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Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren von Stoffen
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aus ihrer Schmelze Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren
von Stoffen aus ihrer Schmelze durch Zerstäuben der Schmelze und Abkühlen der in
Sinkbewegung befindlichen Partikel in einem Kühl luftstrom.
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Verfahren dieser Art, die auch als Prillen (Sprühkristallisation)
bezeichnet werden, werden in der chemischen Industrie vielfach angewandt, und zwar
nicht nur für die Kristallisation aus Schmelzen, sondern auch aus Lösungen, Suspensionen
od.dgl.. Im erstgenannten Fall erfolgt die Kristallisation durch Wärmeentzug während
der Sinkbewegung, während in den letztgenannten Fällen die Kristallisation durch
Feuchtigkeitsentzug, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Wärmeentzug erfolgt.
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Die am Kopf des Prillturms aufgegebene zerstäubte Flüssigkeit oder
Schmelze wird innerhalb des Turms einem Trockenluft- bzw. Kühlluft~ Gegenstrom ausgesetzt.
Die Bauhöhe des Turms1 die Luftgeschwindig keiten und die Sinkgeschwindigkeit richten
sich nach der Art des
Ausgangsproduktes und den gewünschtes; Eigenschaften
des Endpro duktes, z.B. Korngröße, Kornverteilung, Korndichte, Restfeuchte etc..
Im allgemeinen haben Prilltürme dieser Art eine erhebliche Bauhöhe.
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Die Erfindung befaßt sich vor allem mit solchen Verfahren, die aus
der Schmelze heraus arbeiten. Hier muß die Steiggeschwindigkeit des Kühlgases bzw
der Kühl luft so ausgelegt sein, daß die Oberflächenspannung des geschmolzenen Tropfens
ausreichend lange wirksam ist, bis sich der Tropfen gerundet hat, um ein Kugelpartikel
zu erhalten. In keinem Fall darf di e die Steiggeschwindigkeit des Kühlgases die
Sinkgeschwindigkeit der Partikel übersteigen, da diese sonst oben ausgetragen würden
In der Praxis liegt die Kühlgas geschwindigkeit etwa zwischen 0,3 bis 0,5 m/s bei
Korngrößen zwischen 2 bis 3 mm. Zur Verringerung der Turmhöhe wird häufig eine Staubphase,
z. B. Salze, Oxideod.dgl. mit einer Teilchengröße C50 um benutzt, die die Tröpfchen
überzieht und teilweise agglomerieren läßt. Die Staubphase weist dabei eine wesentlich
kritische geringere/Steiggeschwindigkeit von 3 bis 12 cm/s auf. In dieser Staub-Wirbel
schicht erfolgt die endgültige Verfestigung der Prills.
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Der Durchsatz beträgt hierbei etwa 1 bis 2 kgfmin (DE-PS 2222 008).
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Auch mit dem vorgenannten Verfahren sind jedoch der erreichbaren Partikelgröße
und -dichte (Porenfreiheit) und der erreichbaren Restfeuchte Grenzen gesetzt, die
in bestimmten Anwendungsfällen nicht befriedigen können. Auch dann, wenn das Kristallisat
andere Stoffe in homogener Verteilung aufweisen soll, versagen die bisher bekannten
Verfahren. Extreme Anforderungen dieser Art werden beispielsweise bei der Herstellung
von feinpulvrigem Ammoniumnitrat gestellt,
das als Oxidator in Treib-
und Sprengstoffgemischen eingesetzt wird.
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Diese werden häufig als Gießmischungen verarbeitet, wobei zur Erzielung
eines hohen Energieinhaltes höchste Stoffdichte, also porenfreie Partikel von kugeliger
Form und höchste Schüttdichte, also bi- oder mehrmodale Kornverteilung zur Erzielung
eines höheren Füllungsgrades der Gießmischung erwünscht sind. Feinstkorn füllt dabei
das Lückenvolumen des Grobkorns aus. Feinstkorn ist auch erwünscht, weil die Reaktionsgeschwindigkeit
des Oxidators mit abnehmender Teilchengröße zunimmt. Ferner spielt hier die Restfeuchte
eine große Rolle, da Ammoniumnitrat stark hygroskopisch ist und die Feuchte der
Kühl luft absorbiert und zwar umso mehr je feiner das Sprühkorn ist, da hiermit
die zur Verfügung stehende Oberfläche zunimmt. Auch soll eine gute Rieselfähigkeit
gegeben sein, so daß das Einzelkorn der Kugelform soweit als möglich angenähert
und die Kornoberfläche glatt sein muß.
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Schließlich werden solche Oxidatoren häufig Katalysatoren, z. B. Kupfer-.
