DD246528B1

DD246528B1 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturgesteuerten kristallisation von aluminiumtrihydrat

Info

Publication number: DD246528B1
Application number: DD28773886A
Authority: DD
Inventors: Roland Stenzel
Original assignee: Mansfeld Industrieanlagen Veb
Priority date: 1986-03-11
Filing date: 1986-03-11
Publication date: 1988-07-20
Also published as: DD246528A1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Kristallisation von Aluminiumtrihydrat aus übersättigten Aluminatlaugen, vorzugsweise zur Erzeugung von Spezialtonerde für die Oxidkeramik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Verlauf der Tonerdeerzeugung nach der Bayer-Technologie wird die Klarlauge von ca. 90⁰C auf ca. 50 bis 60⁰C abgekühlt, um eine Übersättigung der Aluminatlauge herzustellen. Diese übersättigte Lösung wird sodann in Ausrührbehälter bzw. Kristallisatoren eingebracht und ausgerührt. Die Ausrührbehälter sind große zylindrische Behälter von 100 bis 1000 m³ Inhalt, die entweder mechanisch mit langsam laufenden Rührwerken oder durch Einblasen von Preßluft gerührt werden. Trotz starker Übersättigung der Laugen fällt das Aluminiumtrihydrat nur sehr zögernd aus, so daß bekanntermaßen durch Impfen der Lauge und Suspendieren des zugesetzten Impfhydrates der Kristallisationsprozeß eingeleitet wird und im Verlauf der Ausrührzeit eine Ausscheidung von bis zu 50% des gelösten AI₂O₃ erfolgt.

Charakteristisch ist, daß die bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorzugsweise dem Ziel dienen, unter Intensivierung des Verfahrensablaufs bei Einsparung von Arbeitszeit und/oder Investitionen das Massenprodukt Aluminiumtrihydrat zu erzeugen. Demzufolge vergrößerten sich die Ausrührbehälter beträchtlich, sie wurden im Freien aufgestellt und zu kontinuierlichen Systemen umgestaltet, wobei erhebliche Impfhydratmengen zum Einsatz gelangen. Diese Entwicklung ist auf die Erzeugung eines möglichst grobkörnigen Hydrates ausgerichtet, wobei vorzugsweise Agglomerate (Realkörner), bestehend aus primär gebildeten Kristallen (Primärkörner), erzeugt werden. Entwicklungen in dieser Hinsicht werden gemäß DD-PS 147 090 durch zwei Stufen, d. h. die Agglomerationsphase und die Wachstumsphase, realisiert. Hinsichtlich der hierbei erforderlichen Temperatureinstellung muß die gesamte Aluminatlauge über außerhalb des Ausrührbehälters befindliche Wärmeübertrager geleitet werden, wobei eine gesteuerte Temperaturführung im Verlaufe der mehrere Tage dauernden Ausrührung nicht vorgenommen wird.

In der DE-PS 3338169 wird zur Regulierung des mittleren Durchmessers der erzeugten Aluminiumtrihydrat-Kristalle ein Impfen in zwei Stufen vorgeschlagen. Die Temperatureinstellung zur Erzeugung der jeweiligen Übersättigung in den Stufen erfolgt gleichfalls außerhalb der Behälter, wobei keine Aussagen zur Steuerung der Temperatur vorliegen.

Gemäß EP-PS 0102403 wurde grobkristallines Aluminiumoxid gleichfalls in einer Zweistufen-Technologie nach Separation einer Hydratfraktion für Impfzwecke erhalten. Die erforderliche Temperatureinstellung für die Übersättigung in den zwei Stufen erfolgt ebenfalls zu Beginn des Prozesses. Die weitere Abkühlung der Aluminatlösung verläuft ohne Steuerung. Gleichermaßen wird gemäß US-PS 3 545923 durch bestimmte Na2O-AI₂O3-Verhältnisse auf eine Beeinflussung der Kristallgröße und Ausbeute hingearbeitet, ohne daß eine Temperatursteuerung im Verlauf der Ausrührung vorgenommen wird. Vorgenannte Entwicklungsrichtungen sind auf die Bedürfnisse der Aluminiumelektrolysen ausgerichtet. Die Kornstruktur wird vorzugsweise durch Agglomerate charakterisiert. Auftretende Schwankungen der granulometrischen Zusammensetzung des erzeugten Aluminiumtrihydrats sind charakteristische Nachteile, die auf Schwankungen des Temperaturregimes der nicht gesteuerten Systeme zurückgeführt werden können. Zur Temperatureinstellung (Starttemperatur) für die Erzeugung der Übersättigung oder/und zur Zwischenaufheizung wird mit außenliegenden Wärmeübertragern durch Umpumpen der Suspensionen gearbeitet.

