Способ и аппарат для выделения вещества из жидкой смеси путем фракционированной кристаллизации

 

Способ выделения веществ из жидкой смеси путем фракционированной кристаллизации с осаждением кристаллического слоя на одной стороне стенки кристаллизатора, которую охлаждают с другой стороны, и последующим расплавлением кристаллического слоя. Для кристаллизации испаряют охлаждающую среду на указанной другой стороне стенки, а давление газообразной фазы охлаждающей среды в кристаллизаторе регулируют в соответствии с температурой, требуемой для кристаллизации. Способ осуществляют на аппарате, снабженном по меньшей мере одним соединительным устройством для подвода и отвода газообразной фазы среды и средствами для регулирования давления газообразной среды в кристаллизаторе. Данное решение обеспечивает уменьшение энергетических затрат. 2 с. и 15 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам выделения веществ из жидкой смеси путем фракционированной кристаллизации с осаждением кристаллического слоя на одной стороне стенки кристаллизатора, охлаждаемой с другой стороны, и последующим расплавлением кристаллического слоя.

При разделении веществ способы кристаллизации получают все большее значение в дополнение к преобладающим способам дистилляции. Для этого имеется несколько оснований. Например, преимуществом кристаллизации является то, что нетермостойкие вещества следует получать или очищать при низких температурах. Кроме того, при этом нет необходимости в дорогостоящем вакуумном оборудовании, которое необходимо при вакуумной дистилляции. Во многих случаях путем кристаллизации можно достигнуть более высокую степень очистки, чем путем дистилляции.

Другим важным преимуществом кристаллизации перед дистилляцией является то, что затраты энергии обычно ниже. Доступная энергия, используемая для охлаждения, обычно дороже, чем тепловая энергия. Но даже в этом случае, общая стоимость энергии, затрачиваемой при разделении веществ путем кристаллизации, обычно намного меньше, чем при разделении веществ путем дистилляции, благодаря тому, что расход энергии при разделении веществ путем кристаллизации обычно намного меньше, чем расход энергии при разделении веществ путем дистилляции.

В патенте США N 3272875 / НКИ 568/938, 13.09.66/ описан кристаллизатор, содержащий трубки, по которым проходит охлаждающая среда и наружные стенки которых выполняют функции кристаллизационных поверхностей. Система охлаждения, образующая вторичный контур, обеспечивает подачу охлаждающей среды из насоса к одним концам трубок, проход охлаждающей среды сквозь трубки, подачу охлаждающей среды от других концов трубок к теплообменнику и затем назад в насос. Теплообменник предназначен для передачи энергии охлаждения из первичного контура системы охлаждения. Система циркуляции продукта обеспечивает поступление продукта из другого насоса к наружным стенкам на первых концах трубок и от других концов трубок ко второму теплообменнику и назад ко второму насосу. Теплообменник системы циркуляции продукта получает тепловую энергию от источника тепловой энергии.

При работе вышеуказанного кристаллизатора на наружных стенках трубок образуется кристаллический слой вещества. В описании патента не даны подробности того, как происходит удаление кристаллического слоя. Однако известно, что после удаления жидкой смеси - маточного раствора из системы циркуляции продукта, кристаллический слой можно расплавить или путем увеличения температуры в системе охлаждения или путем введения и циркуляции ранее полученного продукта. Тепловую энергию, необходимую для расплавления кристаллического слоя, следует подавать через теплообменник системы циркуляции продукта. В описании вышеуказанного патента приведен способ, реализуемый только в лабораторных условиях, и отсутствует информация о том, каким образом можно реализовать способ в промышленных условиях. Более конкретно, отсутствует информация о деталях процесса многоступенчатой кристаллизации. Однако ясно, что для этого требуется несколько теплообменников, в результате чего происходит удорожание аппаратуры. Из-за выбранного процесса, вызывающего потери энергии, требуются большие затраты энергии, в частности дорогой энергии, идущей на охлаждение.

Были сделаны попытки уменьшить стоимость аппаратуры и затраты энергии, требуемой для фракционированной кристаллизации. Например, в акцептованной заявке ФРГ N 1769123 / МКИ /5/ B 01 D 9/00, 26.02.76/ предложено охлаждать кристаллизатор непосредственно средой в холодильной установке путем удаления паров из полости рубашки кристаллизатора. Однако, не приведены детали, каким образом можно это реализовать практически, и за время, прошедшее со дня публикации описания к указанной заявке, не появились сведения о кристаллизаторах с непосредственным охлаждением.

