МАШИНОСТРОЕНИЕ

КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ С ОТВОДОМ ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ОХЛАЖДАЕМЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Для осуществления такого процесса при­меняют аппараты разнообразных конструкций с охлаждающими рубашками или различными погружными теплообменными элементами (змеевиками, трубчатками, дисками и др.). Ох­лаждающими агентами служат жидкости, со­храняющие неизменным свое агрегатное со­стояние (вода, рассолы, органические вещества с низкой температурой плавления и др.), а так­же испаряющиеся жидкости (аммиак, фреоны, пропан, этан и др.). Последние обычно исполь­зуют при фракционировании низкоплавких смесей.

Емкостные кристаллизаторы с охлаж­дающей рубашкой по конструкции практиче­ски ничем не отличаются от емкостных реак­торов [14, 15, 80]. Кристаллизующаяся смесь в таких аппаратах перемешивается рамными, якорными или лопастными мешалками. Пере­мешивание поддерживает растущие кристаллы во взвешанном состоянии и интенсифицирует процессы тепло-, массообмена. Для улучшения перемешивания кристаллизующейся смеси в кристаллизаторе иногда используют внутрен­нюю циркуляцию, осуществляемую пропел­лерной мешалкой и направляющей трубой. При направленном движении суспензии обра­зуются более однородные по размерам кри­сталлы и понижается склонность к их оседа­нию на рабочих поверхностях.

Объем таких аппаратов может достигать нескольких кубических метров. Чаще всего ем­костные кристаллизаторы работают периоди­чески. Режим охлаждения устанавливают с учетом особенностей кристаллизации конкрет­ных смесей, в большинстве случаев плавно по­нижая температуру в аппарате по определен­ной программе. При этом разность температур между кристаллизующейся смесью и охлаж­даемой поверхностью не должна превышать 8... 10 °С. В случае кристаллизации смесей, склонных к переохлаждению, при достижении насыщения в смесь вводят затравочные кри­сталлы.

Недостатком емкостных кристаллизато­ров является небольшая площадь поверхности теплообмена. Для ее увеличения внутри аппа­ратов часто размещают дополнительные охла­ждающие элементы: змеевики, трубчатки и др.

Получаемую кристаллическую суспензию обычно выгружают через нижний спускной штуцер. Во избежание забивки спускные шту­цера обычно подогревают паром или горячей водой. В ряде случаев спускные штуцера снаб­жают специальными очищающими штырями. При разделении легкоокисляющихся, взрыво­опасных или токсичных веществ аппараты вы­полняют в герметичном исполнении, а процесс часто осуществляют в атмосфере инертного га­за (например, азота).

Для организации непрерывного процесса применяют каскад рассмотренных аппаратов, в которых температура фракционирования по­степенно понижается. При такой организации процесса можно получить довольно крупные и однородные по размерам кристаллы [42]. Ис­ходную смесь подают в первый аппарат каска­
да, а полученную суспензию выводят из по­следнего. Хладагент обычно движется проти­вотоком к кристаллизующейся смеси. Недоста­ток такого каскада аппаратов - его громозд­кость, а также возможность забивки трубопро­водов для перетока кристаллизующейся смеси.

Механические кристаллизаторы. Эти аппараты широко используют для проведения непрерывной кристаллизации. Большинство из них представляет собой горизонтальный ци­линдрический аппарат, снабженный шнеками, скребковыми мешалками, роторами, ножами и др.

