МАШИНОСТРОЕНИЕ

СУБЛИМАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Сублимацией (возгонкой) называют пе­реход вещества из твердой фазы в газообраз­ную, минуя жидкую фазу. В процессе субли­мации давление пара вблизи твердой поверх­ности ниже равновесного. Десублимация - конденсация вещества из газообразного со­стояния в твердое.

Сублимация и десублимация в совре­менной технологии. Процессы сублимации и десублимации находят широкое применение в химической, металлургической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности. Одним из наиболее распространенных прило­жений процессов сублимации и десублимации является сублимационная сумка - удаление влаги из замороженных материалов путем суб­лимации льда. Этот процесс может быть осу­ществлен при атмосферном давлении (сушка белья на морозе). Однако в естественных усло­виях сублимационная сушка мало интенсивна. В промышленности обычно процесс проводят в вакууме при давлении парогазовой среды ниже давления, соответствующего тройной точке воды (613,3 Па). В этих условиях при подводе энергии, необходимой для сублимации, не происходит плавления льда и его температура остается близкой к равновесной. Материалы, высушенные сублимационным методом, почти полностью сохраняют свои первоначальные свойства и по качеству намного превосходят материалы, обезвоженные другими способами, например распылительной сушкой. Сохраня­ются специфические свойства различных био­логических препаратов. Благодаря этому соз­дается возможность консервирования весьма ценных продуктов, таких как антибиотики, кровь и ее компоненты, кефирные грибки, ма­теринское донорское молоко и др. Пищевые продукты, обезвоженные сублимационным ме­тодом, могут длительно храниться при поло­жительных температурах и после обводнения практически не отличаются от натуральных. При этом сохраняются их питательные свойст­ва, вкус, цвет, запах. Масса продуктов, высу­шенных сублимацией, в 5 - 10 раз меньше пер­воначальной, что важно для их транспортиров­ки [13,20].

Широкие возможности для применения сублимационной сушки открываются в хими­ческой промышленности в связи с появлением криохимической технологии получения мате­риалов с заданным строением и высоким уров­нем эксплуатационных характеристик

Реализуемый метод заключается в том, что посредством достаточно быстрого замора­живания многокомпонентного раствора в по­лученном материале фиксируется пространст­венное распределение компонентов, близкое к их распределению в жидкой фазе. В результате сублимационной сушки полученного заморо­женного раствора получается ультрадисперс­ный порошок с высокой степенью однородно­сти, который в дальнейшем используется для производства уникальных материалов и изде­лий из них [68].

Вещества, получаемые криохимическим методом, отличаются чрезвычайно развитой структурой. Это позволяет применять их в ка­честве дисперсных примесей, добавляемых ме­ханически в другие материалы.

Другой областью применения сублима­ции является очистка веществ. В настоящее время таким методом очищают от примесей бензойную кислоту, камфору, хинизарин, ан- трахинон, хлорид алюминия, йод и многие другие вещества. Определенные технологиче­ские выгоды дает сублимационная очистка не­которых металлов, например магния.

В тех случаях, когда для очистки веществ может быть использована сублимация, то ей следует отдать предпочтение перед кристалли­зацией или экстракцией растворителем.

Сублимацию используют также как фи­зический метод разделения смесей на компо­ненты. В случае очистки смесей целевой ком­понент получают обычно в результате субли­мации, тогда как основная часть примесей ос­тается не сублимированной. В некоторых слу­чаях примеси сублимируются более легко, чем целевой компонент, - тогда его получают в ви­де остатка. Сублимация оказывается полезной как способ удаления компонентов из реакци­онной смеси. Ее используют также как способ получения продуктов с особой кристалличе­ской структурой (с определенной формой и размером зерен). Методом сублимации можно обеспечить контролируемое введение компо­нента в реакционную систему, например, пу­тем испарения твердого тела в поток газа. Если процесс дистилляции сопровождается разло­жением продукта или коррозией, то отдают предпочтение сублимационному методу очист­ки, поскольку в этом случае рабочие темпера­туры значительно ниже, чем соответствующие температуры при дистилляции.

Также широко используется процесс де - сублимации. Прежде всего, следует отметить его применение в технологии получения про­дуктов каталитического окисления углеводо­родов, где с помощью этого процесса выделя­ют фталевый ангидрид, малеиновый ангидрид, антрахинон, а также хлориды [16]. Десублима - ция оказывается полезной как способ удаления компонентов из реакционной смеси. Одной из хорошо развитых областей применения десуб - лимации является нанесение покрытий на по­верхность изделий.

