4.7.4. 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. Интенсивное перемешивание раствора, с одной стороны, облегчает диффузионный перенос вещества к граням кристаллов, способствуя их росту, с другой стороны, вызывает 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.

4.7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации

Материальный баланспроцесса кристаллизации по общим потокам веществ может быть представлен в виде

, (4.49)

а баланс по безводному веществу – в виде

, (4.50)

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 (4.49) и (4.50):

. (4.51)

В случае изогидрической кристаллизации количество выпаренной воды 0, и уравнение (4.51) сводится к виду

. (4.52)

Для процесса кристаллизации методом удаления растворителя из насыщенного раствора () уравнение (4.51) принимает вид

. (4.53)

Тепловой баланспроцесса изогидрической кристаллизации может быть записан в виде равенства на основе схемы тепловых потоков, представленных на рис. 4.65:

, (4.54)

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. 4.65. Схема тепловых потоков при изогидрической кристаллизации

Уравнения (4.54) и (4.49) позволяют определить расход охлаждающей воды на процесс изогидрической кристаллизации:

. (4.55)

Тепловой баланс процесса кристаллизации методом удаления растворителя при нагревании раствора глухим паром может быть записан на основе схемы тепловых потоков, представленных на рис. 4.66:

, (4.56)

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

По уравнениям (4.49) и (4.56) определяют расход греющего пара:

. (4.57)

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. 4.66. Схема тепловых потоков при кристаллизации методом удаления растворителя