7.4. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации

Форма кристаллов определяется природой кристаллизуемого вещества и зависит также от наличия примесей в растворе. Например, гидроокись бария Ba(OH)₂∙8H₂O кристаллизуется в виде очень тонких круглых дисков. Кристаллы такой формы затем плохо фильтруются и медленно отстаиваются, а также легко дробятся при транспортировке, сушке и т. д. При хранении они легко слеживаются. Гораздо лучшими качествами эти кристаллы обладали бы, если бы они имели форму куба или сферы. Другой пример. Хлористый калий из чистого водного раствора кристаллизуется в виде кубов, в присутствии мочевины – в виде кубооктаэдров. Более правильной формы, с хорошо развитыми гранями получаются кристаллы при свободном обтекании их раствором (например, при кристаллизации во взвешенном слое). Слишком большая скорость движения суспензии приводит к сглаживанию ребер кристалла и их истиранию за счет энергичных соударений и трения о стенки аппарата и насоса.

Крупность кристаллического продукта (размер кристаллов) определяется соотношением скоростей процессов зародышеобразования и роста кристаллов. Чем больше выделяющегося из раствора вещества расходуется на образование зародышей кристаллов и меньше – на рост уже имеющихся кристаллов, тем ниже средневзвешенный размер кристаллов продукта. Для получения крупнокристаллического продукта необходимо каким-либо способом уменьшить скорость процесса зародышеобразования, а скорость роста кристаллов сохранить неизменной или увеличить.

Более крупные кристаллы получаются при медленном их росте и наибольших степенях пресыщения раствора. Существенное влияние на размер кристаллов оказывает перемешивание раствора. С одной стороны, интенсивное перемешивание раствора облегчает диффузионный перенос вещества к граням кристаллов, способствуя их росту, с другой стороны, вызывают образование зародышей – накопление мелких кристаллов. Нахождение оптимальной скорости движения раствора, определяющей желаемое соотношение между производительностью кристаллизатора и требуемыми размерами кристаллов, является одной из важнейших задач рациональной организации процесса массовой кристаллизации. Для различных веществ эти соотношения определяются экспериментально.

7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации

Материальный баланс процесса кристаллизации по общим потокам веществ может быть представлен в виде

, (7.6)

а баланс по безводному веществу – в виде

, (7.7)

где , и – потоки исходного, маточного растворов и полученных кристаллов, соответственно; – поток выпаренной воды; и – концентрации соответственно исходного и маточного растворов; – отношение молекулярных масс безводной соли и кристаллогидрата.

Количество получаемого продукта находят путем совместного решения уравнений (7.6) и (7.7):

. (7.8)

В случае изогидрической кристаллизации количество выпаренной воды 0 и уравнение (7.8) сводится к виду

. (7.9)

Для процесса кристаллизации методом удаления растворителя из насыщенного раствора ( ) уравнение (7.8) принимает вид:

. (7.10)

Тепловой баланс процесса изогидрической кристаллизации может быть записан в виде равенства на основе схемы тепловых потоков, представленных на рис. 7.6:

, (7.11)

где – поток охлаждающей воды; , , , , – теплоемкости исходного и маточного растворов, охлаждающей воды и кристаллов, соответственно; , , , , – температуры исходного и маточного растворов, охлаждающей воды и кристаллов, соответственно; – теплота кристаллизации; – потери тепла в окружающую среду.

Рис. 7.6 Схема тепловых потоков при изогидрической кристаллизации

Уравнения (7.11) и (7.6) позволяют определить расход охлаждающей воды на процесс изогидрической кристаллизации:

. (7.12)

Тепловой баланс процесса кристаллизации методом удаления растворителя при нагревании раствора глухим паром может быть записан на основе схемы тепловых потоков, представленных на рис.7.7:

, (7.13)

где – расход греющего пара; , , – энтальпии греющего пара, конденсата и удаленного в виде пара растворителя, соответственно.

По уравнениям (7.6) и (713) определяют расход греющего пара:

. (7.14)

При кристаллизации солей из растворов молекулы и атомы растворенного вещества значительно сближаются друг с другом, что вызывает тепловой эффект, в большинстве случаев положительный. В практике кристаллизации теплоту кристаллизации обычно принимают равной по величине и противоположной по знаку теплоте растворения.

Рис. 7.7. Схема тепловых потоков при кристаллизации

методом удаления растворителя