Кристаллизационные установки
4.7.1. Процессы кристаллизации солей в растворах. Кристаллизация – процесс выделения твердой фазы в кристаллическом виде из растворов или расплавов.
Процесс кристаллизации используют в различных производствах с целью выделения растворенных веществ из раствора, разделения смесей на фракции при переработке растворов неорганических веществ, очистки веществ от примесей.
Процесс кристаллизации происходит в две стадии: образование зародышей кристаллов в пересыщенном растворе, рост кристаллов или наращивание граней образовавшихся зародышей [23].
Если раствор однородный и свободен от примесей, то зародыши возникают при взаимодействии молекул твердого тела, имеющих пониженную кинетическую энергию. Группирование зародышей приводит к образованию центров кристаллизации. В значительной мере на процесс кристаллизации оказывает влияние перемешиванне раствора я его температура [10].
В обычных условиях ненасыщенные растворы находятся в состоянии равновесия. В процессе выпаривания такого раствора концентрация его возрастает и может быть доведена до полного насыщения.
Если такой насыщенный раствор подвергнуть дальнейшему выпариванию, то в результате нарушения равновесия в нем возникнут центры кристаллизации, а затем по мере охлаждения раствора эти зародыши начнут расти, образуя полногранные кристаллы форма кристаллов оказывает существенное влияние на способ отделения их из раствора. Крупные прямоугольные и ромбические кристаллы легко отделяются при фильтрации раствора, а мелкие взвеси – в центрифугах.
В любых пересыщенных растворах кристаллы будут выделяться до тех пор, пока раствор не станет равновесным, т. е. насыщенным при выбранной температуре охлаждения. После выделения твердой фазы из раствора получают маточник (насыщенный раствор), который возвращают в выпарной аппарат для выпаривания воды и получения пересыщенного раствора.
Присутствие в растворе примесей может повышать скорость образования центров кристаллизации, однако некоторые из них способствуют уменьшению этой скорости и даже приостанавливают рост кристаллов. Иногда для ускорения образования центров кристаллизации применяют «затравку» в виде мелкого порошка растворенного вещества, который вводят в раствор перед кристаллизацией. Так, например, широко применяют «затравки» при кристаллизации сахарозы.
Регулируя температуру, при которой осуществляется процесс кристаллизации, можно в некоторых случаях изменять крупность полученных кристаллов.
В производственных условиях применяют два метода кристаллизации: выпаривание раствора (кристаллизацию с удалением паров растворителя) и охлаждение раствора. Первый метод применяют для веществ, у которых растворимость мало зависит от температуры либо повышается с понижением температуры, второй – для веществ, у которых растворимость падает с понижением температуры.
4.7.2. Кристаллизаторы.В соответствии с методом кристаллизации аппараты можно разделить на кристаллизаторы типа выпарных аппаратов и кристаллизаторы-охладители, работающие под вакуумом или при. охлаждении раствора с помощью хладоносителей, поступающих в змеевики.
В зависимости от требуемой производительности применяют кристаллизаторы периодического или непрерывного действия.
Рис. 4.26. .Кристаллизатор емкостного типа со змеевиком и лопастной мешалкой: 1 – корпус; 2 – вал мешалки; 3 – змеевик
Рис. 4.27. Вакуум-кристаллизатор непрерывного действия
В малотоннажных производствах применяют кристаллизаторы, оборудованные перемешивающими устройствами, теплообменными рубашками или змеевиками. На рис. 4.26 показано устройство кристаллизатора емкостного типа со змеевиком, расположенным внутри аппарата, и лопастной мешалкой.
В некоторых производствах для получения крупных кристаллов и облегчения их удаления из аппарата используют вакуум-кристаллизатор непрерывного действия, представленный на рис. 4.27. Этот кристаллизатор состоит из испарителя 1, барометрической трубы- 2, сборника 3 и центробежного насоса 4. Удаление части растворителя путем выпаривания раствора производится под вакуумом, который создается с помощью пароэжекторных или водокольцевых вакуум-насосов. Циркуляция раствора обеспечивается центробежным насосом. В аппарате происходит кристаллизация под вакуумом и выделение солей, которые по барометрической трубе поступают в нижний сосуд для осаждения и последующего удаления через нижний штуцер.
Маточный раствор из аппарата удаляется через верхний боковой штуцер сосуда и направляется на дальнейшую упарку в испаритель. Некоторая его часть отбирается, для выпаривания и получения пересыщенного раствора в выпарных аппаратах.
Тепловой и конструктивный расчеты кристаллизаторов сводятся к определению площади поверхности теплообмена холодильников, при которой обеспечивается требуемый режим кристаллизации. Метод расчета аналогичен расчету выпарного аппарата с принудительной циркуляцией раствора. Производительность кристаллизатора определяется материальным расчетом на основе экспериментальных данных по растворимости и тепловых балансов циркулирующих потоков.
Кристаллизация расплавов применяется для получения продукта в виде чешуек, пластинок или гранул в производствах удобрений, красителей, пластмасс, реактивов.
Контрольные вопросы
1. Что называют растворами? Как выражается их концентрация?
2. Что называют температурной депрессией? Как она изменяется в зависимости от концентрации и давления?
3. Перечислите основные теплофизические свойства водных растворов и их влияние на процесс выпаривания.
4. Назовите и объясните технические способы выпаривания растворов.
5. Изобразите схемы выпарных установок с аппаратами поверхностного типа.
6. Объясните схемы контактного выпаривания растворов.
7. Для каких целей применяют выпарные установки с тепловыми насосами?
8. Какое значение имеет многоступенчатый принцип выпаривания?
9. Объясните назначение конденсаторов пара и подогревателей, раствора в схемах выпарных установок.
10. Назовите источники вторичной теплоты в выпарных установках и пути ее использования.
11. Какие типы аппаратов целесообразно, применять для выпаривания кристаллизующихся, пенящихся, вязких, коррозионно-активных, маломинерализованных растворов?
12. Типы каплеуловителей для сепарации и каплеулавливания при выпаривании растворов. Значение надрастворного пространства в выпарном аппарате.
13. Дайте характеристику конденсаторам, применяемым в выпарных установках.
14. Как определить располагаемую и полезную разности температур для теплового расчета выпарной установки?
15. Перечислите способы распределения полезной разности температур между ступенями выпарки.
16. Напишите материальный баланс процесса выпарки и определите концентрации раствора по ступеням выпарной установки.
17. Назовите исходные данные для расчета расхода первичного пара и площади поверхности нагрева аппарата в выпарной установке.
18. Перечислите основные этапы расчета выпарной установки на ЭВМ.
19. Изложите последовательность расчета выпарного аппарата с погружными горелками.
20. Объясните принцип работы кристаллизатора.
Глава пятая