Verfahren zum Gewinnen von wässeriger Phosphorsäure und Einrichtung für seine Durchführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Gewinnen von Phosphorsäure durch das sogenannte Nassverfahren .
Eine umfassende Erläuterung dieses allgemein bekannten Verfahrens findet sich in dem Buch von Weber Phosphorsäure, Phosphate und phosphorhaltige Düngemittel , 1952, Reinhold Verlagsgesellschaft, insbesondere unter dem Abschnitt Die Herstellung von Phosphorsäure durch das Nassverfahren > y auf Seite 174 folgende.
In der Literaturangabe am Ende dieses Kapitels ist eine Anzahl an Patentschriften und sonstigen Literaturstellen erwähnt, die sich mit diesem Verfahren beschäftigen.
Bei diesem vorbekannten Verfahren werden fein aufgemahlenes Phosphatgestein bzw. Phosphatmineral, z.B.
Apatit, und Schwefelsäure kontinuierlich einem Schlamm zugeführt, der aus den Reaktionsstoffen und schwacher, dem Verfahren im Umlauf wieder zugeführter Phosphorsäure von einem solchen Volumen besteht, dass die fliessfähige Konsistenz der Masse aufrechterhalten bleibt. Der Schlamm wird einem oder mehreren mit Rührwerken ausgerüsteten Tanks aufgegeben und verbleibt in diesen, bis das Gestein bzw. Mineral in der Säure aufgeschlossen ist. Anschliessend wird der Schlamm gefiltert und es werden die Feststoffe, die aus unlöslichen Gesteinsbestandteilen und Kalziumsulfat bestehen, ausgeschieden. Das Filtrat besteht aus einer Lösung von Phosphorsäure. Die Feststoffe werden gewaschen und es wird das Waschwasser von der Filtration, welches im wesentlichen aus schwacher, verdünnter Phosphorsäure besteht, in die Reaktionstanks zurückgeführt.
Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens hängt in starkem Masse von der Grösse der sich während der Reaktion bildenden Kalziumsulfatkristalle ab. Kleine Kristalle lassen sich erheblich schwerer filtern; sie enthalten überdies kleine Mengen an Phosphor-Pentoxyd (P205), welches in diesem Fall nicht gewonnen werden kann.
Die Grösse der sich bildenden Kalziumsulfatkristalle ist abhängig von der Art des Kristallwachstums und dem Ausmass der Kristallkernbildung. Von den verschiedenen Kalziumsulfat-Kristallarten bildet das Anhydrit eine Kristallform, die bei hoher Temperatur ausfällt. Diese Form muss möglichst vermieden werden, da sie die Bildung vieler extrem feiner Kristalle begünstigt, die sehr langsam wachsen. Das Hemihydrat und Dihydrat (Gips) bilden grössere, schneller wachsende Kristalle; es emp- fiehlt sich daher, die Arbeitsbedingungen so einzustellen, dass die Bildung dieser Kristalle begünstigt wird.
Die Kristallkernbildung ist ihrerseits stark abhängig von dem Ausmass der Kalziumsulfat-Übersättigung des Schlamms. Mit zunehmender Übersättigung bilden sich kleinere Kristalle. Durch ein heftiges Rühren des Schlamms lässt sich eine gleichmässige Konzentration des Kalziumsulfats erreichen. Ausserdem wird hierdurch die Bildung des unlöslichen Sulfats an der Oberfläche der Gesteins- bzw. Mineralteilchen verhindert, wodurch ein vollständiger Aufschluss des Gesteins unmöglich würde.
Obwohl durch ein starkes Rühren eine gleichmässige Konzentration des Kalziumsulfats erhalten werden kann ist das Mass der Kalnumsulfat-Übersättigung nicht nur von der Konzentration, sondern auch von der Temperatur abhängig. Es ergibt sich daher die Forderung, die Temperatur innerhalb gewisser Grenzen zu steuern und sie in der gesamten Schlammasse möglichst gleichmässig zu halten. Eine gleichmässige Schlammtemperatur ist daher wichtig, um das Entstehen von Schlammtaschen oder dgl. zu vermeiden, in denen der übersättigungsgrad erheblich von dem Durchschnittswert des Schlamms abweicht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zwecks Gewinnung wässriger Phosphorsäure durch Umsetzen von Phosphatgestein mit wässriger Schwefelsäure unter Bil- dung von Phosphorsäure und CaSO4-Kristallen, wobei die Reaktionsstoffe zur Bildung einer Reaktionsaufschlämmrung laufend einer Reaktionsstufe zugeführt werden und Teile des Schlamms, zwecks Trennung von Phosphorsäure und CASO4-Kristallen durch Filtrieren und Waschen, laufend aus der Reaktionsmasse abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass laufend ein Teil des Schlamms in einer kombinierten Reaktionsund Kühlanlage mit einem freien Raum über der Oberfläche des Schlamms einem unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck ausgesetzt wird, so dass eine Verdunstungsgeschwindigkeit der Masse solcher Stärke erzielt wird,
dass durch die Verdunstungskühlung die in der Reaktionsstufe entstandene Wärme abgeführt wird, dass diese Reaktionsmasse in der Reaktions- und Kühlungsanlage derart zirkuliert wird, dass eine gleichmässige Temperatur und Konzentration durch die Reaktionsstufe aufrechterhalten wird, wobei ein gleichmässiger Übersättigungsgrad von CaSO4 in der Schlammasse aufrechterhalten wird, zwecks Gewinnung von CaSO4-Kristallen mit verbesserten Filter und Wasch-Eigenschaften.
Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, bestehend aus einer die Reaktionsmasse aufnehmenden Reaktionsanlage, einer Aufgabevorrichtung, mit der Phosphatgestein und Schwefelsäure im wesentlichen kontinuierlich dem Reaktionsschlamm zugeführt werden, sowie einer Vorrichtung zum Abziehen des Reaktionsschlamms aus der Reaktionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die zugleich als Kühler arbeitende Reaktionsanlage einen freien Raum über der Oberfläche des Reaktionsschlamms bildet, und dass an diesen freien Raum eine Vakuumquelle zur Erzeugung eines unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Drucks in diesem Raum angeschlossen ist, und dass ferner in der kombinierten Kühl- und Reaktionsanlage Strömungs-Leitelemente sowie eine Umwälzvorrichtung zum zwangsweisen Umwälzen der Reaktionsschlammasse vorgesehen sind,
welche im wesentlichen die gesamte Schlammasse zumindest einmal in fünf Minuten dem Unterdruck in dem freien Raum aussetzt.
Die beigelegte Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung dar. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zum Gewinnen von Phosphorsäure durch das Nassverfahren mit einer Reaktions- und Kühlanlage gemäss der Erfindung;
Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform der Reaktions- und Kühlanlage gemäss der Erfindung in schematischer Darstellung;
Fig. 3 schematisch eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der Reaktions- und Kühlanlage gemäss der Erfindung;
Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV der Fig. 3;
Fig. 5 schematisch eine abgeänderte Ausführungsform der kombinierten Reaktions- und Kühlanlage gemäss der Erfindung;
Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 5.
In Fig. 1 ist die kombinierte Reaktions- und Kühlanlage allgemein mit 5 bezeichnet; sie besteht aus einem Tank 6, der gegenüber der Atmosphäre offen ist und eine Säule 7 aufweist, die in der Mitte oberhalb des Tanks angeordnet ist. Das obere Ende der Säule 7 ist verschlossen, während das untere Säulenende, wie dargestellt, in die in dem Tank befindliche Flüssigkeit eintaucht und somit unterhalb des sich bei normalem Betrieb einstellenden Flüssigkeitsspiegels liegt. Die Säule 7 weist in Nähe ihrer Oberseite einen Anschluss 8 auf, der mit einer Vakuumquelle, z.B. einem Kondensator 10 mit Direktkühlung verbunden ist, welcher einen seitlichen Einlass 11 für eine Kühlflüssigkeit, wie z.B. Wasser, und am Boden einen Auslass 12 aufweist.
Der Kondensator ist ferner in Nähe seines oberen Endes mit einem Auslass 13 versehen, der zu einem Ejektor oder einer Pumpe für den Abzug nichtkondensierbarer Bestandteile führt. Im Inneren der Säule 7 ist ein Tauchrohr 14 koaxial gelagert, dessen oberes Ende in Nähe oder geringfügig unterhalb des sich bei normalen Arbeitsbedingungen in der Säule 7 einstellenden Flüssigkeitsspiegels liegt. Das Bodenende des Tauchrohres ragt über das untere Ende der Säule 7 bis zu einer in Nähe des Bodens des Tanks 6 liegenden Stelle vor, ohne bis zu dem Boden zu reichen.
Ein an einer Welle 16 gelagertes Rührwerk 15 ist in geringem Abstand unterhalb des Bodenendes des Tauchrohres 14 angeordnet. Die Welle 16 ist durch den Boden des Tanks 6 hindurchgeführt, der an dieser Stelle ein Lager mit einer Abdichtung 17 bekannter Ausführung aufweist. Das Flügelrad bzw. das Rührwerk 15 hat die Aufgabe, den Tankinhalt, wie schematisch durch die Pfeile angegeben, in eine kreisende Strömung zu versetzen. Das Bodenende des Tauchrohres 14 erstreckt sich vorzugsweise bis zu einer Stelle, die so nahe am Boden des Tanks liegt, dass ein Kurzschluss in der Strömung des Reaktionsschlamms verhindert wird und der Schlamm in der gewünschten Weise zirkuliert.
