3.4.3.Конструкции кристаллизаторов, материальный и тепловой балансы

Промышленные кристаллизаторы классифицируют по способу создания пересыщения; условию образования и роста кристаллов, и принципу работы (периодического и непрерывного действия).

В зависимости от способа создания пересыщения различают: изогидрические, испарительные, вакуумные.

К аппаратам второй группы относят: поверхностные, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности; объемные кристаллизаторы, с образованием и ростом кристаллов в объеме аппарата; смешанного типа.

Примером поверхностного изогидрического кристаллизатора является вальцевый кристаллизатор. Аппарат представляет собой горизонтальный вращающийся барабан 1 с водяной рубашкой, погруженный в емкость 2 с кристаллизуемым раствором. Во избежание преждевременной кристаллизации емкость имеет паровую рубашку 5 для нагревания раствора. За один оборот барабана на его поверхности образуется слой осадка, который снимается с барабана ножом 3. Вальцевые кристаллизаторы используют для осаждения солей с резко снижающейся растворимостью при понижении температуры и с небольшим содержанием маточного раствора. К недостаткам кристаллизаторов этого типа относят мелкокристалличность и значительное содержание примесей в получаемом продукте.

П ростейшей конструкцией объемных изогидрических кристаллизаторов периодического действия является цилиндрический аппарат 1 с рубашкой 2 и мешалкой 3. С целью увеличения времени пребывания раствора в установке эти аппараты часто соединяют последовательно, располагая каскадом. Во избежание интенсивной инкрустации внутренней поверхности аппарата разность температур между охлаждающим рассолом и раствором должна быть небольшой: 810 ⁰С.

Примером испарительного, объемного аппарата непрерывного действия является выпарной кристаллизатор 1 с подвесной нагревательной камерой 2 и двумя нутч-фильтрами 3.

Г реющий пар подается в межтрубное пространство камеры 2, отдает теплоту кипятильным трубкам и отводится снизу в виде конденсата. Поступающий на кристаллизацию раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, выпаривается и кристаллизуется при естественной циркуляции раствора. Вторичный пар проходит брызгоуловитель и удаляется сверху аппарата. Образующаяся суспензия отводится в поочередно действующие нутч – фильтры.

Б олее интенсивное перемешивание раствора достигается в кристаллизаторах с ленточной (или шнековой) мешалкой. В наклонном корпусе 1 с водяной рубашкой 2 медленно вращается мешалка 3, которая поддерживает твердую фазу во взвешенном состоянии, что способствует свободному и равномерному росту кристаллов.

Общим недостатком рассмотренных ранее конструкций кристаллизаторов является полидисперсность и мелкокристалличность получаемого продукта. Использование выпарных и изогидрических классифицирующих кристаллизаторов с псевдоожиженным слоем кристаллов, работающих в метастабильной области при слабом пересыщении раствора, позволяет устранить эти недостатки и получать однородные крупные кристаллы 13 мм.

В таких аппаратах одновременно с ростом кристаллов происходит их гидравлическая классификация по размерам: частицы с размерами меньше заданных остаются в верхней части слоя, растут, осаждаясь с малой скоростью; кристаллы с заданным размером частиц, преодолевая силы инерции потока, осаждаются в нижней секции кристаллорастителя и отводятся в качестве п родукционных.

В установке с выпарным (испарительным) классифицирующим кристаллизатором исходный раствор поступает в циркуляционную трубу 3, смешивается с циркулирующей маточным раствором и мелкими кристаллами из отстойника 6, насосом 4 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры на 25 ⁰С выше температуры циркулирующего насыщенного раствора. За счет этого обеспечивается растворение мелких частиц. Перегретый раствор по трубопроводу 7 подается в испаритель 9, где вскипает. При этом из него испаряется часть растворителя, раствор частично охлаждается и становится пересыщенным. Соковый (вторичный) пар отделяется от капель раствора с помощью брызгоуловителя 8, а пересыщенный раствор двигается по опускной трубе 2 и проходя через ее конический раструб создает режим взвешенного слоя. При восходящем движении раствора в кольцевых сечениях кристаллорастителя 1 происходит снятие пересыщения главным образом поверхностью растущих кристаллов и их классификация. Продукционные кристаллы отводятся в солесборник. Избытки маточного раствора отводятся через емкость 10, а суспензии через отстойник 6, необходимый для обеспечения заданной порозности слоя.

С хема изогидрической установки с псевдоожиженным слоем кристаллов во многом аналогична предыдущей. Исходный горячий раствор поступает в циркуляционную трубу 6, смешивается с маточным раствором из отстойника 3, который циркулирует по замкнутому контуру через холодильник 4 и опускную трубу 2. Рост кристаллов происходит в корпусе 1. Продукционные кристаллы выводят непрерывно из нижней части аппарата и крупные кристаллы периодически из отстойника 3.

Поверхностно-объемные кристаллизаторы. К этому типу аппаратов относят барабанные кристаллизаторы с воздушным или водяным охлаждением.

Р ис.31. Барабанный кристаллизатор с воздушным охлаждением: 1-корпус; 2-привод; 3-бандажи

Корпус кристаллизатора представляет собой вращающийся наклонный барабан. Горячий раствор поступает в верхний конец барабана, непрерывно перемешивается и охлаждается воздухом, движущимся противотоком. Кристаллы образуются как в растворе, так и на внутренней поверхности барабана. Для устранения инкрустации барабан оборудован подвижными цепями.

