Полезная разность температур и ее

Распределение по корпусам

В многокорпусной выпарной установке сумма температур­ных напоров для всех корпусов равна так называемой общей полезной разности температур, т. е. разности температуры грею­щего пара, поступающего в первый корпус (Т₁), и температуры насыщения вторичного пара из последнего корпуса (ϑ_n) за вычетом суммы температурных потерь по корпусам (ΣΔ):

(6-16)

где θ₁, θ₂,…, θ_n — температурные напоры для I, II, …, п-го корпусов;

Δ₁, Δ₂, Δ_n — температурные потери в I, II, …, п-м корпусах.

В справедливости соотношения (6-16) можно убедиться, составив для каждого корпуса выражения для температурного напора и сложив их. Так, для двухкорпусного аппарата

где t₁ и t₂ — температуры кипения в I и II корпусах;

T₁ и T₂ — температуры греющего пара для I и II корпусов;

ϑ₁ и ϑ₂ — температуры насыщения вторичного пара в I и II корпусах.

Складывая выражения для θ₁ и θ₂ и замечая, что ϑ₁ = T₂, получим:

Как указывалось выше, общая полезная разность темпера­тур распределяется по отдельным корпусам в соответствии с поверхностями и коэффициентами теплопередачи в этих корпу­сах. При расчете многокорпусной выпарной установки 0_ПОЛ> целе­сообразно распределить по корпусам так, чтобы поверхности всех корпусов были одинаковыми, что упрощает и удешевляет изготовление и обеспечивает взаимозаменяемость аппаратов и их деталей при~ эксплуатации. Иногда θ_пол. распределяют так, чтобы общая поверхность всех корпусов была наименьшей.

Распределение θ_пол одинаковых поверхностях всех корпусов. В этом случае F₁ = F₂ = … = F_n = F. Полезная разность температур в каждом корпусе составляет:

(А)

Складывая эти равенства, получим:

или

(Б)

Определяя из равенства (Б) величину и подставляя полученное зна­чение в уравнения (А), находим:

(6-17)

Распределение θ_пол. при наименьшей общей поверхности. Для этого случая разности температур в каждом корпусе должны удовлетворять следующим соотношениям:

(6-18)

Распределение θ_пол. при наименьшей общей поверхности и одинаковых поверхностях всех корпусов. Можно показать, что соблюдение этого условия возможно при равенстве разностей температур во всех корпусах, т. е.

(В)

где п — число корпусов

Из уравнения (А) и (В) при этом условии следует:

или

т. е. тепловые нагрузки корпусов должны быть прямо пропорциональны коэффициентам теплопередачи в них. Это условие можно выполнить только при определенном количестве отбираемого экстра пара; если экстра-пар может найти применение, то данный способ распределения разности температур является наиболее целесообразным.

Выбор числа корпусов

С увеличением числа корпусов повышается экономичность установки. Однако число корпусов нельзя увеличивать беспре­дельно, так как при этом уменьшается полезная разность тем­ператур в каждом корпусе.

Пусть, например, разность температур (Т₁ —ϑ_n ) составляет 80° С, а температурные потери в каждом корпусе равны 10° С (для простоты принимаем их равными для всех корпусов). Тогда при двух корпусах полезная разность температур составит 80 — 2 ·10 = 60° С, а на каждый корпус (при распределении θ_пол. по корпусам поровну) будет 60 : 2 = 30° С.

Аналогично найдем, что полезная разность температур на корпус составит:

в трехкорпусной установке

в четырехкорпусной установке

в пятикорпусной установке

Отсюда следует, что при применении аппаратов с естествен­ной циркуляцией (принимая для каждого корпуса θ = 10° С) в данном случае можно установить лишь 4 корпуса, а при ис­пользовании аппаратов с принудительной циркуляцией (при θ = 5° С) –5 корпусов. Дальнейшее увеличение числа корпусов приводит к уменьшению полезной разности температур до 3,3° С при 6 корпусах и до 1,4° С при 7 корпусах. При 8 корпусах ве­личина θ_пол становится равной нулю.

С увеличением температурных потерь и снижением разности температур возможное число корпусов уменьшается. Для аппа­ратов с принудительной циркуляцией оно выше, чем для аппа­ратов с естественной циркуляцией.

Во многих случаях устанавливают меньшее число корпусов, чем это возможно. Дело в том, что с увеличением числа корпу­сов затраты на сооружение установки растут приблизительно пропорционально числу корпусов, а расходы тепла умень­шаются сравнительно медленно. Так, например, При переходе от двухкорпусной установки к трехкорпусной расход пара на 1 кг выпариваемой воды уменьшается на 0,57—0,4 = 0,17 кг, а при переходе от четы­рехкорпусной установки к пятикор­пусной на 0,3 — 0,27 = 0,03 кг.

Если отложить по оси абсцисс число корпусов (рис. 6-14), а по оси ординат — расходы на аморти­зацию установки (линия АВ) и рас­ходы на пар (кривая CD) то, скла­дывая ординаты обеих линий, полу­чим кривую МN, выражающую об­щие расходы на выпаривание. Как видно из рис. 6-14, кривая МN имеет минимум, соответствующий наивыгоднейшему числу корпусов, при котором общие расходы будут наименьшими.

На практике наиболее распространены выпарные установки с 2—4 корпусами. Установки с числом корпусов более 5 встре­чаются редко.

Экстракция

Материальный баланс

Материальный баланс процесса экстракции соответствует общему для массообменных процессов уравнению:

G(Y₁-Y₂) =L( X₁-X₂)

где G — количество реагента, кг/сек;

L— количество исходного растворителя, кг/сек;

Y₁иY₂ — содержание распределяемого компонента в экстрак­те и в экстрагенте, кг/кг экстрагента.

Х₁ и Х₂—содержание распределяемого компонента в исход­ном растворе и в рафинате, кг/кг исходного раство­рителя.

Следовательно, расход экстрагента составляет:

G=L (X₁-X₂ /Y₁-Y₂); (7-2)

Из уравнения материального баланса определяют удельный расход экстрагента l = L/G.

Зависимость между составами экстракта и рафината выра­жается рабочей линией (см. рис. 7-1), уравнение которой соот­ветствует уравнению (16-16). Построение рабочей линии аналогично ее построению для процессов абсорбции. Чтобы построить рабочую линию процесса экстракции, необхо­димо знать состав исходного раствора и экстракта или рафи­ната на выходе из аппарата.

Процессы экстракции проводятся чаще всего без подвода или отвода тепла, при обычных (комнатных) температурах. По­этому для расчета этих процессов не требуется составления теп­лового баланса.

Устройство экстракторов

Предложено большое количество конструкций разнообраз­ных экстракторов, однако в промышленности применяется лишь ограниченное число типов экстракционных аппаратов.

По характеру изменения состава жидких фаз экстракцион­ные аппараты можно разделить на две группы:

1) дифференциально-контактные экстракторы, в которых ха­рактер изменения состава фаз близок к непрерывному;

2) ступенчатые экстракторы, в которых изменение состава фаз происходит скачкообразно (ступенчато), в каждой ступени осуществляется смешение и разделение (сепарация) фаз.

Экстракторы обеих групп могут быть классифицированы по двум признакам:

а) по способу контакта между сплошной фазой, заполняю­щей аппарат, и дисперсной фазой, распределяемой в виде ка­пель в сплошной фазе. Контакт между фазами возможен за счет собственной энергии потоков фаз (экстракторы без меха­нических перемешивающих устройств), либо за счет подвода энергии извне (механические экстракторы);

б) по виду сепарации фаз, которая может происходить вследствие разности плотностей фаз (гравитационная сепара- ция) либо под действием центробежных сил (центробежная се­парация).

Экстракторы, в которых смешение и сепарация фаз проис­ходят в поле центробежных сил, называются центробежными.

