DE69920558T2

DE69920558T2 - Kristallisierverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE69920558T2
Application number: DE69920558T
Authority: DE
Inventors: Halbe Anne Jansen; Johannes Josephus Andreas Gerardus Jansen
Original assignee: Niro Process Technology BV
Current assignee: Niro Process Technology BV
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2019-04-07
Also published as: NL1008812C2; CA2268591A1; EP0948984B1; DE69920558D1; JPH11342302A; US6241954B1; EP0948984A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kristallisierverfahren einer Flüssigkeit aus einer Mutterflüssigkeit umfassend eine Lösung, eine Suspension oder eine Mischung von Flüssigkeiten, umfassend die folgenden Schritte:

– Speisen der Mutterflüssigkeit in eine Zone um einen Kristallschlamm zu bilden,
– Entladen des Kristallschlamms aus der Zone über eine Kristallschlammentladeleitung und
– Speisen des Schlamms in einen Separator.

Die Erfindung betrifft weiter eine Einrichtung zum Kristallisieren einer Flüssigkeit aus einer Lösung, einer Suspension oder einer Mischung aus Flüssigkeiten, umfassend:

– einen mit einer Speiseleitung zum Speisen der Lösung, der Suspension oder Mischung verbundenen Kristallisierer, umfassend einen Behälter, der ein Kühlelement zum Ausbilden von Kristallen in dem Behälter hat,
– einen in dem Behälter angeordneten Filter, der Filter ist mit einer Entladeleitung für gefilterte Flüssigkeiten aus dem Behälter verbunden, und
– ein in dem Behälter angeordneter Filter mit der Mutterflüssigkeitsentladeleitung verbunden ist, ein Schabelement ist neben dem Filter vorgesehen.

