Устройство и принцип действия кристаллизаторов

    

   

   Рис.4. непрерывнодействующий качающийся кристаллизатор с испарительным  охлаждением:

   1-корыто; 2-опорные ролики; 3-бандажи; 4-перегородки.

   Кристаллизацию  в псевдоожиженном слое можно проводить изогидрически или с удалением части растворителя испарением (изотермически).

   

   Рис.5. изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным  слоем кристаллов:

   1-корпус; 2-центральная труба; 3-отстойник; 4-холодильник; 5-насосы; 6-циркуляционная  труба.

   

 

   Рис.6. Вакуум-выпарной кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов:

   1-корпус; 2,3,7-циркуляционные  трубы; 4-насос; 5-теплообменник; 6-отстойник; 8-отбойник; 9-сепаратор; 10-емкость  для сбора маточного  раствора. 

   Поверхностно-объемные кристаллизаторы

   К этому  типу аппаратов можно отнести  барабанные кристаллизаторы с воздушным  охлаждением (рис.7). 

 

Рис.7. барабанный кристаллизатор с воздушным испарительным  охлаждением:

1-вращающийся  барабан; 2-приво; 3-бандажи. 

   Корпус  кристаллизатора представляет собой слегка наклонный, вращающийся от привода 2 барабан 1 с бандажами 3. горячий раствор поступает в верхний конец барабана, непрерывно перемешивается и охлаждается воздухом, движущимся противотоком по отношению к движению раствора. Образующиеся на внутренней поверхности кристаллы не влияют на производительность кристаллизатора, поскольку охлаждение раствора осуществляется при непосредственном его контакте с воздухом. Для устранения инкрустации внутри барабана во всю его длину монтируют подвижные цепи, которые при вращении барабана сбивают инкрустацию, а образующиеся при этом кристаллы смешиваются с основной их массой в барабане. 
 

   Кристаллизация  расплавов

  Кристаллизация  расплавов обладает рядом преимуществ по сравнению с рассмотренными выше методами разделения, например с ректификацией, экстракцией: низкие расходы энергии, возможность разделения азеотропных и близко кипящих смесей, проведения процесса при низких температурах и др. Этот процесс все шире применяется в химической технологии (в производстве удобрений, щелочей и др.) в основном для отверждения и разделения расплавов на фракции и для выращивания монокристаллов. Отметим, что между процессами кристаллизации расплавов и из растворов нет принципиального термодинамического различия. Процесс разделения кристаллизацией расплавов часто называют фракционным плавлением.

   Фазовое равновесие фракционного плавления обычно характеризуется диаграммами р = f(t) .

   На  рис. 8 представлена зависимость температуры t от времени процесса медленного нагревания твердого вещества. Из этого рисунка видно, что на кривой t = f( ) имеется горизонтальный участок, соответствующий температуре t  плавления. Этот участок наблюдается до тех пор, пока произойдет полное расплавление вещества и выделится теплота фазового превращения.

   Отметим, что образование кристаллов в  расплаве (их возникновение и рост) происходит так же, как и при кристаллизации из растворов. При этом для оценки скорости процесса вместо пересыщения используют переохлаждение.

         При однократном фракционном плавлении исходную смесь вначале медленно охлаждают до полной кристаллизации. Затем образовавшуюся кристаллическую массу нагревают от температуры кристаллизации до температуры фракционирования. Полученную суспензию отфильтровывают, причем кристаллическая фаза оказывается более обогащенной высокоплавким компонентом. 

   

   Рис.8. зависимость температуры t от времени нагрева твердого вещества. 

   

 

   Рис.9. схема затвердевания вещества (а) и распределения концентраций по длине образца (б) при направленной  кристаллизации (а<1):

   1-при  полном перемешивании; 2-при  частичном перемешивании  расплава; 3-при диффузионном  переносе. 

   Для повышения  эффективности процесса используют многократное (или многоступенчатое) фракционное плавление. Схемы многоступенчатого разделения на основе однократного фракционного плавления аналогичны схемам многоступенчатой фракционной кристаллизации. Так же аналогичен и расчет процесса фракционного плавления.

  Процессы  фракционного плавления применяют, например, для выделения нафталина из разбавленных нафтеновых фракций, разделения изомеров ксилола, опреснения воды, концентрирования водных растворов, фракционирования жиров и  т. п. Для проведения процессов фракционного плавления используют вальцовые, ленточные, барабанные и другие кристаллизаторы, а также кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.

  Направленная кристаллизация. Этот метод кристаллизации (фракционирования), как и рассмотренные выше, возможен вследствие различия равновесных составов сосуществующих фаз при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Он основан на отводе теплоты от границы раздела фаз, что вызывает.

направленное  передвижение фронта кристаллизации вдоль  очищаемого образца. Это передвижение обеспечивают медленным перемещением зон нагрева и охлаждения (рис.9, а). Процесс направленной кристаллизации наиболее рационально применять для глубокой очистки небольших количеств веществ, предварительно очищенных другими методами.

      Поскольку состав образующейся в процессе кристаллизации твердой фазы отличается от состава расплава, то при движении фронта кристаллизации вдоль образца происходит перераспределение примеси между обеими фазами. Отметим, что при а < 1 концентрация примеси в твердой фазе ниже, чем в расплаве, а при а>1 -выше.

      Полагаем, что коэффициент диффузии в твердой фазе равен нулю, а на поверхности раздела фаз устанавливается равновесие (т. е. Х = ау, где Х и у - концентрации примеси соответственно в твердой фазе и расплаве). Примем также, что при перемещении в зоне расплава фронт кристаллизации вдоль образца остается плоским. Тогда уравнение материального баланса примесного компонента в процессе направленной кристаллизации в дифференциальной форме можно записать следующим образом: 

                   d(yVp) = Vpdy + ydVp = xdV  ,                    (1) 

где Vр и V -объемы соответственно расплава и твердой фазы.

      Очевидно, что полный объем образца Vп = Vp + V  . Поскольку в уравнении (1)      dVp = - dV  , то 

lп(Vр/Vп) =  dy/(x - у)  ,                            (2) 

 где х   - начальная концентрация примеси в образце.

        При известной зависимости х = f(y) уравнение (2) решается аналитически. Если эта зависимость линейна (т. е. а = const), решение уравнения (2) принимает следующий вид:

х = а х   (Vр/Vп). (3)

 

   Обычно сечение образца постоянно по всей его длине. В этом случае уравнение (3) можно записать следующим образом (рис.9, а): 

х = а х (   /L)                      (4) 

или  

х = а х  (1 – V  /V  )         ,         (5) 

где V  / V   - доля закристаллизовавшегося вещества.

      Распределение примеси по длине образца в зависимости от степени перемешивания расплава представлено на рис. 9,6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы 

1) Басов Н.И., Любартович С.А., Любартович В.А., Виброформование полимеров, Л., 1989;

2) Вибрационные  массообменные аппараты, М., 1995;

3) Вибрации в  технике. Справочник, т. 4, под ред.  Э.Э. Лавендела, М., 1981;

4) Варсанофьев В. Д., Кольман-Иванов Э. Э., Вибрационная техника в химической промышленности, М., 1991;

5) Дыхневский  «Процессы и аппараты химических  технологий».