Контрольная работа: Кристаллизаторы. Расчет кристаллизатора

Рис. 3. Качающийся кристаллизатор:

1 - корыто; 2 - бандажи; 3 - опорные ролики.

Качающиеся кристаллизаторы наряду с преимуществами -- возможностью получения крупных и хорошо ограненных кри-сталлов, резким уменьшением или даже полным предупрежде-нием инкрустаций -- имеют и ряд недостатков. Пары, удаляемые из кристаллизатора, попадают непосредственно в цех, увлажняя и загрязняя атмосферу. Производительность таких кристаллиза-торов невелика -- 100--150 кг/ч кристаллического продукта, что обусловлено низким значением общего коэффициента теплопере-дачи К = 6 - 12 вт/ (м² * град).

Для интенсификации испарительного охлаждения над раствором иногда продувают воздух, однако это лишь незначительно ускоряет процесс.

Шнековые кристаллизаторы. Из аппаратов этого типа наибольшее распространение полу-чили две конструкции -- с ленточной мешалкой и со шнеком.

Кристаллизатор с ленточной мешалкой (рис. 4) состоит из горизонтально расположенного корыта с полуцилиндрическим днищем, которое снаружи имеет водяную рубашку 2, а внутри -- тихоходную ленточную мешалку 3 (0,5--1,0 рад/сек), изготов-ленную из трех расположенных по спирали металлических лент и приводимую во вращение червячной передачей 4. Горячий кон-центрированный раствор по штуцеру 5 подается на один конец корыта и, постепенно охлаждаясь, проходит вдоль аппарата к сливному штуцеру 6. В этом же направлении при помощи ме-шалки проталкиваются и выпавшие кристаллы.

Для облегчения выгрузки кристаллического продукта на кон-це вала закрепляется специальная лопастная мешалка, которая хорошо перемешивает суспензию и обеспечивает ее однородный состав при сливе через штуцер 6. Охлаждающая вода в рубашку поступает через штуцер 7 и движется противотоком раствору к выходному штуцеру 8. При таком систематическом продвижении раствора без продольного смешения по длине кристаллизатора обеспечивается достаточно высокая разность температур между раствором и охлаждающей водой.

Вода в зависимости от условий производства корыто может быть закрытым или открытым. В последнем случае скорость кристаллизации несколько выше за счет частичного испарения раствори-теля.

Ленточная мешалка не только перемещает кристаллы вдоль аппарата, но и поддерживает их во взвешенном состоянии, спо-собствуя образованию хорошо сформированных и сравнительно однородных по размеру кристаллов. Однако вследствие резкого охлаждения раствора через стенку и небольшой скорости пере-мешивания в этом кристаллизаторе не устраняется возможность образования инкрустаций. Повышение же числа оборотов ме-шалки приведет лишь к выплескиванию суспензии из кристал-лизатора и к смешиванию раствора вдоль аппарата.

Установка лопастей мешалки в непосредственном соприкос-новении со стенками кристаллизатора нежелательна, так как это может вызвать заклинивание мешалки, механическое истирание кристаллов и загрязнение их и маточного раствора инородными частицами. Поэтому при кристаллизации сильно инкрустирую-щих солей кристаллизаторы приходится периодически останав-ливать для промывки.

Ширина корыта шнековых кристаллизаторов составляет обычно 600 мм. Аппарат собирается из отдельных элементов (но не более четырех) длиной 3 м. Переход охлаждающей воды из одной секции в другую осуществляется через соединительные па-трубки 9, что предупреждает вредное смешение воды вдоль всей рубашки. Если требуется еще большая производительность, то устанав-ливается несколько четырехсекционных кристаллизаторов дли-ной по 12 м. Для экономии производственной площади кристал-лизаторы обычно монтируются друг над другом, что одновремен-но обеспечивает движение раствора самотеком из аппарата в аппарат.

