Физико-химические и термодинамические основы процесса кристаллизации

Занятие № 13. Основы процесса кристаллизации

Заключение

Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.

Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.

Задание для самостоятельного обучения:

1. Выпарные и кристаллизационные установки: Учеб. пособие / Конахин А.М., Конахина И.А. и др. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. [46-82]

2. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. [235-350].

Кандидат технических наук,

доцент Е.Е.Костылева

Учебные цели:

1. Рассмотреть физико –химические основы процесса кристаллизации.

2. Изучить принцип действия и основные конструкции кристаллизационных установок.

3. Ознакомиться с материальным и тепловым балансом кристаллизации.

Вид занятия: лекция

Время проведения: 2 часа

Место проведения: ауд. ________

Литература:

1. Выпарные и кристаллизационные установки: Учеб. пособие / Конахин А.М., Конахина И.А. и др. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006.- 194 с.

Учебно-материальное обеспечение:

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

№ п/п	Структура занятия	Время, мин.
1. 2. 3.	Повторение пройденного материала на лекции №12 Учебные вопросы: 1. Физико-химические и термодинамические основы процесса кристаллизации. 2. Кристаллизационные установки: принцип действия, основные конструкции аппаратов, основы теплового расчета. 3. Материальный и тепловой балансы процесса кристаллизации. Заключение

Кристаллизация - процесс вы­деления твердой фазы в кристаллическом виде из растворов или расплавов.

Процесс кристаллизации используют в различных производствах с целью выделе­ния растворенных веществ из раствора, разделения смесей на фракции при переработ­ке растворов неорганических веществ, очистки веществ от примесей.

Процесс кристаллизации происходит в две стадии: образование зародышей кри­сталлов в пересыщенном растворе, рост кристаллов или наращивание граней образовавшихся зародышей.

Если раствор однородный и свободен от примесей, то зародыши возникают при взаимодействии молекул твердого тела, имеющих пониженную кинетическую энергию. Группирование зародышей приводит к образованию центров кристаллизации. В значи­тельной мере на процесс кристаллизации оказывает влияние перемешивание раствора я его температура.

В обычных условиях ненасыщенные растворы находятся в состоянии равновесия. В процессе выпаривания такого раствора концентрация его возрастает и может быть доведена до полного насыщения.

Если такой насыщенный раствор подвергнуть дальнейшему выпариванию, то в ре­зультате нарушения равновесия в нем возникнут центры кристаллизации, а затем по мере охлаждения раствора эти зародыши начнут расти, образуя полногранные кристал­лы. Форма кристаллов оказывает существенное влияние на способ отделения их из раствора. Крупные прямоугольные и ромбические кристаллы легко отделяются при фильтрации раствора, а мелкие взвеси - в центрифугах.

В зависимости от природы веществ из пересыщенных растворов можно получать безводные кристаллы или кристаллогидраты с различным числом молекул воды. Так, при температуре 50 ^°С сульфат меди кристаллизуется в виде кристаллогидрата, а при более высокой температуре получают кристаллогидрат с меньшим содержанием молекул воды.

В любых пересыщенных растворах кристаллы будут выделяться до тех пор, пока раствор не станет равновесным, т. е. насыщенным при выбранной температуре охлаж­дения. После выделения твердой фазы из раствора получают маточник (насыщенный раствор), который возвращают в выпарной аппарат для выпаривания воды и получе­ния пересыщенного раствора.

Присутствие в растворе примесей может повышать скорость образования центров кристаллизации, однако некоторые из них способствуют уменьшению этой скорости и даже приостанавливают рост кристаллов. Иногда для ускорения образования центров кристаллизации применяют «затравку» в виде мелкого порошка растворенного веще­ства, который вводят в раствор перед кристаллизацией. Так, например, широко приме­няют «затравки» при кристаллизации сахарозы.

Регулируя температуру, при которой осуществляется процесс кристаллизации, мож­но в некоторых случаях изменять крупность полученных кристаллов.

В производственных условиях применяют два метода кристаллизации: выпаривание раствора (кристаллизацию с удалением паров растворителя) и охлаждение раствора. Первый метод применяют для веществ, у которых растворимость мало зависит от температуры либо повышается с понижением температуры, второй - для веществ, у ко­торых растворимость падает с понижением температуры.

Для проведения процесса кристаллизации применяют следую­щие способы создания пересыщения раствора:

1) охлаждение раствора применяют для кристаллизации ве­ществ, растворимость которых заметно уменьшается с пониже­нием температуры, а также для кристаллизации из расплавов;

2) испарение части растворителя применяют для кристаллиза­ции веществ, растворимость которых увеличивается или незначи­тельно уменьшается с понижением температуры; испарение про­изводится при кипении раствора в выпарном аппарате или путем
испарения в воздух при температурах ниже точки кипения;

3) комбинированный способ заключается в одновременном
охлаждении и испарении части растворителя.

Кристаллизация может производиться также путем высаливания — добав­ления в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли. Та­кими веществами являются вещества, связывающие воду (кристаллизация суль­фата натрия при добавлении спирта или аммиака), или соединения, содержащие одинаковый ион с данной солью (кристаллизация хлористого натрия при до­бавлении хлористого магния, кристаллизация железного купороса при добав­лении концентрированной серной кислоты).

Размеры кристаллов имеют значение для последующей их об­работки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаиваются, фильтруются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно более чисты, чем крупные.

В промышленности используют два основных метода кристаллизации: изотермический, в котором пересыщение раствора достигается удалением части растворителя путем выпаривания при постоянной концентрации (температура постоянна), и изогидрический, при котором пересыщение раствора достигается охлаждением раствора при сохранении массы растворителя, на что указывает название этого метода.

Изотермическая кристаллизация используется для растворов, у которых растворимость либо слабо увеличивается с ростом температуры, либо уменьшается. В этом случае охлаждение не позволяет достичь нужной степени пересыщения.

Изогидрический метод используется в случае сильного роста растворимости при увеличении температуры. В промышленности также используется комбинация этих методов – кристаллизация под вакуумом, пр которой одновременно происходит отгонка растворителя и понижение температуры.

Кроме рассмотренных основных методов кристаллизации в промышленности применяют также высаливание, при котором в раствор вводят добавки (соли, кислоты и др.), снижающие растворимость кристаллизующегося вещества.

Рассмотренные выше процессы кристаллизации включают лишь физические процессы образования кристаллической фазы. Кристаллизацию с химической реакцией называют аддуктивной. При этом в раствор добавляют реагент, образующий с выделяемым веществом комплексное соединение – аддукт. Полученное комплексное кристаллическое соединение отделяют от раствора, например фильтрованием, и затем подвергают термическому разложению, при котором целевой продукт отделяется от комплексообразователя.

Кристаллизацию можно проводить периодически или непрерывно. Периодическую кристаллизацию используют обычно в установках малой производительности. В крупнотоннажных производствах, как правило, применяют непрерывную кристаллизацию.

Процесс кристаллизации в промышленных условиях включает в себя обычно несколько последовательных стадий: подготовку раствора (доведение раствора до состояния пересыщения), собственно кристаллизацию, отделение кристаллов от маточника, промывку кристаллов и их сушку.