PL180651B1

PL180651B1 - Improvement crystallising method and apparatus

Info

Publication number: PL180651B1
Application number: PL95319977A
Authority: PL
Inventors: Martin B Schranz
Original assignee: Swenson Process Equip Inc
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 2001-03-30
Also published as: EP0788561A1; JPH10509127A; CN1100164C; ZA959205B; AU687654B2; BR9509563A; US5523064A; US5593496A; WO1996014449A1; CN1169167A; IL115796A; IL115796A0; PL319977A1; CA2207918A1; EP0788561A4; AU4138896A; KR970707327A

Abstract

1. Krystalizator ze zlozem fluidalnym, zawie- rajacy zbiornik przeznaczony na zawiesine przesyconej cieczy podlegajacej krystalizacji, wymiennik ciepla, umieszczony w zbiorniku, zaopatrzony w medium wy- miany ciepla i przystosowany do utrzymywania tej za- wiesiny w temperaturze ulatwiajacej krystalizacje, oraz zawierajacy wylot odprowadzajacy zawiesine, zna- mienny tym, ze ma rozdzielacz gazu (19) usytuowany w zbiorniku (11) pod wymiennikiem ciepla (14), posia- dajacy wiele otworów (19a', 19a") wylotowych gazu, umieszczonych pod wymiennikiem ciepla (14), przy czym rozdzielacz gazu (19) jest polaczony z dmuchawa (16) gazu. 12. Sposób wytwarzania krysztalów z zawiesiny, obejmujacy kontaktowanie zawiesiny, zawierajacej rozpuszczalnik, skladnik rozpuszczony i wiele czastek krystalicznych, wymiane ciepla miedzy zawiesina a zanurzonym w niej wymiennikiem ciepla i usuwanie krystalicznego produktu z zawiesiny, znam ienny tym, ze przepuszcza sie strumien pecherzyków gazu przez zawiesine i na wymiennik ciepla oraz wokól niego. FIG 1 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest krystalizator ze złożem fluidalnym i sposób wytwarzania kryształów. W układach, w których powierzchnie wymiany ciepła istnieją w zawiesinie, w krystalizatorze tym przebiega efektywna wymiana ciepła. W szczególności przedmiotem wynalazku jest ulepszony krystalizator i sposób wytwarzania kryształów, w którym pęcherzyki gazu są wykorzystywane do zapewniania dobrej wymiany ciepła w takich urządzeniach do krystalizacji, w których powierzchnie wymiany ciepła są zanurzone w zawiesinie. Nowy, ulepszony, chłodzony powierzchniowo krystalizator ze złożem fluidalnym według wynalazku zawiera rozdzielacz gazu, który wyprowadza pęcherzyki gazu (typowo powietrza) do góry poprzez zawiesinę na rury i wokół rur wymiennika ciepła lub płyt zawartych w nim. Dzięki temu zapewniona jest dobra wymiana ciepła pomiędzy ciecząchłodzącąa zawiesinąi ekonomiczne wytwarzanie krystalicznego produktu o żądanej wielkości cząstek.

Powierzchniowo chłodzone systemy krystalizacji, wykorzystujące powierzchnie wymiany ciepła (np. rury lub płyty wymiennika ciepła) zanurzone w zawiesinie zawartej w zbiorniku są powszechnie stosowane w takich przypadkach, gdy temperatura jest na niskim poziomie (co czyni krystalizację podciśnieniową niepraktyczną) lub gdy temperatura wrzenia roztworu jest wysoka. Typowo systemy te działają przy ciśnieniu atmosferycznym i charakteryzują się stosunkowo słabymi prędkościami przenoszenia ciepła, które są częściowo powodowane przez narastanie kryształów na powierzchniach wymiennika ciepła i stosunkowo małą prędkość płynu przy powierzchniach wymiennika ciepła.

Wysiłki mające na celu przezwyciężenie niedogodności wymienionych wyżej krystalizatorów chłodzonych powierzchniowo wymagały stosowania mechanicznych urządzeń mieszających. Przykładowo, w krystalizatorze wsadowym z mieszaniem woda przepływa w obiegu poprzez wężownice chłodzące, a roztwór j est mieszany przez wirniki na centralnym wale. Mieszanie to zwiększa prędkość wymiany ciepła i dąży do utrzymywania bardziej równomiernej temperatury roztworu. Dodatkowo służy ono do utrzymywania drobnych kryształów w zawiesinie, dając im sposobność do równomiernego wzrastania, zamiast tworzenia dużych kryształów lub skupień. Wstrząs powodowany przez mechaniczne urządzenie mieszające wprowadza jednak niepożądane zarodkowanie, które powoduje powstawanie kryształów o mniejszych wymiarach. Inne niedogodności krystalizatorów wsadowych z mieszaniem polegająna tym, że system pracuje sposobem wsadowym lub nieciągłym oraz na tym, że rozpuszczalność jest najmniejsza w stagnacyjnej warstewce na powierzchni wężownic chłodzących. W konsekwencji, wzrost kryształów jest najszybszy w tym punkcie i na wężownicach gwałtownie narasta masa kryształów, które zmniejszają prędkość wymiany ciepła.