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oder Nickelsalze bzw. -oxide zugesetzt, die einerseits ihre Schlag-und
Reibempfindlichkeit erhöhen, andererseits die dem reinen Ammoniumnitrat eigene Phasenumwandlung
(DE-PS 17 67 757 und 21 25 755), die bei wiederholtem Temperaturwechsel zum Bersten
des Korns in der Bindermatrix des Treibstoffs führt, zu unterdrücken. Voraussetzung
für eine einwandfreie Funktion dieser Katalysatoren bzw.
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Stabilisatoren ist deren absolut homogene Verteilung im Ammoniumni
trat-Korn.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte
Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch extreme Anforderungen für das
Endprodukt erfüllt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kühlgas
im Bereich der Stelle, an der die Zerstäubung stattfindet, mit einer Bewegungskomponente
in Richtung der Sinkbewegung der Partikel zugeführt und zusammen mit den erstarrten
Partikeln am Ende der Sinkstrecke abgezogen wird.
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Die Zugabe des Kühlgases erfolgt vorzugsweise in einer Drehströmung,
der eine axiale Bewegungskomponente, also in Richtung der Sinkbewegung der Partikel,
überlagert ist, so daß das Kühlgas bzw. das Aerosol eine nach unten gerichtete schraubenförmige
Bewegung durchführen, die Partikel also in einer schraubenförmigen Bahn nach unten
sinken. Kühlgas und Partikel bewegen sich demzufolge im Gleichstrom. Es ergibt sich
eine lange Austauschstrecke bei geringer Gesamt-Fallhöhe und damit eine geringe
Bauhöhe für die zur Durch führung des Verfahrens dienende Anlage. Die Zugabe des
Kühlgases in unmittelbarer Nähe der Zerstäubungseinrichtung hat vor allem bei der
Anwendung auf Ammoniumnitrat folgenden Vorteil: Um die Oberflächenspannung zur Rundung
des Tropfens optimal zur Wirkung zu bringen, empfiehlt sich eine zumindest geringe
Überhitzung der Schmelze. Diese muß jedoch in engen Grenzen gesteuert werden, da
die dem Ammoniumnitrat zugesetzten Katalysatoren bzw. Phasenstabilisatoren die Gefahr
der Selbstzersetzung von geschmolzenem Ammoniumnitrat fördern. Durch die unmittelbare
Zugabe des Kühlgases an der Zerstäubungsstelle läßt sich diese Überhitzung in engen
Grenzen steuern. Aufgrund der langen Austauschstrecke ist ferner sichergestellt,
daß die Tropfen im Kühlgas bis zur vollständigen Erstarrung (Kristallisation) dispergiert
bleiben, also eine Reagglomeration vermieden wird.
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Um das Verfahren an das unterschiedliche Kristallisationsverhalten
der zerstäubten Produkte anpassen zu können, ist nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung vorgesehen, daß die Größe der Bewegungskomponenten des Kühl gases in Richtung
der Sinkbewegung der Partikel regulierbar ist. Hiermit läßt sich die Länge der Austauschstrecke
variieren.
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In bevorzugter Ausführung der Erfindung;vvird das Kühlgas in zwei
Teilströmen zugeführt, von denen der eine eine Rotationsbewegung, der andere etwa
eine Linearbewegung in Richtung der Sinkbewegung der Partikel durchführt, so daß
sich als resultierende Strömung für das Aerosol aus Kühl gas und Partikeln eine
nach unten gerichtete schraubenförmige Strömung ergibt. Dabei ist zumindest der
in Richtung der Sinkbewegung der Partikel zugeführte Teilstrom in Menge und Geschwindigkeit
regu lierbar In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird die Aerosolströmung randseitig
gekühlt. Dadurch läßt sich die Bauhöhe der zur Durchführung des Verfahrens dienenden
Anlage weiterhin verringern.
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Im Gegensatz zu dem bekannten Prillverfahren, bei welchem die Abluft
am Kopf des Turms abgesaugt und die Feststoffpartikel am Fuß des Turms anfallen,
werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die erstarrten Partikel aus dem abgezogenen
Aerosol zweckmäßigerweise im Zentrifugalfeld abgeschieden Selbstverständlich können
hier aber auch andere Trennverfahren für Feststoff~Ciias~Suspensionen eingesetzt
werden.
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Zur Durchführung des Verfahrens geht die Erfindung von einer bekannten
Vorrichtung mit einem Schmelzgefäß und einem Kristallisationsturm mit am Kopf angeordneter
Zerstäubungseinrichtung, am Boden angeordnetem Materialabzug und einer Kühlgaszuführung
aus (z.B.