В отличие от кристаллизатора по ранее указанному патенту США N 2272875 в кристаллизаторе по акцептованной заявке ФРГ N 1769123 трубки охлаждаются снаружи, а жидкая смесь поступает сверху и стекает в виде пленки вниз по внутренним стенкам трубок. Кроме того, не требуется отдельный кристаллизатор для каждой стадии процесса многоступенчатой кристаллизации, так как разные стадии многоступенчатой кристаллизации происходят в одном кристаллизаторе. Далее, для уменьшения стоимости энергии предложено тепло, выделяющееся в конденсаторе холодильной установки, частично аккумулировать в баке с нагреваемой средой и затем использовать для расплавления кристаллов, передавая его через теплообменник системы циркуляции продукта. Излишнее тепло предложено отдавать в охлаждающую воду или, в экстремальных условиях - через дополнительную холодильную установку. Недостатками этого известного способа являются высокая стоимость аппаратуры и потери энергии при ее аккумулировании и преобразовании.

Задачей данного изобретения является детальная разработка способа выделения веществ из жидкой смеси, требующего меньших затрат энергии, в особенности энергии, идущей на охлаждение, и менее сложных аппаратов, чем требуют ранее известные способы.

Новый способ выделения веществ из жидкой смеси путем фракционированной кристаллизации с осаждением кристаллического слоя на стенке кристаллизатора отличается, согласно изобретению, тем, что для кристаллизации испаряют охлаждающую среду на другой стороне стенки, а давление газообразной фазы охлаждающей среды в кристаллизаторе регулируют в соответствии с температурой, требуемой для кристаллизации. Поскольку при этом способе кристаллизатор выполняет функции испарителя используемой для охлаждения среды, такой как аммиак, вода и пр., то не требуется теплообменник для передачи охлаждающей энергии из системы охлаждения холодильной машины в систему охлаждения кристаллизатора. В результате этого также происходит уменьшение потерь энергии. Температуру процесса можно регулировать с тем, чтобы она была оптимальной, путем регулирования давления газообразной фазы среды.

Целесообразно дать возможность среде стекать в виде тонкой пленки вниз по стенке. Это обеспечивает равномерно охлаждение стенки, что является желательным для процесса кристаллизации.

Целесообразно среду, подаваемую для расплавления кристаллического слоя или перевода его в жидкое состояние, конденсировать на стенке из газообразного состояния, а давление газообразной среды регулировать в соответствии с требуемой температурой на стенке. Это устраняет необходимость в теплообменнике для подвода тепловой энергии. Температуру процесса следует регулировать так, чтобы она была оптимальной, путем регулирования давления газообразной фазы среды.

Особенно целесообразно использовать по меньшей мере один кристаллизатор для кристаллизации вещества и по меньшей мере один-другой кристаллизатор для расплавления кристаллов, а газообразную среду, находящуюся в первом кристаллизаторе при кристаллизации, сжимать и конденсировать при расплавлении кристаллов в другом кристаллизаторе. Последовательно чередуясь, один кристаллизатор работает как конденсатор, а другой кристаллизатор - как испаритель холодильной машины. Таким образом, происходит непосредственное полезное использование охлаждающей энергии и обычно теряемого тепла, выделяемого холодильной машиной. Это позволяет сберегать 30% и более энергии по сравнению с обычными способами. Тем самым, можно уменьшить размеры холодильной машины по сравнению с ранее известными способами.

Согласно предпочтительному варианту выполнения способа в процессе плавления в кристаллизатор подают дополнительную внешнюю тепловую энергию, а избыточную тепловую энергию последовательно отводят. Это позволяет сделать процесс более гибким. Например, кристаллы можно расплавлять быстрее, чем протекает процесс кристаллизации, если внешнюю тепловую энергию дополнительно подавать в кристаллизатор в течение процесса плавления, а избыточную тепловую энергию последовательно отводить. Холодильная машина может постоянно работать независимо от величины тепла, требуемого для проведения процесса в данный момент.

Таким образом, путем регулирования давлений можно обеспечить независимую работу каждого кристаллизатора от остальных кристаллизаторов, тем самым можно управлять температурными градиентами, температурами начала плавления тепловыми градиентами для частичного расплавления кристаллов и т.д.

