröpfchen in die Trennsäule gesprüht und darin im Gegenstrom mit einer kontinuierlichen Phase unmischbaren Kühlmittels versetzt, beispielsweise Wasser oder Kalziumchloridlösung. Das Kühlmittel wird dem Turm in kontinuierlicher Phase bei einer unter dem Giesspunkt des wachshaltigen Öls liegenden Temperatur eingeführt und kristallisiert damit das im Öl vorhandene Wachs, welches dann als Brei von Wachskristallen in Öl am Kopf der Säule entnommen wird.
Die Wachskristalle können vom Brei mittels der oben beschriebenen Zentrifuge abgetrennt werden.
Bei einer weiteren Anwendung der Erfindung wird Süsswasser zum Trinken, für die Landwirtschaft und andere Zwecke dadurch gewonnen, dass Wasser als Eis aus einer, gelöste Festsubstanzen enthaltenden wäss rigen Lösung auskristallisiert wird. Eine hauptsächli che Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens be steht in der Entfernung von Wasser aus Meerwaser in Form von relativ reinen Eiskristallen, welche dann zu Trinkwasser geschmolzen werden können. Es kön nen beispielsweise grosse Kristalle dadurch erhalten wer den, dass eine minimale Temperaturdifferenz an jedem Punkt der Säule zwischen dem zu behandelnden Salz wasser und dem Kühlungsmittel eingehalten wird.
Auf diese Weise wachsen die Kristalle langsam genug, so dass sie gleichmässig grossen Umfang erreichen, wobei gleichzeitig genügend Zeit vorhanden ist, damit gelöstes Natriumchlorid oder andere Salze, welche normaler weise im Eiskristall eingeschlossen sind, ausgeschieden werden. In einer Ausführungsform wird das Salzwasser als Beschickung oben in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleichmässigen Durchmessers in die Ko lonne eingesprüht. Die kontinuierliche Kühlphase wird am Fuss der Säule eingeführt und gelangt mit dem Salzwasser im Gegenstrom bei einer unter dem Gefrier punkt des Salzwassers liegenden Temperatur in Berüh rung, so dass etwas Wasser der Salzlösung kristallisiert. Gemäss einer Ausführungsform ist das Kühlmittel ein relativ reines mittleres Erdöldestillat.
Ein Brei von Eis kristallen und Mutterlauge wird am Boden der Kon taktsäule abgezogen, und die Kristalle werden von der Mutterlauge mittels einer Zentrifuge oder dergleichen getrennt.
In einer anderen Ausführungsform werden wässrige Lösungen behandelt, um konzentriertere Lösungen zu erhalten, indem die wässrige Lösung mit einem kalten Kühlmittel im Gegenstrom in Berührung gebracht wird, wobei die wässrige Lösung in Form einer dichten Di spersion gleichmässig grosser Tröpfchen in die Kontakt säule gesprüht wird. Das Kühlmittel wird dem Turm als kontinuierliche Phase bei einer unter dem Gefrier punkt der wässrigen Lösung liegenden Temperatur zu geführt und kristallisiert einen Teil des in der Lösung vorhandenen Wassers. Der Brei aus Eiskristallen und Mutterlauge wird vom Boden der Säule abgeführt, worauf Eiskristalle und Mutterlauge getrennt werden.
Diese Ausführungsform ist besonders für tempera turempfindliche Lösungen, beispielsweise Getränke, ge eignet, bei denen Geschmack oder vorhandene Vit amine durch Hitzeeinwirkung verändert oder ungünstig beeinflusst werden können. Das vorliegende Verfahren kann mit Vorteil dazu angewendet werden, in den konzentrierten Lösungen die flüchtigen Bestandteile zu erhalten, die normalerweise beim Eindunsten im Va kuum bei niederer Temperatur oder beim Kristallisie ren unter Verdampfen eines Kontaktkühlmittels mit gerissen oder verflüchtigt würden. Es können aber auch wässrige industrielle Abwässer mittels des erfindungs gemässen Verfahrens vorteilhaft eingeengt werden, und das so erhaltene konzentrierte Abfallmaterial kann dann leichter weggeschafft werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren bewirkt die Bil dung von relativ grossen gleichmässigen Kristallen, die leicht von der Beschickungslösung abgetrennt werden können. Ein wichtiger Vorteil der Technik der dichten Dispersion liegt darin, dass es der Tendenz der ein gesprühten Substanz entgegenwirkt, sich mit der kon tinuierlichen Kühlphase rückzumischen und zu vertei len. Die enge Packung der dichten Dispersion wirkt als dreidimensionales Gehäuse, welches nichterwünschte Bewegungen unterbindet.
Die an der Zentrifuge angebrachten Verbesserun gen erlauben zum erstenmal bei Tellerzentrifugen die automatische Steuerung der Grenzschichten zwischen den Materialien und deren Trennung ohne Abstellen der Zentrifuge. Die Technik der dichten Dispersion kann auch leicht beim Entwachsen von wachshaltigen Rohölen oder Erdölfraktionen angewandt werden, fer ner zur Abtrennung von Trinkwasser aus Salzlösungen angewendet. Weiterhin kann diese Methode auch nur zum Wärmeaustausch zwischen zwei nichtmischbaren Flüssigkeiten dienen, wobei praktisch keine Verunreini gung einer Flüssigkeit durch die andere stattfindet, da die Tröpfchen gleiche Grösse aufweisen und keine klei nen Tröpfchen vorhanden sind.
Alle diese Vorteile er geben sich aus dem gesteuerten Kristallwachstum, da durch gesteuerten Wärmeaustausch zwischen der zu be handelnden Flüssigkeit und dem unmischbaren Kühl mittel erzielt wird. Das gleichmässige Wachstum der Kristalle ist teilweise auf das gleichmässige Milieu, das jedes Tröpfchen mit kristallisierbarer Substanz umgibt, zurückzuführen.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Ver fahrens werden an Hand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Kristal- lisierapparates, der mit unmischbarem Kühlmittel ar beitet, welcher zwei Wärmeaustauscher aufweist, näm lich den Turm zur Kristallisierung des kristallisierba- ren Materials in der Beschickung und eine zweite Säule zum Wärmeaustausch zwischen dem warm gewordenen Kühlmittel und der kalten, behandelten Flüssigkeit, aus welcher das kristallisierbare Material abgetrennt wurde.
Dieses Diagramm zeigt einen äusseren Wärmeaustau- scher, um das unmischbare Kühlmittel ständig abzu kühlen, sowie eine Trennvorrichtung, um das kristalli sierte Material aus der Lösung zu entfernen.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der Kontakt säule, die genauer zeigt, wie das kristallisierbare Ma terial und das Kühlmittel in den Turm eingeführt wer den. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Wirkung der Tröpfchenkonzentration auf das Verhältnis der Steigungsgeschwindigkeit der dichten Dispersion zur Steigungsgeschwindigkeit eines einzelnen Tröpfchens in einer unendlichen Flüssigkeit.
Fig. 4 bezieht sich auf das Entwachsen und Ab filtrieren von Wachskristallen aus der Aufschlämmung aus entwachstem 1 und Wachs und zeigt die Wirkung der Konzentration der in der Beschickung zum Filter enthaltenen Salzlösung auf die Filtriergeschwindigkeit (Filtriertemperatur -32 C).
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines mit ummischbarem Kühlmittel arbeitenden Kristallisierappa- rates, mit zwei Wärmeaustauschern, nämlich einem zur Kristallisierung des kristallisierbaren Wassers in der Beschickung und einen zweiten zum Wärmeaustausch des warm gewordenen Kühlmittels mit der kalten, be handelten Mutterlauge, aus der das Wasser abgetrennt worden war. Dieses Diagramm zeigt auch einen äusse ren Wärmeaustauscher, um für das ummischbare Kühl mittel die notwendige Kühlung zu schaffen, sowie eine Trennvorrichtung zur Abtrennung des kristallisierten Materials aus der Mutterlauge.
Fig. 6 zeigt ein Schema zur Gewinnung von Trink wasser aus Meerwasser.
Fig. 7 stellt eine Scheidetellerzentrifuge dar, welche beim erfindungsgemässen Verfahren zur Anwendung kommt.
Die Beschickung, aus welcher eine Substanz auskristallisiert werden soll, muss unter den Einsprüh bedingungen flüssig bleiben. Beispielsweise sollte das kristallisierbare Material vor der Sprühung völlig in der Beschickung gelöst sein, und nach der Kristallisie rung sollte die Mutterlauge in flüssigem Zustand blei ben, damit das kristallisierte Material leicht von der Mutterlauge abgetrennt werden kann.
Weiterhin sollte genügend Dichteunterschied zwi schen Kühlmittel und Beschickung bestehen, um Emul sionsbildung oder Mitschleppen der Beschickung durch das Kühlmittel zu verhindern und natürliche Trennung auf Grund der Dichten zu ermöglichen. Dieser Unter schied sollte auch noch nach Abtrennung des kristalli- sierten Materials aus der Mutterlauge bestehen. Als Beschickung eignen sich beliebige flüssige Medien, wel che eine Substanz enthalten, die bei Abkühlung kristal lisiert. Das Kühlmittel sollte ummischbar oder zumin dest nur teilweise mischbar mit der Beschickung sein.
Wo es unerwünscht ist, dass das Kühlmittel das vom kristallisierbaren Material befreite Medium durchsetzt, sollte das Kühlmittel mit der Beschickung praktisch nicht mischbar sein. Die einzigen weiteren Vorausset zungen für das Kühlmittel sind, dass es eine andere Dichte als die Beschickung aufweisen soll und dass es bei der Temperatur, auf die abgekühlt werden muss, flüssig bleibt. Zweckmässige Kühlmittel sind Wasser, Ölfraktionen, reine Chemikalien, Salzlösungen, flüssige Metalle und dergleichen. Gewisse Kühlmittel können gleichzeitig chemische Reaktionen oder Extraktionen veranlassen.
Zweckmässige Kühlmittel zur Entfernung von Wach sen aus Erdöl sind: Wasser, wässrige Salzlösungen, Sole und dergleichen. Bei der Entsalzung von Wasser sind Ölfraktionen, Pflanzenöle, Freone, Baumwollsamenöl, unter Normalbedingungen gasförmige, leichte Kohlen wasserstoffe und dergleichen zweckmässige Kühlmittel.
Es können verschiedene Verdünnungsmittel zur Beschickung zugegeben werden, um die Viskosität zu verbessern, so dass die Beschickung leichter gehandhabt werden kann und/oder die Kristallisierung und Ab trennung der Kristalle erleichtert wird. Lösungsmittel können zugesetzt werden ebenso wie Nichtlösungsmit tel für die Substanz, die kristallisiert werden soll. Je nach der zu behandelnden Beschickung können Alko hole, Glykole, Ketone und aromatische Kohlenwasser stoffe, Wasser, aliphatische Kohlenwasserstoffe und der gleichen als Lösungsmittel verwendet werden.
Verschiedene Verdünnungsmittel können zum Kühl mittel gegeben werden, um die Viskosität zu verbes sern. Es können sowohl Lösungsmittel für das Kühl mittel wie auch Nichtlösungsmittel für das zu kristalli sierende Material dem Kühlmittel zugesetzt werden. Je nach der zu behandelnden Beschickung können aroma tische Kohlenwasserstoffe, aliphatische Kohlenwasser stoffe und dergleichen hier als Lösungsmittel verwen det werden.
Das Kühlmittel kann entweder dichter oder weni ger dicht als eine zu behandelnde wässrige Lösung sein. Ist das Kühlmittel dichter als die Beschickung, so wird es der Kontaktsäule am Kopf zugeführt und die zu behandelnde Flüssigkeit am Boden. Ist anderseits das Kühlmittel weniger dicht als die Beschickung, so wird es am Boden der Kontaktsäule zugeführt, die Beschik- kung hingegen am Kopf.
