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.

Из материального баланса можно определить массу удаляемого растворителя:

;                               (8.28)

массу кристаллической фазы:

                                 ;                                      (8.29)

массу кристаллической фазы без отгонки растворителя:

.                 (8.30)

 

Тепловой баланс кристаллизации

 

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

Рассмотрим кристалл-лизацию 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)

Кинетика процесса

 

Как уже говорилось выше, процесс кристаллизации протекает в две стадии: образование центров кристаллов и рост кристаллов.

Кристаллизация идет с достаточной скоростью лишь в пересыщенных растворах. В подобных растворах на начальном этапе образуются «зародыши» кристаллов.

Начало и скорость образования кристаллов зависит от степени пересыщения, природы растворенного вещества и растворителя, наличия нерастворимой твердой фазы, наличия электрического поля.

Причина появления «зародышей» – флуктуация концентраций, в результате которой образуются «дозародыши» кристаллов, представ-ляющие собой скопления молекул или ионов растворенного вещества. При достижении некоторого критического размера «дозародышей» образуются зародыши кристаллов. Начиная с некоторого критического размера r_кр в пределах от 0,5 до 5нм, начинается быстрый рост зародышей и образование большого числа полидисперсных кристаллов. Чем меньше критический размер кристалла, тем больше должна быть степень пересыщения раствора. Эта закономерность выражается следующим образом:

                   (8.32)

где с – действительная концентрация раствора на момент начала кристаллизации, кг/м³;

с^* – равновесная концентрация (равновесная растворимость), кг/м³;

σ – поверхностное натяжение, Н/м;

М – молекулярная масса кристаллов;

ρ_т – плотность кристаллов, кг/м³.

Отношение  называется степенью пересыщения.

На стадии роста кристаллов происходит образование крупных кристаллов за счет массообмена с жидкой фазой.

Скорость обеих стадий можно повысить, увеличивая степень пересыщения, увеличивая температуру, используя интенсивное перемешивание, добавляя нерастворимые твердые частицы.

Рост самого кристалла протекает в две стадии:

1) диффузионная – подвод растворенного вещества к поверхности зародыша. Скорость этой стадии определяется по уравнению

,                            (8.33)

где    G – масса кристаллической фазы, кг;

β_с – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе;

с – концентрация вещества в объеме раствора, кг/м³;

с_п – концентрация вещества у поверхности кристалла, кг/м³;

2) рост кристалла. Скорость этой стадии определяется:

                             ,                                 (8.34)

где  β_т – коэффициент массоотдачи в твердой фазе;

с^* – концентрация насыщения, кг/м³.

Если скорость одной из стадий будет велика, следовательно, вторая стадия будет лимитировать процесс.

В случае соизмеримых скоростей процессов в сплошной и дисперсной фазах общая скорость процесса определится по уравнению массопередачи:

                      ,                   (8.35)

где  – коэффициент массопередачи при кристаллизации.

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.

 

 

Адсорбция

Адсорбция – процесс поглощения вещества из смеси газовых паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела – адсорбента.

Поглощаемое вещество, находящееся в газе (жидкости), называется адсорбтивом, а поглощаемое вещество – адсорбатом.

Адсорбция применяется с целью очистки и осушки газов, очистки и осветления растворов, разделения парогазовых смесей, а также извлечения ценных летучих растворителей из смеси.

 

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться: