Поверхностно-объемные кристаллизаторы

К этому типу аппаратов можно отнести барабанные кристаллизаторы с воздушным охлаждением (рис.7).

Рис.7. барабанный кристаллизатор с воздушным испарительным охлаждением:

1-вращающийся барабан; 2-приво; 3-бандажи.

Корпус кристаллизатора представляет собой слегка наклонный, вращающийся от привода 2 барабан 1 с бандажами 3. горячий раствор поступает в верхний конец барабана, непрерывно перемешивается и охлаждается воздухом, движущимся противотоком по отношению к движению раствора. Образующиеся на внутренней поверхности кристаллы не влияют на производительность кристаллизатора, поскольку охлаждение раствора осуществляется при непосредственном его контакте с воздухом. Для устранения инкрустации внутри барабана во всю его длину монтируют подвижные цепи, которые при вращении барабана сбивают инкрустацию, а образующиеся при этом кристаллы смешиваются с основной их массой в барабане.

Кристаллизация расплавов

Кристаллизация расплавов обладает рядом преимуществ по срав­нению с рассмотренными выше методами разделения, например с ректификацией, экстракцией: низкие расходы энергии, возмож­ность разделения азеотропных и близко кипящих смесей, проведения процесса при низких температурах и др. Этот процесс все шире применяется в химической технологии (в производстве удобрений, щелочей и др.) в основном для отверждения и разделения расплавов на фракции и для выращивания монокристаллов. Отметим, что между процессами кристаллизации расплавов и из растворов нет принципиального термодинамического различия. Процесс разделе­ния кристаллизацией расплавов часто называют фракционным плав­лением.

Фазовое равновесие фракционного плавления обычно характе­ризуется диаграммами р = f(t) .

На рис. 8 представлена зависимость температуры t от вре­мени процесса медленного нагревания твердого вещества. Из этого рисунка видно, что на кривой t = f( ) имеется горизонталь­ный участок, соответствующий температуре t плавления. Этот участок наблюдается до тех пор, пока произойдет полное расплав­ление вещества и выделится теплота фазового превращения.

Отметим, что образование кристаллов в расплаве (их возникно­вение и рост) происходит так же, как и при кристаллизации из растворов. При этом для оценки скорости процесса вместо пересы­щения используют переохлаждение.

При однократном фракционном плавлении исходную смесь вначале медленно охлаждают до полной кристаллизации. Затем обра­зовавшуюся кристаллическую массу нагревают от температуры кристаллизации до температуры фракционирования. Полученную суспензию отфильтровывают, причем кристаллическая фаза оказы­вается более обогащенной высокоплавким компонентом.

Рис.8. зависимость температуры t от времени нагрева твердого вещества.

Рис.9. схема затвердевания вещества (а) и распределения концентраций по длине образца (б) при направленной кристаллизации (а<1):

1-при полном перемешивании; 2-при частичном перемешивании расплава; 3-при диффузионном переносе.

Для повышения эффективности процесса используют много­кратное (или многоступенчатое) фракционное плавление. Схемы многоступенчатого разделения на основе однократного фракцион­ного плавления аналогичны схемам многоступенчатой фракционной кристаллизации. Так же аналогичен и расчет процесса фракционного плавления.

Процессы фракционного плавления применяют, например, для выделения нафталина из разбавленных нафтеновых фракций, разделения изомеров ксилола, опреснения воды, концентрирования водных растворов, фракционирования жиров и т. п. Для проведения процессов фракционного плавления используют вальцовые, ленточ­ные, барабанные и другие кристаллизаторы, а также кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.

Направленная кристаллизация. Этот метод кристаллизации (фракционирования), как и рассмотренные выше, возможен вследствие различия равновесных составов сосуществующих фаз при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Он основан на отводе теплоты от границы раздела фаз, что вызывает.

направленное передвижение фронта кристаллизации вдоль очища­емого образца. Это передвижение обеспечивают медленным пере­мещением зон нагрева и охлаждения (рис.9, а). Процесс на­правленной кристаллизации наиболее рационально применять для глубокой очистки небольших количеств веществ, предварительно очищенных другими методами.

Поскольку состав образующейся в процессе кристаллизации твердой фазы отличается от состава расплава, то при движении фронта кристаллизации вдоль образца происходит перераспределе­ние примеси между обеими фазами. Отметим, что при а < 1 концентрация примеси в твердой фазе ниже, чем в расплаве, а при а>1 -выше.

Полагаем, что коэффициент диффузии в твердой фазе равен нулю, а на поверхности раздела фаз устанавливается равновесие (т. е. Х = ау, где Х и у - концентрации примеси соответственно в твердой фазе и расплаве). Примем также, что при перемещении в зоне расплава фронт кристаллизации вдоль образца остается плоским. Тогда уравнение материального баланса примесного ком­понента в процессе направленной кристаллизации в дифферен­циальной форме можно записать следующим образом:

d(yVp) = Vpdy + ydVp = xdV , (1)

где Vр и V -объемы соответственно расплава и твердой фазы.

Очевидно, что полный объем образца Vп = Vp + V . Поскольку в уравнении (1) dVp = - dV , то

lп(Vр/Vп) = dy/(x - у) , (2)

где х - начальная концентрация примеси в образце.

При известной зависимости х = f(y) уравнение (2) решается аналитически. Если эта зависимость линейна (т. е. а = const), реше­ние уравнения (2) принимает следующий вид:

х = а х (Vр/Vп). (3)

Обычно сечение образца постоянно по всей его длине. В этом случае уравнение (3) можно записать следующим образом (рис.9, а):

х = а х ( /L) (4)

или

х = а х (1 – V /V ) , (5)

где V / V - доля закристаллизовавшегося вещества.

Распределение примеси по длине образца в зависимости от степени перемешивания расплава представлено на рис. 9,6.