Десублимация применяется для очистки технологических газов. Поступающий на раз­деление методом глубокого охлаждения воздух не должен содержать паров диоксида углерода и воды. Эти вещества в процессе десублимации удаляются из воздуха.

Физические основы процесса. Статика процесса. В условиях равновесия давление па­ров и температура твердого вещества находят­ся в однозначном соответствии. Связь между давлением и температурой фазового перехода определяется по диаграмме состояния (рис. 5.4.1). Кривые фазового равновесия между всеми тремя фазами в координатах температу­ра - давление делят диаграмму на три смежные области: область твердого, жидкого и газооб­разного состояния вещества, пересекаясь в тройной точке В. В этой точке одновременно сосуществуют все три фазы (твердая, жидкая и парообразная). Линия 2 является геометриче­ским местом точек, отвечающих таким величи­нам температуры и давления паров, при кото­рых находятся в равновесии твердое тело и пар. Линия 3 соответствует равновесию в сис­теме жидкость - пар, линия 1 - равновесию в системе твердое тело - жидкость. Линия 4 со­ответствует метастабильным состояниям рав­новесия, характерным для некоторых веществ. В этом случае жидкая фаза может существо­вать при давлении более низком, чем давление тройной точки. Кривая 2 равновесия твердая фаза - пар позволяет определять параметры, при которых возможны процессы сублимации и десублимации.

Термодинамические закономерности суб­лимации и испарения жидкости идентичны. За­висимость между давлением пара и температу­рой в условиях равновесного перехода твердая фаза - пар описывается, также как и на границе жидкость - пар, уравнением Клапейрона - Клаузиуса

Dp _ L

DT~T(V2-Vxy

Где Тир - соответственно температура и дав­ление равновесного перехода; L - теплота фа­зового перехода при температуре Г; Vb V2 - молярные объемы сосуществующих фаз.

Уравнение (5.4.1) описывает условия равновесия любых двух фаз в однокомпонент - ной системе. На практике используется также упрощенная интегральная форма данного уравнения в виде

У Т

В табл. 5.4.1 приведены значения А и В для некоторых элементов и соединений.

5.4.1. Физические и термодинамические свойства некоторых элементов и соединений

Кинетика процесса. Скорость процесса сублимации определяется количеством тепло­ты, подведенной к поверхности фазового пере­хода. При подводе энергии к поверхности раз­дела газ - твердое вещество динамическое рав­новесие нарушается и количество молекул ве­щества, переходящих в газовую фазу, превы­шает количество десублимирущихся молекул. Скорость процесса J так же, как и в случае фазового перехода пар - жидкость, определя­ется по уравнению Герца - Кнудсена:

Р ф

PnRTn ^nRT^ '

Где Тп и 7ф - температура соответственно пара и поверхности; рп - давление пара вбли­зи поверхности; Рф - давление насыщенного пара при температуре 7ф.

Процессы сублимации и десублимации, как правило, проходят при непрерывном изме­нении условий тепло - и массообмена, так как в процессе изменяются толщина и пористость слоя, шероховатость поверхности, обстановка на границе контакта и др. Этим определяется специфика расчета данных процессов.

Классификация сублимационного обо­рудования. В настоящее время отсутствуют типовые конструкции сублимационной аппара­туры. Это приводит к большому разнообразию аппаратурно-технологического оформления сублимационных процессов, и в то же время крайне затрудняет ее обобщающую классифи­кацию. Ниже приведено деление сублимаци­онной аппаратуры на две группы, объединен­ных в зависимости от давления, при котором проводится процесс: сублимационное оборудо­вание для вакуумной и атмосферной сублима­ции. Первые работают при давлении ниже, вторые при давлении выше давления, соответ­ствующего тройной точке возгоняемого веще­ства.

Вакуумная сублимационная аппаратура и установки - это сублиматоры; вакуумные де- сублиматоры; оборудование для заморажива­ния; установки для сублимационной сушки и очистки веществ в вакууме.

Атмосферные сублимационные аппараты и установки - это атмосферные сублиматоры; десублиматоры для выделения веществ из па­рогазовой смеси; атмосферные сублимацион­ные установки.