В этой классификации не отражены разновидности горизон­тальных смесительно-отстойных экстракторов, различных по конструкции перемешивающих устройств и по взаимному на­правлению движения фаз после отстаивания (прямоток или противоток)..

Промышленные экстракторы являются преимущественно ап­паратами непрерывного действия. Лишь при лабораторных ра­ботах (а иногда в производствах небольшого масштаба) исполь­зуют экстракторы периодического действия.

Распылительные экстракторы

Распылительный экстрактор представляет собой полую ко­лонну, заполненную одной из жидкостей — сплошной (диспер­сионной) фазой (на рис. 7-3 показан экстрактор, в котором сплошной фазой является тяжелая жид­кость). Для создания большей поверхности контакта фаз другая жидкость (дисперсная фаза) распыляется при помощи распредели­ тельного устройства в сплошной фазе. На определенном уровне капли дисперсной фазы сливаются и образуют слой, отделен­ный от сплошной фазы поверхностью раз- ''поверхность Дела. Уровень этой поверхности поддержи- раздела /раз вают на нужной высоте (вверху, внизу или посередине колонны), устанавливая соответствующий уровень перелива через нижнюю отводную трубу (на рисунке не показана) или регулируя степень открытия установленного на ней вентиля. Сверху и снизу экстракционная колонна расширена, что способствует лучшему отстаиванию фаз.

Распылительные колонны обладают вы­сокой производительностью, но мало эф­фективны, что объясняется укрупнением ка­пель дисперсной фазы и обратным переме­шиванием, при возникновении которого кап­ли дисперсной фазы увлекаются частицами сплошной фазы (или наоборот), в результа­те в колонне создаются местные циркуля­ционные токи, нарушающие противоток фаз.

Колонные экстракторы с тарелками-
перегородками

В таких колоннах (рис. 7-4) для уменьшения обратного перемешивания и для турбулизации потоков фаз установлены перегородки в виде чередующихся друг с другом плоских ди­сков (или тарелок) и колец. Расстояние между перегородками 75—150 мм и более. Контакт между фазами осуществляется при обтекании пере­городок дисперсной фазой в виде тонкой пленки (при коалес-цендии капель) и при движении капель дисперсной фазы в про­странстве между перегородками.

Эффективность таких колонн низка (число единиц переноса на тарелку 0,05—0,1), но может быть повышена при уменьше­нии расстояния между тарелками.

Насадочные экстракторы

Насадочные экстракторы не отличаются по устройству от на­садочных абсорберов.

Насадка, беспорядочно засыпанная на опорную решетку, выполняет роль перегородок: она способствует многократному дроблению и слиянию капель дисперсной фазы и сводит к мини­муму обратное перемешивание.

В насадочных экстракторах насадку располагают в виде слоев, помещенных на опорные решетки; расстояние между ре­шетками 0,9—1,8 м.

По простоте устройства насадочные экстракторы прибли­жаются к распылительным, но предельная производительность их ниже, так как некоторая часть сечения колонны занята на­садкой. Эффективность разделения в насадочных экстракторах невысокая.

Многоступенчатые смесительные экстракторы.

Наиболее распространенным аппаратом этого типа является роторно-дисковый экстрактор (рис. 7-5). По оси колонны вра­щается ротор—вал, на который наса­жены плоские диски 2, перемешиваю­щие жидкость. Колонна делится на секции кольцевыми перегородками 3, укрепленными на стенках аппарата, причем диски находятся на середине высоты каждой секции. Движущиеся противотоком жидкие фазы смеши­ваются в каждой секции и в некоторой степени разделяются при обтекании неподвижных кольцевых перегородок, ограничивающих секции.

Производительность и эффектив­ность описанных экстракторов зави­сят от числа оборотов ротора, соотно­шения размеров дисков и кольцевых перегородок и расстояния между ними, а также, как и в других экс­тракторах, от соотношения расходов фаз.

Достоинством роторно-дисковых экстракторов является сочетание до­вольно значительной производитель­ности с высокой интенсивностью про­цесса массопередачи.

