МАШИНОСТРОЕНИЕ

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Кристаллизация - процесс образования кристаллической фазы из расплавов, растворов и газовой фазы. С помощью кристаллизации:

Получают твердые продукты в виде бло­ков, гранул, чешуек и др.;

Разделяют различные смеси на фракции, обогащенные тем или иным компонентом;

Выделяют различные вещества из техни­ческих и природных растворов;

Осуществляют глубокую очистку веществ от примесей;

Концентрируют разбавленные растворы путем вымораживания растворителя; выращивают монокристаллы; получают вещества с определенными фи- зико-механическими свойствами.

Кристаллизация отличается чрезвычайно большим количеством методов и приемов ее реализации, которые можно разделить на три основных группы: из расплавов, растворов и паровой (газовой) фазы. Однако это разделение в значительной мере носит условный характер.

В литературных источниках часто под кристаллизацией из расплавов подразумевают разделение высокоплавких смесей, а кристал­лизацией из растворов считают процесс, когда один из компонентов исходной смеси (раство­ра) имеет достаточно низкую температуру плавления, или процесс кристаллизации при добавлении к исходной смеси (исходному ве­ществу) вспомогательного агента-растворите­ля, хотя между отмеченными двумя процесса­ми нет принципиального термодинамического различия [15, 42].

Кристаллизация из расплавов применяет­ся для получения различных отвержденных продуктов, а также для разделения и очистки широкого класса веществ органических и неор­ганических соединений [14, 15]: циклических, предельных и непредельных углеводородов, спиртов, органических кислот, полупроводни­ковых материалов и др.

Кристаллизацию из растворов использу­ют преимущественно при переработке неорга­нических веществ [4, 41, 42, 47, 66, 79, 80]. До­бавление растворителя к исходной смеси по­зволяет значительно снизить температуру про­цесса кристаллизации, что особенно важно при переработке высокоплавких веществ. Кроме того, использование растворителей часто по­зволяет увеличить эффективность разделения вследствие снижения вязкости маточной жид­кости. Особенно часто кристаллизация из рас­творов применяется при очистке различных солей, углеводов, витаминов, лекарственных препаратов и др.

Кристаллизация из паровой фазы приме­няется для веществ, имеющих высокое парци­альное давление паров над твердой фазой и способных непосредственно переходить из па­ровой фазы в кристаллическое состояние [16]. Такой процесс в литературе часто встречается под термином «десублимация». Его использу­ют для выделения из газообразных смесей наф­талина, фталевого и малеинового ангидрида, салициловой и бензойной кислот, фталимида, йода, шестифтористого урана и др.

По целевому назначению все методы кристаллизации можно разделить на три груп­пы: отверждение расплавов; фракционную кристаллизацию и выращивание монокристал­лов.

Отверждение с целью получения из рас­плавов различных твердых продуктов проис­ходит в результате охлаждения расплава ниже температуры его кристаллизации. При этом, как правило, весь расплав переводится в кри­сталлическое состояние. Иногда при охлажде­нии расплавов лишь часть вещества переходит в кристаллическое состояние; оставшееся ве­щество переходит в аморфное состояние. Это зависит от физико-химических свойств веще­ства, его состава и интенсивности внешнего охлаждения [14].

Фракционная кристаллизация использу­ется для разделения смесей на фракции, обо­гащенные теми или иным компонентами, а также для выделения из растворов содержа­щихся в них веществ. В этом случае обычно производится частичная кристаллизация ис­ходной смеси. Получается одна или несколько кристаллических и жидких фракций.

Фракционная кристаллизация может быть направленной и массовой [14, 15]. При направ­ленной кристаллизации образование кристал­лической фазы происходит на охлаждаемых поверхностях, а при массовой - образование и рост кристаллов происходит во всем объеме охлаждаемой смеси. Направленная кристалли­зация обычно имеет место при больших скоро­стях охлаждения. Структура образующегося слоя кристаллов в значительной мере опреде­ляется скоростью перемещения фронта кри­сталлизации, интенсивностью перемешивания жидкой фазы, исходным составом. При пере­мещении фронта кристаллизации происходит перераспределение компонентов между жид­кой и твердой фазами, зависящее от коэффици­ента распределения компонентов [15].

В случае массовой кристаллизации обыч­но создают по возможности равномерное пере­сыщение во всем объеме смеси. Такой процесс чаще всего осуществляют в аппаратах с меха­ническим перемешиванием смеси при доста­точно медленном ее охлаждении. При этом твердая фаза выделяется в виде отдельных кристаллов, средний размер которых зависит от свойств вещества и режимов процесса кри­сталлизации.

При фракционной кристаллизации орга­нических смесей пересыщение обычно дости­гается путем их охлаждения. При кристаллиза­ции веществ из растворов пересыщение можно достичь в результате охлаждения раствора, частичной отгонки растворителя, а также при добавлении к раствору высаливающего агента. Большинство методов фракционной кристал­лизации реализуется в две последовательные стадии: образования кристаллической суспен­зии и отделения (сепарации) кристаллической фазы от маточника.

Эффективность разделения смесей и очи­стки веществ от примесей в процессе фракци­онной кристаллизации сильно зависит от пол­ноты отделения маточника от кристаллической фазы на стадии сепарации полученной суспен­зии. В реальных условиях количество остаю­щейся маточной жидкости может составлять 2...50% массы кристаллической фракции. Для сепарации кристаллических суспензий исполь­зуют процессы осаждения, фильтрования и центрифугирования, а также прессования.

Выход и состав кристаллического про­дукта зависит не только от полноты удаления маточника из кристаллизата, но и от темпера­туры его сепарации.

Если в ходе сепарации температура смеси понижается, то выход кристаллической фрак­ции возрастает в результате дополнительной кристаллизации маточника. Такой эффект обычно характерен для сепарации высокоплав­ких смесей, когда процесс сопровождается по­терями теплоты в окружающую среду. При фракционировании низкоплавких смесей на­блюдается обратная картина: в результате при­тока теплоты из окружающей среды часть твердой фазы может подплавляться. При этом понижается выход кристаллического продукта; одновременно в нем, как правило, возрастает содержание высокоплавкого компонента.

Механизмы захвата маточника кристал­лической фазой могут быть разными. При фильтрации суспензий образуется пористый кристаллический слой, в котором маточник может удерживаться под действием капилляр­ных сил. Маточник может удерживаться на по­верхности кристаллов адсорбционными силами в виде тонкого слоя, который при фильтрации практически не удаляется.

Основным способом удаления остаточно­го маточника из кристаллического слоя являет­ся его промывка различными растворителями или расплавом уже очищенного вещества. Промывку кристаллической фазы можно про­водить непосредственно на поверхности фильтра. Иногда ее осуществляют путем ре - пульпации (механического смешивания) кри­сталлической фракции с растворителем или в специальных промывных колоннах в противо - точном режиме [15].