Министерство Образования и Науки РК
Актюбинский Государственный Университет имени К. Жубанова
ФАКУЛЬТЕТ: ТФ
КАФЕДРА: Химическая технология
Типовая работа
На тему: «Кристаллизаторы. Расчет кристаллизатора»
Актобе 2010
Содержание
Введение
1. Общие сведения. Методы кристаллизации
2. Аппараты для изогидрической кристаллизации
2.1. Кристаллизаторы периодического действия
2.2. Механические кристаллизаторы непрерывного действия
3. Сравнение кристаллизаторов периодического действия с кристалли-заторами непрерывного действия
4. Расчет кристаллизатора
Список литературы
Введение
В химической промышленности, цветной металлур-гии и многих других отраслях народного хозяй-ства кристаллизация является широко распро-страненным методом выделения компонентов из рас-творов. В силу специфических особенностей раствори-мости отдельных веществ и различия их концентраций в исходных растворах всегда можно подобрать такие условия кристаллизации, при которых получается чи-стый продукт, а нежелательные примеси остаются в ма-точном растворе. Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекри-сталлизации (растворение с последующей кристаллизацией).
Особенно большое значение процесс кристаллизации имеет в технологии минеральных солей и удобрений, где часто он определяет качество готового продукта.
В зависимости от последующего применения кри-сталлических продуктов к ним предъявляются различ-ные требования. Так, при производстве минеральных удобрений важна не столько химическая чистота полу-чаемых веществ, сколько выделение крупнокристалличе-ского и однородного по размеру зерен продукта. Такой продукт более удобен для внесения в почву, меньше сле-живается при хранении на складах; его транспортиро-вание и перегрузка связаны с минимальными потерями. При получении взрывчатых веществ и пиротехнических составов, наоборот, требуется мелкокристаллический про-дукт. В производстве химических реактивов, в химико-фар-мацевтической и кинофотопромышленности, в гальвано-технике, а также в некоторых других отраслях промыш-ленности необходимо получение веществ высокой чистоты.
В промышленности используются кристаллизаторы, различающиеся как по методу создания пересыщения, так и по способу работы. Если вопрос о качестве про-дукта в каждом конкретном случае может быть решен однозначно, то выбор конструкции аппарата, предназна-ченного для получения такого продукта, представляет собой более сложную задачу.
Тема типовой работы - кристаллизаторы. Цель работы - ознакомление с конструкциями и принципом действия аппаратов для кристаллизации; выбор кристаллизатора, подходящего в производстве хлористого натрия; проведение общей сравнительной характеристики кристаллизаторов, а также проведение расчета кристаллизаторов.
1. Общие сведения. Методы кристаллизации
Кристаллизация представляет собой процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллиза-ция из раствора) или процесс выделения твердой фазы при за-твердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава). Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекри-сталлизации (растворение с последующей кристаллизацией).
Кристаллизация из растворов основана на ограниченной рас-творимости твердых веществ. Раствор, содержащий максималь-ное количество растворенного вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насы-щенным; если раствор содержит большее количество раство-ренного вещества, то он является пересыщенным; если же он содержит меньшее количество растворенного вещества, то на-зывается ненасыщенным. Пересыщенные растворы неустойчивы: из них выделяется избыточное количество растворенного веще-ства, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделе-ния кристаллов раствор становится насыщенным. Этот насы-щенный раствор, полученный в результате выделения кристал-лов, называется маточным раствором, или маточником. Отделе-ние маточного раствора от кристаллов производится центрифу-гированием и другими методами, рассмотренными в главе 8. Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой раствор твердого вещества оно будет рас-творяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным рас-твором.
Растворимость равна концентрации насыщенного раствора и зависит от температуры, а также от свойств растворяемого вещества и растворителя. Для большинства твердых веществ растворимость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она с повышением температуры уменьшается или имеет при определенной температуре максимальное значе-ние. Процесс кристаллизации состоит из двух стадии -- образо-вания зародышей кристаллов и роста кристаллов. Образование зародышей может происходить путем самопро-извольной кристаллизации. При этом оба процесса (образова-ние зародышей и рост кристаллов) протекают одновременно. Если скорость образования зародышей больше скорости их ро-ста, получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость роста больше скорости образования зародышей, получается меньшее количество крупных кристаллов. Изменяя факторы, влияющие на скорость образования зародышей и ско-рость их роста, можно регулировать размеры кристаллов. Бы-строе охлаждение, перемешивание раствора, высокая темпера-тура и низкий молекулярный вес кристаллов способствуют обра-зованию зародышей и получению мелких кристаллов. Наоборот, медленное охлаждение, неподвижность раствора, низкая темпе-ратура и высокий молекулярный вес способствуют процессу ро-ста и получению крупных кристаллов. изогидрическая кристаллизация непрерывное действие
Кристаллизация может быть ускорена внесением затравки - мелких частиц кристаллизующегося вещества, которые и явля-ются зародышами кристаллов. В этом случае кристаллизация происходит в основном за счет роста внесенных в раствор затра-вочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико.
Размеры кристаллов имеют значение для последующей их обработки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаива-ются, отфильтровываются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно чище, чем крупные, так как последние часто содержат маточник с находящимися в нем примесями. Во избежание слеживания следует получать либо крупные кри-сталлы, либо мелкие кристаллы одинакового размера. Мелкие кристаллы разной величины, особенно кристаллическая пыль, способствуют слеживанию продукта.
Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способам его создания различают два основных метода кристаллизации:
1) охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация);
2) удаление части растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация).
Изогидрическая кристаллизация. Как уже отмечалось, растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов возникает пересыщение, обусловливающее выделение кристаллов. Этот метод получил название изогидрической кристаллизации, поскольку при его осуществлении количество растворителя (например, воды) остается постоянным.