Разновидностью аппаратов этого типа является колонный экстрактор, в котором вместо плоских дисков установлены от­крытые турбинные мешалки.

Пульсационные экстракторы

Пульсационный экстрактор (рис. 7-6) представляет собой колонну с ситчатыми тарелками без патрубков для перетока сплошной фазы. В колонне при помощи специального меха­низма (пульсатора) жидкости сообщаются пульсации — колеба­ния небольшой амплитуды (10—25 мм) и определенной часто­ты. В качестве пульсатора чаще всего используют бесклапан­ный поршневой насос, присоединяемый к днищу колонны (рис. 7-6, а) или к линии подачи легкой жидкости (рис. 7-6, б). При сообщении жидкости пульсаций происходит многократное тонкое диспергирование одной из фаз, что обусловливает интен­сивную массопередачу. Помимо ситчатых экстракторов, при­меняются также насадочные пульсационные колонны. Эффективный способ интенсификации процесса экстракции путем сообщения жидкости пульсаций может быть использован также в экстракционных аппаратах других типов.

Рис. 7-6. Пульсационные ситчатые экстракторы (А — тяжелая жидкость, В- легкая жидкость )

а — пульсатор присоединен к днищу колонны; б — пульсатор присоединен к трубопроводу для подачи легкой жидкости; в —пульсации передаются через мембрану; г —пульсации передаются через сильфон; д — пульсации передаются через буферный слой воздуха (воздушную подушку).

Для надежного отделения механизма пульсатора от рабочей среды при обработке химически агрессивных и радиоактив­ных веществ применяют мембрану (рис. 7-6, в), сильфон (рис. 7-6, а) или пневматическое устройство (рис. 7-6, д). В последнем случае между поршнем пульсатора и колонной поме­щают буферный слой воздуха, который попеременно расши­ряется и сжимается, сообщая колебания жидкости в колонне.

Центробежные экстракторы

При малой разности плотностей фаз достаточное увеличение скорости капель дисперсной фазы, интенсивное смешение и раз­деление фаз достигаются под действием центробежных сил пу­тем увеличения эффективности разности плотностей фаз.

Рис 7-7 Центробежный экстрактор: а —разрез аппарата: б— принципиальная схема движения жидкостей 1 — барабан; 2—вал, 3— перфорированная перегородка перфорация по всей перегородке не показана), 4 — каналы.

Наиболее распространен центробежный экстрактор, показан­ный на рис. 7-7. Корпус аппарата представляет собой цилин­дрический барабан 7, быстро вращающийся на горизонтальном валу 2 (1500—5000 об/мин). Внутри барабан разделен спираль­ной перфорированной пергородкой 3 на каналы 4 прямоуголь­ного сечения.

Контактируемые жидкие фазы подают с помощью насосов через вал по обособленным каналам, тяжелая жидкость посту­пает в барабан по его оси, лег­кая жидкость подводится к пе­риферии барабана. В бараба­не жидкости движутся проти­вотоком, они многократно сме­шиваются, главным образом при истечении через отвер­стия в перегородке, и разделя­ются под действием центро­бежных сил. Рафинат и экс­тракт удаляются также через обособленные каналы вала.

Аппараты этого типа от­личаются высокой интенсив­ностью разделения.

Тарельчатые экстракторы

В экстратарах с ситчатыми тарелками (рис. 7-8), аналогичных ситчатым абсор­берам, дисперсная фаза многократно раздроб­ляется при прохождении сквозь отверстия ситчатых тарелок (диаметр отверстий 2—9 мм). Струйки дисперсной фазы рас­падаются при этом на мел­кие капли, которые образуют слои над тарелками, если дис­пергируется тяжелая жидкость, или под тарелками, если диспергируется легкая жидкость. Диспергирование происходит, когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточным для ее прохождения сквозь отверстия. Для стока сплошной фазы на тарелках имеют­ся сливные патрубки. Расстояние между тарелками составляет 0,15—0,6 м.