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DE-OS 25 03 637). Eine solche Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß
dadurch aus, daß die Kühlgaszuführung am Kopf des Kristall sationsturms in unmittelbarer
Nähe der Zerstäubungseinrichtung angeordnet und zur Erzeugung einer nach unten gerichteten
Schraubenströmung eingerichtet ist.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungs,beispiel weist die Kühlgas zuführung
einen in den Kristall isationsturm exzentrisch, vorzugsweise tangential und unmittelbar
unterhalb der Zerstäubungseinrichtung einmündenden Eintrittsstutzen für einen ersten
Teilstrom des Kühl gases und oberhalb der Zerstäubungseinrichtung einen zweiten,
in den Kristall isationsturm einmündenden Eintrittsstutzen für einen zweiten Teilstrom
des Kühl gases sowie einen Strömungsgleichrichter zum achsparallelen Ausrichten
des zwei ten Teilstroms auf. Das von einem Kompressor verdichtete Kühlgas wird zweckmäßigerweise
über einen Gastrockner, zB. einen Adsor tionstrockner geführt und anschließend in
die beiden Teilströme aufgegliedert, die in geringem Abstand voneinander am Kopf
des Kristall isationsturms oberhalb und unterhalb der Zerstäubungsdüse eingeblasen
werden.
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Der Strömungsgleichrichter besteht gemäß einer besonders einfachen
Ausführungsform aus einem die Zerstäubungseinrichtung umgebenden Lochblech. Dieses
schließt also den oberen Raum am Kopf des Kristallisationsturms, in den der eine
Teilstrom zugeführt wird, nach unten ab, so daß das Kühlgas dieses Teilstroms nur
in achsparalleler Richtung nach unten austreten kann, und dort auf den Sprühkegel
der Zerstäubungsdüse trifft.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Kristallisationsturm
zumindest im unteren Bereich mit einem Kühl mantel umgeben, der dem Aerosol im Wandbereich
Wärme entzieht und die vollständige Erstarrung der Partikel beschleunigt0 Um Entmischungen
und unkontrollierte Wärmeverluste zu vermeiden, ist vorzugsweise das Schmelzgefäß
unmittelbar auf den Kopf des Kristallisationsturms aufgesetzt und an seinem Boden
mit einer im
Kristall isationsturm ausmündenden Zerstäubungsdüse
versehen. Über eine Beheizung des Schmel zgefäßes läßt sich die Temperatur der Schmelze
und damit der aus der Zerstäubungsdüse austretenden Tropfen sehr genau steuern und
konstant halten, insbesondere läßt sich der beispielsweise beim Zerstäuben von Ammoniumnitrat
mit Katalysatoren und Phasenstabilisatoren gewünschte geringe Überhitzungs grad
genau einhalten. Die Erfindung gestattet nicht nur das Versprühen von Schmelzen
reiner Stoffe mit Zusätzen, wie Stabilisatoren trid Katalysatoren, sondern auch
deren reaktive Umsetzung unter Komplexbildung im Schmelztopf, z. B. von Metalloxiden,
wie CuO, NiO mit Ammoniumnitrat. Zu diesem Fall wird das gekörnte Roh-Ammoniumnitrat
mit den Zusätzen gemischt und die Mischung in das Schmelzgefäß gegeben. Auf diese
Weise können auch Mehrstoffgemische versprüht werden, z. B. eutektische Schmelzgemische
Ammoniumnitrat 1 Nitroguanidin/ Guanidinni trat oder Gemische mit nicht schmel -zenden
Stoffen, z. B. TNT/Hexogen.
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Aus dem vorgenannten Grund ist es auch vorteilhaft, wenn die Zerstäubungsdüse
beheizt ist, wobei es sich um eine aus der Zerstäubungstrocknung bekannte Zweistoffdüse
oder aber auch eine Düse mit überlagerter Druckschwingung, wie sie beispielsweise
bei Ölbrennern verwendet werden, handeln kann.
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Schließlich ist am Boden des Kristallisationsturms ein Zentrifugalabscheider
mit Absauggebläse angeschlossen, mittels dessen das Aerosol abgezogen und dem Abscheider
zugeführt wird.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die
Ausführungsformen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wiedergibt. In
der Zeichnung zeigen: Figur 1 eine schematische Gesamtansicht einer Anlage; Figur
2 einen Teilschnitt im Bereich des Kopfs des Kristallisationsturms;
Figur
3 einen Axialschnitt einer Ausführungsform der Zerstäubungsdüse und Figur 4 einen
Axialschnitt einer anderen Ausführungsform der Zerstäubungsdüse.
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Die in Figur 1 wiedergegebene Anlage weist als zentrales Bauteil einen
Kristallisationsturm 1 mit zylindrischem Mantel auf, auf dessen Kopf 2 das die Schmelze
enthaltende Gefäß 3 aufgesetzt ist.
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Dieses weist am Boden eine Zerstäubungsdüse 4 auf, der die Schmelze
unter Schwerkraft zufließt und aus der sie in Form eines Zerstäubungskegels austritt.
