16.5.6. Противоточная кристаллизация (в.Г.Айнштейш. Общий курс пахт, 2003, ч.2)

Противоточная непрерывная фракционная кристаллизация является одним из наиболее перспективных методов разделения и очистки веществ^*. Она позволяет достигать высоких степеней разделения при значительной производительности. В настоящее время данный метод успешно используется, в частности, для промышленного разделения ряда углеводородных смесей.

Создать противоток при кристаллизации значительно труднее, чем в других процессах разделения (ректификации, абсорбции) — вследствие малой разности плотностей кристаллической и жидкой фаз: обычно их плотности различаются менее чем в 1,1—1,3 раза. Поэтому противоток фаз в кристаллизаторах чаще всего осуществляют принудительно — с помощью различных механических устройств (шнеков, поршней, скребков, вращающихся барабанов и др.) или путем использования центробежных сил.

По принципу действия противоточные кристаллизаторы можно разделить на две группы — со ступенчатым и непрерывным контактом фаз (массообменом).

Особенностью ступенчатых кристаллизаторов является отсутствие четко выраженных секций (зон) охлаждения и разделения. В таких аппаратах в каждой ступени происходит плавление кристаллической фазы, поступающей с предыдущей ступени, и образование новой кристаллической фазы с более высокой концентрацией высокоплавкого компонента. Ступенчатые противоточные кристаллизаторы по принципу работы аналогичны другим ступенчатым массообменным аппаратам. Примером является многоступенчатый барабанный кристаллизатор**. Каждая ступень такого аппарата снабжена охлаждающим барабаном и обогреваемой ванной. Образующиеся на барабанах кристаллические слои снимаются ножами и поступают в ванну последующей ступени, где полностью расплавляются. Между ваннами имеются переточные трубки. При этом расплав перетекает из ванны в ванну противотоком относительно движения кристаллической фазы.

Для глубокой очистки небольших количеств вещества от примесей часто используют различные шнековые кристаллизаторы периодического и непрерывного действия.

_______________________________

* Более подробные сведения см. [5, 6].

** Подробнее конструкции противоточных кристаллизаторов см. [5, 6].

Гельперин Н.И., Носов Г.А.Основы техники кристаллизации растворов. М. : Химия, 1975. 352 с.

Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации. М.: Химия, 1986. 303 с.

На рис. 16.34,а показана схема непрерывного шнекового кристаллизатора с центральным питанием. В верхней части аппарата расположена секция (зона) охлаждения 2, где происходит образование кристаллической фазы (охлаждение производится хладагентом G_x). Транспортировка кристаллов в аппарате осуществляется шнеком 4. Внизу колонны (в плавителе 3) кристаллы расплавляются. Часть получаемого расплава отбирается в виде высокоплавкого продукта П, а другая часть возвращается в зону разделения, где движется противотоком к опускающимся кристаллам. Низкоплавкий продукт W выводится из верхней части колонны.

В противоточных кристаллизаторах поршневого типа (рис. 16.34,6) исходный расплав F подается первоначально в секцию охлаждения 2. Из нее образовавшаяся кристаллическая суспензия поступает в секцию разделения 1, где кристаллическая фаза перемещается к плавителю 3 с помощью поршня 5. Высокоплавкий продукт П выводится из зоны плавления 3, а низкоплавкий W — через фильтр 6, расположенный в верхней части секции разделения 1.

В кристаллизаторах пульсационного типа (рис. 16.34,в) противоток фаз осуществляется благодаря пульсатору. С этой целью на линиях подвода исходной смеси и отбора продуктов разделения установлены обратные клапаны.

Поршневые и пульсационные кристаллизаторы обладают значительной производительностью (до нескольких тонн разделяемой смеси в час) и используются в промышленности для разделения углеводородных смесей (в частности, для выделения 99,9% и-ксилола из его смеси с другими изомерами). Диаметр таких аппаратов достигает 1000 мм, а высота секции противоточного массообмена — 2—6 м.

Схема потоков фаз в многоступенчатом кристаллизаторе показана на рис. 16.35,а. Весь аппарат можно разбить по длине на четыре характерные секции: низкоплавкого продукта 1, питания 2, высокоплавкого продукта 3 и плавления 4.

Исходный расплав F с концентрацией высокоплавкого компонента х_F подают в секцию питания, являющуюся одной из промежуточных ступеней аппарата. Обедненный высокоплавким компонентом продукт W с концентрацией х_W выводят из первой секции в расплавленном виде. Обогащенная высокоплавким компонентом кристаллическая фаза К по выходе из третьей секции поступает в четвертую, где полностью расплавляется. При этом часть полученного расплава отбирается в виде конечного высокоплавкого продукта П с концентрацией х_П, а другая часть — М — возвращается в секцию 3 в качестве флегмы.

Рассмотрим расчет многоступенчатых противоточных кристаллизаторов применительно к разделению бинарной смеси, образующей непрерывный ряд твердых растворов (рис. 16.35,6). Запишем уравнения материального баланса для всего аппарата в целом:

для потоков фаз

F= П+ W, (щ)

для потоков высокоплавкого компонента

Fx_P = Пх_п + Wx_w. (э)

При совместном решении уравнений (щ) и (э) получим выход высокоплавкого продукта:

_(16.47)

Уравнения рабочих линий, представляющих собой геометрическое место точек сопряженных концентраций кристаллической (x_к) и жидкой (х_м) фаз, как и для других противоточньгх процессов, можно получить из уравнений материального баланса соответствующих секций.

Для контура K₁ с потоками К, П и М (см. рис. 16.35,а) уравнение материального баланса высокоплавкого компонента имеет вид

Кх_к = Пх_п + Мх_м ,

откуда получаем:

(16.48)

Уравнение (16.48) описывает рабочую линию секции высокоплавкого продукта.

Рассматривая контур к₂ с потоками М', К' и W (см. рис. 16.35,а), имеем;

М'х_м = К'х_к + Wx_w, откуда

(16.49)

Зависимость (16.49) представляет собой уравнение рабочей линии секции низкоплавкого продукта. При этом К' и М' — потоки кристаллической и жидкой фаз в данной секции.

Заметим, что ход рабочих линий зависит от соотношения потоков фаз в отдельных ступенях и эффекта продольного перемешивания. Если массовые потоки фаз одинаковы во всех ступенях и исключено продольное перемешивание между ступенями, то рабочие линии являются прямыми.

Необходимое число ступеней разделения здесь определяется теми же методами, что и для ректификации, абсорбции и жидкостной экстракции. Проводя графические построения в диаграмме х_к — х_м (см. рис. 16.35,6), определяют необходимое число теоретических ступеней для достижения заданных концентраций продуктов разделения х_П, и х_W. Зная найденные из опыта коэффициенты эффективности разделения (КПД ступеней), находят число реальных ступеней разделения.

Противоточные кристаллизаторы с непрерывным массообменом (шнековые, поршневые, пульсационные) по принципу действия и в расчетном плане аналогичны насадочным и пленочным абсорбционным и ректификационным колоннам. Состав фаз по длине таких аппаратов изменяется плавно. Исходная смесь может подаваться, как в центральную, так и в торцевую часть кристаллизатора.