Zastosowanie mieszania powietrzem w znanych procesach krystalizacji wiązało się zwykle z wprowadzaniem powietrza do zawiesiny w tych miejscach, gdzie nie ma powierzchni wymiany ciepła. Przykładowo, opis patentowy USA nr 3 599 701 ujawnia układ, w którym powietrze jest wprowadzane w zawiesinę w strefie krystalizacji, w celu zatężenia zawiesiny i utworzenia wystarczającej turbulencji w strefie krystalizacji, by uniemożliwić lub zmniejszyć do minimum segregację tak, że wszystkie obszary w strefie krystalizacji mają zasadniczo jednako

180 651 wy skład. Podobnie, opis patentowy USAnr3883 311 ujawnia krystalizator reakcyjny, który wykorzystuje rozdzielacz powietrza umieszczony poniżej rury ssącej usytuowanej wewnątrz zawiesiny. W żadnej z tych publikacji nie stosuje się pęcherzyków powietrza do omywania powierzchni wymiennika ciepła.

Krystalizator ze złożem fluidalnym, zawierający zbiornik przeznaczony na zawiesinę przesyconej cieczy podlegającej krystalizacji, wymiennik ciepła, umieszczony w zbiorniku, zaopatrzony w medium wymiany ciepła i przystosowany do utrzymywania tej zawiesiny w temperaturze ułatwiającej krystalizację, oraz zawierający wylot odprowadzający zawiesinę, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że ma rozdzielacz gazu usytuowany w zbiorniku pod wymiennikiem ciepła, posiadający wiele otworów wylotowych gazu, umieszczonych pod wymiennikiem ciepła, przy czym rozdzielacz gazu jest połączony z dmuchawą gazu.

Korzystnie, krystalizator zawiera zbiornik posiadający wylot gazu oraz powrotne przewody do recyrkulacji gazu do rozdzielacza gazu.

Korzystnie, jest to krystalizator o naturalnej cyrkulacji.

Korzystnie, w krystalizatorze przewód do zasilania gazem rozdzielacza gazu ma wlot od przewodu do podawania środka nasycającego.

Korzystnie, w krystalizatorze przewód do zasilania gazem rozdzielacza gazu ma chłodnicę do chłodzenia gazu.

Korzystnie, w krystalizatorze zbiornik zawiera ponadto przegrody, umieszczone poniżej przelewu zawiesiny.

Korzystnie, w krystalizatorze wymiennik ciepła zawiera rury, umieszczone powyżej rozdzielacza gazu.

Korzystnie, w krystalizatorze wymiennik ciepła zawiera wiele płyt posiadających wewnątrz kanały płynowe, przez które przepuszczane jest medium wymiany ciepła.

Korzystnie, w krystalizatorze przewód do zasilania gazem rozdzielacza ma wlot dla wody lub pary wodnej.

Korzystnie, w krystalizatorze wymiennik ciepła zawiera wiele rur wymiany ciepła, umieszczonych powyżej rozdzielacza gazu.

Korzystnie, w krystalizatorze wymiennik ciepła zawiera wiele płyt posiadających wewnątrz kanały płynowe do cyrkulacji chłodziwa, przy czym płyty te są umieszczone powyżej rozdzielacza gazu.

Sposób wytwarzania kryształów z zawiesiny, obejmujący kontaktowanie zawiesiny, zawierającej rozpuszczalnik, składnik rozpuszczony i wiele cząstek krystalicznych, wymianę ciepła między zawiesiną a zanurzonym w niej wymiennikiem ciepła i usuwanie krystalicznego produktu z zawiesiny, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że przepuszcza się strumień pęcherzyków gazu przez zawiesinę i na wymiennik ciepła oraz wokół niego.

Korzystnie, zawiesina jest pod ciśnieniem atmosferycznym.

Korzystnie, jako gaz stosuje się powietrze.

Korzystnie, natężenie przepływu gazu doprowadzanego do zawiesiny wynosi 1,52 χ 10’²do 7,62 χ 10'¹ m³/s na metr kwadratowy pola przekroju poprzecznego zbiornika.

Korzystnie, stosuje się gaz o natężeniu przepływu wynoszącym 5,1 χ 10’² do 3,6 χ 10’¹ m³/s na metr kwadratowy pola przekroju poprzecznego zbiornika.

Korzystnie, stosuje się gaz o natężeniu przepływu wynoszącym 5,1 x 10’²do 1,52 χ 10'¹ m³/s na metr kwadratowy pola powierzchni przekroju poprzecznego zbiornika.

Korzystnie, stosuje się gaz o natężeniu przepływu wynoszącym 1,01 χ 10’¹ do 3,6 χ 10'¹ m³/s na metr kwadratowy pola powierzchni przekroju poprzecznego zbiornika.

Korzystnie, stosuje się gaz reagujący z jednym lub z większą liczbą składników zawiesiny.

Korzystnie, gaz dostarczany do zawiesiny nasyca się składnikiem rozpuszczalnikowym zawiesiny, przed wyprowadzeniem do zawiesiny.

Problemy i niedogodności znanych systemów krystalizatorów są przezwyciężone przez zastosowanie chłodzonego powierzchniowo krystalizatora i sposobu, przy których zanurzone powierzchnie wymiany ciepła są omywane przez strumień pęcherzyków gazu. W szczególności

180 651 powierzchnie wymiany ciepłą (rury lub płyty wymiany ciepła), poprzez które przepuszczane jest chłodziwo takie, jak zimna woda lub solanka, sązanurzone w zawiesinie. Chłodziwo to utrzymuje zawiesinę w temperaturach ułatwiających krystalizację, a rozdzielacz gazu usytuowany poniżej powierzchni wymiany ciepła wytwarza dopływ pęcherzyków gazu, korzystnie powietrza, które unoszą się do góry poprzez zawiesinę na i wokół powierzchni wymiany ciepła. Gaz ten zwiększa lokalną prędkość przy powierzchniach wymiany ciepła, polepsza wymianę ciepła, zmniejsza krystalizację na ściankach wymiany ciepła i łagodnie utrzymuje kryształy w zawiesinie, zapobiegając przez to niepożądanemu zarodkowaniu, które jest charakterystyczne przy stosowaniu mechanicznych urządzeń cyrkulacyjnych. To użycie pęcherzyków gazu umożliwia przemianę krystalizatora spoczynkowego w krystalizator z mieszaniem, bez wady związanej z użyciem mieszania mechanicznego. Ponadto, przy ciągłym usuwaniu zubożonej zawiesiny i kryształów krystalizator może działać w trybie ciągłym.

Rozwiązania według wynalazku mogą również być korzystnie stosowane w innych postaciach systemów krystalizacji, takich jak przykładowo systemy, w których zamiast powietrza reakcyjny gaz jest wykorzystywany do omywania zanurzonych rur lub płyt wymiany ciepła, poprzez które medium chłodzące lub grzejne jest przepuszczane w zależności od tego, czy dane zastosowanie potrzebuje doprowadzania, czy usuwania ciepła z zawiesiny, by utrzymywać w niej warunki krystalizacji. Poprzednio wspomniane zalety wynalazku są podobnie uzyskiwane w krystalizatorach typu reaktywnego posiadających rury lub płyty wymiany ciepła zanurzone w zawiesinie z rozdzielaczem gazu usytuowanym poniżej takich rur lub płyt wymiany ciepła. Reaktywny gaz jest wyprowadzany do góry poprzez zawiesinę tak, że powoduje on zarówno pożądaną reakcję w zawiesinie, jak i omywa takie powierzchnie wymiany ciepła, jak to poprzednio opisano.

Urządzenie i sposób według wynalazku charakteryzują się lepszym przenoszeniem ciepła w systemach, gdzie powierzchnie wymiany ciepła są usytuowane w zawiesinie i gdzie nie potrzeba urządzeń wymuszonej cyrkulacji lub mechanicznego mieszania.

W rozwiązaniach według wynalazku pęcherzyki gazu są wyprowadzane na i wokół powierzchni wymiany ciepła usytuowanych wewnątrz zawiesiny, aby zarówno mieszać zawiesinę, jak i w tym celu, by uniemożliwiać lub zmniejszać do minimum powstawanie kryształów na powierzchniach wymiany ciepła.

W ulepszonym, chłodzonym powierzchniowo krystalizatorze ze złożem fluidalnym rury lub płyty wymiany ciepła, poprzez które przepuszczane jest chłodziwo, sązanurzone w zawiesinie, przykrywając rozdzielacz gazu, który wyprowadza pęcherzyki gazu do góry poprzez zawiesinę na i wokół rur lub płyt wymiany ciepła, by zapewnić zarówno lepsze przenoszenie ciepła pomiędzy cieczą chłodzącą a zawiesiną zmniejszyć do minimum powstawanie cząstek kryształów na rurach lub płytach wymiany ciepła i powodować delikatne mieszanie zawiesiny bez wywoływania niepożądanego zarodkowania.

