DE3318652C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren von Stoffen aus ihrer Schmelze - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Kristallisieren von Stoffen aus ihrer Schmelze durch Zerstäuben der Schmelze und Abkühlen der in Sinkbewegung befindlichen Partikel in einem Kühlgasstrom ist zur Erreichung kleiner Korngrößen bei großer Korndichte und glatter Kugeloberfläche vorgesehen, daß das Kühlgas im Bereich der Stelle, an der die Zerstäubung stattfindet, mit einer Bewegungskomponente in Richtung der Sinkbewegung der Partikel zugeführt wird, so daß das bildende Aerosol in einer Schraubenbewegung nach unten strömt, am Ende der Sinkstrecke abgezogen und anschließend in Feststoffpartikel und Trägergas getrennt wird. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die aus einem Kristallisationsturm mit am Kopf angeordneter Zerstäubungseinrichtung, am Boden angeordnetem Aerosolabzug und einer Kühlgaszuführung besteht, die am Kopf des Kristallisationsturms in unmittelbarer Nähe der Zerstäubungseinrichtung angeordnet und zur Erzeugung einer nach unten gerichteten Schraubenströmung eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von festen Partikeln durch Kristallisieren von Stoffen aus ihrer Schmelze, bei dem man die Schmelze in Partikel zerstäubt, die in Sinkbewegung befindlichen Partikel in einem zugeführten Kühlgasstrom abkühlt und die festen Partikel zusammen mit dem Kühlgas am Ende der Sinkstrecke abzieht.

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. Die am Kopf des Prillturms aufgegebene zerstäubte Flüssigkeit oder Schmelze wird innerhalb des Turms einem Trockenluft- bzw. Kühlluft-Gegenstrom ausgesetzt (DE-OS 25 03 637). Die Bauhöhe des Turms, die Luftgeschwindigkeiten und die Sinkgeschwindigkeit richten sich nach der Art des Ausgangsproduktes und den gewünschten Eigenschaften des Endproduktes, z. B. Korngröße, Kornverteilung, Korndichte, Restfeuchte etc. Im allgemeinen haben Prilltürme dieser Art eine erhebliche Bauhöhe.

Die Erfindung befaßt sich vor allem mit solchen Verfahren, die aus der Schmelze heraus arbeiten. Hier muß die Steiggeschwindigkeit des Kühlgases bzw. der Kühlluft 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 die Steiggeschwindigkeit des Kühlgases die Sinkgeschwindigkeit der Partikel übersteigen, da diese sonst oben ausgetragen würden. In der Praxis liegt die Kühlgasgeschwindigkeit etwa zwischen 03 bis 0,5 m/s bei Korngrößen zwischen 2 bis 3 mm. Zur Verringerung der Turmhöhe wird häufig eine Staubphase, z. B. Salze, Oxide od. dgl. mit einer Teilchengröße <50μπι benutzt, die die Tröpfchen überzieht und teilweise agglomerieren läßt Die Staubphase weist dabei eine wesentlich geringere kritische Steiggeschwindigkeit von 3 bis 12 cm/s auf. In dieser Staub-Wirbelschicht erfolgt die endgültige Verfestigung der Prills. Der Durchsatz beträgt hierbei etwa 1 bis 2 kg/min (DE-PS 22 22 008).

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. 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 Kühlluft 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. Schließlich werden solchen Oxidatoren häufig Katalysatoren, z. B. Kupfer- oder Nickelsalze bzw. -oxide zugesetzt, die einerseits ihre Schlag- und Reibempfindlichkeit erhöhen, andererseits die dem reinen Ammoniumnitrat eigene Phasenumwandlung (DE-PS 1? 67 757 und 21 25 755), die bei wiederholtem Temperaturwechsel zum Bersten des Korns in der Bindermatrix des Treib-Stoffs führt, zu unterdrücken. Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion dieser Katalysatoren bzw. Stabilisatoren ist deren absolut homogene Verteilung im Ammoniumnitrat-Korn.

Es ist ein Verfahren bekannt (US-PS 37 19 733), mit dem Metallpartikel aus einer Schmelze hergestellt werden. Die Schmelze wird aus dem Schmelzbehäller unter Druck durch eine enge Düse zu einem geschlossenen dünnen Freistrahl extrudiert. Nach dem Austritt aus der Düse wird der Freistrahl von einem horizontal zugeführten und in axiale Richtung umgelenkten Incrtgasstrom umhüllt, der eine größere Geschwindigkeit aufweist als die Sinkgeschwindigkeit des Freistrahls. Der Freistrahl soll dadurch in einzelne Tropfen von gleicher Korngröße aufgeteilt werden. Mit diesem Verfahren werden zwar Partikel einer sehr engen Kornverteilung erhalten, die jedoch keine hohe Schüttdichte ergeben. Es handelt sich hier weniger um eine Zerstäubung als um eine Einzelpartikelbildung mit entsprechend gcrin-

gem Durchsatz.