Die bessere Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemä ssen Verfahrens in bezug auf den Wärmeaustausch be ruht grösstenteils auf der grossen, für den Wärmeaus tausch zur Verfügung stehenden Oberfläche zwischen der eingesprühten Beschickung und der kontinuierli chen Kühlphase. Ein wesentliches Merkmal der vorlie genden Erfindung liegt in der Art, in welcher die dichte Dispersion aus der Beschickung erhalten wird und wie sie mit dem Kühlmittel in Berührung gebracht wird. Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Ver fahrens kann entweder die zu behandelnde Beschickung oder das Kühlmittel die Flüssigkeit mit grösserer Dichte sein. Doch ist die Beschickung jeweils die Komponente, die in Form einer dichten Dispersion eingesprüht wird.
Diese Dispersion wird, wie schon beschrieben, dadurch geschaffen, dass die Flüssigkeit so durch einen Sprüh kopf gesprüht wird, dass die Kontaktsäule mit in ge steuerter Geschwindigkeit steigenden oder sinkenden Sprühtröpfchen, die sich im Gegenstrom zu einer kon tinuierlichen Kühlphase befinden, praktisch gefüllt ist.
Durch sorgfältiges Einstellen des Tröpfchendurch- messers auf zwischen 10 und 1 mm, vorzugsweise zwischen 6 und 1,25 mm, obwohl Durchmesser von 12 und 0,8 mm verwendet werden können, ist es mög lich, die Dichte der dichten Dispersion von Tröpfchen zu steuern und dadurch auch die Bewegungsgeschwin digkeit und die Kühlgeschwindigkeit der Beschickung. Der Tröpfchendurchmesser ist üblicherweise ungefähr doppelt so gross wie die Öffnung, durch welche ge sprüht wurde.
Es ist wichtig, dass gleichmässige kugelförmige Tröpfchen mit enger Grössenverteilung erhalten werden. Bilden sich ungleichmässig grosse Tröpfchen, wie dies bei den üblichen Sprühsäulen oft der Fall ist, so stei gen die einzelnen Tröpfchen mit ungleicher Geschwin digkeit, und es kann kein gesteuertes Abkühlen der Beschickung stattfinden. Das hat wiederum zur Folge, dass ungleich grosse Kristalle gebildet werden, und die kleinsten Partikeln verursachen entweder Verstopfung im Filtermedium oder können nicht mit angemessenem Durchsatz und Gravitationsfeld zentrifugiert werden. Weiterhin kann auch eine unerwünschte Verunreini gung der Kristalle mit Mutterlauge auftreten.
Die dichte Dispersion gleich grosser Tröpfchen er gibt eine maxiamle Wärmeaustauschoberfläche und da durch einen maximalen Wärmeaustausch zwischen den Tröpfchen der wässrigen Lösung und dem Kühlmittel und später zwischen dem erwärmten Kühlmittel und der kalten entkristallisierten Mutterlauge. Durch das Steuern des Zuflusses der Beschickung zum Kontakt turm, des Tröpfchendurchmessers und der Sinkge schwindigkeit der Tröpfchenschicht ist es möglich, eine Schockabkühlung unter die Kristallisierungstemperatur zu verhindern und Kristalle zu bilden, die im wesent lichen rein sind und anschliessend leicht von der Mut terlauge abgetrennt werden können.
Infolge des äusserst wirksamen Wärmeaustausches kann die Temperaturdif ferenz zwischen den beiden Phasen an jedem Punkt der Säule auf einem Minimum gehalten werden, was die Bildung von grossen reinen Kristallen fördert. Alle diese Vorteile wurden erzielt, ohne dass die Tröpfchen der dichten Dispersion Agglomerate bilden. Obwohl die Tröpfchen eng gepackt sind, ballen sie sich nicht zu sammen, solange eine ständige Bewegung der konti nuierlichen Kühlphase durch das Tröpfchenbett vor handen ist. Die zu behandelnde Beschickung kann dem Kontaktturm mit einer Geschwindigkeit von 0,42 bis 9,15 m3/0,093 m Säulenquerschnitt pro Stunde zu geführt werden, wobei Geschwindigkeiten von 0,98 bis 4,2 m3/0,093 m2/Std. bevorzugt sind.
Es können aber auch Geschwindigkeiten von 0,7-7 M3/m2/Std. ver wendet werden. Diese Geschwindigkeit hängt ab von der Temperatur der Beschickung, der Kristallisiertem peratur und der Höhe der Säule. Die Beschickungs geschwindigkeit soll genügend sein, um die gewünschte dichte Dispersion von Tröpfchen, welche in der Säule mit der nötigen Geschwindigkeit auf- oder absteigen, und den erforderlichen Wärmeaustausch und richtiges Abkühlen und Kristallisieren der Tröpfchen zu errei chen. Die auf- oder absteigende Bewegung der Kügel chen wird unmittelbarer durch die Volumendichte der eingesprühten Tröpfchen im aufsteigenden oder ab steigenden unmischbaren Kühlmittel bestimmt.
Der Unterschied in der Dichte zwischen den bei den unmischbaren Flüssigkeiten ist so, dass sie auf Grund der Schwere getrennt werden können. Die Ge schwindigkeit des Auf- oder Absteigens der Beschik- kung in der Säule ist eine Funktion der Volumen dichte und der Zufuhrgeschwindigkeit. Alle diese Va riablen haben ihre direkte Wirkung auf die Abküh lungsgeschwindigkeit des zu behandelnden Materials, die selbstverständlich entscheidend ist. Es können Kühl geschwindigkeiten von 0,15-8 C/Min. verwendet wer den, vorzugsweise aber 0a3-4. C/Min. Je nach dem zu behandelnden Material kann die Abkühlgeschwin digkeit auch 0,5-1,5 C/Min. betragen.
Eine der wich tigsten Variablen, welche die Aufsteig- oder Absink geschwindigkeit des zu behandelnden Materials be stimmt, ist die Volumen-Stauung, d. h. die Volumen dichte der Tröpfchen im Verhältnis zur Volumendichte von Tröpfchen und unmischbarer Kühlphase. Die wei tere Grösse ist der Tröpfchendurchmesser, welcher frü her schon besprochen wurde. Die Volumenstauung kann 0,35-0,80 m3 Beschickung/m3 Säule, vorzugs weise aber 0,55-0,77 m3 Beschickung/m3 Säule betra gen. Die Verweilzeit der Tröpfchen im Turm ist zu einem gewissen Grad durch die gewünschte Abkühl geschwindigkeit und den Kühlbereich bestimmt.
Die Geschwindigkeit und Temperatur, mit welcher das un- mischbare Kühlmittel dem Kontaktturm zugeführt und im Gegenstrom mit der dichten Dispersion der Tröpf chen geführt wird, bestimmt die Abkühlung, welche die Beschickung erfährt. Die Durchflussgeschwindigkei ten des Kühlmittels sind vergleichbar mit denjenigen der Beschickung und variieren wenig mit den relativen spezifischen Wärmen und den Dichten. Die Eintritts temperatur des Kühlmittels in den Kontaktturm soll genügen, um die Tröpfchen auf Trenntemperatur zu bringen und die gewünschte Menge kristallisierbaren Materials aus der Beschickung auszukristallisieren oder auszufällen.
Diese Temperatur liegt 0,5-5 C unter der Austrittstemperatur der Beschickung und 0,5-5 C un ter der niedrigsten Kristallisierungstemperatur des kri stallisierbaren Materials.
Wird eine wässrige Lösung behandelt, so liegt die Eintrittstemperatur der Beschickung vorzugsweise nur wenig über der Temperatur, bei welcher bei der Kon zentration der in der wässrigen Lösung gelösten Fest stoffe Eis zu kristallieren beginnt. Lösungen können aber auch bei wesentlich höheren Temperaturen ein geführt und dann auf die gerade über der Kristallisie rungstemperatur liegende Temperatur schockgekühlt werden, und zwar wirtschaftlich und wirksam unter Verwendung mir eines Wärmeaustauschturms gemäss vorliegender Erfindung. Anderseits kann die schnelle Abkühlung auf eine gerade über der Kristallisierungs temperatur liegende Temperatur mit einem üblichen Wärmeaustauscher vorgenommen werden.
Dadurch kann die gesamte Kapazität eines Wärmeaustausch turms gemäss vorliegender Erfindung voll dazu aus genutzt werden, um Reinkristalle zu bilden, und nur ein kleiner Teil dieser Kapazität wird zur Abkühlung der Beschickung auf die zur Kristallisierung nötige Temperatur benötigt.
Die Kristallisierungstemperatur hängt von der Menge der in der Beschickung gelösten Feststoffe ab. Zweckmässige Eintrittstemperaturen für wässrige Be schickungen liegen bei 7 bis 93 C. Üblicherweise liegt die Einlasstemperatur bei wässrigen Medien zwischen -4 und 21' C. Die Einlasstemperatur des Kühlmittels hängt ab von der Abkühlgeschwindigkeit für eine be stimmte Beschickung, dem gewünschten Reinheitsgrad der Kristalle und der Menge Wasser, das kristallin ent fernt werden soll. Zweckmässige Eintrittstemperaturen liegen zwischen -1 und -70 C, insbesondere zwischen -7 und -34 C. Die Durchführung des erfindungsge mässen Verfahrens erlaubt die Entfernung von 5 bis 80 Vol.% der vorhandenen Lösung in Form von nahezu reinen Eiskristallen.
Ein besonders erwünschtes Merkmal des beschrie benen Verfahrens liegt darin, dass das Wachstum der Eiskristalle so gesteuert werden kann, dass dieselben bei ihrem Wachstum Verunreinigungen abweisen kön nen. Der Kontakt der Kristallmatrix, .welche sich am Boden des Turms bildet, mit dem Kühlmittel führt zur Entfernung eingeschlossener Verunreinigungen von der Oberfläche der Kristalle.
Das Abtrennverfahren kann mit Vorteil bei prak tisch atmosphärischem Druck durchgeführt werden. Das kann sich jedoch ändern, je nachdem ob ein Lö sungsmittel zur Reduktion der Viskosität des Kühlmit tels oder zur Kristallisierung der behandelten Lösung verwendet wird. Da es wünschenswert ist, dass alle Reaktionsmittel in flüssiger Phase vorliegen, muss, wenn flüchtige Lösungsmittel verwendet werden, genügend Druck angewendet werden, um diese Lösungsmittel in der flüssigen Phase zu halten.
Ein gleichmässiges Kristallwachstum aus verschie denen wässrigen Beschickungen wird durch sorgfältige Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit erzielt. So kön nen Kristalle mit einer Grösse von 25-100 Mikron, je nach Beschickung und Kristallisierungsbedingungen, er zielt werden. üblicherweise erhält man jedoch Kristalle von 50-400 Mikron. Das gleichmässige Kristallwachs tum erleichtert die Abtrennung des kristallisierbaren Materials, z. B. Wasser, Wachs aus ihren verschiedenen Lösungen, in relativ reiner Form und unter minimalem Verlust an gelösten Festsubstanzen. Diese Abtrennun gen waren bisher entweder nicht wirksam oder mit den bekannten mischbaren Kühlmethoden wirtschaft lich nicht durchführbar.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet des neuen Ver fahrens ist die Behandlung von Erdölfraktionen mit 2-98 % Wachs, Rohölen mit 2-30 % Wachs oder spe ziellen Fraktionen mit 6-12 % Wachs. Je nach den Verfahrensbedingungen wird alles oder nur ein Teil des Wachses kristallisiert und vom 01 abgetrennt. Bei der Behandlung von Erdöl zur Abtrennung des Wach ses ist es unter gewissen Bedingungen wünschenswert, der Beschickung 1-10 bis 10-1 Volumenteile eines Lö sungsmittels zuzusetzen. Diese Stoffe können entweder Lösungsmittel für das 01 oder Antilösungsmittel für das Wachs sein und werden vorzugsweise zur Verbes serung der Viskosität der Beschickung zugesetzt. Men genverhältnisse von 1:3 und 5:1 Lösungsmittel zu Beschickung sind beispielsweise möglich.