W krystalizatorze typu reakcyjnego według wynalazku medium chłodzenia lub grzania jest przepuszczane cyrkulacyjnie przez rury lub płyty wymiany ciepła, które są zanurzone w zawiesinie przykrywając rozdzielacz gazu, który jest zasilany reakcyjnym gazem. Gaz ten powoduje pożądaną reakcję w zawiesinie i miesza ją (bez konieczności stosowania mieszania mechanicznego) oraz uniemożliwia lub zmniejsza do minimum powstawanie kryształów na powierzchniach rur lub płyt wymiany ciepła.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na których takie same oznaczenia użyto wobec podobnych części i na którym:

fig. 1 jest schematem chłodzonego powierzchniowo krystalizatora ze złożem fluidalnym z rozdzielaczem gazu według przedmiotowego wynalazku;

fig. 2 jest widokiem z boku chłodzonego powierzchniowo krystalizatora podobnego do pokazanego na fig. 1, przedstawiającym bardziej szczegółowo wymiennik ciepła i rozdzielacz gazu;

fig. 3 jest widokiem z góry chłodzonego powierzchniowo krystalizatora pokazanego na fig. 2;

fig. 4 jest widokiem z boku członu wymiennika ciepła w chłodzonym powierzchniowo krystalizatorze pokazanym na fig. 2 i 3;

180 651 fig. 5 jest widokiem z góry członu wymiennika ciepła pokazanego na fig. 4;

fig. 6 jest widokiem z boku członu rozdzielania powietrza chłodzonego powierzchniowo krystalizatora pokazanego na fig. 2 i 3;

fig. 7 jest widokiem z góry członu rozdzielacza gazu pokazanego na fig. 6;

fig. 8 jest widokiem perspektywicznym pokazującym część rozdzielacza gazu, który może być wykorzystywany w krystalizatorach według przedmiotowego wynalazku;

fig. 9 jest widokiem z dołu części rozdzielacza gazu pokazanego na fig. 8;

fig. 10 jest schematem krystalizatora typu reakcyjnego według przedmiotowego wynalazku;

fig. 11 jest schematycznym widokiem wewnętrznym wielokomorowego krystalizatora według przedmiotowego wynalazku wyposażonego w wewnętrzne przegrody;

fig. 12 jest przekrojem wzdłuż linii A-A z fig. 11 ilustrującym jedno ustawienie przegród pokazanych na fig. 11;

fig. 13 jest przekrojem wzdłuż linii A-A z fig. 11 ilustrującym alternatywne ustawienie przegród pokazanych na fig. 11;

fig. 14 jest schematycznym widokiem wewnętrznym wielokomorowego krystalizatora według przedmiotowego wynalazku z innym ustawieniem wewnętrznych przegród;

fig. 15 jest schematycznym widokiem wewnętrznym krystalizatora jednokomorowego według wynalazku wyposażonego w przegrodę usuwania/zagęszczania; a fig. 16 jest schematycznym widokiem wewnętrznym krystalizatora jednokomorowego według wynalazku wyposażonego w przegrodę usuwania/zagęszczania i odnogę elutriacyjną.

Nawiązując do rysunków, a zwłaszcza do fig. 1, chłodzony powierzchniowo krystalizator według wynalazku ze złożem fluidalnym jest oznaczony przez 10. Krystalizator 10 zawiera korpus zbiornika 11, który jest zasilany cieczą ze zbiornika zasilającego (nie pokazany) poprzez zasilający wlot 12. Woda chłodząca ze zbiornika (nie pokazano) doprowadzana jest do wału 13, przepływa przez rurę 14 wymiennika ciepła i wraca poprzez wylot 15 z powrotem do zbiornika, by regeneracyjnie chłodzić go. Powietrze jest dostarczane za pomocą dmuchawy 16 poprzez przewód 17 do wlotu 18 gazu i poprzez rozdzielacz 19, który zawiera wiele otworów (najlepiej widocznych na fig. 8 i 9), przez które powietrze jest wyprowadzane wpostaci pęcherzyków, które przemieszczają się do góry poprzez zawiesinę do i wokół rur 14 wymiennika ciepła. Wyjściowy jaz przelewowy 20 służy do utrzymywania poziomu zawiesiny w zbiorniku 11 na określonym poziomie, a krystaliczny produkt jest odbierany ze zbiornika 11 poprzez wylot 21 zawiesiny. Nasycone powietrze uchodzące ze zbiornika 11 przez wylot 22 powietrza jest zawracane do dmuchawy 16 poprzez powrotny przewód 23 i powraca do wlotu 18 powietrza.

Na figurach 2-7 pokazano bardziej szczegółowo chłodzony powierzchniowo krystalizator podobny do pokazanego schematycznie na fig. 1. Do oznaczenia podobnych elementów użyte zostały identyczne oznaczenia, a szczegółowy opis tych elementów nie jest potrzebny. Jak to najlepiej widać na fig. 2-5, wymiennik ciepła może być wyposażony w skrzynię 25, która zawiera wewnętrzną przyjmującą komorę 25a, wewnętrzną przejściową komorę 25b i wewnętrzną wyjściową komorę 25c. Przyjmująca komora 25a jest połączona płynowo z wlotem 13 i kieruje przepływ nośnika wymiany ciepła (np. zimnej wody lub solanki) do wlotu części 14a rury wymiany ciepła w celu przej ścia przez nią do rurowej części 14b, przy czym przepływ z rurowej części 14b jest odbierany w komorze przejściowej 25b i kierowany do wlotu rurowej części 14c do przepływu przez rurowe części 14c i 14d do wewnętrznej wyjściowej komory 25c i do wyjścia z niej poprzez wylot 15 do stacji regeneracji nośnika wymiany ciepła (nie pokazano).