Bei besonderen Ansprüchen an die Kornstruktur und den Primärgrößenbereich des auskristallisierten Aluminiumtrihydrates, insbesondere zur Erzeugung von Sondertonerden für die Oxidkeramik gemäß DD-PS 160611, ist im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausführungen vorzugsweise das Wachstum der Primärkristalle (Primärkörner) zu beeinflussen, wobei Angaben über eine gesteuerte Temperaturführung zur Kristallisation von Aluminiumtrihydraten nicht enthalten sind. Zusammenfassend ist festzustellen, daß die bekannten technischen Verfahren die erforderliche Temperatureinstellung zur Erzeugung einer Übersättigung (Starttemperatur) zu Beginn des Ausrührprozesses oder nach bestimmten Teilstufen mit Hilfe

außenliegender Wärmeübertrager realisieren. In keinem der bekannt gewordenen Systeme wird der Temperaturverlauf während der Dauer des Ausrührprozesses gesteuert.

Damit ist der Temperaturverlauf von den Zufälligkeiten und Einflüssen der Umgebung (Wärmeabfuhr), der unterschiedlichen Verdunstungsleistung bei verschiedenen Ausgangstemperaturen und Rührintensitäten (Wärmeabfuhr) und dem exothermen Kristallisationsvorgang (Wärmezufuhr) abhängig.

Zur Realisierung eines Verfahrens zur temperaturgesteuerten Kristallisation von Aluminiumtrihydrat ist eine geeignete Wärmeübertrager-Vorrichtung erforderlich. Auf apparatetechnischem Gebiet scheidet aufgrund der Größe der Kristallisatoren eine MantelheizungAkühlung aus. Die Anordnung außenliegender Wärmeübertrager ist für einen Dauerbetrieb bei einer gesteuerten Temperaturführung aus energetischen und aus technologischen Gründen infolge der Verkrustungsneigung der Aluminatlaugen und der Dauer des Prozesses (mehrere Tage) nicht sinnvoll.

Oie Anordnung von Wärmeübertragern in den Ausrührbehältern, wie sie gemäß US-PS 3978918 beschrieben werden, entspricht nicht den Anforderungen hinsichtlich der technologischen Funktion, der Wärmeübertragung bei den entstehenden Vertrustungen und der Ausbaufähigkeit für die Regenerierung.

Gleichermaßen sind aufgrund der Größe der Ausrührbehälter und der entstehenden Ansätze heiz-und kühlbare Scheiben rührer gemäß EP-PS 0105436 oder eingesetzte Rohrbündelwärmeübertrager gemäß DE-PS 2634166 ungeeignet. Eine Lösung des Problems mit einem Rohrbündelwärmeübertrager mit zentralem Rührer entsprechend DE-PS 1601180 berücksichtigt die Zielstellung nach hoher Wärmeübertragungsleistung bei geringer Temperaturdifferenz in der Aluminatlauge, ist jedoch hinsichtlich der Krustenbildung zu kompliziert und für Wartungsarbeiten nachteilig gestaltet.

In der DD-PS 93747 sind Lösungen für die Realisierung des Umlaufs der Aluminatlauge-Trihydratsuspension in den Ausrührbehältern angegeben, jedoch ohne die Möglichkeit einer Wärmeübertragung und ohnedie erforderliche Reparatur-bzw. Ausbaufreundlichkeit für die notwenigen Wartungsarbeiten.

Die bekannten Vorrichtungen in Ausrührbehältern erfüllen hinsichtlich der Zielstellung für die Realisierung eines Verfahrenszur gesteuerten Temperaturführung im Verlauf des Kristallisationsprozesses nicht die erforderlichen Funktionen der Wärmeübertragung bei einem hohen Massendurchsatz und geringer Temperaturdifferenz sowie bei auftretender Ansatzbildung und erforderlicher Reparatur- bzw. Ausbaufreundlichkeit für die notwendigen Wartungsarbeiten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, durch temperaturgesteuerte Kristallisation Aluminiumtrihydrat-Kristalle (Primärkörner) in einem einstellbaren Korngrößenbereich in einer dafür geeigneten Vorrichtung zu erzeugen, wobei eine Veredlung des Zwischenprodukts Aluminiumtrihydrat angestrebt wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nach Einstellung der Übersättigungstemperatur in Aluminatlaugen das Verfahren einer temperaturgesteuerten Kristallisation von Aluminiumtrihydrat in den Ausrührbehältern mittels Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit vorgegebener Rührintensität bei eingestellter Übersättigung sowie einer bestimmten Impfstoffzugabe durchzuführen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kristallwachstum der Primärkörner durch die besondere Abhängigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit von der Temperatur gemäß v_w = f (T²...) beeinflußt wird.