Die niederländische ter inzage legging (offen gelegte Anmeldung) Nr. 8104086, im Namen des Anmelders, offenbart einen Rekristallisierbehälter, in dem ein Schaboberflächenhitzenaustauscher innerhalb des Behälters angeordnet ist. Der Schaboberflächenhitzeaustauscher bildet eine separate Keimbildungszone für die Kristalle, mit einer durchschnittlichen Durchlaufzeit der Mutterflüssigkeit zwischen ungefähr 10 und 100 Sekunden. Auf die Keimbildung folgend werden die Eiskristalle von dem Hitzeaustauscher in einen Reifebehälter gespeist, in dem die durchschnittliche Durchlaufzeit in der Größenordnung von einigen Stunden ist. Einer oder mehrere kombinierte Sortier/Waschvorrichtungen, wie beispielsweise ein Waschturm [wash column], sind an dem Behälter angebracht, um die gebildeten Kristalle von der Mutterflüssigkeit zu trennen. Ein Rührer und ein Filter, die in einer festen Position aufgestellt sind, sind ebenso in dem Behälter eingebaut. Die Mutterflüssigkeit wird aus dem Behälter durch den Filter ausgeschieden und über eine Pumpe zur Speisung für den Hitzeaustauscher wieder zugeführt. Die abgereicherte Mutterflüssigkeit, welche über den Filter aus dem Behälter entfernt wurde, kann auch aus dem Kreislauf durch eine Entladelinie ausgeschieden werden. Ein Nachteil einer solchen Einrichtung ist, dass als Folge der getrennten Keimbildung und Wachstums der Kristalle und der sich daraus ergebenden Unterschieden in der Durchlaufzeit in den jeweiligen getrennten Keimbildungs- und Reifungszonen, die Filter mit einem großen Volumendurchfluss fertig werden müssen und ein kritisches Element in diesem Aufbau sind.
Um eine effiziente Trennung der Kristalle von der Mutterflüssigkeit durch Verwendung eines Waschturms zu erreichen, darf die Mutterflüssigkeit in der Rekristallisierungseinrichtung nicht zu viskose sein und der Unterschied zwischen dem Schmelzpunkt der kristallisierten Substanz und der Gleichgewichtstemperatur der Mutterflüssigkeit darf nicht zu groß sein. Beide steigen, wenn der Gehalt der wieder zu gewinnenden Substanz sinkt. Wenn die Differenz im Schmelzpunkt zu groß ist, kann die Separation der Kristalle von der konzentrierten Mutterflüssigkeit durch Mittel von Schüttbettwaschtürmen nicht länger effektiv stattfinden. Weiter müssen die geformten Kristalle so kugelförmig wie möglich mit einer passenden Größe von ungefähr 300 μm sein und die Größenverteilung muss einheitlich sein. Wenn die wieder zu gewinnende reine Substanz Wasser ist, wird ein sehr gutes Ergebnis mit einer getrennten Keimbildung und Wachstum erreicht, die beispielsweise in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 8104086 auf den Namen des Anmelders beschrieben ist.
Wie auch immer, ist solch ein System weniger geeignet für die Mehrheit von anderen in Frage kommenden Produkten, da, als Ergebnis ihrer Form, die in der Keimbildungszone gebildeten Kristalle nicht ausreichend schnell in dem Reifebehälter [maturing vessel] schmelzen. Falls diese Kristalle nicht im Reifebehälter schmelzen, wird die durchschnittliche Kristallgröße wesentlich kleiner, was einen stark beschränkenden Effekt auf die Kapazität des Kristall/Mutterflüssigkeitsseparators, beispielsweise eines Waschturms, hat.
In der Praxis werden Kristallisationseinrichtungen, in denen nicht länger eine Unterscheidung zwischen Keimbildungs- und Wachstumszonen gemacht wird, für diese anderen Produkte verwendet. In diesen Einrichtungen ist es nicht die Mutterflüssigkeit, sondern der Kristallschlamm, der über eine schabende hitzeaustauschende Oberfläche geführt wird. In manchen Ausführungen ist diese Oberfläche im Behälter integriert und in anderen Ausführungen wird der Kristallschlamm über eine oder mehrere externe Schaboberflächenhitzeaustauscher gespeist.
Beide Ausführungen haben den Nachteil, dass es nicht möglich ist, den Kristallgehalt im Behälter unabhängig von der Gefrierpunktslinie im Phasendiagramm des Produkts anzupassen. Mit Einrichtungen dieses Typs ist man gezwungen, mit einem Kristallgehalt, der weit entfernt von dem vom Standpunkt der Prozesstechnologie gewünschten ist. Tatsächlich werden außerhalb des Behälters angeordnete Filtereinrichtungen verwendet, aber das hat den großen Nachteil, dass einige der Kristalle brechen, was wieder zu einer kleineren durchschnittlichen Kristallgröße führt.
Aus der DE-A-20 48 657 ist ein Kristallisierungsbehälter bekannt, bei dem konzentrierte Lösung durch eine untergetauchte Röhre in der Nähe des Bodens eingeführt wird. In einer einzigen Zone zur Keimbildung und zum Wachstum werden Kristalle unterschiedlicher Größe, abhängig von der Geschwindigkeit der Rotation eines Rotationspropellers und einer Führungsröhre, die einen Zirkulationsfluss entlang der gekühlten Wände des Behälters erzeugt, gebildet. Die gebildeten Kristalle wandern durch die Schwerkraft zu der niedrigsten Position des Behälters, von wo sie extrahiert werden. Abgereicherte Flüssigkeit wird von dem oberen Teil des Behälters ausgeschieden. Mit dem bekannten Kristallisierer ist eine genaue Steuerung der Kristallisationsbedingungen nicht möglich.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Trennen von Lösungen, Mischungen von Flüssigkeiten oder Suspensionen von der Kristallisation der Lösung bereitzustellen, bei der eine bessere Steuerung des Kristallgehalts im Kristallisierer möglich ist und eine wünschenswerte Verbesserung in der Kapazität erreicht werden kann.
Das Verfahren und die Einrichtung entsprechend der Erfindung werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und bzw. die Einrichtung nach Anspruch 5 erreicht.
Die Kombination der Filtervorrichtung in dem Behälter, die dem Anmelder aus den oben beschriebenen Keimbildungs- und Wachstumssystemen mit der kombinierten Keimbildung bekannt sind, führen zu unerwartet guten Ergebnissen. Die Möglichkeit zum Betreiben von Kristallisationseinrichtungen bei optimalem Kristallgehalt aus einem Standpunkt der Prozesstechnologie steigert merklich die Kapazität von bestehenden Einrichtungen und reduziert die Investitionskosten für neue Einrichtungen.
