Kristallisation

1. Was ist Kristallisation?

Kristallisation ist die Herstellung eines Feststoffes (Kristalle oder Niederschläge) aus einer homogenen Flüssigkeit, die bei hoher Temperatur auf ein Übersättigungsniveau (Konzentration> Löslichkeit) konzentriert wird.

Es gibt drei zur Zeit verfügbare Kristallisationsverfahren,

•      Vakuumkristallisation: Übersättigung durch Abkühlen der Lösung unter geringfügiger Verdampfung
  

•      Kühlungskristallisation: Übersättigung durch Verdampfung des Lösungsmittels unter geringer Kühlung

•      Verdampfungskristallisation: Verdampfung durch Kombination von Kühlen und Verdampfen in adiabatischen Verdampfern (Vakuumkristallisatoren)

Kristallisatoren können die kontinuierliche Kristallisation aller schwer- und hochlöslichen Natriumsalze wie Natriumchlorid und Natriumsulfat ohne übermäßige Ablagerungen und damit notwendigen Reinigungszyklen ertragen. Dies bedeutet einen höheren spezifischen Energieverbrauch (OPEX) und höhere spezifische Kapitalkosten (CAPEX).

2. Prozessbeschreibung

Die Kristallisation erfolgt im Verdampfer-Kristallisator mit Zwangszirkulation, wo die Kristalle in der Lösung erzeugt und vermehrt werden (Abb. 1). Dem Verdampfer-Kristallisator folgt eine Entwässerungsvorrichtung (Zentrifuge oder Druckfilter), die die Salzkristalle von dem Produktschlamm abtrennt. Die Mutterlauge wird zur weiteren Aufkonzentrierung in den Kristallisator zurückgeführt.

                                        

Abb.1, Kristallisationsprozess

3. Hochlösliche Salze und Siedepunktanstieg des Verdampfer  (BPR)

Mit einem Fallfilmverdampfer zur Solevolumenminimierung können wir 75% bis 95% des Wassers entfernen. In Gegenwart von hochlöslichen Salzen in der  Beschickung ist es schwierig, die letzten 5 bis 25% Wasser zu verdampfen.

Wenn die Ionenkonzentration der Salze ansteigt, steigt auch die Siedetemperatur der Lösung an. Die Erhöhung der Siedetemperatur einer Lösung über die von Wasser bei einem gegebenen Druck wird als BPR bezeichnet.

Abb.2, Graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Siedetemperatur für eine reine Calciumchloridlösung im Gegensatz zu ihrer Löslichkeitskurve bei atmosphärischem Druck. Während der Gewichtsprozentsatz des Calciumchlorids in der Lösung zunimmt, so auch der Siedepunkt der Lösung.

Bei dieser hohen Temperatur wird Calciumchlorid wie auch Magnesiumchlorid (MgCl2) oder Ammoniumchlorid (NH4Cl) in Wasser hydrolysiert, wodurch Salzsäure freigesetzt wird, welche Stahl aggressiv angreift. Je höher die Temperatur, desto höher die Hydrolysegeschwindigkeit, sodass Verdampfergefäße und Wärmeübertragungsoberflächen Baumaterialien benötigen, die der extrem korrosiven Natur dieser Salze bei hohen Konzentrationen und Temperaturen widerstehen können. Hierbei handelt es sich um sehr teure Edellegierungen, wie Palladium-legiertes Titan und Hochnickel-Chrom-Molybdän-Legierungen, die die Investitionskosten in die Höhe schnellen lassen und die Verwendung eines Kristallisators konstituieren, der in den meisten ZLD-Anwendungen eine wirtschaftliche Herausforderung darstellt.