Кристаллизационные установки: принцип действия, основные конструкции аппаратов, основы теплового расчета

По условию образования и роста кристаллов кристаллизаторы подразделяют на следующие основные типы:

1) поверхностные, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности;

2) объемные, в которых образование и рост кристаллов происходят во всем объеме аппарата;

3) смешанного типа, в которых образование и рост кристаллов происходят на охлаждаемой поверхности и в объеме аппарата.

Объемные кристаллизаторы, в свою очередь, разделяют на прямоточные (в этих аппаратах раствор и кристаллы движутся прямотоком), емкостные (в этих аппаратах с помощью мешалок происходит полное перемешивание кристаллизующейся системы) и циркуляционные (по гидродинамическому режиму они занимают промежуточное положение между прямоточными и емкостными). Циркуляционные кристаллизаторы вследствие достаточно большой их удельной производительности и высокого качества получаемых в них кристаллов находят широкое распространение в технике.

По типу создания условий пересыщения кристаллизаторы мож­но подразделить на три группы:

1) изогидрические;

2) вакуумные;

3) испарительные.

Поверхностные кристаллизаторы. На рис. 1 представлена схе­ма устройства изогидрического поверхностного вальцового кристаллизатора, который обычно используется для кристал­лизации солей с существенно снижающейся растворимостью при понижении температуры.

Рис. 1. Схема устройства вальцового кристаллизатора:

1- барабан; 2 – корыто; 3 – нож для съема кристаллов; 4 - валы;5 - паровая рубашка.

Аппарат представляет собой горизонтальный вращающийся барабан с водя­ной рубашкой, погруженный в корыто 2 с кристаллизуемым раствором. Во избежа­ние преждевременной кристаллизации корыто снабжено паровой рубашкой 5 для нагревания раствора. За один оборот барабана (со скоростью порядка 0,1 — 1 м/с) на его поверхности образуется слой кристаллов, который снимается с барабана ножом 3.

Вальцовые кристаллизаторы чаще всего применяют для крис­таллизации расплавов или из растворов с небольшим содержанием маточного раствора. К недостаткам кристаллизаторов этого типа следует отнести мелкокристалличность получаемого продукта; при этом в кристаллы обычно переходят все содержащиеся в исходном расплаве примеси.

Объемные кристаллизаторы. Этот тип кристаллизаторов полу­чил наибольшее распространение в промышленности. Наиболее простым объемным кристаллизатором периодического действия является аппарат с рубашкой и мешалкой или змеевиком.

Кристаллизатор с мешалкой (рис. 2) состоит из сосуда 1, в котором вращается мешалка 2. Охлаждающий агент (вода или рассол) движется по змеевику 3. Благодаря вращению мешалки выпадающие кристаллы не осаждаются на дне, а остаются в рас­творе во взвешенном состоянии. Такие кристаллизаторы рабо­тают периодически или непрерывно. При периодической работе аппарат заполняют раствором; по окончании кристаллизации производят разгрузку аппарата через патрубок в днище, имею­щий клапан (на рисунке не показан). При непрерывной работе соединяют последовательно несколько аппаратов, причем рас­твор перетекает из одного кристаллизатора в другой; при этом вывод раствора производится через боковой патрубок. Эти кри­сталлизаторы отличаются простотой устройства и имеют широкое распространение.

Рис. 2. Кристаллизатор емкостного типа со змеевиком и лопастной мешалкой: 1 - корпус; 2 - вал мешалки; 3 – змеевик

Кристаллизаторы такого типа изготовляют иногда срубашка­ми (вместо змеевиков) (рис. 3); чтобы устранить выпадение кристаллов на стенках аппарата (что привело бы к ухудшению теплопередачи), лопасти мешалки снабжают скебками или металлическими щетками. Для увеличения времени пребывания раствора эти аппараты часто соединяют последовательно – каскадом

Рис. 3. Объемный кристаллизатор периодического действия с мешалкой: 1 - корпус; 2 - охлаждающая рубашка; 3 - мешалка

Широкое распространение в промышленности получили разнообразные по конструкции объемные кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем кристаллов. Интенсивное перемешивание при псевдоожижении увеличивает массоперенос, что приводит к ус­корению роста кристаллов. Степень пересыщения раствора при этом достаточно быстро снижается. Если температуры и гидродинамические условия одинаковы, то в этом случае с уменьшением степени пересыщения раствора скорость роста кристаллов увеличивается быстрее, чем скорость образования зародышей. Поэтому метод псевдоожижения применяют для кристаллизации относи­тельно слабо пересыщенных растворов вблизи границы метастабильной области. При этом необходимо регулировать степень пересыщения, температуру, время пребывания кристаллов в аппа­рате. Более крупные кристаллы быстрее осаждаются на дно, а крис­таллы меньших размеров продолжают расти в псевдоожиженном слое. Тем самым в кристаллизаторах с псевдоожиженным слоем кристаллов возможно регулирование их размеров. Кристаллизацию в псевдоожиженном слое можно проводить
изогидрически или с удалением части растворителя испарением
(изотермически). На рис. 4 показана схема устройства изогидрического кристаллизатора непрерывного действия с псевдоожиженным слоем кристаллов. Исходный горячий раствор поступает во всасывающую циркуляционную трубу 6, где смешивается с маточным раствором, который циркулирует по замкнутому контуру. В холодиль­нике 4 раствор, охлаждаясь, становится пересыщенным. При поступлении раствора в корпус 1 происходят выпадение кристаллов, их рост в слое, псевдоожиженном движущимся снизу вверх раствором. Вследствие выпадения кристаллов пересыщение раствора снижается. Суспензию, включающую достаточно крупные кристаллы, непрерывно выводят из нижней части аппарата, а периодически из отстойника 3.

Рис. 4. Изогидрический кристаллизатор с псевдоожиженным слоем кристаллов: 1 - корпус; 2 - центральная труба; 3 - отстойник; 4 - холодильник; 5 - насосы; 6 - циркуляционная труба

Поверхностно-объемные кристаллизаторы. К этому типу аппара­тов можно отнести барабанные кристаллизаторы с воздушным охлаждением (рис. 5)

Рис. 5. Барабанный кристаллизатор с воздушным испарительным охлаждением: 1 - вращающийся барабан; 2 - привод; 3 - бандажи

Корпус кристаллизатора представляет собой слегка наклонный, вращающийся от привода 2 барабан 1 с бандажами 3. Горячий раствор поступает в верхний конец барабана, непрерывно перемешивается и охлаждается воздухом, движущимся проти­вотоком по отношению к движению раствора. Образующиеся на внутренней поверх­ности кристаллы (инкрустация) не влияют на производительность кристаллизатора, поскольку охлаждение раствора осуществляется при непосредственном его контакте с воздухом. Для устранения инкрустации внутри барабана во всю его длину монтируют подвижные цепи, которые при вращении барабана сбивают инкруста­цию, а образующиеся при этом кристаллы смешиваются с основной их массой в барабане.