Skrzynia 26 rozdziału gazu otrzymuje powietrze lub inny odpowiedni gaz z przewodu 17, aby zasilać wloty wielu rozdzielaczy gazu 19a-p, jak to najlepiej pokazano na fig. 2, 3, 6 i 7. Każdy z tych rozdzielaczy gazu jest usytuowany poniżej zespołu rur wymiennika ciepła, aby doprowadzać strumień pęcherzyków gazu do zawiesiny, by przemieszczał się do góry poprzez zawiesinę i wokół rur wymiany ciepła. W związku z tym należy zauważyć, że chociaż w przykładach realizacji pokazano rury wymiany ciepła, można zastosować inne postacie urządzeń wymiany ciepła, taicie jak płyty, które mają wewnątrz kanały przepływu płynu.

180 651

Prędkości dopływu powietrza do systemu krystalizatora będą zależeć od gęstości zawiesiny/magmy, od wielkości i fizycznych właściwości tworzonych kryształów, jak również od pola powierzchni przekroju poprzecznego korpusu krystalizatora/parownika. Zwykle stosuje się prędkości przepływu powietrza, które powodują powstanie pęcherzyków gazu (np. powietrza) o minimalnej średnicy, aby zapewnić żądane delikatne mieszanie zawiesiny. Konkretna wielkość i rozstaw otworów w rozdzielaczu gazu 19 będą się zmieniać w zależności od tych parametrów i że wynalazek nie jest w związku z tym ograniczony do żadnych konkretnych wymiarów średnicy rozdzielacza gazu lub konkretnego rozstawu takich otworów. Stwierdzono jednak w związku z tym, że mogą być stosowane rozdzielacze powietrza o średnicy wewnętrznej od 12,7 mm do 101,6 mm lub powyżej, przy czym w większości zastosowań przemysłowych odpowiednie są średnice 50,8 mm-101,6mm. Jak to najlepiej pokazano na fig. 8 i 9, otwory 19a' i 19a rozdzielacza 19a mogąbyć usytuowane w schodkowanych rzędach, przy czym poszczególne otwory maj ą średnicę w przybliżeniu 1,6 mm i odległość pomiędzy środkami (oznaczona literami a i c na fig. 9) w każdym z takich schodkowanych rzędów w przybliżeniu 12,7 mm, zaś odległość b pomiędzy środkami otworów w sąsiednich rzędach w przybliżeniu 6,3 mm. Należy zauważyć, że ta określona wielkość otworów i ich orientacja podane sątylko dla celów ilustracyj nych i że wymiary te mogą się zmieniać w zależności od wymagań konkretnego zastosowania.

W systemach krystalizacji soli sodowych, takich jak bezwodny węglan sodu i bezwodny siarczan sodu, zwykle odpowiednie będą natężenia przepływu powietrza od 0,0152 do 0,152 m³/s na metr kwadratowy złoża, przy czym korzystne natężenia przepływu powietrza są 0,051 do 0,152 m³/s na metr kwadratowy.

W przypadku kryształów o większej gęstości takich, jak przykładowo pięciowodzian siarczanu miedzi, korzystne są większe natężenia przepływu powietrza, typowo w zakresie 0,051 do 0,76 m³/s na metr kwadratowy, przy czym korzystne są natężenia przepływu powietrza w zakresie 0,101 do 0,355 m³/s na metr kwadratowy.

Należy zauważyć, że mogąbyć stosowane natężenia przepływu gazu większe niż wartości podane powyżej, j ednakże takie większe natężenia przepływu zwykle nie będąpowodo wały znacznego polepszenia wydajności, natomiast towarzyszyć im będą zwykle zwiększone koszty eksploatacji. W przypadku krystalizatorów wypamych większe prędkości powietrza umożliwiać jednak będą zmniejszenie wymiarów urządzenia.

Jak już zauważono poprzednio, zalety przedmiotowego wynalazku można również wykorzystać w kry stalizatorach typu reakcyj nego w procesach, które są związane zarówno z reakcj ami egzotermicznymi, jak i z reakcjami endotermicznymi. W systemach takich gazem doprowadzanym do rozdzielacza jest gaz, który będzie reagował z zawartością zawiesiny, by spowodować żądany wynik. Przykładowo, zastosowania procesów związanych z reakcjami egzotermicznymi w kry stalizatorach według wynalazku są zilustrowane, ale bez ograniczenia tylko do nich, przez następujące reakcje:

^co2(g) ^{+ Na}2^CO3(aq)^{+ Η}2θ -> 2NaHXO_3(aq) + ciepło I

CO_2(g) + NaOH_(aq) -> NaHCO_3(kryszta}) + ciepłoII

SO₂(_g)⁺ T^^2CO₃(_aq) —> Na₂SO_3(aq) + CO₂ + ciepłoIII

2SO₂(_g) + Na₂CO₃₍-_aq) —> Na₂S₂O₅(_layształ) + CO₂ + ciepło IV 2SO₂(_g) + Na₂CO₃(_aq) Na₂S₂O₅(_+CO2j + ciepłoV

2NH₃(_g) + H₂SO₄(_aq) —> (NH₄)₂SO₄(_aC0 + ciepłoVI

W powyższych reakcjach gazem dostarczanym do reakcji I i II będzie dwutlenek węgla, w reakcjach III, IV i V dwutlenek siarki, a w reakcji VI amoniak. Należy zauważyć, że ponieważ taka reakcja jest egzotermiczna, do wężownic lub płyt wymiany ciepła dostarczane będzie chłodziwo, takie jak zimna woda lub solanka.

Zalety przedmiotowego wynalazku można wykorzystać w krystalizatorach typu reakcyjnego, gdzie czynnik grzejny, w przeciwieństwie do chłodzącego, jest dostarczany do zanurzonego wymiennika ciepła. Ilustracyjne przykłady tych zastosowań są reprezentowane przez następujące reakcje:

180 651

Na₂SO₄ · 10H₂O_(s) + ciepło -> Na₂SO_4(s) + 10H₂O VII Na₂CO₃ · 10H₂O_(s) + ciepło -> Na₂CO₃ · 1H₂O_(s) + 9H₂O VIII CaSO₃ · 2H₂O + */₂O₂ -> CaSO₄ · '/₂H₂O + 1 ’/^Ο IX

Jak pokazano na fig. 10, krystalizator 30 typu reakcyjnego może zawierać korpus 31 zbiornika, w którym zawarta jest zawiesina 32. Do wlotu 33 zanurzonego wymiennika ciepła 34 dostarczany jest czynnik grzewczy lub chłodzący, zależnie d wymagań konkretnego zastosowania, przy czym czynnik ten jest wyprowadzany z wymiennika ciepła poprzez wylot 35 do recyrkulacji i regeneracji zastosowanego czynnika.

Gaz reakcyjny z odpowiedniego źródła (nie pokazano) dostarczany jest do krystalizatora poprzez technologiczny przewód 36, przy czym gaz ten według ważnego aspektu wynalazku jest korzystnie przygotowany tak, by był nasycony przy wchodzeniu w zawiesinę. Jak pokazano na fig. 10, nasycenie to można osiągnąć przez dodanie rozpuszczalnika, wody lub pary wodnej w miejscu37 i/lub chłodzenie gazu reakcyjnego,jak pokazano wmiejscu38. Nasycony gaz reakcyjny jest doprowadzany przez wlot 39 do rozdzielacza 40, który, podobnie jak w przypadku poprzednio opisanych przykładów realizacji, zawiera wiele otworów, poprzez które gaz ten jest wyprowadzany w postaci pęcherzyków, by przemieszczał się do góry poprzez zawiesinę na i wokół rur, tak że reaguj e on z zawiesinąa równocześnie powoduj e potrzebne delikatne mieszanie zawiesiny i uniemożliwia lub zmniejsza do minimum powstawanie kryształów na powierzchni rur lub płyt wymiennika ciepła. Nasycony gaz wychodzący ze zbiornika 31 przez wylot 42 jest zawracany do dmuchawy 44 przewodem powrotnym 43 w celu powtórnego wprowadzenia go w zasilający gazem przewód 36. Przez zapewnienie, że reakcyjny gaz dostarczany do rozdzielacza 40 jest nasycony następuje skuteczne wyeliminowanie lub znaczne zmniejszenie zatykania otworów w rozdzielaczu 40.

Jeśli jest to potrzebne, w korpusie krystalizatora można zastosować wewnętrzne przegrody, aby polepszyć działanie krystalizatora. Jedno takie wykonanie jest przedstawione na fig. 11, gdzie pokazano korpus 50 krystalizatora zawierający trzy komory 50a, 50b i 50c, z których każda przebiega na całej długości krystalizatora. Jak pokazano, każda z tych komór zawiera rozdzielacz 51 a, 51bi51c powietrza/gazu, który jest odpowiednio usytuowany pod wieloma rurami 52a, 52b i 52c wymiany ciepła (wszystkie pokazane w przekroju).