Bei der zur Anwendung kommenden Fällungskristallisation müssen nachfolgende Grundbedingungen erfüllt sein:

— Chemische Reaktion zur Bildung einer entsprechenden Verbindung mit nicht zu geringer Löslichkeit Cs, aber ausreichender Fällungsgeschwindigkeit v_F;

— Einstellung einer der Zielstellung des Prozesses entsprechenden Übersättigung S (S = Inc/cs);

— Zugabe von Impfzusätzen;

— Keimbildung

Die Keimbildungsgeschwindigkeit v_K = f (S, T...);

— Kristallwachstum

Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit ist abhängig von v_w = f (T², S...) bei ausreichender Suspendierung der Impfzusätze;

— Agglomeration

Aneinanderwachsen von Kristallen (Primärkörner) zu Agglomeraten (Realkörner).

Neben dem Kristallwachstum laufen gleichzeitig eine gewisse Keimbildung und eine teilweise Agglomeration ab, die in ihrem Umfang einzuschränken sind.

Vorzugsweise ist eine lineare Temperatursenkung von der Starttemperatur auf die Endtemperatur vorzunehmen. Je nach den gewünschten Korngrößenbereichen der Kristalle sind Starttemperaturen von 50 bis 90°C einzustellen. Die Endtemperaturen betragen 40 bis 45⁰C. Infolge des Kristallwachstums tritt ein Abbau der Übersättigung ein. Durch die stetige lineare Abkühlung wird ständig partiell neue Übersättigung geschaffen und durch intensives Rühren ein Konzentrationsausgleich erzeugt. Die Realisierung eines Verfahrens zur definierten Temperaturführung für eine gesteuerte Kristallisation erfordert eine Vorrichtung, die eine ausreichende Beeinflussung des Temperaturregimes in Ausrührbehältern gestattet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in die bekannten Ausrührbehälter mit mechanischen oder pneumatischen Rührwerken die erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Bereich der Strombrecher eingebaut werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Wärmeübertragerrohr, das mit einem Einlaufelement formschlüssig verbunden wird. In das Wärmeübertragerrohr wird ein Rührwerk zentral in der Achse angeordnet, dessen Antrieb auf dem Deckel der über dem Einlaufelement befindlichen Zuführungsrohre befestigt ist. Die Zuführungsrohre werden zum Wärmeübertragerrohr geführt und gleichzeitig zur Halterung des Wärmeübertragerrohres mit genutzt. Vorzugsweise sollten in einem Ausrührbehälter zwei bis drei erfinderische Vorrichtung symmetrisch angeordnet sein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden

Eine gereinigte Aluminatlauge mit

AI₂O₃	nOg/l
Na₂O_caust	112g/l
MV	1,67
SiO₂	71 mg/l
Fe₂O₃	2,8mg/l

wird auf die Starttemperatur von 60⁰C abgekühlt und in einen Ausrührbehälter gefördert. Nach Zusatz von Impfhydrat wird zur Realisierung eines maximalen Primärkristallwachstums in einer Zeit von 200 h eine lineare Abkühlung der Suspension auf 45⁰C durchgeführt. Da infolge der natürlichen Wärmeabfuhr ein 300-m³-Behälter sich bereits innerhalb von 50h (bei 15°C Außentemperatur) auf diese Endtemperatur abkühlen würde, ein zeitlich veränderliches Temperaturregime auf dem Niveau der linearen Abkühlungskurve gehalten werden muß, ist nach einem gewählten Zeitintervall (z. B. eine Stunde) eine bestimmte Wärmemenge durch den Wärmeträger B zuzuführen, der nach dem Zeitintervall neu festzulegen ist. Hierzu ist am Ende des Zeitintervalls eine Temperaturmessung mit den Temperaturmeßsonden 1Ot₁...t₃ (Mittelwertbildung) vorzunehmen und, ausgehend von dieser Messung, die für das folgende Zeitintervall benötigte Wärmemenge zu ermitteln und durch die äquivalente Wärmeträgermenge B dem System zuzuführen. Dieser Vorgang wird ständig wiederholt. Je kurzer die Zeitintervalle gewählt werden, um so genauer läßt sich die lineare Abkühlungskurve realisieren. Im Falle eines Temperaturanstiegs durch zeitweilig intensive Hydratausscheidung (exotherme Reaktion) kann die Vorrichtung als Kühler geschaltet werden, oder es wird zumindest so lange keine Wärme zugeführt, bis durch weitere Temperaturabsenkung sichtbar wird, daß die Periode der intensiven Hydratabscheidung vorüber ist. Der Kristallisationsprozeß ist im wesentlichen beendet, wenn das molare Verhältnis MV Na₂O/AI₂O₃ auf 3 bis 3,5 angestiegen ist