Изотермическая кристаллизация. Испарение части растворителя применяют для кристаллизации веществ, растворимость которых увеличивается или незначительно уменьшается с понижением температуры; т.к. выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения, поэтому этот метод получил название изотермической кристаллизации.
Выбор того или иного метода кристаллизации зависит, в первую очередь, от характера изменения растворимости вещества при различной температуре. Для солей, растворимость которых резко уменьшается с понижением температуры, целесообразной является изогидрическая кристаллизация. В этом случае даже при сравнительно небольшом охлаждении раствора из него будет выделяться значительное количество соли. Именно изогидрической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью ( NaNO3, K2Cr2O7, NH4Cl, CuSO4*5H2O и др.).
В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной, и применяется изотермическая кристаллизация.
Кристаллизация высаливанием. При добавлении к раствору вещества, понижающего раство-римость выделяемой соли, можно вызвать пересыщение рас-твора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации полу-чил название высаливания.
Вещества, добавляемые в раствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характерными примерами про-цессов высаливания являются: кристаллизация железного ку-пороса из травильных растворов при добавлении в них кон-центрированной серной кислоты; высаливание NаС1 из рассо-лов за счет введения в них хлористого магния или хлористого кальция; получение безводного сульфата натрия добавлением к его растворам NаС1; высаливание попаренной солью хло-ристого бария из гидросульфидных щелоков и др.
Высаливающее вещество лучше вводить в раствор в виде на-сыщенного раствора, так как при добавлении твердого высаливателя на нем может осаждаться кристаллизующаяся соль, что вы-зовет замедление или даже прекращение растворения осадителя.
В некоторых случаях для выделения соли к раствору добав-ляют вещества, понижающие растворимость кристаллизуемой соли. Так, для высаливания сульфата натрия из водного рас-твора можно использовать аммиак, метиловый или этиловый спирты и др. Аналогично кристаллизуют железный купо-рос из травильных растворов при добавлении ацетона.
Введение органических растворителей в водные растворы не-органических солей увеличивает эффективность процесса кри-сталлизации, обеспечивая высокую степень извлечения соли из раствора и возможность получения продукта в чистом виде. Недостатком этого способа является сравнительно высокая стои-мость органических растворителей, регенерация которых тре-бует проведения дополнительных операций (например, ректифи-кации и дистилляции) и связана с некоторой потерей реагента. В органической технологии для кристаллизации из органиче-ских растворителей в качестве высаливающей добавки часто используется вода, резко снижающая растворимость кристал-лизуемых веществ.
Кристаллизация вымораживанием. В некоторых случаях кристалли-зацию проводят охлажде-нием растворов до температур ниже 0°С. Такой метод кристаллизации, называемый вымораживанием, используется преимущественно для выделения отдельных ком-понентов из естественных рассолов -- рапы соляных озер и морских заливов. Иногда способ вымораживания используется для концентри-рования растворов путем частичного удаления из них раство-рителя в виде льда. В этом случае кристаллизуется не соль, а растворитель -- вода. Концентрируя морскую воду вымо-раживанием льда, получают 8%-ный рассол (по соли), кото-рый в дальнейшем используется для получения хлористого нат-рия.
Кристаллизация в результате химической реакции. Выделение кристаллической фазы из раствора можно осу-ществить за счет пересыщения, возникающего в результате хи-мических реакций. Такой химический метод кристаллизации ис-пользуется в аналитической практике, а также в ряде химических производств.
Все перечисленные методы кристаллизации могут быть, осуществлены как в периодическом, так и в непрерывном процессе. Непрерывная кристаллизация чаще приме-няется при производительности по раствору более 20 м3/ч. Однако она становится экономически выгодной уже при производстве 1000 кг кристаллического продукта в сутки, причем ее выгодность возрастает пропорциональ-но увеличению масштабов производства.
В зависимости от способа перемешивания кристаллизационные процессы можно подразделить на кристаллизацию в спокойном состоянии, с умеренным перемешива-нием (якорная или шнековая мешалка), с интенсивным перемешиванием (пропеллерная мешалка с диффузором), с принудительной циркуляцией маточного раствора или суспензии, барботажную кристаллизацию с воздушным перемешиванием или с перемешиванием каким-либо другим газом, кристаллизацию разбрызгиванием.
Общеизвестно, что при кристаллизации в спокойном состоянии образуются крупные кристаллы, которые, одна-ко, не бывают правильными и содержат значительное ко-личество маточного раствора. Крупнозернистый продукт получают также в классифицирующих кристаллизаторах с принудительной циркуляцией маточного раствора и в некоторых конструкциях кристаллизаторов с циркуля-цией суспензии. Довольно крупные кристаллы получают и в механических кристаллизаторах. При кристаллиза-ции же разбрызгиванием образуется очень мелкий поро-шкообразный продукт.
При барботажной кристаллизации гранулометриче-ский состав выделяемого продукта может быть различ-ным в зависимости от конкретных условий ведении про-цесса. Для описания кристаллизаторов, чаще всего при-меняющихся в химической промышленности, удобно вос-пользоваться их классификацией в зависимости от способа создания пересыщения в растворе. Это позволяет не только рассмотреть конструкции кристаллизаторов, но и проследить пути их усовершенствования.
2. Аппараты для изогидрической кристаллизации
Растворимость большинства солей уменьшается с понижением температуры. Именно поэтому наи-большее распространение получила изогидрическая кристаллизация, т. е. выделение кристаллов при охлаждении горячих насыщенных растворов. В кри-сталлизаторах этого типа в результате испарения части растворителя может создаваться также дополнительное пересыщение.