Лекція 12

Висушування. Кристалізація. Перегонка і ректифікація. Сорбція. Екстрагування.

Вологу з матеріалів вилучають такими способами:

Механічний - вологу віджимають на пресах або в центрифугах - вилучається лише частина вологи з матеріалу.

фізико-хімічний застосування різних водовідбірних засобів і застосовується переважно в лабораторній практиці. Зневоджуючими засобами є сірчана кислота, хлористий кальцій та ін.

тепловий вологу з матеріалу вилучають випаровуванням, випарюванням і конденсацією. застосовується при потребі максимально вилучити вологу.

Вилучення вологи з матеріалів, при якому використовують теплову енергію для її випаровування та відведення пари називають сушінням. Сушіння принципово не відрізняється від випарювання, але по суті воно є одночасно і дифузійним процесом, оскільки волога з матеріалу в навколишнє середовище переходить при поверхневому випаровуванні, а також у процесі її дифузії з внутрішніх шарів до поверхні матеріалу. Розрізняють природне і штучне сушіння. Природне відбувається на відкритому повітрі без штучного нагрівання і без відведення сушильного агента (повітря). Прикладом природного сушіння може бути сушіння кухонної солі у відкритих морських джерелах, сушіння фруктів в країнах з теплим і жарким кліматом. Недолік способу значна тривалість сушіння, цей процес не регулюється і одержуваний кінцевий матеріал ще досить вологий.

У промисловості широко застосовують штучне сушіння (сушіння нагрітим сушильним агентом - димові гази, повітря, водяна пара та ін.), який після поглинання ним вологи з матеріалу відводять за допомогою спеціальних витяжних пристроїв (вентиляторів). Для більшості виробництв сушіння є кінцевою стадією технологічної обробки, тому цей процес застосовують майже в усіх виробництвах.

Кристалізація

Кристалізація - процес вилучення речовини з розчину, розплаву або пари у вигляді кристалів. У промисловості переважно кристалізація з розчинів.

Кристалічна будови твердої фази найстійкіша, оскільки структурні елементи (атоми, іони або молекули), утворюючи кристалічні решітки, розташовуються найбільш компактно і мають мінімум вільної енергії. Тому аморфні речовини поступово кристалізуються (наприклад, кристалізація сахарози в карамелі та інших кондитерських масах під час тривалого зберігання). Зовні кристали являють собою багатогранники різної форми, з певною симетрією. Саме властивість симетрії і покладено в основу класифікації кристалів.

У випадку масової кристалізації (за умов промислового виробництва) кристали однієї й тієї самої речовини відрізняються між собою розмірами і зовнішнім виглядом (габітусом). Проте кути між відповідними гранями у всіх кристалів цієї речовини лишаються однаковими. Ця властивість, пов'язана з особливостями внутрішньої будови, називається законом сталості кутів (закон Гюї). Деякі речовини мають кілька кристалічних форм, стійких у певних інтервалах тиску і температури (явище поліморфізму). Перехід з однієї кристалічної форми в іншу супроводжується тепловим ефектом у зв'язку з перебудовою кристалічних решіток. Багато речовин кристалізується з включенням у кристалічні решітки молекул води, утворюючи так звані кристалогідрати.

У промисловості за допомогою кристалізації одержують речовини (сіль, цукор, глюкозу, лактозу) у чистому і зручному для використання вигляді. Щоб дістати надчисті речовини, вдаються до багаторазової перекристалізації (наприклад, при виробництві цукру). Процес кристалізації використовують також під час згущування виморожуванням термонестійких рідких продуктів. При цьому зберігаються їх поживні властивості.

Зворотний кристалізації процес переходу твердої фази в рідкий стан, коли молекули твердої речовини розподіляються між молекулами розчинника, називають розчиненням. Розчинення супроводжує процес кристалізації в промислових умовах при коливаннях температури і концентрації. Поряд з цим він має самостійне значення у більшості виробництв, де використовують цукор, сіль та інші розчинні продукти.

Процеси кристалізації і розчинення не є суворо зворотними. Часто за однакових значень рушійної сили (різниці концентрацій) розчинення відбувається значно швидше, ніж кристалізація. Зазначимо, що процес кристалізації набагато складніший. Кристалізація, як і будь-який фізико-хімічний процес, характеризується статикою, кінетикою і динамікою.

Статика кристалізації визначає умови рівноваги між кристалами і розчином, з якого вони утворювались, а також зв'язок між початковими і кінцевими параметрами процесу.

Кінетика встановлює величину швидкості переходу речовини з однієї фази в іншу при заданих умовах.

Динаміка кристалізації визначає характер зміни параметрів системи в часі при зміні керованих параметрів (температури, концентрації).

На основі статики складають матеріальні і теплові баланси, потрібні для розрахунку виходу кристалічного продукту, а також витрати теплоти. Кінетичний розрахунок застосовують для вибору конструкції та визначення розмірів кристалізатора. Динамічні характеристики кристалізаторів потрібні для автоматичного керування і оптимізації процесу.

Фізичні основи процесу. Кристалізація відбувається в результаті обмеженої розчинності речовин. Якщо в розчинник ввести достатню кількість кристалів розчинної речовини, то процес розчинення через деякий час припиниться і встановиться динамічна рівновага між розчином, що утворився, і твердою фазою, яка не розчинилася. Такий розчин називають насиченим, а його концентрацію — розчинністю. Розчин, концентрація якого менша від рівноважної, називають ненасиченим, а більша - перенасиченим. Як ненасичені, так і насичені розчини перебувають у сталому стані і можуть зберігатись у незмінному вигляді необмежений час. При цьому в насиченому розчині міститься стала максимально можлива за даних умов кількість розчиненої речовини. На відміну від них, перенасичений розчин нестійкий. Надлишкова (порівняно з рівноважною) кількість розчиненої речовини в ньому може випасти в осад у вигляді кристалів, і розчин перетвориться на насичений. Отже, процес кристалізації - це перехід несталого перенасиченого розчину в сталий насичений.

Перевищення концентрації перенасиченого розчину С над розчинністю С₀ називають перенасиченням (П=С-С_о), а їх відношення коефіцієнтом перенасичення а=С/С_о.

Розчинність С_о, що характеризує стан динамічної рівноваги між кристалами і розчином, залежить, від властивостей системи, температури і наявності домішок.