Устройство кристаллизаторов

Кристаллизаторы с охлаждением раствора. Качающийся крис­таллизатор (рис. 133) представляет собой длинное, неглубокое металлическое корыто 2 с загнутыми внутрь бортами, на котором укреплены полукруглые бандажи 3,

катающиеся по опорным роликам /.                                раствор

Кристаллизатор немного наклонен по оси и снабжен приводом, сообщающим ему медленные маятниковые движения (на рисунке привод не показан).

Горячий раствор подается в верх­
нюю часть кристаллизатора и, медлен­
но перетекая по нему, охлаждается за ^
счет теплопотерь в окружающую сре­
ду и частичного испарения раствори­
теля. Медленное охлаждение при сдают
слабом движении раствора способст­
вует Образованию отдельных круп- Рнс. 133. Качающийся кристал-
ных кристаллов, не срастающихся меж-              лизатор:

* о                                                                   1 — полнки, 2 — металлическое KQ-

ДУ СОбОИ, Как В НеПОДВИЖНОМ рЭСТВО-      ^Р  рыто, 3 - бандажи

ре. При работе аппарата кристаллы

почти не откладываются на стенках. Полученная суспензия выгру­жается из нижнего конца 'кристаллизатора. Далее кристаллы от­деляются от маточного раствора на центрифугах или фильтрах и ■ поступают на сушку. Производительность качающихся кристалли­заторов невелика, а выделяющиеся пары, попадая в цех, сильно за­грязняют атмосферу. Увеличения производительности достигают в кристаллизаторах других типов.

Кристаллизатор с ленточной мешалкой (рис. 134) состоит из корпуса 2, снабженного водяной рубашкой / и тихоходной мешал­кой 3. Раствор, подлежащий кристаллизации, и охлаждающая.вода подаются противотоком, что обеспечивает по всей длине аппарата приблизительно одинаковую разность температур. Мешалка имеет ленточные лопасти, близко подходящие к стенкам аппарата и пре­пятствующие образованию на них кристаллов. Форма лопастей ме­шалки на выходе охлажденной суспецзии способствует выгрузке кристаллов. Аппараты могут быть открытыми или с крышками, пре­пятствующими попаданию паров в рабочее помещение.

Барабанный кристаллизатор с водяным охлаждением (рис. 135) —широко распространенный аппарат, состоящий из цилиндри­ческого корпуса 3, снабженного рубашкой 4 и вращающегося на бандажах 1 и опорных роликах 5. Привод осуществляется через

149

Вода

Соковый

Суспензия

Раствор

 

ЖЩГ

нив (g^nai ими ®

Рис. 134. Кристаллизатор с ленточной мешалкой:

Раствор

Вода

Суспензия

/—рубашка, 2— корпус аппарата, 3 — мешалка

Рис. 1'35. Барабанный кристаллизатор:

/ — бандажи, 2 —венцовая шестерня, 3 — корпус, 4 — рубашка, 5 — опорные 'ро­лики

Рис. 136. Выпарной аппарат

с кристаллизацией

раствора:

/ — фильтры, 2 — выпорной ап­парат с подвесной греющей ка­мерой

венцовую шестерню 2. Охлаждающая вода и раствор также дви­жутся противотоком. Недостатком этой конструкции является нали­пание кристаллов на внутренней поверхности; в некоторых конст­рукциях для устранения налипания в кристаллизатор помещают цепи, сбивающие кристаллы со стенок.

Применяются также барабанные кристаллизаторы без водяной рубашки, в которых продукт охлаждается вдуваемым воздухом при частичном испарении растворителя, что увеличивает количество теп­лоты, отбираемой от раствора.

Рис. 137. Вальцевый кристаллизатор: 1 zr - корыто, 2 — барабан, 3 — нож для съема осадка

Кристаллизаторы с удалением части растворителя. Выпарной аппарат-кристаллизатор (рис. 136) состоит из выпарного аппарата 2 с подвесной греющей камерой и двух фильтров /, работающих поочередно. Образующиеся в аппарате при выпаривании раствора кристаллы скапливаются в его нижней конической части и периоди­чески отводятся на один из фильтров, где их отделяют от маточного раствора и промывают.

Кристаллизаторы для расплавов. Вальцовый кристаллизатор для расплавов (рис. 137) состоит из барабана 2 с двойными стен­ками, вращающегося в цапфах, нижняя часть которого погружена в корыто /, снабженное рубашкой для парового обогрева. Барабан медленно вращается и своей нижней частью захватывает расплав, образующий на охлаждаемой стенке барабана корку кристаллов. При вращении барабана и охлаждении полученные кристаллы сни­маются с барабана ножом 3.

