Стадии процесса. Технические способы получения кристаллов заданного размера. Устройство кристаллизаторов.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 33 из 39Следующая ⇒

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Кристаллизация – массообменный процесс перехода вещества из раствора (или расплава) в твердую фазу. Особенностью процесса кристаллизации является возможность получения распределяемого компонента в чистом виде, связанная с различной растворимостью выделяемого вещества и примесей, которые остаются в растворе.

Кристаллизация сопровождается явлениями полиморфизма, образования кристаллогидратов и изоморфизма.

Полиморфизм – явление образования при различных термодинамических условиях одними тем же веществом разных по симметрии и форме кристаллов.

Кристаллогидраты – кристаллы, содержащие в структуре химически связанные молекулы воды, причем одно и то же вещество в зависимости от условий кристаллизации и хранения может включать различное число молекул воды.

Изоморфизм – явление образования смешанных кристаллов из химически однотипных и сходных по кристаллографическим признакам веществ.

Кристаллизация осуществляется вследствие изменения растворимости кристаллизуемого компонента в исходной смеси.

Растворы, находящиеся в равновесии с твердой фазой при определенной температуре, называют насыщенными. Вещества, у которых растворимость увеличивается с ростом температуры, называют веществами с положительной растворимостью. Вещества с растворимостью, понижающейся с увеличением температуры, называются веществами с обратной растворимостью.

Если концентрация вещества превышает его растворимость, растворы называются пересыщенными и являются нестабильными, легко переходя в состояние насыщения. При этом из них выпадает часть твердой фазы.

Растворимость в зависимости от свойств растворенного вещества и растворителя в определенном температурном интервале характеризуется кривой растворимости.

На диаграмме состояния (рис. 15.1) растворов нанесены линии растворимости некоторого вещества в зависимости от температуры. Область А называется неустойчивой, или лабильной; область Б – относительно устойчивой, или метастабильной, и область В - область ненасыщенных растворов.

Пересыщенные растворы с концентрациями, соответствующими лабильной области, кристаллизуются мгновенно, в метастабильной же области эти растворы какое-то время остаются без изменения.

Границы метастабильной области зависят от температуры раствора, скорости его охлаждения, перемешивания и других факторов.

Скорость процесса кристаллизации зависит от температуры раствора, степени его пересыщения, скорости образования зародышей кристаллов, интенсивности перемешивания и других факторов.

Зародыши (или центры) кристаллизации образуются из пересыщенных или переохлажденных растворов самопроизвольно. Скорость их образования может быть увеличена повышением температуры, перемешиванием, встряхиванием, присутствием примесей (например, ПАВ*), ультразвуковым воздействием и др.

Различают две стадии образования кристалла: возникновение в пересыщенном растворе центра кристаллизации (зародыша); рост кристалла на основе этого зародыша (при условии его термодинамической устойчивости).

Размеры получаемых кристаллов зависят в первую очередь от условий кристаллизации и времени осуществления процесса. Кроме

этого, на их гранулометрический состав влияют скорость зародышеобразования, скорость роста кристаллов, дробление частиц в ходе процесса в результате соударения друг с другом столкновения со стенками аппаратуры, агрегации и т. д.

Различают кристаллизацию из растворов, наиболее часто используемую в технологических процессах, и кристаллизацию из расплавов. Одновременное получение большого числа кристаллов, частности в производстве минеральных удобрений, называется массовой кристаллизацией.

Кристаллизацию из растворов осуществляют изогидрическим способом – изменением температуры (для веществ с прямой растворимостью – понижением температуры; для веществ с обратной растворимостью – повышением температуры) или изотермическим способом – удалением части растворителя испарением или вымораживанием; добавлением в раствор веществ, связывающих растворитель.

Кристаллизация из расплава, осуществляемая постепенным его охлаждением с целью получения отливок, монокристаллов, пластинок, гранул и др.

Комбинированные способы кристаллизации, к которым относятся вакуум-кристаллизация, кристаллизация с испарением части растворителя в потоке носителя (чаще всего воздуха) и фракционная кристаллизация, используемая для разделения бинарных многокомпонентных расплавов на индивидуальные компоненты или фракции, содержащие определенные компоненты.

Материальный баланс

Материальный баланс потоков, участвующих в процессе кристаллизации, записывается в общем виде уравнением

где G _н – количество раствора, поступающего на кристаллизацию; G _к – количество маточного раствора после кристаллизации; L – число образовавшихся кристаллов; W – количество удаленного растворителя.

Баланс кристаллизующегося вещества записывается в виде

где х _н, х_к — массовые доли растворенного вещества в исходном и маточном растворах; а – массовая доля безводного вещества в кристаллогидрате.

Совместное решение уравнений (15.1) и (15.2) позволяет получить уравнение для определения числа образовавшихся крис­таллов в процессе изотермической кристаллизации

Для изогидрической кристаллизации (W = 0) уравнение (15.3) упрощается:

Тепловой баланс процесса изогидрической кристаллизации может быть записан в виде

где с _н, с _к, с_L, с _ох – теплоемкости исходного и маточного растворов, кристаллов и охлаждающего агента; t_н, t_к, t _L, t_{ox. н}, t_{oх. к} – температуры исходного и маточного растворов, кристаллов, начальная и конечная охлаждающего агента; W _ох – поток охлаждающего агента; q_крист – теплота кристаллизации; Q _п – потери теплоты.

Уравнения (15.4) и (15.1) позволяют определить расход охлаждающего агента для осуществления процесса изогидрической кристаллизации

Тепловой баланс процесса кристаллизации методом удаления растворителя при нагревании раствора глухим паром может быть записан в виде

где D_{гр. п} – расход греющего пара; i_S, i _конд, i_W — энтальпии греющего пара, конденсата и удаленного в виде пара растворителя соответственно.

По уравнению (15.6) определяют необходимый расход греющего пара

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности