Кристаллизация из растворов в химической промышленности - Лебедев И.В.
Скачать (прямая ссылка):
В том случае, если раствор не способен к образованию сколько-нибудь заметного пересыщения, процесс его охлаждения и кристаллизации изобразится линией ABD.
В зависимости от скорости охлаждения раствора и его способности образовывать пересыщение реальный процесс может протекать также по линиям AB'D'D или AB"D.
Изотермичвсная нристаллизация
Перевод исходного раствора, характеризуемого точкой А (см. рис. 68), в пересыщенное состояние можно осуществить и за счет частичного удаления растворителя 143
при выпаривании раствора. Такой метод получил название изотермической кристаллизации, так как выпаривание насыщенного раствора происходит при постоянной температуре его кипения.
Изменение концентрации исходного ненасыщенного раствора при выпаривании изобразится линией AEG, которая показывает, что с повышением концентрации раствора соответственно возрастает и его температура кипения. Только после перехода раствора в насыщенное состояние при концентрации С] (точка Е) температура уже больше не меняется и остается равной t\.
Понятно, что приведенное выше изображение процесса кристаллизации по линии AEG на диаграмме растворимости является условным, и точка G характеризует лишь общее пересыщение раствора, которое может быть получено при удалении из него определенной части растворителя. В большинстве случаев кристаллизация раствора при выпаривании протекает при постоянной концентрации, очень близкой к состоянию насыщения
//
для данной температуры t\.
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 (см. кривую растворимости KNO3 на рис. 23). Именно изогидрической кристаллизацией получают большинство солей с резко выраженной прямой растворимостью (NaN03, К2СГ2О7, NH4C1, CuS04 • 5НгО и др.).
В тех случаях, когда растворимость соли почти не меняется при изменении температуры, кристаллизация охлаждением становится неэффективной, и применяется изотермическая кристаллизация. Кривая растворимости, например NaCl (см. рис. 23)j
С
Рис. 68. К пояснению методов кристаллизации (см. текст).
показывает, что при охлаждении насыщенного раствора из него выпадает лишь очень небольшое количество соли, поэтому кристаллизация ХаС1 проводится всегда выпариванием.
Изотермическая кристаллизация применяется также для солей с обратной растворимостью, например для Na2S04 (см. рис. 27), растворимость которого, начиная с 32,4° С, уменьшается с повышением температуры. Для кристаллизации солей с резко выраженной обратной растворимостью иногда используют просто нагревание раствора до высоких температур. Так получают безводный кристаллический сульфит натрия Na2SC>3 [1] и сульфат марганца MnS04 [2].
На практике в ряде случаев комбинируют рассмотренные выше методы создания пересыщения. Так, при вакуум-кристаллизации раствор охлаждается за счет адиабатического испарения части растворителя. Этот метод кристаллизации особенно эффективен для солей, растворимость которых сравнительно плавно уменьшается с понижением температуры, например для КС1 (см. рис. 29), (NH4)2S04, FeS0-f7H20 и др.
Частичное испарение растворителя характерно и для некоторых кристаллизаторов охладительного типа, например, для башенных кристаллизаторов, барабанных с воздушным охлаждением, качающихся и др.
Выход кристаллов, а также количество тепла, которое необ-. ходимо отнять от раствора (или подвести к нему) при проведении процесса кристаллизации, можно определить путем составления материальных и тепловых балансов процесса.
В общем случае материальный баланс можно выразить равенством: Q^ = ^ + Q^ + w (22)
где Орас.> Омат., Окр,— количество исходного и маточного растворов и полученных кристаллов, кг;
W—количество испаренного растворителя,кг.
Материальный баланс по безводному продукту определится соотношением п г _ Г ^ г /0„.
(Jpac.(-' 1 — икрЛт “Г (-/мат.'-'2
где Сj и С2 — концентрации соли в исходном и маточном растворе;
Кт=М/Мгил_ — отношение молекулярных весов безводной соли (М) и кристаллогидрата в продукте (Жгид.).
При получении безводных кристаллов Кт= 1-
Выход соли при кристаллизации можно определить при совместном решении уравнений (22) и (23):
Орас .(Cl — C2)-\-WC2
GrP- = Кт-С, <24>
Естественно, что уравнение (24) позволяет определить теоретический выход кристаллов, т. е. при условии, что концентрация 145
10 Л. Н. Матуеепич
соли в маточном растворе (С2) соответствует его конечной температуре или что пересыщение маточного раствора равно нулю. Это условие для промышленных кристаллизаторов в большинстве случаев выполняется.
При изогидрической кристаллизации W=Q; уравнение (24) упрощается, принимая вид:
Gpac (Ci С,)
Значение С2 принимается по кривой растворимости (или из таблиц) в зависимости от конечной температуры маточного раствора.