Для увеличения производительности и поверхности охлаждения в настоящее время разрабатываются конструкции барабанов с реб­ристой боковой поверхностью. В некоторых случаях барабаны не имеют двойных стенок и охлаждающая вода поступает в общую внутреннюю полость. Хорошо отрегулированные кристаллизаторы этого типа не требуют постоянного надзора и обеспечивают хоро­шую производительность.

Вопросы для повторения. 1. Что называется процессом кристаллизации и с какой целью этот процесс проводится в промышленности? 2. От каких факторов зависят форма и размер получаемых кристаллов? 3. Как проводится кристалли-

151

зация веществ, растворимость которых увеличивается с повышением температу­ры? 4. В каких случаях процесс выпаривания совмещается с процессом кристал­лизации?. 5. Как устроен качающийся кристаллизатор и в чем его преимущества? 6. Как устроены вальцовые кристаллизаторы и в каких случаях оии применя­ются?

ГЛАВА13. ОСНОВЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В химической технологии большое значение имеют процессы "мас­сопередачи, которые заключаются в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую. Причиной, вызывающей перераспределение жидкого или газообразного компонента между фазами, является различное содержание этого компонента в фазах. Применяя процесс массопередачи, можно осуществлять разделение смесей различных веществ на компоненты. Эти смеси могут представлять собой неодг нбродные — гетерогенные или однородные — гомогенные системы, разделение которых представляет' наибольшую трудность.

Массообменные процессы происходят при разделении двухком-понентных и многокомпонентных смесей на отдельные компоненты или реже "при смешении компонентов.

Процессы теплопередачи и массопередачи во многом аналогич­ны, хотя между ними есть существенные различия. Движущей силой процессов теплопередачи является разность температур между об­менивающимися теплотой средами, движущей силой процессов мас­сопередачи— разность концентраций между фазами. Однако если в процессах' теплопередачи поверхность теплообмена, как правило, известна, то определить при массообмене поверхность контакта между фазами в виде отдельных струй газа или пара с пузырьками, брызгами, пеной жидкости или твердыми частицами крайне трудно,. так как величина этой поверхности постоянно меняется.

В химической промышленности применяются следующие процес­сы, основанные на явлениях массопередачи.

Абсорбция — поглощение газа жидкостью, т. е. процесс, при ко­тором вещество переходит из газовой фазы в жидкую и растворяет­ся в ней. Обратный процесс удаления из жидкости растворенного в ней газа называется десорбцией.

. Перегонка и ректификация — разделение гомогенных жидких смесей путем испарения компонента, обладающего более высокой летучестью, с последующей конденсацией этого компонента.

Экстракция — извлечение растворенного в жидкости вещества с помощью другой жидкости, не смешивающейся в первой и способ­ной лучше растворять это вещество.

Адсорбция — поглощение твердым пористым поглотителем одного компонента из многокомпонентной' смеси газов, паров или жидко­стей. Обратный процесс называется десорбцией и служит для выде­ления адсорбированного вещества и регенерации поглотителя.

Сушка — удаление влаги из твердых тел путем испарения. .

Кристаллизация — выделение одного или нескольких компонен­тов в виде кристаллов из раствора или расплава.

152

Все гетерогенные процессы массопередачи включают стадии пе­реноса вещества в пределах одной фазы, перехода вещества из од­ной фазы в Другую через поверхность раздела и стадии распреде­ления вещества в другой фазе. При рассмотрении механизма массопереноса через границу раздела фаз в системах газ — Жид­кость, газ — твердое тело или жидкость — твердое тело различают центральную часть потока, или ядро потока, и диффузионный слой, непосредственно соприкасающийся с поверхностью.

В большинстве случаев массообменные процессы сопровождают­ся теплообменом, который оказывает влияние на их скорость. Ско­рость массопередачи при заданной температуре зависит от интен­сивности молекулярной диффузии, т. е. способности одного вещест­ва самопроизвольно проникать в другое за счет беспорядочного теплового движения молекул. В движущейся среде массопередача может осуществляться также за счет конвективного переноса мас­сы. Суммарный процесс, который складывается из молекулярной диффузии и конвективного переноса, иосит название конвективной диффузии.

