Количество испаряющегося растворителя зависит от конструкции кристаллизатора и режима его работы. В одних случаях оно очень мало и его можно не учиты-вать (например, в барабанных кристаллизаторах с водя-ным охлаждением), в других случаях оно уже значи-тельно (например, в качающихся кристаллизаторах) и может быть очень существенным (например, в башен-ных кристаллизаторах). Оно особенно велико в вакуум-кристаллизаторах, в связи с чем, они иногда рассматриваются как особый тип аппаратов.
Аппараты для изогидрической кристаллизации мож-но подразделить на кристаллизаторы периодического действия, кристаллизаторы непрерывного действия и ва-куум-кристаллизаторы.
Выбор той или иной конструкции зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, требуемой произ-водительности и др. Поэтому ни об одной из рассмат-риваемых ниже конструкций нельзя говорить как об универсальной, поскольку у каждой из них свои преиму-щества и свои недостатки и каждая из них имеет свою область применения.
2.1 Кристаллизаторы периодического действия
Эти аппараты имеют сравнительно небольшую произ-водительность (от нескольких килограммов до несколь-ких десятков килограммов в час) и используются обыч-но в мелкомасштабных производствах или там, где процесс кристаллизации осуществляется от случая к слу-чаю. Они хорошо вписываются в технологическую схему, включающую в себя аппараты периодического действия.
Стационарный кристаллизатор. Стационарный кристаллизатор, называемый так, поскольку раствор в нем не перемешивается, является устаревшим и крайне редко встречающимся аппаратом. Он представляет со-бой прямоугольный, иногда суженный книзу сосуд объемом от десятков и сотен литров до 5--10 л*3. В этот сосуд заливается горячий, еще ненасыщенный раствор (чтобы предупредить его кристаллизацию в трубопроводах), который затем охлаждается вследствие естественной теплоотдачи в окружающую среду - воздух, а также за счет частичного испарения растворителя с поверхности. После охлаждения раствора до 25--ЗО'С маточ-ный раствор сливают, а выпавшие кристаллы собирают и выгру-жают вручную совками или лопатами.
Полученный продукт делится на два сорта. На вертикаль-ных стенках вырастают более чистые кристаллы по сравнению с «донными», которые захватывают механические примеси, вы-падающие из раствора на дно ящика. Чтобы получить большее количество сравнительно чистого продукта, а также облегчить его выгрузку, в кристаллизатор сверху подвешивают металличе-ские стержни или ленты, па которых осаждается такой же чи-стый продукт, что и на вертикальных стенках.
Поскольку в стационарных кристаллизаторах раствор не перемешивается и охлаждается медленно, скорость образования центров кристаллизации невелика и возникающее пересыщение расходуется на рост сравнительно небольшого количества пер-воначально образованных зародышей. В результате получают продукт, состоящий из очень крупных кристаллов (до 3--5 см в поперечном сечении), прочно сросшихся между собой в друзы. Предварительный слив маточного раствора из аппарата и боль-шой размер кристаллов делают в большинстве случаев ненуж-ной фильтрацию, и продукт после промывания водой направ-ляется в сушилку.
Стационарные кристаллизаторы обладают рядом существен-ных недостатков. Скорость кристаллизации в них чрезвычайно мала--для охлаждения раствора часто требуется несколько суток, что обусловлено малой величиной коэффициента тепло-отдачи к воздуху и образованием на стенках аппарата толстых наростов соли. Исключительно тяжелой операцией является вы-грузка кристаллов, производимая вручную. Кристаллы настолько прочно пристают к стенкам кристаллизатора, что для их уда-ления приходится применять молоток и зубило, а для больших аппаратов -- даже ломы. Причем обслуживающему персоналу, иногда приходится проводить выгрузку химически активных и токсичных веществ.
Кроме того, получаемый продукт бывает загрязнен большим количеством маточного раствора, который в виде включений захватывается растущими кристаллами, перекрывается их гра-нями при образовании друз и не может быть удален промывкой.
В силу указанных недостатков стационарные кристаллиза-торы в настоящее время применяются крайне редко. Сейчас эти аппараты почти полностью вытеснены кристаллизаторами, в ко-торых процесс осуществляется при перемешивании раствора.