Das Bodenende des Tauchrohres 14 sollte jedoch in ausreichend weitem Abstand von dem Tankboden liegen, so dass die zur Verfügung stehende Antriebsleistung weitgehend für die Zirkulation des Reaktionsschlamms mit der gewünschten Geschwindigkeit ausgenutzt wird.
Wie in Fig. 1 durch die Pfeile angegeben, strömt die Flüssigkeit durch das Tauchrohr 14 nach unten und verteilt sich dann radial nach aussen über den mittleren Bereich des Tankbodens, von wo sie in den Ringraum zwischen dem Tauchrohr 14 und der Innenwand der Säule 7 nach oben strömt. Um zu verhindern, dass der Reaktionsschlamm als Gesamtmasse bzw. als ein einheitlicher Körper in dem Tank 6 zirkuliert bzw. rotiert, ist eine Anzahl von Rippen bzw. Flügeln 9 vorgesehen.
Das Phosphatgestein wird dem Tank 6 über einen Schacht aufgegeben, der von einer Hülse 18 gebildet ist, die mit ihrem unteren Ende unterhalb des sich bei normalem Betrieb in dem Tank 6 einstellenden Flüssigkeitsspiegels liegt. Das obere Ende der Hülse 18 ragt über den Tankdeckel 20 heraus. Der Schacht bzw. die Hülse 18 ist mit einem Rührwerk versehen, welches ein an dem unteren Ende einer Welle 22 gelagertes Flügelrad 21 aufweist. Die Welle 22 dreht sich in einem Lager 23, das an einer Anzahl an Speichen 24 gelagert ist. Die Abstützung und der Antrieb der Flügelradwellen 16 und 22 erfolgt in bekannter Weise.
Der Tank 6 ist an einem Boden mit einem Einlassanschluss 25 für die Zuführung von Schwefelsäure sowie mit einem weiteren Einlassanschluss 26 versehen, durch den schwache bzw. verdünnte Phosphorsäure in die zirkulierende Masse des Reaktionsschlamms eingeführt wird. In Nähe der Oberseite weist der Tank 6 seitlich einen Auslassanschluss 27 auf, der auf der dem Schacht bzw. der Hülse 18 gegenüberliegenden Seite in einer Höhe angeordnet ist, die unmittelbar unterhalb derjenigen Stelle liegt, an der sich in dem Tank 6 bei normalem Betrieb der Flüssigkeitsspiegel einstellen soll. In Nähe des Tankbodens ist ferner ein Hilfsauslassanschluss 28 angeordnet.
Das Phosphatgestein bzw. Phosphatmineral wird in einem Bunker oder in einer Tasche 30 gespeichert, aus der es in üblicher Weise durch Schwerkraft auf einen horizontalen Gurtförderer 31 abgezogen werden kann, der das Gut in die Hülse 18 abwirft.
Das Deckelgestell 20 kann zur Abstützung der Säule 7 und der Hülse 18 dienen, während das Tauchrohr 14 von einer Anzahl an Armen oder Speichen 29 innerhalb der Säule 7 getragen wird. Für die Lagerung und Abstützung können selbstverständlich auch andere Massnahmen getroffen werden.
Etwaige sich in dem freien Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in dem Tank 6 einstellende Gase werden über eine Entlüftung 32 abgezogen, die über eine Leitung 33 mit dem Einlass eines Berieselungsturms oder Wäschers 34 verbunden ist, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer an seiner Oberseite angeordneten Brause für Kaltwasser oder eine andere geeignete Waschlösung ausgerüstet ist, die durch eine Leitung 35 zugeführt wird. Fluor und andere lösliche Gase werden in der Waschlösung absorbiert und von dem Boden des Wäschers 34 über eine Leitung 36 in einen Ablauf oder zur Fluor-Wiedergewinnung abgezogen. Unschädliche nicht kondensierbare Gase werden an der Oberseite des Wäschers über eine Dampfabzugsleitung 37 abgezogen.
Für den Abzug des Reaktionsschlamms aus dem Tank 6 über den Auslassanschluss 27 dient eine Pumpe 40, welche über eine Leitung 41 mit dem Anschluss 27 verbunden ist. Die Leitung 41 ist an eine Rohrleitung 42 angeschlossen, die mit ihrem einen Ende mit der Saugseite der Pumpe 40 und mit ihrem anderen Ende mit dem Tankauslass 28 verbunden ist. Die Förderseite der Pumpe 40 ist über eine Leitung 43 an einen Filterspeisetank 44 angeschlossen, in dem ein Rührwerk 45 angeordnet ist. Das Rührwerk 45 ist am oberen Ende einer Welle 46 gelagert, die durch eine Bodendichtung 48 in den Tank hineingeführt und mit üblichen Mitteln angetrieben ist. Das Rührwerk 45 hat die Aufgabe, den Inhalt des Filterspeisetanks 44 in gleichmässiger Verteilung zu halten.