W zbiorniku wiele przegród 53a/b i 54a/b umieszczone jest tak, że ich dolne powierzchnie są zasadniczo usytuowane powyżej rozdzielacza powietrza, a ich górne powierzchnie są usytuowane poniżej poziomu 55 zawiesiny. Przegrody mogą być ustawione tak, że są one albo pochylone od zasilającego wlotu, jak pokazano na fig. 12, albo sąpochylone w kierunku do zasilającego wlotu, jak pokazano na fig. 13. Alternatywnie, jak pokazano na fig. 14, przegrody 60ai 60a', 60b i 60b' oraz 60c i 60c' mogą być ustawione w zbiorniku 50 zasadniczo równolegle do zespołu rur 52a, 52b i 52c wymiennika ciepła, przebiegając na całej długości krystalizatora. W każdej z tych konstrukcji przegrody służą do wywierania pożądanego wpływu na przepływ wewnątrz korpusu krystalizatora, tak aby osiągnąć większąjednorodność stężenia zawiesiny wzdłuż poziomej osi zbiornika 50 przy dowolnym określonym poziomie zawiesiny w kierunku do punktu wyprowadzania zawiesiny.

Jeżeli jest to potrzebne, cechy przedmiotowego wynalazku mogą być zawarte w systemach krystalizatorów, które zawierają tzw. przegrodę oczyszczania, która zapewnia zagęszczoną zawiesinę w części 70 zawiesiny przy wymienniku ciepła i stojący obszar 71, z którego usunięta jest ciecz i drobne kryształy. Przykładowo, jak pokazano na fig. 15, przedstawiono korpus 65 krystalizatora posiadający zasilający wlot 66, który doprowadza materiał do zawiesiny utrzymywanej na żądanym poziomie. Wiele rur 65a wymiany ciepła umieszczone jest z przykrywaniem rozdzielacza 65b powietrza/gazu. Gaz wypływający z zawiesiny jest odprowadzany poprzez wylot 67, a zagęszczona zawiesina jest wyprowadzana przez wylot zawiesiny 68. Usunięcie cieczy macierzystej i drobnych kryształów poprzez wylot 72 powoduje tworzenie kryształów o większych wymiarach w strefie 70 krystalizatora.

180 651

Jak pokazano na fig. 16, krystalizator 65 może być zmodyfikowany przez zastosowanie w miejscu wylotu 68 wypływu zawiesiny elutriacyjnego ramienia 73, który odchodzi od najniższej części stojącej strefy 71.

Elutriacyjne ramię 73 stanowi alternatywne rozwiązanie, za pomocą którego większe cząstki krystaliczne mogą być odbierane z systemu.

Działanie krystalizatorów z chłodzonym powierzchniowo płynnym złożem można ocenić na podstawie pewnej liczby testów przeprowadzonych z różnymi takimi krystalizatorami. Poniżej podano podsumowujący opis urządzenia i reprezentatywne dane dotyczące działania, uzyskane z takich testów. Dane te służą do celów ilustracyjnych, a nie jako ograniczenie zakresu przedmiotowego wynalazku.

Zbiomik/wymiennik ciepła

	Zespół 1	Zespół 2	Zespół 3
Całkowita ilość zawiesiny w zbiorniku (m )	9,5 x W⁴	1,1 x 10'¹	2,3 x 10''
Poziom cieczy (cm)	10,2	38,1	40,6
Średnica rury (cm)	0,74	1,59	2,54
Długość rury (cm)	10,16	152,4	147,3
Liczba rur	7	5, 10 lub 15	4
Liczba przebiegów	1	5	4
Powierzchnia wymiany ciepła (m²)	0,0290	0,390; 0,790 lub 1,18	1,95

Rozdzielacz powietrza

	Zespół 1	Zespół 2	Zespół 3
Natężenie przepływu powietrza (m³/s)	1,45 x 10⁴	1,23 x 10’² do 1,99 x 10’²	3,30 x 10'² do 6,61 x 10’²
m /s powietrza na metr kwadratowy złoża	0,0189	0,0488 do 0,0788	0,0711 do 0,142
Typ wytworzonych kryształów	Na₂CO₃ · 10H₂O Na₂SO₄10H₂O	Na₂CO₃ 10H₂O	Na₂CO₃ · 10H₂O
Współczynnik wymiany ciepła BTU (W/m K)	1136- 1590	1022-2271	908- 1533
LMDT, K (logarytm ze średniej różnicy temperatur)	12,6 - 27	12,6-18	12,6-19,8
Prędkość wytwarzania kryształów (kg/h)	0,23-2,1	22,7-40,8	31,8-63,5

Powyższe dane z testów oraz dane zebrane przy innych próbach z rozwiązaniami według wynalazku ilustrują że wyposażony w rozdzielacz krystalizator z płynnym złożem, z powierzchniowym chłodzeniem według wynalazku będzie miał współczynniki wymiany ciepła 908 do 2271 W/m² K przy logarytmie średnich różnic temperatury 12,6 do 15 K. Natomiast krystalizator z chłodzoną powierzchnią z wymuszonym obiegiem, bez rozdzielacza powietrza typowo będzie miał współczynniki wymiany ciepła 426 do 681 W/m² K przy logarytmie średnich różnic temperatury 9 do 13,5 K.

180 651

Lepsza wymiana ciepła i inne zalety wynalazku mogą być wykorzystywane w innych systemach krystalizacji, gdzie zanurzone powierzchnie wymiany ciepła są usytuowane w zawiesinie, np. w krystalizatorach z mieszaniem mechanicznym i z wymaganiem przenoszenia energii (np. chłodzone powierzchniowo krystalizatory z wymuszoną cyrkulacją krystalizatory z rurami teflonowymi, krystalizatory chłodzone przez mieszanie w zbiorniku i urządzenia do roztapiania z wymuszoną cyrkulacją).

180 651

FIG.3

180 651

FIG. 6

19α

FIG. 7

180 651

FIG. 14

180 651

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Krystalizator ze złożem fluidalnym, zawierający zbiornik przeznaczony na zawiesinę przesyconej cieczy podlegającej krystalizacji, wymiennik ciepła, umieszczony w zbiorniku, zaopatrzony w medium wymiany ciepła i przystosowany do utrzymywania tej zawiesiny w temperaturze ułatwiającej krystalizację, oraz zawierający wylot odprowadzający zawiesinę, znamienny tym, że ma rozdzielacz gazu (19) usytuowany w zbiorniku (11) pod wymiennikiem ciepła (14), posiadający wiele otworów (19a', 19a) wylotowych gazu, umieszczonych pod wymiennikiem ciepła (14), przy czym rozdzielacz gazu (19) jest połączony z dmuchawą(16) gazu.
2. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera zbiornik (11) posiadający wylot gazu (22) oraz powrotne przewody (23,17) do recyrkulacji gazu do rozdzielacza gazu (19).
3. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że jest krystalizatorem o naturalnej cyrkulacji.
4. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że przewód (36) do zasilania gazem rozdzielacza gazu (40) ma wlot (37) od przewodu do podawania środka nasycającego.
5. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że przewód (36) do zasilania gazem rozdzielacza gazu (40) ma chłodnicę (38) do chłodzenia gazu.
6. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że zbiornik (11) zawiera ponadto przegrody (53a/b, 54a/b, 60a, 60a', 60b, 60b', 60c, 60c'), umieszczone poniżej przelewu (20) zawiesiny.
7. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że wymiennik ciepła zawiera rury (14, 14a-d, 52a-c, 65a), umieszczone powyżej rozdzielacza gazu (19).
8. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że wymiennik ciepła (14) zawiera wiele płyt posiadających wewnątrz kanały płynowe, przez które przepuszczane jest medium wymiany ciepła.
9. Krystalizator według zastrz. 1, znamienny tym, że przewód (36) do zasilania gazem rozdzielacza (40) ma wlot (37) dla wody lub pary wodnej.
10. Krystalizator według zastrz. 9, znamienny tym, że wymiennik ciepła zawiera wiele rur (14,14a-d, 52a-c, 65a) wymiany ciepła, umieszczonych powyżej rozdzielacza gazu (19).
11. Krystalizator według zastrz. 9, znamienny tym, że wymiennik ciepła (14) zawiera wiele płyt posiadających wewnątrz kanały płynowe do cyrkulacji chłodziwa, przy czym płyty te są umieszczone powyżej rozdzielacza gazu (19).
12. Sposób wytwarzania kryształów z zawiesiny, obejmujący kontaktowanie zawiesiny, zawierającej rozpuszczalnik, składnik rozpuszczony i wiele cząstek krystalicznych, wymianę ciepła między zawiesiną a zanurzonym w niej wymiennikiem ciepła i usuwanie krystalicznego produktu z zawiesiny, znamienny tym, że przepuszcza się strumień pęcherzyków gazu przez zawiesinę i na wymiennik ciepła oraz wokół niego.
13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiesina jest pod ciśnieniem atmosferycznym.
14. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że jako gaz stosuje się powietrze.
15. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że natężenie przepływu gazu doprowadzanego do zawiesiny wynosi 1,52 x 10‘² do 7,62 χ 10’¹ m³/s na metr kwadratowy pola przekroju poprzecznego zbiornika.
16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że stosuje się gaz o natężeniu przepływu wynoszącym 5,1 χ 10² do 3,6 χ 10’¹ m³/s na metr kwadratowy pola przekroju poprzecznego zbiornika.

180 651
17. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że stosuje się gaz o natężeniu przepływu wynoszącym 5,1 χ 10² do 1,52 χ 10'¹ m³/s na metr kwadratowy pola powierzchni przekroju poprzecznego zbiornika.
18. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że stosuje się gaz o natężeniu przepływu wynoszącym 1,01 χ 10'¹ do 3,6 χ 10'¹ m³/s na metr kwadratowy poła powierzchni przekroju poprzecznego zbiornika.
19. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że stosuje się gaz reagujący z jednym lub z większą liczbą składników zawiesiny.
20. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że gaz dostarczany do zawiesiny nasyca się składnikiem rozpuszczalnikowym zawiesiny, przed wyprowadzeniem do zawiesiny.

* * *