НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ. ТЕХНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Кристаллизация – выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллы – однородные твёрдые тела различной геометрии в зависимости от вида химического соединения. В химической промышленности кристаллизация применяется для получения в чистом виде веществ. Кристаллизацию обычно производят из водных растворов (понижая температуру или удаляя часть растворителя) или из растворов органических веществ, испаряя их. Из расплавов – путём охлаждения. На скорость кристаллизации влияют степень пересыщения раствора, его температура, образование центров кристаллизации, интенсивность перемешивания, наличие примесей и др.
Скорость кристаллизации величина не постоянная, изменяющаяся во времени в зависимости от условий кристаллизации. В начале скорость равна нулю (период индукции), затем максимальна и падает до 0(1) (при большой степени пересыщения). При наличии тормозящих кристаллизацию примесей период индукции возрастает, наблюдается период постоянной скорости (2).
Влияние температуры – при более высокой температуре уменьшается μ и увеличивается диффузия. Но с повышением температуры растёт число центров кристаллизации и образуются более мелкие кристаллы.
Кристаллизация из р-ров основана на ограниченной растворимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимальное количество р-ренного в-ва в данном количестве р-рителя при определенной температуре, называется насыщенным; если р-р содержит большее количество р-ренного в-ва, то он является пересыщенным; если же он содержит меньшее количество р-ренного в-ва, то называется ненасыщенным. Пересыщенные р-ры неустойчивы: из них выделяется избыточное количество р-ренного в-ва, т. е. происходит процесс К. После выделения кр-лов р-р становится насыщенным. Этот насыщенный р-р, полученный в результате выделения кр-лов, называется маточным р-ром, или маточником. Отделение маточного р-ра от кр-лов производится центрифугированием и тд.
|
|
|
Ненасыщенные р-ры сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой р-р тв в-ва оно будет р-ряться до тех пор, пока р-р не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным р-ром.
Р-римость равна концентрации насыщенного р-ра и зависит от температуры, а также от свойств р-ряемого в-ва и р-рителя. Для большинства твердых веществ р-римость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она с повышением температуры уменьшается или имеет при определенной температуре максимальное значение.
Способы кристаллизации
1)с удалением части растворителя – путём его испарения или вымораживания. Это изотермический метод. Испарение производят в выпарной установке, там же производят и кристаллизацию. Общий недостаток метода – отложение кристаллов на поверхности аппарата.
|
|
|
2)Кристаллизация с изменением температуры раствора - изогидрический способ, осуществляется при постоянном содержании в растворе растворителя. Процесс ведут как в аппарате периодического, так и непрерывного действия. В качестве охладителя используют воду.
3)Комбинированные способы.
а) вакуум-кристаллизация – здесь испарение происходит за счёт отдачи раствором своего физического тепла. Пары откачиваются вакуум-насосом. Процесс протекает адиабатически. Пересыщение раствора достигается его охлаждением;
б) кристаллизация с испарением части растворителя в токе носителя;
в) дробная (фракционированная) кристаллизация.
КАКИЕ ТИПЫ АППАРАТОВ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Кристаллизационное оборудование может быть классифицировано по ряду признаков классификации следующим образом.
1.По способу работы аппаратов: 1) аппараты периодического действия; 2) аппараты непрерывного действия.
2.По размеру получаемых кристаллов: 1) с регулируемым ростом кристаллов; 2) с нерегулируемым ростом кристаллов.
|
|
|
3.По способу выгрузки кристаллов из аппарата: 1) с гидравлической классификацией; 2) без классификации.
4.По способу охлаждения раствора: 1) охлаждаемые воздухом; 2) вакуум-кристаллизационные аппараты.
5.По способу создания пересыщения: 1) аппараты для изогидрической кристаллизации (с охлаждением раствора); 2)аппараты для изотермической кристаллизации (с удалением растворителя); 3) вакуум-аппараты; 4) аппараты с созданием пересыщения высоливанием; 5) аппараты с созданием пересыщения в результате химической реакции и т.д. Классификация по последнему признаку наиболее распространена.
Основными методами, наиболее часто применяемыми в промышленности и аналитической практике являются методы изогидрической и изотермической кристаллизации, а также метод, использующий оба способа создания пересыщения, когда одновременно происходит испарение и охлаждение питающего раствора. Такой метод обычно используется в вакуум-кристаллизаторах. Вакуум-кристаллизаторы представляют большую группу аппаратов, в которых раствор охлаждается вследствие адиабатического испарения части растворителя. На испарение жидкости расходуется физическое тепло раствора, который при этом охлаждается до температуры, соответствующей его температуре кипения при данном остаточном давлении. Количество испаряющегося раствора сравнительно невелико (примерно 8—12 % от общей массы раствора), поэтому основное значение в создании пересыщения имеет не концентрирование раствора, а его охлаждение в процессе “самоиспарения”.
|
|
|
Изогидрический и изотермический методы и будут использованы в разрабатываемой информационной системе.
Кристаллизацию можно проводить периодически и непрерывно.
Дальнейшая классификация кристаллизаторов основана на структуре потоков в кристаллизаторах [3,4].
1) Без перемешивания раствора. Это наипростейший аппарат с минимальной производительностью на единицу объема, но дающий крупные кристаллы.
2) С перемешиванием раствора (аппарат с мешалкой, барабанные, трубчатые кристаллизаторы). Например, аппараты с мешалкой имеют сравнительно небольшую производительность (от нескольких килограммов до нескольких десятков килограммов в час) и используются обычно в мелкомасштабных производствах или там, где процесс кристаллизации осуществляется от случая к случаю. Они хорошо вписываются в технологическую схему, включающую в себя аппараты периодического действия. Наиболее простыми механическими кристаллизаторами являются аппараты, выполненные в виде вертикальных цилиндрических сосудов с мешалкой и водяным охлаждением через рубашку.
3) Кристаллизаторы-классификаторы, в которых маточный раствор и кристаллы движутся противотоком, создавая псевдоожиженный слой. В кристаллизационных аппаратах с псевдоожиженным слоем горячий исходный раствор смешивается с маточным раствором после кристаллорастителя. В результате этого концентрация и температура после смешения увеличиваются. При последующем охлаждении (в теплообменнике или за счет испарения части растворителя) раствор становится пересыщенным. Поступая в нижнюю часть кристаллорастителя, раствор псевдоожижает находящиеся в слое кристаллы. Дальнейшее движение раствора через слой сопровождается уменьшением пересыщения за счет образования новых и роста находящихся в слое кристаллов. Покидающий кристаллораститель раствор снова смешивается с исходным, и цикл повторяется [5].
Выбор той или иной конструкции аппарата зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, требуемой производительности и др. Кроме того, целью любого производства является получение максимальной прибыли, то есть минимизация расходов в расчете на себестоимость единицы продукции и увеличение ее цены. Ряд факторов, влияющих в дальнейшем на прибыль производителя, должны быть предусмотрены на всех этапах производства продукта, в том числе и во время проектирования. Однако среди всех существующих кристаллизаторов нет универсального аппарата. В связи с этим, в первую очередь, было обращено внимание на разработку теоретических и практических основ процессов разделения и очистки веществ путем кристаллизации из растворов, а также на разработку алгоритмов, позволяющих оптимально подобрать аппаратурное оформление этих процессов.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 1296; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!