Der Reaktionsschlamm wird von einer Pumpe 47 mit gleichmässiger Geschwindigkeit abgezogen, deren Einlass über eine Leitung 49 mit einem Auslass 50 des Tanks 44 verbunden ist, welcher in Nähe des Tankbodens an der Tankseitenwand angebracht ist. Die Pumpe 47 fördert den Reaktionsschlamm über eine Leitung 51 in die erste Stufe einer bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei Filtern bestehenden Filterreihe 52.
In dem ersten Filter 53 wird über eine Leitung 54 starke Phosphorsäure vom Boden abgezogen und einer unter Vakuum stehenden Kammer 55 zugeführt. Die stark konzentrierte Phosphorsäure sammelt sich in einem Tank 56, aus dem sie nach Bedarf über eine Leitung 57 abgezogen werden kann. Der Reaktionsschlamm, von dem ein erheblicher Anteil der starken Phosphorsäure abgetrennt ist, gelangt dann von der Filteranlage 53 in die zweite Filteranlage 58, der von dem letzten Filter Waschwasser über eine Leitung 60 zugeführt wird. Aus dem Filter 58 wird schwache Phosphorsäure in einen Saug- bzw. Vakuumkessel 61 abgezogen; sie fliesst dann über eine Leitung 62 in einen Aufnahmebehälter 63, von dem sie als Rücklauf-Säure über eine Leitung 64 zu dem Einlassanschluss 26 des Tanks 6 in den Kreislauf zurückgeführt wird.
Der Schlamm gelangt von der Filteranlage 58 in die letzte Filteranlage 65, in der über eine Speiseleitung 66 Waschwasser zugeführt wird. Die gewaschenen Kalziumsulfatkristalle werden bei 69 aus dem Filter 65 abgezogen und entweder als Abfall abgeführt oder einer bestimmten Verwendung zugeführt. Das Waschwasser der Filteranlage 65 wird in einen Vakuumbehälter 67 abgezogen; es gelangt dann vom Boden des Vakuumbehälters 67 über eine Leitung 68 in einen Aufnahmebehälter 70. Der Aufnahmebehälter 70 ist über die Rücklaufleitung 60 mit der mittleren Filteranlage 58 verbunden, wie dies vorstehend erwähnt ist. Sämtliche Vakuumbehälter 55, 61 und 67 können an eine Verteilerleitung 71 eines gemeinsamen Vakuumerzeugers 72 angeschlossen sein.
Im Betrieb wird das Phosphatgestein durch den Schacht 18 kontinuierlich dem Reaktor aufgegeben.
Über den Einlassanschluss 25 wird Schwefelsäure zugeführt, während schwache Phosphorsäure über den Einlassanschluss 26 eingeführt wird. Die Menge der zugeführten Schwefelsäure wird so eingestellt, dass der Reaktionsschlamm beim Abzug über den Auslass 27 normalerweise etwa 2% freie Schwefelsäure enthält. Mittels des Kondensators 10 wird in dem Kopfraum am oberen Ende der Säule 7 ein Vakuum erzeugt. Von dem Rührwerk 15 wird eine ständige Schlammzirkulation in der durch die Pfeile angegebenen Richtung bewirkt.
Bei richtiger Arbeitsweise der kombinierten Reaktions- und Kühlanlage bewirkt der Kühleffekt, welcher von dem Kondensator 10 durch die Vakuumbildung in dem oberen Ende der Säule 7 hervorgerufen wird, eine Verdunstung bzw. Verdampfung an der Oberfläche der Flüssigkeit in einem solchen Ausmass, dass die sich in der Reaktions- und Kühlanlage bei den exothermischen Reaktionen einstellende Wärme abgeführt wird. Diese sich exothermisch bildende Wärme umfasst sowohl die bei den chemischen Reaktionen des Nassverfahrens entstehende Wärme als auch die Lösungswärme. Die von dem Rührwerk 15 aufrechterhaltene Zirkulation ist so stark, dass der Inhalt der Anlage insgesamt auf im wesentlichen gleichmässiger Temperatur gehalten wird, so dass die Bildung von Zonen innerhalb der Reaktionsund Kühlanlage 5 mit lokal höheren Temperaturen vermieden wird.
Es hat sich herausgestellt, dass dies erreicht werden kann. wenn die Zirkulationsgeschwindigkeit des Systems zumindest so gross ist, dass die gesamte Masse des Reaktionsschlamms zumindest einmal in jeweils fünf Minuten durch die Anlage 5 zirkuliert. Vorzugsweise wird jedoch die Zirkulationsgeschwindigkeit so eingestellt, dass die Schlammasse je Minute zu etwa 100 bis 200% umgewälzt wird. Man erzielt hierdurch die Vorteile, die sich aus der oben erwähnten erweiterten Oberfläche des Erfindungsprinzips ergeben.