При обработке жидкостей, содержащих твердые взвеси, при­меняют ситчатые тарелки с вертикальными перфорированными стенками; отверстия таких тарелок меньше засоряются твер­дыми частицами. Экстракторы с колпачковыми тарелками обычно обладают низкой эффективностью. В некоторых случаях применяют экс­тракторы с тарелками в виде вертикальных изогнутых перфо­рированных пластин, расположенных каскадом (каскадные та­релки), которые эффективнее обычных колпачковых тарелок.

Рис. 7-8. Экстрактор с ситчатыми тарелками.

Г оризонтальные смесительно-отстойные
экстракторы

Экстрактор такого типа (рис. 7-9) представляет собой ци­линдрический аппарат, разделенный перегородками на отсеки. Каждый отсек состоит из камеры смешения (труба с внутрен­ним погружным насосом) и отстойной камеры. Исходный рас­твор, подаваемый в экстрактор, поступает по переливной трубе 1.

Рис. 7-9. Горизонтальный смесительно-отстойный экстрактор:

1—переливная труба для подачи раствора в камеру смешения; 2—труба для перетока экстра­гента; 3 — патрубок для подачи смеси в отстойную камеру; 4 — воронка для отвода экстракта; 5 — штуцер для подачи свежего экстрагента.

В первую по ходу раствора камеру смешения. В эту же камеру по трубе 2 поступает из предыдущей ступени экстрагент, обо­гащенный извлекаемым веществом. В камере смешения фазы при помощи насоса перемешиваются, и смесь подается через патрубок 3 на разделение в отстойную камеру. Отсюда экстракт отводится из аппарата через воронку 4, а обедненный раствор (рафинат) по переливной трубе направляется в следующую ка­меру смешения, где снова смешивается с экстрактом, поступаю­щим из предыдущей ступени, затем смесь направляется в сле­дующую отстойную камеру. Смешение и разделение фаз повто­ряется многократно, вплоть до последней ступени, где раствор смешивается со свежим экстрагентом, поступающим через шту­цер 5. Из этой ступени удаляется конечный рафинат.

Кроме конструкции экстрактора, показанной на рис. 7-9, применяются горизонтальные смесительно-отстойные экстрак­торы в виде батареи смесителей (с механическими мешалками) и отстойников, чередующихся между собой и соединенных трубо проводами. Смесители и отстойники установлены каскадом, причем тяжелая фаза движется через батарею аппаратов само­теком, а легкая фаза перекачивается насосами. Иногда переме­шивание производится непосредственно в насосах, служащих смесителями и чередующихся с отстойниками.

Обычно в пределах каждой ступени экстракции жидкости движутся прямотоком, а установка в целом работает при про­тивотоке фаз.

Вертикальные смесительно-отстойные
экстракторы

К числу этих аппаратов относятся ящичные вертикальные экстракторы, в которых установлены прямоугольные отстойные камеры непосредственно одна над другой, а для смешения фаз служат насосы, смонтиро­ванные на боковых стенках отстойных камер.

Такие аппараты занимают значительно мень­шую площадь, чем горизонтальные смеситель­но-отстойные экстракторы. Кроме того, бла­годаря прямоугольной форме отстойных ка­мер удается уменьшить отношение высоты камер к их сечению, что способствует ускоре­нию отстаивания и приводит к большей ком­пактности аппарата.

Рис. 7-10. Верти­кальный смеси­тельно-отстойный экстрактор: 1-мешалка, 2- насадка.

Разновидностью аппаратов этого типа яв­ляется колонный экстрактор, показанный на рис. 7-10. Колонна разделяется по высоте на чередующиеся смесительные и отстойные сек­ции, причем отстойные секции (каждая высо­той 0,3 м и более) заполнены специальной на­садкой в виде свернутой в рулон редкоплете- жидкость жидкость ной сетки (площадь всех отверстий сетки со­ставляет 97—98% ее общей площади). В сме­сительных зонах перемешивание производит­ся четырехлопастными мешалками, вращаю­щимися на общем вертикальном валу, кото­рый проходит по оси колонны.