Meistens liegt das Verhältnis Lösungsmittel zu Beschickung zwischen 1 : 1 bis 4: 1. Anderseits wurde auch gefunden, dass Erdöle auch ohne Zusatz von Lösungsmitteln sehr wirk sam von Wachs befreit werden konnten. Eine der Ver besserungen, welche im Zusammenhang mit der vor liegenden Methode der dichten Dispersion entwik- kelt wurde, ist ein Verfahren zur Abtrennung von kristallisiertem Wachs aus dem entwachsten 01 mittels einer modifizierten Scheidetellerzentrifuge. Es wurde auch unerwarteterweise gefunden, dass durch Einfüh rung von 8-20 Vol.% Sole in die Aufschlämmung aus kristallisiertem Wachs und 01 auch ohne Lösungsmittel ein genügend hoher Abtrennungsgrad erreicht wird.
Ausserdem bewirkt der Einschluss von Sole, dass die Aufschlämmung genügend leicht durch die verschie denen Stufen des Verfahrens bewegt werden kann. Ohne. eine spezifische Menge Sole setzt sich das Wachs in festen Kernen und kann nicht weiter behandelt wer den.
Eine weitere geeignete Beschickung ist Meerwas ser, das als Hauptverunreinigung etwa 3,5 Vol.% Na triumchlorid enthält. Andere Salze, aber in wesentlich kleineren Mengen, sind ebenfalls anwesend. Im all gemeinen würde ein wirksames Verfahren zum Erhalt von Trinkwasser aus Meerwasser die Entfernung von 10-50 Vol.% des Meerwassers als Eiskristalle bedingen, welche Eiskristalle dann zu einem Frischwasserprodukt geschmolzen werden.
Mehr oder weniger als 50 % des Wassers können entfernt werden, je nach der verfüg baren Kühlleistung und anderen Bedingungen. Ist bei spielsweise nur eine kleine Kühlkapazität vorhanden, können auch nur 10 % Wasser entfernt werden, da hierzu bei höheren Temperaturen gearbeitet werden kann als dies bei 50 % Wasserentfernung der Fall ist. Die maximale Wassermenge, welche entfernt werden kann, liegt bei 80-90 Vol.%, da sich dann Natrium- chloridhydrate bilden und eine unerwünschte Verun reinigung des zu entfernenden Eises stattfindet. Findet eine Reduktion des in den entfernten Eiskristallen vor handenen Natriumchlorids auf 300-500 ppm Natrium chlorid statt, so erhält man ein verwendungsfähiges Frischwasserprodukt.
Eine weitere Beschickung ist z. B. frischer Oran gensaft. Ein typischer Orangensaft enthält etwa 0,005 01 und ein Verhältnis Zucker: Säure von etwa 13/1. In Übereinstimmung mit dem beschriebenen Verfahren wird das Volumen des Orangensaftes um 70-80,% ein geengt durch Entfernen des kristallisierbaren Wassers. Das breiartige Konzentrat kann dann gefroren und so versandt werden, oder es kann bei Raumtemperatur eingedampft werden, um ein völlig trockenes Konzen trat zu bilden.
Bei der Einengung des Orangensaftes ist es aus wirtschaftlichen Gründen wichtig, die Menge an ge löster Orangensaftfestsubstanz, welche in den entfern ten Eiskristallen eingeschlossen sein könnte, auf ein Minimum zu reduzieren. Doch ist in erster Linie wich tig, den Geschmack zu erhalten, und kleinere Mengen eingeschlossener Festsubstanz sind daher weniger wich tig. Ein weiterer wichtiger Punkt jedoch ist, dass grosse gleichförmige Kristalle gebildet werden, welche leicht mittels Filtrierung oder Zentrifugierung oder anderer üblicher Mittel abgetrennt werden können.
Zur Behandlung im erfindungsgemässen Verfahren geeignet sind ferner alkoholische Getränke, wie Bier, Wein oder dergleichen, welche zum Zwecke einfache ren Transports und Verpackung ebenfalls konzentriert werden. Es besteht neuerdings grosses Interesse daran, Bier so zu konzentrieren, dass Geschmack und Quali tät erhalten bleiben, um es als Konzentrat zu versen den und dann an den Verteilstellen wieder herzustel len. Gemäss dem vorliegenden Verfahren kann bei spielsweise Bier mit einem Alkoholgehalt von 3,6 GewA so konzentriert werden, dass 60-80 Vol.% des vorhan denen Wassers in Form von Eiskristallen entfernt wer den, was den Alkoholgehalt auf 12,5 GewA erhöht.
Die Stoffe im Bier, welche massgeblich an seinem Ge schmack und seiner Bekömmlichkeit beteiligt sind, sind sehr wärmeempfindlich, so dass das beschriebene kalte Konzentrierungsverfahren eine Entfernung des Wassers und Konzentrierung des Bieres ermöglicht, ohne dass der Biergeschmack deshalb ungünstig beeinflusst würde oder flüchtige Bestandteile verloren gingen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet betrifft die indu striellen Abwasser, welche durch das erfindungsgemässe Verfahren ebenfalls eingeengt und dadurch leichter weggeschafft werden können. Beispielsweise fallen grosse Mengen Sulfitablauge bei Holzverarbeitungsbe- trieben an, die Flüsse und Ströme in unzulässiger Weise verschmutzen. Werden diese Ablaugen gemäss dem er findungsgemässen Verfahren konzentriert, so erhält man ein fast trockenes Produkt.
Die kleinen Mengen ein geschlossener Feststoffe in den abgetrennten Eiskristal len bilden kein Verschmutzungsproblem mehr und kön nen ohne weiteres in Flüsse und Ströme abgeführt werden, oder das gereinigte Wasser kann im Betrieb wieder neu verwendet werden. 15-20 % des ursprüng lichen Volumens in Form eines konzentrierten Breies können leicht weggeschafft oder aber durch Eindamp fen getrocknet und als festes Material weggeschafft werden. Dieses Verfahren schafft auch die Möglichkeit einer wirksamen und wirtschaftlichen Methode zur Wiedergewinnung kleiner Mengen gelöster Feststoffe aus industriellen Abwassern sowie zur Gewinnung von Mineralen aus frischem und Salzwasser.
Die zur Durchführung des Verfahrens notwendige Einrichtung ist relativ einfach und besteht aus zwei oder mehr Wärmeaustauschtürmen ohne innere Prall wände, Mitteln zum Transport von Beschickung und Kühlmittel zwischen den Türmen, und Mitteln zur Küh lung. Wie früher erwähnt, müssen auch zweckmässige Mittel zur Abtrennung des kristallisierten Materials von der Beschickung bzw. Mutterlauge vorgesehen sein, bei spielsweise ein Filter, eine Zentrifuge oder ein zweck mässiger Schraubenpumpen-Extruder. Wird die Anlage zur Abtrennung von Wachs aus Erdöl verwendet, so wird für 95000 hl Beschickung pro Tag ein 9 m hoher Turm von etwa 2 m Durchmesser benötigt. Der zweite Turm zum Wärmeaustausch zwischen dem warm gewordenen Kühlmittel und der kalten entwachsten Beschickung muss ungefähr gleiche Dimensionen auf weisen.
Bei der Entfernung von Wasser aus wässrigen Lösungen kann ein einziger grosser Turm oder eine Anzahl Einheiten mit kleinerem Durchmesser, welche parallel oder in Reihe arbeiten, verwendet werden. Der zweite Turm zum Wärmeaustausch zwischen erwärm tem Kühlmittel und der kalten Mutterlauge ist hier von gleicher Grösse, oder es kann auch eine Gruppe kleinerer Türme verwendet werden. Höhe und Durch messer einer Anlage für ein bestimmtes Verfahren kön nen variiert werden, um die benötigte Kühlung sowie die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit zu erhalten. Die Kristallisierungstürme können auch in Reihe ar beiten, wobei die Einlasstemperaturen von Speise- und Kühlmittel sukzessiv sinken.
Der zur Einführung der Tröpfchen gleichen Durch messers benutzte Sprühkopf ist wichtig, indem er einen grösseren Durchsatz von gleichmässigen Tröpfchen ohne Störung der Säule ermöglicht. Dieser Sprühkopf pro duziert die Tröpfchen gleichen Durchmessers, welche dann als Schicht steigen, wobei jedes Tröpfchen mit .gleicher Geschwindigkeit steigt, was eine Säule von Tröpfchen mit ungefähr gleicher Dichte durch den gan zen Turm ergibt. Indem die Tröpfchen so hergestellt werden, erhält man gleiche Umgebung und gleichen Kühlverlauf für jedes Tröpfchen des dicht gepackten Bettes, was grosse Eiskristalle ergibt.
Ein üblicher Sprühkopf wurde so modifiziert, dass am äusseren Rand der Lochplatte eine ringförmige Prallwand angebracht wurde, welche den stehenden Wirbel der kontinuierlichen Phase von den Löchern am Rand der Platte ablenkt. Diese ringförmige Wand hat eine Höhe von ungefähr 1/16 bis 3/16 des Lochplatten durchmessers und erstreckt sich vom äusseren Rand der Platte senkrecht nach oben. Die Löcher der Platte stehen vor, um Benetzung der Sprühkopfoberfläche zu verhindern. Diese Änderung des Sprühkopfes erlaubt die Schaffung von dichten Dispersionen von Tröpfchen gleichen Durchmessers, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens notwendig sind.
Der obere Teil der Sprühsäule (Fig. 2) wurde so geändert, dass das normale Mischen, welches sich zwi schen zwei Flüssigkeiten ergibt, wenn eine in die an dere eingeführt wird, und die eine von der anderen getrennt werden soll, auf ein Minimum reduziert wird. Indem das Material gleichmässig durch einen Luftspalt eingeführt wird, vermeidet man schon einen Grossteil dieses Vermischens. Um ein leichteres Material wirk sam von einem schwereren zu trennen, welches durch einen Luftspalt eingeführt wird, wurde eine Vorrich- tung entworfen, die das schwerere Material auffängt und zum Teil von dem zu entfernenden leichteren Material trennt.
Die Mittel zur Entfernung des leich teren Materials sind am Kopf der Säule 2 angebracht und bestehen aus einer ringförmigen Kammer 32, wel che rund um den Kopf der Säule und einen Teil der senkrechten zylindrischen Säule 2 reicht. Oben endet die Kammer 32 ungefähr am oberen Ende der Säule. Der untere Teil der Kammer steht mit Säule über runde Öffnungen in der äusseren Fläche der Säule und runde Öffnungen der inneren Fläche der Kammer in Verbindung. Die Öffnungen sind über eine radiale Lei tung 29 miteinander verbunden, welche von der Säule zur ringförmigen Kammer reicht. Die Kammer ist von der Säule getrennt und thermisch isoliert. Radial vom oberen Ende dieser Kammer ausgehend sind über Öff nungen 33 Auslassleitungen 51 mit ihr verbunden, wel che zuerst kurz waagrecht und dann senkrecht hinun ter bis etwa zur Höhe des Kammerbodens führen.
Diese Auslassleitungen bringen das entnommene Ma terial zur Abtrennvorrichtung. Durch die Verwendung dieser neuartigen Einrichtung wird das leichtere Ma terial von oben aus dem Turm entfernt, während das schwerere Material Zeit hat, sich vom leichteren in der Ringkammer zu trennen und zurück in Säule 2 geführt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist jedoch nicht auf eine solche Bildung der gleichförmigen Tröpfchen beschränkt; vielmehr kann jegliches Mittel zur Bildung gleichmässiger Tröpfchen bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet eine modifizierte Scheidetellerzentrifuge, um kristallines Material, welches normalerweise die Zentrifuge ver stopfen würde, verarbeiten zu können. Eine wichtige Verbesserung der Zentrifuge besteht in der Schaffung eines getrennten Rückflussstromes, welcher um die in nere Oberfläche der rotierenden Zentrifugenkammer zirkuliert und so eingeführt wird, dass er die Lage der Grenzschicht zwischen Kühlmittel, Kristallen und Öl kontrolliert. Indem diese Grenzschicht kontrolliert wird, kann auch die Änderung in der Dichte der Öl/ Wachs-Aufschlämmung die Trennwirkung der Zentri fuge nicht beeinträchtigen.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher es erwünscht ist, dass eine Vortrennung der Eiskristalle aus der Mutterlauge erzielt werde, kann ein geneigtes Gitter .oder Abtropfsieb am Boden des Reaktionsturms (in welchem die zu behandelnde Flüs sigkeit dem Turm oben zugeführt wird) angebracht werden, welches die Eiskristalle ablenkt, die dann seit lich entfernt werden. Die Siebeinrichtung kann entwe der unter- oder oberhalb der Kühlmittelzufuhr an gebracht sein. Der Hauptteil der Mutterlauge sinkt wei ter den Turm hinunter um den Sprühkopf des Kühl mittels und wird vom Boden des Turms als Primär mutterlauge abgeführt.
