Фізичні основи кристалізації із розчинів

Як будь-який фізико-хімічний процес, кристалізація характеризується статикою, кінетикою і динамікою.

Статика кристалізації визначає умови рівноваги між кристалами та міжкристальним розчином, а також зв'язок між початковими і кінцевими параметрами процесу.

Кінетика кристалізації визначає швидкість переходу речовини з рідкої фази у тверду за заданих умов.

Динаміка кристалізації визначає характер зміни параметрів системи протягом певного часу в разі змінення умов процесу (температури, концент­рації, в'язкості тощо).

Кристалізація відбувається внаслідок обмеженої розчинності речовини в розчиннику. Рушійною силою кристалізації є різниця концентрацій розчине­ної речовини в пересиченому розчині та на межі поділу фаз.

Якщо при деякій постійній температурі розчиняти будь-яку тверду речо­вину в будь-якому розчиннику (наприклад, цукор у воді), то за певного вмісту розчиненої речовини в розчині подальше її розчинення припиняється і настає динамічна рівновага між розчином і твердою фазою. Такий розчин називають насиченим. Концентрацію цієї речовини в насиченому розчині називають розчинністю. Розчин, концентрація якого менша за рівноважну, називають ненасиченим, а розчин, концентрація якого більша за рівноважну, - пересиченим.

Кристалоутворення

Кристалізація з розчинів відбувається навколо центрів кристалізації, що утворилися внаслідок пересичення розчину, або навколо подрібнених крис­талів, внесених у пересичений розчин ззовні. Центрами кристалізації можуть бути не тільки кристалики речовини, що кристалізується, а й тверді частин­ки інших речовин, здатні адсорбувати на своїй поверхні молекули розчине­ної речовини.

Центри кристалізації в розчинах утворюються внаслідок виникнення за­родків нової фази. В пересичених розчинах ці зародки, приєднуючи молеку­ли розчиненої речовини, досягають критичних розмірів і стають здатними до подальшого росту. Такі зародки називають центрами нової фази або цент­рами кристалізації. Після досягнення кристалічними зародками критичних розмірів починається стадія росту кристалів.

Ріст кристалів

Після утворення стійкого зародка відбувається нарощування кристалічної решітки цього кристала-зародка внаслідок відкладання на його поверхи: надлишку пересиченої речовини, що кристалізується із розчину. Тобто крис­тали ростуть.

Процес росту кристалів здійснюється в кілька основних послідовних стадій: дифузія речовини, що кристалізується, із об'єму пересиченого розчи­ну до поверхні кристала, адсорбція молекул цієї речовини на поверхні крис­тала, міграція найпростіших частинок по поверхні, кристала та, останнє, вбудова їх у кристалічну решітку.

2. Апарати для проведення кристалізації

Схему кристалізатора, що працює за першим способом, наведено на рисунку. Він представляє собою резервуар з сорочкою і мішалкою, яка дозволяє прискорити охолодження розчину і перешкоджає осадженню кристалів на дно резервуара.

Схема криста­лізатора з сорочкою Схема кристалізатора з системою

1 - патрубок для відведення холодної охолодження та вакуумування

води; 2 - сорочка; З – резервуар 1 - корпус кристалізатора;

апарата; 4 - вал із мішалкою; 5 – 2 - со­рочка; 3 - змієподібна мішалка;

патрубок для подачі холодної води 4 -патрубок для виходу води;

5 - пат­рубок, що з'єднує кристалізатор

із конденсатором і вакуумнасосом;

б - патрубок для входу продукту; 7 –

патрубок для подачі води; 8 - патрубок

для випуску розчину і кристалів

Кристалізатор, що працює за третім способом, подано на рисунку. Всередині кристалізатора розміщена змієподібна мішалка, що одночасно є теплообмінником. Через нього рухається холодоагент (вода), який одночасно надходить у сорочку. Для видалення парів, що утворилися, кристалізатор зв'язаний з конденсатором і вакуум-насосом. У апарат надходить гарячий насичений розчин, що має температуру вищу температури її кипіння. В результаті цього виникає ефект самовипарювання, концентрація розчину зростає, він стає перенасиченим. Перенасиченість підсилюється охолодженням розчину.