Изобретение относится также к аппарату для осуществления способа. Аппарат, содержащий кристаллизатор, имеющий корпус, в котором кристаллизационная камера отделена от камеры для среды стенкой, предназначенной для осаждения кристаллов, причем камера для среды снабжена по меньшей мере одним соединительным с устройством для подвода и одним соединительным устройством для отвода жидкой среды, согласно изобретению снабжено по меньшей мере одним соединительным устройством для подвода и отвода газообразной фазы среды, и средствами для управления давлением газообразной фазы среды в кристаллизаторе.

Средства для регулирования давления газообразной фазы среды могут быть выполнены, например, в виде регулирующих заслонок или клапанов, которые в соответствии с величинами давлений, заданных блоком управления процессом, дают возможность газообразной фазе среды выходить из кристаллизатора во время процесса кристаллизации и поступать в кристаллизатор на стадии расплавления кристаллов или перехода их в жидкое состояние. Как было отмечено при описании способа, путем регулирования давления температуру процесса можно регулировать так, чтобы она была оптимальной.

Целесообразно снабдить аппарат вспомогательным испарителем. При необходимости вспомогательный испаритель, испаряя жидкую среду, может генерировать газообразную среду, преимущественно при работе кристаллизатора в режиме испарителя. Вспомогательный испаритель может работать на отработанном паре. Тем самым, в любое время жидкая среда может быть испарена отработанным паром, если требуется больше тепловой энергии, чем ее вырабатывается при кристаллизации. Преимуществом этого является то, что каждый кристаллизатор может работать независимо от других. Например, кристаллы можно расплавлять за время меньшее, чем время процесса кристаллизации.

Аппарат может быть снабжен вспомогательным конденсатором, например имеющим водяное охлаждение, для отвода избыточной тепловой энергии после того, как кристаллы будут расплавлены. Если в качестве среды использованы пар или вода, вспомогательный испаритель не нужен. Давление и, следовательно, температуру в кристаллизаторе при этом можно уменьшить выпуском пара.

В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения имеется по меньшей мере одна трубка предпочтительно расположенная вертикально, закрытая на одном конце и образующая указанную стенку, при этом аппарат снабжен средством для подачи жидкой среды в зону закрытого конца трубки, откуда она может стекать в виде пленки вниз по стенке. Как подробно показано, ниже такое выполнение создает конструкцию кристаллизатора с особенными преимуществами, обладающего герметичностью даже при использовании среды с относительно высоким давлением.

Предпочтительно вводить жидкую среду посредством стояка. Для того, чтобы не создавать препятствия стеканию жидкой среды в виде пленки, стояк можно удерживать на расстоянии от стенки посредством проставок.

В одном предпочтительном варианте выполнения аппарата кристаллизатор содержит несколько трубок, которые жестко соединены с поддоном для продукта, проходят через отверстия в распределительном поддоне и выступают под ним, причем между стенкой каждого отверстия и каждой трубкой оставлен зазор, сквозь который жидкая смесь, предназначенная для осуществления фракционированной кристаллизации, может стекать вниз вдоль наружной стенки трубки. При таком выполнении в случае изменения температуры трубки могут расширяться и сжиматься независимо одна от другой. Другие преимущества аппарата, указанные в зависимых пунктах формулы изобретения, уже отмечены при описании особенностей способа или будут понятны из следующего ниже описания.

На фиг. 1 схематично показана система охлаждения согласно изобретению для установки многоступенчатой фракционированной кристаллизации; на фиг. 2 показан кристаллизатор, особенно подходящий для системы охлаждения согласно фиг. 1; на фиг. 3 показан вариант выполнения системы по фиг. 1, предназначенной для работы с паром.

Изобретение особенно целесообразно для процесса многоступенчатой кристаллизации, использующего два или более кристаллизатора. Поэтому изобретение описано с ссылкой на многоступенчатый процесс кристаллизации, но не ограничено только этим процессом. Поскольку установки для многоступенчатой кристаллизации хорошо известны специалистам, не требуется давать детальное описание, относящееся к таким установкам. Следует обратиться к соответствующей технической литературе или к описаниям, указанным в вводной части.

Показанный на фиг. 1 аппарат с холодильной установкой, которая работает на такой охлаждающей среде, как аммиак для вещества с подобными характеристиками, особенно пригоден для кристаллизации продуктов, имеющих точку кристаллизации ниже примерно 120^oC. Если точка кристаллизации продукта находится в пределах примерно 100-230^oC, то вместо аммиака может быть использован водяной пар, и холодильная машина не нужна. На фиг. 3 показан аппарат, работающий на паре. Все совпадающие части аппаратов, показанных на фиг.1 и фиг. 3, имеют одинаковые обозначения.

Кристаллизационная установка для многоступенчатой фракционированной кристаллизации /фиг. 1 и фиг. 3/ содержит несколько кристаллизаторов, например три кристаллизатора S1, S2, S3. Показанная на фиг. 1 установка содержит холодильную машину 11 с компрессором 13, но без обычных для холодильной установки испарителя и конденсатора, функции которых выполняют части кристаллизаторов S1, S2, S3 в установке, показанной на фиг. 3, холодильная машина отсутствует.

С кристаллизаторами S1, S2, S3 соединены подводящие трубопроводы 15, 16, 17, предназначенные для подачи газообразной среды. В трубопроводах 15, 16, 17 установлены регулирующие заслонки 18, 19, 20, предназначенные для раздельного регулирования давления газообразной среды, подаваемой в кристаллизаторы. Трубопроводы 15, 16, 17 соединены с распределительным трубопроводом 21. В установке, показанной на фиг. 1, распределительный трубопровод 21 соединен с нагнетательной стороной компрессора 13. С всасывающей стороной компрессора 13 /фиг. 1/ соединен коллекторный трубопровод 23. Кристаллизаторы S1, S2, S3 /фиг. 1 и фиг. 3/ соединены с коллекторным трубопроводом 23 посредством отводящих трубопроводов 25, 26, 27, в которых установлены регулирующие клапаны 28, 29, 30. Установка имеет блок 33 управления процессом.

Кристаллизационная установка содержит также бак 35 для жидкой среды, с которым соединен насос 37. Нагнетательная сторона насоса 37 соединена с трубопроводом 39, который через регулирующие клапаны 40, 41, 42 соединен с кристаллизаторами S1, S2, S3. Бак 35 снабжен устройством LC 1 для измерения и регулирования уровня жидкости. Между трубопроводом 39 и баком 35 установлен перепускной клапан 44. С кристаллизаторами S1, S2, S5, соединены устройства 45, 46, 47 для слива жидкости, которые посредством трубопровода 49 соединены с баком 35.

Показанная на фиг. 1 установка снабжена вспомогательным испарителем 53, который через клапан 52 соединен с трубопроводом 50 подачи отработавшего пара, и баком 48 для сконденсировавшегося пара, с которым соединен насос 51, управляемый устройством LC 3 для измерения и регулирования уровня жидкости и предназначенный для перекачки конденсата из бака 48 в парогенератор /не показан/. Вспомогательный испаритель соединен с распределительным трубопроводом 21.

Установка снабжена также вспомогательным конденсатором 55, который соединен с распределительным трубопроводом 21 /фиг. 1/ или с коллекторным трубопроводом 23 /фиг. 3/ и с водяной системой охлаждения /не обозначена/ через трубопроводы 56, 58 и клапан 57. С вспомогательным конденсатором 55 соединен бак 61, который через клапан 63 соединен с баком 35.

Показанная на фиг. 3 установка имеет клапан 60 для соединения распределительного трубопровода 21 с трубопроводом подачи пара /не обозначен/, клапан 64 выпуска конденсата, т. е. воды, из бака 35 и клапан 65 выпуска отработанного пара. Кроме того, установка /фиг. 1 и фиг. 3/ содержит устройство LC2 для измерения и регулирования уровня жидкости в баке 61, связанное с клапаном 63, измерительные и управляющие устройства PC1, PC2, PC3, связанные с заслонками 18, 19, 20 и клапанами 28, 29, 30, а также измерительное и управляющее устройство PC4, связанное с клапанами 52, 57 /фиг. 1/ или только с клапаном 57 /фиг. 3/. Устройства PC1, PC2, PC3, PC4 связаны /не показано/ с блоком 33 управления процессом.