Die für die Realisierung dieses Verfahrens erforderliche Vorrichtung wird in der zugehörigen Zeichnung dargelegt, welche in den

Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen Ausrührbehälter;

Fig.2: einen SchnittC-C Fig. 1;

Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine der erfindungsgemäßen Vorrichtungen

zeigt.

In einem geschlossenen Ausrührbehälter 1 mit zentralem Rührwerk 2 werden zwei oder drei erfindungsgemäße Vorrichtungen im Bereich der Strombrecher angeordnet.

Durch das Einlaufelement 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das der Herabsetzung des Widerstandes des strömenden Mediums durch die Vorrichtung dient, wird mit Hilfe des Rührwerkes 6, das in der Achse der Vorrichtung angeordnet ist, ein möglichst großer Massenanteil an Suspension durch die Vorrichtung gefördert, daß die partielle örtliche Aufheizung je Durchgang gering sein muß, um das allgemeine Kristallwachstum nicht zu stören. Demzufolge ist als Wärmeträger ein Medium mit relativ niedrigem Temperaturniveau einsetzbar, wie es beispielsweise erwärmtes Waschwasser von 80 bis 90°C darstellt.

Außerdem bewirkt das Rührwerk 6 erhöhte Turbulenzen in dem Wärmeübertragerrohr 5, wodurch die Wärmeübertragungsleistung verbessert wird und eine zusätzliche Homogenisierung zur Nachlieferung von frischer, übersättigter Aluminatlauge in den Mikrobereich der wachstumsfähigen kristallinen Oberfläche der Kristallkeime und Impfkristalle eintritt. Das Wärmeübertragerrohr 5 ist innenseitig als glattes Rohr zur schnellen Beseitigung von Ansatzbildungen ausgeführt. Es überträgt partiell eine je Zeitintervall ermittelte Wärmemenge zur Realisierung der linearen Abkühlungskurve über die Zu· bzw. Abführungsrohre 7. Der außenliegende Flächenanteil wird infolge der ungünstigen Umströmungsbedingungen und der somit schnellen Verkrustung nur unwesentlich an der Wärmeübertragung beteiligt.

Das Leitrohr 8 befördert den Suspensionsstrom in den Bereich des Bodens. Die oberhalb des Leitrohres 8 angebrachte Halterung 9 dient der Befestigung desselben am Ausrührbehälter 1.

Durch die einfache Konstruktion wird die Ausbaufähigkeit der Vorrichtung für Wartungsarbeiten, insbesondere zur Entfernung der für die Wärmeübertragung hinderlichen Ansätze, unterstützt. Die gesamte Vorrichtung kann während des Betriebes des Ausrührbehälters mit Hilfe eines Hebezeugs aus demselben herausgehoben und durch eine regenerierte Vorrichtung ersetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur temperaturgesteuerten Kristallisation von Aluminiumhydroxid durch Ausrühren aus übersättigten Aluminatlaugen unter Abkühlung von einer Temperatur von 50 bis 90⁰C auf eine Temperatur von 40 bis 45⁰C, gekennzeichnet dadurch, daß durch Zuführung von sich aus Temperaturmessungen in der Kristallisationslauge, die in bestimmten Zeitabständen durchgeführt werden, und aus der Wärmekapazität des Kristallisators ergebenden Wärmemengen eine lineare Abkühlung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperaturmessungen im Abstand von einer Stunde durchgeführt warden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem bekannten Ausrührbehälter (1) mit einem zentralen Rührwerk (2) und einer Temperaturmeßsonde (10) besteht, in dem mittels Halterungen (9) zylindrische Wärmeübertragerrohre (5) befestigt sind, die formschlüssig mit einem Einlaufelement (4) verbunden sind, durch das ein mittig angeordnetes Rührwerk (6), dessen Antrieb auf dem Deckel der über dem Einlaufelement (4) befindlichen Zu- bzw. Abführungsrohre (7) angeordnet ist, in das Wärmeübertragungsrohr ragt.