Кристаллизация из растворов в химической промышленности - Лебедев И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если при охлаждении раствора одновременно происходит частичное испарение растворителя с открытой поверхности (например, в качающихся кристаллизаторах, шнековых и др.), то выход кристаллов следует рассчитывать по уравнению (24), предварительно определив количество испаряющегося растворителя W.
Для определения выхода кристаллов при изотермической кристаллизации также необходимо знать количество удаленного растворителя W. Его значением обычно задаются. Тогда из уравнения (24) непосредственно находят величину GKр., причем значение С2 выбирается из таблиц или по кривой растворимости в зависимости от температуры кипения насыщенного раствора.
При изотермической кристаллизации солей с прямой растворимостью С2>С), поэтому первый член в числителе правой части уравнения (24) будет иметь отрицательное значение. В этом случае выделение кристаллов из раствора возможно лишь при соблюдении неравенства Gpac.(Ci — C2)<WC2, что и необходимо учитывать при выборе условий проведения процесса. _
Иногда при изотермической кристаллизации задаются величиной GKр., тогда уравнение (24) служит для определения количества растворителя W, которое необходимо выпарить из раствора.
Количество растворителя, удаляемого из раствора в процессе вакуум-кристаллизации, можно определить при совместном решении уравнений материального и теплового балансов.
Тепловой баланс может быть записан в виде:
^рас.с\t 1 Окр.У = GMaT c2/2 -(- GKp CKp ^2 -J-* Wi Qn0T- (25)
где tx и t2—температуры исходного и маточного растворов, °С;
cv с2 и скр. — теплоемкости исходного и маточного растворов и кристаллов, дж/(кг• град)-, q— теплота кристаллизации, дж/кг\
i — удельная энтальпия паров растворителя, дж/кг’, Qno?. — потери тепла в окружающую среду, дж.
Поскольку температура маточного раствора в вакуум-кристаллизаторах невелика (35—40° С), а коэффициент теплоотдачи к воздуху мал, то в ряде случаев величиной Qn0т. можно пренебречь.
Из совместного решения уравнений (22) и (23) получаем:
^рас. (Кт ?i)— Омат. (Кт С2)
W --- ------------р--------------- (26)
Если из уравнения (25) исключить QnoT. и подставить в него значения GKP. и W соответственно из уравнений (23) и (26), то получим:
п п c\t\Km{q— Скр.^а) — ((Km Ci) /отч
мат. = Qpac. c4iKm + Cl(q- СкрЛ) - t СKm ~ C2) ( >
Путем совместного решения уравнений (26) и (27) определяют количество растворителя W, удаляемого при вакуум-кри-сталлизации, а затем из уравнения (24) — выход соли.
Приведенное выше уравнение (25) теплового баланса характерно для процесса вакуум-кристаллизации. Для других процессов оно будет выглядеть несколько иначе.
Так, для изогидрической кристаллизации уравнение теплового баланса (в общем случае) примет вид
^pac.Ci^i -)- GKp q — GMaT -f- (JKpCKp t2 -(- Qow. -(- Wi -f- Qn0T, (28)
где Q0XJI. — тепло, отнимаемое охлаждающим агентом, дж\
Wi — член, учитывающий охлаждение раствора за счет частичного испарения растворителя.
При охлаждении раствора водой или холодильным рассолом
Qnx.i. — GBcB (tK tu) (29)
где Ов— количество охлаждающего агента, кг\ св — его средняя теплоемкость, дж/(кг • град);
К и —конечная ^ начальная температура, °С.
Совместное решение уравнений (28) и (29) позволяет определить расход охлаждающего агента GB.
Так как при изогидрической кристаллизации охлаждающая рубашка обычно располагается снаружи аппарата, то в ряде случаев Qnoт. из уравнения (28) может быть исключено.
Для изотермической кристаллизации при выпаривании раствора уравнение теплового баланса будет следующим:
^pac.Ci^i <^кр. q+Q наг. — ^мат.^2^2 “Ь^кр.скр.^2 + W4 + Q ПОТ.
(30)
где QHar—тепло, расходуемое на нагрев раствора до температуры кипения, и его упаривание.
Из уравнения (30) определяют расход тепла на проведение процесса кристаллизации. Поскольку при упаривании растворов 147
в качестве нагревателя чаще всего применяется конденсирующий пар, его расход G„ (в кг) может быть определен из уравнения:
Qnar. ~ ОпГ
где г — теплота конденсации греющего пара, дж/кг.
Кристаллизация высаливанием
При добавлении к раствору вещества,, понижающего растворимость выделяемой соли, можно вызвать пересыщение раствора и кристаллизацию. Подобный метод кристаллизации получил название высаливания.
Вещества, добавляемые в раствор, обычно имеют одинаковый ион с кристаллизуемой солью. Характерными примерами процессов высаливания являются: кристаллизация железного купороса из травильных растворов при добавлении в них концентрированной серной кислоты [1]; высаливание NaCl из рассолов за счет введения в них хлористого магния или хлористого кальция [3]; получение безводного сульфата натрия добавлением к его растворам NaCl [4]; высаливание поваренной солью хлористого бария из гидросульфидных щелоков и др. [5, 6].
Высаливающее вещество лучше вводить в раствор в виде насыщенного раствора, так как при добавлении твердого высалива-теля на нем может осаждаться кристаллизующаяся соль, что вызовет замедление или даже прекращение растворения осадителя.
В некоторых случаях для выделения соли к раствору добавляют вещества, понижающие растворимость кристаллизуемой соли. Так, для высаливания сульфата натрия из водного раствора можно использовать аммиак, метиловый или этиловый спирты и др. [7, 8]. Аналогично кристаллизуют железный купорос из травильных растворов при добавлении ацетона [1].