Кристаллизаторы с вертикальной мешалкой. Наиболее простыми механическими кристаллизаторами яв-ляются аппараты, выполненные в виде вертикальных цилиндри-ческих сосудов с мешалкой и водяным охлаждением через ру-башку или змеевик.
Кристаллизатор с водяной рубашкой изображен на рис.1. Горячий концентрированный раствор заливается в аппарат при непрерывно работающей мешалке 2. После заполнения кристаллизатора раствором в рубашку 3 подается пода и по мере охлаждения раствор кристаллизуется. По достижении конечной температуры 30--15°С (в зависимости от температуры охлаждающей воды) суспензию через разгрузочный штуцер 4 передают на центрифугу или фильтр для отделения кристаллов от маточного раствора.
Применение мешалки, которая значительно уменьшила или даже полностью устранила образование инкрустаций на стенках аппарата, сделало возможным использование водяного охлаж-дения, более интенсивного по сравнению с воздушным. Действи-тельно, в спокойном растворе обрастание стенок толстым слоем соли с малым коэффициентом теплопроводности делает беспо-лезным водяное охлаждение.
Рис. 1. Кристаллизатор с мешалкой и водяной рубашкой: 1 - корпус аппарата; 2 - мешалка; 3 - водяная рубашка; 4 - штуцер для отвода суспензии
Перемешивание раствора и водя-ное охлаждение позволяют увеличить скорость кристаллиза-ции в этих аппаратах в 8--15 раз по сравнению со стационар-ными кристаллизаторами.
Образование инкрустаций на теплопередающих поверхностях вызвано тем, что именно у стенки раствор имеет наименьшую температуру, а, следовательно, и максимальное пересыщение. К тому же наличие готовой поверхности уже само по себе об-легчает процесс образования новой фазы. Однако, несмотря на сказанное практика промышленной эксплуатации кристаллиза-торов, а также специальные исследования показали, что увеличение скорости движения раствора существенно умень-шает, а иногда и полностью устраняет образование инкрустаций. Это объясняется не только тем, что интенсивное перемешивание выравнивает температурное поле у стенок аппарата и в объеме раствора, а тем, что оно стимулирует возникновение новых заро-дышей не в спокойном пристенном слое, а в участках наиболее интенсивного движения, т. е. в основной массе раствора.
Вещества различаются по способности образовывать кри-сталлы на теплопередающих поверхностях. В ряде случаев не-достаточно одного перемешивания раствора для устранения инкрустаций, поэтому в конструкции аппарата следует преду-смотреть механическую очистку стенок от осадка. С этой целью либо устанавливается якорная мешалка с очень небольшим зазором между лопастями и стенками аппарата, либо для пре-дупреждения заклинивания лопасти мешалки снабжают метал-лическими щитками, либо вертикальные лопасти мешалки заме-няют цепями, которые при вращении прижимаются центробеж-ной силой к стенкам.
Вообще же следует заметить, что для кристаллизаторов периодического действия образование инкрустаций не представ-ляет особенно больших эксплуатационных неудобств, поскольку эти пристенные осадки (небольшие в механических кристалли-заторах) при заполнении аппарата горячим, несколько ненасы-щенным раствором полностью растворяются.
Предупреждение образования инкрустаций на теплопередающих поверхностях способствует ускорению охлаждения и устраняет необходимость ручной выгрузки кристаллов, которые обра-зуются и растут в объеме раствора во взвешенном состоянии и легко удаляются вместе с ним из аппарата.
Сочетание интенсивного охлаждения раствора и перемеши-вания стимулирует образование центров кристаллизации. В ре-зультате в механических кристаллизаторах образуются относи-тельно мелкие (1 мм и менее), по более однородные кристаллы по сравнению с продуктами из стационарных кристаллизаторов. Эти кристаллы, растущие во взвешенном состоянии в условиях равномерного смывания раствором всех гранен, захватывают меньшее количество маточного раствора и вырастают более чи-стыми по своему химическому составу, чем крупные кри-сталлы из стационарных кристаллизаторов.