Скребковые кожухотрубчатые кристал­лизаторы часто применяют для проведения фракционной кристаллизации органических веществ (рис. 5.3.8). .Это теплообменный аппа­рат непрерывного действия типа к4труба в трубе", состоящий из последовательно соеди­ненных горизонтальных труб 7, внутри кото­рых движется кристаллизующийся расплав, подаваемый насосом. Эти трубы снабжены ру­башками 2, через которые проходит поток ох­лаждающего агента (воды, рассола, аммиака и др.). Внутри труб для расплава (длина каждой трубы достигает 12 м) проходят валы 4 с за­крепленными на них скребками для очистки внутренней поверхности от оседающих кри­сталлов. Вал обычно выполнен из толстостен­ной трубы, а скребки - в виде двух изогнутых пластин, прижимающихся к охлаждаемой по­верхности с помощью пружин. Частота враще­ния вала 10... 15 мин-1. Диаметр внутренних труб 100... 180 мм.

Рассматриваемые кристаллизаторы име­ют обычно 2-14 секций. При большом числе охлаждающих секций их располагают в два ря­да [14, 15]. В некоторых конструкциях трубы заключают в два блока с размещением по шес­тиугольнику. При этом в каждом блоке трубы имеют общую охлаждающую рубашку.

Достоинством рассматриваемых кристал­лизаторов является развитая поверхность теп­лообмена, а их недостатком - большое гидрав­лическое сопротивление и большое число сальниковых уплотнений.

Кристаллизатор с ленточной мешалкой состоит из горизонтально расположенного ко­рыта / с полуцилиндрическим днищем, кото­рое снаружи имеет водяную рубашку 2, а внут­ри - тихоходную ленточную мешалку 3, изго­товленную из расположенных по спирали ме­таллических лент и приводимую во вращение червячной передачей 4 (рис. 5.3.9). Горячий концентрированный раствор по штуцеру 5 по­дается на один конец корыта и, постепенно ох­лаждаясь, проходит вдоль аппарата к сливному штуцеру 6. Для облегчения выгрузки кристал­лического продукта на конце вала закреплена специальная лопастная мешалка, которая хо­рошо перемешивает суспензию и обеспечивает ее однородный состав при сливе через штуцер 6. Охлаждающая вода поступает в рубашку че­рез штуцер 7 и движется противотоком раство­ру к выходному штуцеру 8.

В зависимости от условий производства корыто может быть закрытым или открытым [4, 41, 42]. В последнем случае скорость кри­сталлизации несколько выше вследствие час­тичного испарения растворителя. Ширина ко­рыта кристаллизаторов обычно составляет 600...800 мм. Ленточная мешалка не только перемещает кристаллы вдоль аппарата, но и поддерживает их во взвешенном состоянии, способствуя образованию сравнительно одно­родных по размеру кристаллов.

Аппараты собираются из отдельных эле­ментов (но не более четырех) длиной 3...4 м. Переход охлаждающей воды из одной секции в другую осуществляется через соединительные патрубки 9.

Если требуется большая производитель­ность, то последовательно устанавливают не­сколько кристаллизаторов. При этом для эко­номии производственной площади кристалли­заторы монтируются друг над другом, что обеспечивает движение раствора самотеком из аппарата в аппарат [41, 42].

Кожухотрубчатые кристаллизаторы с вращающимся ротором, на котором укреплены плоские ножи, описаны в [14, 15, 41]. Эти ап­параты применяют для выделения парафина, фракционного разделения изомеров ксилола и ряда других органических смесей [14, 15]. Ро­торные кристаллизаторы работают непрерыв­но. Исходная смесь подается под избыточным давлением в полость между стенкой охлаж­дающего цилиндра и ротором. При охлажде­нии расплава кристаллы образуются преиму­щественно на внутренней поверхности охлаж­дающего цилиндра, откуда они непрерывно снимаются специальными ножами и попадают в расплав. Частота вращения ротора составляет 300...2000 мин-1 [41]. Благодаря хорошему пе­ремешиванию охлаждаемого расплава здесь достигаются сравнительно высокие коэффици­енты теплопередачи - до 3 кВт/(м2 оС).