Im folgenden wird zur näheren Erläuterung der Erfindung ein praktisches Beispiel gegeben:
Beispiel I
Der Tank 6 und der Filterspeisetank 44 weisen jeweils einen Durchmesser von etwa 51; m und eine Höhe von 6 m auf. Der Flüssigkeitsspiegel in dem Tank 6 wird auf eine gleichbleibende Höhe von 41/2 m eingestellt.
Die Säule 7 ragt 9 m über den Tankdeckel 20 hervor und weist an ihrem oberen Ende einen Durchmesser von 3 m und an ihrem unteren Ende einen verminderten Durchmesser von zum auf. Das Tauchrohr 14 hat einen Durchmesser von 2 m; es ragt in den Tank hinein und hat einen Abstand von dem Tankboden von 0,6 m. Der Flüssigkeitsspiegel in der Säule 7 liegt im Betrieb normalerweise 11 m oberhalb des Tankbodens. Der Kondensator 10 erzeugt in dem Kopfraum der Säule 7 ein Vakuum von etwa 550 bis 600 mm Quecksilbersäule, d.h.
einen Unterdruck von etwa 150 bis 200 mm.
Von dem Förderer 31 wird aufgemahlenes Phosphatgestein in einer Menge von 14 Tonnen je Stunde zugeführt. Eine konzentrierte (98%) Schwefelsäure wird dem Tank in einer Menge von 100 Litern je Minute aufgegeben, während schwache Phosphorsäure mit einer Stärke von etwa 18 bis 20% im Rücklauf über den Anschluss 26 in einer Menge von etwa 370 Litern je Minute zugeführt wird. Die Temperatur des flüssigen Inhalts der Reaktorund Kühlanlage 5 wird im wesentlichen auf konstantem Niveau im Bereich von etwa 700 bis 770 C gehalten, wobei die Temperaturabweichung der Flüssigkeit an der Grenzfläche der Säule 7 geringer als 10 C ist. Es ergeben sich daher im Inneren des gesamten Körpers des Reaktionsschlamms keine lokalen Temperaturabweichungen von mehr als etwa 10 C, bezogen auf die Durchschnittstemperatur.
Der Reaktionsschlamm, der in starker Phosphorsäure verteilt Kaiziumsulfatkristalle enthält, wird über den Auslass 27 mit einer Geschwindigkeit von 475 Litern je Minute abgezogen. Die Pumpe 47 zieht die Reaktionsflüssigkeit bzw. den Schlamm mit der gleichen Geschwindigkeit von 475 Litern je Minute von dem Filterspeisetank 44 ab und fördert ihn in den Filtern 52. Über die Leitung 66 wird hier Wasser in einer Menge von 295 Litern je Minute zugeführt. Hierbei werden 9000 Liter Phosphorsäure mit einer Konzentration von etwa 43% bis 44% HsPOs je Stunde zusammen mit 18 600 kg Kal- ziumsulfatkristallen (Trockenbasis) je Stunde erzeugt.
Es versteht sich jedoch, dass die Reaktionsbedingungen in der kombinierten Reaktions- und Kühlanlage 5 innerhalb bestimmter Bereiche variieren können. Beispielsweise kann die Temperatur des Reaktionsschlamms im Bereich von 600 bis 1050 C liegen, während das von dem Verdampfer in dem Kopfraum der Säule 7 aufrechterhaltene Vakuum im Bereich von etwa 250 bis 670 mm Quecksilber liegen kann.
In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemässen kombinierten Reaktions- und Kühlanlage dargestellt, die hier allgemein mit 75 bezeichnet ist. Der Tank 76 ist mit einer vertikal stehenden Säule 77 versehen, die in Nähe der Tankseitenwand angeordnet ist. In der Säule 77 ist ein Tauchrohr 78 gelagert, deren unteres Ende 80, wie dargestellt, gekrümmt ist, so dass das untere Stirnende des Rohres etwa konzentrisch in dem Tank 76 liegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Flügelrad 81 am unteren Ende einer Antriebswelle 82 gelagert, die sich durch den Tank hindurch erstreckt und mit einer geeigneten Antriebsvorrichtung in Verbindung steht. Die Zirkulation des Reaktionsschlamms ist im wesentlichen dieselbe wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Der Reaktionsschlamm strömt in dem Tauchrohr 78 nach unten und fliesst dann durch den Ringraum zwischen dem Tauchrohr 78 und der Säule 77 wieder nach oben, wie dies durch die Pfeile angegeben ist. Um zu verhindern, dass der Reaktionsschlamm um die Achse der Welle 82 rotiert, sind Rippen oder Flügel 79 an der Tankwand angeordnet. Das Phosphatgestein wird über eine Hülse 83 aufgegeben, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Rührwerk 84 versehen ist. Für die Zuführung der Schwefelsäure dient eine Speiseleitung 85, die durch den Reaktionsschlamm nach unten in den Tank 76 hineinragt, so dass die Schwefelsäure in Nähe des unteren Endes des Tauchrohres 76 in den Tank austritt. Schwache Phosphorsäure wird im Rücklauf über die Leitung 86 ebenfalls in Nähe des unteren Endes des Tauchrohres 78 aufgegeben.