Wenn eine Siebeinrichtung ober halb der Kühlmitteleinfuhr angebracht ist, wäscht die Kühlflüssigkeit die angesammelten Eiskerne auf dem Sieb und ersetzt einen Teil der in den Zwischenräu men festgesetzte Mutterlauge durch Kühlmittel. Ein kleiner Teil der Mutterlauge verbleibt auf den ab gelenkten Eiskristallen und wird von denselben auf übliche Weise abgetrennt, wobei diese Mutterlauge als sekundäre Mutterlauge bezeichnet wird. Diese spezielle Ausführungsform ist für die Durchführung des Kristal- lisierungsprozesses nicht wesentlich und stellt nur eine besondere Möglichkeit dar.
Indem eine solche Vor trennung der Eiskristalle aus der Mutterlauge ermög licht wird, vermindert sich dann die Abtrennleistung, welche zur Trennung der Eiskristalle aus der Mutter lauge erforderlich ist.
In den Behandlungsturm kann die zu behandelnde Beschickung entweder oben eingeführt werden und das Kühlmittel von unten oder aber umgekehrt, das Kühl mittel von oben und die Beschickung von unten. Wel che Art auch gewählt werde, die zu behandelnde Lö sung wird immer in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleichmässigen Durchmessers eingeführt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Turm zunächst zur Bildung von Eiskristallen dienen, und zusätzliche Einheiten werden dann zur Waschung der Kristalle verwendet und um Reste eingeschlossener gelöster Festsubstanzen wegzuwaschen. In solchen Ein heiten können die Kristalle mit Mutterlauge, Kühlmit tel, die Kristalle mit Mutterlauge, Kühlmittel oder mit einer kleinen Menge von als Produkt anfallendem war mem reinem Wasser gewaschen werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die bei gelegten Zeichnungen noch näher beschrieben werden. Gemäss Fig. 1 wird eine ein kristallisierbares Ma terial enthaltende Beschickung der Säule 2 durch Lei tung 1 mit einer genügend hohen Temperatur zugeführt, so dass das kristallisierbare Material vollständig in Lö sung und die Lösung genügend flüssig ist, um leicht gehandhabt zu werden.
Die Beschickung wird der Säule in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen glei chen Durchmessers und einer solchen Grösse zugeführt, dass ein Wärmeaustausch zwischen den gesprühten Tröpfchen und der unmischbaren Kühlflüssigkeit bei optimaler Steiggeschwindigkeit stattfindet. Die Flüssig keit, aus welcher das Material auskristallisiert werden soll, wird mit solcher Geschwindigkeit eingeführt, dass die gewünschte Volumendichte der Tröpfchen in der kontinuierlichen Phase erzielt wird.
Die Zufuhrge schwindigkeit hängt bis zu einem gewissen Grad von der Differenz zwischen der Dichte der Beschickung und derjenigen des Kühlmittels, sowie von der Geschwin digkeit, mit welcher das Kühlmittel der Säule 2 zu geführt wird, ab. Die Volumendichte der Tröpfchen in der kontinuierlichen Phase muss genügend sein, um die gewünschte Steiggeschwindigkeit in der Säule und damit Kühlgeschwindigkeit zu erzielen.
Die dichte Di spersion der gesprühten Tröpfchen steigt in Säule 2 im Gegenstrom zur sinkenden kontinuierlichen Phase des Kühlmittels, deren Geschwindigkeit so eingestellt ist, dass genügend Wärmeaustausch zwischen ihnen und dem Kühlmittel stattfindet, um eine genügende Menge kristallisierbaren Materials auszukristallisieren. Das nichtmischbare Kühlmittel wird durch Leitung 4 bei einer so gewählten Temperatur eingeführt, dass alles oder Teile des vorhandenen kristallisierbaren Materials aus der Beschickung auskristallisiert werden.
Das Kühl mittel wird so zugeführt, dass es den Gegenstrom der gesprühten Tröpfchen nicht unterbricht. Durch die Kontrolle der Zufuhrgeschwindigkeit von Beschickung und Kühlmittel zur Säule 2 wird die Steiggeschwindig keit der Tröpfchen so geregelt, dass ein genügender Wärmeaustausch stattfindet, um das kristallisierbare Material aus der Beschickung auszukristallisieren. Durch vorsichtige Steuerung der Tröpfchengrösse und deren Aufenthalt in der Wärmeaustauschsäule, sowie der Temperatur des Kühlmittels und dessen Zufuhrge schwindigkeit wird die Abkühlgeschwindigkeit der Tröpfchen so kontrolliert, dass grosse und leicht ab trennbare Kristalle gezüchtet werden.
Um einen wirk samen Gegenstrom aufrechtzuerhalten, soll die Dichte der zwei im Gegenstrom fliessenden Materialien so sein, dass sie unter Anwendung von Schwerkraft leicht ge trennt werden können, so dass die am Fuss der Säule eingeführte Flüssigkeit oben entnommen und die oben eingeführte Flüssigkeit unten entnommen werden kann. Die Tröpfchen der dichten Dispersion bleiben so lange mit dem Kühlmittel in Kontakt, dass grosse, leicht ab trennbare Kristalle sich bilden und das kristallisierbare Material mindestens teilweise auskristallisiert wird.
Das kristallisierte Material und die Lösung bilden einen Brei, welcher dem Kopf der Säule durch einen Ring, welcher eventuell mitgenommene Teile der kontinuierli chen Phase zurückhält, und durch Leitung 3 entnom men und einem zweckmässigen Abtrennapparat 5 zu geführt wird. Der Druck soll so sein, dass alle Mate rialien in der flüssigen Phase bleiben. Die Trennvor richtung 5 entfernt alles kristallisierte Material aus dem gekühlten Lösungsmittel oder der Mutterlauge, welche dann durch Leitung 11 zu einer anderen Wärmeaus tauschsäule 9 geführt wird, wo die kalte von Kristallen befreite Mutterlauge im Gegenstrom mit dem warm gewordenen Kühlmittel versetzt wird, welches vom Bo den der Säule 2 über Leitung 7 entnommen worden war und zu Säule 9 geführt wurde.
Das warme Kühl- mittel und die kalte Mutterlauge werden in ähnlicher Weise in dichter Dispersion , wie in Säule 2 mitein ander in Berührung gebracht, um die Kälte zu kon servieren. Da die Temperaturen in beiden Säulen zwi schen 0,5 und 5 G liegen, findet ein sehr wirksamer Wärmeaustausch statt. Das stark gekühlte Kühlmittel wird vom Boden der Säule 9 über Leitung 10 geführt und durch einen üblichen äusseren Wärmeaustauscher 8 geleitet, um zusätzliche Abkühlung zu erhalten und so die gewünschte tiefe Einlasstemperatur zu erhalten. Wärmeaustauscher 8 ersetzt also allen Kälteverlust wäh rend der Kristallisierung, der durch die Kristallisations wärme und Kälteverluste an den Wänden der Wärme austauschtürme, Leitungen usw. eintritt.
Die vom kristallisierbaren Material befreite Beschickung wird nach dem Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel vom Turm 9 über Leitung 12 abgeführt.
Es versteht sich, dass mehr als ein Behandlungs turm und ein Wärmeaustauschturm verwendet werden können, und dass alles oder nur Teile des vorhandenen kristallisierbaren Materials in einem oder mehreren Versetzungstürmen auskristallisiert werden können.
Das beschriebene Verfahren kann auch zur Kon zentrierung von Fruchtsäften, Milch, Abfallakohol usw. dienen.
Fig. 2 und 7 werden im Zusammenhang mit dem Wachsentzug aus Erdöl beschrieben.
Gemäss Fig. 2 wird Erdöl, das 6-30 GewA Wachs, bezogen auf die Beschickung enthält, mittels Sprühkopf 24 über Leitung 1 durch vorstehende Öffnungen 39 und in die Säule 2 eingeführt. Die Beschickung wird bei einer 10-50 über dem Giesspunkt liegenden Tem peratur eingeführt. Wenn es notwendig oder wünsch bar ist, ein Lösungsmittel mitzuverwenden, so geschieht dies im Verhältnis von<B>1:</B> 4 und 4: 1 Lösungsmittel zu Beschickung.
Die ringförmige Prallwand 30 am äusseren Rand des Sprühkopfes 24 erstreckt sich senk recht nach oben, und zwar über eine Distanz von 1/$ des Sprühplattendurchmessers, und lenkt den stehen den Wirbel 31 der kontinuierlichen Kühlphase nach aussen und vom Sprühkopf weg. Die wachshaltige Be schickung wird durch den Sprühkopf 24 eingeführt und bildet eine dichte Dispersion 20 von Tröpfchen glei chen D=urchmessers, von 9 bis 1,2 mm, welche mit einer Geschwindigkeit von 15-45 m/Std. in der Säule steigen.
Die Beschickung wird mit einer Geschwindig keit von 0,7-7 m/0,093 m-' Säulenquerschnitt pro Stunde eingeführt. Das unmischbare Kühlmittel wird bei dieser Ausführungsform als kalte wässrige Lösung mit 0-28 Gew.% Kalziumchlorid eingeführt, und zwar am Kopf der Säule 2 über Leitung 4 und Verteiler kopf 28 und Luftraum 27 mit einer Geschwindigkeit von 0,7-7 m3/0,93 m Säulenquerschnitt pro Stunde und einer Temperatur von -40 bis + 15 C. Die kalte Sole berührt im Gegenstrom die steigende dichte Di spersion der Öltröpfchen, wobei dieselben mit einer Kühlgeschwindigkeit von 0,5-2 C/Min. abgekühlt wer den. Mit der Abkühlung der Tröpfchen kristallisiert das darin enthaltene Wachs aus. Am Kopf der Säule erhält man eine Öl-/Wachs-/Sole-Aufschlämmung.
Das kalte, wachshaltige Öl wird von der Sole mittels der ringförmigen Falle 23 und Öffnungen 29 und 33 ab getrennt.
Im oberen Teil 34 der Säule werden die dispergier ten Öltröpfchen teilweise zusammengeballt, um grosse irreguläre Massen aus Öl und Wachs zu bilden, sobald sie mit der Kühlphase in Berührung kommen. Sprüht man die Kühlphase nicht direkt, sondern durch einen Luftraum in die flüssige Phase, so werden Wirbel und Rückmischung, wie dies normalerweise beim Mischen einer Flüssigkeit mit einer anderen üblich ist, vermie den, und die Aufschlämmung aus Wachs und Öl wird gleichmässig mit Sole durchsetzt. Die öligen Wachs kügelchen, welche etwas eingeschlossene Sole enthalten, werden durch Öffnung 29 unterhalb der Luft-Flüssig- keitsgrenzfläche durch die ringförmige Falle 32 ab geführt, welche gestattet, dass die Sole zurück in den Turm 2 geführt wird.
Durch die Verteilung des Kühl mittels über einen Luftraum statt direkt in die Flüs sigkeit wird ein vorzeitiges Absetzen des Wachses auf der kalten Sprühkopfoberfläche vermieden. Die Ent fernung des Sprühkopfes zur Flüssigkeitsoberfläche kann z. B. l0-27 cm betragen. Die Gesamtverweilzeit der dichten Dispersion wachshaltiger Öltröpfchen im Turm beträgt 20-45 Minuten.