Bei einem anderen Verfahren (DE-AS 11 63 782) wird unmittelbar unterhalb der Austrittsöffnung des fallenden Schmelzstrahls über eine Ringdüse Druckgas unter einem Neigungswinkel in den Strahl eingeblasen, um diesen ähnlich wie bei einer Zerstäubungsdüse zu zerstäuben. Mit einem weiteren Verfahren (DE-AS 10 61 298) wird der durch eine Öffnung aus der Schmelze austretende Freistrahl dadurch zerstäubt, daß durch eine ihn umgebende Ringdüse Druckgas mit hoher Geschwindigkeit unter leichter Neigung weg vom Strahl austritt. Durch diesen Druckgasstrahl soll im Bereich des Schmelzstrahls ein Vakuum erzeugt werden, um diesen aufzureißen und in einzelne, nach außen abgelenkte Partikel zu zerteüen. Eine zu frühe Zerteilung des Schmelzstrahls wird dadurch verhindert, daß mittels des Unterdruckes durch die öffnung gleichzeitig Luft angesaugt wird, die den Schmelzstrahl als Hüllströmung umgibt Bei diesem und dem vorgenannten Verfahren geht es ausschließlich darum, den Schmelzstrahl zu zerlegen, wohingegen eine kugelige Ausbildung der Partikel bei breiter Kornverteilung nicht garantier* ist

Auf einem anderen Gebiet, nämlich der Zerstäubungstrocknung, ist ein Verfahren bekannt (FR-PS 20 80 016), bei dem den zerstäubten Partikeln auf ihrem Sinkweg Flüssigkeit entzogen wird. Die im Bereich der Zerstäubungsdüse in Richtung der Sinkbewegung zugeführte Trockenluft führt zu einer Erhöhung der Sinkgeschwindigkeit. Zusätzlich wird entlang der Sinkstrecke Sekundärluft als nach unten gerichtete Zentrifugalströmung zugeführt, die eine Art Schraubenströmung ergibt und die Beschleunigung der Partikel nach unten unterstützt. Dadurch ist eine kontrollierte Ausbildung der Partikel zu einer kugeligen Form und deren anschließende Erstarrung nicht gewährleistet

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch extreme Anforderungen für das Endprodukt, wie z. B. die Bildung von kugeligen Partikeln bei relativ breiter Kornverteilung zur Erzielung einer hohen Schüttdichte, erfüllt werden können.

Ausgehend von dem bekannten Verfahren gemäß der US-PS 37 19 733 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das Kühlgas im Bereich der Stelle, wo die Zerstäubung der Schmelze stattfindet, in zwei Teilströmen zuführt, von denen der erste eine Rotationsbewegung, und der zweite etwa eine Linearbewegung in Richtung der Sinkbewegung der Partikel durchführt.

Die Zugabe des Kühlgases erfolgt demgemäß 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 mit geringer Steigung durchführt, die Partikel also in einer schraubenförmigen Bahn langsam 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 Durchführung 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 Austauschstrekke ist ferner sichergestellt, daß die Tropfen im Kühlgas bis zur vollständigen Erstarrung (Kristallisation) dispergiert bleiben, also eine Reagglomeration vermieden wird.

ίο Um das Verfahren an das unterschiedliche Kristallisationsverhalten der zerstäubten Produkte anpassen zu können, ist mit Vorteil die Größe der Bewegungskomponenten des Kühlgases in Richtung der Sinkbewegung der Partikel regulierbar. Hiermit läßt sich die Länge der Austauschstrecke variieren.

Im Gegensatz zu dem bekannten Prillverfahren, bei welchem die Abluft am Kopf des Turms abgesaugt und die Feststoffpartikel am Fuß des Turms anfallen, werden die erstarrten Partikel aus dem abgezogenen Aerosol zweckmäßigerweise im Zentrifugalfeld abgeschieden. Selbstverständlich können hier aber auch andere Trennverfahren für Feststoff-Gas-Suspensionen eingesetzt werden.
Zur Durchführung des Verfahrens geht die Erfindung von einer bekannten Vorrichtung (US-FS 37 19 733) aus, die aus einem Schmelzgefäß und einem Kristallisationsturm mit einer an seinem Kopf angeordneten und mit dem Schmelzgefäß verbundenen Zerstäubungseinrichtung, einem an seinem Boden angeordneten Partikelabzug sowie einer Kühlgaszuführung besteht. Eine solche Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Kühlgaszuführung einen in den Kristallisationsturm tangential und unmittelbar unterhalb der Zerstäubungseinrichtung einmündenden Eintrittsstutzen für den ersten Teilstrom des Kühlgases und oberhalb der Zerstäubungseinrichtung einen zweiten in den Kristallisationsturm einmündenden Eintrittsstutzen für den zweiten Teilstrom des Kühlgases sowie einen Strömungsgleichrichter zum achsparallelen Ausrichten des zweiten Teilstroms des Kühlgases aufweist.

Das von einem Kompressor verdichtete Kühlgas wird zweckmäßigerweise über einen Gastrockner, z. B. einen Adsorptionstrockner, geführt und anschließend in die beiden Teilströme aufgegliedert, die in geringem Abstand voneinander am Kopf des Kristallisationsturms oberhalb und unterhalb der Zerstäubungsdüse eingeblasen werden.

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.

