Выбор условий кристаллизации, выбор и расчет кристаллизаторов.

Выбор условий кристаллизации, выбор и расчет кристаллизаторов.

Дополнение 3.29.

Выбор условий кристаллизации, выбор и расчет кристаллизаторов.

Влияние условий кристаллизации на свойства кристаллов. Рассмотрим основные факторы, влияющие на свойства кристаллов:

1. Форма кристаллов определяется природой кристаллизуемого вещества и зависит также от наличия примесей в растворе. Например, хлористый калий из чистого водного раствора кристаллизуется в виде кубов, в присутствии мочевины – в виде кубооктаэдров. Более правильной формы, с хорошо развитыми гранями получаются кристаллы при свободном их обтекании раствором (например, при кристаллизации во взвешенном слое). Слишком большая скорость движения суспензии приводит к сглаживанию ребер кристалла и их истиранию за счет энергичных соударений и трения о стенки аппарата и насоса.

2. Размер кристаллов. Более крупные кристаллы получаются при медленном их росте и наибольших степенях пересыщения раствора. Существенное влияние на размер кристаллов оказывает перемешивание раствора. С одной стороны, интенсивное движение раствора облегчает диффузионный перенос вещества к граням кристаллов, способствуя их росту, с другой стороны, вызывает образование зародышей, т. е. накопление мелких кристаллов. Таким образом, перемешивание раствора порождает два противоположных явления. Нахождение оптимальной скорости движения раствора, определяющей желаемое соотношение между производительностью кристаллизатора и требуемыми размерами кристаллов, является одной из важнейших задач рациональной организации процесса массовой кристаллизации. Для ряда кристаллизуемых веществ эти соотношения найдены экспериментально.

На размерах кристаллов сказывается наличие примесей. Присутствие поверхностно-активных веществ в растворе даже в очень небольших количествах может резко влиять как на форму, так и на размеры кристаллов. Некоторые из этих веществ при известных условиях, даже при больших степенях пересыщения, могут приостановить рост крупных кристаллов или, наоборот, способствовать ему.

Один из основных практических способов снижения скорости процесса и получения крупных кристаллов - введение в раствор затравочных кристаллов и вывод из зоны кристаллизации наиболее мелких фракций. При массовой кристаллизации размер товарных кристаллов различных веществ колеблется от сотых долей миллиметра до 10-12 мм.

3. Фракционный состав. Изменение гранулометрического состава, главным образом за счет уменьшения мелких фракций, достигается сужением пределов температур и концентраций раствора, а также последующей классификацией кристаллов.

4. Степень чистоты продукта. Кристаллизация - один из распространенных и наиболее эффективных методов получения веществ в чистом виде. Допустимая величина примесей определяется назначением продукта. Степень его чистоты зависит как от условий самой кристаллизации, так и от дальнейших технологических операций (фильтрование, промывка и др.). Основные загрязнения кристаллов обусловлены наличием в исходном растворе нежелательных примесей. Они могут попасть внутрь кристалла с маточным раствором в виде включений (в трещинах, дефектных полостях и др.) или адсорбироваться гранями кристалла. Изоморфные примеси могут образовывать смешанные кристаллы. Борьбу с загрязнениями кристаллов ведут механической (отстаивание, фильтрование) и химической обработкой исходного раствора, например, осаждают растворенные соли железа, сернистые соединения, хлориды и пр.

Пересыщение раствора иногда приводит к снижению растворимости примесей и их выпадению из раствора. Чем меньше размеры кристалла, тем относительно больше на его поверхности остается маточного раствора, менее чистого, чем сам кристалл. Степень чистоты кристаллов повышается при промывке. Для получения особо чистых кристаллов их подвергают перекристаллизации. Остатки влаги обычно удаляют из кристаллов путем сушки, доводя их влажность до состояния, близкого к равновесному.

Устройство кристаллизаторов. По принципу действия различают следующие типы промышленных кристаллизаторов:

1) кристаллизаторы с удалением части растворителя;

2) кристаллизаторы с охлаждением раствора;

3) вакуум-кристаллизаторы;

4) кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.

Кристаллизаторы с удалением части растворителя. Как было указано, наиболее распространенным способом удаления части растворителя является выпаривание. Появление в растворе кристаллов и создание условий для их роста требуют внесения некоторых изменений в конструкцию обычных выпарных аппаратов.

На рис. 1 изображен выпарной аппарат-кристаллизатор с подвесной нагревательной камерой и двумя работающими поочередно нутч-фильтрами для отделения кристаллов от маточного раствора.

Рис.1. Выпарной аппарат-кристаллизатор с подвижной греющей камерой и нутч-фильтрами:

1 – корпус аппарата; 2 - нагревательная камера; З – нутч-фильтр.

Кристаллизаторы с охлаждением раствора. Простейшие кристаллизаторы периодического действия с охлаждением раствора представляют собой цилиндрические вертикальные аппараты с охлаждающими змеевиками (или рубашками) и механическими мешалками для перемешивания раствора. С целью увеличения времени пребывания раствора в установке эти аппараты часто соединяют последовательно, располагая каскадом.

Расчет кристаллизаторов.

Материальный баланс кристаллизатора:

(1)

где G₀ – масса исходного раствора; G_м – масса оставшегося маточного раствора после отделения кристаллов; G_кр – масса выпавших кристаллов; G_w – масса испаренного растворителя.

Баланс по растворенному веществу:

(2)

где в₀ и в_м – массовая доля растворенного вещества в исходном и в маточном растворе.

Величина в_м равна концентрации насыщенного раствора при температуре t₀ (определяется из справочника).

При температуре кипения концентрация насыщенного раствора равна в_к (определяется из справочника).

Масса испаренного растворителя равна:

(3)

Решая систему из уравнений 1 и 2, находим неизвестные величины G_кр и G_м.

По рассчитанным величинам масс и концентраций подбирают кристаллизатор периодического действия.