Вертикальные центробежные смесительно-отстойные

экстракторы

Такие аппараты представляют собой оверхцентрифуги, приспо­собленные для разделения систем жидкость — жидкость. Наиболее распро­странены многоступенчатые аппараты типа тарельаддых сепараторов, состоя­щие из 3—4 тарелок (ступеней). Обе фазы поступают в экстрактор через каналы в вертикальном валу и движутся противотоком, последовательно сме­шиваясь и разделяясь в каждой ступени в поле центробежных сил. Произво­дительность таких экстракторов 0,3—6 м³1н.

Схемы экстракционных установок

Одноступенчатая экстракция

Принципиальная схема простейшего одноступенчатого процесса экстракции показана на рис. 7-11. Фазы смешиваются при помощи мешалки (или другим способом) в смесителе 1, после чего разделяются в сепараторе 2, из которого отводят экстракт и рафинат. Далее экстракт и рафинат поступают на последующую переработку, например в ректификационные колонны, для удаления экстрагента. Регенерированный экстрагент поступает в смеситель вместе со свежим экстрагентом (регенерация экстрагента для упрощения на схеме не показана).

Рис. 7-11. Схема одноступенчатой экстракции:

1 - смеситель; 2 - сепаратор.

Одноступенчатая экстракция может проводиться периодически или непрерывно.

Составы получаемых экстракта и рафината равновесны друг другу и сравнительно мало отличаются по содержанию распределяемого компонента. Поэтому путем одноступенчатой экстракции не достигается достаточно полного извлечения экстрагируемого вещества. Значительно большая степень извлечения возможна при использовании многоступенчатой экстракции, которая наиболее широко распространена в технике.

Многоступенчатая экстракция

Процессы многоступенчатой экстракции проводятся только непрерывным способом.

При многоступенчатой экстракции (рис. 7-12) рафинат, получаемый в одной ступени, смешивается в следующей ступени со свежим экстрагентом. Таким образом, в каждую ступень вводится свежий экстрагент, а из нее отводится экстракт. При достаточном числе ступеней экстракции достигается высокая степень очистки конечного рафината, который удаляется из последней ступени. 

Существенным недостатком этого способа экстракции является весьма большой расход экстрагента и соответственно низкая средняя концентрация экстракта, который представляет собой смесь жидкостей с постепенно убывающей концентрацией извлекаемого вещества. Это затрудняет и удорожает регенерацию экстрагента.

Рис. 7-12. Схема многоступенчатой экстракции:

I, II и III - аппараты первой, второй и третьей ступени; 1- смеситель; 2 - отстойник.

Высокая степень извлечения экстрагируемого вещества при относительно малом расходе экстрагента достигается в наиболее распространенном процессе противоточной многоступенчатой экстракции. Исходный раствор и экстрагент поступают с противоположных концов аппарата; например, исходный раствор подается в первую ступень, экстрагент — в последнюю ступень (см. рис. 7-13). Соответственно из первой ступени удаляется конечный экстракт, а из последней — конечный рафинат.

Рис. 7-13. Схема противоточной многоступенчатой эктракции:

I, II и III - аппараты первой, второй и третьей ступени; 1- смеситель; 2 - отстойник.

В этом процессе свежий экстрагент вступает в контакт с рафинатом, имеющим наименьшую концентрацию распределяемого компонента, и после многократного контактирования в последовательных ступенях процесса насыщается извлекаемым веществом. В результате требуемая степень экстракции достигается при минимальном расходе экстрагента. Процессы противоточной многоступенчатой экстракции проводятся в ряде ступеней, состоящих из смесителей и отстойников (см. рис. 7-13), либо в противоточной колонне (рис. 7-14), причем экстракт и рафинат после подогрева направляются каждый в отдельную ректификационную колонну. В качестве дистиллята в этих колоннах получается регенерированный экстрагент, а в качестве остатка в одной колонне экстракт, в другой — рафинат.

Рис. 7-14. Схема противоточной многоступенчатой экстракции с колонным экстрактором:

1 - колонный экстрактор; 2, 3 - ректификационные колонны.

При противоточной многоступенчатой экстракции в последней по ходу экстракта ступени экстракт контактируется с исходным раствором. Поэтому наибольшая концентрация распределяемого компонента в экстракте является равновесной с концентрацией его в исходном растворе.

В тех случаях, когда требуется более высокая концентрация экстракта, применяют противоточную многоступенчатую экстракцию с флегмой (рис. 7-15, а). Исходный раствор вводят в колонный экстрактор на определенном уровне и часть экстракта после удаления из него экстрагента в ректификационной колонне возвращают в экстрактор в качестве флегмы.

Иногда для орошения колонны используют часть рафината, которым насыщают свежий экстрагент перед поступлением в колонный экстрактор.

Как и в процессе ректификации, орошение колонны флегмой позволяет существенно увеличить степень извлечения экстрагируемого компонента. Однако, в отличие от ректификации, при использовании флегмы в процессе экстракции требуется соблюдение определенных условий: экстрагент должен быть лишь частично растворим в обоих компонентах исходного раствора, а различие плотностей обеих фаз должно быть достаточно для их движения противотоком в колонне.

Рис. 7-15. Схемы противоточной многоступенчатой экстракции:

а —с флегмой; б — с двумя растворителями, 1 — экстрактор; 2, 3 — ректификационные колонны.

В некоторых случаях, например, если необходимо улучшить избирательное действие экстрагента, применяют многоступенчатую экстракцию с двумя растворителями (рис. 7-15,6). Растворители раздельно вводят сверху и снизу колонны-экстрактора, раздельно (сверху и снизу) отводятся также соответствующие экстракты, в одном из которых растворен компонент А, а в другом компонент В исходного двухкомпонентного раствора.

Кристаллизация

Общие сведения

Кристаллизация представляет собой процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллиза­ция из раствора) или процесс выделения твердой фазы при за­твердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава). Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекри­сталлизации (растворение с последующей кристаллизацией).

Кристаллизация из растворов основана на ограниченной рас­творимости твердых веществ. Раствор, содержащий максималь­ное количество растворенного вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насы­щенным; если раствор содержит большее количество раство­ренного вещества, то он является пересыщенным; если же он содержит меньшее количество растворенного вещества, то на­зывается ненасыщенным. Пересыщенные растворы неустойчивы: из них выделяется избыточное количество растворенного веще­ства, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделе­ния кристаллов раствор становится насыщенным. Этот насы­щенный раствор, полученный в результате выделения кристал­лов, называется маточным раствором, или маточником. Отделе­ние маточного раствора от кристаллов производится центрифу­гированием и другими методами, рассмотренными в главе 8.

Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой раствор твердого вещества оно будет рас­творяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным рас­твором.

Растворимость равна концентрации насыщенного раствора изависит от температуры, а также от свойств растворяемого вещества и растворителя. Для большинства твердых веществ растворимость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она с повышением температуры уменьшается или имеет при определенной температуре максимальное значе­ние.

Для проведения процесса кристаллизации пользуются сле­дующими способами создания пересыщенных растворов:

1. Охлаждение растворов применяют для кристаллизации ве­ществ, растворимость которых заметно уменьшается с пониже­нием температуры, а также для кристаллизации из расплавов.

2 Испарение части растворителя применяют для кристалли­зации веществ, растворимость которых увеличивается или не­значительно уменьшается с понижением температуры; испа­рение производится при кипении раствора в выпарном аппа­рате или путем испарения при температуре ниже точки ки­пения.

3. Комбинированный способ заключается в одновременном охлаждении и испарении части растворителя.

Кристаллизация может производиться также путем высаливания, т е. добавления в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли. Такими веществами являются вещества, связывающие воду (кристал­лизация сульфата натрия при добавлении спирта или аммиака), или соеди­нения, содержащие одинаковый ион с данной солью (кристаллизация хло­ристого натрия при добавлении хлористого магния, кристаллизация желез­ного купороса при добавлении концентрированной серной кислоты).