Wie ersichtlich, liegt das untere Ende der Leitung 86 geringfügig oberhalb des unteren Endes der Schwefelsäure Speiseleitung 85.
Für die Erzeugung des Vakuums in dem Kopfraum der Säule 77 ist ein Kondensator 87 vorgesehen.
Die kombinierte Reaktor- und Kühleranlage 75 arbeitet in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 dargestellte Anlage 5. Das Phosphatgestein, die Schwefelsäure und schwache Phosphorsäure werden in den gewünschten Mengen kontinuierlich aufgegeben. Der Kondensator 87 bewirkt eine Verdampfungskühlung, die im wesentlichen gleich der sich bei den exothermischen Reaktionen in dem Tank 76 einstellenden Wärmeentwicklung ist. Die ser Vakuum-Kühlungseffekt bewirkt in Verbindung mit der hohen Rührgeschwindigkeit des Rührwerks 81 eine gleichmässige Temperaturverteilung in der Reaktions schlammasse und damit das vorgenannte Erfindungs prinzip der erweiterten Oberfläche . Der Reaktionsschlamm wird kontinuierlich über den Auslass 88 in einen Filterspeisetank 89 abgezogen.
Der Schlamm wird dann in bekannter Weise weiterbehandelt, z.B. in der in
Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise.
In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres, bevorzugtes Aus führungsbeispiel der kombinierten Reaktor- und Kühleranlage gemäss der Erfindung dargestellt, die allgemein mit der Bezugsziffer 100 versehen ist. Die Anlage weist hier einen einzigen Aussenkessel bzw. ein Gehäuse 101 mit kegelstumpfförmigen Boden- und Kopfteilen 102 und
103 auf. Demgegenüber sind die in den Fig. 1 und 2 dar gestellten Anlagen 5 und 75 mit getrennten Reaktortanks
6 und 76 versehen, die jeweils mit einer vertikalen, über den Tank hervorragenden Säule 7 bzw. 77 ausgerüstet sind.
Wie insbesondere Fig. 3 erkennen lässt, weist die An lage 100 ein sich verjüngendes Tauchrohr 104 auf, wel ches mittels einer Anzahl an Armen oder speicheRörmi- gen Teilen 105 koaxial im Inneren des Kessels 101 gelagert ist. Ein an dem unteren Ende einer Antriebswelle
107 befestigtes Schaufelrad eines Rührwerks ist in Nähe des unteren, im Durchmesser verjüngten Endes des Tauchrohres 104 angeordnet, wobei die Welle 107 durch die Deckelwand des konischen Kopfteils 102 hindurchgeführt ist. Die Flügel bzw. Schaufeln des Schaufelrades
106 arbeiten in diesem Fall so, dass der Reaktions schlamm durch das Tauchrohr 104 hindurch nach oben und dann auf der Aussenseite des Tauchrohres in dem Ringraum zwischen der Tauchrohr-Mantelfläche und der Innenwand des Kessels 101 nach unten strömt.
Der Ab stand zwischen.dem unteren Ende des Tauchrohres 104 und dem Boden des konischen Bodenteils 103 entspricht vorzugsweise etwa dem halben Durchmesser des Schaufelrades. Bei einer solchen Einstellung des Abstandes ergibt sich ein wünschenswerter Ausgleich zwischen der für die Zirkulation des Reaktionsschlamms erforderliche
Leistung und dem Ausmass des Kurzschlusses bzw. der Abweichung der Strömung des zirkulierenden Raktionsschlamms von dem durch Pfeile angegebenen Strömungsverlauf. Wird das untere Ende des sich verjündenden Tauchrohres 104 näher zu dem Boden des konischen Bodenteils 103 gelegt, so verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass sich in der Strömung des Reaktionsschlamms ein Kurzschluss einstellt.