Кристаллизаторы S1, S2, S3 имеют одинаковую конструкцию. Один примерный вариант выполнения кристаллизатора показан на фиг. 2. кристаллизатор 70 содержит полый корпус 71, имеющий наружную стенку 72. Сверху корпус 71 закрыт крышкой 73. В корпусе 71 выполнена кристаллизационная камера 74 и расположено несколько вертикально расположенных трубок 75 /показана только одна трубка/. Трубки 75 образуют стенку, предназначенную для того, чтобы на ней происходила кристаллизация. Каждая трубка 75 закрыта, например заварена на верхнем конце 69 и имеет наружную поверхность 76 и внутреннюю поверхность 78. В крышке 73 выполнено впускное отверстие 77 для подачи жидкой смеси. В нижней части корпуса 71 выполнена камера 80 для среды. В верхней части корпуса 71 расположен распределительный поддон 81, имеющий несколько отверстий 82, сквозь которые проходят вверх трубки 75, выступающие над поддоном 81. Крышка 73 корпуса 71 расположена над распределительными поддоном 81. Между каждой трубкой 75 и каждым отверстием 82 поддона 81 выполнен зазор 83. В нижней части камеры 74 выполнено выпускное отверстие 84 для отвода жидкой среды. Непосредственно под отверстием 84 расположен поддон 85 для продукта, разделяющий камеры 74 и 80. Трубки 75 жестко соединены, с поддоном 85, например приварены к нему.

В нижней части каждой трубки 75 на некотором расстоянии от поддона 85 выполнен заплечик 86, образующий выполненное зацело с трубкой наружное кольцо. Внутри каждой трубки 75 расположены полый стояк 87, верхний конец которого расположен в зоне под распределительным поддоном 81, и трубка 88, верхний конец которой расположен на уровне заплечика 86. Между стенкой трубки 75 и трубкой 88 оставлена полость 88'.

В нижней части каждого стояка 87 выполнено резьбовое соединение 89, при помощи которого стояк 87 соединен с опорной пластиной 90. Стояк 87 сцентрирован в трубке и зафиксирован на некотором расстоянии от ее внутренней поверхности 78 посредством проставок 91. В трубке 75 на некотором расстоянии от верхнего конца стояка 87 установлен отражатель 92, расположенный ниже распределительного поддона 81.

В нижней части кристаллизатора 70 выполнены соединительное устройство 94 для отвода жидкой среды из камеры 80, соединительное устройство 95 для подвода жидкой среды в стояки 87 и соединительное устройство 96 для подвода и отвода газообразной фазы среды. Устройство 94 соединено с трубопроводом 49 /фиг. 1 и фиг. 3/ чрез устройство 45, 46 или 47 для слива жидкости. Устройство 95 соединено с трубопроводом 39 через регулирующий клапан 40, 41 или 42. Устройство 96 через заслонку 18, 19 или 20 соединено с распределительным трубопроводом 21 и через клапан 28, 29 или 30 соединено с коллекторным трубопроводом 23.

Следует отметить, что кристаллизатор 70 разделен поддоном 85 на две камеры 74 и 80, между которыми при работе кристаллизатора существует заметная разность давлений. Обычно кристаллизационная камера 74 при работе кристаллизатора находится под наружным давлением или небольшим избыточным давлением, в то время, как в камере 80 для среды находится среда под давлением, например, порядка 14 бар. Очень важно предотвратить утечки среды из камеры 80 и в камеру 74. В кристаллизаторе 70, выполненном согласно изобретению, отсутствуют резьбовое крепление трубок 75, которые могут вызвать утечки. Верхний конец 69 каждой трубки 75 закрыт при помощи сварки. Снизу каждая трубка приварена к поддону 85, который, в свою очередь, приварен к наружной стенке 72 корпуса 71. Сварные соединения этого типа обеспечивают герметичность при работе кристаллизатора. Другим преимуществом показанной конструкции является то, что трубки 75 могут свободно перемещаться относительно распределительного поддона 81. Тем самым, устранен риск повреждения трубок 75 при охлаждении и нагреве в результате их разного расширения и сжатия.

Способ выделения вещества из жидкой смеси осуществляют следующим образом.