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий — образо­вания зародышей кристаллов и роста кристаллов.

Образование зародышей может происходить путем самопро­извольной кристаллизации. При этом оба процесса (образова­ние зародышей и рост кристаллов) протекают одновременно. Если скорость образования зародышей больше скорости их ро­ста, получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость роста больше скорости образования зародышей, получается меньшее количество крупных кристаллов. Изменяя факторы, влияющие на скорость образования зародышей и ско­рость их роста, можно регулировать размеры кристаллов. Бы­строе охлаждение, перемешивание раствора, высокая темпера­тура и низкий молекулярный вес кристаллов способствуют обра­зованию зародышей и получению мелких кристаллов. Наоборот, медленное охлаждение, неподвижность раствора, низкая темпе­ратура и высокий молекулярный вес способствуют процессу ро­ста и получению крупных кристаллов.

Кристаллизация может быть ускорена внесением затравки — мелких частиц кристаллизующегося вещества, которые и явля­ются зародышами кристаллов. В этом случае кристаллизация происходит в основном за счет роста внесенных в раствор затра­вочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико.

Размеры кристаллов имеют значение для последующей их обработки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаива­ются, отфильтровываются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно чище, чем крупные, так как последние часто содержат маточник с находящимися в нем примесями. Во избежание слеживания следует получать либо крупные кри­сталлы, либо мелкие кристаллы одинакового размера. Мелкие кристаллы разной величины, особенно кристаллическая пыль, способствуют слеживанию продукта.

Устройство кристаллизаторов

Простейшими аппаратами для кристаллизации являются ящичные кристаллизаторы: они представляют собой открытые прямоугольные ящики, в которых подвешиваются ленты или нити. Кристаллизация происходит путем естественного охла­ждения раствора и испарения части растворителя в воздух. Основная масса чистых кристаллов осаждается на поверхности лент или нитей и удаляется вручную. Примеси осаждаются на дне ящиков и удаляются с маточником. Такие кристаллизаторы работают периодически и неинтенсивно, отличаются громозд­костью и требуют применения ручного труда.

В современных кристаллизаторах применяют водяное или воздушное охлаждение, либо ведут кристаллизацию в ва­кууме.

Кристаллизаторы с водяным охлаждением

В этих кристаллизаторах тепло от раствора к охлаждающей воде передается через стенку, причем кристаллизация происхо­дит вследствие охлаждения раствора. В случае необходимости получения более низких температур, чем это возможно при во­дяном охлаждении, применяют охлаждение при помощи холо­дильных рассолов.

Кристаллизатор с мешалкой (рис. 14-1) состоит из сосуда 1 в котором вращается мешалка 2. Охлаждающий агент (вода или рассол) движется по змеевику 3. Благодаря вращению мешалки выпадающие кристаллы не осаждаются на дне, ; остаются в растворе во взвешенном состоянии. Такие кристаллические заторы работают периодически или непрерывно. При периодической работе аппарат заполняют раствором; по окончании кристаллизации производят разгрузку аппарата через патрубок - имеющий клапан (на рисунке не показан). При непрерывной работе соединяют последовательно несколько аппаратов, причем раствор протекает из одного кристаллизатора в другой; при этом раствор удаляется через боковой патрубок. Благодаря простоте эти кристаллизаторы имеют широкое распространение.

Кристаллизаторы такого типа изготовляют иногда с рубаш­ками (вместо змеевиков); чтобы устранить выпадение кристал­лов на стенках аппарата (что привело бы к ухудшению тепло­передачи), лопасти мешалки снаб­жают скребками или металличе­скими щетками.

Применяют также горизон­тальные кристаллизаторы с ме­шалками; они состоят из корыта с водяной рубашкой. По всей длине корыта на горизонтальном валу расположена мешалка; кристаллизуемый раствор подается к одному концу корыта и движется к другому его концу, где и удаляется.

Рис. 8-1. Кристаллизатор с м