Применение водяного охлаждения позволяет значительно ин-тенсифицировать процесс кристаллизации. Средние значения ко-эффициентов теплопередачи колеблются в зависимости от содер-жания кристаллов в суспензии и вязкости растворов от 60 до 150 вт/(м² *град), в этом случае производительность аппаратов составляет до 1200--1600 кг/ч кристаллов. Средний размер зер-на в продукте обычно не превышает 0,4--0,6 мм.

Высокая производительность кристаллизаторов со спираль-ными мешалками, простота их устройства и обслуживания об-условили их значительное распространение в химической про-мышленности.

Кристаллизатор со шнеком отличается от ранее описанного лишь формой мешалки, выполненной из стальной ленты в виде бесконечного винта -- шнека. Для получения крупнокристаллического продукта в шнеко-вых кристаллизаторах иногда используется воздушное охлаждение, т. е. они выполняются без водяной рубашки и открытого типа для ускорения охлаждения. Переход к воздушному охлаждению, разумеется, резко снижает производительность аппарата.

Башенный кристаллизатор является аппаратом с воз-душным охлаждением. Он представляет собой (рис. 4) гра-дирню -- деревянную открытую башню-шахту 1, высота которой может достигать 25--30 м при площади сечения 20х20 м. Горя-чий раствор, подлежащий кристаллизации, разбрызгивается внутри башни специальными распылителями 2. Проходя через градирню, мельчайшие капельки раствора быстро охлаждаются вследствие теплоотдачи и частичного испарения растворителя с поверхности капель. Образовавшиеся кристаллы вместе о маточным раствором собираются в нижней части шахты и самотеком теком или при помощи насосов направляются на фильтрацию, фугование или отстаивание.

Производительность таких кристаллизаторов-градирен очень велика и в отдельных случаях достигает нескольких сотен ку-бических метров раствора в час.

Так как раствор в этих аппаратах кристаллизуется «на лету» в падающих каплях, то возможность инкрустации исключается.

Основным недостатком башенных кристаллизаторов является образование чрезвычайно мелкокристаллического продукта в ре-зультате большой скорости охлаждения каждой капли. Этим и объясняется их очень ограниченное применение.

3. Сравнение кристаллизаторов периодического действия с кристаллизаторами непрерывного действия

Периодическая кристаллизация может осуществляться в ап-паратах практически любой производительности, начиная с ла-бораторных химических стаканов и кончая огромными солевыми бассейнами, в которых кристаллизуется поваренная соль или сода вследствие естественного испарения раствора. Периодиче-ская кристаллизация обычно используется в тонкой химической и химико-фармацевтической технологии при производительности установки от 1 до 100 т готового продукта в неделю.

Процессы непрерывной кристаллизации фактически не имеют верхнего предела производительности, так как в зависимости от условий может быть установлено сколько угодно одиночных аппаратов непрерывного действия и максимального размера. Верхний предел производительности одного аппарата по кри-сталлическому продукту 100--300 т в сутки в зависимости от физико-химических свойств кристаллизуемого вещества. Ниж-ний предел производительности кристаллизатора непрерывного действия составляет примерно 50 кг/ч для кристаллов неболь-шой плотности и до 200 кг/ч для кристаллов высокой плотности. Этот предел обусловлен возможностью непрерывного вывода кристаллической суспензии по трубе приемлемого размера, обеспечивающей такую скорость движения суспензии, при которой кристаллы находятся во взвешенном состоянии. Следует учи-тывать также, что объемы пересыщенных растворов (например, фильтрата), а также скорости их движения становятся настолько небольшими, что, несмотря на изоляцию и использование тепловых рубашек, в трубопроводах происходит кристаллизация.

Кристаллизационное оборудование периодического действия, а также наиболее простые кристаллизаторы непрерывного дей-ствия изготовляются стандартного размера в расчете на опреде-ленную производительность. Чтобы приспособить оборудование для определенных целей, следует лишь незначительно изменить конструкцию отдельных деталей.

В тех случаях, когда предусматривается контроль за образо-ванием зародышей и скоростью их роста, а также при предъяв-лении жестких требований к чистоте, размеру и однородности кристаллов в продукте, проектируются специальные кристалли-заторы.

