Kristallisation. Grundlagen und Technik. Gunther Matz. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Von. Zweite, voilig neu bearbeitete Auflage

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1 Kristallisation Grundlagen und Technik Von Gunther Matz Zweite, voilig neu bearbeitete Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1969

2 Dr. phil. nat. GUNTHER MATZ Farbenfabriken Bayer, Wuppertal-Elberfeld Das Buch enthiilt 174 Abbildungen ISBN-13: S-4 e-isbn-13: DOl: / Aile Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Springer-Verlage. iibersetzt oder in irgendeiner Form vervielfiiltigt werden. by Springer Verlag. Berlin Heidelberg 1954, and 1969 Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1969 Library of Congress Catalog Card Number: Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daj.l solche Namen im Sinne der Warenzeichen und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften Titelnummer 1513

3 Vorwort zur zweitell Auflage In den 15 Jahren, die snit Erscheinen der ersten Auflage vergangen sind, wurden auf dem Gebiete der Kristallisation erstaunliche Fortschritte erzielt wurde das Zonenschmelzen entdeckt, in den Jahren erfullte sich mit dem Gelingen der Diamant Synthese ein Menschheitstraum. Seit 1955 hat die Bedeutung del' adduktiven Kristallisation entscheidend zugenommen erreichte die hydrothermale Synthese beim Quarz technische AusmaBe, im gleichen Jahr wurde die FlieBbett-Sublimation entwickelt, und 1962 gelangen entscheidende Versuche zur Desublimation im FlieBbett. Seit etwa 1965 wurden Ausfrierverfahren zur Gewinnung von SiiBwasser aus Meerwasser technisch angewendet. Neue Heizquellen wurden fur das Flammenschmelzverfahren erfolgreich herangezogen. Starke Impulse wendeten sich dem Gebiet del' fraktionierten Kristallisation zu; hier wurden sowohl auf theoretischem Gebiet, als auch bei der Entwicklung von Apparaturen betrachtliche Erfolge errungen, technische Anlagen wurden zur Reife entwickelt. Eine Fiille neuer Einkristalle mit besonderen piezoelektrischen oder elektrooptischen odei' auch ferroelektrischen Eigenschaften wurde nach zum Teil ganz neuen Verfahren geziichtet. Es scheint, dab die Woge der Neuerkenntnisse noch nicht verebbt. Angesichts dieser ungewohnlichen Situation war eine vollige Neubearbeitung der erst en Auflage geboten. Die neue Auflage ist wesentlich umfassender und mehr aufgegliedert als die erste. Die allgemeine Zielsetzung blieb erhalten, namlich von der breiten Basis gesicherter Grundlagen aus zu einem Verstandnis der technischen Kristallisation und der Kristallisatoren zu gelangen. Aber kein Spezialgebiet sollte besonders herausgearbeitet, sondern jedes Teilgebiet moglichst gleichmabig berticksichtigt werden. Das Kapitel tiber die Grundlagen der Kristallisation wurde neu gegliedert, und die Umarbeitung mancher Paragraphen (z. B. Loslichkeit und Dberloslichkeit) lieb sich nicht vermeiden. Hier wurde grober Wert darauf gelegt, experimentelle Daten zu bringen, weil es bislang noch sehr an Stoffkonstanten (z. B. fur Keimbildungs- oder Kristallwachstumsgeschwindigkeiten) fehlte.

4 IV Vorwort zur zweiten Auflage Der Absehnitt iiber Kristallisatoren wurde erheblieh erweitert. Insgesamt 74 Kristallisatoren wurden besprochen. Der Leser findet das WesentIiehe iiber diese Kristallisatoren in zahlreiehen Tabellen zusammengefabt und durch viele Abbildungen veransehaulieht. Dieser Teil ist elementar gesehrieben und kann ohne Kenntnis des theoretischen Teils verstanden werden und als Nachschlagewerk dienen. BeziigIieh der Voraussetzungen des Buehes gilt das im Vorwort zur ersten Auflage Gesagte. Die Zahl der Tabellen wurde wesentlich vermehrt (auf 55) und ebenso die Zahl der Abbildungen (auf 174), urn dem Leser eine rasche Ubersieht zu ermogliehen. Allen, die mir durch Diskussionen, Ratsehlage und teehnische Hilfen bei der Abfassung der zweiten Auflage geholfen haben, sage ieh herzliehen Dank. Herrn Dr. SALZER und Herrn Dr. SIGWART, Farbenfabriken Bayer, danke ich fiir die Unterstiitzung bei der Erstellung des Manuskriptes. Dem friiheren Vorsitzenden des Faehausschusses "Krist-allisation" in der Verfahrenstechnischen Gesellsehaft im VDI, Herrn Prof. Dr. SEIFERT, und dem jetzigen Vorsitzenden, Herrn Prof. Dr. NEUHAUS, gebiihrt Dank fiir anregende Diskussionen auf zahlreiehen Tagungen. Ferner danke ich allen Firmen, die bei der Bespreehung der einzelnen Kristallisatoren genannt sind und mich dureh Prospekt-Material unterstiitzt haben. Herrn HENSMANN, Farbenfabriken Bayer Wuppertal-Elberfeld, bin ieh zu Dank fiir die Bildgestaltung der zweiten Auflage verpflichtet. Dem Verlag sage ieh Dank fur das Eingehen auf Sonderwiinschc Ulul die vorziigliche Ausgestaltung des Buches. Wuppertal-Elberfeld, Ende 1968 GUnther Matz