Основным недостатком роторных кри­сталлизаторов является образование мелких кристаллов, отделение которых от маточника часто затруднено. Для увеличения размера кристаллов роторные кристаллизаторы часто последовательно соединяют с емкостными. В роторном кристаллизаторе происходит зарож­дение кристаллов, а в емкостном - их даль­нейший рост [42]. В некоторых случаях после­довательно соединяют несколько роторных кристаллизаторов.

Дисковые кристаллизаторы отличаются высокой эффективностью и развитой поверх­ностью теплообмена [14]. Они состоят из набо­ра пустотелых дисков 3, внутри которых по кольцевым каналам движется охлаждающая жидкость (рис. 5.3.10). Диски собраны в пакет болтами 4 и имеют сквозные отверстия (часто сегментной формы) для перетока расплава сверху вниз. При сборке диски разворачивают так, чтобы переточные отверстия были повер­нуты друг относительно друга на угол 270... 300°. Каждый диск имеет два штуцера для под­вода и отвода охлаждающего агента. Соседние диски уплотнены промежуточными проклад­ками.

Все диски имеют в центре отверстие, че­рез которое проходит вал со скребками 2 для

Очистки охлаждающих поверхностей от осе­дающих кристаллов, а также для перемешива­ния кристаллизата. Кроме того, скребки спо­собствуют транспортированию кристаллов к переточным отверстиям. Скребок выполнен так, что одна его лопасть очищает нижнюю по­верхность диска, а другая - верхнюю. Привод вала кристаллизатора осуществляется от элек­тродвигателя через редуктор. Частота враще­ния вала обычно 3...10 мин-1. Площадь по­верхности теплообмена в таких аппаратах не­редко достигает 100 м2.

Исходный расплав / поступает в междис­ковое пространство через верхний питающий штуцер, расположенный на крышке кристалли­затора. Образующаяся в результате охлажде­ния суспензия последовательно проходит через междисковые пространства и выгружается че­рез нижний штуцер III. Охлаждающая жид­кость II обычно подается в полость нижнего диска и, пройдя через кольцевые каналы, про­текает через колено в полость вышележащего диска и т. д.; она уходит из полости верхнего диска. Таким образом, расплав и охлаждающая жидкость движутся противотоком, что способ­ствует образованию более крупных кристал­лов. При необходимости можно изменять тем­пературу охлаждения в любом диске, подавая в него охлаждающий агент требуемой темпера­туры.

Барабанные кристаллизаторы с водяным или воздушным охлаждением довольно часто используются для кристаллизации неорганиче­ских веществ из водных растворов [42].

Кристаллизатор с водяным охлаждением представляет собой вращающийся барабан У, имеющий водяную рубашку 2 и установлен­ный под небольшим углом к горизонту (рис. 5.3.11). Во избежание деформации ру­башки между ней и корпусом в шахматном по­рядке вварены бобышки 3. На корпусе кри­сталлизатора закреплены два бандажа 4, каж­дый из которых опирается на две пары опор­ных роликов 5. Чтобы предупредить осевое скольжение барабана, у одного из бандажей установлены упорные ролики б. Вращение ба­рабана с частотой 10...20 мин4 осуществляет­ся через зубчатый венец 7, который входит в зацепление с шестерней привода. Горячий рас­твор II подается в верхний конец барабана и при непрерывном перемешивании медленно движется к противоположному разгрузочному концу III. Охлаждающая вода / подается проти­вотоком раствору через распределительное уст­ройство и отводится через отверстие в рубашке.

I 2 3

Рис. 5.3.11. Барабанный кристаллизатор с водяным охлаждением

Отношение длины барабана к его внут­реннему диаметру обычно составляет 10... 12, а внутренний диаметр 0,5... 1,5 м, толщина слоя раствора в аппарате 100...200 мм.

