Устройство и принцип действия кристаллизаторов

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».