На наружную поверхность 76 стенки кристаллизатора S1, S2, S3 подают жидкую смесь - маточный раствор, содержащий вещество, подлежащее выделению. Подаваемая смесь имеет температуру более высокую, чем температура кристаллизации указанного вещества. Жидкая смесь может стекать в виде пленки вниз по стенке. Внутреннюю поверхность 78 стенки охлаждают при помощи среды, которую подают в жидком состоянии и температурой меньшей, чем температура жидкой смеси, и испаряют на стенке с другой ее стороны, давая возможность неиспарившейся среде стекать в виде пленки вниз по стенке. Давление газообразной фазы испарившейся среды регулируют в соответствии с температурой, требуемой для кристаллизации вещества. В результате этого происходит охлаждение жидкой смеси, кристаллизация вещества, подлежащего выделению, и осаждение кристаллического слоя на наружной поверхности 76 стенки трубки 75. После того, как на стенке произойдет образование кристаллического слоя, имеющего заданную толщину, производят его расплавление или переводят его в жидкое состояние и удаляют со стенки. Для этого газообразную среду сжимают, в результате чего ее температура повышается до температуры, превышающей температуру плавления кристаллов, и сжатую газообразную среду конденсируют на стенке, в результате чего она отдает тепло стенке и через нее - кристаллическому слою. При этом давление газообразной среды регулируют в соответствии с требуемой температурой на стенке. При работе установки с несколькими кристаллизаторами один кристаллизатор или несколько кристаллизаторов используют для кристаллизации вещества и другой кристаллизатор одновременно используют для расплавления кристаллов. При этом ту же газообразную среду, которую использовали для кристаллизации в первых кристаллизаторах, сжимают и конденсируют для расплавления кристаллов в последнем кристаллизаторе. В процессе плавления кристаллов в кристаллизатор подают дополнительную внешнюю энергию, а избыточную тепловую энергию последовательно отводят. Внешнюю тепловую энергию подают путем испарения жидкой среды во вспомогательном испарителе 53. Избыточную тепловую энергию отводят посредством вспомогательного конденсатора 55.

Кристаллизационная установка работает следующим образом.

В показанной на фиг.1 кристаллизационной установке обычно одновременно работают по меньшей мере два кристаллизатора - один как испаритель, а другой - как конденсатор холодильной машины 1. Один кристаллизатор работает как испаритель во время кристаллизации и как конденсатор во время расплавления кристаллов. Т.е. испаритель и конденсатор вынесены из узла 11 и образуют часть кристаллизаторов S1, S2, S3. Это предполагает, что, в принципе, всегда по меньшей мере один кристаллизатор работает как испаритель, и по меньшей мере один-другой кристаллизатор работает как конденсатор, если отсутствует вспомогательный конденсатор или вспомогательный испаритель. Даже когда несколько кристаллизаторов одновременно работают как испарители и конденсаторы на разных ступенях процесса, температуру стенки, на которой происходит кристаллизация, можно поддерживать разной в каждом кристаллизаторе. Это можно просто осуществлять путем поддерживания давления газообразной среды в каждом кристаллизаторе в соответствии с требуемой температурой на стенке. Если требуемая тепловая энергия больше, чем уходящая вырабатываемая холодильной машиной 11, то должен быть включен вспомогательный испаритель 53. Давление газообразной среды в кристаллизаторах S1, S2, S3 регулируют измерительные и управляющие устройства PC1, PC2, PC3, соединенные с трубопроводами 25, 26 и 27. Требуемую температуру при этом задает блок 33 управления процессом.

Трубопроводы 25, 26, 27 ведут из кристаллизаторов S1, S2, S3 через соединительное устройство 96 /фиг. 2/ к коллекторному трубопроводу 23, который ведет к всасывающей стороне компрессора 13. В коллекторном трубопроводе 23 поддерживается относительно малое давление, равное, например 2 барам. Клапаны 28, 29, 30 могут раздельно регулировать давление газообразной среды, например, аммиака, в кристаллизаторах во время процесса кристаллизации. Это давление определяет температуру испарения среды, которая охлаждает трубки кристаллизатора.

Газообразная среда из нагнетательной стороны компрессора 13 может поступать через распределительный трубопровод 21 и отходящие от него трубопроводы 15, 16, 17 к каждому кристаллизатору S1, S2, S3 через соединительное устройство 96 /фиг. 2/. В распределительном трубопроводе 21 поддерживается относительно высокое давление, равное, например, 14 барам. Заслонки 18, 19, 20 в трубопроводах 15, 16, 17 могут раздельно регулировать давление газообразной среды в кристаллизаторах S1, S2, S3 во время расплавления кристаллов. Это давление определяет температуру конденсирующейся среды, которая нагревает трубки кристаллизатора.

Блок 33 управления процессом задает давления, и следовательно, температуры во время кристаллизации и во время расплавления кристаллов.

Насос 37, нагнетательная сторона которого соединена с трубопроводом 39, подает жидкую среду из бака 35 к кристаллизаторам S1, S2, S3 через клапаны 40, 41, 42. Перепускной клапан 44 между трубопроводом 39 и баком 35 поддерживает постоянное давление на входе клапанов 40, 41, 42. Блок 33 управления процессом определяет, какой кристаллизатор или какие кристаллизаторы работают как испарители и, следовательно, какой из клапанов 40, 41, 42 должен быть открыт или закрыт. Устройства 45, 46, 47 сливают излишнюю охлаждающую среду или сконденсировавшуюся среду, когда соответствующий кристаллизатор работает как конденсатор, через трубопровод 49 в бак 35. Каждое устройство 45, 46, 47 для слива жидкости выполнено таким образом, что оно пропускает жидкость и не пропускает газ, так что не происходит изменения давления газообразной среды в кристаллизаторе.