Чтобы избежать возникновения слишком большого числа центров кристаллизации и увеличить тем самым размер полу-чаемых кристаллов, охлаждающую воду в рубашку обычно по-дают не сразу после заполнения кристаллизатора горячим рас-твором, а лишь спустя некоторое время после образования пер-вичных зародышей, выполняющих в дальнейшем роль затравки.
Целесообразно также регулировать расход охлаждающей воды, увеличивая его с течением времени и оставляя при этом примерно постоянной разность температур между охлаждающей поверхностью и раствором (желательно, чтобы она не превы-шала 8 --10о С). Введение начальной выдержки горячего рас-твора и регулирование его охлаждения особенно важны для уменьшения инкрустаций на теплопередающих поверхностях.
Кристаллизатор с охлаждающим змеевиком (рис. 2) состоит из корпуса 1, быстроходной пропеллерной мешалки 2 и охла-ждающего змеевика 3, который может быть одинарным, двой-ным или тройным.
В таких аппаратах можно развить значительно большую теплопередающую поверхность па единицу объема раствора, они имеют и более высокие коэффициенты теплопередачи вследствие увеличения скорости движения охлаждающей среды в змееви-ках. Однако, несмотря на эти очевидные преимущества аппараты со змеевиками применяются значительно реже, чем кристаллиза-торы, снабженные рубашками. Это объясняется тем, что в про-цессе кристаллизации стремятся не столько интенсифицировать сам процесс, сколько получить продукт определенного грануло-метрического состава. Следует также отмстить, что змеевики в большей степени подвержены инкрустациям, удаление которых в ходе процесса более затруднительно.
Рис.2. Кристаллизатор с мешалкой и охлаждающими змеевиками:
1 -- корпус аппарата; 2 -- пропеллерная мешалка; 53-- охлаждающий змеевик.
2.2 Механические кристаллизаторы непрерывного действия
Размешивание раствора наряду с поддержанием кристаллов во взвешенном состоянии и возможностью их непрерывного от-вода из аппарата с маточным раствором позволяет перейти от периодической кристаллизации к непрерывной.
Кристаллизаторы непрерывного действия обладают значи-тельной производительностью (от нескольких сот до нескольких тысяч килограммов в час готового продукта) и обычно исполь-зуются в крупнотоннажных производствах.
Качающийся кристаллизатор. Аппарат этого типа (рис. 3), называемый также «люлькой», представляет собой длинное и неглубокое металлическое корыто 1, на котором закреплены круглые или полукруглые бандажи 2, установленные на опорные ролики 3. Кристаллизатор имеет не-большой наклон вдоль продольной оси и с помощью специаль-ного привода (на рисунке не показан) может качаться на опор-ных роликах, совершая медленные маятниковые движения.
Горячий раствор подается с одного конца кристаллизатора и, непрерывно протекая вдоль него, отводится с другого через специальное отверстие. Раствор охлаждается за счет теплоот-дачи и окружающий воздух, а также в результате частичного ис-парения растворителя через открытую поверхность аппарата.
Отношение длины корыта к его диаметру составляет обычно 10 : 1. Длина стандартных аппаратов 15 м, ширина -- 1,5 м, мощ-ность привода -- около 1 квт.
Медленное охлаждение раствора при слабом движении резко снижает скорость образования зародышей и позволяет получать очень крупные кристаллы размером от 3--5 до 10--25 мм. Это-му способствуют также устанавливаемые на дне корыта в шах-матном порядке невысокие поперечные перегородки, которые препятствуют продольному смешению раствора и увеличивают истинное время пребывания материала в аппарате. Считают, что скорость движения кристаллов вдоль корыта составляет 0,1--0,2 скорости движения маточного раствора, поэтому ка-ждый кристалл за время пребывания в аппарате многократно омывается свежим раствором.
Продвигаясь по дну корыта, кристаллы не могут срастаться между собой (как это происходит в стационарных кристаллиза-торах) и вырастают не только крупными, но и правильной фор-мы. Поскольку скорость движения раствора невелика и в аппа-рате отсутствуют вращающиеся части, полностью устраняется механическое истирание кристаллов и образование тонкодис-персных фракций. Вследствие медленного воздушного охлаждения, а также того, что движущийся раствор содержит большое количество растущих кристаллов, инкрустации на стенках аппарата не об-разуются.