Wird andererseits das untere Ende des Tauchrohres 104 in weiterem Abstand von dem Boden des Bodenteils 103 angeordnet, so verringert sich die für die Zirkulation des Reaktionsschlamms mit einer gewissen Geschwindigkeit erforderliche Antriebsleistung. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die genaue Stelle des Tauchrohres häufig von der Form der die Strömung leitenden Elemente sowie der Form des Kessels selbst abhängig ist. Der vorstehend angegebene bevorzugte Verhältniswert von 1% des Schaufelraddurchmessers gibt den bevorzugten Abstand für den Fall wieder, dass ein kreisförmiges Tauchrohr im Inneren eines Reaktionskessels verwendet wird, der die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Form hat.
Das obere Ende des Tauchrohres 104 ist vorzugsweise geringfügig unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der kombinierten Reaktor- und Kühlanlage angeordnet. Es ist jedoch möglich, die Anlage zu betreiben, wenn das obere Ende des Tauchrohres 104 geringfügig oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt, da der Reaktionsschlamm auch in diesem Fall rings über die Oberkante des Tauchrohres nach unten in den Kessel zurückströmen kann. In diesem Fall ergibt sich jedoch ein erhöhter Leistungsbedarf. Um zu verhindern, dass sich der Reaktionsschlamm als ein einheitlicher Körper im Inneren der Anlage 100 dreht, sind Flansche oder Rippen 109 vorgesehen.
In dem oberen Raum der kombinierten Reaktor- und Schlammkühlanlage 100 wird mittels einer geeigneten Kondensationsvorrichtung, die mit dem Raum oberhalb des Schlammspiegels in dem Kessel über einen Anschluss 110 verbunden ist, ein Vakuum aufrechterhalten. Ein Einlass 123 der Kondensationsvorrichtung 108 dient zur Zuführung einer Kühlflüssigkeit, z.B. kaltem Wasser, welches nach herkömmlichen technischen Verfahren die kondensierbaren Stoffe in der Kondensationsvorrichtung 108 niederschlägt, so dass sie über einen Auslass 124 abgezogen werden können, während die nicht kondensierbaren Stoffe durch einen Auslass 125 abgeführt werden.
Über eine Leitung 111 wird konzentrierte Schwefelsäure der Anlage zugeführt. Die Leitung 111 ist in den oberen Kesselraum 102 hineingeführt und trägt hier einen ringförmigen Sprühkopf 112, der an seiner Bodenfläche Auslassöffnungen aufweist, so dass die zufliessende Säure wirksam versprüht und im Inneren des oberhalb des Schlammspiegels befindlichen Kesselraumes verteilt wird. Hierdurch lässt sich eine gleichmässige Verteilung der Säure in der Schlammmasse erzielen, die dabei gleichzeitig in der erfindungsgemässen Weise nach dem Prinzip der erweiterten Oberfläche zirkuliert.
Phosphatgestein und im Rücklauf zugeführte Säure werden kontinuierlich einem an der Aussenseite des Kessels befindlichen Mischtrichter 113 zugeführt. Wie ersichtlich, wird das Gestein mittels einer Förderschnecke 114 dem Mischtrichter aufgegeben, während die Säure über einen Seitenanschluss 115 an einer unterhalb der Trichteroberseite liegenden Stelle zuströmt. Diese An ordnung hat die Aufgabe, das Gestein mit der Rücklauf Säure unter Bildung eines Breis oder Schlamms wirksam zu durchmischen, der dann von dem Boden des Trichters
113 über die Leitung 116 abgezogen und an der An schlussstelle 117 in den unteren Bodenabschnitt 103 der Anlage 100 eingeführt wird.
Der Reaktionsschlamm wird über ein vertikales Seitenrohr 118 des Kessels 101 kontinuierlich von der Anlage 100 abgezogen. Wie Fig. 3 erkennen lässt. ist das untere Ende dieses Seitenrohres 118 an einer Stelle an den Kessel 101 angeschlossen, die unterhalb des sich bei normalem Betrieb einstellenden Flüssigkeitsspiegels liegt, während das obere Ende des Rohres 118 mit dem freien Behälterinnenraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels verbunden ist. Von einer Anschlussstelle 121 des Rohres
118, die etwa in Höhe des sich normalerweise einstellen den Flüssigkeitsspiegels liegt, führt eine Leitung 120, über die der Schlamm zwecks Weiterverarbeitung. z.B.
in der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Weise, in einen Filterspeisetank 122 abgezogen wird.
Die Arbeitsweise der beschriebenen Reaktions- und
Kühlanlage 100 entspricht im wesentlichen derjenigen der Anlagen 5 und 75 der Fig. 1 und 2. Die untereinan der reagierenden Stoffe werden kontinuierlich dem Kes sel 101 zugeführt, während der Reaktionsschlamm über die Auslassleitung 120 kontinuierlich abgezogen wird, so dass der Schlammspiegel auf gleicher Höhe gehalten wird. Die frische, konzentrierte Schwefelsäure wird sehr fein und gleichmässig über die zirkulierende Schlammmasse verteilt, so dass sich in der Schlammasse eine gleichmässige Säurekonzentration ergibt und demgemäss entsprechend dem Erfindungsprinzip eine übermässig starke Kristallkernbildung vermieden wird.