Da die Keimbildung und das Wachstum entsprechend der vorliegenden Erfindung in einem einzelnen Behälter stattfinden, ist es nicht länger notwendig, große Volumendurchflüsse durch den Behälter über die Filter nach dem Stand der Technik zu recyclen. Mit der Einrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine relativ kleine Menge an abgereicherter Mutterflüssigkeit aus dem Behälter über eine Entladeleitung ausgeschieden werden, wodurch der Kristallgehalt in der kombinierten Keimbildungs- und Wachstumszone gesteuert werden kann.
Nicht mehr als 30 Volumenprozent, vorzugsweise nicht mehr als 10 Volumenprozent des Behälters werden pro Stunde über die Entladeleitung aus der Einrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung entladen, die Entladeleitung ist vorzugsweise nicht in den Kristallisierungsbehälter zurückgerichtet. Im Gegensatz zu dem Rezirkulationsstrom aus den bekannten Einrichtungen, wo beispielsweise mindestens die zweifache Kapazität des Reifebehälters je Stunde durch die Keimbildungszone (und folglich ebenso durch den Filter) recycled wird, ist die Menge an über den Filter entnommener Mutterflüssigkeit in der Einrichtung entsprechend der Erfindung relativ klein. Folglich wird eine Beschädigung der Kristalle in dem Filter minimiert.
Vorzugsweise ist die Kristallschlammentladeleitung der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Mischbehälter verbunden, der ebenso mit einer Speiseleitung zur Zufuhr der Mutterflüssigkeit aus einem Reservoir in den Mischbehälter verbunden ist. In dem Mischbehälter werden die Kristalle mit Mutterflüssigkeit gemischt, bevor sie getrennt werden. Durch diese Mittel wird die Viskosität des Kristallschlamms reduziert und der Gefrierpunkt wird angehoben, so dass die Kapazität der Waschtürme ansteigt. Da der Kristallschlamm in dem Mischbehälter mit frischer Mutterflüssigkeit gemischt ist, ist die in dem Waschturm getrennte Lösung immer noch relativ reich an zu trennender Substanz und diese Flüssigkeit wird deshalb nicht entladen, sondern über die Speiseleitung in den Kristallisierer wieder zu geführt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat der Kristallisierer einen Rührer mit dem Filter an dem Rührerschaft, der Filter ist an einem stationären Schaber vorüber rotierbar. Als Ergebnis des internen, rotierenden Filters kann die Mutterflüssigkeit aus dem Kristallisierbehälter abgeschieden werden, ohne dass die Kristalle beschädigt werden. Mit diesem Aufbau bleibt der Filterkuchen [filter cake] relativ klein, so dass er mit den in dem Behälter vorhandenen Kristallen ohne nachteilige Folgen gemischt werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Kühlelement an der Wand des Kristallisierbehälters angeordnet. Mit diesem Aufbau kann der Rotierfilter und der Schaber zum Entfernen der Kristalle von der Wand als integrale Einheit gebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung zur Kristallisation von einer Flüssigkeit entsprechend der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die folgende einzige Zeichnung im Weiteren detailliert beschrieben.
Die Zeichnung zeigt eine Einrichtung 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung, die mit einem Kristallisierer 2 versehen ist, der einen Behälter 3 umfasst, der auf der Außenseite mit einem Kühlelement 4 versehen ist. Ein rotierender Rührer/Schaber 5 ist in dem Behälter vorhanden, der Rührer/Schaber schabt an der Wand gebildete Kristalle ab und mischt diese, um eine homogene Suspension zu erhalten. Eine Speiseleitung 6 für Mutterflüssigkeit ist an einem Ende des Behälters 3 und mit dem anderen Ende an dem Separator 14 verbunden. Der Inhalt des Kristallisierbehälters 3 wird über eine Kristallentladeleitung 8 in einen Mischbehälter 7 gespeist. Der Mischbehälter 7 ist über einen Austritt 7' mit dem Separator 14, beispielsweise einem Schüttbettwaschturm verbunden. Eine Speiseleitung 15 öffnet sich in den Mischbehälter, um frische Mutterflüssigkeit in den Mischbehälter aus einem Reservoir zu speisen. Reine Kristalle (in suspensions- oder in geschmolzenem Zustand) werden über einen Austritt 16 aus dem Waschturm 14 entladen. Die abgereicherte Mutterflüssigkeit wird aus dem Waschturm 14 durch die Speiseleitung 6 wieder in den Behälter 3 des Kristallisierers zugeführt.
Der Rührer 5 im Behälter 3 ist mit einem Rührerschaft 13 versehen, an dessen Ende ein Filter 10 angebracht ist. Die Entladeleitung 9 zum Entladen der abgereicherten Mutterflüssigkeit aus dem Behälter 3, über den Filter 10, ist mit dem Filter 10 verbunden und läuft durch den Rührerschaft 13. Der Rührerschaft 13 wird zusammen mit dem Filter 10 durch einen Motor 11, der an dem Behälter 2 angebracht ist, angetrieben, so dass sie rotieren. Der Filter 10 wird an einem Schaber 12, der in einer festen Position angeordnet ist, vorbeirotiert, um den Filterkuchen zu entfernen.
Da der Kristallschlamm in dem Mischbehälter 7 mit frisch über die Speiseleitung 15 zugeführter Mutterflüssigkeit gemischt wird, wird die Viskosität und Konzentration für die Trennung der Kristalle mit Hilfe des Schüttbettwaschturms 14 optimiert. Da als Ergebnis dieser Mischung die Mutterflüssigkeit, die aus dem Waschturm ausfließt, immer noch reich an zu trennender Substanz ist, wird die Mutterflüssigkeit über die Speiseleitung 6 in den Kristallisierer 2 gespeist. Die am stärksten abgereicherte Mutterflüssigkeit im Kristallisierer ist zwischen den Kristallen an dem Filter 10 und wird von dort über die Entladelinie 9 abgeschieden und aus dem Prozess entnommen. Diese Entnahme relativ kleiner Volumina über den Filter 10 resultiert in sehr geringen Störungen auf die Bedingungen innerhalb des Kristallisierers mit dem Ergebnis, dass die Kristallbildung in letzterem nicht gestört wird und Kristalle der gewünschten Größe, der gewünschten Kugelform und einer einheitlichen Größenverteilung können geformt werden, die Kristalle sind optimal geeignet für eine Trennung in einem Schüttbettwaschturm 14.

