Continuous crystallization in a helically coiled flow tube crystallizer

Abstract

This dissertation discusses a tubular setup with regard to its potential for continuous crystallization of narrow crystal size distributions. This application of tubular setups is motivated by a demand for new devices and strategies for continuous crystallization on a small scale. Among the continuous crystallizers is the helically coiled ow tube, which combines the advantages of high mass and heat transfer rates for cooling crystallization. The dissertation is divided into three main parts. First, residence time distributions and crystal growth are determined experimentally in straight tubes and in helically coiled

ow tubes. Next, a momentum balance model is developed to validate the measured particle residence time distributions. Finally, the evolution of crystal size distributions in helically coiled ow tubes is modeled and simulated with a coupled population balance equation system. This study shows in crystallization experiments that an improved radial mixing and more uniform residence time distributions are reached by using helically coiled ow tubes rather than straight tubes. In helically coiled ow tube crystallizers, ow rates in the transient and turbulent regimes are neither necessary nor beneficial. The operation at laminar ow rates enables relatively long residence times and large final crystal sizes after crystal growth, even at short tube lengths. For this reason, helically coiled ow tube crystallizers can be realized with low pressure loss. The residence times of non-neutrally buoyant spherical particles and angular crystals are measured experimentally in straight and helically coiled ow tubes. In both setups, large particles are faster than small particles, a finding observed for the first time, here, for crystals in helically coiled ow tubes. The observation can be explained, in a first approximation, by a newly developed model. The movement of single particles in straight tubes is modeled with a momentum balance. Forces dominating particle residence time are identified, and the experimental size dependency of the residence time distribution is reproduced. The residence time distribution is independent of the wall material, which allows the material to be chosen depending on the application. Moreover, the findings of this study can also be applied to other solid-liquid processes with spherical and irregular particles. The population balance equation system is parameterized from seeded batch experiments. Subsequently, continuous growth-dominated crystallization in helically coiled ow tubes is simulated. Though plug ow is not reached, a size-dependent residence time is advantageous because small crystals have more time to grow than large ones. Therefore, helically coiled ow tubes offer the potential to narrow crystal size distributions. For potash alum, independent of seed crystal size distributions, the width of crystal size distributions remains nearly constant despite growth rate dispersion. It is shown that narrow crystal size distributions can be produced in the device, during cooling crystallization, at laminar ow rates. Furthermore, a large product mass ow of large crystals and a high yield can be reached simultaneously, in helically coiled ow tubes. Hence, the dissertation is an important step towards the industrial application of continuous crystallization for narrowly distributed size-specific crystals.

In dieser Arbeit wird das Potential eines Strömungsrohres für die Kristallisation untersucht. In der kontinuierlichen Kristallisation wurden zuletzt vermehrt neue kontinuierliche Apparate und Konzepte für kleinvolumige Produkte entwickelt. Darunter befinden sich Wendelrohrkristaller, die hohe Stoff- und Wärmetransportraten ermöglichen und so Vorteile für die Kühlungskristallisation bieten. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile. Zuerst werden Verweilzeitverteilungen undWachstumsraten experimentell in geraden Rohren und in Wendelrohren gemessen. Um die Verweilzeitverteilungen zu validieren, wird die Partikelbewegung basierend auf einer Momentenbilanz modelliert. Schließlich wird die Entwicklung der Kristallgrößenverteilung in Wendelrohren mit einem gekoppelten Populationsbilanzsystem modelliert und simuliert. Für die Kristallisation sollten Wendelrohre gegenüber geraden Rohren bevorzugt werden, da sie eine bessere radiale Vermischung und engere Verweilzeitverteilungen ermöglichen. Es wird gezeigt, dass in den Wendelrohren dafür keine instationären oder turbulenten Strömungsgeschwindigkeiten notwendig sind. Der Betrieb bei laminaren Bedingungen ermöglicht somit auch in kurzen Rohren lange Verweilzeiten zur Erzeugung großer Kristalle durch Wachstum. Dadurch können Wendelrohrkristaller mit niedrigem Druckverlust betrieben werden. Die Partikelverweilzeit wird für übliche kugelförmige Partikel und auch für eckige Kristalle experimentell bestimmt. Sowohl in geraden Rohren als auch in Wendelrohren sind große Partikel schneller als kleine Partikel. Für Kristalle wurde diese partikelgrößenabh ängige Verweilzeit das erste Mal im Wendelrohr beobachtet und sie kann mit einem neu entwickelten Impulsbilanzmodell in erster Näherung erklärt werden. Das Modell beschreibt die Bewegung eines einzelnen Partikels in einem geraden Rohr. Dadurch können die Kräfte identifiziert werden, die die partikelgrößenabhängige Verweilzeit verursachen. Die Verweilzeitverteilung ist unabhängig vom Wandmaterial. Bei der Implementierung eines Wendelrohrkristallers kann das Wandmaterial daher je nach Anwendung frei ausgewählt werden. Die Verweilzeitergebnisse können auch für andere Fest-Flüssig- Prozesse in Wendelrohren mit kugelförmigen und unregelmäßigen Partikeln relevant sein. Das Populationsbilanzsystem wird basierend auf Batch-Experimenten unter Zugabe von Saatkristallen parametrisiert. Dies ermöglicht die Simulation der kontinuierlichen wachstumsdominierten Kristallisation im Wendelrohr. Auch wenn keine ideale Pfropfenstr ömung erreicht wird, ist eine partikelgrößenabhängige Verweilzeit vorteilhaft, da kleine Kristalle mehr Zeit zum Wachsen haben als große Kristalle. Dadurch haben Wendelrohre das Potential Kristallpopulationen mit einer engen Größenverteilung zu erzeugen. Für Kalialaun bleibt die Breite der Kristallgrößenverteilung trotz Wachstumsratendispersion, unabhängig von der Anfangsverteilung, nahezu konstant. Es wird gezeigt, dass mittels Kristallwachstum in Wendelrohren enge Kristallgrößenverteilungen bei laminaren Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt werden. Gleichzeitig können große Massenströme, große Kristalle und hohe Ausbeuten erreicht werden. Damit stellt die Arbeit einen wichtigen Schritt zur kontinuierlichen Kristallisation von engen Kristallgrößenverteilungen für industrielle Anwendungen dar.