Das Schmelzgefäß 3 ist mit einem Heizmantel 5 umgeben, dem der Wärmeträger über
eine Leitung 6 zugeführt wird. Die Leitung 6 ist Teil eines Wärmeträgerkreislaufs
mit einer Umwälzpumpe 7, einer Heizeinrichtung 8 und der an den Heizmantel 5 angeschlossenen
Rücklaufleitung 9. Das Schmelzgefäß 3 ist ferner mit einem Füllstutzen 10 und einer
Abluftleitung 11 ausgestattet.
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Am Kopf 2 münden zwei Kühl gasleitungen 12, 13 in Höhe der Zerstäubungsdüse
4 in den Kristallisationsturm 1 ein, Das Kühlgas wird mittels eines Kompressors
14 verdichtet und über einen Adsorptionstrockner 15 zugeführt, von dem es in die
beiden Leitungen 12, 13 gelangt. Von der Kühlgasleitung 13 ist ferner eine Abzweig
gung 16 in den Heizmantel 5 des Schmelzgefäßes 3 geführt. Dieses Gas dient als Arbeitsgas
für die Zerstäubungsdüse 4 und wird in einer Rohrschlange 17 im Heizmantel 5 aufgeheizt9
so daß es etwa die Temperatur der Schmelze annimmt, bevor es in der Zerstäubungsdüse
4 mit der Schmelze in Berührung kommt.
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Innerhalb des Kristallisationsturms 1 ist zwischen den beiden Eintrittsstutzen
18, 19 des Kühl gases ein Strömungsgleichrichter 20 in Form eines Lochblechs angeordnet.
Die Teilströme 12, 13 des
Kühlgases treten, wie Fig. 2 näher erkennen
läßt, etwa tangential in den Kristallisationsturm 1 ein, Der über die Leitung 13
und den Eintrittsstutzen 19 zugeführte Teilstrom wird mittels des Strömungsgleichrichters
20 in achsparallele Richtung umgelenkt und gleichgerichtet, während der über die
Leitung 12 und den Eintrittsstutzen 18 zugeführte Teilstrom seine Rotationsbewegung
beibehält. Wie ferner Figur 2 zeigt, mündet die Zerstäubungsdüse 2 unmittelbar am
Lochblech 20 in den Kristallisationsturm 1 aus0 Der Kristallisationsturm 1 ist in
seinem mittleren zylindrischen Bereich und dem Bereich seines konischen Bodens von
je einem Kühlmantel 21 umgeben, die über einen Zulauf 22 beispielsweise mit Kühlwasser
gespeist werden, das über einen Ablauf 23 den oberen Kühl mantel verläßt. An den
konischen Boden des Kristallin sationsturms 1 ist eine Abzugsleitung 24 angeschlossen,
die in einen Zyklonabscheider 25 geführt ist, der seinerseits über eine Leitung
26 an ein Absauggebläse 27 angeschlossen ist. Auch der Zyklonabscheider ist mit
einem Kühl mantel 28 versehen, der die dort abgeschiedenen Partikel auf ihrer Fallbewegung
weiter abkühlt.
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Der Kühl mantel 28 wird über eine Leitung 29 wiederum mit Kühlwasser
gespeist, das über einen Ablauf 30 zum Zulauf 22 des unteren Kühlmantels 21 am Kristallisationsturm
1 strömt.
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Die in Figur 1 und 2 nur schematisch wiedergegebene Zerstäubungsdüse
ist in zwei Ausführungsformen in den Figuren 3 und 4 gezeigt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 handelt es sich um eine Düse,
wie sie beispielsweise als Zweistoffdüse bei der Zerstäubungstrocknung eingesetzt
wird. Sie weist einen zentralen Zulaufkanal 31 für die Schmelze auf, der an der
Düsenöffnung 32 frei ausmündet.
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Im vorderen Bereich ist die Zerstäubungsdüse 4 doppelwandig ausgebildet,
wobei in den Zwischenraum 33 über einen Anschluß 34 das aufgeheizte Trägergas tangential
zugeführt wird, so daß es in einer Rotationsbewegung zur Düsenöffnung 32 strömt
und die dort austretende Schmelze in einen Tropfenkegel zerteilt. Die Zerstäubungsdüse
4 ist ferner von einer gekapselten elektrischen Heizung 35 umgeben.
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Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform der Zerstäubungsdüse 4 weist
wiederum einen zentralen Zulaufkanal 31 für die Schmelze und eine den Düsenkörper
umgebende Heizung 35, z. B. eine Widerstandsheizung, auf. In einem den Zulaufkanal
31 umgebenden Zwischenraum 36 wird ein Zerstäubungsgas über einen Anschluß 37 tangential
eingeführt und im Bereich der Austrittsöffnung 38 umgelenkt. Dadurch wird dem austretenden
Trägergas eine Druckschwingung aufgepräft, die an der Ausmündung 32 der Düse zum
Zerplatzen des Schmel zstrahl s führt.
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