Der Kristallisationsturm ist zumindest im unteren Bereich mit einem Kühlmantel umgeben, der dem Aerosol im Wandbereich Wärme entzieht und die vollständige Erstarrung der Partikel beschleunigt.

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 Kristallisationsturm ausmündenden Zerstäubungsdüse versehen. Über eine Beheizung des Schmelzgefäßes läßt sich die Temperatur der Schmelze und damit der aus der Zerstäubungsdüse austretenden Tropfen sehr genau steu-

em und konstant halten, insbesondere läßt sich der beispielsweise beim Zerstäuben von Ammoniumnitrat mit Katalysatoren und Phasenstabilisatoren gewünschte geringe Überhitzungsgrad genau einhalten. Die Erfindung gestattet nicht nur das Versprühen von Schmelzen reiner Stoffe mit Zusätzen, wie Stabilisatoren und 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/Nitroguanidin/Guanidinnitrat oder Gemische mit nicht schmelzenden Stoffen, z. B. TNT/Hexogen,

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.

Schließlich ist am Boden des Kristallisationsturms ein Zentrifugalabscheider mit Absauggebläse angeschlossen, mittels dessen das Aerosol abgezogen und dem Abscheider zugeführt wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die Ausführungsformen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wiedergibt In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Gesamtansicht einer Anlage;

F i g. 2 einen Teilschnitt im Bereich des Kopfs des Kristallisationsturms;

F i g. 3 einen Axialschnitt einer Ausführungsform der Zerstäubungsdüse und

F i g. 4 einen Axialschnitt einer anderen Ausführungsform der Zerstäubungsdüse.

Die in F i g. 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. Dieses weist am Boden eine Zerstäubungsdüse 4 auf, der die Schmelze unter Schwerkraft zufließt und aus der sie in Form eines Zerstäubungskegels austritt. Das Sehrneizgefäß 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 !

Am Kopf 2 münden zwei Kühlgasleitungen 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 geführt von dem es in die beiden Leitungen 12, 13 gelangt Von der Kühlgasleitung 13 ist ferner eine Abzweigung 16 in den Heizmantel 5 des Schmelzgefäßes 3 geführL Dieses Gas dient als Arbeitsgas für die Zerstäu- ω bungsdüse 4 und wird in einer Rohrschlange 17 im Heizmantel 5 aufgeheizt, so daß es etwa die Temperatur der Schmelze annimmt bevor es in der Zerstäubungsdüse 4 mit der Schmelze in Berührung kommt

Innerhalb des Kristallisationsturms 1 ist zwischen den beiden Eintrittsstutzen 18, 19 des Kühlgases ein Strömungsgleichrichter 20 in Form eines Lochbleches angeordnet Die Teilströme 12,13 des Kühlgases treten, wie F i g. 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 F i g. 2 zeigt, mündet die Zerstäubungsdüse 2 unmittelbar am Lochblech 20 in den Kristallisationsturm 1 aus.

Der Kristailisationsturm 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 Kühlmantel verläßt. An den konischen Boden des Kristallisationsturms 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 Kühlmantel 28 versehen, der die dort abgeschiedenen Partikel auf ihrer Fallbewegung weiter abkühlt. Der Kühlmantel 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.

Die in F i g. 1 und 2 nur schematisch wiedergegebene Zerstäubungsdüse ist in zwei Ausführungsformen in den F i g. 3 und 4 gezeigt. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 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.

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.

Die in F i g. 4 gezeigte Ausführungsform der Zerstäubungsdüse 4 weist wiederum einen zentralen Zulaufkana! 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 aufgeprägt die an der Ausmündung 32 der Düse zum Zerplatzen des Schmelzstrahls führt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von festen Partikeln durch Kristallisieren von Stoffen aus ihrer Schmelze, bei dem man die Schmelze in Partikel zerstäubt, die in Sinkbewegung befindlichen Partikel in einem zugeführten Kühlgasstrom abkühlt und die festen Partikel zusammen mit dem Kühlgas am Ende der Sinkstrecke abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kühlgas im Bereich der Stelle, wo die Zerstäubung der Schmelze stattfindet, in zwei Teilströmen zuführt, von denen der erste eine Rotationsbewegung, und der zweite etwa eine Linearbewegung in Richtung der Sinkbewegung der Partikel durchführt

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend ein Schmelzgefäß und einen Kristallisationsturm mit einer an seinem Kopf angeordneten und mit dem Schmelzgefäß verbundenen Zerstäubungseinrichtung, einem an seinem Boden angeordneten Partikelabzug sowie einer Kühlgaszuführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgaszuführung einen in dem Kristallisationsturm (1) tangential und unmittelbar unterhalb der Zerstäubungseinrichtung (4) einmündenden Eintrittsstutzen (18) für den ersten Teilstrom (12) des Kühlgases und oberhalb der Zerstäubungseinrichtung (4) einen zweiten in den Kristallisationsturm einmündenden Eintrittsstutzen (19) für den zweiten Teilstrom (13) des Kühlgases sowie einen Strömungsgleichrichter (20) zum achsparallelen Ausrichten des zweiten Teilstroms (13) des Kühlgases aufweist.