Физико-химические и термодинамические основы процесса кристаллизации

Занятие № 13. Основы процесса кристаллизации

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине "Тепло-массообменное оборудование предприятий"

(к учебному плану 200__г)

Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.

Обсуждена на заседании кафедры

протокол № _____

от "_____" ___________2011 г.

Казань - 2011 г.

Занятие № 13. Основы процесса кристаллизации

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.

Кристаллизация из растворов основана на ограниченной рас­творимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимально возможное количество растворенного вещества, называется насы­щенным; если раствор содержит большее количество растворен­ного вещества, то он является пересыщенным, если же он содер­жит меньшее количество растворенного вещества, то является ненасыщенным. Пересыщенные растворы неустойчивы - из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделения кристал­лов раствор становится насыщенным. Этот насыщенный раствор, полученный в результате выделения кристаллов, называется ма­точным раствором, или маточником. Отделение маточника от кристаллов производится центрифугированием и другими мето­дами.

Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но в при­сутствии твердого вещества последнее будет растворяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Насыщенный раствор находится в равновесии с твердым веществом - он не растворяет и не выделяет его.

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.

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

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 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, при 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.

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.

Дата добавления: 2014-01-07