Лекция 8. Сущность и проведение процесса кристаллизации. Материальный и тепловой баланс кристаллизаторов

План:

1. Кристаллизация

2. Равновесие процесса кристаллизации

3. Материальный баланс кристаллизации

4. Тепловой баланс кристаллизации. Кинетика процесса

5. Конструкции аппаратов

 

Кристаллизация – процесс выделения твердой фазы из растворов, расплавов и паров.

Применяется с целью выделения твердой фазы, разделения веществ, очистки веществ и выращивания монокристаллов.

Кристаллизация состоит из двух основных стадий – образования зародышей кристаллов и роста кристаллов. Обе стадии протекают одновременно.

Если w_обр > w_рост, то получается большое количество мелких кристаллов, если w_обр < w_рост, то образуются кристаллы больших размеров.

Начало кристаллизации осуществляется в центрах кристаллизации, в качестве которых могут выступать механические примеси, шероховатость стенок.

Условие протекания процесса – пересыщение раствора, т.е. действительная концентрация раствора вещества должна быть выше равновесной.

Величина предельного пересыщения зависит от свойств растворенного вещества и растворителя, температуры раствора, скорости охлаждения, наличия примесей, механического воздействия.

 

Принципиальная схема кристаллизации

Принципиальная схема кристаллизации показана на рисунке 8.16.

 

 

Рисунок 8.16 – Принципиальная схема кристаллизации

 

Материальный баланс кристаллизации

 

Материальный баланс кристаллизации по общим потокам может быть представлен в виде

                            ,                                     (8.26)

где  – расходы соотвественно исходного, маточного растворов и полученных кристаллов, кг/с;

 – расход выпаренной воды, кг/с.

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу

                              ,                                      (8.27)

где а– отношение молекулярных масс безводной соли и кристаллогидрата; а = 1, если процесс проходит без присоединения воды.

 

 Тепловой баланс кристаллизации

 

Целью расчета теплового баланса является определение расхода пара для отгонки растворителя.

Рассмотрим кристаллизацию с отгонкой раство-рителя – W_{i вт.п.} (рисунок 8.19).

В аппарат поступает исходный раствор G_н с характеристикой с_нt_н, из которого образуется кристал-лическая фаза G_кр, и в результате процесса остается маточный раствор G_к. Для отгонки растворителя пода-ется пар – D_г.п.. При протека-нии процесса кристаллиза-ции внутри аппарата выде-ляется некоторое количество теплоты - G_крq_кр.

Тепловой баланс про-цесса кристаллизации:

. (8.31)

Конструкции аппаратов

 

Аппараты, в которых осуществляют процесс кристаллизации, называются кристаллизаторы.

По условию образования и роста кристаллов кристаллизаторы классифицируются на поверхностные, в которых образование кристаллов происходит на охлаждаемой поверхности, и объемные, в которых образование и рост кристаллов происходят во всем объеме аппарата. Существуют также аппараты смешанного типа, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности и в объеме аппарата; они бывают прямоточные, емкостные и циркуляционные.

По типу создания условий пересыщения кристаллизаторы можно подразделить на три группы: изогидрические, вакуумные и испарительные.

На рисунке 8.20 представлена схема устройства изогидрического поверхностного вальцового кристаллизатора, который используется для кристаллизации солей с существенно снижающейся раствори-мостью при понижении температуры.

Вальцовые кристаллизаторы применяются для кристаллизации из расплавов или из растворов с небольшим содержанием маточного раствора. Недостаток: мелкокристалличность получаемого продукта, присутствие примесей в готовом продукте.

Негативным фактором при кристаллизации является отложение накипи и кристаллов на стенках аппарата – инкрустация. Чтобы снизить ее, нужно перемешивать раствор и полировать стенки аппарата.

Из объемных кристаллизаторов наибольшее распространение получил аппарат с рубашкой и мешалкой. На рисунке 8.21 изображен изогидрический кристаллизатор периодического действия. Раствор в нем охлаждается при постоянном количестве растворителя до температуры, ниже температуры насыщения. В результате охлаждения раствор становится пересыщенным, что приводит к возникновению процесса кристаллизации.

 

 

 

 

Вопросы для самоконтроля:

Что понимается под кристаллизацией?

Проведите анализ диаграмм состояний системы «газ –жидкость – твердое тело».

 Составьте материальный и тепловой баланс кристаллизации.

 Поясните особенности кинетики кристаллизации.

Опишите устройство и принцип действия кристаллизаторов.

Самостоятельная работа на 20 минут:

1. Опишите достоинства и недостатки водяного пара как теплового носителя

2. Опишите преимущества и недостатки воды как теплового носителя и хладоагента

3. Когда используют низкотемпературные жидкости

4. Как подразделяются теплообменники по режиму работы и по способу передачи тепла

5. Назовите достоинства и недостатки кожухотрубчатых теплообменников

Конспект- Трубчатые печи