Gemäss Fig. 7 wird die kristallisierte Öl/Wachs mischung über Leitung 3 (Fig. 1) abgeführt und der Scheidetellerzentrifuge durch Leitung 133 mit einem Gehalt an Sole von 10-15 Vol.% zugeleitet. In dieser speziellen Ausführungsform, bei der eine Zentrifuge zum Entfernen von Wachskristallen von entwachstem Öl verwendet wird, wird das Kühlmittel so gewählt, dass es eine grössere Dichte als die Wachskristalle oder das entwachste Öl aufweist. Es kann jedoch auch ein Kühlmittel mit geringerer Dichte als Wachskristalle oder Öle zur Kristallisierung von Wachs verwendet werden, wobei dann dichtere Sole unmittelbar vor der Zentrifugierung zugesetzt wird.
Die Sole, die dichter ist als die Beschickung, bildet auf den Scheiben 135 einen Überzug, worauf die Kristalle 134, ohne sich festzusetzen, schwimmen können und dadurch die Scheiben nicht zusetzen. Die Sole bedeckt auch die in neren Oberflächen des Trennkegels 137. Die Kreis bewegung der Zentrifuge führt die Wachskristalle, wel che schwerer als das Öl sind, nach aussen, wo sie sich an der Grenzschicht 140 sammeln, während das leich tere Öl vom oberen Teil der Zentrifuge durch Leitung 142 abgeführt wird. Ein getrennter Kreislaufstrom aus Sole wird durch Leitung 128 eingeführt, steuert die Lage der Grenzschicht 140 und bringt nach und nach die angesammelten Wachskristalle von der Grenzschicht mittels der Solelösung durch Auslass 141 weg.
Der Trennkegel 137 und die äussere Schale der Zentrifu genkammer 139 bilden die Flächen, innerhalb wel cher sich der Kreislaufstrom nach Verlassen der Zen trifuge bewegt. Die Wachskristalle bewegen sich zur Oberfläche der Sole und werden von dort durch Ab schöpfen oder durch Ablassen der Sole gewonnen. Kleine Mengen Sole, welche sich noch in den abge trennten Kristallen befinden können, werden durch Schmelzen der Kristalle und Dekantieren der unteren Soleschicht entfernt.
Durch das Steuern der Soleumwälzstromgeschwin- digkeit wird deren Kammhöhe h beim Auslass 141 reguliert. Damit wird aber auch die Stellung der Öl- Solezwischenfläche 140 im Verhältnis zu den periphe ren Öffnungen im Trennkegel 137 gesteuert, welcher die Menge der abgeführten Wachskristalle durch Solen fluss 145 bestimmt. Um eine wirksame Trennung von Öl und Wachs zu erhalten, ist es notwendig, dass diese Zwischenfläche so liegt, dass kein Wachs mit dem Öl ausfliesst und nur ein Minimum an Öl mit dem Wachs.
Bisher konnte eine solche Einstellung der Zwischen fläche nur mittels vorsichtiger Wahl des Ölringdamm- radius H erzielt werden. Irgendwelche Änderungen in den Dichten der Beschickung zur Zentrifuge oder in der Konzentration der Festsubstanzen verursacht eine Verschiebung der Grenzschicht 140 und bedingte das Abstellen der Zentrifuge und Neueinstellen des Ölring- dammradius. Die Verwendung eines Soleumwälzstro- mes machte auch die Verwendung von engen periphe ren Ablassdüsen überflüssig, die in üblichen Trennvor richtungen verwendet wurden und leicht verstopften.
Das warme unmischbare Kühlmittel, das vom Fuss der Säule 2 (Fig. 1) durch Leitung 7 abgeführt wird, leitet man in eine ähnliche Säule für dichte Dispersio nen, wo ein Wärmeaustausch mit dem abgekühlten, entwachsten Öl stattfindet, um die Kälte zu konservie ren.
In einer Anwendung des Verfahrens werden wachs- haltige Öle behandelt, welche so viel Wachs enthalten, dass der Fliesspunkt des Öls unerwünscht wird, einen Wachsschleier bilden oder das Öl zu viskos machen, oder auch wachshaltige Öle, woraus Wachs als Haupt produkt entfernt werden soll. Bei der Wachsentfernung aus Erdölen wird mit Vorteil genügend Lösungs- oder Verdünnungsmittel zugefügt, damit das Öl flüssig ge nug wird, um leicht abgetrennt zu werden. Lösungs mittel werden manchmal auch zugesetzt, um die Tren nung des Wachskuchens vom entwachsten Öl zu er leichtern.
Nichtlösungsmittel für Wachse können eben falls der Beschickung zugesetzt werden, welche dann die Kristallisierung des Wachses aus dem Öl fördern. Diese Nichtlösungsmittel für Wachs können gleichzei tig Lösungsmittel für das Öl sein. Obwohl mancherlei verschiedene unmischbare Kühlmittel verwendet wer den können, ist ein bevorzugtes Mittel Kalziumchlorid- lösung. Die Konzentration des Kalziumchlorids im Kühlmittel muss ausreichen, um die gewünschte Dichte differenz zwischen Kühlmittel und Beschickung zu er zielen und den Gefrierpunkt auf eine Temperatur unter halb derjenigen zu bringen, die für das Entwachsen benötigt wird.
Die Beschickungen, die bei Temperatu ren über dem Gefrierpunkt von Wasser vom Wachs befreit werden können, ist der Zusatz von Kalzium chlorid zum Kühlmittel Wasser nicht notwendig. Die Wachskristalle, welche vom Öl abgetrennt werden, ent halten normalerweise kleine Mengen eingeschlossenen oder mitgeschleppten Öls. Diese Menge kann mittels einer Wäsche mit Sole wesentlich reduziert werden, ferner durch Zugabe von entwachsenden Lösungsmit teln und/oder Zusatz eines Kristallreglers, der die Fil trierung oder Zentrifugierung unterstützt.
Fig. 5 beschreibt eine Ausführungsform der Kri stallisierung mit ummischbarem Kühlmittel, Abtrennung und Konzentrierung. Hierbei wird eine wässrige Lösung, die kristallisierbares Wasser enthält, einer Säule 202 durch Leitung 201 bei einer genügend hohen Tempera tur zugeführt, dass alles kristallisierbare Wasser sich in Lösung befindet und bei der die Beschickung genü gend flüssig ist, um leicht gehandhabt zu werden. Die Beschickung wird der Säule in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleichen Durchmessers 214 zugeführt; die Grösse der Tröpfchen ist derart, dass eine maximale Fläche zum Wärmeaustausch zwischen den eingesprühten Tröpfchen und der ummischbaren Kühlflüssigkeit 215 entsteht, bei optimaler gewünsch ter Sinkgeschwindigkeit.
Die wässrige Lösung, aus wel cher das Wasser auskristallisiert werden soll, wird mit solcher Geschwindigkeit zugeführt, dass die gewünschte Volumendichte der eingesprühten Tröpfchen in der kontinuierlichen Phase erzielt wird. Die Zufuhrge schwindigkeit hängt bis zu einem gewissen Grad von der Dichtedifferenz zwischen der wässrigen Lösung und dem Kühlmittel ab, wie auch von der Geschwindigkeit, mit welcher das Kühlmittel 215 in die Säule 202 ein geführt wird. Die Volumendichte der Tröpfchen in der kontinuierlichen Phase, d. h. ihr Verweilen, soll so sein, dass die gewünschte Sinkgeschwindigkeit in der Säule und damit auch die gewünschte Abkühlgeschwindigkeit erhalten wird.
Die dichte Dispersion der gesprühten Tröpfchen sinkt in Säule 202 im Gegenstrom zur auf steigenden kontinuierlichen Phase des Kühlmittels, und zwar mit solcher Geschwindigkeit, dass genügend Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Beschickung stattfindet, um die gewünschte Menge kristallisierbarer Substanz aus der Beschickung auszukristallisieren. Das ummischbare Kühlmittel <B>215</B> wird durch Leitung 204 bei einer Temperatur zugeführt, die so gewählt ist, dass das kristallisierbare Wasser gesamthaft oder par tiell auskristallisiert.
Das Kühlmittel wird mit solcher Geschwindigkeit zugesetzt, dass der Gegenstrom der eingesprühten wäss rigen Tröpfchen nicht gestört wird. Durch das Steuern der Zufuhrgeschwindigkeit von Beschickung und Kühl mittel in Säule 202 wird die Sinkgeschwindigkeit der Tröpfchen so reguliert, dass genügend Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Beschickung stattfindet, um das in der Beschickung vorhandene Wasser auszukri- stallisieren. Durch sorgfältige Steuerung der Tröpfchen grösse und deren Verweilen in der Austauschsäule und der Temperatur des Kühlmittels und dessen Zufuhr geschwindigkeit wird die Abkühlgeschwindigkeit der Tröpfchen so reguliert, dass grosse und relativ reine,
leicht abzutrennende Eiskristalle aus Wasser gebildet werden.
Der Gegenstrom des Kühlmittels unterstützt wirk sam das Auswaschen von Verunreinigungen von der Oberfläche der Kristalle, welche sich in der Bodenre gion des Turms angesammelt haben. Um wirksamen Gegenstrom aufrechtzuerhalten, und um die Eis- kristalle durch das Kühlmittel zu waschen, soll die Dichtdifferenz zwischen den zwei im Gegenstrom flie ssenden Medien so gross sein, dass diese bei den Ver fahrensbedingungen, wo eine Flüssigkeit in den Boden der Säule eingeführt und am Kopf entnommen und die andere am Kopf eingeführt und am Boden ent nommen wird, unter Anwendung der Schwerkraft leicht getrennt werden können.
Die eingesprühte dichte Dispersion von Tröpfchen lässt man genügend lang in Kontakt mit dem Kühl mittel, so dass grosse, relativ reine und leicht abtrenn bare Eiskristalle gebildet und alles oder Teile des vorhandenen kristallisierbaren Wassers auskristallisiert werden.
Das auskristallisierte Wasser und die Mutterlauge bilden eine Aufschlämmung, welche am Boden der Säule 202 abgeführt wird. Eine Vortrennung kann da durch erzielt werden, dass Eiskristalle auf einem Draht netz 213 gesammelt und der grössere Teil der Mutter lauge weiter nach unten geführt wird. Es kann aber auch die gesamte Aufschlämmung abgeführt und in üblicher Weise anschliessend getrennt werden. Dazu wird die Aufschlämmung durch Leitung 203 in einen zweckentsprechenden Trennapparat 205 geleitet.
Der Druck, unter welchem diese Gegenstromreak tion stattfindet, soll so sein, dass alle Materialien in der flüssigen Phase verbleiben. Trennmittel 205 ent fernen kristallisiertes Material aus der verbleibenden, abgekühlten sekundären Mutterlauge, welche durch Leitung 209 über Ventil 222 geleitet und dann in der Leitung 221 mit der primären Mutterlauge vereinigt und hierauf in eine weitere Wärmeaustauschsäule 209 geführt wird, wo die gesamte, abgekühlte und entkri- stallisierte Mutterlauge mit dem warm gewordenen Kühlmittel, das vom Kopf der Säule 202 über Leitung 207 in Säule 209 geleitet worden war, in Berührung gebracht wird.
Es wird ähnlich wie bei der dichten Dispersionsmethode, welche in Säule 202 zur Anwen dung kommt, im Gegenstrom gearbeitet.
Da die Temperaturannäherungen in jeder der Säu len zwischen 0,5 und 5 C betragen können, wird ein äusserst wirksamer Wärmeaustausch erzielt. Das ab gekühlte Kühlmittel wird vom Kopf der Säule 209 über die Leitung 210 abgeleitet und durch einen übli chen, äusseren Wärmeaustauscher 208 geführt, wo wei tere Kühlung erzielt wird, um die Temperatur des Kühlmittels wieder auf die gewünschte Einlasstempera tur zu bringen. Der Wärmeaustauscher 208 ersetzt die Kälteverluste durch Kristallisationswärme und Abgabe an die Wände der Behandlungstürme, Leitungen usw.