Расплавление кристаллов должно происходить за гораздо меньшее время, чем время, необходимое для их образования. Поэтому, когда в одном кристаллизаторе происходит процесс кристаллизации, а в другом кристаллизаторе происходит расплавление кристаллов, тепло, выделяемое при работе холодильной машиной 11, недостаточно для того, чтобы процесс расплавления кристаллов происходил быстрее, чем процесс кристаллизации. Следовательно, необходимо подводить внешнее тепло. Дополнительная тепловая энергия может быть получена из вспомогательного испарителя 53.

Вспомогательный испаритель 53 может работать на отработанном паре, подаваемом, например, через трубопровод 50 и клапан 52. Клапан 52 управляется в соответствии с заданным давлением, устанавливаемым блоком 33 управления процессом, и давлением в распределительном трубопроводе 21, определяемым измерительным и управляющим устройством PC4. Испаритель 53 соединен с распределительным трубопроводом 21 для подачи в него газообразной среды, когда потребляемая тепловая энергия больше, чем отработанная тепловая энергия, вырабатываемая в то же время холодильной машиной 11.

Вспомогательный конденсатор 55 введен для отвода избыточной тепловой энергии. Вспомогательный конденсатор 55 может быть соединен с водяной системой охлаждения через трубопроводы 56, 58 и клапан 57. Вспомогательный конденсатор 55 соединен с распределительным трубопроводом 21 для отвода из него газообразной среды и ее конденсации, когда потребляется меньше отработанного тепла, чем выделяется в это же время холодильной машиной 11. Клапан 57 управляется в соответствии с заданным давлением, устанавливаемым блоком 33 управления процессом, и давлением, определяемым устройством PC4. Среда, превращенная в жидкость вспомогательным конденсатором 55, может стекать в бак 61, служащий ресивером для бака 35 и вспомогательного испарителя 53. Жидкость из бака 61 в бак 35 поступает через клапан 63.

При работе любого кристаллизатора S1, S2, S3 жидкая смесь поступает через впускное отверстие 77 в полый корпус 71, попадает на распределительный поддон 81, проходит через зазоры 83 на наружные поверхности 76 трубок 75, стекает по ним вниз в виде пленки на поддон 85 и вытекает наружу через выпускное отверстие 84. Одновременно через стояк 87 в верхнюю часть каждой трубки 75 поступает жидкая охлаждающая среда, которая стекает в виде пленки вниз по внутренней стороне 78 каждой трубки 75 и производит ее охлаждение и частично испаряется. В результате этого на наружной поверхности 76 каждой трубки 75 образуются кристаллы вещества, подлежащего выделению из видной смеси. Благодаря отражателю 92 верхняя часть каждой трубки 75 и распределительный поддон 81 не охлаждаются, так что жидкая смесь может свободно протекать через зазоры 83. Заплечик 86 удерживает образующиеся на стенке трубки 75 кристаллы от соскальзывания вниз. Трубка 88, служащая отражателем стекающей пленки, расположена в нижней части стенки 75 и препятствует образованию кристаллов в зоне под заплечиком 86. Жидкая смесь перекачивается из выпускного отверстия 84 во впускное отверстие 77 известным образом при помощи циркуляционного насоса /не показан/ до тех пор, пока не завершится процесс кристаллизации в этой ступени.

При работе кристаллизатора как конденсатора при расплавлении кристаллов, образовавшихся на наружных поверхностях 76 трубок 75, среда, поступающая чрез стояки 87, конденсируется на внутренних поверхностях 78 трубок 75 и нагревает их. При этом происходит нагрев также верхних частей 69 трубок 75. Среда, конденсирующая в полостях 88', нагревает также нижние части трубок 75. В результате этого происходит расплавление образовавшихся кристаллов и удаление выделенного вещества через выпускное отверстие 84.

Среда, которая не испарилась в процессе кристаллизации или сконденсировалась при расплавлении кристаллов, может стекать через соединительные устройства 94 и устройства 45, 46, 47 для слива жидкости. Соединительное устройство 95 обеспечивает подачу жидкой среды от клапанов 40, 41, 42. Соединительное устройство 96 служит для удаления среды, испаренной в процессе кристаллизации, или для подачи газообразной среды, в процессе расплавления кристаллов.

