4.7. 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

СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