Материальный и тепловой балансы кристаллизации
Материальный баланс процесса кристаллизации по общим потокам веществ может быть представлен в виде
 | (7.6) |
а баланс по безводному веществу – в виде
 | (7.7) |
где 
, 
и 
– потоки исходного, маточного растворов и полученных кристаллов, соответственно; 
– поток выпаренной воды; 
и 
– концентрации соответственно исходного и маточного растворов; 
– отношение молекулярных масс безводной соли и кристаллогидрата.
Количество получаемого продукта находят путем совместного решения уравнений (7.6) и (7.7):
 | (7.8) |
В случае изогидрической кристаллизации количество выпаренной воды 
0 и уравнение (7.8) сводится к виду
 | (7.9) |
Для процесса кристаллизации методом удаления растворителя из насыщенного раствора ( 
) уравнение (7.8) принимает вид:
 | (7.10) |
Тепловой баланс процесса изогидрической кристаллизации может быть записан в виде равенства на основе схемы тепловых потоков, представленных на рис. 7.6:
 | (7.11) |
где 
– поток охлаждающей воды; 
, 
, 
, 
, 
– теплоемкости исходного и маточного растворов, охлаждающей воды и кристаллов, соответственно; 
, 
, 
, 
, 
– температуры исходного и маточного растворов, охлаждающей воды и кристаллов, соответственно; 
– теплота кристаллизации; 
– потери тепла в окружающую среду.
Рис. 7.6 Схема тепловых потоков при изогидрической кристаллизации
Уравнения (7.11) и (7.6) позволяют определить расход охлаждающей воды на процесс изогидрической кристаллизации:
 | (7.12) |
Тепловой баланс процесса кристаллизации методом удаления растворителя при нагревании раствора глухим паром может быть записан на основе схемы тепловых потоков, представленных на рис.7.7:
 | (7.13) |
где 
– расход греющего пара; 
, 
, 
– энтальпии греющего пара, конденсата и удаленного в виде пара растворителя, соответственно.
По уравнениям (7.6) и (713) определяют расход греющего пара:
 | (7.14) |
При кристаллизации солей из растворов молекулы и атомы растворенного вещества значительно сближаются друг с другом, что вызывает тепловой эффект, в большинстве случаев положительный. В практике кристаллизации теплоту кристаллизации 
обычно принимают равной по величине и противоположной по знаку теплоте растворения.
Рис.7.7. Схема тепловых потоков при кристаллизацииметодом
удаления растворителя
Кристаллизаторы
Применяемые в промышленности кристаллизаторы можно разделить на три группы:изогидрические, вакуумные и выпарные. Выбор той или иной конструкции зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, производительности и т.п.
Изогидрические кристаллизаторы применяются при проведении процесса кристаллизации солей, растворимость которых значительно уменьшается с понижением температуры. Раствор в таких кристаллизаторах охлаждается при постоянном количестве растворителя до температуры ниже температуры насыщения. В результате охлаждения раствор становится пересыщенным, что приводит к возникновению кристаллизации.
Изогидрические кристаллизаторы периодического действия применяют главным образом в малотоннажных производствах. Конструкция такого кристаллизатора приведена на рис. 7.8.
Кристаллизатор представляет собой цилиндрический аппарат с охлаждающей рубашкой. Горячий насыщенный раствор заливается в аппарат 1 с непрерывно работающей мешалкой 2. После заполнения кристаллизатора в рубашку 3 подается охлаждающая вода. Образовавшаяся суспензия кристаллов сливается через разгрузочное устройство и направляется на фильтр или центрифугу для отделения кристаллов от маточного раствора.
Рис.7.8. Изогидрический кристаллизатор периодического действия:
1 – корпус; 2 – мешалка; 3 – охлаждающая рубашка;4 – разгрузочное устройство;
5 –подвод охлаждающей воды
Изогидрический барабанный погружной кристаллизатор (рис.7.9) имеет корпус 1 с корытообразным днищем, в котором помещен барабан 2 с двойными стенками, между которыми протекает охлаждающая вода. Барабан, полностью погруженный в раствор, вращается на пустотелых цапфах, через которые подается и отводится охлаждающая вода. Горячий раствор непрерывно вводится в аппарат через штуцер 3, а маточный раствор с кристаллами отводится через штуцер 4. Зоны ввода и вывода раствора разделены перегородкой 5. В нижней части аппарата расположена лопастная мешалка 6, при работе которой предотвращается выпадение кристаллов на дно аппарата.
Изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов изображен на рис. 7.10. В кристаллизаторах этого типа возможно регулирование размеров получаемых кристаллов. Кристаллизатор состоит из корпуса 1, циркуляционного насоса 2, теплообменника 3 и отстойника для мелких кристаллов 4. Горячий раствор поступает через штуцер 5 во всасывающую циркуляционную трубу 6 и смешивается с циркулирующим по замкнутому контуру маточным раствором. Протекая через холодильник 3, раствор охлаждается и становится пересыщенным. Пересыщенный раствор по трубе 7 поступает в нижнюю часть корпуса кристаллизатора и поднимается вверх, поддерживая растущие кристаллы во взвешенном состоянии. По мере движения раствора через псевдоожиженный слой кристаллов его пересыщение снижается. Готовый кристаллический продукт выводится из нижней части аппарата через штуцер 8.
Рис.7.9. Изогидрический барабанный погружной кристаллизатор непрерывного действия:1 – корпус; 2 – барабан; 3 – штуцер для ввода раствора;4 – штуцер для вывода суспензии кристаллов; 5 – перегородка;6 – лопастная мешалка;
I– раствор; II – cуспензия; III –охлаждающая вода
Рис. 7.10. Изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов:
1 – корпус; 2 – насос; 3 – теплообменник; 4 – отстойник; 5 – штуцер для ввода раствора; 6 – циркуляционная труба; 7 – центральная труба; 8 – штуцер для вывода суспензии кристаллов; I– раствор; II – cуспензия; III – маточный раствор
Вакуумные кристаллизаторы представляют собой аппараты, в которых раствор охлаждается вследствие адиабатического испарения части растворителя. На испарение расходуется тепло от раствора, который при этом охлаждается до температуры, соответствующей его температуре кипения при данном остаточном давлении.
Выпарные кристаллизаторы применяют для кристаллизации солей, растворимость которых мало меняется с изменением температуры. При этом процесс осуществляется путем удаления части растворителя при выпаривании раствора. Конструкции выпарных кристаллизаторов аналогичны конструкциям выпарных аппаратов. Вакуум-выпарной кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов приведен на рис.7.11. Тепло, необходимое для испарения растворителя, подводится к раствору через греющую камеру 12.
Рис.7.11. Вакуум-выпарной кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов: 1 – корпус; 2,5,9 – циркуляционные трубы; 3 – сепаратор; 4 – штуцер для вывода пара; 6 – отстойник; 7 – насос; 8 – штуцер для ввода раствора; 10 – сосуд для сбора маточного раствора; 11 – штуцер для вывода суспензии кристаллов;
12 – греющая камера;
I– раствор; II – маточный раствор; III –cуспензия; IV –соковый пар; V – пар; VI – конденсат