Das Kühlmittel kann auch flüchtige Gefriermittel ent halten, und der Ausgleich von Kälteverlusten kann er folgen, indem etwas davon ausserhalb der Türme ver dampfen kann, wodurch das Kühlmittel abgekühlt wird. Die Mutterlauge wird nach Entzug von 5-95 % kristal- lisierbaren Wassers und nach Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel, aus dem Turm 209 durch Leitung 212 abgezogen.
Es versteht sich, dass mehr als ein Kontaktturm und mehr als ein Wärmeaustauschturm in Serien oder parallel verwendet werden können und dass alles oder nur Teile kristallisierbaren Wassers, welches in der wässrigen Lösung vorhanden ist, in einem oder in mehreren Türmen entfernt werden können. Werden die Türme in Serien eingesetzt, so arbeiten sie mit sukzessive fallenden Temperaturen. Eine detaillierte Beschreibung einer Methode zur Abtrennung von Trinkwasser aus Salzwasser wird an hand von Fig. 6 gegeben.
Im Turm 309 werden l0-30 Gew.% von in Salz wasser vorhandenem Wasser aus der Lösung in Form von Eiskristallen auskristallisiert, welche im Turm sin ken, bis sie auf Sieb<B>312</B> fallen. Die Eiskristalle sam meln sich in der Bodenregion des Siebes und bilden eine Kristallmatrix, welche durch das eingeführte Kühl mittel gewaschen wird. Die Eiskristalle werden von der Hauptmenge der Mutterlauge durch ein Sieb 312 ge trennt und in die Leitung 310 geleitet, währenddem die Mutterlauge weiterhin sinkt und vom Boden der Säule mittels Leitung 214 als primäre Mutterlauge mit einem Temperaturunterschied innerhalb 0,5-5 C ge genüber der Einlasstemperatur des Kühlmittels ab geführt wird.
Bei dieser Ausführungsform werden fünf Wärme austauschtürme verwendet, worin nur einer zur Kristal lisierung des Wassers dient. Salzwasser bei ungefähr Raumtemperatur wird dem Turm 303 durch Leitung 301 zugeführt und dort mit einem kalten Kohlenwas- serstofföl als Kühlmittel, welches dem Turm 303 durch Leitung 305 zugeführt worden war, im Gegenstrom versetzt. Das kalte Kühlmittel ist ein Teil desjenigen, welches zum Gefrieren des Wassers im Turm 309 be nutzt worden war und welches, obwohl es jetzt über der Gefriertemperatur von Wasser ist, noch immer kühl genug ist, um die Temperatur des zugeführten Salzwassers wesentlich zu reduzieren, bevor dasselbe in Turm 309 geführt wird.
Es kann das Kühlmittel oder das Salzwasser als dichte Dispersion in den Wärme austauschturm gesprüht werden. Die gleichförmige Grösse der eingesprühten Tröpfchen ist bei den ledig lich als Wärmeaustauscher dienenden Türmen nicht so wichtig, doch findet ein wirksamer Austausch statt, und es besteht weniger die Tendenz, dass sich Emulsionen bilden, wenn die eingesprühten Tröpfchen relativ dicht gepackt und von gleichem Durchmesser sind.
Das Salzwasser, dessen Temperatur wesentlich re duziert, aber sich immer noch über dem Gefrierpunkt befindet, wird vom Boden des Wärmeaustauschturms 303 durch Leitung 304 und über den Sprühkopf 308 in der Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleichen Durchmessers in den Wasserkristallisierungs turm geführt. Die Tröpfchen sinken im Gegenstrom mit der kalten, steigenden kontinuierlichen Kohlenwasser- stofföl-Kühlphase, welche dem Turm 309 durch Lei tung 310 und Sprühkopf 313 zugeführt worden war. Das Kühlmittel wird in den Boden des Turms 309 bei einer wesentlich unter dem Gefrierpunkt des Salz wassers liegenden Temperatur eingeführt und verlässt den Kopf des Turms 309 bei einer Temperatur, die sich um 0,5-5 C von derjenigen des eingeführten Salzwassers unterscheidet.
Der Eiskristallbrei, welcher etwas eingeschlossene Mutterlauge wie auch kleinste Mengen Kühlmittel ent halten kann (das in der Waschstufe die Mutterlauge ersetzt hat), wird vom Boden des Turms 309 mittels Ablassleitung 310 bei einer zwischen der Kristallisie- rungs- und der Einlasstemperatur des Kühlmittels lie genden Temperatur abgelassen. Eine zweckmässige Pumpeinrichtung kann zur Fortbewegung der angesam melten Eiskristalle von Turm 309 durch Leitung<B>310</B> zur Zentrifuge 315 dienen. Die Zentrifuge trennt die Eiskristalle und eventuell eingeschlossenes unmischba- res Kühlmittel von der sekundären Mutterlauge.
Die sekundäre Mutterlauge verlässt die Zentrifuge<B>315</B> über Leitung 316 und wird mit der primären Mutterlauge in Leitung 314 und Ventil 332 in einen einzigen Strom in Leitung<B>318</B> vereinigt. Die kalte Mutterlauge wird dann mit dem erwärmten Kühlmittel vom Turm 303 durch Leitung 307 dem Turm 319 zugeführt und dort ähnlich wie für Turm 303 beschrieben, in Wärmeaus tausch gebracht, um von der Mutterlauge wieder Kühl energie zu gewinnen und das erwärmte Kühlmittel wie der abzukühlen.
Das warme Kühlmittel, welches durch den Wärme austausch in Turm 31.9 abgekühlt wurde, wird durch Leitung 321 abgezogen und ein kleinerer Betrag an Kühlung wird durch die Kältemaschine 333 zugesetzt. Das kalte Kühlmittel wird dann mit einem Teil Kühl mittel aus Leitung 322 verbunden, welches zur Bildung von Kristallen in Turm 309 gedient hatte und dann als gemeinsamer Strom in Leitung 334 mit flüssigem Isobutan mittels Mischventil 335 vermischt und dem Turm 323 zugeführt, welcher die primäre Kühleinrich tung darstellt. In Turm 323 wird der Druck reduziert und das flüchtige Isobutan im Kühlmittel dadurch ver dunstet, was das Kühlmittel wiederum auf die Einlass temperatur zum Kristallisierturm 309 herabsetzt, wel che wesentlich unter dem Gefrierpunkt der zu behan delnden Salzwasserlösung liegt.
Das so abgekühlte Kühlmittel wird durch Leitung 311 abgezogen und ist wieder bereit zur Verwendung für die Kristallisierung in Turm 309.
Das verdunstete Isobutankühlmittel wird oben durch Leitung 325 abgeführt und mittels Kompressor 324 kondensiert. Die komprimierte Isobutanflüssigkeit wird dann in Turm 326 mit den abgetrennten Eis kristallen aus Zentrifuge 315 versetzt, welche durch Leitung 317 in Turm 326 geführt werden. Die Eis kristalle werden durch das relativ warme, flüssige Iso- butan geschmolzen. Dabei wird noch im Eis ein geschlossenes Kohlenwasserstofföl frei und im Isobutan gelöst. Das kalte ölfreie Wasser wird vom Boden des Turms 326 abgeführt und kann in Wärmeaustausch mit dem warmen Kühlmittel von Turm 303 gebracht werden, welches durch Leitung 336 in Turm 330 ge führt wird.
Warmes Trinkwasser wird vom Boden des Turms 330 durch Leitung 331 bei ungefähr Raumtemperatur abgeführt, leicht gekühltes Kühlmittel wird vom Kopf des Turms 330 durch Leitung 335 abgezogen und kann mit dem leicht gekühlten Kühlmittel aus Leitung 321 vermischt und zwecks Sofortverdampfung dem Turm 323 zugeführt werden.
Das oben beschriebene Verfahren erlaubt eine ma ximale Konservierung der Kapazität und vermindert damit die Kühlenergie, die dem System zugeführt wer den muss. Der grösste Kühlverlust bei dieser Methode entsteht durch Ableitung an die Apparatur.
Bei jedem Verfahren zur Gewinnung von Trink wasser aus salzigem oder Meerwasser, das wirtschaft lich sein soll, ist die Erhaltung der Kühlkraft, wirk samer Wärmeaustausch und Reinheit des Wasserpro duktes von grösster Wichtigkeit. Das oben beschriebene Verfahren zieht alle erwähnten Punkte in Erwägung und beschafft Trinkwasser unter minimalsten Kosten. Selbstverständlich sind Abwandlungen des Verfahrens, wie Verwendung von einem oder mehreren Kristalli- sierungstürmen, in parallel oder in Serie möglich.
Bei der Konzentrierung von Getränken und Ab wassern, wo mehr Freiheit sowohl bei den Kühlkosten wie hinsichtlich der Reinheit des zu entfernenden Was sers besteht, wird eine so wirksame Einrichtung nicht notwendig sein. Bei solchen Gelegenheiten genügt eine einfachere Apparatur, ähnlich der in Fig. 5 beschrie benen.
In einer anderen Ausführungsform werden Ge tränke, wie Orangensaft, Zitronen- oder Grapefruitsaft, Gemüsesäfte, Milch, Zuckerlösungen usw., dadurch konzentriert, dass etwa<B>65-86%</B> des im Getränk oder der Lösung vorhandenen Wassers entfernt werden. Das kalte Kristallisierungsverfahren ist vorteilhaft, weil es keine schädlichen Wirkungen auf Geschmack und Vit amingehalt der behandelten Säfte hat und weil die Konzentrierung mittels Gefrierens wesentlich billiger ist als die Verdampfung. Bei der Konzentrierung von Säf ten durch Entfernen von Eis wird eine zweckmässige Anfangstemperatur von -4 bis 20 C, vorzugsweise eine solche von -4 bis +2 C, bei einer Schluss-Kühltem peratur von -18 bis -21 C verwendet.
Das zu be handelnde Getränk wird in den Kühlturm oder die Kühltürme in Form einer dichten Dispersion bei einer Temperatur von -4 bis 20 C eingeführt und bei -18 bis -2 C abgezogen. Das Kühlmittel wird am anderen Ende mit einer Temperatur von -21 bis -4 C eingeführt und verlässt den Turm mit einer Temperatur von etwa -7 bis +<B>18'</B> C.
Ähnlich wird auch Bier durch Entfernen des Was sers als Eis konzentriert. Infolge des Alkoholgehaltes von Bier liegt die Einlasstemperatur bei -7 bis 1 C und etwas niedriger als für Fruchtsäfte und die End- temperatur bei etwa 23 bis -18 C. Das Kühlmittel wird mit einer Anfangstemperatur von -26 bis -f-4 C eingeführt und mit etwa der Auslasstemperatur des Biers von -10 bis -1 C abgeführt.
Bei der Behandlung von industriellen Abwässern, bei welcher gelöste Festsubstanzen vor ihrer Wegschaf fung konzentriert werden, befinden sich die Abwässer zunächst auf der Temperatur, mit welcher sie von dem bestimmten Arbeitsprozess abgeleitet werden. Werden beispielsweise Sulfitablaugen aus Sulfitverfahren bei der Herstellung von Papier konzentriert, so befinden sich diese Ablaugen üblicherweise bei einer Tempera tur von etwa 105 C. Eine Sulfitablauge kann mittels der dichten Dispersionsmethode ziemlich rasch auf eine gerade über ihrem Gefrierpunkt liegende Temperatur von etwa -7 bis<B>-l'</B> C abgekühlt werden. In dieser Stufe bilden sich keine Eiskristalle, und der Apparat wird lediglich als wirksamer Wärmeaustauscher ver wendet.
Die auf etwa -7 bis 1 C abgekühlte Sulfit ablauge wird dann im erfindungsgemässen Verfahren einem zweiten Turm zugeführt, wo 50-80 Vol.% des vorhandenen Wassers entfernt werden. Das entfernte Wasser, in Form von Eiskristallen, ist relativ rein und kann in Flüsse oder Ströme abgeleitet werden. Die konzentrierte Mutterlauge, welche von den Kristallen abgetrennt wurde, kann dann mittels Verdampfen wei ter getrocknet und verschickt oder anders weggeschafft werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für das oben be schriebene Verfahren liegt in der Wiedergewinnung von gelösten Feststoffen aus wässrigen Medien, indem im wesentlichen alles oder nur Teile des vorhandenen Wassers gemäss dem beschriebenen Verfahren entfernt wird. Das flüssige Konzentrat kann dann wiedergewon nen oder das in einigen Fällen trockene Produkt da durch erhalten werden, dass noch kleine vorhandene Wassermengen mittels üblicher Verdampfungsmethoden entfernt werden. Dieses Verfahren kann auch zur Reinigung gelöster Feststoffe dienen, indem das Lö sungsmittel Wasser wiederholt von den gelösten Fest substanzen auskristallisiert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch zur Entwässerung von hitzeempfindlichen Chemikalien, Medikamenten und Vitaminen, Antibiotika und ande ren pharmazeutischen Verbindungen dienen. <I>Beispiel 1</I> Ein mittleres Destillat aus Kuwait mit Kp 295 bis 340 C, Trübungspunkt bei etwa 5,5 C und Giess punkt bei 4,5 C, das etwa 12 Gew.% Wachs enthielt, wurde in eine Kontaktsäule in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleichen Durchmessers von etwa 2 mm Durchmesser eingesprüht. Die Einlasstem peratur des Destillats betrug etwa 20 C. Der Sprüh bereich wurde vor dem Wirbel der kontinuierlichen Phase des Kühlmittels (Sole) mittels einer ringförmigen Prallwand von einer Höhe von etwa 2,5-10 cm ge schützt.
Das ummischbare Kühlmittel bestand aus 28 %iger Kalziumchloridlösung, welche in den Kopf des Turms bei einer Temperatur von etwa -20 C eingeführt wird. Die eingesprühten Öltröpfchen bilden eine dichte Dispersion und steigen als dichtes Bett von Kügelchen gleichen Durchmessers im Gegenstrom zur sinkenden Kühlphase mit einer Geschwindigkeit von etwa 4,5 mm/Sek. Die Volumendichte der Öltröpf- chen betrug etwa 75 % des Turmvolumens. Dabei er zielte man eine Abkühlgeschwindigkeit von etwa 1-1,5 C/Min.
Das Wachs im mittleren Destillat kri stallisierte innerhalb der gesprühten Tröpfchen und bil det eine Wachs-Öl-Aufschlämmung am Kopf des Turms, die bei einer Temperatur von etwa -18 C entnommen wird. Die kontinuierliche, ummischbare Kühlphase wird vom Boden des Turms bei einer Tem peratur von etwa +18 C abgeführt. Zusätzliche Sole wird dem am Kopf der Säule abgezogenen Öl-Wachs- Brei zugegeben, so dass der Brei total approximativ 12 Vol.% Sole enthält. Dann wird die Aufschlämmung zur Zentrifuge geleitet, wo das Wachs vom entwachsten Öl getrennt wird. Das resultierende Öl wies einen Giess- und Trübungspunkt von etwa -18 C auf.
Die Kon zentration des Wachses im Destillat war auf 0 % redu ziert worden (mittels MEK-Analyse bei -18 C).
Die Trennung der Wachskristalle vom Öl kann mittels Filtration oder Zentrifugierung erfolgen. Zu gabe eines Lösungsmittels zur wachshaltigen Ölbe- schickung oder später zur Wachs-Öl-Aufschlämmung beeinflusst direkt und vorteilhaft die Geschwindigkeit, mit welcher Wachs und Öl getrennt werden können. Es wurde jedoch unerwartet gefunden, dass eine Kon zentration von l0-15 Vol.% Kalziumchloridlösung im Öl-Wachs-Brei genügt, um eine wirksame und wirt-_ schaftliche Abtrennung des Wachses vom Öl zu er geben, ohne dass zusätzliche Lösungsmittel zugesetzt werden müssten.
Die Geschwindigkeit ist allerdings nicht so hoch wie bei Zugabe eines Lösungsmittels, doch werden wesentliche Einsparungen an Einrichtun gen gemacht, welche bei Zugabe von Lösungsmitteln und dessen nachfolgender Abtrennung benötigt wür den. Diese Einsparungen kompensieren die langsamere Abtrennung. Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, dass, wenn zwischen 10-15 VolA Sole im Verhältnis zum Wachs- Öl-Brei eingeschlossen sind, die Filtriergeschwindigkeit etwa 21 1 entwachstes öl/Std./0,09 m2 erzielt wird.
Das Einschliessen von Sole mit dem Öl während des Abkühlprozesses ergibt einen Wachskuchen, der ohne Lösungsmittel filtrierbar ist. Werden weder Sole noch Lösungsmittel zum Öl zugegeben, so kann die gekühlte Wachs-Öl-Masse unmöglich filtriert werden. Grössere Mengen Sole, beispielsweise bis zu<B>90%,</B> reduzieren die Ölgeschwindigkeit durch den Filter auf etwa 10 1 ent- wachstes Öl/Std./0,09 m2. Sogar wenn Lösungsmit tel vorhanden sind, wird mit steigender Menge ein geschlossener Sole der durch die Zugabe des Lösungs mittels gewonnene Vorteil langsam vernichtet. Die An wesenheit von Sole im Kühlturm während des Kühlens hilft mit, dass benachbarte Wachskristalle sich zu einer gelatinösen Masse zusammenballen, welche am Öl haf tet.
Mit Sole bleibt das System fliessfähig und Öl und Sole werden aus dem Wachs entfernt. Das Waschen des abfiltrierten Wachsbreies mit kalter Sole ergibt eine Reduktion des eingeschlossenen Ölgehaltes im Wachs um etwa das Dreifache von 53 auf 19 %. Waschen mit Sole hat auch noch den grossen Vorteil gegenüber einem Waschen mit Lösungsmittel, dass die Stufe der Wiedergewinnung des Lösungsmittels wegfällt. Die Wirksamkeit der Solewaschung wird noch durch Zu gabe eines spezifischen, nichtionischen oberflächenak tiven Mittels zur Sole verstärkt. Die Zugabe von 0,1 bis 3 Gew.% Tergitol NP-35 (eine im Handel erhältli che Nonylphenoläthoxyverbindung) vermindert den Öl- gehalt im Wachs von etwa 19 auf etwa 12 Gew.%.
Es wurde nun auch gefunden, dass die Zugabe einer kritischen Menge eines Kristallreglers entweder während der Zentrifugierung oder Filtrierung die Ge schwindigkeit, mit welcher das Wachs vom Wachs- Öl-Brei getrennt werden kann, wesentlich erhöht. Ein Kristallregler, der sich als besonders wirksam heraus stellte, ist HO = 10 , das im Handel erhältlich ist und ein alkyliertes Polystyrol mit einem kryoskopisch bestimmten Molekulargewicht von 700 bis 3000 dar stellt.
Wird es in einem Verhältnis von 0,05 bis 0,09 Gew.% Modifiziermittel, bezogen auf das Destillat, zu mittleren Destillaten zugegeben, welche mit MEK-Lö- sungsmitteln im Verhältnis von 1 : 1 vermischt sind, so wurde gefunden, dass die Filtriergeschwindigkeit um 300 bis 400% zunahm. Die Wirksamkeit des Modifi ziermittels steht aber bis zu einem gewissen Grad in Beziehung zur Konzentration des Lösungsmittels und der im Gemisch vorhandenen Sole.
<I>Beispiel 2</I> Ein Schmieröl mit Kp 450-600 C, das 20 Gew.% Wachs enthält, mit Giesspunkt 46 C und einem Trü bungspunkt von 65 C, wird mit zwei Volumenteilen eines Lösungsmittels aus 56 % Methyläthylketon und 44 % Toluol auf eine Temperatur von 46 C erhitzt und im Gegenstrom, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit kalter Sole behandelt. Eine 28 gew.%ige Kalziumchlo ridlösung wird bei einer Temperatur von -20 C ein geführt, und das Schmieröl wird in den Boden des Kühlers in Form einer dichten Dispersion von Tröpf chen mit einem Durchmesser von etwa 3 mm gesprüht, welche in der Säule im Gegenstrom zur sinkenden kontinuierlichen Kühlphase steigen mit einer Geschwin digkeit von etwa 5,5 mm/Sek. Das bewirkt ein Ab kühlen der Tröpfchen mit einer gleichförmigen Ge schwindigkeit von etwa 1 C pro Minute.
Der Wachs- Öl-Brei enthält etwa 12 Vol.% eingeschlossene Sole und wird vom Kopf des Turms abgeführt und gemäss dem früher beschriebenen Verfahren zentrifugiert. Das ab getrennte Wachs enthielt 31 Gew.% Öl. <I>Beispiel 3</I> Zelten-Rohöl mit Giesspunkt<B>10-13'</B> C wird auf 95 C erhitzt und langsam auf 32 C gekühlt. Dann wird es mit einer Geschwindigkeit von 395 hl/Tag/ 0,093 m2 Säulenquerschnitt in Form einer dichten Dispersion von Öltröpfchen gleicher Grösse mit Durch messern von etwa 4,5 mm eingesprüht. Die dichte Dispersion steigt in der Säule mit etwa 6 mm/Sek.
Am Kopf der Säule wird Wasser bei einer Temperatur von etwa 3 C mit einer Geschwindigkeit von 395 hl/ Tag/0,093 m2 Säulenquerschnitt eingeführt und kühlt langsam die Rohöltröpfchen mit einer Geschwindigkeit von 1 /Min. auf 4,5 C ab, während es in der Säule im Gegenstrom zu den steigenden Öltröpfchen hinun tersinkt.
Das Wasser verlässt den Boden der Säule bei einer Temperatur von etwa 30 C. Das gekühlte Rohöl und die ausgefällten Feststoffe werden vom Kopf der Säule abgeführt und zur Zentrifuge gebracht, welche etwa 8 % Feststoffe im Verhältnis zum Speisemittel entfernt. Das entwachste Öl wies einen Giesspunkt von 4,5 C auf und wurde weiterer Verarbeitung zugeführt.
<I>Beispiel 4</I> Ein schweres Destillat aus Kuwait vom Kp 340 bis 390 C, mit Trübungspunkt bei etwa 5,5 C und Giesspunkt von 4,5 C, das etwa 10 Gew.% Wachs enthält, wird gemäss Beispiel 1 entwachst. Ein Wachs- Öl-Brei, der etwa 15 Vol.% Sole enthielt, wurde vom Kopf des Reaktionsturms abgeführt und dann in eine Scheidetellerzentrifuge mit Nominaldurchmesser 23 cm geführt, welche mit<B>10000</B> Umdrehungen pro Minute arbeitet und gemäss einer Ausführungsform der Erfin dung modifiziert worden war, und zwar mit einer Ge schwindigkeit von 170 1 Öl-Wachs-Brei pro Minute.
Die entsprechende Geschwindigkeit des Soleumwälz- stromes zur Aufrechterhaltung der gewünschten Stel lung von Sole-Öl-Grenzschicht betrug 3,6-7,21 pro Mi nute, womit Variationen im spezifischen Gewicht der Ölbeschickung von 0,85-0,89 ausgeglichen werden. Durch Regulierung der Geschwindigkeit des Soleum- wälzstromes konnte die Lage der Grenzschicht konti nuierlich geändert werden, ohne dass die Maschine ab gestellt werden musste.
<I>Beispiel 5</I> Frischer Orangensaft, der etwa 0,005 % Öl und ein Zucker-zu-Säure-Verhältnis von etwa 13: 1 aufweist, wird mit einem leichten Speiseöl als Kühlmittel im Gegenstrom versetzt. Der Orangensaft wird als dichte Dispersion von Tröpfchen gleichen Durchmessers ein geführt. Er wird dem ersten Turm mit einer Tempera tur von 20 C zugeführt und schnell auf eine solche von<B>-11</B> C abgekühlt, und zwar in einem nur zum Wärmeaustausch dienenden Turm. Dann wird der Orangensaft in den Kopf eines zweiten Turms bei etwa <B>-l'</B> C eingeführt und dort im Gegenstrom in ähnlicher Weise mit dem Kühlmittel behandelt, welches am Bo den des Turms mit einer Temperatur von etwa -12 bis -6 C eingeführt worden war. Die Eiskristalle bil den sich am Kopf des Turms und wachsen beim Sin ken im Gegenstrom zur Kühlphase.