Толщина слоя раствора в барабане, угол его наклона и частота вращения барабана вы­бираются в зависимости от свойств кристалли­зуемого вещества и требуемого качества про­дукта. Производительность барабанных кри­сталлизаторов зависит от их размера и от при­роды кристаллизуемого вещества. Так, для ап­паратов длиной 10 м она может составлять 350...600 кг/ч кристаллического продукта [42]. Потребляемая мощность и расход воды на 1 м3 кристаллизуемого раствора в среднем состав­ляют соответственно 1... 2 кВт и 3... 5 м3.

Существенным недостатком барабанных кристаллизаторов с водяным охлаждением яв­ляется значительная инкрустация внутренних поверхностей вследствие резкого охлаждения стенок барабана и сравнительно небольших скоростей движения раствора. Для предотвра­щения образования кристаллов на внутренней поверхности иногда в барабан на всю его дли­ну помещают тяжелую цепь, которая при вра­щении барабана перекатывается по его внут­ренней поверхности и механически сбивает кристаллические наросты. Для предупрежде­ния образования инкрустаций используются барабанные кристаллизаторы с воздушным ох­лаждением, в которых раствор охлаждается сильной струей воздуха, подаваемой вентиля­тором внутрь барабана противотоком движе­нию раствора. Охлаждение в таком кристалли­заторе происходит не только за счет передачи воздуху части количества теплоты раствора, но и, главным образом, в результате испарения раствора.

Циркуляционные кристаллизаторы.

Для кристаллизации неорганических солей из водных растворов часто используют циркуля­ционные кристаллизаторы двух типов: с цир­куляцией осветленного маточника и с цирку­ляцией суспензии. Конструкции таких кри­сталлизаторов и особенности их работы описа­ны в [42, 47].

Кристаллизаторы с циркуляцией освет­ленного маточника (рис. 5.3.12) обычно состо­ят из кристаллорастворителя /, теплообменни­ка 2 и циркуляционного насоса 3. Исходный раствор / смешивается с циркулирующим ма­точником и подается в теплообменник 2, в ко­тором смесь охлаждается хладагентом II на 1...2°С ниже точки насыщения. Пересыщен -

Ный раствор поступает по центральной трубе 4 в нижнюю часть кристаллорастворителя 1. Об­разующиеся кристаллы взвешены в восходя­щем потоке маточника. Пройдя через псевдо - ожиженный слой кристаллов, маточник освет­ляется и по циркуляционному контуру 5 воз­вращается в теплообменник 2.

В кристаллорастворителе происходит частичная классификация кристаллов по раз­мерам. Сгущенная суспензия //отводится через штуцер в донной части аппарата, а часть освет­ленного маточника III отбирается через штуцер в верхней части кристаллорастворителя.

При охлаждении циркулирующего ма­точника возможна инкрустация внутренних поверхностей теплообменника. Для удаления осевших кристаллов теплообменник периоди­чески промывают или пропаривают. Установки большой мощности часто снабжают несколь­кими (до шести) рабочими контурами, которые последовательно отключают для регенерации теплообменников [47]. Продолжительность ра­бочего цикла теплообменников можно увели­чить поддержанием разности температуры ме­жду циркулирующим маточником и хладаген­том 4...6 °С.

Кристаллизаторы с циркуляцией суспен­зии применяют реже, чем аппараты с циркуля­
цией маточника. Конструкции таких кристал­лизаторов описаны в [4, 42, 47, 66].

Расчет кристаллизаторов с отводом те­плоты через охлаждаемые поверхности. При

Осуществлении процесса фракционной кри­сталлизации выход кристаллической фазы К и маточника М, а также количество отводимой теплоты Q можно определить из совместного рассмотрения уравнений материального и теп­лового балансов [14, 15, 42]. На рис. 5.3.13 по­казана диаграмма равновесия фаз процесса фракционной кристаллизации бинарной смеси (раствора) F. В качестве растворенного веще­ства выступает компонент А, а в качестве рас­творителя - компонент В.