В крупнотоннажных производствах с большой производительностью по твердой фазе широко используются вакуум – кристаллизаторы. Эти аппараты не имеют охлаждающих устройств и представляют собой каскад вертикальных аппаратов 1 с рамной или якорной мешалкой. Отсасывание и конденсация паров растворителя осуществляется с помощью конденсаторов 2 и пароструйных насосов 3. Наибольшее разрежение поддерживают в последней ступени с помощью барометрического конденсатора 4. Недостаток – мелкокристалличность продукта.

Материальный баланс изогидрического кристаллизатора периодического действия. Целью составления баланса является определение необходимого количества исходного раствора с последующим подбором объема аппарата или каскада аппаратов при заданной производительности установки по твердой фазе и известных концентрациях насыщенного раствора в начале и в конце процесса. Материальный баланс представляют в виде системы из двух уравнений. Первое уравнение системы – общий баланс, второе – баланс по растворенному веществу:

, (227)

где М_ир, М_кр, М_мр – количество исходного раствора, кристаллов и маточного раствора соответственно, кг; , - концентрации насыщенных исходного и маточного растворов, масс. доли (выбираются по справочникам в соответствии с заданными температурами); - отношение молекулярной массы безводной соли к молекулярной массе кристаллогидрата, учитывается только для кристаллогидратов; для других солей равно единице.

Необходимый объем исходного раствора:

, (228)

где _ир- плотность насыщенного исходного раствора, кг/м³.

Задавшись объемом типового реактора, с учетом его стоимости, определяют оптимальный вариант каскадной установки

, (229)

где V_ап – объем стандартного аппарата, м³; m – количество аппаратов в установке.

Из уравнения теплового баланса, составленного для одного аппарата установки

(230)

определяют необходимое количество охлаждающего теплоносителя, тепловую нагрузку аппарата с последующим определением из уравнения теплопередачи времени стадии охлаждения. В левой части балансового уравнения (230) учитываются соответственно Q_ап, Q_р-ра - количество теплоты, необходимое отвести от аппарата и раствора для их охлаждения до конечной температуры; Q_м – количество теплоты, выделяемое при использовании механической мешалки; Q_кр – теплота кристаллизации. В правой части Q_хл – теплота, воспринимаемая охлаждающим теплоносителем; Q_п – потери теплоты в окружающую среду от наружной поверхности аппарата (задаются от одного до трех процентов от тепловой нагрузки аппарата Q – левой части балансового уравнения). Эти статьи прихода и расхода теплоты определяются по уравнениям:

, (231)

где С_ап, С_р-ра, С_хл – теплоемкость материала аппарата, охлаждаемого раствора, охлаждающего теплоносителя, Дж/(кгК); , - начальная и конечная температуры раствора, приравниваются к соответствующим температурам аппарата, ⁰С; , - начальная температура охлаждающего теплоносителя и его средняя температура в конце процесса соответственно, ⁰С; N_пр- мощность привода механической мешалки, Вт;  - время процесса, с;q_кр- удельная теплота кристаллизации, Дж/кг; М_хл – необходимое количество охлаждающего теплоносителя, кг.

Время процесса охлаждения

, (232)

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(мК); F – поверхность аппарата, м²; t_ср – средняя разность температур для процесса периодического охлаждения.

Материальный баланс для непрерывного процесса записывается аналогично системе уравнений (227) путем замены количеств растворов и кристаллов на их массовый расход, кроме этого в случае использования кристаллизатора испарительного типа в уравнения необходимо добавить массовый поток испаряемого растворителя (сокового пара):

, (233)

где G_ир, G_кр, G_мр, - производительность аппарата по исходному раствору, твердой фазе и маточному раствору, кг/с; W_сп – массовый расход испаряемого растворителя, кг/с.

В барабанных кристаллизаторах с воздушным охлаждением, при испарении растворителя в газовую фазу, расход газа определяется по уравнению:

, (234)

где х₂, х₁ – влагосодержание газа, кг влаги/кг сухого газа.

Для изогидрического кристаллизатора без испарения W_сп=0.

Тепловой баланс установки в общем случае составляется следующим образом

Приход, Вт	Расход, Вт
1.С исходным раствором: Q1=GирСирtир; 2.Теплота кристаллизации: Q2=qкрGкр; 3.Теплота дегидратации: Q3 4.Теплота от теплоносителя: Q4=Gт(iвх - iвых)	1.С кристаллами: Q5=GкрСкрtкр; 2.С маточным раствором: Q6=GмрСмрtмр; 3.С соковым паром: Q7=Wспiсп; 4.С охлаждающим теплоносителем: Q8=Gхл(iхл,вх – iхл,вых); 5.Потери в окружающую среде: Q9

Где t_ир, t_мр – температура исходного и маточного раствора, ⁰С; i_вх, i_вых – теплосодержание греющего теплоносителя на входе и выходе из аппарата, Дж/кг; i_хл,вх, i_хл,вых – теплосодержание охлаждающего теплоносителя на входе и выходе из аппарата, Дж/кг; i_сп – теплосодержание сокового пара, Дж/кг.

Общее уравнение теплового баланса:

. (235)

В частных случаях для изогидрической кристаллизации Q₄=0, Q₇=0; при изотермической кристаллизации Q₈=0; в вакуум – кристаллизационных установках Q₄=0, Q₈=0.

Контрольные вопросы

1.Основные понятия: не насыщенный, насыщенный, пересыщенный и маточный раствор; пересыщение.

2.Движущая сила кристаллизация, способы ее создания, методы кристаллизации.

3.Даграмма равновесия и ее характеристика.

4.Кинетика кристаллизации.

5.Классификация кристаллизаторов, их устройство, принцип работы.

6.Материальный и тепловой балансы кристаллизации.