Claims

Verfahren zur Kristallisation einer Flüssigkeit von einer Mutterflüssigkeit umfassend eine Lösung, eine Suspension oder eine Mischung von Flüssigkeiten, umfassend die folgenden Schritte: – Speisen der Mutterflüssigkeit in eine Zone (3) von kombinierter Keimbildung und Wachstum um einen Kristallschlamm zu bilden, – Entladen des Kristallschlamms von der Zone (3) über eine Kristallschlammentladeleitung (8) und Speisen des Schlamms in einen Separator (14), – Ausscheiden von Mutterflüssigkeit von der Zone (3) über eine Entladeleitung (9), dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge von Mutterflüssigkeit von nicht mehr als 30 Volumenprozent der Zone (3) über die Entladeleitung (9) aus der Zone (3) über einen in der Zone (3) positionierten Filter (10) ausgeschieden wird, ein Schabelement (12) ist neben dem Filter (10) vorgesehen, der Filter (10) wird relativ zu dem Schabelement (12) zum Abschaben der Kristalle von dem Filter (10) rotiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgeschiedene Mutterflüssigkeit nicht in der Zone (3) wiederverwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nicht mehr als 10 Volumenprozent der Zone (3) über die Entladeleitung (9) entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallschlamm in einen Mischbehälter (7) gespeist wird, in den auch Mutterflüssigkeit gespeist wird.
Einrichtung zum Kristallisieren einer Flüssigkeit aus einer Lösung, einer Suspension oder einer Mischung von Flüssigkeiten, umfassend: – einen mit einer Speiseleitung (6) zum Speisen der Lösung, der Suspension oder Mischung verbundenen Kristallisierer (2), umfassend einen Behälter (3), der ein Kühlelement (4) zum Ausbilden von Kristallen in dem Behälter hat, das Kühlelement (4) ist ausgestattet, um den gesamten Inhalt des Behälters (3) zu kühlen, wobei der Behälter eine einzige Kammer sowohl für die Keimbildung als auch für das Wachstum von Kristallen bildet, – eine mit dem Behälter (3) verbundene Kristallschlammentladeleitung (8) zum Entladen einer Suspension aus Kristallen aus dem Behälter, eine mit dem Behälter (3) verbundene Mutterflüssigkeitsentladeleitung (9) und – einen Rührer (5) mit einem Rührerschaft (13), dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Behälter (3) angeordneter Filter (10) mit der Mutterflüssigkeitsentladeleitung (9) verbunden ist, ein Schabelement (12) ist nahe dem Filter (10) vorgesehen, der Filter (10) ist mit dem Ende des Rührerschafts (13) verbunden, wodurch er relativ zu dem Schabelement (12) rotiert wird.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeleitung (9) nicht zurück zu dem Behälter (3) gerichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeleitung (9) eingerichtet ist, um nicht mehr als 30 Volumenprozent, vorzugsweise nicht mehr als 10 Volumenprozent, des Behälters (3) pro Stunde zu entladen.
Einrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallschlammentladeleitung (8) mit einem Mischbehälter (7) verbunden ist, der ebenso mit einer Speiseleitung (15) verbunden ist, um die Lösung, die Suspension oder die Mischung von Flüssigkeiten aus einem Reservoir in den Mischbehälter (7) zu Speisen.
Einrichtung nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Separator (14) zum Trennen der Lösung und der Kristalle mit dem Mischbehälter (7) verbunden ist, die Speiseleitung (6) ist mit dem Separator verbunden, um die getrennte Lösung aus dem Separator (14) in den Behälter (3) zu speisen.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (14) einen Waschturm umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (13) des Rührers (15) eine Hohlkonstruktion ist und die Entladeleitung (9) enthält.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (4) an der Wand des Behälters (3) positioniert ist und dass der Behälter (3) mit einem Schaber zum Entfernen der Kristalle von der Wand versehen ist.