Исходный раствор F находится в пере­гретом (насыщенном) состоянии. При этом его исходная температура tр выше температуры

Насыщения /н . Так как концентрация исход­ного раствора (содержание компонента А в растворе) хр выше эвтектической Хр, то процесс кристаллизации происходит в кри­сталлизационном поле компонента А

Рассматриваемый процесс состоит из двух стадий: простого охлаждения раствора и кристаллизации. На стадии простого охлажде­ния исходный раствор F охлаждается от тем­пературы tp до конечной температуры фрак­ционирования /ф. При температуре tH раствор

Достигает насыщенного состояния. Затем при понижении температуры в системе начинается стадия кристаллизации. При этом по мере по­нижения температуры в системе увеличивается выход кристаллической фазы К и соответст -

Рис. 5.3.13. Диаграмма равновесия фаз процесса кристаллизации бинарной смеси путем ее охлаждения

Венно уменьшается количество маточника М. Снижается также содержание растворенного вещества в маточнике хм. Так как в рассмат­риваемой системе не происходит образования кристаллогидратов, при кристаллизации выде­ляются кристаллы чистого компонента А. При этом их концентрация хк = \ .

Материальный баланс такого процесса кристаллизации описывается уравнениями [15, 42]:

F = K+M; (5.3.2)

Fx р =Ajck +MrN

При совместном решении уравнений (5.3.2) и (5.3.3) получается следующее выраже­ние для расчета выхода кристаллов:

Хр - xw

(5.3.4)

Значения концентраций хк и хм можно

Определить по диаграмме равновесия фаз рас­сматриваемой системы при выбранной конеч­ной температуре кристаллизации tф.

В случае образования кристаллогидратов концентрация кристаллической фазы [42]

Ск=Мб/Мг

Где М5 и Мг - молекулярная масса соответ­ственно безводной соли и кристаллогидрата.

При периодической кристаллизации ко­личество теплоты, отводимой на стадии про­стого охлаждения Qb можно определить из уравнения теплового баланса данной стадии:

Q\=FcF{tF-tn). (5.3.6)

Где Ср - удельная теплоемкость исходного раствора.

Продолжительность стадии простого ох­лаждения т і можно рассчитать по уравнению [15]

FCF //г-е

Ті =------ In---------

Kxf fH-9

Где k\ - коэффициент теплопередачи от рас­твора к хладагенту; 9 - средняя температура хладагента; /- площадь поверхности теплооб­мена кристаллизатора.

Количество теплоты, отводимой на ста­дии кристаллизации Q2, можно определить из уравнения теплового баланса этой стадии:

Где ск и см - теплоемкость соответственно кристаллов и маточника, гкр - теплота кри­сталлизации растворенного вещества.

Методики расчета продолжительности стадий кристаллизации т2 и площади поверх­ности теплообмена кристаллизаторов / перио­дического действия приведены в специальной литературе [15, 42, 47].

При непрерывной кристаллизации коли­чество отводимой теплоты можно определить по балансовому уравнению

Q=Fcf(f +К{гкр - ск/ф)-см? ф. (5.3.9)

Площадь поверхности теплообмена 0

(5.3.10)

Ш

Где к - коэффициент теплоотдачи от кристал­лизующегося раствора к хладагенту; At - сред­няя разность температуры между кристалли­зующимся раствором и хладагентом.

Коэффициент к зависит от целого ряда параметров: теплофизических свойств хлад­агента, исходного раствора, содержания кри­сталлической фазы в получаемой суспензии, конструкции кристаллизатора, расходов пото­ков, скоростей их движения и др. Чаще всего величину к выбирают на основании опытных данных [42, 47, 66].

В случае использования испаряющихся хладагентов разность температур

А/ = Гф-в,

Где 0 - температура испарения хладагента.

При использовании обычных хладагентов величина

Э2 -01

(5.3.12)

ГФ

In

-е,

Где Bj, 02 - температура хладагента соответ­ственно на входе в охлаждающую рубашку ап­парата и на выходе из нее.