Die Orangensaft tröpfchen werden mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 pro Minute gekühlt, was die Bildung von grossen Eiskristallen fördert und den Orangensaft mit einem minimalen Verlust von gelösten Festsubstanzen an die Eiskristalle konzentriert. Das Abkühlen der Orangen- Safttröpfchen und das Wachstum der Kristalle wird so geregelt, dass die Kristalle genügend Zeit haben, wäh rend ihres Wachstums sonst eingeschlossene gelöste Festsubstanzen abzuweisen. Die Eiskristalle werden vom Boden der Säule mit der konzentrierten Orangen saftlösung abgeführt und wiesen Grössen von 200 bis 500 Mikron auf; nur wenige kleine Kristalle bilden sich. Die Kristalle und die konzentrierte Orangensaft lösung werden in eine Korbzentrifuge geleitet, wo die Kristalle abgetrennt werden.
Etwa 50 Vol.% der Be schickung werden in Form relativ reiner Eiskristalle entfernt.
Das kalte Orangensaftkonzentrat wird dann im Gegenstrom in einem zweiten Kristallisierungsturm bei niedrigerer Temperatur ein zweites Mal kristallisiert, um 50 Vol.% der verbleibenden Wassermenge in Form von Eiskristallen auszuscheiden. Das fertige Konzentrat weist ungefähr ein Viertel des ursprünglichen Volu mens auf, wird in Büchsen abgefüllt und zum Versand eingefroren.
<I>Beispiel 6</I> Frische Vollmilch mit einem Gefrierpunkt von -4 bis<B>-11</B> C wird in einen Kontaktturm, wie in Beispiel 5 beschrieben, geleitet, und zwar in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen mit gleichförmigem Durch messer von 3 bis 9 mm. Der Tröpfchendurchmesser entspricht im allgemeinen dem doppelten Durchmesser der Öffnung, durch welche die Dispersion eingesprüht worden ist. Die Einlasstemperatur beträgt etwa -2 bis 0 C. Die Sprühzone wird vom Wirbel der kontinuier lichen Phase des Kühlmittels durch eine ringförmige Prallwand geschützt, die eine Höhe von 2,5-10 cm aufweist. Der Sprühkopf hat einen Durchmesser von 7,5-l5 cm. Die Milch wird durch die Öffnungen mit 3 bis 9 cm/Sek. eingesprüht.
Das ummischbare Kühl mittel besteht aus reinem mittlerem Destillatkohlenwas serstoff, der in den Boden des Turms bei einer Tem peratur von etwa -20 bis -6 C eingeführt wird.
Die eingesprühten Milchtröpfchen bilden eine dichte Dispersion und sinken in einem dichten Bett von Kü gelchen gleichförmiger Grösse im Gegenstrom zur auf steigenden Kühlphase. Die Volumendichte der Milch tröpfchen beträgt 65-75 % des Turmvolumens. Dies be wirkt eine Kühlgeschwindigkeit von 0,5-1,5 C pro Minute. Ein Teil des in der Milch vorhandenen Was sers kristallisiert innerhalb der gesprühten Tröpfchen und bildet Eiskristalle.
Die konzentrierte Milchlösung wird bei einer Temperatur von -12 bis -4 C ab- geführt. Die kontinuierliche, ummischbare Kühlphase wird vom Kopf des Turms bei einer Temperatur von <B>-11</B> C abgeführt.
Der Eiskristallbrei kann mit Kühlmittel oder mit kleinen Mengen reinen Wassers gewaschen werden, um eingeschlossene Milchfestsubstanzen zu entfernen. Die gewaschenen Kristalle können dann vom Kühlmittel mit üblichen Methoden abgetrennt werden. Gemäss dem vorliegenden Verfahren kann die Milch um etwa 75 % ihres Volumens reduziert werden. Das noch vorhan dene Wasser kann dann mittels Verdampfung aus dem Konzentrat bei Raumtemperatur entfernt werden, um ein Trockenmilchpulver zu erhalten.
Der grösste Teil der Kühlenergie, welche zur Kühlung der Mutterlauge und zur Bildung des Eises diente, wird wiedergewon nen, indem das erwärmte Kühlmittel separat mit den abgetrennten Eiskristallen und dem kalten Konzentrat wieder in Berührung gebracht wird. <I>Beispiel 7</I> In ähnlicher Weise wird Bier konzentriert durch Entfernen des Wassers als Eiskristalle. Die Einlass temperatur beträgt -4 bis -l' C, zweckmässig in Ver bindung mit einer Auslasstemperatur von -23 bis -10 C. Das Kühlmittel wird bei -25 bis -6 C ein geführt und wird mit einer zwischen der Einlasstem peratur des Kühlmittels und der Kristallisierungstem peratur von Bier liegenden Temperatur von etwa -10 bis -4 C abgeführt.
Dadurch werden 65-78 Vol.% des Bieres in Form von Eiskristallen entfernt. Das Konzentrat weist nach Wiederherstellung mit Wasser und Zusatz von Kohlensäure einen annehmbaren Ge schmack auf und ist durch das Kristallisierungsverfah ren nicht nachteilig beeinflusst worden. <I>Beispiel 8</I> Eine Salzwasserlösung, die 3,5 Gew.% Natrium chlorid als Hauptverunreinigung enthält, wird im Ge genstrom mit einem mittleren Destillat als Kühlmittel mit 11-14 Kohlenstoffatomen versetzt, indem die Salz wasserlösung in Form einer dichen Dispersion von Tröpfchen mit gleichmässigem Durchmesser am Kopf des Turms eingeführt und mit der kontinuierlichen Phase des am Boden eingeführten Kühlmittels in Be rührung gebracht wird.
Das Salzwasser wird bei einer Temperatur von etwa 20 C eingeführt und schnell auf<B>-11</B> C abgekühlt, und zwar in einem nur dem Wärmeaustausch dienenden Turm. Die kalte Salzwas- serlösung wird dann bei etwa<B>-l'</B> C in einen zweiten Turm geleitet, in welchem sie im Gegenstrom mit einem bei -4 bis -20 C eingeführten Kühlmittel in Kontakt gebracht wird. Die Eiskristalle bilden sich ursprünglich am Kopf des Turms innerhalb der gesprühten Tröpf chen und sinken dann während ihres Wachstums im Gegenstrom zur steigenden kontinuierlichen Kühlphase.
Die Tröpfchen werden mit einer Geschwindigkeit von 0,25-1 pro Minute gekühlt, was die Bildung der Eis kristalle fördert, so dass sie im wesentlichen frei von eingeschlossenen gelösten Festsubstanzen sind.
Die Kühlung des Salzwassers unter dessen Gefrier punkt und das Wachstum der Kristalle wird so geregelt, dass die Kristalle während des Wachstums genügend Zeit haben, eingeschlossene, gelöste Festsubstanzen ab zustossen. Die Eiskristalle werden vom Boden der Säule mit der Mutterlauge abgeführt und weisen Grössen von 150-1000 Mikron auf. Nur wenige kleine Kristalle sind vorhanden.
Die Aufschlämmung aus Kristallen und Mutter lauge wird zur Korbzentrifuge geleitet, worin die Kri stalle abgetrennt und kontinuierlich durch die Umwälz- mutterlauge gewaschen werden, um im wesentlichen reine Eiskristalle abzutrennen. Die Eiskristalle werden geschmolzen und weisen weniger als 300-500 Teile pro Million Natriumchlorid auf, welches Wasser zum Trink gebrauch verwendbar ist. Ungefähr 10-30 VolA der Ausgangsbeschickung werden als frisches Wasser ent fernt und die zurückbleibende Mutterlauge weist eine Salzkonzentration von 4-6 GewA auf.
Die kalte Mut terlauge und die Eiskristalle werden noch separat mit dem Kühlmittel in Wärmeaustausch gebracht, um Kühl energie wiederzugewinnen. Die Mutterlauge wird dann weggeschafft.
<I>Beispiel 9</I> Salzwasser wird in den Kopf einer Säule als dichte Dispersion bei einer Temperatur von -0,5 C ein geführt und auf -2 C abgekühlt, indem es mit der aufsteigenden kontinuierlichen Kühlphase eines Mittel destillatöls versetzt wird, das am Boden der Säule bei -5,7 C eingeführt wurde. Das Kühlmittel verlässt den Kopf mit einer Temperatur von<B>-l'</B> C. Beim Abküh len der Salzwassertröpfchen auf -2 C kristallisieren etwa 10 Gew.% der Beschickung zu relativ salzfreien Eiskristallen. Das kristallisierte Wasser und die Mut terlauge können dann in eine Korbzentrifuge geführt werden, wo die Eiskristalle von der Mutterlauge ab getrennt werden. Die Kristalle sind nicht mit Öl ver unreinigt.
Dann werden die Eiskristalle geschmolzen, um entsalztes Wasser oder Trinkwasser zu erhalten, das weniger als 500 Teile pro Million NaCl enthält. <I>Beispiel 10</I> Eine wässrige Natriumchloridlösung mit einer Ge- friertemperatur von -2,8 bis -1 C, welche etwa 4 Gew.% Natriumchlorid als Hauptverunreinigung ent hält, wird in eine Kontaktsäule gemäss Fig. 5 oder 6 gesprüht, und zwar in Form einer dichten Dispersion von Tröpfchen gleichförmigen Durchmessers von etwa 3 bis 9 mm. Die Einlasstemperatur betrug -l' C. Das Sprühgebiet war gegenüber dem stehenden Wirbel der kontinuierlichen Phase durch eine ringförmige Prall wand geschützt, welche eine Höhe von etwa 5 cm aufwies.
Der Sprühkopf wies einen Durchmesser von etwa 8 cm auf und enthielt Öffnungen von 3 mm Durchmesser. Die Beschickung wurde durch die Öff nungen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 3 bis 9 ein/Sek. eingesprüht. Das unmischbare Kühlmittel bestand aus einem mittleren Kohlenwasserstoffdestillat mit Kp-Bereich von l50-260 C, welches in den Bo den des Turms bei einer Temperatur von -18 bis -7 C eingeführt wurde. Die eingesprühten wässrigen Tröpfchen bilden eine dichte Dispersion und sinken als dichtes Bett von gleich grossen Tröpfchen im Gegen strom zur aufsteigenden kontinuierlichen Kühlphase. Die Volumendichte der dispergierten wässrigen Tröpf chen beträgt 35-60% des Turmvolumens. Dies ergibt eine Kühlgeschwindigkeit von etwa 2-4 C/Min.
Etwa 10-20 Vol.% des in der wässrigen Lösung vorhandenen Wassers kristallisierten innerhalb der gesprühten Tröpf chen und bilden Eiskristalle. Die Mutterlauge wird bei einer Temperatur von etwa -3 bis -2 C abgeführt.
Die Eiskristalle können noch weiter gereinigt wer den durch Waschen mit dem Kühlmittel oder kleinen Mengen reinen Wassers. Die gewaschenen Kristalle können vom Kühlmittel oder Resten an Mutterlauge mittels üblichen Methoden abgetrennt werden.
Die nach der Zentrifugierung erhaltenen Eiskristalle werden geschmolzen und sind im wesentlichen reines Wasser, das als Trinkwasser geeignet ist. Es enthält weniger als 500 Teile pro Million NaCl.
Bei der Salzwasseraufbereitung kann es wirtschaft licher sein, nur etwa 10-20 % des vorhandenen Wassers auszukristallisieren, da dies unter Anwendung von gän gigen Temperaturen möglich ist, was die Kosten für Tiefkühltemperaturen erspart. Da ausserdem die meiste Kühlenergie, welche zur Kühlung der Mutterlauge und Bildung des Eises erforderlich ist, in anderen Türmen wieder gewonnen wird, kann die Kühlleistung auf ein Minimum reduziert werden.