Состав вещества необходимо знать для определения направле­ния и скорости массообменного процесва. Его выражают в массо­вых процентах (мае. %) и массовых долях лли чаще в молярных процентах (мол. %) или молярных долях. Если рассматривать смесь, состоящую из двух компонентов — Л и В, и принять, что и — массовой процент легколетучего компонента Л; 6 = 1—а — мас­совый процент компонента В; М_А— молекулярная масса компонен­та А; М_в— молекулярная масса компонента В; Х_А— молекулярная доля легколетучего вещества А в растворе, то связь между массо­выми а, 6 и молярными Ха и Х_вдолями компонентов выражается формулами

_х---------------- ум *--------                           3.1)

a/M_A+(l-a)/M_B                             ^K '

Х_в=~------- " J ?*»----- __.                      (13.2)

Числитель определяет число молей компонентов Л и В, а знамена­тель— сумму молей двух веществ. Формулы позволяют рассчитать отношение числа молей веществ Л и В к общему числу молей, т. е. выражают состав в долях моля.

Процесс переноса массы из одной фазы в другую осуществляет­ся до тех пор, пока в фазах не будут достигнуты условия равнове­сия. Условия равновесия определяются предельными, или равновес­ными, концентрациями, при которых не происходит перехода вещества из фазы в фазу, т. е. движущая сила процесса становится равной нулю. В условиях равновесия концентрация распределенно­го вещества в одной фазе соответствует строго определенной кон­центрации в другой фазе. Равновесные концентрации рассчитывают с помощью уравнения равновесия либо определяют по графику ли­нии равновесия.

153

Перенос распределяемого вещества происходит всегда из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентра­ция этого вещества ниже равновесной. Так, в процессе абсорбции распределяемое вещество переходит из газовой фазы в жидкую. В процессах перегонки и ректификации двухкрмпонентной смеси более летучее вещество переходит из жидкой фазы в паровую до тех пор, пока не наступит равновесие между фазами по содержа­нию этого компонента.

Уравнение массопередачи выражает зависимость между коли­чеством вещества М, передаваемого из одной фазы в. другую, по­верхностью раздела фаз F и продолжительностью процесса т:

M = KFbx ,                              . (13.3)

где К — коэффициент массопередачи; Д — средняя движущая сила процесса.

Коэффициент массопередачи равен количеству вещества, пере­данного из одной фазы в другую через единицу поверхности контак­та фаз при единице движущей силы процесса за единицу времени:

' K = M /( FLxy '                                  (13.4)

ГЛАВА 14. АБСОРБЦИЯ

Общие сведения

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсор­бентами). При физической абсорбции поглощаемый газ не взаимо­действует химически с поглощающей жидкостью. Изменяя условия ведения процесса, можно из жидкости выделить растворенный газ, т. е. провести процесс десорбции. Сочетание процессов абсорбции и десорбции позволяет многократно использовать растворитель и по­лучать растворенный газ в чистом виде. Если между газом и жид­костью происходит химическое взанмедействие, процесс называется хёмосорбцией.

Процессы абсорбции широко распространены в химической про­
мышленности. При получении важных химических продуктов про­
цесс абсорбции является основной технологической стадией произ­
водства (например, абсорбция газообразного НС1 водой при полу­
чении соляной' кислоты, абсорбция БОз в производстве серной
кислоты, поглощение паров бензола маслом). Кроме того, процес­
сы абсорбции применяются при санитарной очистке выбросных га­
зов для улавливания вредных продуктов во избежание попадания
их в атмосферу.                                                    *

Для системы газ — жидкость переменными, влияющими на про­цесс, являются температура, давление и концентрации компонента в обеих фазах. Зависимость между составом газа (его концентраци­ей) и составом жидкости, находящихся в равновесии, выражается

154

законом Генри, по которому парциальное давление растворенного газа р_а пропорционально его мольной доле Х_а в растворе:

р_а=ЕХ_а.                                - (14.1)

В этом уравнении величина Е — коэффициент пропорционально­сти — иосит название константы Генри. Числовые значения констан­ты Генри для данного газа зависят от природы поглотителя и га­за и от температуры, но не зависят от общего давления в системе. Используя также закон Даль­тона, можно установить зави­симость между концентрация­ми данного компонента в газо­вой смеси и в жидкости.

Зависимость в координатах давление — состав жидкости выражается прямыми линия­ми, проходящими через нача­ло координат.

Рис. 138. К определению удельного рас­хода абсорбента и значения движущей силы: а — схема работы аппарата, б — график зави­симости расхода жидкости и значения движу­ щей силы

Материальный баланс аб­сорбера и расход абсорбента. Если обозначить G — расход инертного газа (рис. 138, а); Ув, Ух — начальную и конечную концентрации данного компо­нента в газе; L — расход аб­сорбента (жидкости.); Хв, х_к— начальную и конечную концентрации компонента в жидкой фазе, то уравнение материального баланса абсорбера при подаче противотоком

G ( y_B - y_K )= L ( x_K - x »),                                 (14.2)

откуда общий расход абсорбента составит

У и — У к