Кристаллизаторы

Применяемые в промышленности кристаллизаторы можно разделить на три группы: изогидрические, вакуумные и выпарные. Выбор той или иной конструкции зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, производительности и т.п. Изогидрические кристаллизаторы применяются при проведении процесса кристаллизации солей, растворимость которых значительно уменьшается с понижением температуры. Раствор в таких кристаллизаторах охлаждается при постоянном количестве растворителя до температуры ниже температуры насыщения. В результате охлаждения раствор становится пересыщенным, что приводит к возникновению кристаллизации.

Широко распространены барабанные кристаллизаторы с водяным охлаждением в рубашке и вращающимся корпусом. Охлаждающая вода и раствор также движутся противотоком. Недостатком этой конструкции является налипание кристаллов на внутренней поверхности цилиндрического горизонтального корпуса.

Для кристаллизации с удалением части растворителя используется выпарной аппарат-ристаллизатор. Он имеет подвесную греющую камеру и два фильтра, работающих поочередно, для отделения кристаллов от маточного раствора и промывки.

Для расплавов применяют вальцевый кристаллизатор. Он снабжен вращающимся барабаном с двойными стенками, нижняя часть которого погружена в корыто, имеющее рубашку для парового обогрева. Барабан медленно вращается и своей нижней частью захватывает расплав, образующий на охлаждаемой стенке корку кристаллов. При вращении барабана и охлаждении полученные кристаллы снимаются с барабана ножом.

П ростейший вакуум-кристаллизатор представляет собой герметический сосуд с мешалкой, в который заливается раствор, после чего в аппарате создается вакуум. По мере отсасывания вакуум-насосом паров растворителя будет происходить охлаждение раствора. По окончании охлаждения открывается воздушник, в сосуде устанавливается атмосферное давление. Маточный раствор вместе с кристаллами удаляется через нижний патрубок сосуда. При непрерывной работе применяют тино- гокорпусные вакуум-кристаллизаторы.

На сахаропесочных и рафинадных заводах сахарные сиропы поступают на уваривание (концентрирование) в вакуум-аппараты с целью кристаллизации сахара из пересыщенного раствора. Процесс ведется под вакуумом для того, чтобы предотвратить карамелизацию сахара. Для образования кристаллов в вакуум-аппараты вводят затравку в виде сахарной пудры, выращивают кристаллы, поддерживая коэффициент пересыщения на уровне 1,05–1,10.

Полученный после уваривания продукт (утфель) содержит лишь 7,5% воды и примерно 55% выкристаллизовавшегося сахара. После сгущения утфель из вакуум-аппарата направляют на центрифуги для отделения кристаллов сахара от межкристалльного оттека.

Равновесие

Растворимость веществ в жидких растворителях существенно за¬висит от их химической природы, свойств растворителя, темпера¬туры и давления. В качестве растворителей в промышленности наиболее часто используют воду, а также ряд органических соеди¬нений-спирты, углеводороды и др. Как правило, paci ворнмость большинства веществ с повыше' нием температуры увеличивается. При понижении температуры такие растворы становятся пересыщенными и переходят в состояние неустойчивого равновесия, продолжительность которого опреде¬ляется степенью отклонения от равновесия, свойствами растворен¬ного вещества и растворителя. Переход из неравновесного состоя¬ния в равновесное сопровождается выпадением кристаллов, т.е. возникновением процесса кристаллизации. На величину предельно¬го (максимального) пересыщения оказывают влияние свойства иного вещества и растворителя, температура раствора, скорость охлаждения, наличие примесей, механические воздействия и т.д. Поэтому обычно величину предельного пересыщения опре¬деляют экспериментально или по приближенным эмпирическим уравнениям. Зависимость между давлением и температурой при фазовом греходе в условиях кристаллизации выражается уравнением Кла-1ейрона - К л аузиуса: drW= ц-теплота кристаллизации (из жидкого или газообразного состояния); удельный объем вещества в жидком состоянии (при переходе жидкость твердое тело) или в газообразном состоянии (при переходе газ-твердое тело); V2~ удельный объем вещества в твердом состоянии. Обычно VX>V2, поскольку удельный объем большинства ве¬ществ при переходе в твердое состояние уменьшается вследствие увеличения плотности. Очевидно, при этом c\P/dT> 0, т. е. давление Р7 при котором совершается фазовый переход, растет с увеличением температуры. Диаграмма состояний газ жидкость твердое тело. Точка А является тройной: в ней в равновесии одновременно находятся газ, жидкость и твердое тело, что соот¬ветствует правилу фаз Гиббса. Действительно, для однокомпонент-ной системы К=1, Ф=3 (для точки А)у и число степеней свободы С = К + 2- Ф=1+2-3 = 0, т. е. при изменении любого параметра (температуры или давления) >изойдет исчезновение одной или двух фаз (Т, Ж, П). Линия OA является кривой сублимации, она отражает условия ;хода твердой фазы в паровую, минуя жидкое состояние, или юборот (процесс десублимации). Выше давления Рт тройной точки А у но ниже давления Ркр переход из газообразного в твердое состояние может быть осуществлен только через жидкую фазу. Линия АК является кривой перехода жидкости в газообразное состояние. Точка К характеризует критическое состояние системы. При температуре выше критической исчезает различие между газом и жидкостью. Линия А В отражает условия перехода жидкости в твердую фазу не имеет конца, а продолжается безгранично вверх. Объясняется го тем, что жидкая фаза в отличие от кристаллической не имеет >го определенной структуры. Анализ условий равновесия в бинарных и многокомпонентных системах удобно проводить с помощью фазовых диаграмм в коор-1тах концентрация-температура. Для чистых веществ такие зависимости приводятся в справочной литературе. Зависимость концентрации> соответствую¬щей условиям растворимости (кривая 1) и пересыщения (кривая 2) данного вещества, от температуры. На этом рисунке можно выде¬лить три области. Область / соответствует состоянию раствора до насыщения (ниже линии насьпцения /); кристаллизации в этой области не происходит. Пунктирная линия 2 делит область пере-сьпцетгных растворов на две части—на относительно устойчивую, или метастабилъную, область II и неустойчивую, или лабильную, область III, в которой происходит массовая кристаллизация. Пересыщенные растворы с концентрациями, соответствующими области III, кристаллизуются очень быстро, почти мгновенно. В метастабильной области // пересыщенные растворы какое-то время остаются без существенных изменений, происходит только рост кристаллов, уже имеющихся в растворе. Следует отметить, что граница между областями II и III условна и зависит от ряда факторов, отмеченных выше. У растворов с резко возрастающей кривой растворимости при относительно небольшом снижении температуры насыщенного раствора от ti до t2 состояние раствора изменяется по линии c\d2 с выделением крис¬таллов по достижении концентрации d2, вследствие чего концентра¬ция раствора снижается по линии с2с*- Кристаллизацию подобных растворов целесообразно проводить их охлаждением, т.е. изо-гидрическим методом, что позволит быстро перевести состояние таких растворов от насыщения в благоприятную для кристаллиза¬ции метастабильную, а затем—в лабильную области. Если растворимость кристаллизуемого вещества очень мало зависит от температуры, то проводить процесс кристаллизации такого раствора изогидрическим методом нецелесообразно. В этом случае более рационально осуществлять кристаллизацию путем удаления части растворителя, например выпариванием, т.е. изо¬термическим методом. В промежуточном случае, когда растворимость веществ с уве¬личением температуры растет, но вяло, можно использовать как изогцдрический, так и изотермический метод пли их сочетание. Наиболее рациональный выбор метода кристаллизации таких рас¬творов может быть сделан только в результате технико-экономи¬ческого расчета.