В ряде случаев установки непрерывного действия, рассчи-танные на очень большую производительность и эффективно работающие в этих условиях, могут оказаться экономически не-оправданными при проектировании их на малую производитель-ность. Стоимость затрат на проведение лабораторных опытов с целью получения основных физических данных, необходимых для технологических расчетов и для разработки конструкции кристаллизатора, фактически одинакова, независимо от того, будет ли производительность аппарата 500 или 5000кг/ч. Точно так же стоимость эксплуатации машин при изготовлении стан-дартных деталей (например, сферических днищ) практически не меняется для аппаратов различного размера. Следовательно, пег универсальной формулы для пересчета капитальных затрат с крупных установок на малогабаритные. Капитальные затраты на 1 т готового продукта изменяются обратно пропорционально производительности, эксплуатационные же расходы, составляю-щие для установки 100 т/сутки примерно 8--10% общих расхо-дов, для установки производительностью 5 т/сутки могут воз-расти до 30--40%.

Кристаллизаторы периодического действия обычно просты по конструкции. Однако такое кажущееся уменьшение капи-тальных затрат сводится на нет необходимостью устанавливать более крупные аппараты для обеспечения той же производи-тельности, что и в непрерывном процессе.

Под термином «кристаллизатор непрерывного действия» под-разумевается аппарат, который может работать непрерывно без опорожнения или остановок в течение 200--2000ч. Ни один кристаллизатор не может работать неограниченно долго, рано или поздно в каком-либо месте аппарата образуются кристалли-ческие осадки. Период непрерывной работы зависит от свойств кристаллизуемого вещества, конструкции аппарата, метода соз-дания пересыщения и квалификации обслуживающего персо-нала. Можно считать, что продолжительность работы хорошего кристаллизатора непрерывного действия составляет 8000-- 8300 ч!год, т. е. коэффициент его использования 90--95%. Про-должительность простоя кристаллизаторов периодического дей-ствия колеблется в широких пределах; эффективность их ис-пользования изменяется от 60 до 90%.

При непрерывном процессе затраты материала и труда на его переработку наиболее эффективны.

Наиболее существенно оба процесса отличаются качеством готового продукта и стоимостью технологических операций, сле-дующих за кристаллизацией. Периодический процесс, если не применять тщательного технологического и аналитического кон-троля, фактически нельзя воспроизвести точно в каждом отдель-ном цикле. Чистота и размер кристаллов, полученных в одном из них, могут быть совершенно различны, чем в других циклах; последующая обработка продукта будет связана с дополни-тельными трудностями при отделении кристаллов от маточного раствора и последующей их сушке. Возможно получение нестандартного продукта, который затем необходимо перерабатывать. При непрерывной кристаллизации, как и в любом другом непрерывном процессе, устанавливается равновесие между при-ходом и расходом энергии и вещества. Если условия процесса на входе в аппарат и на выходе из него поддерживаются по-стоянными, то на протяжении всего рабочего цикла постоян-ными остаются и условия внутри аппарата, а также качество продукта. Процесс непрерывной регулируемой кристаллизации обладает всеми достоинствами непрерывного процесса. Сама же конструкция аппарата позволяет эксплуатировать его при различных режимах. Это создает гибкость в работе установки; размер кристаллов в готовом продукте и его чистота могут быть выбраны или изменены по мере необходимости.

В процессе периодической кристаллизации раствор может затравливаться самопроизвольно или искусственно. Затравка оказывает большое влияние на гранулометрический состав кри-сталлов в готовом продукте и на их средний размер.

При непрерывной кристаллизации самозатравливание заклю-чается в непрерывном образовании новых зародышей с такой скоростью, с какой также непрерывно отводятся готовые кри-сталлы. Если количество образующихся зародышей превышает количество готовых кристаллов, их средний размер постепенно уменьшается, и наоборот. Если новые зародыши образуются в недостаточном количестве, пересыщение увеличится до такого уровня, при котором начнется произвольное образование допол-нительных центров кристаллизации.

Таблица 1. Сравнительная характеристика кристаллизаторов