Aufgrund der sich durch die Entspannung ein stellenden Verdampfung ergibt sich an der Oberfläche des Reaktionsschlamms eine Turbulenz mit der Folge, dass die wirkliche Oberfläche des Reaktionsschlamms um ein Mehrfaches grösser ist als die Querschnittsfläche des Kessels 101. Bei einer Neigung zur Schaumbildung wird der sich über dem Schlamm e nähert eine Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsschlamms von etwa 190 000 Litern je Minute zu erzielen.
Der Reaktionsschlamm besteht aus einer Suspension mit einer Feststoffkonzentration von etwa 40 Gewichtsprozent. Er wird über die Leitung 120 in einer Menge von 475 Litern je Minute, das entspricht einer Menge von
1200 Tonnen je Tag, abgezogen. Der Kondensator 108 wird so betrieben, dass in dem Kopfraum ein Vakuum aufrechterhalten wird. Die Temperatur- und Druckbedingungen entsprechen denjenigen des Beispieles 1. Unter den genannten Bedingungen beträgt die Verweilzeit in der Reaktoranlage etwa vier Stunden. Der Reaktionsschlamm wird gefiltert oder in anderer geeigneter Weise behandelt, wie dies z.B. im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde.
In den Fig. 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen kombinierten Reaktor- und Kühlanlage 130 dargestellt, die hier aus zwei oder mehr vertikal angeordneten säulenartigen Kesseln 131 und 132 besteht. Jeder dieser Kessel kann getrennt an die Seite der Anlage angebaut und über obere und untere Rohrverbindungen 133 und 134 mit dem benachbarten Kessel verbunden werden. Diese Bauweise der Anlage bietet bezüglich der Herstellung und des Zusammenbaus besondere Vorteile. Vorteilhaft ist ferner, dass durch Anbau eines zusätzlichen säulenartigen Kessels an die bereits bestehende Anlage die Leistung der Anlage zu einem späteren Zeitpunkt ohne besondere Schwierigkeiten erhöht werden kann.
Ausserdem wird durch die Form der die Anlage 130 bildenden Einheiten das Aufvulkanisieren eines Gummifutters auf die Innenwände derselben erleichtert und damit eine Kostensenkung erzielt.
Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsbei- spiel entspricht in seinem Aufbau und in seiner Arbeitsweise grundsätzlich den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen. Ein Rührwerks-Laufrad 135 ist in der unteren Verbindungsleitung 134 auf einer angetriebenen Welle 136 gelagert. Über die genannte Verbindungsleitung zirkuliert der Reaktionsschlamm durch die Anlage 130 in der durch die Pfeile angegebenen Richtung. Eine aus aufgebrochenem Phosphatgestein und schwacher Phosphorsäure bestehende Speisemenge wird vorzugsweise über einen Speiseeinlass 137 an der Zulaufseite des Rührwerks 135 zugeführt, um die gleichmässige Verteilung der miteinander reagierenden Stoffe in dem Reaktionsschlamm zu begünstigen. Die konzentrierte Schwefelsäure wird vorzugsweise unter Druck auf die Oberfläche der zirkulierenden Schlammasse aufgespritzt.
Zu diesem Zweck ist eine Anzahl an Druckdüsen 138 und 139 vorgesehen, die jeweils in Nähe des oberen Endes der Säulen 131 und 132 gelagert sind. Die Vakuumkühlung in den Kesseln wird mittels der an den Kopfseiten derselben angeordneten Auslässe 140 und 141 bewirkt, die jeweils an eine eigene oder an eine gemeinsame Vakuumquelle angeschlossen sind. Wie bereits im Zusammenhang mit den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen ausgeführt wurde, wird die Verdunstungskühlung der Reaktionsschlammasse im wesentlichen im Gleichgewicht mit der sich im Reaktionsschlamm entwickelnden Reaktionswärme gehalten, so dass sich in der Gesamtmasse des Reaktionsschlamms im wesentlichen isothermische Zustandsbedingungen einstellen.
Erfindungsgemäss erfolgt zugleich mit der Verdunstungskühlung eine Zirkulation der Schlammasse mit hoher Geschwindigkeit, um zu verhindern, dass sich in örtlichen Bereichen eine verhältnismässig hohe Kalziumsulfat-Übersättigung mit einer übermässig grossen Anzahl an Kristallkernen einstellt. Der Flüssigkeitsspiegel wird in der Anlage 130 durch die Anordnung eines vertikalen Seitenarmgliedes
142 aufrechterhalten, das im Aufbau und in der Arbeitsweise dem vertikalen Seitenrohr 118 gemäss Fig. 3 entspricht.