3.4.Физические основы кристаллизации, основные понятия и определения, движущая сила процесса, способы ее создания и методы кристаллизации

Кристаллизацией называется процесс выделения вещества из раствора или расплава в твердом состоянии.

Физическая сущность процесса заключается в том, что в силу особенностей растворимости отдельных веществ можно подобрать такие условия кристаллизации, при которых отдельный компонент выделяется в виде твердой фазы, а другие – примеси остаются в растворе. Данный метод выделения компонентов является одним из способов получения чистых веществ и используется в производстве химических реактивов, химико-фармацевтической промышленности. Осуществление данного процесса в промышленном масштабе называется массовой кристаллизацией, а раствор, оставшийся после кристаллизации – маточным раствором.

В основе процесса кристаллизации лежит понятие раствора. Под раствором понимают гомогенную систему, состоящую как минимум из двух компонентов: растворителя и растворенного вещества. Причем раствор по отношению к растворенному веществу может находиться в трех состояниях: насыщенного, ненасыщенного и пересыщенного раствора.

Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой при данной температуре. В насыщенных растворах между твердой фазой и раствором возникает подвижное равновесие, при котором скорость растворения частиц из кристаллов равна скорости их образования из раствора. В насыщенных растворах концентрация раствора равна равновесной концентрации (насыщения) С=С_р .

Н енасыщенным называется раствор, в котором непрерывно протекает процесс растворения твердой фазы, в таких растворах СС_р.

Пересыщенным называется раствор, в котором концентрация растворенного вещества больше чем равновесная, СС_р. Пересыщенные растворы нестабильны и кристаллизуются.

Как и для любого массообменного процесса движущей силой кристаллизации является разность между рабочей и равновесной концентрациями

. (215)

Эту разность С называют абсолютным пересыщением системы, отношение текущей концентрации и ее равновесному значению при данной температуре – относительным пересыщением:

. (216)

При кристаллизации расплавов вводят понятие переохлаждение системы Т, под которым понимают разность между текущей температурой раствора и температурой, соответствующей насыщенному состоянию системы.

. (217)

Различают следующие способы создания пересыщения системы:

• за счет испарения части растворителя;

• за счет охлаждения раствора;

• за счет введения жидкого или твердого высаливателя;

• в результате химической реакции;

• комбинированный способ.

Испарение – один из простейших способов создания движущей силы, который заключается в том, что в результате подвода теплоты к системе, из нее испаряется часть растворителя и раствор переходит в пересыщенное состояние. Испарение обычно проводят под вакуумом, а такой метод кристаллизации называется изотермическим.

Охлаждение. Физическая сущность этого способа заключается в том, что при охлаждении системы снижается равновесная концентрация раствора. Так как последняя зависит от температуры, раствор переходит в пересыщенное состояние и кристаллизуется. Данный метод кристаллизации называется изогидрическим, т.к. протекает при постоянном количестве растворителя.

Физическая сущность высаливания заключается в введении в систему жидкого или твердого высаливателя, резко понижающего растворимость вещества и как следствие к его выделению. Метод кристаллизации называется кристаллизацией высаливанием.

Сущность химического способа создания пересыщения заключается в том, что в результате химического взаимодействия, например, двух хорошо растворимых веществ, образуется третий – малорастворимый, который и кристаллизуется. В случае выделения одного из компонентов раствора в систему добавляют реагент, образующий с выделяемым веществом комплексное соединение – аддукт. Полученное комплексное соединение подвергают термическому разложению, при котором целевой продукт отделяется от комплексообразователя – аддуктивная кристаллизация.

На практике, в ряде случаев, одновременно используют несколько выше перечисленных методов, например в вакуум-кристаллизаторах. В таких аппаратах пересыщение создается как за счет испарения, так и за счет охлаждения раствора.