Кристаллизация из растворов в химической промышленности - Лебедев И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Для охлаждения растворов до более низких температур (например, при кристаллизации NH4C1) в рубашку аппарата вместо
волы можно подавать холодильный рассол, что позволяет снизить температуру маточного раствора до —5 н далее до —10° С. В этом случае для уменьшения потерь холода в окружающую среду рубашка снабжается хорошей тепловой изоляцией. Чтобы сделать процесс более экономичным, обычаи применяется двухступенчатое охлаждение: в первом аппарате горячий раствор охлаждается водой, а затем во втором кристаллизаторе охлаждается рассолом. Иногда в качестве охлаждающего агента в первом аппарате используется холодный маточный раствор, полученный из второго кристаллизатора после выделения из него кристаллов.
Кристаллизатор с охлаждающим змеевиком (рис. 71) состоит из корпуса /, быстроходной пропеллерной мешалки 2 и охлаждающего змеевика 3, который может быть одинарным, двойным или тройным.
В таких аппаратах можно развить значительно большую теплопередающую поверхность на единицу объема раствора, они имеют и более высокие коэффициенты теплопередачи вследствие увеличения скорости движения охлаждающей среды в змеевиках. Однако несмотря на эти очевидные преимущества аппараты со змеевиками применяются значительно реже, чем кристаллизаторы, снабженные рубашками. Это объясняется тем, что в процессе кристаллизации стремятся не столько интенсифицировать сам процесс, сколько получить продукт определенного гранулометрического состава. Следует также отметить, что змеевики в большей степени подвержены инкрустациям, удаление которых в ходе процесса более затруднительно.
Расчет кристаллизаторов периодического действия. Кристаллизаторы периодического действия рассчитываются аналогично обычным теплообменникам-холодильникам. Однако если в теплообменных аппаратах стремятся максимально интенсифицировать процесс теплопередачи, то в кристаллизаторах, как это уже отмечалось выше, часто специально снижают темпы охлаждения раствора, чтобы уменьшить скорость образования кристаллических зародышей и получить тем самым более крупнокристаллический продукт. К тому же при постепенном охлаждении уменьшается вероятность образования обильных инкрустаций на теплопередающих поверхностях, что в конечном счете может даже дать выигрыш в скорости процесса (когда качество продукта не имеет решающего значения).
Расчет кристаллизаторов периодического действия может быть проведен по методике, предложенной Г. П. Питерским [8, 9] для теплообмена при неустановившемся режиме.
Условия предлагаемого расчета:
1) расход охлаждающей воды (или рассола) Св, начальная температура на входе в аппарат /гн и общий коэффициент теплопередачи К в ходе процесса остаются постоянными;
2) начальная и конечная температура раствора ?1н и tiK и конечная температура охлаждающей воды t2к, отводимой из аппарата, предварительно заданы.
Количество тепла dQ, которое за время dx будет передано раствором через поверхность охлаждающей воде (теплоемкость с2), равно:
dQ = °вс2 (4 - *2н) dT - W Л*ср. dx
где ^2к — конечная температура охлаждающей воды в любой момент.
Если время протекания воды через змеевик или рубашку настолько мало, что за это время температура в кристаллизаторе может быть принята неизменной (/), то для любого момента времени средняя разность температур
. , _ (* — (2н) — (/ ~ *2к) _ *2к — (2и
in L-h» in Lz-Jf.
* — *2к *2к
t t
dQ = Gbc2{t,^-t^dx^KF-~~~-dx (31)
in Ini*»
или
lni—(31a)
*~*2к ^bc2
Поскольку для данных условий KF/Gec2 = const, то
= Л = const (32)
Уравнение (32) справедливо для любого момента охлаждения, в том числе и для конечного. Поэтому, зная конечную температуру раствора и охлаждающей воды t2к, можно вычислить соответствующее им значение А.
Количество тепла, отнимаемое от раствора (если его масса Gp, а теплоемкость с^ за любой промежуток времени dx, согласно уравнению (31) равно:
GpC, dt = KF ~~уп р-н- dx
Подставляя в это соотношение значение t'2к из уравнения (32), имеем:
п . л Iгв * (А — 1) — Atzн А — 1
Откуда
dt _ Ь'с A~ 1 H-r
t — tn ~ G9cxA In A
После умножения обеих частей последнего уравнения на величину (/ш — Лк) и соответствующих преобразований получаем окончательное расчетное уравнение теплопередачи:
Q = Орс. (Ли - Лк) = KFj • 4т^т (33)
1п 1 — 1
^1К -Лн
т. е. оно представляет собой уравнение общего вида
Q = KFx д*'р.
в котором в качестве средней разности температур принимается
м'
2 3 lg ^1н ^2Н 2.3Л lg Л
Лк — Лн
В уравнении (33) Q определяет количество тепла, отводимое от кристаллизующегося раствора, которое в общем случае может быть определено из теплового баланса аппарата. Так, еслй теплота кристаллизации q является величиной значительной, то
Q = Gpei (^1н ~ *ik) + °кР.Я = KFx At'cp
Коэффициент теплопередачи /( [в вт/(м2 ¦ град)] в общем случае может быть рассчитан из соотношения:
где ctj и а2 — коэффициенты теплоотдачи соответственно от раствора к стенке и от стенки к охлаждающей среде, вт/(м2 -град);
б2, 63—толщина слоя соли на стенке со стороны раствора, самой стенки и слоя ржавчины, окалины, ила на стенке со стороны охлаждающего агента, м;