5 Inhaltsverzeichnis I. Begriffsbestimmnng der Kristallisation II. tjberblick fiber das thermische Trennverfahren Kristallisation. 5 III. Grundlagen der Kristallisation 9 A. Allgemeine Grundlagen 9 1. Keimbildung 9 2. Kristallwachstum. 19 a) Grenzflachentheorie 19 b) V olmersche Grenzschichttheorie 23 c) Diffusionstheorien 24 d) Theorie von KOSSEL und STRANSKI. 29 e) Schraubenversetzungen. 33 f) Adsorptionstheorie. 35 g) Kristallwachstumsgcschwindigkciten Einkristalle Realkristalle. 47 B. Grundlagen der Kristallisation aus Losungen Temperatur-Loslichkeitsdiagramm Loslichkeit und Dberloslichkeit Trachtanderung von Kristallen Der Grundversuch Ausfallen (Fallungs-Kristallisation) Aussalzen Ausfrieren Fraktionierte Kristallisation aus Losungen. 99 c. Grundlagen der Kristallisation aus Schmelzen Der Grundversuch Normales Erstarren und Zonenschmelzen Betrachtungen am Zustandsdiagramm Vergleich zwischen der Kristallisation aus Losungen und Schmelzen. 124

6 VI Inhaltsverzeichnis D. Grundlagen del' Sublimation und Desublimation. 1. p - T-Diagramm Die beiden Arten del' Sublimation. a) Vakuum-Sublimation b) Tragergas-Su blimation 3. Begrenzende Faktoren.. 4. FlieBbett-Sublimation.. 5. Andere Arten del' Sublimation 6. Arten del' Desublimation 7. Fraktionierte Sublimation.. E. Grundlagen del' adduktiven Kristallisation I. Art und Aufbau del' Addukte 2. Thermodynamische Betrachtungen.. F. Einwirkungen besonderer auberer Einfliisse auf die Kristallisation 1. Ultraschall Strahlungen radioaktiver Stoffe. 3. Elektrische Felder 4. Magnetische Felder ~ 13~ ~ Hl IV. Technik Iler Kristallisation. 174 A. Warmetechnische Gesichtspunkte del' KristalliRatioll Latente Warmen Krustenbildullg Betrachtungen zum Warmeiibergang llnd IVarmedllrchgang 183 B. Kornverteilung von Kristallisaten Problemstellung und Begriffsbestimmllngen Messen von Kornverteilungen Mathematische Darstellung von KOrIwcrteilullgell Theorien zur Kornverteilung C. Das Zllsammenbacken del' Kristalle 210 D. Kristallisatoren Kristallisatoren fiir die einfache Kristallisation 215 a) Lasungskristallisatoren <X) Kiihlungskristallisatoren.. 21~ fj) Verdampfungskristallisatorcn 230?)) V aku umkristallisa toren 244 0) Klassierende Kristallisatorcn 261 c:) Reaktions-Kristallisatoren. 27(j ') Spriihkristallisatoren ) Kristallisatoren zur Ziichtung yon Einkristallen aus Lasungen

7 Inhaltsverzeichnis VII b) Schmelzkristallisatoren ex) Schmelzkristallisatoren zur Erzeugung von Kristallisaten 305 fj) Schmelzkristallisatoren zur Ziichtung von Einkristallen Fraktionierende Kristallisatoren Sublimatoren und Anordnungen zur Kristallisation aus der Gasphase Anordnungen zur adduktiven Kristallisation v. Die Kristallisation im Rahmen tler antleren thermischen Trennverfahnn 370 Schrifttum Namenlerzeichnis 401 Sachverzeichnis. 406