При работе установки, показанной на фиг. 3, в распределительный трубопровод 21 через клапан 60 поступает пар. Отработанный пар выходит через клапан 65. Конденсат, т.е. вода, в случае необходимости выпускается из бака 35 через клапан 64. В остальном эта установка работает также, как показанная на фиг. 1.

Могут быть сделаны разные изменения без отклонения от принципа изобретения. Одним альтернативным вариантом в случае использования кристаллизатора по акцептованной заявке ФРГ N 1799123, является впрыск жидкой среды внутрь кристаллизатора вместо подачи ее снаружи на трубки. Другим альтернативным вариантом может быть, например, многоступенчатая кристаллизация с использованием одного кристаллизатора. В этом случае жидкую среду, полученную при кристаллизации, следует собирать в бак для последующего использования в процессе кристаллизации.

Формула изобретения

1. Способ выделения веществ из жидкой смеси путем фракционированной кристаллизации с осаждением кристаллического слоя на одной стороне стенки кристаллизатора, которую охлаждают с другой стороны, и последующим расплавлением кристаллического слоя, отличающийся тем, что для кристаллизации испаряют охлаждающую среду на указанной стороне стенки, а давление газообразной фазы охлаждающей среды в кристаллизаторе регулируют в соответствии с температурой, требуемой для кристаллизации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что среде дают возможность стекать в виде пленки вниз по стене.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что среду, подаваемую для расплавления кристаллического слоя или для перевода в жидкое состояние, в газообразном состоянии конденсируют на стенке, а давление газообразной среды регулируют в соответствии с требуемой температурой на стенке.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что по меньшей мере один кристаллизатор используют для кристаллизации и по меньшей мере один другой кристаллизатор используют для расплавления кристаллов, а газообразную среду, находящуюся в одном кристаллизаторе при кристаллизации, сжимают и конденсируют для расплавления кристаллов в другом кристаллизаторе.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в процессе плавления в кристаллизатор подают дополнительную внешнюю тепловую энергию, а избыточную тепловую энергию последовательно отводят.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что внешнюю тепловую энергию подают путем испарения жидкой среды во вспомогательном испарителе.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что избыточную тепловую энергию отводят посредством вспомогательного конденсатора.

8. Аппарат для выделения веществ из жидкой смеси путем фракционированной кристаллизации, содержащий кристаллизатор, имеющий корпус, в котором кристаллизационная камера отделена от камеры для среды стенкой, предназначенной для осаждения кристаллов, и камера для среды снабжена по меньшей мере одним соединительным устройством для подвода и одним соединительным устройством для отвода жидкой среды, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним соединительным устройством для подвода и отвода газообразной фазы среды и средствами для регулирования давления газообразной среды в кристаллизаторе.

9. Аппарат по п. 8, отличающийся тем, что он снабжен вспомогательным испарителем.

10. Аппарат по п. 9, отличающийся тем, что он снабжен вспомогательным конденсатором.

11. Аппарат по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что имеется по меньшей мере одна трубка, предпочтительно расположенная вертикально, закрытая на одном конце и образующая указанную стенку, при этом аппарат снабжен средством для подачи жидкой среды в зоне закрытого конца трубки, откуда она может стекать в виде пленки вниз по стенке.

12. Аппарат по любому из пп.8-11, отличающийся тем, что средство для подачи жидкой среды выполнено в виде стояка.

13. Аппарат по любому из пп.8-12, отличающийся тем, что стояк зафиксирован на расстоянии от стенки посредством проставок.

14. Аппарат по любому из пп. 11-13, отличающийся тем, что несколько трубок, проходящих сквозь отверстия в распределительном поддоне и выступающих над ним, жестко соединены с поддоном для продукта, причем выполнен зазор для возможности стекания вниз вдоль наружных поверхностей трубок жидкой смеси, предназначенной для осуществления фракционированной кристаллизации.

15. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что стояк введен в зону под распределительным поддоном.

16. Аппарат по любому из пп.8-15, отличающийся тем, что он снабжен отражательным устройством, например отражательной трубкой, расположенным в нижней части стенки и предназначенным для стекания пленки, а между стенкой и отражательным устройством оставлена полость.

17. Аппарат по любому из пп.8-16, отличающийся тем, что над распределительным поддоном расположена крышка корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3